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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Einrichtungen von Kristallisationssprühkammer zur Trennung von Schadstoffen und Abwasser.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Die Abwasserbelastung von natürlichen Gewässern, die durch Industrieabwasser hervorgerufen wird, hat begonnen, die natürliche Fähigkeit des aufnehmenden Wassers zu übersteigen, Verunreinigungen zu verarbeiten. Natürliches Aufbereiten durch Sedimentablagerung, Sonnenlicht und Sauerstoffbelüftung ist chemischer Aufbereitung, Fällung, Ozonolyse, Chlorierung und physikalischen Prozessen, wie Ionenaustausch, Aktivkohle-Adsorption, Umkehrosmose und Elektrodialyse gewichen. Erhöhte Aufmerksamkeit erhält die Gefrierkristallisation, welche eine Möglichkeit darstellt, Schadstoffe und Abwasser zu trennen.
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Die Abwasserbelastungen durch Fracking und Bergbau sind besonders schwer zu behandeln aufgrund der hohen Konzentrationen, der hohen Werte von abgelagerter Gesamtsedimentlast, des großen hydraulischen Durchmessers der Partikel und der hohen Trennleistung, die erforderlich ist, um den toxischen Teil des Abwassers zu behandeln. Gefrierkristallisation ist besonders bei der Behandlung dieser Art von Abwasser vielversprechend.
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Gekühlte Luft bot eine Möglichkeit, die Gefrierkristallisation von gesprühten Abwassertröpfchen auszuweiten von (1) dem Außenbereich nördlichen Klimas, wo extrem kalte Winter (kälter als –10°F) ein saisonlanges Gefrieren des Gesamtvolumens des Abwassers boten und über die langen Frühlings- und Sommermonate auftauten, um die Trennung von Schadstoffen vom Abwasser zu erlangen und von (2) Innenraum, jedes Klima, Spritzkammern, die das Auftreffen von flüssigem Freon und flüssigen Abwasserstrahlen nutzten, um in jedem Tröpfchen Temperaturen von unter –10 F zu erhalten, so dass die Trennung von Schadstoffen aus dem Abwasser nur eine Verweilzeit von 0,5 Sekunden anstatt eine stundenlange Verweilzeit benötigte für die Kristallisation des Feldvolumens und des gerührten Tankvolumens und die Phasentrennung.
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Die erste Untersuchung der eutektischen Gefrierkristallisation (EGK) wurde in den 1970er Jahren von Stepakoff im Jahre 1974 veröffentlicht. Er verwendete eine direkte Kühlung, bei der ein Kältemittel direkt zur Sole hinzugefügt wird, um dies zu erreichen. Dies wirft einige Nachteile auf, denn es wird eine weitere Chemikalie in das System eingeführt.
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Van der Ham war 1999 der erste, der eine indirekte Kühlung verwendete und einen Arbeitskristallisator herstellte, der sich „gekühlter Scheibensäulenkristallisator“ nannte. Er bewies, dass die Trennung von Eis- und Salzkristallen mit dem Einsatz von EGK möglich ist. Die Forschung wurde u.a. von Vaesen fortgesetzt, der den Prozess im Laufe des Jahres 2003 auf 100L im aufgerauten und gekühlten Wandkristallisator hochskalierte.
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Genceli skalierte 2008 den Prozess auf 220L hoch mit der auf Gleitkufen montierten dritten Generation des „gekühlter Scheibensäulenkristallisators“. Rodriquez Pascual erforschte im Laufe des Jahres 2009 einige physikalischen Aspekte der Wärmeübertragung des Kristallisators.
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Die nächste Generation ist ein Kristallisator, der nun Prozessströme im Industriemaßstab verarbeitet. Die Frage des Entfernens von Kalk bei Wärmetauschern und das Entfernen des Eises aus der Sole wurde im Jahr 2012 von De Graaff untersucht.
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Die wesentlichen Vorteile des Gefrierkristallisationsprozesses sind der geringe Energieverbrauch und der Betrieb bei niedriger Temperatur im Vergleich zur thermischen Entsalzung. Weitere Vorteile sind weniger Verkrustungen oder Verschmutzungen und weniger Zersetzungsprobleme; die Möglichkeit, kostengünstigen Kunststoff oder kostengünstiges Material zu verwenden und das Fehlen einer Vorbehandlung. Die drei allgemeinen Arten von Gefrierkristallisationsprozessen sind: i) direktes Kontaktgefrieren, ii) indirektes Kontaktgefrieren, iii) Vakuumgefrieren. Darüber hinaus gab es Studien, die das Gefrieren einer großen Masse und eines großen Volumens beinhalteten, das Stunden braucht um zu gefrieren und Tröpfchengefrieren einer millimetergroßen Lösung, das Sekunden dauert um zu gefrieren. Der Gefrierkristallisationsprozess, der hier behandelt wird, setzt den direkten Kontakt von supergekühlter Luft mit Abwasser-Tröpfchen ein.
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MASSENGEFRIEREN (Rührkessel)
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Gefrierkristallisationsprozesse (Gefrierkristallisation = GK) wurden untersucht und erwiesen sich als umweltfreundliche und nachhaltige Wasseraufbereitungsverfahren, wobei sie nahezu keinen Abfall erzeugen, indem sie Trinkwasser und Salze (in einigen Fällen reine/s Salz/e aus hypersalzigen Solen) erzeugen. Eine Studie von Randall und Nathoo gibt einen Überblick über die Geschichte und den aktuellen Stand von GK-Technologien für die Behandlung von Umkehr-Osmose-Solen (Umkehrosmose = UO). Die Einführung der Technologie hatte für die allgemeinen Soleentsalzungsbehandlung keine Bedeutung, obwohl GK in Nischen angewendet werden könnte bei der Behandlung von Solen, die von Membranprozessen wie UO erzeugt werden. Die Rezension befand auch, dass ein Hybridtechnologieansatz, z.B. ein integrierter UO-GK-Prozess die optimale Behandlungslösung bereitstellen kann sowohl aus einer Ausrüstungskosten- als auch aus einer Betriebskostenperspektive. Zum Beispiel hat NIRO eine kommerzielle Wasserentsalzungsanlage in den Niederlanden für Shell gebaut und verarbeitet 140,000 Millionen Tonnen Abwasser pro Jahr (Millionen Tonnen pro Jahr = MTJ). Es erreicht eine Reinheit von weniger als 50 ppm GSG.
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Sprühgefrieren im Außenbereich
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Die Technik des Sprühgefrierens beruht auf der Physik eines gefrorenen Wassertröpfchens und der Bildung von Eiskristallen im Kern und konzentrierten Verunreinigungen in der ungefrorenen Flüssigkeit auf der Oberfläche des festen Kerns. Richtig gemacht, kann Sprühgefrieren ein kostengünstiger, effizienter und umweltfreundlicher Bestandteil einer größeren Wasseraufbereitungsanlage sein. Generell werden, wenn ein Tröpfchen verunreinigten Wassers gefriert, die Verunreinigungen von der Vorderseite der Eiskristallisation, die im Allgemeinen im Inneren des Wassertropfens beginnt, weg geschoben. Daraus entsteht eine Flüssigkeit mit einer höheren Konzentration von Verunreinigung auf der Oberfläche als im Kern, der oft aus fast reinem Eis besteht.
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Der Gefrierpunkt des verbleibenden unreinen Wassers liegt bei einer niedrigeren Temperatur während dieser Prozess fortschreitet. Im Zeitverlauf entsteht mehr Eis und die Verunreinigungen konzentrieren sich stärker in der verbleibenden nicht gefrorenen Flüssigkeit. Diese ungefrorene Flüssigkeit, die eine größere Konzentration an Verunreinigungen beinhaltet, fließt von einer Sprüheisablagerung ab, was zu einem einfachen Entfernen von Verunreinigungen unmittelbar nach dem Besprühen führt.
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Wenn die Umgebungsluft zu kalt oder das Tröpfchen zu klein ist, kann das Tröpfchen vollständig gefrieren, wenn es der Luft lange genug ausgesetzt ist, so dass viel von dem Vorteil der Sprühgefriertechnik eingebüßt wird. Zusätzlich werden, wenn das Eis während des warmen saisonalen Tauwetters im Frühling schmilzt, die gelösten Verunreinigungen mit dem anfänglichen Schmelzwasser vorrangig ausgespült, was die Reinheit des verbleibenden Wassers erhöht.
