DE1517598A1 - Verfahren zum Erhitzen von salzhaltigen Loesungen - Google Patents

Verfahren zum Erhitzen von salzhaltigen Loesungen

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DE1517598A1 DE19651517598 DE1517598A DE1517598A1 DE 1517598 A1 DE1517598 A1 DE 1517598A1 DE 19651517598 DE19651517598 DE 19651517598 DE 1517598 A DE1517598 A DE 1517598A DE 1517598 A1 DE1517598 A1 DE 1517598A1
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Description

Dipl. Ing. Arthur Kuhn l???1 m ^™*«M)> deB
Patentanwalt Teiegr.Adr., Kuhnp.t™t
BerIinerB«ikA.G.tDep..KMK.35 Fernsprecher: 89 26 22 Berlin-Wilmersdorf
Postscheckkonto: Berlin -West 212 59 - 17 796 -
UNITED STATES ATOMIC ENERGY COMMISSION, Germantown, Maryland
U.S.A.
■ Verfahren zum Erhitzen von sal ahaItigen Lösungen
Die Erfindung betrifft ein wirksames, kontinuierliches Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen von salzhaltigen Wässern auf hohe Temperatur, wobei diese Wässer Salze enthalten, die inverse Löslichkeitskurven besitzen· Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entsalzen derartiger Wässer, wie Meerwasser.
Aufgrund sioh immer stärker erhöhender Forderungen naoh frischwasser sind in den letzten Jahren duroh die einschlägigen Fachleute erhebliche Anstrengungen unternommen worden, um wirtschaftlichere Verfahren zum Entsalzen τοη Seewasser zu schaffen. Ein derartiges zur Zeit in Betracht gezogenes und angewandtes Verfahren besteht darin, daß eine Torerhitzte Lösung des salzhaltigen Wassers duroh eine Reihe Sohnellrerdampfer geführt wird, die progressiv niedrigere DrÜok· aufweisen, wobei diese Drücke ausreichend niedrig sind, um ein Verdampfen in Wasserdampf eines erheblichen Anteile des in den Verdampfer eintretenden salzhaltigen Wassere zu bewirken. Der Dampf wird an Wärmeauatauaoherröhren kondensiert, die duroh den Verdampfer hindurchtreten, wobei diese Rohre die im Gegenstrom fließende Salzlösung enthalten und bei einer niedrigeren Temperatur als die verdampfende Lösung dergestalt sind, daß die Lösung in den Rohren duroh Aufnahme der latenten Wärme des sich kondensierenden Wasserdampfes vorerhitzt wird. Derartige Systeme weisen
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BAD ORIGINAL
einen hohen Wirkungsgrad auf, da jede Einheitsmenge an frischen oder trinkbarem Wasser, die an den Wärmeaus ta us eher rohr en kondensiert wird, dem System praktisch die gesamte und sehr wichtige latente Wärme zurückgibt, die im Endeffekt für das Verdampfen einer äquivalenten Wasserdampfmenge bei geringfügig niedrigererem Druck und Temperatur in den nachfolgenden Verdampferstufen angewandt wird· Somit ist ein mehrstufiges System in der Lage, viele Kilogramm Trinkwasser für jede dem System zugeführte Wärmeeinheit zu ergeben, die für da« Verdampfen yon einem Kilogramm Wasserdampf aue der ursprünglichen Menge an Salzwasser erforderlieh ist. £s werden weitere Arten an " Verdampfungssystemen, und zwar im Gegensatz zu den Schnellverdampfern angewandt un d/oder sind für die Anwendung in Entsalzungsrerfahren vorgeschlagen worden, jedooh wird da« Prinzip der Konservierung oder erneuten Anwendung der Verdampfungewärme (oder latenten Wärme) durch Benutzen von mehrstufigen oder DampfkompresBionseyetemen in allen Fällen dort betont, wo die Wirtschaftlichkeit des Betriebes und geringe Einheitskosten des entsalzten Wassers angestrebt werden.
