DE4128594C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von ultrareinem Wasser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von ultrareinem Wasser, das beispielsweise zur Verwendung in der Elektro­ nikindustrie, wie etwa der Halbleiterindustrie bestimmt ist.

Die Elektronikindustrie, wie die Halbleiterindustrie, be­ nötigt in jüngster Zeit Wasser extrem hoher Reinheit. Während Industrie­ wasser, Stadtwasser, Quellwasser oder dergleichen als Rohwasser für ge­ reinigtes Wasser verwendet wird, sind in dem Rohwasser suspendierte Ma­ terialien, Elektrolyte, feine Teilchen, Mikroorganismen, organische Sub­ stanzen und gelöste Gase in großer Menge enthalten, und zwar im Über­ schuß zu dem im Wasserqualitätsstandard vorgeschriebenen Wert. Diese Verunreinigungen müssen daher entfernt werden.

Die in Fig. 2 und Fig. 3 veranschaulichten Verfahren wurden gemäß dem Stand der Technik verwendet, um durch Entfernung der obengenann­ ten Verunreinigungen ultrareines Wasser herzustellen.

Wie in Fig. 2 gezeigt, strömt Rohwasser durch eine Wärmeaustauscher­ röhre in einem innerhalb eines Verdampfers I angeordneten Kondensator 51, wobei das Wasser erhitzt wird und durch Aufnahme einer latenten Kondensationswärme von Wasserdampf, der in einer Verdampferröhre 56 beim letzten n-ten Körper erzeugt wird. Ein Teil des erhitzten Rohwassers wird einem Decarbonator/Entgaser 52 als Zuführwasser zugeführt, wobei dessen pH-Wert durch Zugabe einer Säure auf vier oder weniger verringert wird. Folglich werden in dem Zuführwasser gelöste Ionen (HCO₃⁻, CO₃⁻⁻) in (H₂O + CO₂) überführt und Kohlendioxidgas wird vom Rohwasser zu­ sammen mit im Zuführwasser gelösten, flüchtigen Gasen, wie Sauerstoff, entgast, wenn das Zuführwasser in den Decarbonator/Entgaser 52 einge­ führt wird. Das entgaste Zuführwasser wird unter Verwendung einer Pum­ pe 53 in eine Vorerhitzungsröhre 54 in den Verdampfer I geleitet, strömt durch die Röhre und wird schließlich auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt. Das vorerhitzte Zuführwasser wird mit dem Kondensat aus dem er­ sten Körper vermischt und die Mischung durch eine Zirkulationspumpe 55 über eine Zirkulationsröhre 57 in eine Verdampferröhre 56 im ersten Körper nach unten geführt. Das Wasser verdampft durch Aufnahme einer latenten Kondensationswärme des erhitzten Dampfes, der der äußeren Fläche der Röhre zugeführt wird, wodurch Wasserdampf erzeugt wird. Der erzeugte Wasserdampf strömt durch einen Dunstabscheider 58, um an dieser Stelle begleitenden Dunst zu entfernen, strömt in den äußeren Teil einer Verdampferröhre 56 beim zweiten Körper und kondensiert auf der Außenfläche der Röhre. Nach der Wiederholung dieser Vorgänge aus Ver­ dampfung und Kondensation wird schließlich reines Wasser dem Ver­ dampfer I durch eine Pumpe 59 für reines Wasser aus einem Reservoir 60 an der Stelle der niedrigsten Temperatur des Verdampfers I entnommen.

Bei diesem Verfahren konnte das Auftreten der Abscheidung von CaCO₃ und Mg(OH)₂ umfassenden Ablagerungen beziehungsweise Kesselsteinen auf der Vorerhitzungsröhre 54 und der Verdampferröhre 56 durch Erhit­ zen des Zuführwassers im Verdampfer I verhindert werden, da das Wasser vor dem Eintritt in den Verdampfer I einem Decarbonierungs-/Entga­ sungsverfahren unterzogen wurde. Das Auftreten von Ablagerungen aus CaSO₄ konnte jedoch durch die Decarbonierungsbehandlung alleine nicht verhindert werden, und daher wurde die maximale Erhitzungstem­ peratur des Zuführwassers zum ersten Körper bei 125°C oder weniger ge­ halten, wodurch die Wärmeausnutzung beim Verdampfer herabgesetzt wurde. Wenn das Zuführwasser auf eine Temperatur von mehr als 125°C erhitzt wurde, schlugen sich CaSO₄ umfassende Ablagerungen auf den Wärmeaustauscherröhren, wie oben beschrieben, nieder. Der Betrieb der Vorrichtung mußte vorübergehend unterbrochen werden, um diese durch Abbeizung oder mechanische Säuberung der Wärmeaustauscherröhren zu entfernen, wodurch hohe Wartungskosten verursacht wurden.

