DE4208182A1 - Verfahren zur auftrennung eines gemisches aus wasser, feststoffen oder schlaemmen, schwerfluechtigen kohlenwasserstoffen und anderen begleitstoffen - Google Patents
Verfahren zur auftrennung eines gemisches aus wasser, feststoffen oder schlaemmen, schwerfluechtigen kohlenwasserstoffen und anderen begleitstoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auftrennung
eines Gemisches aus Wasser, Feststoffen oder Schlämmen,
schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffen und anderen
Begleitstoffen mittels Lösungsmittelextraktion.
Gemische, die hauptsächlich aus Feststoffen oder
Schlämmen mit schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffen
bestehen, sind für die Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens insbesondere dann geeignet, wenn sie als
eingedickter Schlamm aus den Absetzteichen der
Bitumenproduktion aus Teersand auftreten. Es ist aber
auch möglich, das Verfahren zur Reinigung verunreinigter
Böden nach Auslaufen von Rohöl anzuwenden.
Nach der DE-OS 29 21 654 wird ein Kontaktierungsverfahren
zum Behandeln vermischter Abfallmaterialien, die Öl
und/oder Ölableitprodukte, verschmutztes Wasser und
Feststoffschlamm enthalten, beschrieben. Dabei werden die
Ölbestandteile durch Lösungsmittel aus dem Abfallmaterial
in einer kontinuierlichen Mehrkammerkontaktiervorrichtung
extrahiert, in der das Abfallmaterial und ein
Lösungsmittel sich in getrennten Phasen bewegen und
mittels sich in der Kontaktiervorrichtung drehenden
Behältern miteinander in Kontakt gebracht werden.
Die Feststoffabtrennung erfolgt ausschließlich auf der
Basis der Wirkung der Gravitationskräfte, wodurch eine
ausreichende Abtrennung der schwerflüchtigen
Kohlenwasserstoffe sowie der Feststoffteilchen nicht
erreicht werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu
entwickeln, wonach Gemische aus Wasser, Feststoffen oder
Schlämmen, schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffen und
anderen Begleitstoffen, mittels Lösungsmittelextraktion
in ihre Hauptbestandteile aufgetrennt werden können und
wobei die Nachteile des oben genannten Verfahrens
vermieden werden. Das Verfahren soll aber auch für die
Reinigung verunreinigter Böden nach dem Auslaufen von
Rohöl angewendet werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das
vorbehandelte Gemisch, welches mit Wasser verdünnt wurde,
in einem Extraktionsreaktor mit Lösungsmitteln vermischt
wird und anschließend einer mechanischen Trenn- und
Entwässerungsstufe zugeführt wird, innerhalb derer das
Gemisch in eine wasser-lösungmittelreiche Phase, in der
die schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffe gelöst sind und
in eine feststoffreiche Phase, in der noch Lösungsmittel
enthalten ist, gespalten wird. Die wasser-
lösungsmittelreiche Phase wird dann einer mehrstufigen
Lösungsmittelrückgewinnungsstufe zugeführt, wobei das
Lösungsmittel ausgedampft wird und dann dem
Extraktionsreaktor wieder zugeführt wird. Die an der
Flüssigkeitsoberfläche angereicherten schwerflüchtigen
Kohlenwasserstoffe werden durch Skimmeinrichtungen
abgezogen. Das geskimmte Wasser kann der
Wasserentnahmestelle und/oder der Aufheizstation
zugeleitet werden.