Es versteht sich, daß Systeme, die in der Lage sind die SaIzlösung auf hohe Temperaturen und Drücke vorzuerhitzen und bei derartigen Werten zu betreiben, eine große Anzahl an Bückgewinnungsstufen in dem System anwenden können und den Gesamtnutzungegrad und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöhen. Die einschlägigen Fachleute wissen jedooh, daß sich ein ernsthaftes Problem ergibt, wenn man versucht salzhaltiges Wasser, wieSeewaseer auf eine Temperatur über 125*0 zu erhitzen, und zwar bedingt durch die fatsaohe, daß einige der darin enthaltenen ialze, wie Calciumsulfat, auf die Wände des Wärmeaustauschers in Form von Kesselstein ausfallen und ein derartiger
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Kesselatein verursacht einen scharfen lbfall in dem Wärmeübertragungs-Koeffizienten de3 Austauschen und verringert erheblich, den wirtschaftlichen Wirkungsgrad, der ansonsten vermittels einei derartigen Systems erreicht werden kann, Dieses Problem der Bildung von Kesselstein hat somit erheblich ate Anzahl der Ar- ■ beitsstufen verringert, die man in mehrstufigen Schnellverdam pfersysteinen und anderen Rückgewinnungasyetemen anwenden kann.
Die meisten gelösten Stoffe erhöhen ihre Löslichkeit mit zunehmender Temperature Einige Salze jedoch, wie Calciumsulfat, wasserfreies Natriumsulfat und Natriumcarbonat-Monohydrat usw. | zeigen in wässriger Lösung eine Erscheinung, die als inverse Lösliohkeitskurven bekannt ist, d.h. die Löslichkeit dieser Substanzen verringert sich mit sich erhöhenden Temperaturen0 Wenn eine Lösung, wie Seewasser, die viele derartige Salze mit inversen Löslichkeitskurven enthält, in einem Wärmeaustauscher erhitzt wird, ist die Lösiichkt,.,.': dieser gelösten Salze am geringsten an der Rohrwand, wo die Temperatur am höchsten isto Somit erfolgt ein Ausfällen bei den erhöhten Temperaturen an der Rohrwand des Wärmeaustauschers, und zwar allgemein unter Ausbilden eines harten, dichten, festanhaftenden Kesselsteins, ' der erheblich den Wert des Wärmeübertragungs-Koeffizienten in dem Wärmeaustauscher verringerte Weiterhin werden Substanzen
mit invereer Löslichkeitskurve of totals erhebliche Mengen an co
^ Produkten enthalten, die normale Löslichkeitekurven aufweisen,
ο-, wodurch weiterhin der Wirkungsgrad des WärneaustauschersysteBs
•^ verringert wird.
"^ Um derartige Kesselsteinbildungen von den Wäroeaustauschersy-· steinen zu entferne, let nan nach dem Stande der Technik dergestalt verfahren, daßaechanieclie Vorrichtungen ι nie Kratzer und
Chemikalien, wie Säuren und Alkalien angewandt wurden. BAD ORIGINAL ~ ♦ "
Beartige Verfahren zum Entfernen des Kesselsteine sind kostspielig, sowohl bezüglich der Entfernung desselben als auch bezüglich der Verringerung des Wirkungsgrad·^ des Wärmeaustauschersystems.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung besteht somit darin, eine wirksame, wirtschaftliche Wärmeaustausoher-Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die für das Erhitzen yon Lösungen anwendbar sind, die Salze mit inrersen Lösliohkeitskurven darin gelöst enthalten, und zwar auf hohe Temperaturen ohne Ausbilden ron Kesselstein an den Wänden der Wärmeaustauscher-Vorrichtung.
Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung besteht dafin, ein Verfahren und Vorrichtung der angegebenen Art zu schaffen, die bei hohen Temperaturen unter Erhitzen und/ oder Entsalzen von Seewasser und anderen brakigen, salzhaltigen Wässern und Lösungen angewandt werden können, die Salze mit inversen LöslichkeiiBkurven enthalten.