Es wurde ein in Fig. 3 veranschaulichter Verdampfer vorgeschlagen, um die Probleme in dem in Fig. 2 gezeigten Verdampfer zu lösen. Bei dieser Vorrichtung wurde das Zuführwasser durch Verwendung einer Pumpe 62 in eine Umkehrosmoseausrüstung 63 eingeführt, um die meisten ioni­ schen Substanzen, wie etwa HCO₃⁻, CO₃⁻⁻, Ca⁺⁺ und SO₄⁻⁻, die Bestand­ teile von Ablagerungen sein würden, zu entfernen, bevor das behandelte Wasser dem Verdampfer zugeführt wurde. Somit wurde die Vorrichtung dahingehend verbessert, daß es möglich war, das Zuführwasser auf über 125°C zu erhitzen, ohne das Auftreten von Ablagerungen, wie etwa CaCO₃, Mg(OH)₂ und CaSO₄, auf einer Vorerhitzungsröhre 64 und einer Verdamp­ ferröhre 65 zu bewirken, wobei die Wärmeaustauscherflächen des Ver­ dampfers I klein gestaltet werden konnten, wodurch der Verdampfer I selbst kompakt gemacht wurde. Da jedoch eine sehr geringe Menge an HCO₃⁻ und CO₃⁻⁻ mittels der Umkehrosmoseausrüstung 63 nicht entfernt werden konnte, wurden diese verbleibenden Komponenten aus HCO₃⁻ und CO₃⁻⁻ im Verdampfer I infolge Wärmezersetzung zu Kohlendioxidgas um­ gewandelt. Die oben beschriebenen, verbleibenden Ionen lösen sich er­ neut in der kondensierten Flüssigkeit während dem Vorgang der Konden­ sation des im Verdampfer I erzeugten Wasserdampfes auf den Außenflä­ chen der Verdampferröhre 65 und Vorerhitzungsröhre 64, wodurch der spezifische Widerstand der kondensierten Flüssigkeit herabgesetzt wird und es unmöglich wird, ultrareines Wasser mit einem spezifisch elektrischen Widerstand von beispielsweise 17 MΩ·cm oder mehr am Auslaß des Verdampfers zu erhalten. Die Sedimentation von Verunreinigungen auf der Oberfläche der Umkehrosmose-Membran oder zeitabhängige Zerstörungen der Mem­ bran machten es manchmal unmöglich, HCO₃⁻ und CO₃⁻⁻ unterhalb eines erwarteten Wertes zu eliminieren, wodurch ein weiteres Problem bezüglich der Herabsetzung des spezifischen elektrischen Widerstandes auftrat.

Aus der FR-A-2 155 985 ist ein Mehrkörperverdampfer für die Entsalzung von Meerwasser bekannt.

Die US-A-4,795,532 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von destilliertem Wasser, das aus Meerwasser-Entsalzungs­ anlagen stammt, um darin Kohlendioxid zusammen mit Calcium aufzulö­ sen, so daß Trinkwasser erzielt wird.

Die US-A-4,344,826 beschreibt ein Wasser-Destillationssystem mit einer Umkehrosmoseeinheit, bei dem das Abwasser aus der Umkehrosmoseein­ heit zu Kühlzwecken einer Kondensatorvorrichtung zugeführt wird.

Die JP-A-2-635 92 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von destil­ liertem Wasser, die eine hydrophobe poröse Membran umfaßt, durch wel­ che Wasserdampf zum Zwecke der Reinigung geführt wird.

Die JP-A-61-938 97 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von ul­ trareinem Wasser mit einer Verdampfereinheit als primärem Wasserreini­ gungssystem und einer Umkehrosmoseeinheit als sekundärem Wasserrei­ nigungssystem.

Die JP-A-61-141 985 beschreibt ein System zur Herstellung von reinem Wasser aus Salzwasser, das einen Mehrstufen-Entspannungsverdampfer, eine Dampf-Verdichtungseinheit und eine Umkehrosmoseeinheit umfaßt.

