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DE102020128823B3 - Verfahren zum Reinigen von lösungsmittelhaltigen industriellen Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung - Google Patents

Verfahren zum Reinigen von lösungsmittelhaltigen industriellen Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung Download PDF

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DE102020128823B3
DE102020128823B3 DE102020128823.9A DE102020128823A DE102020128823B3 DE 102020128823 B3 DE102020128823 B3 DE 102020128823B3 DE 102020128823 A DE102020128823 A DE 102020128823A DE 102020128823 B3 DE102020128823 B3 DE 102020128823B3
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industrial waste
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Jutta Hinz
Manfred Schnell
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Kmu Loft Cleanwater GmbH
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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Reinigen von lösungsmittelhaltiger industrieller Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung ist in einer Zuführleitung 3 b für das Destillat ein Anschluss für einen Dampferzeuger DE vorgesehen ist, mit dem dem Behälter 100 Wasserdampf zugeführt werden kann. Dadurch können auch Abwässer, die potentiell brennbare Lösungsmittel enthalten, ohne aufwendige Zusatzmaßnahmen gereinigt werden (Fig. 2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von lösungsmittelhaltigen industriellen Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung.
  • Lösungsmittelhaltige Abwässer fallen in vielen Industriebereichen an, wie z. B. bei Produktionsprozessen in Chemie-, Pharma-, Kosmetikbranche, Reinigungs- und Entfettungsprozesse in der Oberflächentechnik, bei der Gebäudereinigung, Bodenputzwasser sowie in der Entsorgungsbranche bei Abfallgemischen.
  • Ein bekanntes Verfahren zum Reinigen von industriellen Abwässern ist das Eindampfen des Abwassers in einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung. Dabei wird das Abwasser in einem Behälter unter Vakuum verdampft und anschließend komprimiert damit es in den Wärmetauscher-Rohren eines Behälters kondensiert. Die im Destillat enthaltene Wärmeenergie wird dazu verwendet, das noch nicht gereinigte Abwasser zu erhitzen. Dieses Verfahren im englischen auch als MVR (mechanical vapour recompression) bezeichnet, ermöglicht einen hohen Reinigungsgrad des Abwassers bei einem geringen Energiebedarf, da hier quasi ein offener Wärmepumpenkreislauf verwendet wird.
  • Werden Abwässer mit potentiell brennbaren Lösemittel verdampft, kann nicht ausgeschlossen werden, dass sich eine explosionsfähige Atmosphäre in der Dampfzone ausbildet.
  • Mit den bekannten Vakuumverdampfersystemen mit direkter Brüdenverdichtung, die keine besonderen Ex-Schutz Maßnahmen aufweisen, dürfen deshalb keine Abwässer gereinigt werden, die potentiell brennbare Lösungsmittelgemische enthalten.
  • Ex-Schutz-Maßnahmen sind sehr aufwendig und sehr teuer. Dabei sind strenge Vorschriften hinsichtlich der Bauart sowohl konstruktiv als auch beim Einsatz aller benötigten elektrischer Betriebsmittel (Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik Einrichtungen) zu beachten.
  • Bei vielen Anwendungen ist von vorneherein nicht zu jedem Zeitpunkt nachvollziehbar, ob im Abwasser brennbare Stoffe in einer gefährlichen Konzentration überhaupt enthalten sind (z.B. bei nicht bestimmungsgemäßen Abläufen, bei Havarien oder bei Sammelentsorgungen von Abfallgemischen). Hier müssen aufwendige Analysen durchgeführt werden, um eine Entscheidung treffen zu können, ob das vorliegende Abwasser überhaupt in einer solchen Anlage gereinigt werden darf.
