Energieeffiziente und umweltschonende Eindampfung wässriger Lösungen durch Naturumlaufverdampfer mit Turbulenzpromotoren zum Einsatz mit mechanischer Brüdenverdichtung

Stipendiatin/Stipendiat: Yan Lu

Die mechanische Brüdenverdichtung hat sich als eine Möglichkeit zur Steigerung der Energieeffizienz sowie zur Umweltentlastung bei Eindampfverfahren etabliert. Dabei wird der in einer Verdampfung entstehende Brüden mittels eines Gebläses so weit verdichtet, dass er zur Beheizung der Verdampfung eingesetzt werden kann. Dazu müssen der Druck und damit die Kondensationstemperatur so weit angehoben werden, dass eine hinreichende Tempera-turdifferenz zwischen der Beheizungs- und der Verdampfungsseite vorliegt. Auf diese Weise können wässrige Lösungen effizient eingedampft werden, wie z. B. Fruchtsäfte, Meerwasser zur Trinkwassergewinnung, Deponiesickerwässer etc., da die hohe Verdampfungs-enthalpie des Wassers ein energieeffizientes Verdampfungsverfahren besonders erforderlich macht. Günstige Einsatzfälle für eine mechanische Brüdenverdichtung sind daher gegeben, wenn

  • die Verdampfungstemperatur der Lösung nicht wesentlich gegenüber der des reinen Lösungsmittels erhöht ist,
  • die Steigung der Dampfdruckkurve gering ist, d. h. mit einer geringen Druckerhöhung bereits eine merkliche Erhöhung der Kondensationstemperatur erreicht werden kann; dies ist insbesondere bei tiefen Absolutdrücken gegeben,
  • der eingesetzte Verdampfer bereits bei kleinen treibenden Temperaturdifferenzen zwischen Heiz- und Verdampfungsseite stabil betrieben werden kann.

Die letzten beiden Bedingungen – Betrieb im Vakuum und bei kleinen Temperaturdifferenzen - haben dazu geführt, dass die mechanische Brüdenverdichtung in der Regel mit Fallfilm-verdampfern ausgeführt wird. Diese benötigen allerdings eine Umlaufpumpe und weisen höhere Investitionen und Betriebskosten gegenüber anderen Verdampferbauarten auf. Insbesondere Naturumlaufverdampfer wären hierbei deutlich günstiger, sofern diese unter den für eine mechanische Brüdenverdichtung typischen Anforderungen, d. h. Betrieb im Vakuum und bei kleinen Temperaturdifferenzen, stabil betreibbar sind.
Dies ist in konventioneller Bauweise mit zylindrischen Glattrohren nicht immer sicher der Fall, so dass Naturumlaufverdampfer hier nicht oder nur sehr selten eingesetzt werden. Neuere Forschungsarbeiten zeigen allerdings, dass Naturumlaufverdampfer mit modifizierten Rohren, speziell Rippenrohren oder mit Drahtgestrickeinbauten, in unterschiedlichen Einsatzgebieten auch bei Drücken bis pabs = 200 mbar und bei kleinen Temperaturdifferenzen von 5 … 7 K stabil betrieben werden können. Sie könnten damit potentiell auch verstärkt in Eindampfern mit mechanischer Brüdenverdichtung eingesetzt werden. Naturumlaufverdampfer weisen einen Selbstumlauf der einzudampfenden Lösung auf und benötigen daher keine Umlaufpumpe. Außerdem sind sie bzgl. ihrer Bauform einfacher aufgebaut und in der Regel wartungsärmer als Fallfilmverdampfer. Da sie hinsichtlich ihrer Investitionen und Betriebskosten damit deutlich günstiger sind, könnte die verbesserte Wirtschaftlichkeit von Eindampfern mit einem mechanischen Brüdenverdichter unter Nutzung von Naturumlaufverdampfern diese energieeffiziente Betriebsweise auch für Anwendungen erschließen, die bisher nicht wirtschaftlich sind, oder die Wirtschaftlichkeit bestehender Prozesse steigern.
In dem Forschungsvorhaben soll daher experimentell und theoretisch die Eindampfung wässriger Lösungen mittels Naturumlaufverdampfung unter Nutzung einer mechanischen Brüdenverdichtung untersucht werden. Dazu soll ein Naturumlaufverdampfer in Rohrbündelbauweise mit Turbulenzpromotoren ausgerüstet werden. In dem Projekt soll die Tauglichkeit und Funktionstüchtigkeit eines solchen Systeme zum Einsatz mit einer mechanischen Brüdenverdichtung nachgewiesen, besonderes vorteilhafte und ungünstige Einsatzfälle identifiziert, Hinweise zum Design eines solchen Systems und für einen stabilen Betrieb abgeleitet sowie die daraus resultierende Umweltentlastung gegenüber zwei Referenzfällen – Fallfilmverdampfer mit Brüdenverdichtung und Naturumlaufverdampfer ohne Brüdenverdichtung – quantifiziert werden.

Förderzeitraum:
01.02.2016 - 30.06.2019

Institut:
Technische Universität Braunschweig
Institut für Chemische und Thermische Verfahrenstechnik

Betreuer:
Prof. Dr. Stephan Scholl

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