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Die Hauptanwendung dieser Technik geht damit einher, verunreinigtes Wasser durch eine Düse zu pumpen und in kalte Luft zu sprühen. Anpassungen der Flugbahn des Wasserstrahls, der Geschwindigkeit der Pumpen und der Größe der Tröpfchen werden mit Hilfe der Düsenanpassung vorgenommen, um zu kontrollieren, wie vollständig das Wasser bei einer vorgegebenen Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit gefriert.
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Ein Feldversuch wurde durchgeführt, um die Effizienz des Sprühgefrierens zu bewerten, die gelösten Chemikalien der Aufbereitungsrückstände im Seewasser an der Colomac Mine (North West Territories) zu entfernen. Für das Pilotprojekt war etwa 30% des Wassers, das gepumpt wurde, gefroren, wobei das restliche Wasser in den Absetzteich als Abfluss zurückfloss. Die Analyse des Wassers, das aus einem Eiskern, der unter kontrollierten Laborbedingungen geschmolzen war, gesammelt wurde, zeigte aufgelöste chemische Ablagerung von 87 bis 99% (abhängig von der chemischen Art), nachdem 39% der Sprüheissäule geschmolzen war.
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Labortests geben einige Hinweise auf die Nützlichkeit des Verfahrens.
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Sprühgefrieren im Innenbereich (Sprühgefrierer)
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In einem Beispiel von Sprühgefrieren im Innenbereich, verwendete AVCO aufprallende Flüssigkeitsstrahlen von Freon und 20% ige NaCl-Salzlösung. Das intensive Mischen der Flüssigkeitsstrahlen führte zu einer Tröpfchenwolke, wobei jedes Tröpfchen Abwasser in seinem Kern und Freon außerhalb des Kerns enthielt. Jedes Tröpfchen begann seinen Abwärtsflug durch die vertikale Kammer mit 450 Mikron im Durchmesser. Das verdampfende Freon gefror nach und nach das Tröpfchen. Während des 0,5-Sekunden-Falls des Tröpfchens durch die 18-Zoll- oder 36-Zoll hohe Glaskammer wurde ein Eisplättchen aus frischem Wasser mit einer Größe von 120 Mikrometern in einer porösen Masse am Boden der Kammer abgelagert.
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Basierend auf dem zuvor genannten, besteht Bedarf für ein System des Sprühgefrierens, das Kontinuität im Gefrierprozess sicherstellt, um die Trennung von Verunreinigungen aus dem Wasser zu ermöglichen, wobei die Tröpfchengröße und die Temperatur gesteuert wird, um das verunreinigte Wasser in flüssigem oder halbflüssigem Zustand zu halten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein Abwasserreiniger weist eine Kammer mit einer oberen Zuflussendung und einer unteren Ablaufendung auf, eine oder mehrere Abwasserdüsen, die mit einer nahe dem Eintrittsendung positionierten Abwasserquelle verbunden sind, um Abwassertröpfchen zu erzeugen, wobei ein Kaltlufteintritt nahe der Zuflussendung angeordnet ist, verbunden mit einer Kaltluftquelle, so angeordnet, dass sich die Kaltluft mit den Abwassertröpfchen vermischen kann, eine perforierte Sammelvorrichtung in der Nähe der Ablaufendung, die dazu geeignet ist, gefrorene Tröpfchen zu sammeln, einen Ablauf unterhalb der Sammelvorrichtung, der so konfiguriert ist, dass er einen Ausgang für flüssiges Abwasser bereitstellt, und ein Austritt für die gekühlte Luft nahe der Ablaufendung.
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Der Abwasserreiniger kann ein Gehäuse um die Kammer aufweisen, das aus mindestens einer partiellen Doppelwand um die Kammer herum besteht, wobei die Doppelwand einen Austrittsweg definiert, wobei der Austrittsweg mit dem Ausgang verbunden ist. Die Düse kann so konfiguriert sein, dass sie Tröpfchen einer vorbestimmten Größe bereitstellt. Es kann eine Frischwasserdüse sein, die auf das Innere der Sammelvorrichtung gerichtet ist, wobei die Frischwasserdüse dazu geeignet ist, frisches Wasser auf gefrorene Tröpfchen zu sprühen, die in der Sammelvorrichtung gesammelt werden.
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Die Kaltluftquelle kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus T-CAES-Turboexpander, TL-CAES-Turboexpander, Kompander und Anhänger für flüssigen Stickstoff (LN2) besteht. In einer Ausführungsform haben die Abwassertröpfchen eine Flugzeit von 3,75 bis 7,05 Sekunden, von der Abgabe aus der Düse bis zum Fallen in den Auffangbehälter, und es kann Salz zwischen der Sammelvorrichtung und dem Abfluss vorhanden sein.
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Ein Abwasserreiniger hat eine längliche Strömungskammer mit einem oberen Teilbereich und einem unteren Teilbereich, eine oder mehrere Abwasserdüsen, die sich in der Nähe des oberen Teilbereichs befinden, eine oder mehrere Entlüftungsöffnungen, die sich in der Nähe des oberen Teilbereichs befinden, eine perforierte Sammelvorrichtung am Boden der Kammer und einen Kaltlufteintritt, verbunden zwischen dem oberen und dem unteren Teilbereich wobei der Eintritt mit einer gekühlten Luftquelle verbunden ist.
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Die eine oder mehrere Düsen können Tröpfchen mit einer vorbestimmten Größe erzeugen und das Tröpfchen nach unten sprühen. Der Abwasserreiniger kann auch einen Sammler aufweisen, der sich unterhalb der Sammelvorrichtung befindet, wobei die Sole aus der Sammelvorrichtung vom Sammler gesammelt wird. Es kann eine Frischwasserdüse sein, die auf das Innere der Sammelvorrichtung gerichtet ist, wobei die Frischwasserdüse dazu geeignet ist, frisches Wasser auf gefrorene Tröpfchen zu sprühen, die in der Sammelvorrichtung gesammelt werden.
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Die Abwassertröpfchen haben eine sehr kurze Flugzeit von 4,35 Sekunden, bis die Tröpfchen mit großem Durchmesser von der Düse ausgestoßen in den Auffangbehälter fallen. Es kann Salz zwischen der Sammelvorrichtung und dem Sammler geben. Der Sammler kann mit einem Ablauf verbunden sein und die gekühlte Luftquelle kann aus der Gruppe bestehend aus T-CAES Turboexpander, TL-CAES Turboexpander, Kompander und Anhänger für flüssigen Stickstoff (LN2) ausgewählt werden.
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Das zuvor genannte und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, spezielleren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, der begleitenden Zeichnungen und der Ansprüche offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und der Aufgaben und Vorteile davon, wird nun auf die nachfolgenden Beschreibungen Bezug genommen, verbunden mit den beigefügten Zeichnungen, die im Folgenden kurz beschrieben werden.
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1 ist eine Schnittansicht der Gleichstromkristallisationssprühkammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine Schnittansicht der Gegenstromkristallisationssprühkammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 ist ein Gleichgewichtsphasendiagramm für eine Natriumchloridlösung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4a ist eine Energiebilanzberechnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4b ist eine weitere Energiebilanzberechnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 ist ein Diagramm, das die Verweilzeit eines Teilchens innerhalb der Kammer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ist ein Vergleich von Entsalzungsverfahren nach dem Stand der Technik;
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7 ist ein Diagramm des Standes der Technik, das die Energieeffizienz von Trennverfahren zeigt;
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8 ist ein Diagramm des Standes der Technik, das drei Verfahren zum Erzeugen von Kaltluft zeigt;
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9 ist ein Flussdiagramm für ein Eutektische Gefrierkristallisationssprühkammer-(EGKSK)-Abwasserreinigungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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10 ist ein Diagramm, das die Leistungsabgabe bei niedriger Einlasstemperatur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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11 ist ein Flussdiagramm für eine Gefrierkristallisationssprühkammer(GKSK)-Anlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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12 ist ein Querschnitt eines Laboraufbaus für eine EGKSK-Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 12 verständlich, wobei gleiche Referenzziffern gleiche Elemente bezeichnen.
