-
Die Erfindung betrifft einen Vakuumverdampfer,
insbesondere für
Vorrichtungen zum Aufbereiten von mit Schadstoffen belasteten, wässrigen
Lösungen,
mit einem Kessel und mindestens einem Wärmetauscher. Die Erfindung
betrifft weiterhin ein Verfahren zum Aufbereiten von mit Schadstoffen
belasteten, wässrigen
Lösungen.
-
Teile aus Metall werden während ihrer
Verarbeitung verschiedenen Arbeitsschritten unterworfen. Die Bearbeitung
erfolgt in mehreren Prozessschritten, worunter sich auch mechanische
Bearbeitungen der Teile befinden können. Ein wesentlicher Bestandteil
der Bearbeitung von Bauteilen aus Metall besteht in der Bearbeitung
der Oberflächen.
Insbesondere bei der Bearbeitung von Oberflächen aus Aluminium, die beispielsweise
im Bauwesen oder in der Automobilindustrie Anwendung finden oder
von Blechen für Verkleidungen
von Gebäudefassaden,
erfolgt eine Behandlung durch Beizen oder Eloxieren.
-
Das Beizen und Eloxieren erfolgt
dabei in sauren Bädern.
Während
der Behandlung reichern sich die Lösungen in den Bädern mit
Aluminium an. Beim Erreichen bestimmter Grenzwerte verlieren die Bäder ihre
Wirksamkeit. Die Wirksamkeit der Bäder kann nur gewährleistet
werden durch den vollständigen
oder zumindest teilweisen Austausch der Lösungen. Die ausgetauschten
Lösungen
werden gesammelt und aus Kosten- sowie Ökologie-Gründen aufbereitet und wiederverwertet.
-
Beim Eloxieren von Aluminium wird
in den verschiedenen Prozessstufen Spülwasser benötigt. Ursächlich hierfür ist die
Viskosität
der alkalischen Beizlösungen,
die sich auf der Oberfläche
der Bauteile befinden. Außerdem
ist während
des Eloxierens Kühlwasser
erforderlich, da sich während
der Behandlung die Bäder
erwärmen.
Auch das benötigte Wasser
wird nach seiner Verwendung aus Kosten- und Ökologie-Gründen aufbereitet und einer
weiteren Verwendung zugeführt.
Die Aufbereitung solcher hochagressiver Medien, wie sie neben der
Aluminiumbehandlung auch in anderen Gebieten der metallverarbeitenden
bzw. metallbearbeitenden Industrie vorkommen – zum Beispiel Galvanoprozesse,
Beizereien, Glasherstellung, Edelstahlverarbeitung, usw. – ist Gegenstand
der vorliegenden Erfindung. Bei den bekannten Aufbereitungs-Anlagen
finden überwiegend
Bauteile aus Metall Verwendung. Dabei sind auch die funktionswesentlichen
Bauteile, wie beispielsweise Vakuumverdampfer, aus Metall hergestellt.
Sie unterliegen daher einer starken Korrosion. Hierdurch ist einerseits
die Betriebsdauer, andererseits im Extremfall die Betriebssicherheit
der bekannten Anlagen relativ gering.
-
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vakuumverdampfer,
insbesondere für
Vorrichtungen zum Aufbereiten von mit Schadstoffen belasteten wässrigen
Lösungen,
zu schaffen, der korrosionsbeständig ist.
Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
dass der Wärmetauscher
aus Kunststoff hergestellt ist.
-
Mit der Erfindung ist ein Vakuumverdampfer, insbesondere
für Vorrichtungen
zum Aufbereiten von mit Schadstoffen belasteten wässrigen
Lösungen, geschaffen,
der aufgrund der verwendeten Materialien für den Wärmetauscher korrosionsbeständig ist. Hierdurch
ist die Betriebsdauer im Vergleich zu bekannten Vakuumverdampfern deutlich
erhöht.
Auch die Betriebssicherheit ist aufgrund der geringeren Störanfälligkeit
reduziert. Zudem besteht wegen der Verwendung des Kunststoffes die
Möglichkeit,
Reparaturen einfacher als bei bekannten Vakuumverdampfern durchzuführen, da
das sonst übliche Schweißen der
verwendeten Bauteile entfällt.