Eine weitere der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung der angegebenen Art zum Erhitzen von Lösungen auf höhere Temperaturen zu schaffen, ohne daß die Wärmeübertragungs-Koeffiaienten des Wärmeaustauecher systems nachteilig beeinflußt werden und weiterhin ohne Ausbilden von Kesselstein an den Wänden des Wärmeaustauscher-Gefäßes, und zwar obgleich diese Lösungen Substanzen enthalten, die zur Kesselsteinbildung neigen, wie Salze ^ mit inversen Lösliohkeitskurven und/oder organische Bestand-
O0 teile, cn
ο Erfindungsgeaäß verfährt man dergestalt, daß Sals-haltige -* Lösungen, wie Seewasser, wobei die Salze inverse Lösliohkeits-
" in
m kurven bezüglich des Lösungsmittels der Lösung/der sie gelöst sind, aufweisen, sowie organische Bestandteile vorliegen,
BAD
in einem Warmeaustausοher erhitzt werden, in dem man die Salzlösung nach oben duroh einen Wärmeaustauscher fließen läßt, woßei der Wärmeaustauscher eine Erhitzungsanordnung aufweist, die in Betriebsverbindung mit den Wänden des Wärmeaustauschers steht, ean das duroh den Wärmeaustauscher fließende Salz-haltige Waaser erhitzt, nährend dasselbe in Berührung alt den Wänden des Wärmeaustauschers steht, und die Erhitzungsanordnung hiermit in Verbindung mit einem fluidisierten Bett teilchenförmiger Feststoffe steht, die teilchenförmigen Feststoffe im Inneren des Wärmeaustauschers im fluidisierten Zustand aufgrund d#s nach oben gerichteten Flusses der Salzlösung durch das Bett ge- * halten werden,, Es wurde weiterhin ein Wärmeaustauscher für das Erhitzen der Salzlösungen erarbeitet, die Salze mit inversen Lösliohkeitskurven enthalten, und zwar auf hohe Temperaturen, Dieser Wärmeaustauscher weist ein umkleidetes Gefäß mit einer Pumpanordnung auf, die in Arbeitsverbindung mit dem Gefäß steht und zu einem nach oben gerichteten Fluß der Salzlösung durch das Gefäß führt, wobei die Erhitzungeanordnung in Arbeiteverbindung nit den Wänden des Gefäßes steht und in der Lage ist, die duroh das Gefäß hindurchfließende Salzlösung auf hohe Tempera- * türen su erhitzen. Weiterhin wird ein Bett teilohenförnriger Feststoffe innerhalb der Wände des Gefäßes in fluidisierten Zustand durch den Wasserfluß durch das Gefäß gehalten, und das fluidisierte Bett der teilchenförmigen Feststoffe liegt in Be-
ο rührung mit den Wänden des Gefäßes vor, das die in Arbeitete
^ verbindung hierait stehende Erhitzungsanordnung enthält.
**"*■ Das erfindungsgemäß in Anwendung könnende fluidisiert« Bett 2t ergibt sich, sobald das zu erhitzende Strömungsmittel nach oben
durch den Wärmeaustauscher durch ein Bett foster Teilchen geeigneter Größe mit ausreichender Geschwindigkeit fließt, durch
die eine Suspension und allgemeine Volumenauedehnung des Teilchenbettes verursacht wird, wodurch den einzelnen Teilchen eine erhebliche unabhängige Beweglichkeit und ein Aussehen des Fließens dem Bett vermittelt wird. Erfindungsgemäß angewandte Geschwindigkeiten des Strömungsmittels müssen innerhalb derjenigen Werte liegen, die zu einem Anheben des teilchenförmigen Bettes in einen Zustand einer Suspension ader der Fluidisierung führen und Werte, durch die die Teilchen auf des Wärmeaustauscher herausgespült werden»
Die sich erfindungsgeniß als anwendbar erweisenden Feststoffe für das Ausbilden des fluidisieren Bettes in dem Wärmeaustauscher können beliebige Feststoffe sein, die durch die Lösung bei Erhitzen derselben praktisch nicht gelöst werden und/ oder umgesetzt werden und weisen eine tatsächliche und scheinbare Dichte auf, die größer als diejenige der zu behandelnden Lösung ist. So wurde z.B. gefunden, daß 'feilchen aus herkömmlichen Sand ein ausgezeichnetes Material für die Anwendung als Feststoffanteil der fluidisierten Betten darstellen, wenn eine Anwendung derselben in einem Entsalzungsverfahren erfolgt.
