DE102018002568A1 - Method and device for carrying out the method for concentration of solutions - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren vorgestellt, das sich vor allem für die Konzentration von Lösungen eignet, wobei die Konzentration der Lösung in hintereinander geschalteten Stufen von Verdunstern und Kondensatoren schrittweise erhöht werden. In den einzelnen Stufen wird Lösungsmittel mit geringem Energieaufwand verdunstet und nach dessen Kondensation ausgeschleust. Das gewonnene Lösungsmittel kann auch ein Produkt des Prozesses sein oder wiederverwendet werden. Es werden Maßnahmen gezeigt, die eine hohe Konzentration der Lösung und die Kristallisation in der HD-Anlage ermöglichen.

Figure DE102018002568A1_0000
A method is presented, which is particularly suitable for the concentration of solutions, whereby the concentration of the solution in successive stages of evaporators and condensers are gradually increased. In the individual stages, solvent is evaporated with little expenditure of energy and discharged after its condensation. The recovered solvent may also be a product of the process or reused. Measures are shown which enable a high concentration of the solution and the crystallization in the HP plant.
Figure DE102018002568A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die vorangegangene Hauptanmeldung des Erfinders: „Verfahren und Einrichtungen zur Erzeugung von Frischwasser“ AKZ 10 2017 006 726.0, Anmeldetag 14.2017, und erweitert die Erfindung vor allem im Hinblick auf größere Anlagen zur Konzentration von Prozesswasser, bis hin zur Kristallisation von Feststoff aus dem Prozesswasser. Die Erfindung stellt sich außerdem die Aufgabe, Möglichkeiten zur möglichst kontinuierlichen Gewinnung großer Mengen von Reinwasser mit geringem Aufwand zu eröffnen. Dabei werden die in der Hauptanmeldung offenbarten Maßnahmen ergänzt und erweitert.The present invention relates to the previous parent application: "Methods and apparatus for producing fresh water" AKZ 10 2017 006 726.0, filing date 14.2017, and extends the invention, especially with regard to larger plants for the concentration of process water, to crystallization of solid from the process water. The invention also has the task to open up opportunities for the highest possible recovery of large quantities of pure water with little effort. In doing so, the measures disclosed in the parent application are supplemented and expanded.

In der Hauptanmeldung werden vor allem Maßnahmen behandelt, eine möglichst große Menge an Kondensat in einer Stufe des Verdunstungs-Kondensations-Prozesses (Humidification-Dehumidification Process; HD-Prozess) mit möglichst wenig extern zugeführter Wärme zu generieren. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit neuen Möglichkeiten des HD-Verfahrens, insbesondere zur schrittweisen Konzentrierung der Sole und zum kontinuierlichen Betrieb mit großen Kondensat-Mengenströmen und gegebenenfalls mit Kristallisation. Die Möglichkeiten ergeben sich durch die erfindungsgemäße mehrstufige und modulare Anordnung der HD-Einrichtungen, dem kontinuierlichen Betrieb mit Niedertemperatur-Wärme und der Einbeziehung der Kristallisation in die HD-Anlage. Damit können Nachteile der herkömmlichen Technik überwunden werden.In the main application, measures are mainly taken to generate the largest possible amount of condensate in one stage of the evaporation-condensation process (humidification-dehumidification process, HD process) with as little externally supplied heat as possible. The present invention is concerned with new possibilities of the HD process, in particular for the stepwise concentration of the brine and for continuous operation with large condensate flow rates and optionally with crystallization. The possibilities arise from the inventive multi-stage and modular arrangement of the HD facilities, the continuous operation with low-temperature heat and the inclusion of crystallization in the HD system. Thus, disadvantages of the conventional technique can be overcome.

In der vorliegenden Beschreibung werden die in der Hauptanmeldung verwendeten Formelzeichen und Bezugszeichen beibehalten. Neue Bezugszeichen werden mit Ziffern ab 50 benannt und in der Bezugszeichenliste am Ende der Beschreibung aufgelistet.In the present description, the symbols and reference numerals used in the parent application are retained. New reference numbers are designated with numbers from 50 and listed in the list of reference numerals at the end of the description.

Zur Vereinfachung der Beschreibung wird eine Lösung (Sole) mit Salzkonzentration im Lösungsmittel Wasser angenommen. Es sind jedoch auch Lösungen mit anderen gelösten Stoffen und Lösungsmitteln gemeint, wenn bei der Verdunstung die gelösten Stoffe in der Lösung zurückbleiben.To simplify the description, a solution (brine) with salt concentration in the solvent water is assumed. However, solutions with other solutes and solvents are also meant when the solutes remain in the solution during evaporation.

Anteile von Stoffen in der Lösung, die im Prozess verdunsten, aber nicht wieder kondensieren, können aus der Lösung ausgetrieben werden, so dass ebenso wie die Salze nicht im gewonnenen Lösungsmittel enthalten sind.Parts of substances in the solution that evaporate in the process but do not condense again can be expelled from the solution, so that just like the salts are not contained in the recovered solvent.

