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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Apparateanordnung zur Gewinnung von Süßwasser und nutzbaren Salzen aus kristallisierenden Salzlösungen, wie Natursolen, welche an mindestens einer Salzkomponente gesättigt sind, ausschließlich mittels Solarenergie. Das Verfahren ist anwendbar in ariden Klimazonen entweder zur Gewinnung von Süßwasser, wobei nutzbares Salz als Nebenprodukt anfällt, oder umgekehrt zur Gewinnung nutzbarer Salze aus Natursolen, Salzseen oder interkristallinen Lösungen, wobei Süßwasser als Nebenprodukt anfällt. Außer der in Wüstenregionen uneingeschränkt verfügbaren Sonneneinstrahlung benötigt das Verfahren lediglich die anstehende Sole.
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Nutzbare Salze werden aus Natursolen in ariden Klimazonen aus anstehenden Solen von Salzseen, Salzquellen oder den interkristallinen Solen von rezenten Salzseen durch solare Wasserverdunstung industriell in zum Teil riesigen Verdunstungsbecken gewonnen. Dabei verdunstet die Sonneneinstrahlung das Wasser und das gelöste Salz kristallisiert aus. Dieses verbreitete Verfahren der Salzgewinnung gestattet zwar die Gewinnung nutzbarer Salze, nicht aber die Gewinnung von Süßwasser als Trink- oder Brauchwasser bzw. als Prozesswasser.
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Aus Meerwasser, dessen Salzgehalt unter 35 bis 40 Gramm je Liter beträgt, wird Süßwasser, nicht aber gleichzeitig nutzbares Salz gewonnen. Das verbreitete Verfahren ist das der Umkehrosmose. Als Membranverfahren ist dabei eine gleichzeitige Salzgewinnung ausgeschlossen. Auf Schiffen wird dagegen das Destillationsverfahren bevorzugt, welches thermische Abwärme der Schiffsbetriebe zur Süßwassergewinnung nutzt, aber ebenfalls nur ein etwas angereichertes Konzentrat, welches ins Meer zurückgeht, nicht aber nutzbares Salz liefert. Süßwasser aus Meerwasser lässt sich auch mittels Sonnenenergie zumindest in Kleinstmengen herstellen. Dabei wird nach dem so genannten Helio Tech Solar Desalination System durch Verdampfen bei etwa 100°C aus Meerwasser trinkbares Kondensat gewonnen. Dabei wird über einen Wassertank einem Kondensator kontinuierlich Meer- und Brackwasser zugeführt. Das Wasser wird durch Hochleistungs-Solar-Vakuumröhren auf über 100 Grad erhitzt und in einer Kondensator-Einheit kondensiert, über Kühlelemente abgekühlt und in einem Wasserspeicher gesammelt. Salzgewinnung ist dabei ebenso ausgeschlossen wie die Verwendung hochkonzentrierter Natursolen mit hohem Salzgehalt, da auskristallisierende Salze das System sofort durch Verkrustung unbrauchbar machen würden.
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Die Erfindung hat das Ziel, aus hochkonzentrierten bis gesättigten Solen, auch an küstenfernen Standorten einerseits nutzbares Salz, so wie es in solaren Verdunstungsbecken möglich ist und andererseits Süßwasser als Trinkwasser, Brauch- oder Prozesswasser ausschließlich mittels Solarenergie zu gewinnen, wobei das auch nachts bei fehlender Sonneneinstrahlung möglich sein soll.
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Dazu muss die technische Aufgabe gelöst werden, einerseits durch zugeführte thermische Energie, die ausschließlich aus der Sonneneinstrahlung stammt, einer kristallisierenden heißen Sole Wasser zu entziehen, dieses entzogene Wasser als Süßwasser zu gewinnen und andererseits, so wie das in Solarponds erfolgt, nutzbare Salze als Kristallisat zu erhalten.
