DE1442765C - Verfahren zum Verdampfen waßn ger Losungen von Salzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen wäßriger Lösungen von Salzen, deren Löslichkeit in Wasser mit steigender Temperatur abnimmt, durch direkten Wärmeaustausch mit heißen Gasen.

Ein solches Verfahren dient zur Gewinnung von Frischwasser aus See- und Brackwasser. Weiter eignet es sich für die Behandlung von natürlichen und industriellen Abwässern, bei denen es darauf ankommt, die in der Lösung enthaltenen Salze zwecks weiterer Verwendung zu gewinnen.

Bekannt ist ein Verfahren der eingangs genannten Gattung, bei dem die die Salze enthaltende Lösung durch unmittelbare Berührung mit einem heißen Gas bis auf eine Temperatur unterhalb ihres Verdampfungspunktes erwärmt wird. Trotzdem setzt eine geringe Verdampfung ein. Der anfallende Dampf tritt in das heiße Gas ein, und dies verläßt mit geringem Dampfgehalt den Verdampfungsturm oder eine gleichartige Einrichtung. Der Wirkungsgrad dieses Verfahrens ist sowohl in thermischer als auch in chemischer Hinsicht gering. Die in dem heißen Gas enthaltene Wärme wird nicht vollständig zum Verdampfen der Lösung ausgenutzt, und die Trennung dieser Lösung in Salz und Dämpfe ist unvollständig (britische Patentschrift 762 083).

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die technische Aufgabe zugrunde, ein mit hohem Wirkungsgrad arbeitendes Verfahren zum Verdampfen wäßriger Lösungen von Salzen zu schaffen. Bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung liegt die durch die Erfindung hierfür gegebene Lösung darin, daß man aus der wäßrigen Lösung in einer ersten Stufe Wasser durch direkten Kontakt mit den heißen Gasen verdampft, die unverdampfe Lösung aus der ersten Stufe entfernt, den Wasserdampf und die heißen Gase aus der ersten Stufe in einer zweiten Stufe in zusätzlicher Ausgangslösung kondensiert, die nicht kondensierten Gase aus der zweiten Stufe abführt und die durch die Dampfkondensation verdünnte Lösung der zweiten Stufe einem Verdampfer zuführt.

Dies bedeutet, daß die Lösung und die heißen Gase in zwei Stufen zusammengeführt werden und damit die in den Gasen enthaltene Wärme vorteilhaft ausgenutzt wird. In der ersten Stufe weiden die Gase bis auf diejenige Temperatur abgekühlt, bei der sie gerade mit Wasserdampf gesättigt sind. Die in der ersten Stufe in den Wasserdampf eingebrachte Wärme und die noch in den heißen Gasen enthaltene Wärmeenergie werden in der zweiten Stufe zur Verdampfung zusätzlicher Ausgangslösung weiter ausgenutzt. Die ίο heißen Gase können die zweite Stufe mit der verhältnismäßig niedrigen Temperatur der in die erste Stufe eintretenden Lösung verlassen. Auf diese Weise wird die in den heißen Gasen enthaltene Wärmeenergie in bester Weise ausgenutzt.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung sieht die Erfindung vor, daß das Verfahren bei über Atmosphärendruck liegendem Druck ausgeführt wird.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Graphik und schematischer Darstellungen des Arbeitsablaufs wird die Erfindung nun weiter erläutert. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine Graphik, in der die Löslichkeit eines Salzes (Kesselstein) in Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt wird,

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Ausführungsform und

F i g. 3 die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 1 stellt die Kurve MNP die Sättigungskonzentration von Calciumsulfat zwischen Raumtemperatur und Sättigungstemperatur am atmosphärischen Siedepunkt, das heißt 100° C, dar. Der gestrichelt dargestellte Abschnitt PR jenseits P stellt eine Extrapolation in das Gebiet dar, für das Daten nicht erhältlich sind. Die Bedeutung der Punkte P und R auf der Kurve MNPR ist, daß der Punkt P die Temperatur t_s festlegt, bei der das in der Lösung vorhandene Calciumsulfat auszufällen beginnt. Der Punkt R stellt die höhere Temperatur t_f dar, bei der das in der verdünnten Lösung vorhandene Calciumsulfat, das durch c, versinnbildlicht wird, aus der Lösung auszufällen beginnt.