-
Bevorzugt sind auch alle anderen
medienberührten
Bauteile des Vakuumverdampfers aus Kunststoff hergestellt. Hierdurch
wird die Korrosionsbeständigkeit
des Vakuumverdampfers weiter erhöht.
-
In Weiterbildung der Erfindung sind
die Rohre der Wärmetauscher
beweglich. Die Beweglichkeit der Rohre der Wärmetauscher bewirkt während des Siedeprozesses
ein „Mitschwingen".
Hierdurch ist eine Verkrustung der Wärmetauscher während des Eindampfprozesses
weitestgehend ausgeschlossen.
-
Bevorzugt sind die Rohre der Wärmetauscher
beweglich gelagert. Die bewegliche Lagerung der Rohre unterstützt die
Beweglichkeit der Rohre während
des Siedeprozesses, wodurch das „Mitschwingen" nicht gedämpft wird.
-
In weiterer Ausbildung der Erfindung
sind die Rohe untereinander verflochten ausgeführt. Dieses führt zum
einen zu einer größeren Stabilität der Einbauten,
zum anderen werden hierdurch Turbulenzen innerhalb der durchströmenden Medien
forciert, was den Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung entscheidend
verbessert.
-
In anderer Weiterbildung der Erfindung
sind die Wärmetauscher
aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) hergestellt. Aufgrund der antiadhesiven
Oberflächenstruktur
der aus diesem Material hergestellten Wärmetauscher ist die Gefahr
von Verkrustungen der Austauscherfläche noch zusätzlich reduziert.
-
Vorteilhaft ist der Kessel aus Kunststoff
hergestellt. Hierdurch ist die Anfälligkeit des Vakuumverdampfers
gegen Korrosion weiter reduziert, was die Betriebsdauer und die
Betriebssicherheit zusätzlich erhöht. Zudem
ist durch die Verwendung von Kunststoff für den Kessel das Gewicht des
Vakuumverdampfers deutlich reduziert.
-
In bevorzugter Ausbildung ist die
zur Vakuumerzeugung eingesetzte Pumpe (i.d.R. eine Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe)
mit einem Gasstrahler ausgestattet. Dieser verhindert durch eine kontrollierte
Zufuhr von Inertgas das Kavitieren der Pumpe und beugt hierdurch
hervorgerufenen Beschädigungen
vor. Weiterhin wird durch den Gasstrahler das erzielbare Endvakuum
signifikant herabgesetzt, wodurch die Siedetemperatur des Mediums wiederum
gesenkt wird. Weiterhin wird hierdurch eine Herabsetzung der Siedetemperatur
bewirkt, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Anlage deutlich erhöht wird.
-
In anderer Ausbildung ist der Wärmetauscher
aus Modulen zusammengesetzt. Die Rastermodule sind dabei bevorzugt
im Rastermaß DN
80, DN 150 und DN 250 gefertigt, wobei die Rasterlängen standardisiert
sind (z.B. 250 mm, 500 mm, 750 mm und 1000 mm). Andere Rastermaße sind
möglich.
Die Module sind dabei mittels handelsüblicher Kunststoffverschraubung
fixiert. Bei einem eventuellen mechanischen Schaden eines Moduls
kann das beschädigte
Modul ohne Fachkenntnisse ausgebaut und durch ein neues Modul ersetzt
werden.
-
Vorteilhaft kommt als Wärmeträgerkreis
ein zwischengeschalteter Sekundärkreislauf
zum Einsatz. Hierdurch tritt im Falle eines Schadens an einem oder
mehreren Modulen lediglich ökologisch
unbedenkliches Wasser aus, und nicht wie bei klassischen Vakuumverdampfungsanlagen
Kältemittel (H-FKW).
