CH644529A5

CH644529A5 - Verfahren zur verdunstung von wasser aus waessrigen loesungen.

Info

Publication number: CH644529A5
Application number: CH54580A
Authority: CH
Inventors: Manfred Gress
Original assignee: Schering Ag
Priority date: 1979-01-25
Filing date: 1980-01-23
Publication date: 1984-08-15
Also published as: BE881348A; ATA37280A; IT1130895B; AT392056B; SE8000569L; GB2044115A; FR2447351B1; GB2044115B; FR2447351A1; JPS6330075B2; JPS55124584A; IT8019386A0; US4310382A; DE2903008C2; CS228124B2; NL8000189A; DE2903008A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdunstung von Wasser aus wässrigen Lösungen.

In vielen Fällen ist es erwünscht, den Wasseranteil einer Flüssigkeit zu verringern oder auch ganz zu beseitigen. Manchmal steht dabei die Gewinnung des Wassers im Vordergrund, überwiegend ist man jedoch an der verbleibenden Restflüssigkeit interessiert. Hier haben sich insbesondere auf dem Gebiet der Wertstoffrückgewinnung neue Aufgaben ergeben, Wasser aus Flüssigkeiten zu entfernen, welche diese Wertstoffe enthalten.

Beispielsweise ist man in der Galvanotechnik bemüht, aus dem für die Spülvorgänge erforderlichen Wasser die Wertstoffe zurückzugewinnen. Dazu ist es erforderlich, die Wertstoffe vom Wasser zu trennen oder den Wasseranteil so weit zu verringern, dass bei der Rückführung in das Aktivbad die eingebrachten Wassermengen nicht grösser sind als die beispielsweise durch Verdunsten an dessen Badoberfläche auftretenden Wasserverluste. Bei Metallrückgewinnung aus Spülbädern auf elektrolytischem Wege lässt sich beispielsweise erst durch Eindicken der Lösung eine Rückgewinnung wirtschaftlich durchführen.

Die Anwendung dieses Verfahrens bietet neben der Wertstoffrückgewinnung den Vorteil, dass keine Kosten für die Reinigung und ggf. Entgiftung von Abwasser anfallen.

Bei Aktivbädern, die bei Temperaturen von etwa 60 °C und mehr betrieben werden, ist es bei Anwendung geeigneter Spültechniken, wie Mehrfach-Kaskadentauchspülung oder Mehrphasen-Spritzspülung, möglich, die gesamte, relativ geringe Spülwassermenge mit den in ihr enthaltenen Wertstoffen in das Bad zurückzuführen, weil an seiner Oberfläche entsprechend viel Wasser verdunstet.

Wird dagegen das Aktivbad bei niedrigeren Arbeitstemperaturen betrieben, ist eine Rückführung des Spülwassers nicht möglich, weil sonst das Volumen des Bades ständig zunehmen würde.

Im Hinblick auf die Rückgewinnung von Wertstoffen und die Einsparung von Kosten für die Behandlung des anfallenden Abwassers ist es dann in vielen Fällen wirtschaftlich, einen dem benötigten Spülwasservolumen entsprechenden Wasseranteil mit Hilfe separater Einrichtungen zu verdunsten oder zu verdampfen.

In manchen Fällen entsteht durch den im Aktivbad ablaufenden Prozess Überschusswärme, die ohnehin abgeführt werden muss.

Dies ist bei verschiedenen Elektrolysevorgängen in wässrigen Lösungen der Fall. Hier ist es möglich, die Kühlung des Bades mit dem Verdunsten eines Anteils von Wasser zu kombinieren, wodurch dann das wertstoffhaltige Spülwasser zurückgeführt werden kann. (DE-AS 1 962 249)

Liegt dagegen die Aufgabe vor, aus einer Flüssigkeit mit niedrigem Temperaturniveau Wasser auszutreiben, ohne dass aus einem Prozess Energie zur Verfügung steht, geht bei den bisher üblichen Verfahren die für das Verdunsten oder Verdampfen aufzuwendende Energie verloren. Dazu entstehen hohe Kosten für die erforderlichen Geräte, und die zum Verdampfen des Wassers bei Atmosphärendruck erforderliche Temperatur ist für die Wertstoffe oft schädlich. Man kann zwar diese Temperatur reduzieren, indem man den Druck über die Flüssigkeit absenkt, doch steigt bei Anwendung dieser sogenannten Vakuumverdampfung der apparative Aufwand erheblich, so dass eine Wirtschaftlichkeit für den Einsatz dieses Verfahrens oft nicht mehr gegeben ist.