Das Ausfällen ist eine Funktion des Anhaftens des Salzes an einer heißen Fläche. Das Ausfällen erfolgt daher im allgemeinen bei leicht höheren Temperaturen und Konzentrationen als in der Kurve MNPR angegeben. Die Kurve N'P'VW läuft im wesentlichen parallel. Sie stellt ein Ausfällen von Calciumsulfat aus , der Lösung in Rechnung. Diese Kurve stellt die Bedingungen dar, die in einer gegebenen Vorrichtung erreicht werden. Aus dieser Kurve erkennt rrian, daß die anfängliche Ausfällung, wie sie für das ursprünglich in Seewasser vorhandene Calciumsulfat durch c_s dargestellt wird, bei einer wesentlich höheren Tem-„ peratur als der Ausfall-Temperatur /_s von t_si stattfindet. Auf ähnliche^ Weise wird verdünntes Seewasser, dessen Konzentration an Calciumsulfat durch C₁ dargestellt wird, eher am Punkt W bei der Temperatur t_fl als an dem durch t, bestimmten Punkt R eine Ausfällung ergeben. Eine weitere Beobachtung ist, daß man für eine gegebene Temperatur oder Sättigungstemperatur des in der Seewasserlösung der Temperatur i_s vorhandenen Calciumsulfate eine höhere Konzentration zulassen kann, wie sie am Punkt P' durch c_e dargestellt wird, bevor ein Ausfällen auftritt.

Fig. 2 zeigt den Ablauf des Verfahrens. Die zu verdampfende Ausgangslösung wird zuerst verdünnt

und während der Verdünnung zur weiteren Wärmebehandlung erwärmt, um den Salzanteil von der Ausgangslösung zu trennen und wiederzugewinnen.

Die Ausgangslösung, z. B. Seewasser, wird über die Leitung 10 .in einen Sprühturm 12 eingeführt. In Form von Sprühnebel 14 tritt sie in diesen ein. Das Seewasser kommt aus der Leitung 16, und ein Teil wird über das Ventil 18 in die Leitung 10 abgezweigt. In dem Sprühturm .12 wird das Seewasser mit-über eine Leitung 20 zugeführten heißen Gasen in Berührung gebracht. Die Gase, die von einem Flammrohr abströmende heiße Abgase sein können oder andere für diesen Zweck erhitzte Gase, treten durch den Sprühturm 12 durch und verdampfen einen Teil des in diesen eingeführten Seewassers. Zum Wärmeaustausch zwischen dem Seewasser und den diese berührenden Gasen sind in dem Sprühturm 12 keine besonderen Flächen erforderlich. Die Gase müssen nicht das gesamte eingeführte Seewasser verdampfen. Ein Teil des Seewassers sammelt sich am Boden des Sprühturmes 12 an, wo es durch das Bezugszeichen 22 erfaßt wird. Diese überschüssige Flüssigkeit wird

\ über die Leitung 24 und das Ventil 26 abgeleitet.

Die Temperatur des durch die Leitung 20 eingeführten Gases sollte vorzugsweise den Siedepunkt der im Seewasser enthaltenen gelösten Anteile übersteigen. Es können jedoch auch Gase mit niedrigerer Temperatur angewendet werden, solange deren Temperatur mindestens gleich der Temperatur der in den Sprühturm 12 eingeführten Flüssigkeit ist.

Die den Sprühturm 12 durchlaufenden Gase nehmen während ihres Durchganges an Feuchtigkeit zu und treten über die Leitung 28 in einen Flüssigkeits-Dampfscheider 30 ein. In dem Scheider 30 wird jegliches mitgezogene Material aus der Gasströmung entfernt und über eine Leitung 32 in den Sprühturm 12 zurückgeführt, aus dem es über die Leitung 24 abfließt. Die mit Feuchtigkeit beladenen Gase treten über die Leitung 34 in einen zweiten Sprühturm 36 ein. In den Sprühturm 36 wird zusätzlich Ausgangslösung über Sprühdüsen 38 eingeführt, die oberhalb der Gasleitung 34 angeordnet -sind.· Die über die Düsen 38 eingeführte Lösung wirkt unmittelbar auf den durch den Sprühturm 36 durchtretenden Gas-