Um ein Eindringen aggressiver Medien in den Sekundärkreislauf
von vornherein auszuschließen,
ist dieser zusätzlich
mit einer Druck- und / oder Leitfähigkeitsüberwachung ausgestattet, welche
die Anlage rechtzeitig abschaltet. Hierdurch wird das Austreten ökologisch
bedenklicher Stoffe weiter ausgeschlossen.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, ein Verfahren zum Aufbereiten von mit Schadstoffen
belasteten wässrigen
Lösungen
zu schaffen, das eine geringere Anfälligkeit gegen Korrosion aufweist
und dadurch eine höhere
Betriebssicherheit bereitstellt. Gemäß der Erfindung wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass für
jeden Sekundärkreislauf
des Vakuumverdampfers mindestens zwei Wärmetauscher (14 und 93, 15 und 92)
hintereinander geschaltet werden, von denen mindestens einer aus
Kunststoff hergestellt ist. Hierdurch ist ein Verfahren zum Aufbereiten
von mit Schadstoffen belasteten wässrigen Lösungen geschaffen, dessen Betriebssi cherheit aufgrund
der vollständigen
Resistenz der verwendeten Wärmetauscher-Werkstoffe gegenüber problematischen
Medien erhöht
ist. Insbesondere die Neigung zur Korrosion ist deutlich geringer.
-
Andere Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind in den übrigen
Unteransprüchen
angegeben. Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung des Verfahrensablaufs mit Vakuumverdampfer;
-
2 eine
schematische Darstellung des Verfahrensablaufs mit Vakuumverdampfer
mit außenliegenden
Wärmetauschern
ohne Darstellung der Wärmequelle;
-
3 die
schematische Darstellung eines Vakuumverdampfers, teilweise im Schnitt,
teilweise in der Ansicht;
-
4 die
vereinfachte Darstellung einer Aufbereitungsvorrichtung;
-
5 die
Draufsicht auf einen modularen Kunststoff-Wärmetauscher, hier dargestellt
mit 6 Einzelmodulen in stehender Ausführung;
-
6 die
Seitenansicht eines einzelnen stehenden Wärmetauscher-Moduls;
-
7 die
Seitenansicht eines einzelnen liegenden Wärmetauscher-Moduls;
-
8 eine
schematische Darstellung des Verfahrensablaufs mit Vakuumverdampfer
mit innenliegenden Wärmetauschern;
-
9 die
Seitenansicht eines Siedekessels in 1-Kessel-Ausführung, teilweise
im Schnitt;
-
10 die
Seitenansicht eines Doppelkessels mit integrierten Wärmetauschern
in stehender Ausführung
und
-
11 die
Draufsicht des Doppelkessels aus 11.
-
Die als Ausführungsbeispiel gewählte Vakuumverdampfer-Anlage
(8) weist einen (oder mehrere)
Siedekessel 1 auf, der mit einem Vakuumsystem 3 verbunden
ist. Die Anlage weist weiterhin einen Kühlwasserkreislauf 5 sowie
eine Konzentratpumpe 7 auf.
-
Der Kessel 1 weist einen
Dampfdom 11 auf. In dem Dampfdom 11 sind Füllkörper 12,
die die Funktion eines Tröpfchenabscheiders
haben. Unterhalb der Füllkörper 12 ist
ein Sieb 13 vorgesehen. Der Dampfdom 11 ist im
Ausführungsbeispiel
umgeben von einem Rohrbündelwärmetauscher 14 (3). In dem Boden des Kessels 1 zugewandten Bereich
ist ein weiterer Rohrbündelwärmetauscher 15 angeordnet.
Im Bereich des Rohrbündelwärmetauschers 15 ist
ein Zulauf 16 für
das aufzubereitende Medium angeordnet. Am Boden des Kessels 1 ist ein
Ablauf 17 für
das nach der Behandlung gewonnene Konzentrat angeordnet; im Bereich
des Dampfdoms 11 ein Ablauf 18 für das entstandene
Destillat. Zudem ist in dem Kessel 1 eine Messeinrichtung 19 in
Form von Schwimmern vorgesehen, mit denen die Betriebszustände im Kessel
messbar sind. Beispielsweise dienen die Messeinrichtung 19 zur
Dichtemessung oder zur Füllstandsmessung.