Die EP-A-0 254519 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von hochrei­ nem Wasser, bei dem mehrere Reinigungsschritte benötigt werden. Das Wasser wird gegebenenfalls vorbehandelt und anschließend nach Erhit­ zung einer Umkehrosmose zugeführt. Nach der Umkehrosmose wird das Wasser einer Vakuumentgasung zugeführt. Auf die Vakuumentgasung folgt dann eine Ionenaustauschereinheit. Nach der Ionenaustauscherein­ heit wird das Wasser gefiltert, um dann der Verdampfung zugeführt zu werden. Es wird darauf hingewiesen, daß das Wasser kontinuierlich rück­ geführt werden muß, um eine Verminderung der Wasserqualität zu ver­ meiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Ver­ fahren zur Herstellung von ultrareinem Wasser zur Verfügung zu stellen, welche sämtliche Probleme des Standes der Technik lösen können.

Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung von ultrarei­ nem Wasser vorgesehen, umfassend einen Decarbonator/Entgaser zur Entfernung des größten Teils der im Zuführwasser gelösten Carbonat­ gruppen durch Strippen mit Wasserdampf; eine Umkehrosmoseausrü­ stung in Flüssigverbindung mit dem Decarbonator/Entgaser zur Entfer­ nung des größten Teils von Ablagerungskomponenten in dem Zuführwas­ ser, wobei der Decarbonator/Entgaser stromaufwärts der Umkehrosmo­ seausrüstung angeordnet ist; und einen Mehrkörperverdampfer, wobei der Decarbonator/Entgaser und die Umkehrosmoseausrüstung strom­ aufwärts des Mehrkörperverdampfers angeordnet sind.

Gemäß der Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Herstellung von ultra­ reinem Wasser durch Mehrkörperverdampfung vorgesehen, wobei das Wasser vor dessen Zuführung zu einem Mehrkörperverdampfer durch eine Decarbonierungs-/Entgasungsbehandlung durch Strippen mit Wasser­ dampf entgast und anschließend einer Umkehrosmosebehandlung unter­ zogen wird.

Beim vorliegenden Verfahren wird vorzugsweise vor der Decarbonie­ rungs-/Entgasungsbehandlung eine Säure dem Zuführwasser zugegeben, um den pH-Wert des Wassers bei 4 oder weniger zu halten.

Beim vorliegenden Verfahren wird ebenso ein Alkali zugegeben, vorzugs­ weise im Abwärtsstrom der Decarbonierungs-/Entgasungsbehandlung und stromaufwärts des Mehrkörperverdampfers, um den pH-Wert des Zu­ führwassers im Bereich von 7 bis 8 zu halten.

Die die oben beschriebenen Stufen umfassende Erfindung hat die nachfol­ genden Charakteristika oder Wirkungen.

Da ein Decarbonator/Entgaser zur Vorbehandlung des Zuführwassers und eine Umkehrosmoseausrüstung stromaufwärts des Mehrkörperver­ dampfers angeordnet sind, ist es möglich, die meisten der in dem Zuführ­ wasser gelösten Carbonatgruppen mittels des Decarbonators/Entgasers zu entgasen und den größten Teil an Ca⁺⁺, SO₄⁻⁻ und Mg⁺⁺, welche die Ab­ lagerungskomponenten in dem Zuführwasser sind, mittels der Umkehros­ moseausrüstung zu entfernen. Folglich kann eine erneute Auflösung von Kohlendioxidgas, das durch Wärmezersetzung der Carbonatgruppen im Verdampfer erzeugt wird, wirksam unterdrückt und ultrareines Wasser mit extrem hoher Reinheit gesammelt werden. Darüber hinaus kann das Zuführwasser auf eine Temperatur von mehr als 125°C erhitzt werden, oh­ ne eine Sedimentation von Ablagerungen, wie etwa CaSO₄ zu erleiden, wodurch der Verdampfer kompakt gemacht und die War­ tungskosten reduziert werden.

Da eine Verwendung von Ionenaustauscherharzen oder Demineralisato­ ren nicht erforderlich ist und nicht viele Verfahrensgeräte in der Vorrich­ tung kombiniert werden, ist der Aufbau der Vorrichtung einfach gemacht und daher die Überwachung des Betriebs oder die Wartung und Leitung des Systems einfach.

Fig. 1 ist ein Fließdiagramm, das ein erfindungs­ gemäßes Beispiel zeigt;

Fig. 2 und 3 sind Fließdiagramme, welche Beispiele des Standes der Technik zeigen.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Beispiele näher erläutert.