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Die Erfindung bewirkt das durch ein Verfahren und eine Apparateanordnung, bei welchen zunächst Sonnenenergie in fokussierenden Solarkollektoren gesammelt, gebündelt und an eine zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit übertragen wird, diese durchströmt zunächst einen Wärmespeicher, der tagsüber Überschussenergie speichert und bei fehlender Sonneneinstrahlung reversibel wieder abgibt. Die heiße Wärmeträgerflüssigkeit gibt in einem ein- oder mehrstufigen Verdampfungskristallisator Wärme an zugeführte hochkonzentrierte bis gesättigte Sole ab, dabei verdampft Wasser und das gelöste Salz kristallisiert aus. Das verdampfte Wasser wird entweder in Luftkondensatoren oder in soledurchströmten Kondensatoreinheiten kondensiert und ist praktisch salzfrei. Das kristallisierte Salz und die Rohsalze werden aus den Verdampfungskristallisatoren entfernt und verwertet. Dieses System kann je nach Kapazität des Wärmespeichers bis zu 24 Stunden Süßwasser und nutzbares Salz liefern, ist aber auch leicht an- und abzufahren und bevorzugt nur am Tage betrieben werden. Hochkonzentrierte Natursolen sind in Salzseen und als interkristalline Salze weit verbreitet. Typische Salzgehalte solcher Solen sind je nach Vorkommen:
0,3 bis 2,5% K
1,0 bis 10% Na
0,4 bis 5% Mg
10 bis 18% Cl
0 bis 7% SO4
zusätzlich in einigen Natursolen
bis 1% LiCl
bis 5% Ca(NO3)2.
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Alle diese Solen liegen in der Regel an küstenfernen Standorten inmitten von Wüsten und teilweise auch weit über dem Meeresspiegel. Eine Salzgewinnung aus diesen Solen in Solarponds ist in der Regel einfach. Die Verarbeitung dieser Salzkristallisate zu Endprodukten erfordert aber stets Prozesswasser, welches nicht durch Meerwasserentsalzung hergestellt werden kann und deshalb von weit herangeführt werden muss oder örtlichen Reserven zu Lasten der dort ansässigen Bevölkerung entnommen werden muss.
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Andererseits herrscht in Salzwüsten trotz Vorhandensein von Salzseen auch unabhängig von einer Salzgewinnung in der Regel Trinkwassermangel.
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Bei den verbreiteten Salzgewinnungsanlagen, bei denen aus Natursolen oder bis zur Sättigung vorkonzentrierten Meerwasser nutzbares Salz durch Sonnenenergie in offenen Verdunstungsbecken gewonnen wird, erfolgen die Energiezufuhr durch direkte Sonneneinstrahlung, die Verdunstung des Wassers an der Oberfläche, unterstützt durch Windeinwirkung, die Erzeugung einer Übersättigung durch Lösungsmittelentzug und die Kristallisation des Salzes simultan zu gleicher Zeit und nahezu am gleichen Ort. Will man das verdampfte Wasser als nutzbares Süßwasser gewinnen, so ergibt sich das Problem, dass dieses nur in einem geschlossenen Raum möglich ist, was wiederum verhindert, dass die Zufuhr der Solarenergie durch direkte Sonneneinstrahlung auf die Soleoberfläche unmittelbar erfolgen kann. Außerdem können das Auskristallisieren und das Ernten des Kristallisates nicht auf die gleiche Weise erfolgen wie im offenen Verdunstungsbecken.
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Es wurde gefunden, dass sich diese Probleme dadurch lösen lassen, dass die Absorption der einstrahlenden Sonnenenergie, deren Zuführung zum kristallisierenden Sole-Kristallisat-System, die Abführung und Kondensation des verdampften Wassers und letztendlich die Entfernung des Kristallisates und der verbleibenden Restsole aus dem geschlossenen Kristallisationsraum zeitlich und örtlich voneinander getrennt erfolgen.
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Zunächst wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der kombinierten Gewinnung von Salz und Wasser aus gesättigter Sole in einem ersten Schritt die eingestrahlte Sonnenenergie in einem stark fokussierenden Solarkollektor absorbiert und an einen diesen durchströmenden flüssigen Wärmeträger übertragen. Dieser Schritt ist an sich bekannt und Teil eines Systems zur solaren Elektroenergieerzeugung.
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In einem zweiten Schritt wird die durch Sonnenenergie erhitzte Wärmeträgerflüssigkeit einem Wärmespeicher zugeführt, welcher unvermeidliche Spitzen abfängt und Energie für eine einstrahlungsarme und einstrahlungsfreie Zeitspanne speichert. Schließlich durchströmt die aus dem Wärmespeicher austretende Wärmeträgerflüssigkeit dem Wärmetauscher eines Verdampfungskristallisators, der einstufig oder mehrstufig arbeiten kann. In diesem als geschlossenes Gefäß ausgebildeten Verdampfungskristallisationsraumes, welches zusätzlich noch Einrichtungen zum Rühren der siedenden Salzsolemischung enthalten kann, erfolgt das Verdampfen eines Teiles des in der eingespeicherten Sole enthaltenen Wassers unter Atmosphärendruck oder im Vakuum und die Kristallisation des Salzes. Damit das verdampfte Wasser als Süßwasser gewonnen werden kann, werden die Dämpfe abgekühlt und einem Kondensator zugeführt, in dem dieses kondensieren und als Süßwasser-Kondensat in einen Sammelbehälter abfließen. Der teilweise durch Wärmeentzug abgekühlte flüssige Wärmeträger kehrt zum Solarkollektor zurück und wird erneut aufgeheizt.