-
Die Rohrbündelwärmetauscher 14 und 15 sind
aus Kunststoff hergestellt. Die Wärmetauscher 14 und 15 weisen
Rohre 141 bzw. 151 auf, die beweglich gelagert
sind. Als Werkstoffe für
die Rohrbündelwärmetauscher 14, 15 finden
Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF)
Anwendung. Aufgrund der im Verhältnis
zu metallischen Werkstoffen schlechten Wärmeübertragungsleistungen von Kunststoffen
sind zum Ausgleich dieses Nachteils in den Wärmetauschern größere Oberflächen vorgesehen.
Für eine
kompakte Baugröße der Wärmetauscher 14, 15 sind
die erfindungsgemäßen Wärmetauscher
aus einer Vielzahl kleiner Rohre 141 und 151 hergestellt.
Zudem sind die Rohre untereinander verflochten, was zu einer größeren mechanischen
Stabilität
führt.
Außerdem hat
das Verflechten der Rohre die Folge, dass hierdurch Turbulenzen
innerhalb der Medien auftreten, welche den Gesamtwirkungsgrad des
Vakuumverdampfers verbessert. Die Wärmetauscher 14, 15 sind
modular aufgebaut, wodurch Teile der Wärmetauscher im Bedarfsfall
problemlos austauschbar sind.
-
Im Ausführungsbeispiel ist darüber hinaus der
Kessel 1 aus Kunststoff hergestellt. Neben der hieraus
resultierenden geringeren Korrosionsanfälligkeit besteht ein weiterer
wesentlicher Vorteil in einer erheblichen Gewichtseinsparung im
Verhältnis
zu Kesseln aus metallischen Werkstoffen.
-
Beim Starten des Verfahrens wird
zunächst der
Kessel 1 mit Hilfe des Vakuumsystems 3 evakuiert.
Gleichzeitig wird über
den Zulauf 16 das zu behandelnde Medium in den Kessel eingezogen,
bis das Arbeitsniveau erreicht ist. Nach Erreichen des Betriebsvakuums
(ca. 25 bis 40 mbar) wird das Medium bei dem in 1 dargestellten Vakuumverdampfer über die
in dem Kessel 1 befindlichen Wärmetauschermodule 15 erwärmt. Bei
dem in 2 dargestellten
Vakuumverdampfer, der außenliegende
Wärmetauscher
aufweist, geschieht die Erwärmung über einen
zusätzlichen
Kreislauf, durch den das Medium die Wärmetauscher (14, 15)
durchläuft.
-
Bei Erreichen der Siedetemperatur
verdampft das in dem zu behandelndem Medium enthaltende Wasser,
was zum Unterschreiten des Arbeitsniveaus führt. Um den beim Verdampfen
des Mediums sinkenden Füllstand
im Kessel 1 auszugleichen, wird der über das Arbeitsniveau geregelte
Zulauf 16 automatisch geöffnet und automatisch eine
zusätzliche
Menge des Mediums in den Kessel eingeführt. Das sich im Kessel 1 befindende
Medium wird während
des gesamten Zeitraums weiter aufkonzentriert, bis die gewünschte Konzentration
erreicht ist. Bei Erreichen der geforderten Konzentration wird das
Medium automatisch aus der Anlage abgepumpt.
-
Die Konzentrations- bzw. Dichteregelung des
Kesselinhaltes erfolgt wahlweise durch eine Zeitsteuerung oder durch
eine integrierte Dichte- oder Leitfähigkeitsmessung. Es besteht
auch die Möglichkeit,
bei Erreichen der gewünschten
Konzentration nur eine Teilmenge des sich im Kessel befindenden Mediums
abzupumpen, was zu einem annähernd kontinuierlichen
Betriebsverhalten führt,
da der Siedeprozess hierdurch kaum merklich unterbrochen wird.
-
Die Wärmetauscher 92, 93 sind
als Rohrbündel-
oder Platten-Wärmetauscher
ausgeführt
und werden mit Kältemittel
betrieben. Das Kältemittel durchläuft einen
geschlossenen Kältemittelkreislauf 9.