)■ strom ein. In diesem Sprühturm ist es jedoch wichtig, daß die Temperatur der über die Sprühdüsen 38 eingeführten Ausgangslösung unter der Temperatur des über die Leitung 34 eingeführten feuchten Gases liegt. ■?■-]■'' - ■ ■ ./- :■'■-...■:,-:■■■ . . ■:-.. ■ ■ - -...·■-.■

Die im Sprühturm 36 nach oben steigenden Gase geben ihre Wärme und Feuchtigkeit an die durch die Sprühdüsen 38 eintretende. Äusgangslösung ab und werden über die Leitung 42 abgeführt, durch die sie .· in deriFlüssigkeits-Dampfscheider44 geleitet werden. Von diesem werden die Gase über'die Leitung 46 abgeführt. Mitgenommenes Material wird über die Leitung 48 in den Sprühtunn 36 zurückgeführt. . ,

Am Boden des Sprühturmes 36 bildet sich eine Lösung, die durch eine Pumpe 50 abgeführt und in einen Verdampfer 52 geleitet wird.

Über das Ventil 54 kann eine andere, zweite Ausgangslösung eingeführt werden. Sollte für den Sprühturm 12 nur diese Ausgangslösung wünschenswert sein, wird das Ventil 18 geschlossen und nur das Ventil 54 geöffnet.

Zwei Sprühtürme werden gezeigt, um den Grundgedanken der Verdünnung der Ausgangslösung von der anfänglichen Konzentration c_v, wie es in F i g. 1 gezeigt wird, auf C₁ zu-erläufern.· Falls die aus der Leitung 46 austretenden Gase zusätzliche wiederverwendbare Wärme und unverdampfte Lösung enthalten, kann es wünschenswert sein, - einen weiteren Sprühturm einzubauen, um aus den Gasen zusätzlich Wärme und Lösung abzuführen. ' >

Bei der zweiten Ausführungsform in Fig. 3 wird die Ausgangslösung über eine Leitung 10 a in den Sprühturm 12a mit Sprühdüsen 14a eingeführt.- Eine ίο Pumpe 11 liegt in der Leitung 10 a. Die heißen Gase weFden über die Leitung 20a in den Sprühturm12a eingeführt. Die Gase werden unter Druck eingeleitet. Hierzu wird Brennstoff 73 in einer Kammer 70 zum Antrieb einer Gasturbine 72 verbrannt. Diese treibt einen Luftkompressor 74 an, um Druckluft 71 der Anlage zuzuführen, wobei die austretenden Verbrennungsgase wesentliche Mengen überschüssiger Luft . enthalten. Diese Gase werden einem Nachbrenner 76 zugeführt, in den zusätzlicher Treibstoff eingeführt und verbrannt wird. Mit dieser Anlage kann Gas mit Temperaturen in der Größenordnung von 1650° C und hohem Druck erzeugt werden. Diese Gase werden über die Leitung 20a in den Sprühturm 12a ge-"::.· leitet, in dem sie die über die Leitung 10a zugeführte ' as Ausgangslösung berühren. Die noch unter Druck stehenden Gase, die aber infolge der verdampfenden Ausgangslösung, auf die sie in dem Sprühturm treffen, abgekühlt sind, gelängen über eine Leitung 28 α in einen Flüssigkeits-Dampfscheider 30a. Die Ausgangslösung, die in den Sprühturm 12 a eingeführt wird, wird mit einer solchen Geschwindigkeit eingeführt, daß sich an dessen Boden unverdampfte Lösung 22 α ansammelt. Diese wird über eine Leitung 24a und ein Ventil 26a mit einer Pegelsteuerung abgezogen, die so voreingestellt ist, daß in dem Sprühturm 12a ein gegebener Flüssigkeitspiegel aufrechterhalten wird. Die Pegelsteuerung 80 wirkt auf bekannte Art und hat die Aufgabe, die Lösung iii dem Sprühturm 12 a auf einer gewünschten Höhe zu halten, so daß die heißen Verbrennungsgase aus der Leitung 20 α den Sprühturm 12 α nicht über diesen weg verlassen können. Indem die Menge der über die Leitung 10a eingeführten Lösung und die Menge der Wärme, die über die heißen Verbrennungsgase der Leitung 20α zugeführt wird, eingestellt werden, läßt sich die Konzentration der den Sprühturm 12« über die Leitung 24 a verlassenden unverdampften Lösung steuern. Bei einigen Anwendungen wird diese Lösung wertvolle Nebenprodukte enthalten. \ ' '* In dem Scheider 30 α werden mitgenommene Feststoffteile entfernt und treten über die Leitung 32a in den Sprühturm 12a zurück. . ' ' ' .