Das HD-Verfahren ist seit vielen Jahrzehnten bekannt. Eine Übersicht der Entwicklung enthält das Conference Paper von B. Seifert et al.: „About the History of Humidification-Dehumidification Desalination Systems“, October 2013, Conference: International Desalination Association World Congress on Desalination and Water Reuse At: Tianjin, China . Trotz der Vorteile des HD-Verfahrens ist es bisher nicht im großen Umfang im Einsatz. Eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird mit der Erfindung eröffnet.The HD process has been known for many decades. An overview of the development can be found in the conference paper by B. Seifert et al .: "The History of Humidification-Dehumidification Desalination Systems", October 2013, Conference: International Desalination Association World Congress on Desalination and Water Reuse At: Tianjin, China , Despite the advantages of the HD process, it has not yet been widely used. An improvement of the economy of the method is opened with the invention.

In der Hauptanmeldung wurde gezeigt, dass eine hoch-effiziente Nutzung der dem Prozess zugeführten Wärme Qext dann erfolgt, wenn die Temperaturerhöhung Δt12 = t2 - t1 des Rohwasserstroms im Kondensator 2 im Vergleich zur Temperaturerhöhung Δt23 = t3 - t2 des Rohwasserstroms im Externen Heizer 4 groß ist.In the parent application it has been shown that a highly efficient use of the heat Q ext supplied to the process takes place when the temperature increase Δt 12 = t 2 -t 1 of the raw water flow in the condenser 2 in comparison to the temperature increase Δt 23 = t 3 - t 2 of the raw water flow in the external heater 4 is great.

Das Verhältnis Δt12 / Δt23 wird in der Hauptanmeldung als Effektivität PRHD bezeichnet und dort in Gleichung (1) definiert. Sie kann durch die Möglichkeiten der in der Hauptanmeldung vorgestellten Aktiven Wand 3 gesteigert werden. Die Aktive Wand sorgt für die gezielte Erzeugung der Luftzirkulation mit einem über die Höhe des Verdunsters und des Kondensators veränderlichen Luftstrom, der dem gewünschten Verhältnis von Luftstrom G zum gegenströmenden Flüssigkeitsstrom L angepasst ist, so dass eine hohe Effektivität PRHD erreicht wird.The ratio Δt 12 / Δt 23 is referred to in the parent application as effectiveness PR HD and there in equation ( 1 ) Are defined. It can wall through the possibilities presented by the main application Active wall 3 be increased. The active wall provides for the targeted generation of air circulation with a variable over the height of the evaporator and the condenser air flow, which is adapted to the desired ratio of air flow G to the counterflow liquid flow L, so that a high efficiency PR HD is achieved.

Die optimalen Bedingungen für die Durchführung des Verfahrens sind insbesondere abhängig von den laufenden Kosten für die externe Wärmezufuhr und vom apparativen Aufwand. Die Erfindung ermöglicht die Anpassung an die gegebenen Rahmenbedingungen, vor allem durch die Anpassung der Effektivität PRHD. Eine Vergrößerung der Effektivität wird vor allem durch einen größeren apparativen Aufwand bewirkt. Durch modulare Vergrößerung der Apparatehöhe wird durch den Gegenstrombetrieb die extern zuzuführende Wärme verringert.The optimal conditions for carrying out the method are dependent, in particular, on the running costs for the external supply of heat and on the expenditure on equipment. The invention makes it possible to adapt to the given framework conditions, above all by adapting the effectiveness PR HD . An increase in effectiveness is mainly caused by a larger equipment cost. By modular enlargement of the apparatus height, the externally supplied heat is reduced by the counterflow operation.

Eine modulare Vergrößerung durch übereinander und hintereinander angeordnete, weitgehend einheitliche Module ist dabei besonders vorteilhaft. Die Module des HD-Systems können in einer Rahmenstruktur angeordnet und gehalten werden, so dass sie ganz oder teilweise auch für die Instandhaltung und Wartung aus der Rahmenstruktur entnommen werden können. Durch Überbrückung einzelner Module kann daher deren Instandhaltung auch ohne Unterbrechung des Gesamtbetriebs erfolgen. Es können somit Anlagen nahezu beliebiger Größe erstellt und weitgehend kontinuierlich betrieben werden.A modular enlargement by superimposed and successively arranged, largely uniform modules is particularly advantageous. The modules of the HD system can be arranged and held in a frame structure, so that they can be completely or partially removed for maintenance and service from the frame structure. By bridging individual modules, therefore, their maintenance can be carried out without interrupting the overall operation. It can thus be created systems of almost any size and operated largely continuously.

Die Aktive Wand zwischen Verdunster und Kondensator kann auch bei übereinander angeordneten Modulen so gestaltet werden, dass in jedem Modul die optimale Luftführung erzielt wird. Dafür kann es vorteilhaft sein, bei jedem Modul einzeln steuerbare Ventilatoren und Querstrom-Öffnungen einzubauen. Die Aktive Wand ermöglicht vielfältige Anordnungen von Verdunster und Kondensator, weil durch die einstellbaren Ventilatoren und Querstromöffnungen für optimale Strömungsverhältnisse weitgehend unabhängig von der Position gesorgt werden kann. Beispielsweise kann ein Verdunster zwischen zwei Kondensatoren angeordnet werden.The active wall between the evaporator and the condenser can also be designed with modules arranged one above the other in such a way that the optimum air flow is achieved in each module. For this purpose, it may be advantageous to install individually controllable fans and cross-flow openings for each module. The Active Wall allows manifold arrangements of evaporator and condenser because can be provided by the adjustable fans and cross-flow openings for optimum flow conditions largely independent of the position. For example, an evaporator can be arranged between two capacitors.