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Bevorzugt verwendet die beschriebene EGKSK Lufttemperaturen von –175 °F und eine Verweilzeit von mehr als 3 Sekunden in einer geschlossenen Anlage, die bei heißen oder kalten Klimazonen von Vorteil ist. Daher wurde eine bessere Trennung von Schadstoffen von den Abwassertröpfchen beobachtet, als zuvor unter Verwendung von wärmeren Lufttemperaturen (~ –23oC) und kürzeren Verweilzeiten von 0,5 Sekunden um eine Keimbildung, Kristallisation und Trennung zu ermöglichen.
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Insbesondere in den 1 und 9 beschreibt die Veröffentlichung eine Gleichstrom-EGKSK-Anlage die für permanentere Installationen ausgelegt ist, die sich in der Nähe einer Energieversorgungsanlage befinden oder durch ein TL-CAES-System oder T-CAES-System zuverlässig bereitgestellt werden können. Insbesondere in den 2 und 11 beschreibt die Veröffentlichung auch eine Gegenstrom-EGKSK-Anlage für Anlagen mittlerer Größe, die von einer Energieversorgungsanlage oder einem GenSet angetrieben werden können, das seine super-gekühlte Luft aus einem zweistufigen, freispuligen, gekoppelten Turbokompressor und Turboexpander erhält. Der Hauptvorteil der EGKSK-Anlage ist, dass sie niedrige Investitionskosten für den Bau, den Betrieb und die Wartung benötigt; sowie ein kleiner Fußabdruck; eine kleine Höhe und die Transportfähig durch LKW oder Zug. Zudem weist sie einen hohe Abscheidegrad auf.
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In 12 wird eine universelle Testanlage beschrieben, die die Größe einer Tischplatte aufweist und durch flüssige Stickstoffdämpfe bei –195ºC angetrieben wird, um die Isolationseffizienz für jeden neuen Schadstoff bei jeder neuen Konzentration zu bewerten. Die in dieser Anlage gesammelten Testdaten liefern die Eckdaten für die Anlage in voller Größe. Da es sich um Duschkopfsprüher handelt, verhält sich das Hochskalieren des Testmoduls auf die volle Größe linear ( ).
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Es gibt zwei Verfahren, um den erforderlichen massereichen Fluss von supergekühlter Luft bei –115ºC zu erhalten: (1) TL-CAES-System oder T-CAES-System (9) oder (2) Kompander (11). Einen massearmen Fluss von supergekühltem Gas kann man unter Verwendung eines kryogenen Dewars von beispielsweise flüssigem Stickstoff erhalten. In einem Beispiel beträgt die latente Verdampfungswärme von flüssigem Stickstoff 86 BTU / Pfund und die Verdampfungstemperatur von –320°F kann in einer Mischkammer mit gasförmigem Stickstoff bei Raumtemperatur aus einem Sammelrohr von K-Flaschen mit Stickstoff, wie in 12 zu sehen ist, kombiniert werden, um einen vorgeschriebenen Gastemperaturverlauf zu erzeugen, um auf das Abwassertröpfchen auf zu treffen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften EGKSK-Anlage, die für 95.000 Gallonen Abwasserreinigung pro Tag ausgelegt ist. Ein Gehäuse 2 enthält eine innere Kammer 5 zum Mischen von Abwasserspray und gekühlter Luft. Doppelte Wände definieren einen äußeren Austrittsweg 4, der die Kammer 5 umgibt, aber von dieser getrennt ist. Der Austrittsweg 4 kann um die gesamte Kammer 5 herum vorhanden sein, so dass das Gehäuse 2 ein doppelwandiger Zylinder oder Behälter ist oder der Austrittsweg 4 nur um einen Teil der Kammer 5 herum vorhanden sein kann. Der Austrittsweg 4 steht mit der Kammer 5 an der Ablaufendung 8 der Kammer in Verbindung, wobei diese ein perforierter und abnehmbarer Korb 6 trennt, aber einen Flüssigkeitenaustausch erlaubt.
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Die Kammer 5 hat eine Oberseite (Eintrittsendung 7), eine Unterseite (Ablaufendung 8) und enthält das Abwasserspray. Das Gehäuse 2 weist ein Eintrittsendung 7 und ein Ablaufendung 8 auf. Eine oder mehrere Abwassersprühdüsen 10 befinden sich an oder nahe einer Zuflussendung 7 des Gehäuses und sind durch eine Verbindung 11 mit einer unter Druck stehenden Abwasserquelle verbunden (nicht abgebildet). In der Nähe der Zuflussendung 7 befindet sich der Lufteintritt 12 zum Einleiten von gekühlter Luft in die Kammer 5. Die Düsen 10 und der Lufteintritt befinden sich in unmittelbarer Nähe, um das Mischen von Abwasser und gekühlter Luft zu ermöglichen. Am Boden der Kammer 5 befindet sich ein perforierter Korb 6 zum Sammeln von Eiströpfchen. Um die Kammer herum befindet sich der Austrittsweg 4, der das Austreten der gekühlten Luft aus dem Gehäuse ermöglicht. Der Austrittsweg 4 ist in einer Ausführungsform mit einer HLK (Heizung, Lüftung und Klimatisierung) oder Kältespeicherung verbunden. Eine oder mehrere Frischwasserdüsen 14 befinden sich an den Seiten des Korbes und sind dazu ausgebildet, in den Korb zu sprühen, um frisches Wasser auf gefrorene Tröpfchen zu sprühen (nicht gezeigt), die in dem Korb gesammelt werden. Unterhalb des Korbes 6 befindet sich ein Ablauf 17, um flüssiges verunreinigtes Abwasser zu sammeln, und die Abwasser-/Süßwasser-Mischung. Oberhalb kann ein Eiskonus 19 gebildet sein, um das Abwasser in den Ablauf zu leiten, und unterhalb des Ablaufs befindet sich ein Abfallrohr 20 zum Sammeln des konzentrierten Abwassers.
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In einer Ausführungsform befindet sich der Lufteintritt an einer Seite der Zuflussendung, die tangential zur Zuflussendung 7 ausgerichtet ist, um eine Rotationskraft für die einströmende Luft bereitzustellen, um die Luft und das Wasser zu mischen. In einer weiteren Ausführungsform ist der Lufteintritt nach unten gerichtet.
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In einer Ausführungsform ist die Kammer 5 zylindrisch mit einem rechteckigen Querschnitt, wobei jedes Ende 7, 8 flach, konisch oder pyramidenförmig ausgebildet ist, um eine gleichmäßige Vermischung der gekühlten Luft und des Abwassers an der Zuflussendung und das Sammeln der Verunreinigungen an der Ablaufendung zu fördern. Wenn die Erleichterung bei der Konstruktion an erster Stelle steht, kann die Kammer aus vorhandenen Baustoffen in einem rechteckigen Querschnitt hergestellt werden, mit vier ebene Wände, die an den Ecken miteinander verbunden sind und einem einfachen Endabschluss, wobei die Düse(n) aus dem oberen Ende herausragen und das untere Ende einen Ablauf enthält.
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In einer Ausführungsform kommt vorzugsweise die gekühlte Luft aus einer von vier Quellen: T-CAES Turboexpander, TL-CAES Turboexpander, Kompander oder Anhänger für flüssigen Stickstoff (LN2). Der LN2-Anhänger ist der am wenigsten wirtschaftliche Treiber, ist aber im Labormaßstab nützlich.
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In einer Ausführungsform steuert die Konfiguration der Düse 10 die Größe des Tröpfchens 13, wobei ein kleineres Tröpfchen eine längere Verweilzeit innerhalb der Kammer 5 aufweist. Einige Beispiele dafür sind in der nachstehenden Tabelle angegeben. Vollkegeldüsen sorgen für eine gleichmäßige Sprühverteilung von mittleren bis großen Tropfen, die sich aus ihrer Flügelgestaltung ergeben, die große Strömungsdurchgänge und Steuereigenschaften aufweist. Vollkegeldüsen sorgen für eine gleichmäßige Sprühverteilung von mittleren bis großen Tropfen, die sich aus ihrer Flügelgestaltung ergeben, die große Strömungsdurchgänge und Steuereigenschaften aufweist und sind die am weitesten verbreiteten in der Industrie.
