DE3033479C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Oberflächenbehandlungsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.

Mit den zunehmend strengeren Auflagen in bezug auf den Um­ weltschutz sowie den steigenden Rohstoffkosten, z. B. für Prozeß- und Behandlungschemikalien, werden immer mehr Rückgewinnungsverfahren eingesetzt.

Ein solches Verfahren ist z. B. aus der DE-OS 25 24 094 bekannt, wo man der ersten, im meisten durch verschleppte Elektrolyten verunreinigten Spülstufe Flüssigkeit entzieht und in Luft versprüht. Die Luft wird dabei über den Behand­ lungsbändern abgezogen, so daß sie auch die Badnebel ent­ hält. Diese werden durch das Versprühen der Spülflüssigkeit ausgewaschen und dadurch Wertstoffe zurückgewonnen. Ferner verdunstet ein erheblicher Teil des Spülwassers. Die Lösung wird dabei konzentrierter und kann nach evtl. weiterer Behandlung dem Behandlungsbad wieder zugesetzt werden. Die Luft, in der die Flüssigkeit versprüht wurde, wird dadurch aufgefeuchtet. In ihr ist damit die Verdampfungswärme des verdampften Wassers und die Wärme der Raumluft latent ent­ halten.

In einem weiteren bekannten Verfahren, das gegebenenfalls dem vorstehend beschriebenen vorgeschaltet, aber auch ohne Nachschaltung dieses Verfahrens eingesetzt wird, versprüht man dem Behandlungsbad entnommene Flüssigkeit in einem Luftstrom. Das Behandlungsbad ist typischerweise z. B. ein Bad zum Verchromen oder sonstigen Metallisieren von metallischen Gegenständen. Hierbei wird eine beträchtliche Energiemenge zugeführt, die das Behandlungsbad aufheizt. Somit ist die dem Behandlungsbad entnommene Flüssigkeit versprüht wird, durch direkten Wärmeübergang und die Verdunstungwärme des verdunsteten Wassers Energie zu, d. h. die Enthalpie der Luft nimmt zu.

Es ist ferner ein Verfahren zur Rückgewinnung der Chemika­ lien aus dem Spülwasser und aus der Abluft mit Aufkonzen­ trierung durch Verdunstung bei gleichzeitiger Entfernung der störenden Fremdstoffe bekannt ("Galvanotechnik" 69 (1978) 416-418). Zu diesem Zweck ist im Abluftstrom der Badabsaugung ein Naßwäscher eingebaut, der die Absaugluft von den Behandlungsbädern reinigt und durch Verdunstung des eingespeisten Spülwassers eine Aufkonzentrierung der Elek­ trolyte bewirkt.

Es ist weiterhin bekannt ("Galvanotechnik" 70 (1979) 620-625), zur Temperaturkonstanthaltung des Behandlungs­ bades den Elektrolyten in Verdunsterzonen einzusprühen und dabei in innigen Flüssigkeits-Gas-Kontakt zu bringen, wo­ durch infolge der freigesetzten Verdunstungskälte eine Ab­ kühlung innerhalb eines Temperaturführungskreislaufs er­ folgt.

Nach den jeweiligen, auch kombiniert angewendeten Versprühvorgängen wird also Luft mit großer Enthalpie ungenutzt abgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei derarti­ gen Verdunstungsverfahren anfallende Enthalpie einschließ­ lich der in der Prozeßabluft enthaltenen Enthalpie in Form nutzbarer Energie zurückgewinnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung ermöglicht es, auf konstruktiv einfache Weise zu einer Wertstoffrückgewinnung noch zusätzlich noch eine Energierückgewinnung zu erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren hat ferner den zusätzlichen Vorteil, daß auch gereinigtes Wasser auf diesem Wege in erheblichem Maße zurückgewonnen werden kann, welches sonst mit der Abluft verlorenginge. Konstruktiv ist die Lösung deshalb besonders einfach, weil der ohnehin vorgesehenen Verdunsterstufe bzw. den Verdunsterstufen nur noch eine zusätzliche Stufe gleicher Art angefügt zu werden braucht.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand der Unteransprüche 5 und 6.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dem über die Verdunsterstufe mit dem gekühlten, sauberen Wasser geführten Kreislauf das anfallende kondensierte Wasser und das Wasser aus der Frischwasserquelle, das zur Ersetzung von Verlusten benötigt wird, zugeführt, dem seinerseits das Wasser für die Spülstufen entnommen wird.