Die Erfindung wird in folgenden beispielsweise anhand einer Reihe von Ausführungsbeispielen erläutert.
Beispiel 1
Dieses Beispiel erläutert die Durchführung der Erfindung für das Gewinnen von Trinkwasser aus naohgemaohtem Seewaaser unter
o Anwenden einer Wärmeaustauschereinheit, die bei hoher Temperate
oo tür betrieben wird, cn
° Die bei diesen Beispielen Anwendung findende Vorrichtung besteht ^ aus einem Wärmeaustauscher, der zwei Stücke eines Monelrohrs
οι mit einer Länge von 1,22 m mit einem Innendurchmesser von 2,54 cm aufweist, die miteinander vermittels Gewindearmatur verbun-
den sind» die gegenüberliegend zueinander angeordnete Schattöffnungen im Inneren der Armatur aufweist. Diese Vorrichtung wird in senkrechter Lage angeordnet. Ea werden vier Nr. 20 Nichrome Armour Ulierzogene Widere tandsdrähte mit Längen von 4,57 m spiralförmig um die Außenseite des senkrechten Rohrs in Tier im gleichen Abstand zueinander angeordneten Abschnitten gewidkelt und die durch jeden dieser Abschnitten bedeckten Rohrlängen belaufen sich auf etwa 0,61 m. Jeder Drahtabschnitt wird unabhängig mit einem 10 A 110 V Yariac (Widerstand) verbunden, der mit einer elektrischen Stromquelle in Verbindung steht. Dieses elektrische System ermöglicht die gesteuerte Wärmeζufuhrung zu dem senkrechten Wärmeaustauscher. Der Wärmeaustauscher ist stark isoliert» Es wird ein erstes Monelrohr mit einer Länge von 2,03 m, das gut isoliert ist und einen Innendurchmesser von 12,7 mm aufweist, vermittels Plansch sit dem oberen Ende des senkrechten Wärmeaustauschers und mit einem gut isolierten 4 1 Expansionstank verbunden, der sich direkt Über dem Wärmeaustauscher befindet. Dieser !Dank weist einen Druckmesser und ein Sicherheitsventil an dem oberen Ende des Tanks auf, der auf einen Oeffnungswert bei einem Druck von etwa 10,5 kg/cm eingestellt ist. Das erste Monelrohr weist ebenfalls einen getrennten Arm verbunden mit einem Ueberdruckventil auf, das auf einen Oeffnungswert von 8,4 kg/cm eingestellt ist.
Ss wird ein zweites Monelrohr mit einer Länge von 4,27 m, das gut isoliert ist und einen Innendurchmesser von 12,7 mm besitzt
ο unabhängig mit dem Expansionstank und mit dem Einlaß einer Um-
oo laufpumpe und sodann von dem Auslaß der Pumpe mit dem unteren
^ Ende des Wärmeaustauschers über eine flanschverbindung verbunden. _v Eine Speisepumpe wird von einem Voxatsbehälter aus gespeist, der α: nicht behandelte Salzlösung enthält und ist mit dem Syβtem Über das zweite Monelrohrstück an einer Stelle zwischen dem Expansions·
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tank und der Umlaufpumpe verbunden.
Ee wird ein Nets aua rostfreiem Stahl mit einer lichten Maaten— weite von 0,42 mm im Inneren der Plan aohverb in dung an dem tinteren Ende des Wärmeauetaueehera angeordnet. Daa unter· Teil dee senkrechten Rohre dee Wärmeaustauschers wird bis su einer Höhe von etwa 76,2 om mit einfachem Sand (etwa 600 g) gefüllt, der eine Teilchengröße ron etwa 0,84 bia etwa 0,59 «m besitzt. Im ruhenden Zustand liegt der Sand auf dem Sieb.