  • Die DE 1 444 321 A offenbart eine Vorrichtung zur Behandlung von Speiseflüssigkeit, bei der das Speisewasser durch eine Rohrleitung eingelassen wird und durch mehrere Wärmetauscher sowie ein Ventil strömt. Nach dem Durchströmen des Ventils strömt das Speisewasser zu einer T-Verzweigung, an der dem Speisewasser eine Chemikalienlösung zugesetzt werden kann. Das Gemisch aus Speisewasser und Chemikalienlösung wird über eine Abzweigung, an der dem Gemisch im Kreislauf geführtes Speisewasser zugegeben wird, durch einen Heizer geleitet, in dem das Gemisch einem indirekten Wärmetausch mit Niederdruckdampf unterworfen wird. Schließlich wird das Gemisch über Spritzdüsen eines Spritzdüsenverteilers auf Heizflächen in einer Verdampfungskammer aufgesprüht und dabei verdampft. Ein Dampfkompressor komprimiert aus der Verdampfungskammer abgezogenen Dampf. Destillat wird über eine Rohrleitung abgelassen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Reinigen von lösungsmittelhaltigen industriellen Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere zur Reinigung von Abwässern, die potentiell Anteile brennbarer Lösemittel enthalten, geeignet ist, wobei das Verfahren kostengünstig durchführbar sein soll.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die im unabhängigen Verfahrensanspruch angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
  • Bei einer Vorrichtung zum Reinigen von lösungsmittelhaltigen industriellen Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung ist ein externer Dampferzeuger vorgesehen, mit dem zu jedem Zeitpunkt, Wasserdampf in den Behälter eingelassen werden kann, um eine ausreichende Inertisierung zu gewährleisten.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet den zusätzlich generierten Dampf in bestimmten Prozess-Situationen, um eine ausreichende Inertisierung zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten.
  • Dadurch kann sich keine explosionsfähige Atmosphäre im Behälter ausbilden.
  • Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine herkömmliche Vorrichtung zum Reinigen von industriellen Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung
    • 2 eine Vorrichtung zum Reinigen von lösungsmittelhaltigen industriellen Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung mit einem Dampferzeuger zur Inertisierung
    • 3 eine Vorrichtung zum Reinigen von lösungsmittelhaltigen industriellen Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung mit einem Dampferzeuger für einen zusätzlichen Energieeintrag in den Verdampferprozess
  • 1 zeigt eine Vorrichtung zum Reinigen von industriellen Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung 1 mit einem Behälter 100, in dem die industriell verunreinigte wässrige Flüssigkeit (Abwasser/Prozesswasser) behandelt wird. Über eine Zuführleitung 3a, 3b wird die wässrige Flüssigkeit dem Behälter 100 zugeführt. Zwischen den Leitungsabschnitten 3a, 3b ist ein Kondensatkühler 40 vorgesehen, der als Vorwärmer dient. Der Behälter 100 weist im Wesentlichen eine Verdampfer-/Kondensatoreinheit 20 und einen Nebelabscheider 30 auf. Über die Ablaufleitung 5, unterteilt in mehrere Leitungsabschnitte 5a, 5b, 5c, 5d, wird der gereinigte Wasserdampf über einen Brüdenverdichter 10 abgepumpt. Der Brüdenverdichter (Kompressor) 10 sorgt für die zur Verdampfung/Kondensation notwendigen Druckverhältnisse in dem Vakuumverdampfersystem (Destillationsanlage) 1. Der Leitungsabschnitt 5b der Ablaufleitung führt zu der Verdampfer-/Kondensatoreinheit 20 an der der Wasserdampf kondensiert. Über den Leitungsabschnitt 5c wird das Kondensat dem Kondensatkühler 40 zugeführt. Der Kondensatkühler 40 dient gleichzeitig als Vorwärmer für das über die Zuführleitung 3 zufließende Abwasser/Prozesswasser. Im Bodenbereich 100a des Behälters 100 befindet sich der sogenannte Verdampfersumpf.
  • In der Ablaufleitung 5a vor dem Brüdenverdichter kann noch ein Pulsationsdämpfer vorgesehen sein.
  • Die Destillationsanlage 1 lässt sich in drei Bereiche einteilen. Einen Verdampfungsbereich, der durch die Oberfläche der Verdampfer-/Kondensatoreinheit 20 vorgegeben ist, einen Kondensationsbereich, der durch das Innere der Verdampfer-/Kondensatoreinheit 20 vorgegeben ist und einen Dampfbereich, in dem vorwiegend Wasserdampf vorliegt, der den oberen Bereich des Behälters 100 und die Ablaufleitungen 5a, 5b umfasst. Die Destillationsanlage 1 funktioniert wie folgt. Die Verdampfung des industriellen Abwassers verläuft bei dieser Destillationsanlage 1 unter Vakuum, also bei einer niedrigeren Siedetemperatur als unter atmosphärischem Druck. Der Verdichter 10, eine Drehkolbenvakuumpumpe, verdichtet die Dämpfe auf Umgebungsdruck und führt sie auf die Kondensationsseite des Wärmetauschers, dort kondensiert der Dampf außen an den Rohren der Kondensatoreinheit 20 (Wärmetauscherflächen). Die freiwerdende Kondensationswärme wird über die Wärmetauscherfläche dem Verdampfungsprozess zugeführt.