Weitere Einzelheiten des Verfahrens und der Einrichtung sind in der sich anschließenden Beschreibung eines in der Zeich­ nung gezeigten Ausführungsbeispiels einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens und/oder in den Patentansprüchen erläutert.

Die einzige Figur zeigt schematisch eine zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Anlage.

Die dargestellte Anlage umfaßt zwei Behandlungsbäder 51 und 52, bei denen es sich um Chrombäder handeln kann. Den Behand­ lungsbädern ist eine insgesamt mit 60 bezeichnete Spülkaskade nachgeschaltet, die beispielsweise drei Spülbecken, 61, 62 und 63, aufweisen kann. In diese Spülbecken wird das aus den Behandlungsbädern herausgehobene Gut nacheinander zum Spülen eingebracht. Die Spülwasserzuführung erfolgt hierbei über Spritzregister 58, die jeweils oberhalb des Beckens angeordnet und an den Spülbecken vorgeschaltete Förderaggregate 66, 67, 68 angeschlossen sind. Diese mittels Ventile 69 schaltbare Förder­ aggregate führen den Spritzregistern unter Druck Spülflüssig­ keit zu, die dann durch Spritzdüsen oberhalb des Beckens ver­ spritzt wird.

Die Anlage umfaßt ferner Versprühstufen, von denen in einer ersten Versprühstufe 11 Badflüssigkeit 2 versprüht wird. Diese wird aus einem Kühlbecken 20 über eine Leitung 21 mittels einer Pumpe 79 Sprühdüsen 22 zugeführt. In diese Versprühstufe ge­ langt ferner mittels eines über den Behandlungsbädern angeord­ neten Abzugsrohres 1 abgesaugte Badluft (Badnebel), die gege­ benenfalls noch mit weiterer Luft, z. B. Außenluft, vermischt sein kann. Die so entstandene "Eintrittsluft" hat eine Tempe­ ratur t _LE , eine absolute Feuchtigkeit von x _LE sowie eine Enthalpie h _LE .

Die in der Versprühstufe 11 nicht verdunstete Badflüssigkeit, die durch die Abdunstung eines Bruchteils gekühlt und konzen­ triert worden ist, wird über eine Leitung 23 in das Kühlbecken 20 zurückgeführt. Zusätzlich wird mittels der Leitung 24 aus einem der ersten Versprühstufe 11 nachgeschalteten Tropfenab­ scheider 14 aufgefangene Flüssigkeit in die Leitung 23 einge­ leitet.

Dem Kühlbecken 20 des Badkühlkreislaufs wird Badflüssigkeit über eine Leitung 70 aus einem Umpumpbehälter 50 des Badflüs­ sigkeitsumlaufs zugeführt, während seinerseits das Kühlbecken 20 gekühltere und konzentrierte Behandlungsflüssigkeit über eine Leitung 71 mit Hilfe einer Pumpe 72 in den Umpumpbehälter 50 abpumpt. Die zugepumpte Menge wird über eine Temperatursteue­ rung 78 geregelt.

Bei mehreren Behandlungsbädern 51, 52 befindet sich die Bad­ flüssigkeit im Umlauf über den Umpumpbehälter 50, die Pumpe 73, die Leitung 54 und die Rücklaufleitung 53. Bei Überschreiten der vorgegebenen Temperatur im Umlauf der Behandlungsflüssigkeit wird über die Temperatursteuerung 78 und die Pumpe 72 gekühltere und konzentriertere Behandlungsflüssigkeit über die Leitung 71 in das Umpumpbecken 50 gefördert, wobei der warme Überschuß der Flüssigkeit über die Leitung 70 in das Kühlbecken 20 zu­ rückgeführt wird.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, kann dem Kühlbecken 20 über eine mittels eines Ventils 25 schaltbare Leitung 80 ferner aufkonzentriertes Spülwasser aus einem Spülwasserumlaufbecken 30 mittels einer Pumpe 74 zur Ergänzung von Verdunstungsver­ lusten und Zurückführung der aus dem Behandlungsbad ausge­ schleppten Stoffe zugeführt werden.