Bei Anwendung des Verdunstungsprinzips werden grosse Luftmengen benötigt, die in der Lage sind, bei dem Zustand, in dem sie vorliegen, zusätzlich Feuchtigkeit aufzunehmen. Da jedoch die atmosphärische Luft oft schon nahezu mit Feuchtigkeit gesättigt vorliegt, muss beispielsweise durch Erwärmen der Luft die Voraussetzung geschaffen werden, weitere Feuchtigkeit aufzunehmen und abzutransportieren. Auch hierbei geht die aufzuwendende Energie verloren, und die anfallenden Kosten verbieten in vielen Fällen die Anwendung des Verfahrens. Ein weiterer entscheidender Nachteil der Abluftverdunstung liegt häufig in der chemischen Umsetzung, beispielsweise Karbonatbildung, zwischen Bestandteilen der Luft, beispielsweise Kohlendioxid, und der einzudickenden Lösung.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, die mit zusätzlicher Feuchtigkeit beaufschlagte Luft nicht direkt ins Freie zu blasen, sondern über einen Kondensator zu führen, wobei dann das Wasser in reiner Form zurückgewonnen und ebenfalls wiederverwendet werden kann (DE-OS 2 656 103). Hierbei geht zwar die in der Feuchtigkeit latente Wärme auf den Kondensator über, doch liegt diese auf einem Temperaturniveau vor, das eine weitere Nutzung nach den bisher üblichen Methoden nicht ermöglicht. Ausser der Rückgewinnung des Wassers bringt der Aufwand für den Kondensator keine Vorteile. Für seinen Betrieb ist dazu meist noch der Einsatz einer Kältemaschine erforderlich, da mit vorhandenem Kaltwasser die für die Kondensation der Feuchtigkeit aus der Luft notwendige niedrige Temperatur nicht erreichbar ist.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die geschilderten Nachteile zu vermeiden und neben der Entfernung von Wasser aus wässrigen Lösungen die nahezu völlige Rückgewinnung der eingesetzten Energie zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren zur Verdunstung von Wasser aus wässerigen Lösungen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das zur Aufnahme des Wassers erforderliche Gas im Kreislauf über einen Erhitzer 10 und eine Kühlvorrichtung 8 geführt wird, indem das Gas hinter dem Erhitzer 19 durch die wässrige Lösung 19 geleitet und die hierbei aufgenommenen Wassermengen in der Kühlvorrichtung 8 anschliessend kondensiert und die hierbei freiwerdende Wärmemenge dem Verdampfer einer Wärmepumpe 9 zugeführt wird.

Das im erfindungsgemässen Verfahren verwendete Gas ist vorzugsweise Luft.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass das Gas unter Verwendung eines Gaswäschers

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durch die wässrige Lösung geleitet wird und dass die beim Verfahrensablauf freiwerdende Wärmemenge zum Erwärmen einer Flüssigkeit oder zur Verdunstung weiterer Wassermengen verwendet wird.

Unter wässrigen Lösungen werden sämtliche wässrigen Salzlösungen und/oder Zuckerlösungen und mit Wasser verdünnte Säuren und Basen verstanden. Hierzu gehören beispielsweise auch Meerwasser und Bäder galvanischer und/ oder chemischer Oberflächenbehandlungsverfahren, z.B. Beizbäder, wie verdünnte Schwefelsäure.