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Innerhalb jeder Art von Sprühmuster erzeugen die kleinsten Kapazitäten die kleinsten Sprühtropfen, und die größten Kapazitäten erzeugen die größten Sprühtropfen. Jede Düsenform ergibt eine zahlenmäßige Verteilung von Tröpfchengrößen, bei denen es viele kleinere Tröpfchen und weniger größere Tröpfchen gibt als die durchschnittliche Größe. Der mittlere Volumendurchmesser (MVD) basiert auf dem Volumen der gesprühten Flüssigkeit, daher ist es ein weithin akzeptiertes Maß. Die folgende Tabelle zeigt die Reichweite der Tropfengrößen.
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In der Verwendung wird unter Druck gesetztes Abwasser durch die Düsen 10 gepresst, um in den Tank 5 als ein Spray mit Tröpfchen einer vorbestimmten Größe zu strömen. Das Abwasserspray 13, das von den Düsen (über 32F) ausströmt, durchdringt die gekühlte Luft, die durch den Lufteintritt in den Tank eingeführt wird. Das Spray und die gekühlte Luft verbinden sich, um eine Verbindung herzustellen, wobei die Sprühtröpfchen durch die gekühlte Luft abgekühlt werden. Die gekühlte Luft kann aus einem Turboexpanderabgas hergestellt werden und kann bei –175°F bei 44.000 Standardkubikfuß pro Minute (SKFM) eingeleitet werden. Diese Kombination tritt im Bereich A auf und bewegt sich durch die Kammer 5 (in einer Ausführungsform etwa 5 Fuß / Sek.). Im Bereich B sind die Tröpfchen durch längeren Kontakt mit der gekühlten Luft teilweise oder vollständig eingefroren und bewegen sich schneller (in einer Ausführungsform etwa 7,8 Fuß / Sek.). Wahlweise wird Frischwasser 15 auf die gefrorenen Tröpfchen durch die Frischwasserdüsen 14 gesprüht als Waschwasser, um Teichflüssigkeit aus einer abgelagerten Schicht von Eispartikel zu verdrängen. In einer Ausführungsform ist das Süßwasser aus aufgetautem Eis. Im Bereich C haben sich die eingefrorenen Tröpfchen im Korb 6 gesammelt und die gekühlte Luft tritt durch den Austrittsweg 4 aus. Die verbundene Abwassertröpfchenmischung hat sich die Kammer 5 hinunter zum Austrittsendung 8 hin bewegt. Im Bereich D tritt die gekühlte Luft aus dem Gehäuse 2 aus.
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In einem Beispiel ist die Anlage so entworfen, dass 95.000 Gallonen Abwasser pro Tag behandelt werden, wobei das Abwasser z.B. von 100°F auf –10°F gebracht werden muss, mit 144 BTU / Pfund für die Schmelzwärme bei 127,531 BTU / Minute. Mit einem zweistufigen Turboexpander und Generatorset wird das System ca. 4021,45 PS (3.000 kW) Strom erzeugen. Als Nebenprodukt des Turboexpansionsprozesses mit einer Effizienz von 11 SKFM / HP haben wir 131.381 BTU / Minute zur Verfügung, wenn diese 44.236 SKFM (Standardkubikfuß pro Minute) Luft von –175°F auf –10°F gebracht wird.
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Es gibt ein leichtes Überschreiten der verfügbaren Kühlleistung im Vergleich zu der erforderlichen Kühlleistung, wenn wir 131.381 BTU/ Minute mit 127.531 BTU / Minute vergleichen. Damit soll das Abkühlen der Anlage berücksichtigt werden, um den Reinigungsprozess zu starten und den Reinigungsprozess unter Berücksichtigung von Wärmeübertragungsverlusten fortzusetzen. Die Gesamtzeit, die benötigt wird um die Kälteleistung zu nutzen, wird durch die Verwendung von geringem Gewicht und geringer Wärmekapazität für die Strukturelemente der Anlage reduziert. Die Wärmeübertragungsverluste werden minimiert, indem die kalte Abluft verwendet wird, um an der Außenseite der Anlagenhülle vorbei zu kommen.
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Betrachten Sie den Sprüher an der Oberseite der EGKSK-Anlage. Die AVCO-Sprühkammern des Standes der Technik verwendeten die Flüssigkeits-Freon-Verdampfung, da das Kältemittel Abwassertröpfchen von 200 bis 360 Mikrometer Durchmesser erzeugte, die in 0,5 Sekunden 134 Mikrometer große Plättchen von frischem Eis bildeten. Weiterhin bildeten die abgelagerten Eisplättchen eine gesammelte Masse, die porös und hochpermeabel war (= 0,453).
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Wir haben einen größeren Temperaturunterschied zwischen Luft- und Abwassertropfen sowie mehr Verweilzeit. Das Abwassertröpfchen mit einem Durchmesser von 400 Mikron hat eine Verweilzeit von 7,05 Sekunden, so dass die Eisbildung und Trennung gewährleistet ist im Vergleich zu den 0,5 Sekunden von AVCO. Allerdings haben wir mehr Interesse an der Abfalltröpfchengröße von 1.200 Mikron Durchmesser, obwohl es eine kurze Verweilzeit von 3,75 Sekunden hat, weil wir größere Plättchen von Eis und eine porösere Anhäufung des Eises, das elastisch auf dem unterstützenden Maschensieb schwimmt, bilden können, so dass die dichte Sole durch die angesammelte Schneemasse abtropfen und den Waschbedarf reduzieren wird.
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Beispielsweise ist für einen volumetrischen Wasserfluss von 12 Gallonen pro Minute durch eine Vollkegeldüse mit einem Druckverlust von 10 psi (Pfund pro Quadratzoll) über die Düsenfläche, die Tröpfchengröße MVD = 4,300 Mikrometer; für einen niedrigen volumetrischen Wasserfluss von 0,16 Gallonen pro Minute durch eine Hohlkegeldüse mit 100 psi Druckabfall über die Düsenfläche, ist die Tröpfchengröße MVD = 200 Mikrometer. Wir interessieren uns für Durchmesser zwischen 400 und 1200 Mikrometer.
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Die Geschwindigkeit des Tröpfchens, das aus einer Öffnung mit einer 10-psid-Druckdifferenz austritt, beträgt 22,8 ft / Sek; bei 40-psid sind es 45,7 ft / Sek; und bei 100-psid sind es 72 ft / Sek.
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Man beachte, dass die Luft, die sich durch die Kristallisationskammer nach unten bewegt, durchschnittlich 6,35 Fuß / Sek beträgt und das 400-Mikron-Tröpfchen eine zusätzliche Endgeschwindigkeit von 5 Fuß / Sek bei insgesamt 11,35 Fuß / Sek aufweist. So gelangt das Spray in die obere EGKSK-Anlage mit einer höheren Geschwindigkeit als die Luftströmung, so dass diese Tröpfchen mit starker Wärmeübertragung schnell abgebremst werden.
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Man beachte, dass in einem anderen Beispiel die Luft, die sich durch die Kristallisationskammer nach unten bewegt, durchschnittlich 6,35 Fuß / Sek beträgt und das 1.200-Mikron-Tröpfchen eine zusätzliche Endgeschwindigkeit von 15 Fuß / Sek bei insgesamt 21,35 Fuß / Sek aufweist. Damit das Spray in die obere EGKSK-Anlage mit einer höheren Geschwindigkeit als die Luftströmung gelangt, so dass diese Tröpfchen mit starker Wärmeübertragung schnell abgebremst werden, ist es nötig, den höheren Überdruck über die Sprühdüse zu verwenden.
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Es ist wichtig, dass die Tröpfchenkerntemperatur die eutektische Frosttemperatur erreicht, in dem Moment in dem der beschichtete Eispartikel den Boden der Kammer erreicht und auf dem Netz zu Ruhe kommt. So sind alle drei Phasen des gefrorenen Abwassers vorhanden.
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Alle Berechnungen sollen zeigen, dass eine Flugzeit von 3,75 bis 7,05 Sekunden in der Kristallisationskammer das vollständige Mischen der Luft und der Tröpfchen ermöglicht, so dass sich die endgültige Gleichgewichtstemperatur der Luft einer Temperatur von etwas kühler als –6°F annähert. Die Tröpfchen nähern sich einer Temperatur von wärmer als –6°F an wenn sie auf dem Boden der Kristallisationskammer abgelagert werden.