Es wird von einem oder mehreren Verdichtern 91 komprimiert
und dabei erhitzt. Es treten hierbei Temperaturen von bis zu 100°C auf, wobei
das Kältemittel auf
etwa 18 bar bis 20 bar verdichtet wird. Das heiße und unter hohem Druck stehende
Kältemittel
wird durch die Wärmetauscher
geführt
und gibt dabei den Großteil
des Wärmeinhaltes
an das einzudampfende Medium ab.
-
Das Medium wird dadurch bis zur Siedetemperatur
(ca. 35°C
bei 80 mbar) erwärmt
und beginnt zu sieden. Das nach dem Durchlaufen der Wärmetauscher
gekühlte,
aber noch gasförmige
Kältemittel gelangt
währenddessen
zum Kältemittelverflüssiger 98,
in dem es durch weitere Temperaturabsenkung verflüssigt wird.
Es steht hierbei noch immer unter hohem Druck.
-
Das flüssige Kältemittel gelangt zu einem Drosselorgan 94,
mit dessen Hilfe eine Druckdifferenz (ca. 12 bar) zwischen Hoch-
und Niederdruckseite erzeugt wird. Durch die entstehende Druckdifferenz
kann nur eine definierte Teilmenge des Kältemittels in den zweiten Wärmetauscher 93 gelangen.
Das Kältemittel
verdampft aufgrund des niedrigen Umgebungsdruckes und nimmt bei
dieser Änderung
des Aggregatzustandes Energie aus dem Kühlmedium (Kühlwasser, welches sich im Sekundärkreislauf
befindet und mittels einer Umwälzpumpe 96 über die Wärmetauscher 93 und 14 geführt wird)
auf, wodurch dieses abgekühlt
wird, und nun wieder dem Wärmetauscher 14 zugeführt wird.
-
Die Energie (Wärme) welche mittels der Wärmeaustauscher 14 und 93 vom
Wärmepumpenkreislauf
aufgenommen wird, wird durch den Verdichter 91 durch Komprimierung
auf ein höheres
Druck- und Temperaturniveau gebracht. Die dem Wasserdampf mittels
der seriell geschalteten Wärmeaustauscher 14 und 93 entzogene
Enthalpie wird nun durch erneute Wärmeübertragung durch die ebenfalls
seriell geschalteten Wärmeaustauscher 92 und 15 auf das
einzudampfende Medium übertragen.
Die Umwälzung
des Warmwassers erfolgt hierbei mittels der Umwälzpumpe 97 (vgl. 8).
-
Bei dem Medium, welches sich um den
zweiten Wärmetauscher 14 befindet,
handelt es sich um den Wasserdampf, welcher beim Sieden im Kessel 1 entstanden
ist. Dieser Wasserdampf wird durch die Herabsetzung der Umgebungstemperatur
abgekühlt und
kondensiert beim Unterschreiten des Taupunktes aus. Es wird somit
ein Kondensat erzeugt, welches weitestgehend frei von schädlichen
Inhaltsstoffen ist. Das nunmehr wieder gasförmige, verdampfte, sich auf
einem niedrigeren Druck- und
Temperaturniveau befindende Kältemittel
wird wieder vom Verdichter 91 angesaugt, wodurch der Wärme-/Kälteprozess
geschlossen ist, sodass dieser Prozess erneut beginnen kann.
-
Die Anlage weist eine Bypassregelung 95 auf,
welche in der Startphase eine künstliche
Kühllast erzeugt
und somit sicherstellt, dass nur gasförmiges Kältemittel zum Kompressor gelangt,
da zu Beginn des Prozesses, also in dem Moment, in dem das sich in
dem Kessel 1 befindende Medium noch nicht erwärmt ist,
auch kein Wasserdampf entsteht. Aufgrund dessen steht auch kein
Medium zur Verfügung, welchem
Energie entzogen werden kann. Dadurch würde das vom Kompressor angesaugte
Kältemittel nur
unzureichend verdampfen und in teilweise flüssiger Form zum Kompressor
gelangen, was mechanische Schäden
am Kompressor hervorrufen könnte. Mit
der Bypassregelung 95 kann auf eine elektrische Vorheizung
verzichtet werden; gleichzeitig ist die Aufwärmzeit des einzudampfenden
Mediums entscheidend verkürzt.