Die feststoffreiche Phase wird durch
Lösungsmittelstrippung vom Lösungsmittel getrennt,
welches der mehrstufigen Lösungsmittelverdampfungsanlage
zugeführt wird. Der zurückbleibende Feststoff kann z. B.
als Füllmaterial von Abbaugruben oder als gereinigter
Boden einer weiteren Verwertung zugeführt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, die
bei der Bitumenproduktion aus Teersand nach dem
Heißwasser-Prozeß anfallenden ölhaltigen Schlämme, welche
in Absetzteichen abgelagert werden und eine permanente
Umweltgefährdung darstellen, aufzuarbeiten und in ihre
Hauptbestandteile zu zerlegen. Das recycelte Wasser ist
dabei kohlenwasserstofffrei. Das umweltverträgliche
Verfahren ist bei niedrigen Energie- und Betriebskosten
durchführbar.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird als
Lösungsmittel ein organisches FCKW-freies Lösungsmittel
verwendet. Hierbei handelt es sich beispielsweise um
Petrolbenzin. Viele andere kohlenwasserstoffhaltige
Lösungsmittel sind für Extraktion ebenso geeignet. Die
Verwendung richtet sich unter anderem nach der Art der zu
lösenden Kohlenwasserstoffe. Sind viele benzolringhaltige
oder polare Verbindungen im Bitumen oder anderen schwer
siedenden Kohlenwasserstoffen enthalten, empfehlen sich
ähnliche Lösungsmittel, wie Toluol oder Benzol. Die
Grenzen der Eignung des Lösungsmittels liegen in der
Lösungsmittelrückgewinnung durch genügend große
Siedepunktabstände zwischen Lösungsmittel und Gelöstem,
der Verfügbarkeit vor Ort, dem Herstellungspreis, der
Umweltverträglichkeit und der Verträglichkeit mit den
nachfolgenden Produktionsschritten. FCKW-haltige
Lösungsmittel scheiden neben Umweltschutzgründen auch
aufgrund katalysatorschädigender Halogenspuren in der
Bitumenaufarbeitung aus.
Nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung wird
innerhalb der mechanischen Trennstufe, der das
Extraktionsgemisch zugeführt wird und welche aus einer
ein- oder mehrstufigen Hydrozyklonkaskade und/oder einer
ein- oder mehrstufigen Schneckenzentrifugenanlage
besteht, der Überlauf der Hydrozyklone zu einer
Sedimentationsanlage geleitet und der Unterlauf der
ersten Hydrozyklonstufe als Zulauf zur folgenden
Hydrozyklonstufe geführt. Der Unterlauf der letzten
Hydrozyklonstufe ist der Zulauf der ersten
Schneckenzentrifugenstufe und das Sediment der ersten
Zentrifuge wird als Zulauf in die nachfolgende
Zentrifugenstufe geführt, während das Sediment der
letzten Zentrifugenstufe zur Lösungsmittelstrippung
geleitet wird. Das Sediment der Sedimentationsanlage
gelangt nach der mechanischen Abtrennung des
Lösungsmittels zur Lösungsmittelstrippung. Der Überlauf
der ersten Station der Sedimentationsanlage wird zusammen
mit dem Zentrifugat der Schneckenzentrifugenanlage zu
einer weiteren Station der Sedimentationsanlage geleitet.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung innerhalb
der mechanischen Trennstufe wird die Spaltung des
Gemisches in vorteilhafter Weise gewährleistet. Das
recycelte Wasser ist kohlenwasserstofffrei und es werden
hohe Ausbeuten an schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffen
erreicht. Der zurückbleibende Feststoff ist ökologisch
unbedenklich und das verwendete Lösungsmittel kann
ständig in den Kreisprozeß zurückgeführt werden. Die
Verfahrensführung bedingt weiterhin geringe Energie- und
Betriebskosten.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden dem
Gemisch vor oder hinter der ersten Hydrozyklonstufe
und/oder vor oder hinter der ersten
Schneckenzentrifugenstufe 1-30 mg/l ionische Polymere
zugegeben. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die
Absetzgeschwindigkeit gesteigert werden, bis sich der
isoelektrische Punkt der Lösung eingestellt hat. Die
richtige Dosierstelle richtet sich dabei nach dem
Feststoffgehalt des Gemisches und den in den
Hydrozyklonen eingestellten Druckverlusten.