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Wenn sich die Masse des abtropfenden Schnees in dem perforierten Korb ansammelt, erhält man einen kontinuierlichen Fluss von kleinen Volumenraten Frischwassersprays auf der akkumulierenden porösen Schneemasse. So setzt sich neben der natürlichen Drainage der dichten Salzlösung von oben bis unten der Schneemasse das kalte Frischwasserspray auf jeglichem verbleibenden Film auf jedem Schneekristall ab und spült ihn nach unten. Dieser Schritt ist erforderlich, um extrem hohe Wasserreinheiten zu erreichen.
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Eis, das elastisch auf dem unterstützenden Maschensieb schwimmt, so dass die dichte Sole durch die angesammelte Schneemasse abfließt und die Notwendigkeit des Waschens verringert. Das Entfernen der Schneemasse kann in Bündelform erfolgen, indem der gesamte perforierte Korb regelmäßig über ein Förderband entfernt wird. Oder kann kontinuierlich mit einer Schraube erreicht werden, die die Schneemasse kontinuierlich auf ein Förderband bewegt.
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Es ist wichtig, die konzentrierte Sole richtig zu behandeln, nachdem sie gesammelt wurde. Sie sollte nicht wieder in die Umwelt zurückfließen. In vielen Anwendungen kann die konzentrierte flüssige Sole weiterverarbeitet werden, um nützliche Produkte und zusätzliches Trinkwasser zu gewinnen.
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2 zeigt die Gegenstrom-EGKSK-Anlage, bei der die gekühlte Eingangsluft in der Strömungskammer nach oben in die sich nach unten bewegenden Abwassertröpfchen gepresst wird. Ein Gehäuse 30 definiert eine Kammer 31, die einen oberen Abschnitt 32 und einen unteren Abschnitt 33 mit einer oder mehreren Abwasserdüsen 35 aufweist, die mit einer Abwasserquelle 36 an oder nahe dem oberen Abschnitt verbunden sind, wobei die Düsen 35 Abwassertröpfchen 45 von einer relativ gleichbleibenden Größe produzieren und das Tröpfchenspray nach unten richten. Der obere Teilbereich weist auch eine oder mehrere Belüftungsöffnungen 34 auf, um den Austritt von gekühlter Luft zu ermöglichen, der über einen unteren Lufteintritt 42 herein kommt. Eine entfernbare Sammelvorrichtung 37 ist in dem unteren Abschnitt angeordnet, um abgeflossenes Eis aufzufangen, und die Sammelvorrichtung 37 kann entleert und ersetzt werden, wenn sie voll ist. Die perforierte Sammelvorrichtung 37 fließt in einen Sammler 40 zum Sammeln der verunreinigten Sole 41. Es gibt keinen Luftauslass in dem unteren Abschnitt, um Luft entweichen zu lassen, nur einen Ablauf für Sole 41, der in einigen Ausführungsformen verwendet wird. Zwischen dem oberen Abschnitt 32 und dem unteren Abschnitt 33 befindet sich der Lufteintritt 42, der mit einer Kaltluftquelle verbunden ist, die gekühlte Luft in das Gehäuse und in Richtung des oberen Teilbereichs führt. In einer Ausführungsform ist die gekühlte Luftquelle eine Turboexpanderabluft mit einer Temperatur von etwa –175° F. In einer Ausführungsform strömt die gekühlte Luft durch einen Waben-Luftstrom-Richtapparat 44.
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Das Abwasserspray wird im Allgemeinen durch die Bewegung der Düsen 35 und der Tröpfchen 45 in den oberen Abschnitt eingeführt, sowie durch die Schwerkraft und die Geschwindigkeit, die nach unten in Richtung des unteren Abschnitts 33 durch die emittierende Düse weitergegeben wird. Die Tröpfchen liegen über 32 F, wenn sie emittiert werden, aber gekühlte Luft wird aus dem Lufteintritt 42 bei A eingeführt und bewegt sich nach oben in dem Gehäuse bei B in Richtung des oberen Abschnitts 32, wo die gekühlte Luft durch die Belüftungsöffnungen 34 austritt. Die gekühlte Luft läuft im Gehäuse 30 nicht nach unten ab, da es keinen Ausgang für die Luft gibt. Wenn die Luft ansteigt, läuft sie an den abfallenden Tröpfchen 35 vorbei und kühlt die Tröpfchen 35, so dass die Tröpfchen teilweise oder vollständig eingefroren sind, wenn sie in den unteren Teil 33 kommen. Die gefrorenen Tröpfchen 35 werden in der Sammelvorrichtung 37 angesammelt, wobei die äußere Oberfläche eine Sole aufweist, die eine relativ höhere Konzentration an Verunreinigungen aufweist. Die äußere Oberfläche hat somit eine höhere Schmelztemperatur und kann daher flüssig sein, wenn die Tröpfchen 35 die Sammelvorrichtung 37 erreichen, wobei in diesem Fall die Sole, die die Verunreinigungen enthält, innerhalb des Sammlers 40 gesammelt und zu einem zentralen Verarbeitungssystem abgeleitet werden kann (nicht gezeigt). In einer Ausführungsform ist unterhalb der Sammelvorrichtung ein Gitter 38, das größere Eispartikel zurückhält, aber es ermöglicht, dass kleinere Partikel und Sole durchlaufen. Der Sammler hat ein feineres Gitter 46 über seine Oberseite, um nur der Sole, aber nicht den Eispartikeln zu erlauben durch zu laufen. Zwischen dem größeren Gitter 38 und dem feineren Gitter 46 ist Salz eingelagert, das sich mit den kleineren Eispartikeln verbindet, die durch das größere Gitter 38 hindurchgehen, wobei die Sole bewirkt, dass sich das Salz mit dem Eis vermischt, um die Trennwirkung durch den Waschvorgang zu erhöhen.
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Der Waschvorgang beginnt mit einer kleinen Menge Frischwasser bei nahezu 0 Grad C. Sobald der Waschvorgang begonnen hat, wird ein Teil des aufgetauten Eises in die Kammer zurückgeführt, um die angesammelte poröse Masse von Eisplättchen zu besprühen. Der Frischwassersprühstrahl, der die Masse der Eisplättchen mit nur einem sehr dünnen Film von Rückstandssole trifft, zwingt den Film, als flüssige Sole abzulaufen, während das ursprüngliche Eisplättchen in der Größe wächst. Ein oder zwei solcher Waschungen werden für besonders toxische Schadstoffe, die eine starke Trennwirkung erfordern, nötig sein.
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In einer Ausführungsform ist das Gehäuse zylindrisch und ist abdichtend mit dem Lufteintritt 42 verbunden. In einer anderen Ausführungsform hat das Gehäuse einen quadratischen Querschnitt für eine leichtere Konstruktion mit einem kostengünstigen Wandmaterial.
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In einer Ausführungsform sind die Düsen Vollkegeldüsen, die für eine gleichmäßige Sprühverteilung von mittleren bis großen Tropfen sorgen, die sich aus ihrer Flügelgestaltung ergeben, die große Strömungsdurchgänge und Steuereigenschaften aufweist. Vollkegeldüsen sorgen für eine gleichmäßige Sprühverteilung von mittleren bis großen Tropfen, die sich aus ihrer Flügelgestaltung ergeben, die große Strömungsdurchgänge und Steuereigenschaften aufweist und sind die am weitesten verbreiteten in der Industrie. Innerhalb jeder Art von Sprühmuster erzeugen die kleinsten Kapazitäten die kleinsten Sprühtropfen, und die größten Kapazitäten erzeugen die größten Sprühtropfen. Der mittlere Volumendurchmesser (VMD) basiert auf dem Volumen der gesprühten Flüssigkeit. Daher ist es ein weithin akzeptiertes Maß. Die obige Tabelle zeigt die Reichweite der Tröpfchengrößen, die durch den Düsentyp möglich sind.
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Es gibt mehrere Vorteile dieser Ausführungsform, obwohl sie technisch komplexer ist als die in 1 gezeigte. Die Gesamthöhe der EGKSK-Anlage ist viel kleiner, obwohl die Verweilzeit des Abwassertröpfchens eine Länge von 4,35 Sekunden haben kann, sogar bei den Abwassertröpfchen von 1.200 Mikrometer Durchmesser. Die Aufwindgeschwindigkeit beträgt ca. 15Fuß / Sek.