Die optimale Effektivität ist von den Investitionskosten für zusätzliche Module und den dabei erzielten abnehmenden Energiekosten abhängig. Mit Hilfe der Erfindung werden die Möglichkeiten für eine optimale Anpassung an die Rahmenbedingungen erweitert.The optimal efficiency depends on the investment costs for additional modules and the resulting decrease in energy costs. With the help of the invention, the possibilities for an optimal adaptation to the basic conditions are extended.

Beim HD-Verfahren können bekanntlich auch Wärmequellen mit niedriger Temperatur (insbesondere unter 100 °C) genutzt werden. Dadurch kann der HD-Prozess vorteilhaft mit anderen Prozessen verbunden werden, bei denen Wärme mit niedriger Temperator anfällt. Es können auch sehr große Anlagen vorteilhaft betrieben werden, weil häufig die entsprechende externe Wärmequelle kostengünstig bereitsteht. Der HD-Prozess kann dem Temperaturniveau der externen Wärmequelle angepasst werden. Beispielsweise kann der HD-Prozess auch mit einer Wärmequelle von 80 °C betrieben werden, indem die Temperaturen t1 bis t3 entsprechend für die Dimensionierung gewählt werden.In the HD method, it is known that heat sources with a low temperature (in particular below 100 ° C.) can also be used. As a result, the HD process can be advantageously connected to other processes in which low-temperature heat is generated. It is also very large systems can be operated advantageously, because often the corresponding external heat source is available inexpensively. The HD process can be adapted to the temperature level of the external heat source. For example, the HD process can also be operated with a heat source of 80 ° C by the temperatures t 1 to t 3 are chosen according to the dimensioning.

Die niedrige Betriebstemperatur und der Betrieb bei Atmosphärendruck erlaubt die Nutzung von kostengünstigen und korrosionsbeständigen Werkstoffen für die Apparatebauteile und von großen einfachen Wänden für das Gehäuse von Verdunster und Kondensator. Vor allem eignen sich Kunststoffe wie Polypropylen als Werkstoff. Bei Kunststoff-Bauteilen können die Herstellkosten bei großer Stückzahl in Richtung auf die Materialkosten gesenkt werden. Die Standardisierung der Bauteile bei der modularen Bauweise ist daher eine wirksame Maßnahme zur Senkung der Anlagekosten.The low operating temperature and operation at atmospheric pressure allows the use of inexpensive and corrosion resistant materials for the apparatus components and of large simple walls for the housing of evaporator and condenser. Above all, plastics such as polypropylene are suitable as a material. With plastic components, the manufacturing costs can be reduced in large numbers in the direction of the material costs. The standardization of components in the modular design is therefore an effective measure to reduce investment costs.

Der HD-Prozess kann für die Konzentrierung von Lösungen genutzt werden. Die Rückführung der Sole aus dem Verdunster 1 bietet eine Möglichkeit, zu immer höherer Konzentration der Sole zu gelangen. Bei dieser in der Hauptanmeldung genannten Möglichkeit wird die höhere Konzentration der Sole in der im Lauf der Zeit erreicht und der Prozess muss beim Erreichen einer kritischen Konzentration abgebrochen werden, um eine Blockierung der Strömungen in der Anlage durch Kristallisation zu verhindern.The HD process can be used to concentrate solutions. The return of the brine from the evaporator 1 provides a way to get to ever higher concentration of brine. With this option mentioned in the parent application, the higher concentration of brine is achieved over time and the process must be stopped when a critical concentration is reached in order to prevent crystallization blockage of the plant's streams.

Um unerwünschte Kristallisation im Verdunster zu vermeiden, werden vorteilhaft die Temperaturen im Verdunster so eingestellt, dass eine Übersättigung der Lösung vermieden wird. Die Kristallisation kann in einem dafür vorgesehenen Kristallisator stattfinden, der in die HD-Anlage eingebaut werden kann. Diese Prozessführung ist anwendbar, wenn die Übersättigung durch Temperaturabsenkung erzielt werden kann. Für Stoffsysteme, bei denen die Löslichkeit des gelösten Stoffes nahezu unabhängig von der Temperatur ist (beispielsweise bei NaCl-H2O), wird eine erfindungsgemäße Alternative bei der Beschreibung von 3 vorgestellt.To avoid unwanted crystallization in the evaporator, the temperatures in the evaporator are advantageously adjusted so that a supersaturation of the solution is avoided. The crystallization can take place in a designated crystallizer, which can be installed in the HD system. This process control is applicable if the supersaturation can be achieved by lowering the temperature. For material systems in which the solubility of the solute is almost independent of the temperature (for example, NaCl-H 2 O), an alternative of the invention in the description of 3 presented.

Damit werden die Vorteile des HD-Verfahrens auf die Erzeugung sehr hoher Konzentrationen der Sole ausgedehnt, bis hin zur nahezu vollständigen Trennung von gelöstem Stoff und Lösungsmittel.Thus, the benefits of the HD process are extended to producing very high concentrations of brine, up to nearly complete separation of solute and solvent.

Daher ist das Verfahren auch für Aufgaben bei der Konzentration von Lösungen einsetzbar, für die sich andere Verfahren, beispielsweise die Umkehrosmose, nicht eignen. Für diese neuen Möglichkeiten werden die Einrichtungen und Funktionen anhand von 1 bis 3 in vereinfachter, schematischer Form erläutert.