Die gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren zu verwendende Kühlvorrichtung kann beispielsweise ein handelsüblicher Verdampfer einer Kompressionskälteanlage sein. Der Verdampfer kann bei einer vorteilhaften Verdampfungstemperatur von etwa +5 °C Wärme aus dem Gasstrom, der vorzugsweise Luft ist, aufnehmen, wodurch das flüssige Kältemittel vollständig verdampft. Je nachdem, ob der Kältemittelverdampfer direkt oder durch Zwischenschaltung eines Wärmeübertragungsmediums, vorzugsweise frostsicheres Wasser, beaufschlagt wird, handelt es sich um direkte oder indirekte Verdampfung. Der Verdampfer bzw. Gaskühler wird vorzugsweise als Rippenrohr-Wärmeaustau-scher ausgebildet. Für eine einwandfreie Verteilung des Kältemittels im Verdampfer sorgen in der Regel übliche Einspritzventile und Verteiler. Die mittlere Dampfgeschwindigkeit je Verdampferrohr liegt vorzugsweise zwischen 8 und 12 m/s.

Als Gaserhitzer können beispielsweise Kondensatoren, auch Verflüssiger genannt, in Rippenrohrausführung einer Kompressionskälteanlage Verwendung finden. Die bei der Kondensation des Kältemittels freiwerdende Wärmeenergie geht an den Gasstrom über. Das verflüssigte Kältemittel sammelt sich gewöhnlich am Boden des Kondensators und kann übe- ein Expansionsventil dem Verdampfer zugeführt werden.

Die Gasgeschwindigkeit vor dem Erhitzer liegt vorzugsweise zwischen 1,5 und 4,5 m/s.

Bei der auch möglichen indirekten Kondensation kann die Zwischenschaltung eines zusätzlichen Übertragungskreislaufes beispielsweise mit Wasser erfolgen.

Als Wärmepumpen, beispielsweise Wärmepumpenkompressoren, sind übliche Kältemittelkompressoren in Kolbenkompressorbauart geeignet. Aber auch andere Bauarten, wie Rotationskompressoren und/oder Turbokompressoren, sind vorteilhaft einsetzbar. Der Kältekompressor saugt Kaltdampf aus dem Verdampfer an, komprimiert ihn auf höhere Temperatur und drückt den Dampf in den Kondensator.

Als Werkstoffe für die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens benötigten Vorrichtungen, wie

Kühlvorrichtung,

Gaserhitzer,

Wäscher,

Tropfenabscheider und

Behälter können übliche Materialien verwendet werden, soweit sie gegen die zum Einsatz kommenden wässrigen Lösungen, Gase, Dämpfe und herrschenden Temperaturen beständig sind. Hierzu gehören beispielsweise übliche Metalle und/oder Kunststoffe. Aber auch kunststoffbeschichtete Metalle sind einsetzbar.

Die Erfindung ist an Hand folgender Beispiele näher beschrieben (die einzige Figur zeigt schematisch einen Apparat zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens):

Beispiel 1

In der Zeichnung ist ein Behälter 1 dargestellt, in dem sich eine Teilmenge, beispielsweise eines cyanidischen Silberbades, befindet. Die Temperatur des Bades im nicht dargestellten Arbeitsbehälter muss auf etwa 25 °C konstant gehalten werden. Beim Galvanisieren von Teilen wird Silberbadlösung in die nachfolgenden Spülbäder verschleppt. Diese soll wieder zurückgewonnen werden. Dazu wird das Spülwasser aus der ersten Stufe der in mehreren Stufen durchgeführten Spülung über die Leitung 25 in den Behälter 1 gegeben. Die Niveauregelung erfolgt mittels Regelventil 30. Das Oberteil des geschlossenen Behälters 1 ist zugleich Kanal zur Führung des umgewälzten Gases. Der weiterführende Kanal 2 mündet in den Ventilator 3, der dem Transport des Gases - vorzugsweise Luft - dient. Der Ventilator 3 fördert das Gas zunächst in den Wäscher 4, von dem aus es dann über den Kanal 5 wieder zum Behälter 1 zurückgeführt wird. Vom gesamten Innenraum des Behälters 1 ist das Nebenabteil 6 durch die Trennwand 7 abgetrennt. Oberhalb des Nebenabteils 6 ist der Verdampfer 8 der Wärmepumpe 9 angeordnet, während auf der anderen Seite des Behälters das Gas über deren Kondensator 10 geleitet wird.