Ein besonders bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht
darin, daß das Verfahren bei leicht extrahierbarem
Kohlenwasserstoff ohne Erwärmung des Gemisches als
Kaltprozeß durchgeführt werden kann. Dadurch können die
für die Erwärmung des Gemisches erforderlichen
Wärmetauscher eingespart werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der
Zeichnung ist in Fig. 1 schematisch ein
Verfahrensfließbild zur Ölschlammbehandlung mittels
Lösungsmittelextraktion dargestellt.
Gemäß Fig. 1 wird der Schlamm G nach dem Aufwärmen in der
Aufheizstation 1 in den als Rührkessel ausgeführten
Extraktionsreaktor 2 geführt. Zum Betreiben des
Wärmetauschers 1 dient Prozeßdampf D und/oder warme
Abwasserströme W beispielsweise aus der
Bitumenveredelung. Die Art des Extraktionsreaktors
richtet sich nach den Eigenschaften der Schlämme. Eine
Variante ist ein Reaktor mit Anströmboden, durch den das
regenerierte Lösungsmittel Lm einströmt. Der Schlamm wird
ebenfalls im unteren Teil des Extraktionsreaktors
zugeführt und intensiv mit dem Lösungsmittel vermischt.
Das zwischen den Feststoffpartikeln haftende und das den
Feststoffpartikeln umschließende Öl wird bei der
Extraktion durch Dichteunterschiede und freiwerdende Gase
flotiert und/oder im Lösungsmittel gelöst. Die Mischung
aus Lösungsmittel und Schlamm enthält emulgierte und
suspendierte Teilchen, die aufgrund oberflächenaktiver
Substanzen nicht durch Gravitationskräfte in einem
Absetzer abzutrennen sind, da relativ stabile Emulsionen
und Suspensionen bei der Extraktion entstehen. Die
Spaltung dieses Gemisches wird von der anschließend
durchlaufenen mechanischen Trennstufe 5 gewährleistet.
Sie besteht aus einer ein- oder mehrstufigen
Hydrozyklonkaskade 5H1-n und/oder aus einer ein- oder
mehrstufigen Schneckenzentrifugenanlage 5S1-n. Zwischen
den Hydrozyklonstufen 5H1-n und den Zentrifugenstufen
5S1-n kann Polyelektrolyt 3 zur besseren Feststofffällung
zudosiert werden. In der mechanischen Trennstufe 5 wird
das Extraktionsgemisch, bestehend aus Lösungsmitteln Lm
mit gelöstem schwerflüchtigen Kohlenwasserstoff, Wasser
und Sand in den Hydrozyklonen 5H1-n in zwei Phasen
aufgetrennt. Der Überlauf Ü der Hydrozyklone enthält in
der Hauptsache Lösungsmittel, Sandreste und Wasser, wobei
der Sand zu großen Teilen aus Feinkorn besteht. Aufgrund
des hohen Lösungsmittelanteiles sedimentiert der Sand aus
dem Zyklonüberlauf so gut, daß er in einem einfachen
Absetzer 5A1 abgetrennt werden kann. Das Sediment S des
Absetzers 5A1 gelangt (nach einer mechanischen Abtrennung
des Lösungsmittels) in die Restlösungsmittelstrippung 6.
Der Überlauf dieses Absetzers 5A1 ist von
Feststoffpartikeln ungetrübt und fließt zusammen mit dem
Zentrifugat Z der Schneckenzentrifuge 5S1 in einen
weiteren Absetzer 5A2, dem eine Polymerdosierung 3
vorgeschaltet sein kann. Das Zentrifugat der Zentrifugen
5S1-n enthält weitgehend Wasser und nur noch geringe
Mengen an Lösungsmittel und feinem Sand. Der Sand
sedimentiert unter dem Einfluß des Lösungsmittels aus dem
ersten Absetzer 5A1, so daß in seinem Überlauf zum
zweiten Absetzer 5A2 Lösungsmittel, gelöstes und
auf schwimmendes Bitumen und Wasser enthalten ist. Der
Unterlauf U der ersten Hydrozyklonstufe 5H1 ist der
Zulauf der folgenden Zyklonstufe. Der Unterlauf der
letzten Zyklonstufe 5Hn führt in die erste Stufe der
Schneckenzentrifugen 5S1 und enthält vor allem Wasser und
Sand. Das Sediment S der ersten Zentrifuge 5S1 wird in
die folgende Zentrifugenstufe als Zulauf geführt.