In der ersten Versprühstufe 11 wird also der Badflüssigkeit 2 durch Verdunstungswasser entzogen und die Lösung dabei aufkonzentriert und gekühlt. Die aus der Versprühstufe 11 austretende Luft hat nun eine neue Temperatur t ₁ und eine neue absolute Luftfeuch­ tigkeit x ₁ und erfährt eine Änderung ihrer Enthalpie in h ₁. Dabei ist die Enthalpieänderung der Luft von der Aufnahme der durch die Kühlung zugeführten Prozeßwärme und den Zustands­ größen der Luft (Temperatur, Feuchte) abhängig. In der ersten Versprühstufe liegt meist eine beträchtliche Erhöhung der Enthalpie vor, da durch die der Flüssigkeit entzogene Prozeß­ wärme über die Verdunstung die latente Wärme der Luft ansteigt.

Der ersten Versprühstufe 11 ist bei dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel eine zweite Versprühstufe 12 nachgeschaltet, in die aus dem Tropfenabscheider 14 austretende Luft eingeleitet wird. Diese zweite Versprühstufe kann auch entfallen. In die Versprühstufe 12 wird Spülwasser 3 aus dem Spülwasserumlauf­ becken 30 über eine Leitung 31 mit Hilfe der Pumpe 74 gefördert und mittels Sprühdüsen 32 versprüht. Dabei wird die vom Behand­ lungsbad abgesaugte Luft 1, die auch Reste von Chemikalien ent­ hält, gereinigt und weiter aufgefeuchtet. Der Rücklauf des Spülwassers in den Spülwasserpumpenbehälter 30 erfolgt über eine Leitung 33 sowie eine weitere Leitung 34, die aus einem der zweiten Versprühstufe 12 nachgeschalteten Tropfenabscheider 15 gewonnene Flüssigkeit führt.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, wird dem Spülwasserumpump­ behälter 30 außerdem aus dem ersten Spülbecken 61 der Spülkaskade 60 über eine Leitung 64 Spülwasser zugeführt. Mit Hilfe des Spülwasserumpumpbeckens 30 können durch Einspeisung in den Kühl­ kreislauf (Kühlbecken 20) Verdunstungsverluste ergänzt und verschleppte Chemika­ lien über die Leitung 80 zurückgeführt werden.

Durch die Behandlung in der zweiten Versprühstufe 12 ändert sich die Enthalpie der Luft erneut in eine Enthalpie h ₂ bei einer Temperatur t ₂ und einer absoluten Feuchtigkeit x ₂. Die nunmehr vorliegende Luft ist zwar bereits entsprechend der Temperatur des Spülwassers gegenüber der Temperatur t ₁ abgekühlt, sie ent­ hält aber ein großes Maß an latenter Wärme durch die Verdun­ stungswärme des aufgenommenen Wassers. Diese Energie ging bisher mit der Abluft verloren.