  • Das aus der Anlage ablaufende Destillat wärmt in einem Wärmetauscher 40, gegebenenfalls auf mehrere Wärmetauscher erweiterbar, das zugeführte Schmutzwasser auf ca. 50 bis 80 °C vor und schließt damit den Wärmekreislauf des Systems.
    Die Behältergröße des Behälters 100 liegt bei ca. 30001. Bei dieser Behältergröße kann im Betrieb 20001 Destillat pro Stunde produziert werden. Das Abwasser hat typischerweise einen Wasseranteil von 90% oder höher. Vakuumverdampfersysteme mit direkter Brüdenverdichtung weisen typischerweise eine Behältergröße von 0.5-5 cbm auf und besitzen eine Verdampferleistung von 60l/h - 3000l/h Destillat.
  • In 2 ist eine Vorrichtung zum Reinigen von lösungsmittelhaltigen industriellen Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung dargestellt, mit der Wasserdampf dem Behälter 100 zugeführt werden kann, um eine Explosionsgefahr auszuschließen. Hierzu ist im Unterschied zu der in 1 dargestellten Vorrichtung, in der Zuführleitung 3 b ein Anschluss für einen Dampferzeuger DE vorgesehen. In den einzelnen Leitungsabschnitten können noch weitere Ventile angeordnet sein, die der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Die gesamte Destillationsvorrichtung wird über eine Steuerung (z. B. eine SPS) gesteuert. Die Ventile, der Brüdenverdichter 10 und der Dampferzeuger DE werden entsprechend angesteuert. Zusätzlich sind noch an verschiedenen Stellen Drucksensoren bzw. Temperatursensoren angeordnet, die wichtige Informationen für den Steuerungsprozess liefern.
  • In 3 ist eine Vorrichtung zum Reinigen von lösungsmittelhaltigen industriellen Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung dargestellt, mit der zusätzlich Energie für den Verdampferprozess zur Verfügung gestellt werden kann. Hierzu ist im Unterschied zu der in 1 dargestellten Vorrichtung, in der Zuführleitung 5b ein Anschluss für einen Dampferzeuger DE vorgesehen. In den einzelnen Leitungsabschnitten können noch weitere Ventile angeordnet sein, die der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Die gesamte Destillationsvorrichtung wird über eine Steuerung (SPS) gesteuert. Die Ventile, der Brüdenverdichter 10 und der Dampferzeuger DE werden entsprechend angesteuert. Zusätzlich sind noch an verschiedenen Stellen Drucksensoren bzw. Temperatursensoren angeordnet, die wichtige Informationen für den Steuerungsprozess liefern.
  • Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung näher erläutert.
  • In Abwässern unterschiedlichster Herstellungs- Bearbeitungs- und Produktionsprozesse sind häufig Lösungsmittel vorhanden. Viele Lösungsmittel haben einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser. Wenn das lösungsmittelhaltige Abwasser in einer herkömmlichen Destillationsanlage 1 in der Verdampfereinheit 20 aufgeheizt wird, werden die enthaltenen Lösungsmittel, welche einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser aufweisen, zuerst verdampft bzw. es können sich entzündbare Atmosphären ausbilden, wenn Temperaturen über dem Flammpunkt erreicht werden. Eine Explosion mit gefährlichen Auswirkungen kann auftreten, wenn die folgenden vier Voraussetzungen gleichzeitig erfüllt sind:
    • - Hoher Dispersionsgrad der brennbaren Stoffe
    • - Konzentration der brennbaren Stoffe in Luft innerhalb ihrer Explosionsgrenzen
    • - Gefahrdrohende Menge explosionsfähiger Atmosphäre
    • - Wirksame Zündquelle
  • Eine Explosionsgefahr besteht, wenn die Lösungsmittelkonzentration in der Verdampfereinheit 30 die untere Explosionsgrenze (UEG) für das betreffende Lösungsmittel überschreitet und dabei Luftsauerstoff und eine Zündquelle vorhanden sind. Eine Explosionsgefahr ist nicht mehr gegeben, wenn die Lösungsmittelkonzentration in der Verdampfereinheit 30 für das betreffende Lösungsmittel die obere Explosionsgrenze (OEG) überschreitet.