Die aus dem Scheider 30a austretenden Gase stehen immer noch unter Druck und gelangen über die Leitung 34a in einen zweiten Sprüh turm 36 a. Ih diesem werden die in ihn eingeführten Gase weiter mit Lösung abgebraust, die für die weitere Wärmebehandlung verdünnt und erwärmt werden muß. In der Zeichnung sind drei voneinander getrennte Punkte eingezeichnet, an denen Lösung in den Sprühturm 36 a eingeleitet wird. Eine Leitung trägt das Bezugszeichen 52, da sie die aus dem Sprühturm 36 von F i g. 2 austretende Lösung aufnehmen kann. Dies ist jedoch fakultativ. Die anderen Leitungen können Lösung führen, die auf eine Zwischentemperatur erwärmt worden ist, und eine weitere Leitung kann kalte Ausgangslösung enthalten. Diese Leitungen sind mit den Bezugszeichen 52 a' und 52 a" bezeichnet.

Vom Boden des Sprühturmes 36a wird unter Druck verdünnte, warme Lösung abgeführt, die sich zur anschließenden Wärmebehandlung eignet. Eine Pegelsteuerung 82a' regelt das öffnen und Schließen des Ventils 26 a", das· in der Leitung 24 a' liegt und die Strömung der Lösung aus dem Sprühturm 36a reguliert. Die oben aus dem Sprühturm 36 α abgenommene Lösung läuft über eine Leitung 28 α' in einen Scheider 30a', und jeder in dieser enthaltende Feuchtigkeitsrest wird in diesem abgetrennt und läuft über die Leitung 32 α' in den Sprühturm 36 a zurück. Ein Rückdruckventil 84 a steuert die Geschwindigkeit der Gasabgabe und reguliert den Druck in der von dem Scheider 30a' ausgehenden Leitung 34 α'. Man wird an dieser Stelle erkennen, daß das Verfahren insoweit abgewandelt werden kann, indem die Lösung und die Gase durch weitere Sprühtürme geleitet werden, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Weiter können die in F i g. 2 und 3 gezeigten Vorrichtungen mit Vorteil in Reihe oder parallel verwendet werden, was von den angetroffenen Verhältnissen abhängt.

B e i s ρ i e 1 1

Im Sprühturm 12 werden über die Leitung 20 Brenngase eingeführt, die aus einer Verbrennung von Methan mit 50% Luftüberschuß entstehen. Die entstehenden Brenngase haben eine Temperatur von 200° C. Ebenso wird in den Sprühturm 12 über die Leitung 10 rohes Seewasser mit einer Temperatur von 21"'C cingesprüht. Die Menge des Seewassers wird so eingestellt, daß in dem Sprühturm 12 ein Konzentrat 22 entsteht, das 25 Gewichtsprozent Festteile bei einer Temperatur von 100° C enthält. Je 0,635 kg rohes Seewasser, das 3,5 Gewichtsprozent vollständig aufgelöster Feststoffe (O,126°/o CaSO₄) enthält, ergibt sich eine Ausbeute von 0,544 kg an reinem Wasserdampf. Zusätzlich zu diesem Wassergehalt wird jedoch Wasser durch die Verbrennung des Methan erzeugt, so daß jede 0,45 kg Methan — stöchiometrisch — 0,998 kg Wasser ergeben. Entsprechend ergeben die Verbrennung von 1 kg Methan und die Einleitung der von diesem stammenden Brenngase in den Sprühturm 12 bei einer Temperatur von 204° C und die unmittelbare Berührung dieser Gase mit dem Seewasser annähernd 3,4 kg Wasser für jedes Kilogramm Methan und je 1,4 kg Seewasser. Dieses Wasser tritt bei Siedetemperatur und Atmosphärendruck in Dampfform auf. Dieser Dampf wird über die Leitung 28 in den Scheider 30 und von dort in den Sprühturm 36 gegeben, wo er auf zusätzliches Seewasser trifft. Ungefähr 28,6 kg rohes Seewasser werden für jedes verbrannte Kilogramm Methan zugeführt. Dieses rohe Seewasser hat bei der Einleitung in den Sprühturm einen Feststoffgehalt von 3,5 Gewichtsprozent. Unter Berührung mit den Brenngasen und dem in diesem enthaltenen und durch die Leitung 34 zuströmenden Dampf wird das Seewasser auf einen Feststoffgehalt von 3,16 Gewichtsprozent (0,114% CaSO₄) verdünnt, wobei es eine Temperatur von 100⁰C aufweist. Dieses erwärmte, verdünnte Seewasser sammelt sich am Boden des Sprühturmes 36 an und kann von diesem über die Leitung 49 und die Pumpe 50 in den sich anschließenden Verdampfer 52 geleitet werden.