Es werden 60 1 nachgeahmtes Seewaaaer hergestellt, das 24»53 g/i Natriumchlorid, 11,1 g/l Magnesiumchlorid, 4»09 g/l Hatriumsulfat, 3,1 g/l Calciumchlorid, 0,695 g/l Kaliumchlorid, 0,027 g/l loreäure, 0,201 g/l Kaliumbicarboaat, 0,101 g/l Kaliumbromid, 0,042 g/l Strontiumohlorid, 0,003 g/l Istriumfluorid enthält, und der restliche Teil dar Lösung besteht aus destilliertem Wasser, Die naohgemaohte Seewasserlüaung wird in den Vorratsbehälter eingebracht und in das System eingeführt, bia daa System vollständig mit der Lösung-etwa die Hälfte des Volumens des Expansionstänke- gefüllt ist· Die Spiegelhöhe der Salzlösung in dem Expansionstank liegt wesentlich Über dam Verbindungen der Monelrohre mit demTank. Man läßt die Lösung durch das System vermittels der Umlaufpumpe umlaufen, sis die Umlpuf geschwindigkeit der Lösung In dsm Wärmeaue taue oh er aua·" reichend ist, um den Sand in dem Wärmeaustauscher la den Zustand eines fluidisiertes Bettes so. suspendieren nod aussudehnen, daß eine Höhe von etwa 1,22 m srsialt wird, so daß sich das Bett ron dem Sieb an seinem unteren finde sis ma dsm Gebiet der Schaugläaer an seinem oberen Ende erstreckt. Di· Sohaugläser ermöglichen eine optische Beobachtung de· Bett·· sowohl bezüglich des Pluidisierungssustsndss de sells en als auch der
Höhe desselben·
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Ee «erden 990 W (9 A 110 V) elektrische Energie auf jede der zwei unteren Erhitzungsspulen des Widerstandsdrahtee beaufschlag, der um den Wärmeaustauscher herumgewickelt ist, bis die Lösung in dem System eine Temperatur von 1720O und einen Druck von 8o8 kg/cm erreichte Sodann wird ein Teil der erhitzten Lösung aus dem System durch das Überdruckventil abgegeben» und die Menge an Lösung in dem System wird vermittels der Beschikkungspumpe konstant gehalten«
Das System wird insgesamt etwa 20 h lang betrieben, wobei die Temperatur der Lösung in dem Wärmeaustauscher bei etwa 17O0G gehalten wird«
Beiapi«! 2 *
Bei diesem Beispiel findet die Vorrichtung und die Verfahrensweise nach Beispiel 1 Anwendung»
Die bei diesem Beispiel erhitzte Wasserprobe wird aus dem Atlantik etwa 8 km entfernt von der Küste von Long Island erhalten» Das bei diesem Beispiel angewandte Seawater wild untersucht und hierbei wird gefunden, daß dasselbe 0,371 g/i Calcium als 0a++, 2,44 g/l SQ4"*"*, 1,2 g/l Magnesium Mg++, 0,0146 g/l Bicarbonat HOO,"* und 24,5 g/l Natriumchlorid sowie weitere Salze und organische Bestandteile enthält, wie man sie normaler- ι weise im Setwasser feststellte
Das bei diesem Beispiel Anwendung findende Seewasser wird in dem gleichen Wärmeaustauschersystem wie nach Beispiel 1 auf ein< Temperatur von 170·0 erhitzt und bei Driioken von 8,4 kg/cm bis
ο zu Normaldruck 30 Stunden lang ^geblasen* Das aus dem abgebla-
oo βenen Wasserdampf erhaltene Destillat wird der Gesohmaokaprobe
° unterworfen, physikalisch analysiert und festgestellt, daß das-Z^ selbe trinkbar ist«
cn Die Salzlösung nach Beispielen 1 und 2 weist eine Temperatur von etwa .170*0 bei dem Austritt aus de» Wiireui^ivta-isviher mif,
Derjenige Teil dieser Lösung, der durch das System zurückgeführt wird, wirdjedoch auf eine Temperatur von etwa 1450C vor dem erneuten Einführen in den Wärmeaustauscher abgekühlte Dieses Abkühlen beruht auf Wärmeverlusten in der Pumpe,die nicht isoliert war„ Der nioht zurückgeführte Anteil wird duroh das Druckablaßventil an einen Behälter abgegeben, der unter Normidruok gehalten wird.