  • 1 ist Teil eines Anlagenschemas mit zwei HD-Stufen (HD-Apparaten),
  • 2 zeigt die geometrische Konstruktion zur Ermittlung des von Stufe zu Stufe zunehmenden Salzgehalts S der in die Stufe eintretenden Sole.
  • 3 ist Teil eines Anlagenschemas, bei dem eine hohe Konzentration der Sole erreicht wurde und Kristallisation auftritt.
Therefore, the method can also be used for tasks in the concentration of solutions for which other methods, such as reverse osmosis, are not suitable. For these new possibilities, the facilities and functions are based on 1 to 3 explained in simplified, schematic form.
  • 1 is part of a plant scheme with two HD stages (HD equipment),
  • 2 shows the geometric design for determining the increasing from stage to stage salinity S of entering the stage brine.
  • 3 is part of a plant scheme in which a high concentration of brine has been achieved and crystallization occurs.

1 zeigt ein vereinfachtes Anlagenschema mit 2 Stufen, wobei die einzelnen Stufen vor allem aus dem Verdunster 1, dem Kondensator 2 und der externen Heizung 4 zur kontinuierlichen Konzentration des Rohwassers bzw. der Sole bestehen. Die Stufen werden in der Beschreibung durch Indices unterschieden (i, i+1). Die HD-Anlage kann eine große Anzahl Stufen enthalten. In jeder Stufe wird die Konzentration der in die Stufe eintretenden Sole durch den Entzug von salzfreiem Kondensat erhöht. Die Komponenten sind mit Bezugszeichen aus der Hauptanmeldung bezeichnet. 1 shows a simplified plant scheme with 2 stages, with the individual stages mainly from the evaporator 1 , the capacitor 2 and the external heating 4 consist of the continuous concentration of raw water or brine. The stages are distinguished in the description by indices (i, i + 1). The HD system can contain a large number of stages. In each stage, the concentration of brine entering the stage is increased by the withdrawal of salt-free condensate. The components are designated by reference numbers from the parent application.

Die rechts in 1 dargestellte Stufe wird mit der Solepumpe 50 aus der linken Stufe versorgt. Mit einem Kühler 51 kann die Sole vor dem Eintritt in die Stufe gekühlt werden, um einen kontinuierlichen Betrieb zu sichern und die Kondensatmenge zu erhöhen. Jede Stufe ist bevorzugt mit einer Aktiven Wand 3 mit Ventilator 13 und einstellbaren Querstromöffnungen 14 ausgestattet.The right in 1 shown stage is with the brine pump 50 supplied from the left stage. With a cooler 51 The brine can be cooled before entering the stage to ensure continuous operation and increase the amount of condensate. Each level is preferred with an active wall 3 with fan 13 and adjustable cross-flow openings 14 fitted.

Aus einer Mengenbilanz für den Solestrom L und dessen Salzgehalt S ergeben sich für die Stufe i und die ihr folgende Stufe i + 1 die Beziehungen: L i S i = L i + 1 S i + 1 ,

Figure DE102018002568A1_0001
Δ S i = S i + 1 S i
Figure DE102018002568A1_0002
M i = L i L i + 1 .
Figure DE102018002568A1_0003
wobei, wie üblich, angenommen wird, dass das ausgeschleuste Kondensat mit dem Mengenstrom M auch bei hoher Konzentration der Sole kein Salz enthält.From a mass balance for the brine flow L and its salt content S, the relationships for the stage i and the stage i + 1 following it emerge: L i * S i = L i + 1 * S i + 1 .
Figure DE102018002568A1_0001
Δ S i = S i + 1 - S i
Figure DE102018002568A1_0002
M i = L i - L i + 1 ,
Figure DE102018002568A1_0003
whereby, as usual, it is assumed that the discharged condensate with the mass flow M contains no salt even at high concentration of the brine.

In guter Näherung kann beim HD-Prozess der im Verdunster der Stufe i verdunstete und im Kondensator zurück gewonnene Reinwasserstrom Mi aus der vereinfachten Energiebilanz des Kondensators ermittelt werden: M i Δ h v = L i c p ,w Δ t 12, i

Figure DE102018002568A1_0004
To a good approximation, in the HD process, the pure water stream M i evaporated in the evaporator of stage i and recovered in the condenser can be determined from the simplified energy balance of the condenser: M i * Δ H v = L i * c p , w * Δ t 12 i
Figure DE102018002568A1_0004

Die linke Seite der Gleichung (6) ist der bei der Kondensation der Kondensat-Mengenstrom Mi frei werdende Wärmestrom (mit der spezifischen Kondensationswärme Δhv) der fast ausschließlich zur Vorwärmung des Rohwassers beziehungsweise des Solestroms Li um die Temperaturerhöhung Δt12,i dient, was als rechte Seite der Gleichung zum Ausdruck kommt. Dabei wird mit cp,w die spezifische Wärme der Sole bezeichnet. Gleichung (6) zeigt somit die Beziehung zwischen dem im Kondensator gewonnenen Kondensatstrom Mi und der Temperaturerhöhung Δt12,i der Sole im Kondensator vor dem Eintritt in den Externen Heizer.The left-hand side of equation (6) is the heat flow released during the condensation of the condensate flow rate M i (with the specific heat of condensation Δh v ) which serves almost exclusively for preheating the raw water or the brine flow L i by the temperature increase Δt 12, i , which is expressed as the right side of the equation. In this case, c p, w denotes the specific heat of the brine. Equation (6) thus shows the relationship between the condensate flow M i obtained in the condenser and the temperature increase Δt 12, i of the brine in the condenser before entering the external heater.