Zwischen und/oder in einzelnen Zentrifugen können
Fällungsmitteldosiereinrichtungen eingebaut werden. Das
Sediment S der letzten Zentrifuge 5Sn wird in die
Restlösemittelstrippung 6 geleitet. Hier wird in einem
geeigneten Trockner das am Feststoff adsorbierte
Lösungsmittel mit Dampf D gestrippt. Die Bemessung der
Strippdampfmenge muß einerseits eine hohe
Lösungsmittelrückgewinnung ermöglichen und andererseits
nach der Strippung noch genügend Energie zum Betrieb der
ersten Lösemitteleindampfstufe zur Verfügung stellen. Da
die verwendeten kohlenwasserstoffhaltigen Lösungsmittel
sehr hohe Dampf drücke haben und rückstandsfrei
verdunsten, sind die Lösungsmittelverschleppungen gering.
Die Auswahl des Trocknertyps stützt sich nach dem
angestrebten Entwässerungsgrad. Etagentrockner mit
Verteileinrichtungen oder Drehrohrtrockner sind Beispiele
für zweckmäßige Trocknertypen. Die Lösemittelabtrennung
muß hinsichtlich benötigtem Strippdampf, Kontaktfläche,
Dampf-Dekantersediment und Verweilzeiten so ausgelegt
werden, daß die Lösungsmittelrückgewinnungsraten über 99%
liegen um einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage zu
ermöglichen. Die Lösungsmittelrückgewinnungsrate/-Verlust
ist hier so definiert, daß vom eingesetzten
Lösungsmittelstrom im Extraktionsreaktor weniger als 1%
aus der Anlage über Abluft, Dekantersediment und Wasser
ausgeschleppt werden, beziehungsweise mehr als 99% des
eingesetzten Lösungsmittels regeneriert werden. Das
gestrippte Dekanterzentrifugensediment FA ist stichfest
oder ein pumpbarer sehr feststoffhaltiger Wasserstrom.
Stichfester Austrag kann über Förderanlagen als
Füllmaterial zur Rekultivierung der ausgebaggerten Gruben
verwendet werden. Liegt der Trockneraustrag im pumpbaren
Zustand vor, lassen sich damit große Absetzteiche füllen,
beispielsweise durch Einleiten der Wasser-Sand-Suspension
in ausgebaggerte Gruben. Der sedimentierte Schlamm ist
ökologisch unbedenklich, frei von Bitumen und biologisch
nicht toxisch. Der Überlauf aus diesen Teichen kann in
den Produktionsprozeß oder in den natürlichen
Wasserkreislauf zurückgeführt werden.