Nunmehr ist eine dritte Versprühstufe 13 vorgesehen. In dieser Versprühstufe wird die eingeleitete Luft mit sauberem Wasser aus einem Umpumpbehälter 40 behandelt, das ihr über eine Leitung 41 mittels einer Pumpe 75 in einer Umlaufmenge U zugeführt und mittels Sprühdüsen 42 versprüht wird. Dem Frischwasser wurde im Umpumpbehälter 40 gegebenenfalls über Wärmeaustauschschlangen 45 oder durch eine Wärmepumpe 46 Wärme entzogen. Das Versprühen des so gekühlten Wassers entzieht der aufgefeuchteten, warmen Luft, die aus der zweiten Versprühzone 12 kommt, Wärme. Dadurch er­ niedrigt sich die Temperatur der Luft unter den Taupunkt, wo­ durch ein wesentlicher Teil der in der Luft enthaltenen Feuch­ tigkeit kondensiert und eine zusätzliche Wassermenge W _T ergibt. Der Luft wird somit Energie durch den Wärmeübergang an das ver­ sprühte Wasser und durch den Verlust an latenter Wärme durch die Kondensation des in ihr enthaltenen Wasserdampfes entzogen. Diese Energie geht mit dem versprühten und kondensierten Wasser in der Gesamtmenge U + W _T über die Leitung 43, 44 in den Umpumpbe­ hälter 40 über und wird diesem wiederum durch die Wärmepumpe 46 Wärme entzogen und damit nutzbar gemacht.

Die so behandelte Luft wird abschließend durch einen weiteren Tropfenabscheider 16 geführt und geht dann als Abluft 1′ mit einer Temperatur t _LA , einer absoluten Luftfeuchtigkeit x _LA und einer Enthalpie h _LA über einen Abluftkanal 17 ins Freie.

Durch die Kondensation der in der Luft enthaltenen Feuchtig­ keit wird zusätzlich eine beträchtliche Menge Wasser W _T ge­ wonnen, die den Spülwasserbedarf weitgehend oder ganz deckt. Nur die Differenzmenge Δ W des Wassers wird aus einer Frisch­ wasserquelle 5 über eine mittels Ventils 92 schaltbare Leitung 90 dem Umpumpbehälter 40 zugeführt. Dabei beträgt die Differenz­ menge Δ WzW - W _T . Hierbei ist W die der Spülkaskade 60 im letzten Spülbecken 63 über eine mittels eines Ventils 93 schaltbare Leitung 91 zugeführte Spülwassermenge.

Der Energie- und Wassergewinn durch das erfindungsgemäße Ver­ fahren wird nachfolgend an einem Beispiel veranschaulicht.

Bei einer vom Bad abgesaugten Luftmenge von 10 000 m³/h, die mit einer Temperatur t _LE von 20°C und einer relativen Feuch­ tigkeit von 50% in die erste Versprühstufe 11 gegeben wird, und einer aus der versprühten Behandlungslösung aus dem Kühl­ kreislauf resultierenden Temperatur t ₁ = 24°C wird die Luft mit einer absoluten Luftfeuchtigkeit von 15 g/kg auf eine Enthalpie von h ₁ = 62,4 kJ/kg gebracht. Dabei werden 92 kg Wasser verdunstet mit einer gesamten Enthalpieänderung von 283 533 kJ/kg.

Die erhaltene Luftmenge wird in der Versprühstufe 12 mit dem Spülwasser behandelt und kühlt sich auf eine Temperatur von t ₂ = 20°C ab bei einer absoluten Luftfeuchtigkeit von x ₂ = 13 g/kg und einer Enthalpie von h ₂ = 53,6 kJ/kg.

Die erhaltene Luft wird nun in der dritten Versprühstufe 13 mit sauberem Wasser mit einer Temperatur von ca. 10°C behandelt. Die austretende Luft hat eine Temperatur t _LA = 14°C, eine absolute Luftfeuchtigkeit von x _LA von 10 g/kg und eine Enthalpie von h _LA = 39 kJ/kg.

An kondensiertem Wasser erhält man 60 kg/h. Der Wärmegewinn beträgt 168 000 kgJ/h.

Die Temperatur der Chrombäder wird konstant gehalten, so daß die gesamte Prozeßwärme von ca. 136 800 kJ/h durch Kühlung abgeführt wird. Die durch die Wärmepumpe gewonnene nutzbare Energie ist Q _R = m _L (h ₂ - h _LA )η, wobei m _L gleich die durch­ gesetzte Luftmenge und η der Wirkungsgrad der Wärmepumpe ist. Ferner werden 60 l/h Wasser zurückgewonnen.