Das Verhältnis der Salzgehalte der Sole Si/Si+1 ergibt sich aus Gleichung (3) S i / S i + 1 = L i + 1 / L i

Figure DE102018002568A1_0005
The ratio of the salt contents of the sols S i / S i + 1 is given by equation ( 3 ) S i / S i + 1 = L i + 1 / L i
Figure DE102018002568A1_0005

Aus den Gleichungen (6) und (7) folgt die Zunahme der Salzkonzentration ΔSi gemäß Gleichung (4) durch die Extraktion des Kondensatstroms Mi Δ S i = S i + 1 / ( Δ h v / c p ,L Δ t 12, i )

Figure DE102018002568A1_0006
From the equations (6) and (7) follows the increase of the salt concentration ΔS i according to equation (4) by the extraction of the condensate flow M i Δ S i = S i + 1 / ( Δ H v / c p , L * Δ t 12 i )
Figure DE102018002568A1_0006

2 zeigt die mit Gleichung (8) ermöglichte Stufenkonstruktion im Enthalpie-Konzentrations-Diagramm (h-S-Diagramm). Ein ähnliches Enthalpie-Konzentrations-Diagramm ist im Kapitel „Eindampfen von Salzlösungen“ auf Seite 192 des Buches von F. Bosnjakovic: Technische Thermodynamik, II. Teil, 4. Auflage, Verlag Th. Steinkopff, Dresden und Leipzig (1965), abgebildet. In dieser /70 wird jedoch kein HD-Prozess, sondern das Eindampfen einer Salzlösung dargestellt. 2 shows the stage construction made possible by equation (8) in the enthalpy concentration diagram (hS diagram). A similar enthalpy-concentration diagram is shown in the chapter "Evaporation of salt solutions" on page 192 of the book by F. Bosnjakovic: Technical Thermodynamics, Part II, 4th Edition, Verlag Th. Steinkopff, Dresden and Leipzig (1965). In this / 70, however, no HD process, but the evaporation of a salt solution is shown.

Die Zunahme der Salzkonzentration ΔSi in der Stufe i folgt aus der Abnahme des Wassergehaltes der Sole Li aufgrund des gewonnenen reinen Kondensatstroms Mi. Die Kondensationswärme (= Verdampfungswärme) Δhv wird an der Ordinate (S = 0) aufgetragen. In 2 ist dieser Wert aus Platzgründen verkürzt dargestellt. Ebenfalls in Ordinatenrichtung wird beim Salzgehalt Si die spezifische Enthalpiezunahme Δhi des Solestroms durch die Vorwärmung der Sole im Kondensator aufgetragen. Sie ist das Produkt aus der spezifischen Wärme der Sole und der Temperaturzunahme im Kondensator: Δ h i = c p ,L Δ t 12, i

Figure DE102018002568A1_0007
The increase of the salt concentration ΔS i in the stage i follows from the decrease of the water content of the brine L i due to the obtained pure condensate flow M i . The heat of condensation (= heat of vaporization) Δh v is plotted on the ordinate (S = 0). In 2 this value is shortened for reasons of space. Also in the ordinate direction, the specific enthalpy increase Δh i of the brine flow S i is plotted by the preheating of the brine in the condenser. It is the product of the specific heat of the brine and the temperature increase in the condenser: Δ H i = c p , L * Δ t 12 i
Figure DE102018002568A1_0007

Die Verbindung der beiden Ordinatenwerte bei S = 0 und bei Si ergibt zwei ähnliche Dreiecke, deren Abszissenwerte der Salzgehalt Si+1 (beim großen Dreieck) und die Zunahme des Salzgehalts ΔSi (beim kleinen Dreieck) sind. Die Grafik zeigt die schrittweise geometrische Ermittlung der Salzgehalte in den hintereinander geschalteten Stufen, wobei sich die Kondensat-Mengenströme aus der in der jeweiligen Stufe verwirklichten Temperaturzunahme Δt12,i der Sole im Kondensator gemäß Gleichung (6) ergeben.The combination of the two ordinate values at S = 0 and at S i yields two similar triangles whose abscissa values are the salt content S i + 1 (for the large triangle) and the salt content increase ΔS i (for the small triangle). The graph shows the stepwise geometric determination of the salt contents in the successive stages, the condensate flow rates resulting from the realized in the respective stage temperature increase .DELTA.t 12, i of the brine in the capacitor according to equation (6).

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das bei der Konzentration der Lösung gewonnene Lösungsmittel für die ursprüngliche Aufgabe wieder eingesetzt werden kann, so dass dessen Beschaffungs- und Entsorgungskosten eingespart werden können. Es ist aber auch eine andere Nutzung des reinen Lösungsmittels möglich.An advantage of the invention is that the solvent obtained in the concentration of the solution can be used again for the original task, so that its procurement and disposal costs can be saved. But it is also another use of the pure solvent possible.

Erfindungsgemäß durchläuft die Sole nacheinander die Prozess-Stufen und ihre Konzentration wird dabei schrittweise erhöht. Dabei kann sich die Konzentration der Sole der Sättigungskonzentration nähern. Diese ist im Allgemeinen höher, je höher die Temperatur ist. Das ist in 2 angenommen. Man kann dann durch Abkühlung die Sättigungslinie überschreiten, so dass mit der Bildung von Kristallisat zu rechnen ist.According to the invention, the brine successively passes through the process stages and their concentration is thereby increased stepwise. The concentration of the brine may approach the saturation concentration. This is generally higher the higher the temperature. Is in 2 accepted. It is then possible to exceed the saturation line by cooling, so that the formation of crystals is to be expected.