Die mehrstufige Lösungsmittelrückgewinnungsanlage 4
besteht aus einem nicht dargestellten mehrstufigen
Verdampfer, dessen Stufen bei unterschiedlichen Drücken
Lösungsmittel verdampfen. Die Kondensationswärme der
Lösungsmittelbrüden wird als Verdampfungswärme der
jeweils nachfolgenden Verdampfungsstufe genutzt, so daß
die eingesetzte Wärme in Form des Strippdampfes für jede
Stufe genutzt wird und so zur Energieeinsparung beim
energetisch aufwendigstem Teilschritt des Prozesses
beiträgt. Die Lösungsmittelbrüden der letzten Stufe geben
ihre Kondensationswärme zum Aufwärmen des Wasser-
Lösungsmittelstromes aus dem zweiten Absetzbecken ab oder
werden zum Erwärmen des eingesetzten Schlammes im Zulauf
der Anlage verwendet. Die Anzahl der Verdampferstufen
ergibt sich, wie bei allen mehrstufigen Eindampfanlagen,
aus der Wirtschaftlichkeitsrechnung, bei der
Investitionskosten gegen die Energieeinsparung über den
Abschreibungszeitraum aufgerechnet werden. Zur optimalen
Energieausnutzung und zur Gewährleistung konstanter
treibender Temperaturdifferenzen wird der Lösungsmittel-
Wasserstrom aus den Hydrozyklonüberläufen und dem
Zentrifugat der Schneckenzentrifugen im Gegenstrom zum
Wärmeträger (bereits verdampftes Lösungsmittel) im
Mehrstufenverdampfer geführt. Hierbei dampft das
Lösungsmittel Lm aus dem Lösungsmittel-Wasserstrom aus
und das zurückbleibende Bitumen reichert sich an der
Flüssigkeitsoberfläche an. Dieses Bitumen B wird in der
Skimmeinrichtung 7 abgeskimmt und steht zur weiteren
Bearbeitung dem Bitumenaufarbeitungsprozeß zur Verfügung.
Die Skimmeinrichtung 7 muß nicht im Verdampfer 4
integriert sein. Die Skimmeinrichtung 7 kann aus
Konstruktionsgründen auch außerhalb des Verdampfers
installiert werden, was besonders dann sinnvoll ist, wenn
niedrige Bitumenmengen die Lösungsmitteleindampfung durch
geschlossene Filmbildung des Bitumens nicht behindern.
Die Lösungsmittelrückgewinnung kann auch in mehrstufigen
Verdampferanlagen durchgeführt werden, bei denen der
Wärmeträger im Gleichstrom mit dem einzudampfenden
Lösungsmittel fließt. Das geskimmte Wasser W ist
weitgehend feststofffrei und kann zur Aufwärmung des
eingesetzten Schlammes verwendet werden. Alle Aggregate
und Apparate im Verfahren sind gekapselt ausgeführt und
haben keinen Kontakt zur Umgebungsluft, um
Lösungsmittelverluste durch Verdunsten und
Geruchsbelästigungen zu vermeiden. Die Verluste des
Lösungsmittels treten durch Restlöslichkeiten des an sich
unlöslichen Lösungsmittels im abgeskimmten Wasser und
durch Ausschleppungen von Lösungsmittel im
Feststoffaustrag des Trockners auf. Die geringen Mengen
des Lösungsmittels im Wasser werden biologisch schnell
abgebaut. Die Lösungsmittelreste im Sand werden durch
Bodenbakterien ebenfalls abgebaut, da es sich um nicht
toxische biologische abbaubare Verbindung handelt.
Das Verfahren kann auch zur Reinigung ölverschmutzter
Böden angewendet werden. Dieser Prozeß unterscheidet sich
nur in Details von der oben beschriebenen
Schlammaufbereitung. Unterschiede ergeben sich in bezug
auf die mechanische Vorbehandlung, die sich nach der Art
der reinigenden Böden richtet.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal kann die Anlagengröße
sein. Während bei der Schlammbehandlung typische
Durchsätze bei einige 1000 Kubikmeter pro Stunde liegen,
sind Bodensanierungsanlagen für Durchsätze von 1-100 m3/h
projektiert. Diese Anlagen müssen in relativ kurzer Zeit
an unterschiedliche Sanierungsstellen transportiert
werden können und sind daher für den mobilen Einsatz
konstruiert (kleine Bodensanierungsanlagen werden in
Containerbauweise ausgeführt).
Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, in denen wesentlich
größere Anlagen zur Bodensanierung sinnvoll erscheinen
(z. B. Beseitigung von Kriegsfolgen oder
Naturkatastrophen).
Der zu behandelnde Boden wird in den Extraktionsreaktor
gegeben, der aus Kostengründen in der Regel kein
Rohrreaktor, sondern ein kontinuierlicher Rührkessel oder
eine Kaskade aus Rührkesseln ist.