Beispiel2

Methan wird in einer stationären Turbine bei einem Druck von vier Atmosphären verbrannt. In dem Nachbrenner wird zusätzlicher Treibstoff eingeführt, so daß der Luftüberschuß auf 50% gehalten wird. Die heißen Brenngase werden in den Sprühturm 12 α geleitet, wo sie auf den Sprühnebel einer Lösung treffen, die bei einer Temperatur von 60° C 5,6 Gewichtsprozent Feststoffe enthält. Das Verhältnis der Lösung zu-dem eingeführten heißen Gas wird so geregelt, daß am Boden des Sprühturmes 12 α eine Ausbeute an endgültigem Konzentrat mit^einem Feststoffgehalt von 25 Gewichtsprozent entsteht. Das Konzentrat hat eine Temperatur von 144° C. Diese Temperatur entspricht der Sättigungstemperatur von Wasserdampf bei einem Verbrennungsdruck von 4 Atmosphären. Bezogen auf 1 kg (Mol) des in einer Turbine verbrannten Methan, das über die Leitung 73 in F i g. 3 zugeführt wird, werden bei dem in dem Sprühturm 12 a auftretenden Abbrausevorgang 291 kg Dampf erzeugt. Dieser Dampf und die in ihm enthaltene Wärme zusätzlich der Wärme der Brenngase werden über die Leitung 28a in den Scheider 30a geleitet und von dort über die Leitung 34 a in den Sprühturm 36 a gebracht. Sie treffen dort auf zusätzliche Dampf ströme, die über Leitungen 52, 52 a' und 52 a" zugeführt werden. Die sich ergebenden erwärmten, verdünnten Strömungen sammeln sich am Boden des Sprühturmes 36 a bei 40 a an und werden von dort über die Leitungen 24 a' dem sich anschließenden Verdampfer zugeleitet.

Beispiel 3

Aus der Verbrennung von Methan unter Druck einer Turbine werden heiße Gase über die Leitung 34 a in den Sprühturm 36 a geleitet, wo sie ihrerseits nach und nach auf kältere Strömungen auftreffen, die über die Leitungen 52, 52 a' und 52 a" zugeführt werden. Die über die Leitung 34 a' zugeführte Lösung wird durch die Strömungen 52, 52 a' und 52 a" absorbiert, um unter Druck erwärmt und gleichzeitig verdünnt zu werden, um Ausgangsstoff für eine weitere Wärmebehandlung zu erzeugen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verdampfen wäßriger Lösungen von Salzen, deren Löslichkeit in Wasser mit steigender Temperatur abnimmt, durch direkten Wärmeaustausch mit heißen Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß man aus der wäßrigen Lösung in einer ersten Stufe Wasser durch direkten Kontakt mit den heißen Gasen verdampft, die unverdampfte Lösung aus der ersten Stufe entfernt, den- Wasserdampf und die heißen Gase aus der ersten Stufe in einer zweiten Stufe in zusätzlicher Ausgangslösung kondensiert, die nicht kondensierten Gase aus der zweiten Stufe abführt und die durch die Dampfkondensation verdünnte Lösung der zweiten Stufe einem Verdampfer zuführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es bei über Atmosphärendruck liegendem Druck ausgeführt wird.