In Fig. 1 strömt Rohwasser, wie etwa Industriewasser oder Stadtwasser durch eine Wärmeaustauscherröhre 12 in einen im Verdamp­ fer I angeordneten Kondensator 1, wobei das Wasser auf eine vorbestimm­ te Temperatur erhitzt wird durch Aufnahme einer latenten Kondensa­ tionswärme, die in einer Verdampferröhre 7 beim n-ten Körper erzeugt wird. Ein Teil des erhitzten Rohwassers wird als Zuführwasser einem De­ carbonator/Entgaser 2 zugeleitet. Eine Mineralsäure, beispielsweise Schwefelsäure, wird dem Zuführwasser im Oberstrom beziehungsweise stromaufwärts des Decarbonators/Entgasers 2 zugegeben, um den pH-Wert des Zuführwassers bei 4 oder weniger zu halten. Wasserdampf zum Strippen wird in den Boden des Decarbonators/Entgasers eingeführt, wel­ cher nach oben strömt, indem er mit dem Zuführwasser in Berührung kommt, und am Kopf der Einrichtung ausströmt. In dem Zuführwasser ge­ löste Ionen, wie etwa HCO₃⁻ und CO₃⁻⁻, liegen in Form von (H₂O + CO₂) vor, da der pH-Wert des Wassers unterhalb 4 eingestellt ist, und Kohlen­ dioxid wird durch den Wasserdampf zusammen mit in dem Zuführwasser gelösten, flüchtigen Gasen vom Decarbonator/Entgaser 2 entgast, wo­ durch das Kohlendioxidgas im Zuführwasser am Auslaß des Decarbona­ tors/Entgasers 2 auf einen extrem niedrigen Wert eliminiert wird.

Das dem Decarbonator/Entgaser 2 durch eine Pumpe 3 entnommene Zu­ führwasser, das in der Lage ist, metallische Materialien, aus denen der Verdampfer aufgebaut ist, zu korrodieren, wenn das so belassene Wasser dem Verdampfer zugeführt wird, wird nach Zugabe eines Alkali, wie etwa Natriumhydroxid, um den pH-Wert des Wassers von 4 auf etwa 7 bis 8 zu erhöhen, einer Umkehrosmoseausrüstung 4 zugeleitet. Die meisten der Io­ nen, wie etwa Ca⁺⁺ und SO₄⁻⁻ die im Zuführwasser als Komponenten zur Bildung von Ablagerungen gelöst sind, werden durch die Umkehrosmose­ ausrüstung entfernt.

Das durchsetzte Wasser wird einer Vorerhitzungsröhre 5, die jeden Körper in dem Verdampfer I durchdringt, zugeführt, erhitzt durch Aufnahme ei­ nes Teils latenter Kondensationswärme aus dem Wasserdampf, der in ei­ ner Verdampferröhre 7 in jedem Körper erzeugt wird, und ebenso bei einer vorbestimmten Temperatur von mehr als 125°C erhitzt durch Aufnahme eines Teils der latenten Kondensationswärme des erhitzten Wasserdamp­ fes in der Vorerhitzungsröhre 5 des ersten Körpers. Schließlich wird das Wasser in eine Wasserfalle 13 am Boden des ersten Körpers eingeführt. Das Zuführwasser in der Wasserfalle 13 wird mit dem verbliebenen Kon­ densat nach Erzeugung von Wasserdampf in der Verdampferröhre 7 ver­ mischt und der größte Teil der gemischten Flüssigkeit wird über eine Zir­ kulationspumpe 6 einer oberen Wasserkammer 15, die am oberen Teil des ersten Körpers befestigt ist, zugeführt. Die verbleibende gemischte Flüs­ sigkeit wird durch einen Verbindungskanal 14 in eine Wasserfalle 13 am zweiten Körper eingeführt, wo die Flüssigkeit mit Kondensat, das von der Verdampferröhre 7 nach unten strömt, in gleicher Weise wie oben be­ schrieben, vermischt wird. Der größte Teil der obengenannten, gemisch­ ten Flüssigkeit wird in die obere Wasserkammer 15 am oberen Teil des zweiten Körpers geführt.

Der in der Verdampferröhre 7 beim ersten Körper erzeugte Wasserdampf wird in den äußeren Teil der Verdampferröhre 7 beim zweiten Körper über einen Dunstabscheider 16, in dem der größte Teil des Dunstes entfernt wird, eingeführt, so daß der den Dampf begleitende Dunst extrem niedrig gehalten wird. Der größte Teil des Wasserdampfes kondensiert auf der Außenfläche der Verdampferröhre 7, und das Kondensat wird in einen Kondensatsammler (in der Figur nicht gezeigt) des zweiten Körpers einge­ führt. Der verbleibende Wasserdampf kondensiert auf der Außenfläche der Vorerhitzungsröhre 5 des zweiten Körpers und das Kondensat wird mit dem Kondensat aus der Verdampferröhre 7 in dem Kondensatsammler ver­ mischt, wo das gesamte vereinigte Kondensat in einen Kondensatsammler des dritten Körpers eingeführt wird.