Diese Erzeugung von Kristallisat ist in 2 auf der rechten Seite des Diagramms dargestellt. Beim Überschreiten der Erstarrungslinie 53 durch die Abkühlung kann die Kristallisatmenge entstehen, die der Position des Punktes M auf der Isothermen 54 des Kristallisators entspricht. Der Massenanteil des Kristallisats kann aus der Mischungsregel für das Salz (auf der rechten Ordinate, also bei S = 1) und der gesättigten Lösung (auf der Erstarrungslinie 53) bei der Temperatur im Kristallisator ermittelt werden. Eine weitere Gewinnung von Kristallisat aus der gesättigten Lösung kann durch weitere Stufen, durch Solerückführung und mit den in der Kristallisationstechnik üblichen Methoden erzielt werden.This production of crystallizate is in 2 shown on the right side of the diagram. When exceeding the solidification line 53 By cooling, the amount of crystals can arise, that of the position of the point M on the isotherms 54 of the crystallizer corresponds. The mass fraction of the crystals can be calculated from the mixing rule for the salt (on the right ordinate, ie at S = 1) and the saturated solution (on the solidification line) 53 ) are determined at the temperature in the crystallizer. Further recovery of crystals from the saturated solution can be achieved by further steps, by brine recycling and by the methods customary in crystallization technology.

In 3 ist eine Stufe gezeichnet, die Sole mit hoher Konzentration verarbeitet. Unter dem Verdunster 1 ist ein Kristallisator 55 gezeigt, in dem die Kristalle durch die Umwälz-Strömung in Bewegung gehalten werden, während sie in der übersättigten Lösung wachsen. Es ist eine Umwälzpumpe 59 eingezeichnet, die für die Umwälzung der Lösung sorgt. Die Übersättigung entsteht durch den Entzug von Lösungsmittel im Verdunster 1 und durch die Abkühlung im Kühler 58 des Kühlungs-Kristallisators. Es ist eine Vielfalt von Kristallisator-Bauweisen bekannt, die eine kontinuierliche oder Chargen-weise Kristallisation und Entnahme des Kristallisats ermöglichen.In 3 is a stage drawn, which processes brine with high concentration. Under the evaporator 1 is a crystallizer 55 in which the crystals are kept in motion by the circulation flow while growing in the supersaturated solution. It is a circulation pump 59 drawn, which ensures the revolution of the solution. The supersaturation is due to the removal of solvent in the evaporator 1 and by cooling in the cooler 58 of the cooling crystallizer. There are a variety of crystallizer constructions known that allow continuous or batchwise crystallization and removal of the crystals.

Die in 3 gezeigte erfindungsgemäße Anordnung eines Kristallisators 55 direkt unter dem Verdunster 1 ist besonders vorteilhaft, weil dadurch der Transport der übersättigten Lösung und der Kristalle vereinfacht wird.In the 3 shown inventive arrangement of a crystallizer 55 directly under the evaporator 1 is particularly advantageous because it facilitates the transport of the supersaturated solution and the crystals.

Für den Fall, dass die Löslichkeit des gelösten Stoffes im Lösungsmittel nur wenig mit der Temperatur zunimmt wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Einbauten im Verdunster so zu gestalten, dass Kristallisation im Verdunster zugelassen werden kann und das Kristallisat dem Kristallisator unterhalb des Verdunsters zugeführt wird. Im Kristallisator erfolgt der weitere Abbau der Übersättigung der Lösung. Erfindungsgemäß werden für diesen Fall die Einbauten 16 des Verdunsters so gestaltet, dass eine Abtrennung der Kristalle von den Einbauten ohne Unterbrechung des Betriebs erfolgen kann. Die Einbauten werden dafür bevorzugt in Form rotierender Bürsten ausgebildet. Die Borsten können sich berühren und die an den Borsten anhaftenden Kristalle abtrennen, so dass sie in den Kristallisator fallen und ausgeschleust werden können. Auch andere Arten von Einbauten sind geeignet, beispielsweise elastische Packungen, die oszillierend komprimiert und entspannt werden, so dass die anhaftenden Kristalle abspringen. Die Rotation beziehungsweise Oszillation kann kontinuierlich oder absatzweise durch Antriebe erfolgen.In the event that the solubility of the solute in the solvent increases only slightly with the temperature is proposed according to the invention to make the internals in the evaporator so that crystallization in the evaporator can be allowed and the crystals are fed to the crystallizer below the evaporator. In the crystallizer, the further reduction of the supersaturation of the solution takes place. According to the invention for this case the internals 16 the evaporator designed so that a separation of the crystals of the internals can be done without interrupting the operation. The internals are preferably formed in the form of rotating brushes. The bristles may touch and separate the crystals adhering to the bristles so that they can fall into the crystallizer and be discharged. Other types of internals are also suitable, for example elastic packings which are oscillatingly compressed and relaxed, so that the adhering crystals come off. The rotation or oscillation can take place continuously or intermittently by drives.