Der Boden wird im Reaktor mit Lösungsmitteln gewaschen,
wobei das Öl ins Lösungsmittel übertritt oder teilweise
im Extraktionsreaktor flotiert.
Nach dem Extraktionsreaktor folgt die oben beschriebene
Trennung von Boden, Lösungsmittel und Öl durch
mechanische Dekantierung, Lösemittelrückgewinnung und
Ausstrippen des Restlösungsmittels durch Dampf.
Claims (6)
1. Verfahren zur Auftrennung eines Gemisches aus Wasser,
Feststoffen oder Schlämmen, schwerflüchtigen
Kohlenwasserstoffen und anderen Begleitstoffen
mittels Lösungsmittelextraktion, dadurch
gekennzeichnet, daß
- - das mit Wasser und Lösungsmittel verdünnte und vorgewärmte Gemisch nach der Lösungsmittelextraktion einer mechanischen Trenn- und Entwässerungsstufe zugeführt wird, innerhalb derer das Gemisch in eine wasser lösungsmittelreiche Phase, in der die schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffe gelöst sind und in eine feststoffreiche Phase, in der noch Lösungsmittel enthalten ist, gespalten wird,
- - die wasser-lösungsmittelreiche Phase einer mehrstufigen Lösungsmittelrückgewinnungsstufe zugeführt wird, wobei das Lösungsmittel ausdampft und wieder dem Extraktionsreaktor zugeleitet wird und die angereicherten schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffe über Skimmeinrichtungen abgezogen werden und das geskimmte Wasser der Wasserentnahmestelle und/oder der Aufheizstation zugeleitet wird,
- - die feststoffreiche Phase durch Lösungsmittelstrippung vom Lösungsmittel getrennt wird, welches der mehrstufigen Lösungsmittelverdampfungsanlage zugeführt wird und
- - der zurückbleibende Feststoff als Füllmaterial oder als gereinigter Boden einer weiteren Verwertung zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das zugemischte Lösungsmittel ein organisches
FCKW-freies Lösungsmittel ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß vorzugsweise Petrolbenzin,
Toluol, Benzol oder ähnliche kohlenwasserstoffhaltige
Lösungsmittel eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß innerhalb der mechanischen Trenn-
und Entwässerungsstufe, der das wasserhaltige
Extraktionsgemisch zugeführt wird und welche sich aus
einer ein- oder mehrstufigen Hydrozyklonkaskade
(5H1-n) und/oder einer ein- oder mehrstufigen
Zentrifugenanlage (5S1-n) zusammensetzt, der Überlauf
(Ü) der Hydrozyklone zu einer Sedimentationsanlage
(5A1) geleitet wird und der Unterlauf (U) der ersten
Hydrozyklonstufe (5H1) der Zulauf der folgenden
Hydrozyklonstufe und der Unterlauf (U) der letzten
Hydrozyklonstufe (5Hn) der Zulauf der ersten
Zentrifugenstufe (5S1) ist und das Sediment (S) der
ersten Zentrifuge (5S1) als Zulaufin die folgende
Zentrifugenstufe geführt wird und das Sediment (S)
der letzten Zentrifugenstufe (5Sn) zur
Lösungsmittelstrippung (6) geleitet wird und das
Sediment (S) der Sedimentationsanlage (5A1) nach der
mechanischen Abtrennung des Lösungsmittels zur
Lösungsmittelstrippung (6) gelangt und der Überlauf
(Ü) der ersten Station der Sedimentationsanlage (5A1)
mit dem Zentrifugat (Z) der Zentrifugenanlage (5A1)
zu einer weiteren Station der Sedimentationsanlage
(5A2) geleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Gemisch vor oder hinter der
ersten Hydrozyklonstufe (5H1) und/oder vor oder
hinter der ersten Zentrifugenstufe (5S1) 1-30 mg/l
ionische Polymere zugegeben werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verfahren bei leicht
extrahierbaren Kohlenwasserstoffen ohne Erwärmung des
Gemisches als Kaltprozeß durchgeführt wird.
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