  • Mit dem Dampferzeuger DE wird sichergestellt, dass die Grenzkonzentration des Sauerstoffs in der Verdampfereinheit 30 so weit gesenkt wird, dass eine Explosionsgefahr sicher durch die Inertisierung mit Wasserdampf vermieden wird.
  • Die Explosionsgrenzen verändern sich jedoch in Abhängigkeit des Lösungsmittels entsprechend den Bedingungen der Umgebung wie Druck und Temperatur.
  • Beispielhaft sind Ethanol (CAS 64-17-5, EG 200-578-6), Isopropanol (CAS 67-63-0, EG 200-661-7), 2-Butanol (CAS 78-92-2, EG 201-158-5) und Aceton (CAS 67-64-1, EG 200-662-2) genannt, da diese Lösungsmittel häufig in der Industrie verwendet werden, und einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser haben. Die Kenngrößen dieser Lösungsmittel sind in der folgenden Tabelle aufgelistet:
    Ethanol Isopropanol 2-Butanol Aceton
    Molarmasse (g/mol) 46,1 60,1 74,1 58,1
    Siedepunkt (bei Normbedingungen) (°C) 78 82 99 56
    Flammpunkt (°C) 12 12 23 < -20
    Zündtemperatur (°C) 400 425 390 527,5
    UEG (% vol) 3,1 2 1,65 2,5
    OEG (% vol) 27,7 13,4 11 14,3
  • Unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration (SGK) ist eine Explosionsgefahr nicht gegeben. Mit dem Dampferzeuger DE wird, bevor der Verdampferbetrieb aufgenommen wird, Wasserdampf erzeugt und dem Behälter 100 zugeführt. Beim Anfahren des Vakuumverdampfers wird langsam das Abwasser zugeführt und dann der Druck auf den stationären Zustand von circa 680 mbar und 90 °C angehoben. Mit dieser Vorgehensweise wird im Inneren des Vakuumverdampfers sicher eine Sauerstoffkonzentration von kleiner 8 Vol.% erreicht. Vergleichbares gilt für die Freisetzung explosionsfähiger, gelöster Gase aus wässrigen Mischungen.
  • Auch bei gefährlichen Lösungsmittelkonzentrationen sind bei der Erfindung keine aufwendigen Maßnahmen z.B. gemäß den ATEX-Richtlinien erforderlich. Dies gilt natürlich nur für den Innenbereich der Verdampferanlage und nicht für die Umgebung oder andere Anlagenteile in der direkten Umgebung. Die Erfindung ermöglicht ein einfaches kostengünstiges Reinigen von lösungsmittelhaltigen industriellen Abwässern ohne großen Aufwand. Eine aufwendige Analyse des Abwassers ist nicht erforderlich. Mit der Erfindung können auch bestehende Anlagen einfach umgerüstet werden, um diese explosionssicher zu machen. Die Erfindung ist sowohl für Zwangsumlaufverdampfer wie auch für Naturumlaufverdampfer geeignet.
  • Durch den zusätzlichen Dampferzeuger ist ein sicheres und schnelles Anfahren der Verdampferanlage möglich. Zusätzlich kann bei einem Stillstand z. B. zur Entleerung oder zur Reinigung Wasserdampf zugeführt werden, um einen möglichst schnellen Druckausgleich zu bewerkstelligen.
  • Die wesentlichen Aspekte der Erfindung sind nachfolgend nochmals zusammengestellt.
  • Dampf-Inertisierung von Vakuumverdampfern
    1. 1. Start / Anfahren Vor dem Start des Verdampferbetriebs wird der Behälter 100 (Verdampfungsraum) mit Wasserdampf befüllt. Der Dampf wird von einen externen Dampferzeuger DE in den Innenraum des Verdampfers geführt, bis dieser vollständig mit Dampf gefüllt ist. Die externe Dampfzufuhr schließt, der Brüdenverdichter 10 (Vakuumpumpe) startet und evakuiert das System. Der Verdampfer befüllt sich wie gehabt mit Schmutzwasser und der Standard-Verdampfungsprozess beginnt.