Die Wärmepumpe 9 wird in diesem Fall mit Kältemittel auf Basis eines fluorhaltigen Kohlenwasserstoffes betrieben, das vom Kompressor 11 aus gasförmig mit einem Druck von etwa 25 bar durch die Leitung 12 zum Kondensator 10 strömt. Die Temperatur des gasförmigen Kältemittels beträgt dabei etwa 60 °C. Im Kondensator 10 wird es wieder zu Flüssigkeit kondensiert, wobei das durch den Kondensator strömende Gas auf etwa 45 °C erwärmt wird. Die Restkondensation erfolgt im Zusatzkondensator 23. Das nun flüssige Kältemittel fliesst zum Expansionsventil 13, in dem es auf einen Druck von etwa 6 bar entspannt wird. Von hier aus gelangt das Kältemittel in den Verdampfer 8, wo es völlig vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Hierzu ist eine geringe Überhitzung von etwa 8 CC erforderlich. Für diesen Vorgang wird Wärmeenergie benötigt, die von dem über den Verdampfer strömenden Gas abgegeben wird. Während das Kältemittel bei etwa 5 °C verdampft, wird das Gas auf etwa 10 °C abgekühlt (sensible Wärme). Der grössere Anteil der zum Verdampfen des Kältemittels erforderlichen Wärmemenge stammt aus der beim Kondensieren der im Gas enthaltenen Feuchtigkeit freiwerdenden latenten Wärme. Das Kondensat läuft in das Nebenabteil 6 ab. Ein Tröpfchenabscheider 14 verhindert, dass Kondensat vom Gasstrom wieder mitgerissen werden kann. Das Gas strömt anschliessend wieder über den Kondensator 10, womit dieser Kreislauf geschlossen ist, während das nun gasförmige Kältemittel wieder vom Kompressor 11 über die Leitung 17 angesaugt wird.

Das Silberbad-Spülwasser-Gemisch wird mit der Pumpe 15 zum Wäscher 4 gefördert, wo es über Düsen 16 auf Austauschkörper versprüht wird. Deren grosse Oberfläche und ihre Formgebung ermöglichen eine Sättigung des durch den Wäscher 4 strömenden Gases mit Feuchtigkeit. Überschüssige Feuchtigkeit läuft über die Leitung 18 wieder zum Behälter 1 zurück. Am Gasaustritt des Wäschers 4 ist ebenfalls ein Tropfenabscheider 19 angeordnet, damit keine Flüssigkeit in Tropfenform mitgerissen wird.

Das im Nebenabteil 6 anfallende Kondensat kann wieder zum Spülen der versilberten Teile verwendet werden, während der Inhalt des Hauptabteils 19 des Behälters 1 mit Hilfe der Pumpe 20 über die Rohrleitungen 21 und 22 mit dem Inhalt des Arbeitsbehälters des Galvanisierbades umgewälzt wird. Da aus dieser Flüssigkeit bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens im wesentlichen nur reines Wasser ausgetrieben wird, bleiben die Wertstoffe für den Arbeits-prozess des Versilberns völlig erhalten.

Die für die Verdunstung des Wassers im Wäscher 4 erforderliche Energie wird am Kondensator 10 der Wärmepumpe 9 auf das umgewälzte Gas übertragen. Bis auf geringe Verluste wird diese Energie am Verdampfer 8 wieder

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zurückgewonnen. Da jedoch die gesamte Antriebsleistung der Wärmepumpe dem Kreislauf zusätzlich zugeführt wird, entsteht in ihm ein Energieüberschuss. Er kann z.B. über den dargestellten zweiten Kondensator 23 zur Aufheizung einer Luftmenge 24 zur Raumheizung genutzt werden. Mit s dieser temperierten Luft, die dann ins Freie geblasen werden müsste, kann auch zusätzlich Wasser verdunstet werden (Abluftverdunstung).

