DE3609705C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vorwärmung einer mit einem Krustenbildner gesättigten oder nahezu gesättigten Lösung, die in einer Thermokompressionsanlage einer Eindampfung unterzogen wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie auf eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anlage.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 28 63 501 bekannt. Darüber hinaus ist es aus der JP 541 38 865 bekannt, den erhitzten Dampfstrahl in die Kristallisationsflüssigkeit einzublasen bzw. einen weiteren Verdampfer damit aufzuheizen.

Allgemein wird, um den bei der Eindampfung zur Aufheizung der im Kreislauf geführten Lösung eingesetzten Wasserdampf auf ein höheres Energieniveau zu bringen, ein Gemisch aus Frischdampf und dem bei der Eindampfung entstehenden Wasserdampf in einem Verdichter komprimiert. Entsprechende Anlagen werden daher auch als Thermokompressionsanlage bezeichnet. Die in die Eindampfungsstufe frisch eingespeiste Lösung sollte bereits auf eine möglichst hohe Temperatur vorgewärmt sein. Um die Wirtschaftlichkeit einer Thermokompressionsanlage, deren Verdichter nicht mittels Dampf, sondern z. B. elektrisch, betrieben wird, nicht zu beeinträchtigen, muß der Einsatz von Frischdampf zur Vorwärmung vermieden werden. Man benutzt daher für die Vorwärmung die Wärme, die in dem Abstoß der heißen Lösung aus der Eindampfung und/oder in dem heißen Kondensat enthalten ist, das aus dem mit Wasserdampf beheizten Wärmeaustauscher des Heizkreislaufs austritt.

Nach dem Stand der Technik werden dementsprechend zur Vorwärmung der frischen Lösung Oberflächenwärmeaustauscher verwendet, die von dem heißen Lösungsabstoß bzw. von dem heißen Kondensat durchströmt werden. Hierbei tritt das Problem auf, daß infolge der mit steigender Temperatur in der frischen Lösung abnehmenden Löslichkeit des enthaltenen Krustenbildners die Oberfläche des Wärmeaustauschers rasch verkrustet und dadurch seine Funktionsfähigkeit immer mehr beeinträchtigt wird.

Am Beispiel einer Kochsalzkristallisationsanlage läßt sich dieses auch in anderen Prozessen auftretende Problem gut veranschaulichen. Die in einer solchen Anlage zu behandelnde Salzsole ist abhängig von ihrer Herstellung oder ihrem Vorkommen mehr oder weniger stark an Kalziumsulfat gesättigt. Die durch Solarverdampfung aus dem Meerwasser gewonnene Sole ist beispielsweise immer an Kalziumsulfat gesättigt, wenn sie mehr als ca. 15°Be-Konzentration aufweist; im Normalbetrieb wird sogar Sole mit ca. 20°Be verwendet. Die Maßeinheit °Be bedeutet "Grad Baum´" und ist ein Maß für die Konzentration einer Lösung (vgl. z. B. Küster, Thiel, Fischbeck: Logarithmische Rechentafeln, Verlag: Walter de Gruyter, 93. Auflage, Seite 179). Die Zahlenwerte in °Be ergeben sich aus dem spezifischen Gewicht γ nach der Beziehung:

Wegen dieser Sättigung mit Kalziumsulfat neigen Oberflächenwärmeaustauscher, in denen die kalte Sole mit heißem Kondensat oder heißem Lösungsabstoß vorgewärmt wird, stets zu starken Kalziumsulfatverkrustungen, wodurch die Betriebsfähigkeit oder Vorwärmanlage sehr eingeschränkt wird. Aus diesem Grunde wird häufig unter entsprechenden Wirtschaftlichkeitseinbußen auf eine Vorwärmung ganz verzichtet.