Die Analyse der erhitzten Lösungen nach Beispielen 1 und 2 zeigt, daß die Konzentration an Calciumsulfat aufgrund dir inversen Löslichkeit auf Werte verringert worden ist, die mit der bekannten Löslichkeit desselben bei der erhöhten Temperatur in Uebereinstimmung stehen hjd das überschüssige Calciumsulfat wurde ausgefällt und in dem flüssigen Anteil des Systems zurückgehalten und nicht an der Wand des Wärmeaustauschers niedergeschlagen.
Die physikalische Untersuchung der Wände des Wärmeaustauschers zeigt, daß an den Wänden desselben kein Kesselstein ausgebildet wurde, und zwar handelt es sioh um diejenigen Teile, die in Berührung mit den erhitzten Lösungen und dem fluidisierten Bett stehen, da die Wände ihr ursprüngliches glänzendes Aussehen beibehalten haben. Nach den Beispielen 1 und 2 verbleiben die Wärmeaustauscher-Koeffizienten praktisch konstant während des gesamten Betriebes des tfystems.
Die Temperaturstellt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keinen begrenzenden Paktor dar« Lösungen, die Salze mit inverser Löslichkeit enthalten, können erfindungsgemäß auf so hohe Temperaturen erhitzt werden, wie es duroh die Druokbegrenzungen der Ausrüstung ermöglicht wird, ohne daß Kesselstein gebildet wird und ohne daß sich eine negative Beeinflussung der Wärmeaustauscher-Koeffizienten ergibt. Erfindungsgemäß werden somit
909850/1115 H
die Temperaturbegrenzungen aufgehoben, die bisher bezüglich Wärmeaustauschersystemen Torlagen und durch die Kesselsteinbildung bedingt wurden, die ihrerseits durch das Vorliegen toc Salzen mit inrersen Luslichkeitskurren in der «u behandelnden Lösung verursacht wird«,
Die Erfindung kann überall dort Hutsanwendung finden, no es zweokmäßig ist, Lösungen auf eine hohe Temperatur zu erhitzen, die Salze mit inversen Lösliohkeitskurren und/oder andere zu Kesselsteinbildung führende Produkte, nie organische Komponenten, enthalten und ist nioht auf das Anwenden in mehrstufigen SchnellTerdampfer-Systemen begrenzt, die in herkömmlichen Entsalzungsverfahren angewandt werden,, Die Arbeitsweisen bezüglich flüssiger und gasförmiger fluidlsierter Betten können ron den einschlägigen Fachleuten ohne weiter· bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung angewandt werden,, So kann man z»B· herkömmliche Wärmeaustauscher, die für die Anwendung in fluidisierten Bettsystemen geeignet sind, leicht mit Anordnungen für das Einführen (Beschicken) und Austragen (Entfernen) des Bettmaterials in und aus dem Wärmeaustauscher für das Durchführen der Erfindung versehen«
ErfindungsgeBtjB ist es möglich mehrstufige Sohnellrerdampfersysterne für die Destillation Ton Seewasser herzustellen und zu betreiben, die eine wee« tlioh größere Anzahl an Stufen aufweisen, als dies bei herkömmlichen Systemen möglich ist, so daß eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrades des Betriebes unter entsprechender Verringerung der Einheitskosten für entsalztes Wasser erreicht werden kann· Der Erfindungsgegenstand ist weiterhin ideal für die Anwendung in Dampfkompressions-Destillations- und anderen Systemen, wo die Kesselsteinbildung ansonsten die Temperatur*erte begrenzt, auf die die Salzlösung
».4+4. * v. 909850/1115 erhitzt werden kann» - 12 -
6AD ORIGINAL

Claims (1)

  1. Verfahren zum Erhitzen ron Salzlösungen auf hohe Temperaturen in eines umkleideten Wärmeaustauscher, wobei die Salzlösungen Salze enthalten» die inverse Löslichkeitskurren bezüglich des Lösungsmittels der Lösung aufweisen, wobei die Kesselsteinbildung an den Wänden des Wärmeaustauschers rerhindert wird, dadurch gekennzeichnet , daß ein fluidisiertes Bett inerter, teilohenförmiger Peststoffe in Berührung mit den Wänden des Wärmeaustauschers während des Erhitzens der Salzlösungen in dem Wärmeaustauscher gehalten wird·
    BAD ORIGINAL
    909850/1 115
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