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Da die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendige thermische Energie im Temperaturbereich von +120°C bis max. +180°C benötigt wird, muss ein fokussierender Kollektor verwendet werden, der diese Temperaturen erzeugen kann. Das Können entweder Parabolrinnen-Kollektoren oder sog. Fresnel-Kollektoren sein, wie sie für die Stromerzeugung aus Solarenergie auf thermischen Weg angewendet werden. Allerdings ist eine dafür notwendige Temperatur von +300°C und mehr weder erforderlich noch zweckmäßig.
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Die Erfindung kann zur kombinierten Gewinnung von Salzen und Süßwasser in großen, kontinuierlich arbeitenden Anlagen mit Leistungen bis zu mehreren hundert Kubikmetern je Tag ausgeführt werden. Dabei wird die einzudampfende konzentrierte Sole aus dem Hauptstrom, der nach wie vor in offenen Verdunstungsbecken zur Salzgewinnung eingedampft wird, abgezweigt, durchläuft die erfindungsgemäßen Prozessstufen zur Gewinnung von Süßwasser und Salz und geht als eine Suspension von thermisch kristallisiertem Salz-Restsolegemisch in ein nachfolgendes Verdunstungsbecken. Das Verfahren eignet sich aber auch unabhängig von der Existenz eines Solarpondkomplexes zur Süßwassergewinnung aus Solen hoher Salzkonzentration.
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Beispiel 1: Einstufige Anlage (s. Fig. 1)
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Zur Erzeugung von Süßwasser und nutzbarem Salz aus einer gesättigten Natursole aus einem Salzsee für geringe Leistungen wird täglich im Verlaufe von max. 12 Stunden am Tag aus Sole Süßwasser und eine Salzsuspension erzeugt. Die notwendige Energie wird von einem Solarkollektor (1) mit einer mittleren Leistung von 0,7 kwh/m2h geliefert, welche bei einem angenommenen Wirkungsgrad von 70 Prozent an das im Absorberrohr (2) strömende Wärmeträgeröl (3) übertragen wird. Das auf max. 180°C erhitzte Wärmeträgeröl (3) durchströmt zunächst den Speicherbehälter (4), der kurzzeitige Einstrahlungsunterschiede ausgleicht und danach den Doppelmantel (5) eines Rührkessels (6). Im Rührkessel (6) befindet sich siedende Sole aus, die aus Wasser bei einstufiger Arbeitsweise bei Atmosphärendruck verdampft. Der Wasserdampf kondensiert im Kondensator. Derartige Anlage liefert also ca. 400 Liter am Tag bei einer Betriebszeit von etwa 12 Stunden pro Tag, wobei etwa 4 Stunden aus im Wärmespeicher (4) gespeicherter Wärme entstammen. Die Wassermenge von 33 Litern je Betriebsstunde wird aus der etwa zehnfachen Menge einer Sole aus einem Salzsee mit einer Zusammensetzung von 20 g/l KCl, 160 g/l NaCl, 120 g/l MgCl2, 60 g/l MgSO4, 880 g/l H2O ausgedampft. Dabei kristallisieren 10 kg/h Kochsalz aus, welches aus dem Verdampfungskristallisator (6) als Suspension entfernt abgetrennt und verwertet wird. Die eingeengte Restsole geht in den Salzsee zurück.
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Beispiel 2: Dreistufige Anlage (s. Fig. 2)
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Wird die Wasserverdampfung gemäß Beispiel 1 aus der Sole in drei hintereinander geschalteten Verdampfern 6.1 bis 6.3, die bei verschiedenem Druck arbeiten durchgeführt, so verdreifacht sich etwa sowohl die verdampfte Wassermenge und damit die als salzfreies Kondensat gewonnene Wassermenge als auch die Menge des kristallisierten Kochsalzes.
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Die Anlage benötigt drei im abgestuften Vakuum arbeitende Verdampfer (6.1 bis 6.3) mit den Heizkörpern 5.1 bis 5.3. Davon wird der Heizkörper 5.1 mit heißer Wärmeträgerflüssigkeit 3 geheizt, die Heizkörper 5.2 und 5.3 mit dem Brüden der vorherigen Verdampferstufe. Die Verdampferstufe 6.3 mit dem höchsten Vakuum hat einen solegekühlten Kondensator (7), in dem das verdampfte Wasser aus dem Verdampferkörper 6.3 kondensiert.