Um im Falle einer Vorwärmung nicht die gesamte Kristallisationsanlage stillsetzen zu müssen, wenn der Oberflächenwärmeaustauscher verkrustet ist, ist es aber auch bekannt, in derartigen Anlagen leicht reinigbare Wärmeaustauscher vorzusehen und diese doppelt zu besetzen, damit sie abwechselnd ohne Arbeitsunterbrechung gereinigt werden können. Es liegt auf der Hand, daß der dafür erforderliche Anlagen- und Arbeitsaufwand wiederum die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, das eine Vorwärmung einer mit einem Krustenbildner gesättigten Lösung ermöglicht, dabei aber den Aufwand für das Reinigen von Wärmeaustauscherflächen vermeidet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2-7 angegeben. Eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens ist im Anspruch 8 und mit seinen vorteilhaften Weiterbildungen in den Ansprüchen 9-15 gekennzeichnet.

Anhand der nachfolgenden Beispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema einer erfindungsgemäßen Anlage mit Vermischung von Abstoßlösung und Kondensat,

Fig. 2 eine Abwandlung der Anlage gemäß Fig. 1 mit getrennten Strömen von Abstoßlösung und Kondensat,

Fig. 3 eine Abwandlung der Anlage gemäß Fig. 2 mit ausschließlicher Vorwärmung durch Kondensat und

Fig. 4 eine Abwandlung der Anlage gemäß Fig. 2 mit einem Oberflächenwärmeaustauscher für das Kondensat.

Fig. 1 zeigt eine Anlage, wie sie beispielsweise zur Kristallisation von Kochsalz benutzt werden kann. In einem Vorwärmkondensator 19 wird durch Vermischung mit Wasserdampf die über die Leitung 20 zugeführte kalte Lösung vorgewärmt. Die vorgewärmte Lösung gelangt über die Zuführung 8 in den Kreislauf der Eindampfungsstufe, die einen Verdampfer 1 und einen Wärmeaustauscher 6 aufweist. Der im Verdampfer 1 entstehende Wasserdampf wird über die Dampfabzugsleitung 5 abgezogen und auf die Eingangsseite 13 eines Kompressors 12 gegeben, an dessen Ausgangsseite 11 der komprimierte Wasserdampf in die Heißdampfanschlußleitung 10 des Wärmeaustauschers 6 eintritt. Soweit erforderlich, kann über die Frischdampfleitung 21 Zusatzdampf in die Heißdampfanschlußleitung eingespeist werden. Die im Verdampfer 1 befindliche Lösung wird über die Abzugsleitung 3, in die die Zuführung 8 der vorgewärmten frischen Lösung einmündet, am Eingang 7 in den Wärmeaustauscher 6 eingespeist und am Ausgang 9 in erhitztem Zustand über die Zuführung 2 abgezogen und wieder dem Verdampfer 1 zugeführt. Damit die Verunreinigungskonzentration des Verdampfers 1 konstant bleibt, wird über die Abstoßleitung 4 ein kontinuierlicher Strom der heißen Lösung als Abstoß abgezogen.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Abstoßleitung 4 und die Kondensatausgangsleitung 14 des Wärmeaustauschers 6 zusammengeführt, so daß die Mischung aus heißer Abstoßlösung und heißem Kondensat in den Vakuumverdampfer 15 eintreten kann. Das Produkt, wie in diesem Beispiel der Salzbrei, wird über Leitung 28 aus dem Verdampfer 1 abgeführt. Dieser Vakuumverdampfer 15 ist dreistufig ausgeführt und weist eine Leitung 22 zur Abführung des bei der Verdampfung abgekühlten Abstoßes und Kondensates auf. Der in den einzelnen Stufen des Vakuumverdampfers 15 entstehende Wasserdampf kann über die Dampfausgänge 16, 17 bzw. 18 abgezogen werden und zur Vorwärmung in den Vorwärmkondensator 19 gegeben werden. Die Einleitung des Wasserdampfes in den Vorwärmkondensator 19 erfolgt quasi im Gegenstrom in der Weise, daß der Wasserdampf vom Dampfausgang 18, der die niedrigste Temperatur aufweist, zuerst in den Vorwärmkondensator 19 gegeben wird, also mit der noch nicht vorgewärmten Lösung kondensiert wird. In die mittlere Zone des Vorwärmkondensators 19 wird der Wasserdampf mit mittlerer Temperatur vom Dampfausgang 17 eingespeist. Erst am Ende des Vorwärmkondensators 19 wird der Wasserdampf mit der höchsten Temperaturstufe vom Dampfausgang 16 zugegeben und mit dem kurz vor dem Austreten aus dem Vorwärmkondensator 19 stehenden, bereits weitgehend vorgewärmten Lösungsstrom kondensiert.