Anstelle der beschriebenen Verdunster mit nachgeschalteten Tropfenabscheidern können auch an sich bekannte Verdunster mit Füllkörpern eingesetzt werden. Diese Füllkörper vergrößern die Flüssigkeitsoberfläche, die dann mit Hilfe von im Gegen­ strom geführter Luft verdunstet.

Die über die Wärmepumpe 46 gewonnene Energie kann zur Aufwärmung der dem Arbeitsraum zugeführten Frischluft bzw. zur Beheizung von anderen Behandlungsbädern benutzt werden.

Das in der Versprühstufe 13 durch Kondensation gewonnene saubere Wasser deckt weitgehend den Spülwasserbedarf der Spülkaskade, so daß nur geringe Ergänzungsmengen Δ W erforderlich sind.

Claims (6)

1. Oberflächenbehandlungsverfahren, insbesondere Galvanisier­ verfahren, mit Rückgewinnung der ausgeschleppten Badsub­ stanzen, bei dem Badflüssigkeit zusammen mit abgesaugter Prozeßluft einer ersten Verdunsterstufe zugeführt wird, in welcher der Badflüssigkeit durch Versprühen im Flüssig­ keits-Luft-Kontakt Wasser entzogen und die dadurch gekühlte Flüssigkeit dem Behandlungsbad zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der mindestens ersten Verdunsterstufe nach­ geschalteten weiteren Verdunsterstufe sauberes, gekühltes Wasser in der aus der vorgeschalteten Verdunsterstufe austretenden feuchten Luft versprüht und das saubere Wasser mit dem gewonnenen Kondensat zwecks Wärmerückgewinnung gekühlt und zumindest teilweise in die Spülstufen zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung des Kondensats mittels Wärmeaustauschern oder Wärmepumpen erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einem das saubere, gekühlte Wasser enthaltenden Umpumpbecken das beim Versprühen in der letz­ ten Verdunsterstufe anfallende kondensierte Wasser sowie erforderliches Zusatzwasser aus einer Frischwasserquelle zugeführt und aus ihm der Wasserbedarf für den Spülvorgang gedeckt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der ersten Verdunsterstufe nachgeschalteten zweiten Verdunsterstufe Spülwasser in der aus der ersten Verdunsterstufe austretenden Luft versprüht und in den Spülwasserkreislauf rückgeführt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit mindestens einem Behandlungsbad (51, 52), mindestens einem Spülbecken (61, 62, 63) mit Spül­ flüssigkeit und mit einer Frischwasserquelle (5) zur Ergän­ zung der Spülflüssigkeit sowie mit einem mit dem Behand­ lungsbad in Verbindung stehenden Kühlkreislauf (20, 21, 22, 23, 24, 70, 71, 72, 73, 79, 50, 53, 54) mit einer ersten Verdunsterstufe (11) für die zu kühlende Flüssigkeit (2), in die auch das Abzugsrohr (1) für die Prozeßluft mündet und die an einen Verdunster-Abluftwäscher (17) angeschlossen ist, gekennzeichnet durch einen weiteren Kühlkreislauf (40, 75, 41, 42, 43, 44) mit gekühltem sauberen Wasser, eine der ersten Verdunsterstufe (11) nachgeschalteten weiteren Verdunsterstufe (13), deren Zuführ- (41) und Abführ- (43, 44)-Leitung einerseits an einen mit Wärmeaustauschern oder Wärmepumpen (45) für den Wärme­ entzug aus dem sauberen Wasser versehenen Umpumpbehälter (40) und andererseits an einen Tropfenabscheider (16) zum Auffangen des in den Kühlkreislauf rückgeführten Kondensats angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Verdunsterstufe (11) und der Verdun­ sterstufe (13) eine die Luft aus der ersten Verdunsterstufe (11) aufnehmende zweite Verdunsterstufe (12) vorgesehen ist, in der (bei 32) aus dem Spülwasserumlauf (30, 80, 20; 31, 32, 33, 34, 74) Spülwasser zur Auswaschung und Verdun­ stung zuführbar ist, die über Leitung (33) und einen Tropfenabscheider (15) in den Spülwasserumpumpbehälter (30) rückführbar ist.