Auch die Kristallisation kann bei Temperaturen durchgeführt werden, die einen vorteilhaften Einsatz von Kunststoff ermöglichen, wobei eine geringe Belastung durch den Betrieb im Bereich des Atmosphärendrucks auftritt. Der Kristallisator kann dadurch in einfacher Weise mit dem HD-System verbunden werden.Also, the crystallization can be carried out at temperatures that allow an advantageous use of plastic, with a small load from the operation occurs in the range of atmospheric pressure. The crystallizer can thereby be easily connected to the HD system.

Aus dem Kristallisator können die Kristalle zusammen mit Sole ausgeschleust und von der angenähert gesättigten Lösung mechanisch abgetrennt werden. In 3 ist für diese Trennung ein Filterband 56 dargestellt, so dass die Sole mit der Pumpe 57 in den HD-Prozess zur weiteren Konzentration bei höherer Temperatur zurückgeführt werden kann. Das vom Filterband zurückgehaltene Kristallisat wird vom Filterband in den Kristallisatbehälter 60 gefördert.From the crystallizer, the crystals can be discharged together with brine and mechanically separated from the approximate saturated solution. In 3 is a filter band for this separation 56 shown, so that the brine with the pump 57 into the HD process for further concentration at higher temperature can be attributed. The retained by the filter belt crystals is from the filter belt in the Kristallisatbehälter 60 promoted.

Der größte Teil des zu entfernenden Wassers wurde durch den mehrstufigen HD-Prozess mit geringem Aufwand (im Vergleich zu Verdampfungsprozessen) aus der Lösung extrahiert. Der extern pro Stufe im Externen Heizer 4 zugeführte Wärmestrom ist in 2 nicht dargestellt. Er führt zu einer geringen Zunahme der Enthalpie bei konstantem Salzgehalt Si der in der jeweiligen Stufe verarbeiteten Sole. Der größere Teil der Soleheizung erfolgt durch den HD-Gegenstromprozess. Dabei gilt für die Temperaturzunahme Δt23,i im Externen Heizer 4: Δ t 23, i = Δ t 12, i / PR HD ,i

Figure DE102018002568A1_0008
Most of the water to be removed was extracted from the solution by the multi-stage HD process with little effort (compared to evaporation processes). The externally per stage in external heater 4 supplied heat flow is in 2 not shown. It leads to a small increase in the enthalpy at a constant salt content S i of the sols processed in the respective stage. The majority of the brine heating is done by the HD countercurrent process. The temperature increase Δt 23, i in the external heater applies here 4 : Δ t 23 i = Δ t 12 i / PR HD i
Figure DE102018002568A1_0008

Durch den Gegenstromprozess des HD-Verfahrens ist also nur der um den Divisor PRHD verminderte Wärmestrom extern der Sole zuzuführen.Due to the countercurrent process of the HD process, therefore, only the heat flow reduced by the divisor PR HD is externally supplied to the brine.

Eine vorteilhafte Anordnung kann sich bei Ausgangs-Lösungen mit geringem Salzgehalt ergeben, wenn dem HD-Verfahren eine Umkehr-Osmose vorgeschaltet wird, die im Bereich geringer Salzkonzentrationen eingesetzt werden kann und in diesem Bereich vorteilhaft arbeitet.An advantageous arrangement may result in low salinity starting solutions if the HP process is preceded by reverse osmosis, which can be used in the region of low salt concentrations and works advantageously in this area.

Durch Sole-Rückführung, die in der Haupt-Anmeldung beschrieben ist, kann die konzentrierte Sole bei genügend hoher Temperatur im HD-Prozess zum Teil weiter eingedickt werden.By brine recirculation, which is described in the main application, the concentrated brine can be partially thickened at a sufficiently high temperature in the HD process.

Zur Reinigung der Einbauten können die Verdunster mit Sprüheinrichtungen versehen werden, so dass sich die Einbauten bei der Instandhaltung mit Kondensat reinigen lassen.To clean the internals, the evaporators can be provided with spraying, so that the internals can be cleaned with condensate during maintenance.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch große Anlagen zur Konzentration von Lösungen oder zur Gewinnung von Lösungsmittel gebaut werden. Dabei können die Vorteile einer modularen Bauweise genutzt werden. Beispielsweise können sehr große Anlagen durch Reihen- und Parallelschaltung von Modulen mit einer Höhe von 2 m, einer Breite von 2 m und einer Tiefe von 2 m erstellt und kontinuierlich mit einer Wärmequelle von ca. 100 °C betrieben werden.The process according to the invention can also be used to construct large plants for the concentration of solutions or for the recovery of solvents. The advantages of a modular design can be used. For example, very large systems can be created by series and parallel connection of modules with a height of 2 m, a width of 2 m and a depth of 2 m and operated continuously with a heat source of about 100 ° C.