Bei diesem Vorwärmverfahren wird die Lösung zwar durch den kondensierten Wasserdampf verdünnt, aber diese Verdünnung spielt in wirtschaftlicher Hinsicht wegen des hohen Wirkungsgrades einer Thermokompressionsanlage nur eine untergeordnete Rolle.

Eine Abwandlung des Anlagenschemas von Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Eindampfungsstufe mit Verdampfer 1, Wärmeaustauscher 6 und Kompressor 12 stimmt mit der Anlage in Fig. 1 vollständig überein. Es findet hierbei jedoch keine Vermischung zwischen der Abstoßlösung und dem Kondensat aus dem Wärmeaustauscher 6 statt. Das Kondensat wird über die Leitung 14 in einen in diesem Fall zweistufig ausgeführten Vakuumverdampfer 24 gegeben.

Der entstehende Wasserdampf wird über die Dampfausgänge 25 und 26 abgezogen und in entsprechender Weise wie in Fig. 1 in den Vorwärmkondensator 19 eingespeist und mit der frischen Lösung vermischt, so daß er kondensiert und mit der Lösung mitgeführt wird. Das in dem Vakuumverdampfer 24 nicht verdampfende Kondensat wird über die Kondensatabführung 29 kontinuierlich entfernt. Die Abstoßlösung wird über die Abstoßleitung 4 in einen separaten Vakuumverdampfer 23 eingespeist. Der dort entstehende Wasserdampf wird am Dampfausgang 27 abgezogen und ebenfalls im Vorwärmkondensator 19 der frischen Lösung zugemischt.

Eine nach diesem Schema ausgeführte Anlage bietet den Vorteil, daß das Kondensat nicht mit dem Abstoß vermischt wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Verdampfer 23, 24 in bezug auf den Vorwärmkondensator 19 anstatt hintereinander auch parallel geschaltet sein können.

Das Anlagenschema in Fig. 3 unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dadurch, daß der Vorwärmkondensator 19 entsprechend dem Vakuumverdampfer 24 lediglich zweistufig ausgeführt ist und die Abstoßlösung nicht zur Vorwärmung der frischen Lösung benutzt wird. Die Abstoßleitung 4 ist daher nicht in vorgelagerte Anlagenteile zurückgeführt. Dies ist sinnvoll, wenn aus Gründen der unmittelbaren Weiterverarbeitung des Konzentrates das erreichte Temperaturniveau des Konzentrates erhalten werden soll. Auch bei hohen Eindampfungsraten, d. h. wenn die Kondensatmenge die Menge des erzeugten Konzentrates (Abstoßlösung) um ein Vielfaches übersteigt, ist es meist wirtschaftlicher, nur den Wärmeinhalt des Kondensates zur Vorwärmung zu nutzen.