-
Als Kältemittel können eine Vielzahl von zugelassenen
Medien verwendet werden, beispielsweise Freon R407c oder R134a.
Es werden nur FCKW-freie Medien verwendet.
-
Bei Anwendungsfällen, in denen Warm- / Kaltwasser
aus anderen Prozessen zur Verfügung steht,
was besonders in Galvaniken häufig
der Fall ist, kann die Vakuumverdampfer-Anlage auch diese Nutzen,
eine Wärmepumpe
ist in diesem Fall nicht erforderlich.
-
Im Bereich der oberflächenbearbeitenden
Industrie stehen häufig
große
Abwärmeströme aus den Veredelungsprozessen
(exotherme Reaktionen) zur Verfügung.
Naturgemäß müssen diese
den Behandlungsprozessen durch entsprechende Kühleinrichtungen entzogen werden
und stehen häufig
als Abwärme
zur Verfügung.
Durch thermische Koppelung des Vakuumverdampfers an diese bauseitigen
Kühleinrichtungen
kann der Vakuumverdampfer mittels der anfallenden Abwärme betrieben
werden, gleichzeitig wird dadurch das entsprechende Kühlsystem der
Produktionsprozesse entlastet (vgl. 21.
Vorzugsweise bei stark viskosen Medien werden außenliegende Wärmetauscher
eingesetzt, um durch den zwangsweisen Wärmeübergang die Leistung zu erhöhen.
-
Die Vakuumverdampfer sind für einen
vollautomatischen, unbeaufsichtigten Betrieb ausgelegt. Sie sind
mit einer SPS-Steuerung ausgestattet.
-
Das Vakuumsystem 3 kann
auf unterschiedliche Weise betrieben werden. In jedem Falle ist
eine Pumpe 31 vorgesehen. Bei kleineren Anlagen handelt
es sich um eine Edelstahlpumpe mit daran angeschlossenen Ejektor.
Bei größeren Anlagen
bzw. bei besonderen Anwendungen findet eine Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe aus
Kunststoff Anwendung. Diese Pumpe zeichnet sich durch ihr sehr gutes
Saugvermögen,
verbunden mit exzellenter Korrosionseigenschaft aus. Das Vakuumsystem
wird dabei über einen
geschlossenen Wasserkreislauf betrieben. Weiterhin hat das Vakuumsystem
die Aufgabe das „erzeugte"
Kondensat aus der Anlage abzuführen. Das
Kondensat tritt dabei, je nach Baugröße der Anlage kontinuierlich
mit einem Druck von etwa 0,3 Bar aus dem Kondensatsammelbehälter 32 aus.
Bei größeren Anlagevarianten
kann es auch mittels einer zusätzlichen
Kondensatpumpe bedarfsweise ausgefördert werden. Hierbei richtet
sich der Förderdruck nach
den jeweiligen bauseitigen Anforderungen des Betreibers.
-
Die Konzentratpumpe 7 hat
die Aufgabe, bei Erreichen der gewünschten Konzentration das eingedampfte
Medium aus der Anlage zu pumpen. Als Pumpe kommt je nach Anwendungsfall
eine Kreiselpumpe mit spezieller, den Anforderungen für den Einsatz
in Vakuumverdampfern optimierter Wellendichtung oder eine Druckluft-Membranpumpe zum
Einsatz. Druckluft-Membranpumpen sind dabei besonders bei der Bearbeitung
stark abrasiver Produkte zu verwenden.
-
Über
eine im Kessel 1 vorgesehene Niveauregulierung in Form
der Messeinrichtung 19 wird das Arbeitsniveau überwacht
und bei Bedarf über
den Zulauf 16 zusätzliches
Medium nachgefördert.
Darüber hinaus
wird bei Über-
bzw. Unterschreiten des Maximal- oder Minimalniveaus die Anlage
automatisch abgeschaltet.