Wie oben beschrieben, ist die Menge des in der Verdampferröhre 7 und der Vorerhitzungsröhre 5 erzeugten Kohlendioxidgases sehr gering, wird die erneute Auflösung des Kohlendioxidgases auf der Außenfläche der Ver­ dampferröhre 7 und der Vorerhitzungsröhre 5 wirksam unterdrückt, so daß daher das Kondensat in dem Kondensatsammler ultrareines Wasser mit extrem hoher Reinheit ist, da der größte Teil der Ionen in dem Zuführ­ wasser durch die Umkehrosmosevorrichtung 4 entfernt werden, der größ­ te Teil des Dunstes, der Verunreinigungen enthält und als Begleiter von er­ zeugtem Dampf vorkommt, durch den Dunstabscheider 16 entfernt wird und somit der erzeugte Dampf aus nahezu reinem Wasserdampf besteht und da das Zuführwasser mittels dem Decarbonator/Entgaser 2 behan­ delt wird, um den Gehalt an Carbonsäuregruppen in dem Zuführwasser extrem niedrig zu halten.

Die oben beschriebenen Verfahren werden bei jedem Körper wiederholt, wobei schließlich das Kondensat als ultrareines Wasser unter Verwen­ dung einer Pumpe für ultrareines Wasser vom Wassersammler 11 am un­ teren Teil des Kondensators 1, der sehr nahe dem n-ten Körper des Ver­ dampfers angeordnet ist, gesammelt wird.

Das Zuführwasser wird gemäß dem Beispiel durch die Umkehrosmosevor­ richtung 4 behandelt, nachdem es einer Behandlung durch den Decarbo­ nator/Entgaser 2 unterzogen wurde.

Die Einführung eines Alkali, wie etwa Natriumhydroxid, erfolgt zum Zu­ führwasser vor Einführen des Zuführwassers in die Umkehrosmosevor­ richtung, es kann jedoch ebenfalls dem permeatierten Wasser zugeführt werden.

Die Zirkulationsflüssigkeit wird verdampft, indem man sie in Form eines Flüssigkeitsfilmes auf den Innenflächen der Verdampferröhre 7 in dem Mehrkörperverdampfer nach unten strömen läßt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Methode beschränkt, sondern die Flüssigkeit kann auch nach oben strömen und innerhalb der Verdampferröhre 7 verdampft wer­ den. Ein weiterer Verdampfer kann ein solcher sein, bei dem das behandel­ te Zuführwasser dadurch verdampft wird, daß man es auf der Außenfläche einer horizontalen Wärmeaustauscherröhre strömen läßt. Ebenso kann bei den Mehrkörperverdampfern ein Thermokompressionsverfahren ange­ wandt werden.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Herstellung von ultrareinem Wasser, umfassend ei­ nen Decarbonator/Entgaser (2) zur Entfernung des größten Teils der im Zuführwasser gelösten Carbonatgruppen durch Strippen mit Wasser­ dampf;
eine Umkehrosmoseausrüstung (4) in Flüssigverbindung mit dem Decar­ bonator/Entgaser zur Entfernung des größten Teils von Ablagerungskom­ ponenten in dem Zuführwasser, wobei der Decarbonator/Entgaser strom­ aufwärts der Umkehrosmoseausrüstung angeordnet ist; und
einen Mehrkörperverdampfer (I), wobei der Decarbonator/Entgaser und die Umkehrosmoseausrüstung stromaufwärts des Mehrkörperverdamp­ fers angeordnet sind.

2. Verfahren zur Herstellung von ultrareinem Wasser durch Mehrkör­ perverdampfung, wobei das Wasser vor dessen Zuführung zu einem Mehr­ körperverdampfer durch eine Decarbonierungs-/Entgasungsbehandlung durch Strippen mit Wasserdampf entgast und anschließend einer Umkeh­ rosmosebehandlung unterzogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Was­ ser vor der Decarbonisierungs-/Entgasungsbehandlung durch Säurezu­ gabe auf einen pH-Wert 4 eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser stromabwärts der Decarbonisierungs-/Entgasungsbehandlung und stromaufwärts des Mehrkörperverdampfers durch Alkalizugabe auf einen pH-Wert von 7 bis 8 eingestellt wird.