Anderseits eignet sich das Verfahren beispielsweise auch für die Erzeugung von Reinwasser für Haushalte, beispielsweise für eine Anlage, die mit einer Solarheizung von 100 kWh/Tag und einer Effektivität von 7 betrieben wird und ungefähr 1 Kubikmeter Reinwasser pro Tag erzeugt.On the other hand, the method is also suitable, for example, for the production of pure water for households, for example, for a system that is operated with a solar heating of 100 kWh / day and an efficiency of 7 and generates about 1 cubic meter of pure water per day.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Verdunster (Befeuchter)Evaporator (humidifier)
22
Kondensator (Entfeuchter)Condenser (dehumidifier)
33
Aktive Wand (erfindungsgemäßer Einbau zwischen Verdunster und Kondensator)Active wall (installation according to the invention between evaporator and condenser)
44
Externe HeizungExternal heating
55
Rohwasserpumperaw water pump
13 13
Ventilator (Gebläse) der Aktiven Wand 3Fan (fan) of Active Wall 3
1414
Querstrom-Öffnungen der Aktiven Wand 3Cross-flow openings of the active wall 3
1515
Einbauten (z.B. Rohrbündel) des KondensatorsInternals (e.g., tube bundles) of the capacitor
1616
Einbauten (z.B. Packungen) des Verdunsters 1Internals (e.g., packages) of the evaporator 1
5050
Solepumpebrine pump
5151
Solekühlerbrine cooler
5252
Zunahme des Salzgehalts ΔS1 in der ersten StufeIncrease in salinity ΔS 1 in the first stage
5353
Sättigungslinie der KristallisationSaturation line of crystallization
5454
Temperaturlinie des KristallisatorsTemperature line of the crystallizer
5555
KristallisatorCrystallizer
5656
Filterbandfilter belt
5757
Solepumpe beim FilterbandBrine pump at the filter belt
5858
Kühler beim KristallisatorCooler at the crystallizer
5959
Umwälzpumpe beim KristallisatorCirculation pump at the crystallizer
6060
KristallisatbehälterKristallisatbehälter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • B. Seifert et al.: „About the History of Humidification-Dehumidification Desalination Systems“, October 2013, Conference: International Desalination Association World Congress on Desalination and Water Reuse At: Tianjin, China [0006]B. Seifert et al .: "About the History of Humidification-Dehumidification Desalination Systems", October 2013, Conference: International Desalination Association World Congress on Desalination and Water Reuse At: Tianjin, China [0006]

Claims (10)

Verfahren zur Konzentration von Lösungen durch die Anwendung des Verdunstungs-Kondensations-Verfahrens mit mindestens zwei Stufen, jeweils mit Verdunster, Kondensator, Externer Heizung, sowie mit Ventilator und Querstrom-Öffnungen (Aktiver Wand), zur Verdunstung von Lösungsmittel und zur Kondensation des verdunsteten Lösungsmittels und Nutzung der Kondensationswärme zur Vorheizung der Lösung, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Verdunstung angereicherte Lösung der folgenden Stufe zur weiteren Konzentration der Lösung zugeleitet wird.Process for concentrating solutions by using the evaporation-condensation process with at least two stages, each with evaporator, condenser, external heater, as well as with fan and cross-flow openings (active wall), to evaporate solvent and to condense the evaporated solvent and using the heat of condensation for preheating the solution, characterized in that the enriched by the evaporation solution of the following stage is fed to the further concentration of the solution. Verfahren zur Konzentration von Lösungen durch die Anwendung des Verdunstungs-Kondensations-Verfahrens mit mehreren Stufen, jeweils mit Verdunster, Kondensator, Externer Heizung, sowie bevorzugt mit Ventilator und Querstrom-Öffnungen (Aktiver Wand), dadurch gekennzeichnet, dass die in den Stufen erfolgende Anreicherung der Lösung zur Kristallisation führt, wobei das Kristallisat über einen Kristallisator ausgeschleust wird.A method for concentration of solutions by the use of the evaporation-condensation process with several stages, each with evaporator, condenser, external heating, and preferably with fan and cross-flow openings (active wall), characterized in that the accumulation takes place in the stages the solution leads to crystallization, wherein the crystals are discharged via a crystallizer. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallisation durch Kühlung im Kristallisator erfolgt.Method according to Claim 2 , characterized in that the crystallization is carried out by cooling in the crystallizer. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Kristallisation auch im Verdunster auftritt, der mit Einbauten ausgestattet ist, von denen Kristalle während des Betriebs abgetrennt werden.Method according to Claim 2 , characterized in that crystallization also occurs in the evaporator, which is equipped with internals, from which crystals are separated during operation. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Anlagen aus weitgehend einheitlichen Modulen aufgebaut werden, die nebeneinander und übereinanader angeordnet werden und die in einer Rahmenstruktur gehalten werden.Device for carrying out the method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that systems are constructed of largely uniform modules, which are arranged side by side and übereinanderader and which are held in a frame structure. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisator unter dem Verdunster angeordnet ist.Device for carrying out the method according to Claim 3 or 4 , characterized in that the crystallizer is arranged under the evaporator. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Einbauten im Verdunster Bürsten oder elastische Packungen verwendet werden.Device for carrying out the method according to Claim 4 , characterized in that brushes or elastic packings are used for the internals in the evaporator. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Module in einer Rahmenstruktur angeordnet sind und die Einbauten der Module ganz oder teilweise der Rahmenstruktur entnommen werden können.Device for carrying out the method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the modules are arranged in a frame structure and the internals of the modules can be completely or partially removed from the frame structure. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdunster zwischen zwei Kondensatoren angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that an evaporator is arranged between two capacitors. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die HD-Anlage zusammen mit einer Einrichtung zur Umkehr-Osmose eingesetzt wird, die der HD-Anlage vorgeschaltet ist.Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the HD system is used together with a device for reverse osmosis, which is connected upstream of the HD system.
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B. Seifert et al.: „About the History of Humidification-Dehumidification Desalination Systems", October 2013, Conference: International Desalination Association World Congress on Desalination and Water Reuse At: Tianjin, China

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