Das Anlagenschema in Fig. 4 zeigt schließlich eine weitere Variante. Hierbei wird die Abstoßlösung über die Abstoßleitung 4 in einen einstufig ausgeführten Vakuumverdampfer 23 gegeben, dessen Dampfausgang 27 mit einem ebenfalls einstufig ausgeführten Vorwärmkondensator 19 verbunden ist. Als Besonderheit wird in diesem Fall die kalte Lösung über die Leitung 20 a zunächst in einen Oberflächenwärmeaustauscher 31 gegeben, durch den im Gegenstrom das heiße Kondensat aus dem Wärmeaustauscher 6 geführt wird und über die Kondensatabführung 29 a abgeleitet wird. Dieser Wärmeaustauscher 31 ist so ausgelegt bzw. wird so betrieben, daß die Erwärmung des Lösungsstromes lediglich auf eine solche Temperatur erfolgt, bei der eine Verkrustung der Wärmeaustauscheroberflächen mit Sicherheit nicht eintritt. Die in dieser Weise dosiert angewärmte Lösung gelangt dann über die Leitung 20 b in den Vorwärmkondensator 19. Ein derartiges Anlagenschema bietet sich immer dann an, wenn Lösungen behandelt werden sollen, die aufgrund ihrer Gehalte an Krustenbildnern eine indirekte Aufheizung bis zu einem bestimmten Temperaturniveau gefahrlos zulassen.

Erst bei einer weiteren Aufheizung würden diese Krustenbildner ausfallen und entsprechende Verkrustungen verursachen.

Den in den Fig. 1-4 dargestellten Anlagenschemata liegt erfindungsgemäß das Prinzip zugrunde, die Vorwärmung der zu behandelnden Lösung auf eine Temperatur, bei der der Krustenbildner zu Verkrustungen führen würde, nicht mittels Oberflächenwärmeaustauschern vorzunehmen, sondern ohne Wärmeaustauschflächen durch einfache Vermischung der kalten Lösung mit Wasserdampf durchzuführen, der durch Vakuumverdampfung von heißer Abstoßlösung und/oder heißem Kondensat aus der Eindampfungsstufe entsteht.

Das Grundprinzip dieses Verfahrens ist unabhängig davon, ob Verdampfer und Kondensator ein-, zwei- oder dreistufig oder mit weiteren Stufen ausgeführt sind. Die Zweckmäßigkeit der Stufenanzahl richtet sich lediglich nach der erforderlichen Produktvorwärmung. Wenn in Sonderfällen Lösungen behandelt werden, die eine Konzentration an Krustenbildnern aufweisen, bei der noch eine beschränkte Erwärmung mittels Oberflächenwärmeaustauschern ohne Verkrustungsgefahr durchführbar ist, können für die erste Vorwärmstufe solche Oberflächenwärmeaustauscher eingesetzt werden. In jedem Fall entfällt nach der Erfindung der nach dem Stand der Technik jeweils notwendige Aufwand zur Reinigung von Wärmeaustauscheroberflächen.

Claims (15)

1. Verfahren zur Vorwärmung eines kontinuierlichen Stromes einer Lösung, die mit einem Krustenbildner gesättigt oder nahezu gesättigt ist und die in einer Thermokompressionsanlage einer Eindampfung unterzogen wird, bei der sie unmittelbar vor dem Eintreten in den Verdampfer in einem Wärmeaustauscher indirekt aufgeheizt wird mittels Wasserdampf, der aus einer Mischung aus Frischdampf und aus Dampf besteht, der aus dem Verdampfer abgezogen und in einem Kompressor komprimiert wurde, und wobei die Vorwärmung mit Hilfe der aus der Eindampfung mit dem heißen Kondensat aus dem Wärmeaustauscher und/oder der heißen Abstoßlösung aus dem Verdampfer abgeführten Wärme vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Kondensat und/oder die heiße Abstoßlösung einer Vakuumteilverdampfung unterzogen wird und der dabei entstehende Wasserdampf in einem Vorwärmkondensator in dem vorzuwärmenden Lösungsstrom kondensiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumteilverdampfung in mehreren Stufen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf in dem Vorwärmkondensator in mehreren Stufen quasi im Gegenstrom in der Weise kondensiert wird, daß der gerade in den Vorwärmkondensator eingetretene Lösungsstrom mit dem Wasserdampf der niedrigsten und der kurz vor dem Austritt aus dem Vorwärmkondensator stehende Lösungsstrom mit dem Wasserdampf der höchsten Temperaturstufe beaufschlagt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Kondensat und die heiße Abstoßlösung vermischt werden, bevor sie der Vakuumteilverdampfung unterzogen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Kondensat und die heiße Abstoßlösung getrennt der Vakuumteilverdampfung unterzogen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmung nur mit dem aus dem heißen Kondensat erzeugten Wasserdampf durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß nur die heiße Abstoßlösung der Vakuumteilverdampfung unterzogen wird und der noch nicht vorgewärmte Lösungsstrom in einer vorgeschalteten Wärmeaustauscherstufe indirekt durch das heiße Kondensat erwärmt wird, bevor er in den Vorwärmkondensator eintritt, wobei die Zufuhr des heißen Kondensates in die Wärmeaustauscherstufe so bemessen wird, daß die indirekte Erwärmung unterhalb einer Temperatur bleibt, bei der die Lösung Verkrustungen bildet.