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Im Wesentlichen wird das Abwassertröpfchen in der Nähe der Oberseite der EGKSK-Anlage durch den Aufstieg gehalten, wenn das Tröpfchen gefriert. Die sehr langsame Abwärtsgeschwindigkeit erlaubt
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den gefrorenen Tröpfchen (z. B. bei –10°F) mit ihrer flüssigen beschichteten konzentrierten Soleoberfläche in den ruhigen Inhalt der Unterseite der EGKSK-Anlage zu fallen. Die nach unten gerichtete Einspritzgeschwindigkeit des warmen Abwassertröpfchens in einen sich aufwärts bewegenden Kaltluftstrom verstärkt stark den Wärmeaustausch an der Oberseite der EGKSK-Anlage, wo der Luftstrom am wärmsten ist. Zu dem Zeitpunkt, zu dem das gefrorene Abwassertröpfchen die Oberseite des Ruhewasserbereichs erreicht, bewegt sich das gefrorene Tröpfchen langsam, wird aber dem höchsten Temperaturunterschied auf seiner Oberfläche ausgesetzt. Das ist, wo die ankommende Luft bei –175°F und das gefrorene Tröpfchen bei –10°F sind. Die ruhige Luftkammertemperatur am Boden der Kammer kann besser gesteuert werden, um sicherzustellen, dass die eutektische Temperatur beibehalten wird, während die Entwässerungs- und Waschzyklen eingesetzt werden.
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3 zeigt das Phasendiagramm für eine Salz(NaCl)-Lösung mit Temperatur- und Konzentrationskoordinaten. Betrachten wir eine 6-prozentige Salzwasserlösung. Wenn die Temperatur von Raumtemperatur auf unter 23°F reduziert wird, bleibt die gesamte Lösung flüssig.
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Wenn die Temperatur weiter abfällt und die Phasengrenze erreicht wird, bilden sich Eiskerne und wachsen innerhalb der kalten Flüssigkeit. Da jeder Eispartikel eine geringere Dichte hat als die umliegende Sole, wird er auf die Oberfläche der dichten flüssigen Sole getragen. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis ein Schaum dieser Eiskristalle auf der Oberfläche der Sole erscheint.
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Wenn die Temperatur des Flüssigkeitsvolumens der Sole auf ihre eutektische Temperatur herabgesetzt wird, ist die Schicht des schwimmfähigen Eises bis zu ihrer maximalen Dicke gewachsen. Aber auch ein zusätzlicher Vorgang tritt ein. Einzelne dichte Salzkristalle erscheinen und setzen sich auf dem Boden der flüssigen Sole ab. Die verbleibende Sole erreicht eine Konzentration, die als eutektische Konzentration bekannt ist. Die Zeichnung rechts unten zeigt eine Solelösung bei ihrer eutektischen Temperatur und eutektischen Konzentration.
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4 zeigt die Energiebilanz, die verwendet wird, um den erforderlichen Massenstrom von Luft bei –175ºF zu erhalten, um 90.000 Gallonen Abwasser pro Tag auf –20ºF zu bringen und um 95.000 Gallonen pro Tag Abwasser auf –10°F zu bringen. Es ist der frühere Fall, der verwendet wird, wenn es ein Generatorenset sein soll, das die elektrischen Kompressoren mit Strom versorgt. Dies ist eine Energiebilanz und geht davon aus, dass unbegrenzte Zeit für den Prozess zur Verfügung steht und dass sich das gesamte Wasser in einem Rührkessel befindet, um ein perfektes Mischen zu gewährleisten. Es ist von daher eine ungefähre Berechnung.
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Die Wärmeübertragungsrate zwischen kalter Luft und warmem Abwassertropfen muss berücksichtigt werden. Eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen Tröpfchen und Luft (d.h. eine hohe Reynoldszahl) sowie ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen sind erforderlich, um die Energiebilanz zu gewährleisten. Empirische Daten mit ähnlichen Umgebungsbedingungen haben gezeigt, dass für mehrere Abwasserlösungen 0,5 Sekunden für ein Abwassertröpfchen ausreichen, um Eiskerne zu bilden, alle Eiskeime wachsen zu lassen und die Sole zur äußeren Oberfläche des fallenden Teilchens zu drücken.
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5 zeigt die Endgeschwindigkeit eines Wassertröpfchens. Die Endgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, die durch ein fallendes Tröpfchen in unserem Gravitationsfeld erreicht wird, aber durch eine aerodynamische Schleppkraft, die durch die Fallgeschwindigkeit erzeugt wird, gebremst wird.
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Zunächst ist an der Oberseite der EGKSK-Anlage das Abwasser eine Flüssigkeitssäule mit einer Druckdifferenz über den Spritzdüsendurchmesser, die eine Geschwindigkeits- und Flüssigkeitssäulenauflösung in Tröpfchen mit festem Durchmesser erzeugt. Während des Abwärtsfluges des Tröpfchens trifft es jedoch auf einen Abwärtswind in der Gleichstromanlage, oder es trifft auf einem Aufwärtswind in der Gegenstromanlage. Somit kombinieren sich die Endgeschwindigkeit und die Windgeschwindigkeit der Anlage, um die Relativität in der Kammer von fester Länge zu ergeben.
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In der Gleichstromanlage ist die Anlage auf die Höhe beschränkt, die per Bahn oder LKW (oder 90 Fuß) übertragen werden kann. In der Gegenstromanlage kann die Höhenanforderung um eine Größenordnung reduziert werden. Die Kammerhöhe, dividiert durch die Relativgeschwindigkeit der Tröpfchen, führt zur Verweilzeit des Tröpfchens.
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Die Geschwindigkeit der Luft in der Kammer wird durch den Luftstrom bestimmt, der in SKFM oder Pfund pro Minute gehandhabt werden soll. Wenn wir eine Querschnittsfläche der Kammer sowie die Lufttemperatur an der Oberseite und Unterseite der Kammer annehmen und diese mit dem Massenstrom kombinieren, so erhalten wir die lokale Geschwindigkeit am oberen und unteren Ende der Kammer.
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Diese Berechnungsreihe liefert die Höhe und die Querschnittsfläche der Gleichstrom- und Gegenstromkammer. Beachten Sie, dass es notwendig war, die Gallonen pro Tag von Abwasser als Ausgangspunkt zu wählen.
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6 zeigt, dass der Gefrierkristallisationsvorgang einen weniger geringen Energieverbrauch hat, als bei den Membranprozessen, er hat dafür andere Vorteile. Der erste Vorteil ist, dass die Kristallisation in der Regel ein Prozess einer einzigen Gleichgewichtsphase ist. Da er bei niedrigeren Temperaturen arbeitet und die latente Kristallisationswärme immer kleiner als die Verdampfung ist, ist die Entropieänderung für diesen Prozess kleiner als für einen Verdampfungsprozess. Die niedrigeren Temperaturen verringern auch Korrosionseffekte, so dass weniger teure Konstruktionsmaterialien erforderlich sind. Sehr hohe Trennfaktoren sind die Regel bei kristallisierenden Prozessen, so dass die Reinheit des Produktes hervorragend ist.
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Die Kristallisation kann sauberes Wasser aus gesättigten Solen mit einem Gesamtsalzgehalt von Konzentrationen bis zu 650.000 mg / l erzeugen. Die Kristallisation wird häufig mit anderen Behandlungsprozessen verbunden, die bei der Entfernung niedrigerer Gesamtsalzgehalt-Konzentrationen im Wasser energieeffizienter sind. Kristallisatoren werden aufgrund ihrer hohen operativen Energieaufwandsanforderungen und der anschließenden Behandlungskosten selten bei Niedrig-Gesamtsalzgehalt-Wasserquellen angewendet.
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7 zeigt, dass, obwohl mehr Energie durch Gefrierkristallisation verbraucht wird, eine Gefrierkristallisation da verwendet wird, wo eine starke Isolierung der Verunreinigung erforderlich ist. Der scheinbare Leistungsnachteil kann durch die Verwendung von Umkehrosmose stromaufwärts des Gefrierkristallisationsverfahrens überwunden werden, so dass die Gefrierkristallisation die aus der Umkehrosmose kommende Sole verarbeitet.