Eine weitere Möglichkeit, den Energieüberschuss zu verwenden, bietet die Aufheizung eines Bades und/oder eines io Wärmespeichers.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel 1 wird im geschlossenen Verdunstungskreislauf als Gas Luft verwendet. Nach dem Verdampfer 8 besitzt diese bei einer Temperatur von 10 °C einen Wassergehalt von 7,8 g/kg. Im Kondensator is 10 wird die Temperatur auf 45 °C erhöht. Dadurch kann die Luft im Wäscher 4 weitere Feuchtigkeit aufnehmen. Ihr Wassergehalt steigt auf 16,8 g/kg, während die Temperatur dabei auf 22,5 °C sinkt. Beim anschliessenden Durchströmen des Verdampfers 8 wird wieder Feuchtigkeit durch die Kon- 20 densation entzogen, wobei die Luft wieder den oben genannten Zustand annimmt.

Um auf diese Weise stündlich 50 kg Wasser zu verdunsten, muss in dieser Zeiteinheit ein Luftvolumen von etwa 4700 m3 umgewälzt werden. Die Wärmepumpe benötigt eine 25 Antriebsleistung von 22 kW.

Mit dieser Antriebsleistung ist es möglich, bei den beschriebenen Verhältnissen am Verdampfer 10 eine Heizleistung von 54 kW zur Verfügung zu stellen.

Damit lässt sich ein Vergleich anstellen zwischen dem 30 bisher üblichen Verfahren zur Verdunstung und Kondensation von Wasser und dem erfindungsgemässen Verfahren, wobei wieder eine zu verdunstende bzw. zu kondensierende

Wassermenge von 50 kg/h zugrunde gelegt ist. Zu beachten ist dabei, dass beim herkömmlichen Verfahren keine gleichbleibenden Voraussetzungen vorliegen, so sind z.B. die Ausgangstemperatur der Luft und ihr Feuchtigkeitsgehalt schwankend, doch bleiben die Unterschiede zwischen den Verfahren in ihrer Grössenordnung erhalten.

Beispiel 2

Verdunsten und anschliessendes Kondensieren von 50 kg/h Wasser mit Hilfe von 5556 kg/h Luft bei Anwendung des a) herkömmlichen Verfahrens, indem in einen Lufterhitzer diese Luft von 10 °C auf 45 °C aufgeheizt, anschliessend die Luft in einem Wäscher mit der Feuchtigkeit beaufschlagt wird und danach diese Feuchtigkeit am Verdampfer einer Kältemaschine wieder zur Kondensation gebracht wird.

b) erfindungsgemässen Verfahrens

Erforderliche Heizleistung am Lufterhitzer (kW) Leistungsaufnahme der Kältemaschine für Kondensation der Feuchtigkeit Wärmerückgewinnung aus Kondensation der Feuchtigkeit und Abkühlung der Luft (kW) Leistungsaufnahme der Wärmepumpe (kW)

Gesamter Leistungsbedarf (kW) Verluste (kW)

Überschussenergie zur weiteren Nutzung (kW)

Verfahren a) Verfahren b)

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur Verdunstung von Wasser aus wässrigen Lösungen, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Aufnahme des Wassers erforderliche Gas im Kreislauf über einen Erhitzer (10) und eine Kühlvorrichtung (8) geführt wird, indem das Gas hinter dem Erhitzer (10) durch die wässrige Lösung (19) geleitet und die hierbei aufgenommene Wassermenge in der Kühlvorrichtung (8) anschliessend kondensiert und die hierbei freiwerdende Wärmemenge dem Verdampfer einer Wärmepumpe (9) zugeführt wird.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Aufnahme des Wassers erforderliche Gas Luft ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas unter Verwendung eines Gaswäschers durch die wässrige Lösung geleitet wird.

4. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Verfahrensablauf freiwerdende Wärmemenge zum Erwärmen einer Flüssigkeit oder zur Verdunstung weiterer Wassermengen verwendet wird.