    2. 2. Abschalten / Abfahren / Stillsetzen Der Verdampfer arbeitet bei einem Unterdruck zwischen 300 - 500 mbar. Nach dem Abschalten stoppt die Vakuumpumpe, das System steht aber nach wie vor unter Unterdruck. Das Ventil zum externen Dampferzeuger DE öffnet, Dampf strömt ein und sorgt für den Druckausgleich zur Atmosphäre. Danach kann der Inhalt (Konzentrat) des Verdampfers gefahrlos ausgetragen werden.
    3. 3. Ungeplantes Abschalten / Stillsetzen sollte der Verdampfer ungeplant durch Störung, Not-Aus etc. stillgesetzt werden, folgt der Verdampfer dem gleichen Verfahrensablauf wie beim geplanten Abfahren. Nach dem Stillsetzen stoppt die Vakuumpumpe, das System steht aber nach wie vor unter Unterdruck. Das Ventil zum externen Dampferzeuger öffnet, Dampf strömt ein und sorgt für den Druckausgleich zur Atmosphäre.
    4. 4. Anfahren nach ungeplantem Stillsetzen Vor dem Anfahren des Verdampfers wird der Verdampfungsraum mit Dampf befüllt. Der Dampf wird von einen externen Dampferzeuger in den Innenraum des Verdampfers geführt, bis dieser vollständig mit Dampf gefüllt ist. Die externe Dampfzufuhr schließt, die Vakuumpumpe startet und evakuiert das System. Wenn nach dem Stillsetzen der Inhalt (Konzentrat) ausgetragen wurde, befüllt sich der Verdampfer wie gehabt mit Schmutzwasser und der Standard-Verdampfungsprozess beginnt. Wenn nach dem Stillsetzen der Inhalt (Konzentrat) nicht ausgetragen wurde, führt der Verdampfer den Standard-Verdampfungsprozess an dem Punkt weiter an dem er stillgesetzt wurde.
  • Der Dampferzeuger DE gemäß 2 wird nur kurzzeitig beim Anfahren der Anlage bzw. bei einem Anlagenstopp benötigt. Denkbar ist es aber auch, mit Wasserdampf zusätzlich Energie in das Verdampfersystem zur Unterstützung einer weiteren Entwässerung/Eindickung des Eindampfungsrückstandes am Zyklusende, wenn der Prozess der mechanischen Brüdenverdichtung normalerweise ineffektiv wird und zum Erliegen kommt, zu bringen. Durch Installation einer zweiten Dosierstelle für Wasserdampf im Bereich der Leitung 5b, die mit dem gleichen Dampferzeuger wie in 2 oder einem separaten Dampferzeuger DE verbunden sein ist, kann über die Kondensationsenergie des eingespeisten Dampfes „indirekt“ zugeheizt werden, um dadurch weiteres Wasser aus dem Zwangsumlauf auszutreiben, ohne den Prozess dabei zu unterbrechen. Dadurch ergäbe sich eine zuschaltbare „Eindicker“-Funktion innerhalb einer Anlage. Ein Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung kann auch, wenn keine Explosionsgefahr besteht, nur mit der zweiten Dosierstelle betrieben werden, wenn eine Eindickung gewünscht ist. Im Stand der Technik ist keine einfach Lösung bekannt, die eine weitere Entwässerung/Eindickung des Eindampfungsrückstandes erlaubt. Dieser Teilaspekt stellt deshalb eine separate Erfindung dar.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Reinigen von lösungsmittelhaltigen industriellen Abwässern mit einem Vakuumverdampfersystem mit direkter Brüdenverdichtung mit folgenden Verfahrensschritten: a. Generierung von Wasserdampf mit einem Dampferzeuger (DE) b. Abschalten des Dampferzeugers (DE) c. Zuführung des zu reinigenden Abwassers und Aufnahme des Verdampferbetriebs, wobei die Sauerstoffkonzentration während des Verdampferbetriebs aufgrund der Schritte a und b unter 8 Vol.% bleibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Verdampfersystem im normalen Verdampferbetrieb bei 500-700 mbar liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende eines Reinigungszyklus, durch Zuführung von Wasserdampf eine weitere Entwässerung/Eindickung des Eindampfrückstands erzielt wird.
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