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8 zeigt die beiden Verfahren zur Erzielung des hohen Massenstroms von supergekühlter Luft bei –175ºF, nämlich TL-CAES- und Kompander-Verfahren. Das TL-CAES-System speichert nicht nur Energie, sondern überträgt auch Energie, so dass keine unansehnliche Hochspannungsleitungen zwischen der Stromquelle und dem Ort, an dem der Strom letzten Endes genutzt wird, gebraucht werden. Die Verwendung eines Windparks oder eines Photovoltaik-Panel-Parks als Stromquelle macht dieses System völlig grün, kein Kraftstoff wird verbrannt. Das TL-CAES-System liefert dem Endverbraucher nicht nur Strom, sondern auch den hohen Luftmassenstrom bei –175°F. Dieses System ist bei 1 bis 10 MW und Tagen der Stromlieferung realisierbar. Das Szenario beinhaltet eine Stromquelle, die etwa 3 oder mehr Meilen vom Benutzer entfernt ist, so dass eine hohe Luftdruckrohrleitung verwendet wird, um die Druckluft dem Turboexpander / Generator-Setup des Benutzers zuzuführen.
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Das T-CAES-System speichert nur Energie, überträgt aber keine Energie. Die Verwendung eines Windparks oder Photovoltaik-Panel-Parks als Stromquelle macht dieses System völlig grün ... kein Kraftstoff wird verbrannt. Das T-CAES-System liefert dem Endverbraucher nicht nur Strom, sondern auch den hohen Luftmassenstrom bei –175°F. Dieses System ist bei 1 bis 10 MW und für ca. 4 Stunden Stromlieferung realisierbar. Das Szenario beinhaltet eine Stromquelle vor Ort beim Benutzer, so dass ein Verteilrohr mit hohen Luftdruckbehältern verwendet wird, um die Druckluft dem Turboexpander / Generator-Setup des Benutzers zuzuführen.
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Der Kompander ist eine Vorrichtung, die durch etwa 90 psia Druckluft von einem Niederdruckkompressor angetrieben wird. Der Kompander ist eine zweistufige Konfiguration eines Turbokompressors und eines Turboexpanders auf einer gemeinsamen Achse und einem weiteren Turbokompressor und Turboexpander auf einer gemeinsamen Achse. Die Eingangsdruckluft (90 psia und 70°F) wird dem ersten Turbokompressor und dem Wärmetauscher und dann dem zweiten Turbokompressor und Wärmetauscher zugeführt. Der anfängliche Luftstrom durch den Turbokompressor führt auch durch ihren jeweiligen Turboexpander. Es dauert ein paar Sekunden, da alle Rotationsmaschinen auf die Freilaufdrehzahl beschleunigen. Zu diesem Zeitpunkt wird nur eine hohe Masse an supergekühlter Luft bei –175°F erzeugt. Es wird kein Strom erzeugt. Der einzige Treiber für das System ist der Nutzwert oder die GenSet-Leistung, die einen Niederdruck-Kompressor mit 90 Psia-Druckausstoß antreibt.
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Die obigen zwei Systeme sind in der Lage, mindestens 95.000 Gallonen Abwasserreinigung pro Tag zu fördern. Das in Dewargröße und Anhängergröße mit stickstoffbetriebene System soll eine kleine, aber hochgradig instrumentierte EGKSK-Anlage unterstützen. Das Ziel dieser dauerhaften Anlage ist es, die Gestaltung der Gesamtanlagen festzulegen, die zur Unterstützung jedes neuen Kunden erforderlich sind. Es wird erwartet, dass jeder neue Kunde seine eigene Schadstoff- und anfängliche Schadstoffkonzentration hat, die er entfernt haben muss, um die vorgeschriebene Wasserreinheit zu erfüllen.
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9 zeigt das T-CAES-System sowie das TL-CAES-System, bei dem die Energie eines Windparks oder einer Photovoltaikanlage einen Luftkompressor, der einen Verteiler von Tanks für das T-CAES-System oder eine lange druckdichte Rohrleitung auf 1.200 psig unter Druck setzt, wenn der Wind weht oder die Sonne scheint.
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Wenn der Wind nicht weht und die Sonne nicht scheint, aber elektrische Energie benötigt wird, liefert der Druckbehälter dem Turboexpander / Generator konstant 200 psig. Der Generator (angetrieben durch den Turboexpander) liefert die benötigte Elektrizität und der Turboexpander-Auslass erzeugt einen hohen Massenstrom von supergekühlter Luft bei –175°F.
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Es ist die jüngste Entwicklung des T-CAES-Systems und des TL-CAES-Systems, die diese extrem kalte Luft bei solch einem hohen Massenstrom zur Verfügung stellen kann. Und es ist dieses Nebenprodukt, das die EGKSK-Anlage antreibt. Bis zu diesem Punkt waren nur kalte Temperaturen mit konventionellen Kühlanlagen oder mit kanadischen Wintern um die –10°F möglich anstatt der jetzigen –175°F.
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Wenn die Abluft aus der EGKSK-Anlage –20 ° F beträgt, wird diese Luft, wenn Eispartikel entfernt werden, zu einem GenSet als Luftansaugung geschickt. Dies führt zu einer 30% igen Reduktion des Erdgasverbrauchs bei der gleichen elektrischen Leistungsabgabe.
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In einer Systemkonfiguration läuft das GenSet mit normalem Erdgasverbrauch. Auf der anderen Seite verbraucht sie 30% weniger Erdgas, wenn sie mit –20°F Ansaugluft versorgt wird. Der GenSet-Strom wird verwendet, um die elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, die einen Kompander antreibt, der der EGKSK-Anlage kalte Luft zuführt, um Wasser zu reinigen.
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10 zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Leistungsabgabe von der Ansauglufttemperatur für ein MARS 100 GenSet, hergestellt von Caterpillar Solar Corporation. Wenn die Ansaugluft zum Turbokompressor weniger dicht ist (hohe Lufttemperatur), gibt es eine Erhöhung der Leistung, die erforderlich ist, um den vorgegebenen Luftstrom an die Verbrennungskammer zu liefern. Der Turbokompressor arbeitet volumetrisch, die Brennkammer dagegen arbeitet massiv.
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Typische große GenSets arbeiten in einem geschlossenen Energiegebäude, das Raumlufttemperaturen in einer Größenordnung von 100°F hat, so dass der MARS 100 GenSet 9.700 kW elektrischen Strom erzeugt. Ingenieure eines Stromversorgungssystems sind sich dieses Leistungsverlustes bewusst, so dass sie die Ansaugluft mit mehreren Arten von Kühl- und Kältegeräten kühlen, um die Ansaugluft auf 47°F zu reduzieren, anstatt 100°F zu verwenden, um 11.700 kW elektrische Leistungsabgabe für den gleichen Erdgasverbrauch zu erreichen. Dies stellt den aktuellen Stand der Technik dar. Jedoch erfordert Mil-Std 810G, dass GenSets, die in der Arktis verwendet werden, bei –25°F arbeiten. Deshalb gibt es keinen Grund, dass der GenSet durch Einlassluft bei 47°F angetrieben werden sollte. Dieser Vorgang wurde bisher nicht kommerziell durchgeführt, aber hier beschrieben. Der Betrieb bei –20°F führt zu 13.000 kW elektrischer Leistungsabgabe bei gleichem Erdgasverbrauch.
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11 zeigt die Verwendung eines Kompanders, um den hohen Massenstrom von supergekühlter Luft bei –175ºF zu erzeugen. Der zweistufige, freispulende Kompander wird von einem konventionellen Luftkompressor angetrieben, der normalerweise "Hausluft" bei 90 psia für pneumatische Werkzeuge liefert. Die Elektrizität für den konventionellen Luftkompressor wird von einem GenSet geliefert, wenn es keine Stromversorgung in der Nähe gibt.
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Es ist zu beachten, dass der massereiche Luftfluss bei –20°F aus der EGKSK-Anlage verwendet wird, um den Hochleistungsbetrieb des GenSet zu erhalten, wie in 9 zu sehen ist.
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In diesem Beispiel wird die mit Eiskristallen beladene Ausgangsluft vor dem Zuführen der Luft zu den Hochgeschwindigkeitslaufradschaufeln der Eingangsluft zu dem durch Turbinen angetriebenen Kompressor zentrifugiert. Die Eispartikel mit einem Durchmesser von mehr als 10 Mikrometer werden unter Verwendung einer 135-Grad-Drehung in der Zufuhrleitung zentrifugiert, während die Eispartikel von weniger als 10 Mikrometer vom Luftstrom geleitet werden, der durch den offenen Kanal zwischen den Klingen strömt, so dass die Eispartikel nicht auf den Klingen aufprallen.