8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Verdampfer, der eine Zuführung für erhitzte Lösung, eine Abzugsleitung für zu erhitzende Lösung, eine Abzugsleitung für auszukoppelndes Konzentrat der Lösung (Abstoßleitung) und eine Dampfabzugsleitung aufweist, und mit einem Wärmeaustauscher, dessen Eingang mit der Abzugsleitung für die zu erhitzende Lösung und mit einer Zuführung für frische Lösung verbunden ist, dessen Ausgang an die Zuführung für erhitzte Lösung angeschlossen ist, dessen Heißdampfanschluß mit der Ausgangsseite eines Kompressors, zu dessen Eingangsseite die Dampfabzugsleitung und eine Frischdampfleitung führt, verbunden ist und dessen Kondensatausgangsleitung an eine Einrichtung zur kontinuierlichen Vorwärmung der dem Wärmeaustauscher über eine Leitung zuführbaren frischen Lösung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatausgangsleitung (14) des Wärmeaustauschers (6) und/oder die Abstoßleitung (4) in einen Vakuumverdampfer (15, 23, 24) führen, dessen Dampfausgang bzw. -ausgänge (16, 17, 18 bzw. 25, 26, 27) mit einem Vorwärmkondensator (19) zur Kondensation des aus dem oder den Vakuumverdampfer(n) (15, 23, 24) stammenden Dampfes in der über eine Leitung (20, 20 b) zuführbaren frischen Lösung verbunden ist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumverdampfer (15) mehrstufig ausgebildet ist.

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfausgänge (16, 17, 18) nacheinander in der Weise mit dem Vorwärmkondensator (19) verbunden sind, daß - in Förderrichtung der Lösung gesehen - zuerst die Dampfleitung des Dampfausgangs (18) aus der letzten Stufe des Vakuumverdampfers (15) und zuletzt die Dampfleitung des Dampfausgangs (16) aus der ersten Stufe des Vakuumverdampfers (15) angeschlossen ist.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatausgangsleitung (14) und die Abstoßleitung (4) vor oder in dem Vakuumverdampfer (15) zusammengeführt sind.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatausgangsleitung (14) und die Abstoßleitung (4) mit getrennten Vakuumverdampfern (23, 24) verbunden sind.

13. Anlage nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Kondensatausgangsleitung (14) mit einem Vakuumverdampfer (24) verbunden ist und die Abstoßleitung (4) nicht in vorgelagerte Anlagenstufen zurückgeführt ist.

14. Anlage nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Abstoßleitung (4) mit einem Vakuumverdampfer (23) verbunden ist.

15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatausgangsleitung (14) in einen Wärmeaustauscher (31) führt, der dem Vorwärmkondensator (19) vorgeschaltet ist und der eine Leitung (20 a) für die Zufuhr frischer Lösung aufweist.