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Gleichzeitig wird die zufließende Salzsole aufgewärmt und auf die Verdampferstufen 6.1 bis 6.3 verteilt. Das in den Heizkörpern (5.2 bis 5.3) sowie im Kondensat (7) kondensierte Wasser sammelt sich im Wasserbehälter (9). Den Umlauf der Wärmeträgerflüssigkeit bewirkt die Umlaufpumpe (8), die Umwälzung der Suspension in den Verdampfern (6.1 bis 6.3) wird durch die Propeller-Umwälzpumpen (10.1 bis 10.3) gewährleistet. Die Aufrechterhaltung des Vakuums erfolgt durch die Vakuumpumpe (11). Das erzeugte Kristallisat und die Restsole werden aus den Verdampfern (6.1 bis 6.3) kontinuierlich als Suspension entfernt.
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Die beschriebene Anlage ermöglicht sowohl die Herstellung eines entsalzten, keimfreien Trinkwassers als auch die Gewinnung des notwendigen Prozesswassers für eine industrielle Salzgewinnungsanlage.
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Beispiel 3: Industrielle Wassergewinnung aus Sole in einer vielstufigen Anlage (s. Fig. 3)
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Die Anlage besteht aus einem fokussierenden Solarkollektor (1) mit einer thermischen Leistung von 0,6 kwh/m2h. Diese Leistung wird im Absorberrohr (2) an eine als Wärmeträger (3) fungierende Salzhydratschmelze aus Magnesiumnitrathexahydrat übertragen. Diese Transportflüssigkeit tritt mit +120°C in das Absorberrohr (2) ein und mit +180°C aus und überträgt die absorbierte Wärme im Heizkörper (5) an die aufzuheizende Lösung, die von etwa 100 bis 105°C auf +130°C aufgeheizt wird.
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Zur Überbrückung von Einstrahlungspausen dient ein Wärmespeicher (4), der überschüssige Wärme aufnimmt und bei Bedarf wieder abgibt. Die im Heizkörper (5) erhitzte Salzlösung wird in der 12-stufigen Entspannungsverdampfungsanlage 6.1 bis 6.12 adiabetisch abgekühlt. Dabei verdampfen je m3 Sole ca. 150 kg Wasser, die in Rohrbündel-Oberflächenkondensatoren (7.1 bis 7.12) kondensiert werden. Durch den Wasserentzug kristallisieren aus 100 m3/h einer NaCl-Lösung mit 290 g/l NaCl, 25 g/l MgCl2, 15 g/l CaCl2 und 890 g/l H2O etwa 4.800 kg Kochsalz aus, welches getrocknet und verkauft wird. Bei einer Betriebszeit von durchschnittlich 10 Stunden je Tag sind das 48 Tonnen NaCl und 150 m3 Süßwasser. Bei einem spezifischen Verbrauch von 0,2 kwh/kg verdampftes Wasser sind 5.000 m2 Kollektorfläche erforderlich.
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Zum durchgängigen Betreiben der Anlage muss die Kollektorfläche auf etwa 13.000 m2 erweitert werden und ein größerer Wärmespeicher (4) mit einer Speicherkapazität von 45 bis 50 kwh aufgestellt werden, zweckmäßig als Latentwärmespeicher mit einer Salzschmelze in Form eines Salzgemisches mit 53% KNO3, 40% NaNO2, 7% NaNO3, welches bei +143°C schmilzt und eine ungefähre Speicherleistung 100 kwh/t hat.
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Die Wärmeentnahme für die Beheizung der Verdampferanlage erfolgt während der Dauer der Sonneneinstrahlung aus einem Teil der erwärmten Wärmeträgerflüssigkeit (3), die überschüssige Wärme dient zum Aufladen des Wärmespeichers. In den Nachtstunden wird die gespeicherte Wärme wieder an den durchströmenden kälteren Wärmeträger zurück übertragen. Durch die Erweiterung der Kollektorfläche und die Wärmespeicherung erhöhen sich die produzierten Wasser- und Salzmengen auf etwa 360.000 kg/Tag bzw. 115.000 kg/Tag. Die Entnahme der eingespeicherten Frischsole erfolgt mit einer Temperatur von etwa +25°C aus dem Zulauf eines solaren Verdunstungsbeckens. Danach erfolgt deren Aufheizung in den hintereinander geschalteten Oberflächenkondensatoren auf etwa +95°C und durch die Wärmezufuhr im Heizkörper auf +130°C. Nach Abkühlung unter Wasserentzug verlässt die abgekühlte Mischung aus Kristallisat und Restsole den Verdampfungsprozess und die Mischung wird durch Filtration in NaCl-Kristallisat und Restsole getrennt, welche dem Verdunstungsbecken zufließt.