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Es ist wichtig, alle Eispartikel aus der –20°F kalten mit Partikeln beladenen Luft mit Eispartikeln mit einem Durchmesser von mehr als 10 Mikrometer zu zentrifugieren, bevor die Ansaugluft dem Turbokompressor zugeführt wird. Die Hochgeschwindigkeitslaufradschaufeln der Turbine würden durch den kontinuierlichen Aufprall dieser Eisteilchen erodiert.
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Die Eispartikel, die kleiner als 10 Mikrometer im Durchmesser sind, verfolgen die Ansaugluftstromlinien, obwohl es eine gekrümmte Flugbahn zwischen den Klingen gibt. Diese Partikel schmelzen und verdampfen im Dahinsausen der Turbinenschaufeln, wenn die Luft durch Kompression erwärmt wird. Diese weitere Kühlung unterstützt die Effizienz des Kompressionsprozesses.
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12 zeigt eine Laboreinrichtung, die in hohem Maße instrumentiert ist, um das Verhalten der Kristallisationskammer zu beobachten, und zwar wird Folgendes überwacht: (1) Injektionszone an der Oberseite der EGKSK-Anlage, um die Abwassertröpfchengrößenentwicklung und Strecke zu beobachten, die benötigt wird, um die Endgeschwindigkeit des Tröpfchens zu erreichen, (2) Mittlere-Höhen-Zone der EGKSK-Anlage zur Bereitstellung von Mikrophotographien der fallenden Partikel während des Gefrierens, um die Migration der Sole aus dem Inneren des Kerns des gefrorenen Plättchens von Süßwassereis zu beobachten, (3) Bodenzone der EGKSK-Anlage, um Fotografien der akkumulierenden Schneemasse und der Entwässerung der Sole durch die poröse Schneemasse bereitzustellen, (4) Schneemasse, die auf dem Netz des perforierten Korbes gefangen ist, (5) Salzkristalle, die auf dem feinen Netz unter der Schneemasse gefangen sind, und (6) Ausmaß der elektrischen Leitfähigkeit der Sole, die am unteren Ende der EGKSK-Anlage gesammelt wird.
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Unter Bezugnahme auf 12 weist eine längliche Kammer 102 mit einer Oberseite 102a und einer Unterseite 102b eine Abwasserdüse 104 an der Oberseite 102a und einen perforierten korbartigen Akkumulator 106 am Boden 102b zum Sammeln der Eisteilchen auf. Bei oder nahe der Oberseite 102a der Kammer befinden sich eine oder mehrere Stickstoffdüsen 118, um zu ermöglichen, dass Stickstoffgas entweicht. Unterhalb der Sammelvorrichtung 106 ist am Boden 102b ein Sammler 120 für die abgeflossene Sole, wobei der Sammler 120 darüber ein feines Gitter 122 aufweist. In einer Ausführungsform kann das Salz 124 zwischen der Sammelvorrichtung 106 und dem Sammler 120 auf der Oberseite des Sammelgitters 122 angeordnet sein. Zwischen den Oberseiten 102a und dem Boden 102b der Kammer 102 befindet sich ein Kaltlufteintritt 108. Die Quelle der gekühlten Luft (gasförmiger Stickstoff) kann eine flüssige Stickstoffquelle 112 sein, die einen flüssigen Stickstoffdewar 114 und / oder gasförmigen Stickstoff 116 bei Raumtemperatur umfasst. Im Gebrauch gelangt die gekühlte Luft oder der Stickstoff in die Kammer 102 und wird nach oben gerichtet, in entgegengesetzter Richtung zu den Abwassertropfen 126, die von der Düse 104 nach unten abgegeben werden. Wenn die gekühlte Luft das Tröpfchen passiert, verringert sie die Temperatur des Tröpfchens, das teilweise oder vollständig einfriert und in die Sammelvorrichtung 106 fällt. Die Sole verlässt die Sammelvorrichtung durch den perforierten Boden und tropft in das Salz 124, wo sie salziger wird. Die Sole 129 kommt im Sammler 120 zur Ruhe.
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Um den Betrieb und die Wirkungen des Systems zu beobachten, ist eine Videokamera 130 ausgerichtet, um in die Sammelvorrichtung 106 zu sehen, um im Detail das Aussehens der gefrorenen Tröpfchen zu betrachten. Bei oder nahe der Oberseite 102a unterhalb der Düse 104 befinden sich ein Lichtprojektor 132 und eine digitale Video- oder Standbildkamera 134, wobei das Sichtfeld der Kamera 134 durch den Lichtprojektor 132 beleuchtet wird. In einer Ausführungsform ist die gegenüberliegende Seite 102c der Kammer von der Kamera schwarz lackiert, um einen größeren Kontrast auf dem Videobild zu erzeugen. Die Innenflächen der Kamera und des Lichtprojektors können auch schwarz lackiert werden. Eine Fensterlinse 138 trennt den Lichtprojektor 132 von dem Inneren der Kammer 102. Ein Lichtpolarisator 136 befindet sich zwischen dem Lichtprojektor 132 und der Fensterlinse 138, die verwendet wird, um das gesamte Streulicht, die Reflexionen und das Blendlicht herauszufiltern, welche von anderen Quellen, als die des Zielinteresses kommen. In einer Ausführungsform befindet sich eine trockene Stickstoffquelle 139 zwischen der Fensterlinse und dem Inneren der Kammer, um zu verhindern, dass feuchte Luft in Kontakt mit Fenstern oder Linsen kommt und um das Beschlagen von Fenstern und Linsen zu verhindern, welches die Betrachtung des Ziels behindert. Eine Fensterlinse 140 trennt auch die Kamera 134 von der Kammer 102. Ein Lichtpolarisator 142 befindet sich zwischen dem Lichtprojektor 134 und der Fensterlinse 140 und wird verwendet, um das gesamte Streulicht, die Reflexionen und das Blendlicht herauszufiltern, welche von anderen Quellen, als die des Zielinteresses kommen. In einer Ausführungsform befindet sich eine trockene Stickstoffquelle 144 zwischen der Fensterlinse und dem Inneren der Kammer 102, um die mit den Fenstern oder Linsen in Berührung kommende Luft zu trocknen.
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Der Lichtprojektor 132 hat eine Anzahl von Modi, wobei er durch eine Reihe von Blitzen beleuchten kann, die zeitlich so gesteuert sind, eine Reihe von Standfotos zu zeigen oder zeitlich so gesteuert sind, Eisbildung zu zeigen, oder zeitlich so gesteuert sind, Salzkristallisation zu zeigen. Die Kamera 134 kann auch eine Anzahl von Fotoeinstellungen aufweisen, um eine genaue Beobachtung der Tröpfchen im Flug zu ermöglichen. Um die Aufwärtsgeschwindigkeit des Stickstoffs zu bestimmen, können Kunststoffperlen innerhalb der Kammer 102 fallengelassen und beobachtet werden.
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Wenn eine vollständige Trennung des Schadstoffs aus dem Abwasser durch die elektrische Leitfähigkeit der konzentrierten Sole gezeigt wird, wird eine Reihe von Waschvorgängen durchgeführt und fein abgestimmt, um ein optimales Waschverfahren zu entwickeln.
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Es ist zu berücksichtigen, dass diese Anlage eine vorbestimmte Konzentration an Schadstoff im Abwasser verwendet und die Konzentration der endgültigen Solekonzentration messen wird, so dass die Trennwirkung gemessen wird. Für einfache Salze, bei denen Konzentrationen von 10% bis 20% Ausgangslösung eine einfache Instrumentierung erfordern, um zu bestimmen, ob die Endkonzentration der Lösung etwa 100 ppm beträgt. Für die giftigeren Schadstoffe kann der Anfangsbereich in Teilen pro Million (ppm) liegen und muss auf Teile pro Milliarde (ppb) gebracht werden; die Instrumentierung ist hier komplexer. Weiterhin sind Sicherheits- und Entsorgungsvorschriften zu beachten.
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Die Erfindung wurde hierin unter Verwendung spezifischer Ausführungsformen nur zum Zwecke der Veranschaulichung beschrieben. Für den Fachmann ist jedoch leicht ersichtlich, dass die Prinzipien der Erfindung auch auf andere Weise verkörpert werden können. Daher sollte die Erfindung nicht als beschränkt auf den Umfang der hierin offenbarten spezifischen Ausführungsformen angesehen werden, sondern entsprechend dem vollen Umfang der folgenden Ansprüche.
