Evaporation (ZLD)

Verdamping verwijdert, net als drogen, vluchtige stoffen uit een oplossing, maar de twee processen verschillen op de volgende punten:

• Verdamping
  • Verwijdering van het grootste deel van het water uit de oplossing
  • Vindt normaal gesproken plaats bij het kookpunt van water
• Drogen
  • Verwijdering van een kleine hoeveelheid water uit vast materiaal (vocht)
  • Vindt plaats bij een temperatuur onder het kookpunt en wordt doorgaans beïnvloed door de luchtvochtigheid

Verdampers bevatten een warmtewisselaar die de oplossing aan de kook brengt, en ze hebben ook een methode om de damp van de kokende oplossing te scheiden. Verdampers kunnen worden ingedeeld op basis van hun lengte en de positionering (horizontaal of verticaal) van de verdamperbuizen (Fig. 1), die zich binnen of buiten het hoofdvat kunnen bevinden.

De meeste materialen zijn niet bestand tegen hoge temperaturen, daarom werken verdampers doorgaans onder verlaagde druk om het kookpunt te verlagen. Dit betekent dat een vacuümpomp of een vacuümsysteem met straalinjector aan het eind van de verdamper nodig is.

Afbeelding 1, Verdampertypen. (a) Horizontale buis, (b) Verticale buis, (c) Lange buis verticaal en (d) Geforceerde circulatie

1. Selectie van een geschikte verdamper

De juiste verdamper wordt per geval geselecteerd op basis van een aantal factoren, namelijk:

1. Voedingsstof
2. Viscositeit van de oplossing (en de toename ervan tijdens verdamping)
3. Aard van het product en het oplosmiddel (bijv. hittegevoeligheid en corrosiviteit)
4. Vervuilingseigenschappen
5. Schuimvormingseigenschappen

VerdampertypeVoedingsconditie

Geschikt

voor

warmte

gevoelig

Viscositeit, cP			Schuimvorming	Schalen of Vervuiling	Kristallen productie	Effen kleuren in Vering
Hoog >1000	Gemiddeld 100-1000	Laag <100
Calandria (korte buis verticaal)
Geforceerde circulatie
Vallende film
Natuurlijke circulatie
Geagiteerde film (enkele doorgang
Lange buis vallende film
Lange buisverhogende film

2. Enkel effect versus meerdere effecten

Fig.2, Configuraties van verdampers met enkel en meer effect.

Er zijn drie criteria die de prestaties van een verdamper beïnvloeden,

1. Capaciteit (kg verdampt / tijd)
2. Economie (kg verdampt / kg stoominvoer)
3. Stoomverbruik (kg / uur)

Waarbij verbruik = capaciteit / rendement.

Het rendement (of stoomrendement) is het aantal kilogram water dat door alle trappen wordt verdampt (per kilogram gebruikte stoom). Voor een enkelvoudige verdamper is het stoomrendement ongeveer 0,8 (<1), wat betekent dat er 0,8 ton stoom nodig is om 1 ton water te verdampen.

Om het stoomrendement van de verdamper te verlagen, gebruikt een meertrapsverdamper de uitlaatgassen van het product om de volgende verdampingstrap te verwarmen en zo het stoomverbruik te verminderen.

De capaciteit van een meertrapsverdamper (n trappen) is ongeveer n * capaciteit van een enkelvoudige verdamper en het rendement is ongeveer 0,8 * n.

Verdampers hebben ook pompen, verbindingsleidingen en kleppen nodig voor het transport van vloeistof van de ene trap naar de andere, wat zowel de investeringskosten (CAPEX) als de operationele kosten (OPEX) van het proces verhoogt.

	Live Steam	Damp	Stoomeconomie
Plant met 1 effect	1 kg/u	1 kg/u	100%
Plant met 3 effecten	1 kg/h	3 kg/h	33%

Tabel 1, Vermindering van het stoomverbruik van de verdamper bij gebruik van een drietrapsverdamper

Enkeltrapsverdamper (SE)

• Kleine capaciteit maar energieverspilling (1 kg stoom verdampt 1 kg water)
• De totale temperatuurdaling voor een enkeltrapsverdamper is ongeveer gelijk aan die van een meertrapsverdamper

Meertrapsverdamper (ME)

• Elke afzonderlijke trap heeft een kleiner temperatuurverschil, dus een groter verwarmingsoppervlak
• Hogere investeringskosten
• Bedrijfskosten - stoomverbruik, alleen nodig voor de eerste trap (1 kg stoom verdampt 3 kg water)

3. Verdampertypen

De temperatuur van de toevoer heeft een belangrijke invloed op de economie en prestaties van de verdamper. Als de toevoer nog niet op het kookpunt is, moeten er warmte-effecten optreden. Als de toevoer boven het kookpunt is, wordt flashverdamping toegepast aan de ingang.

Normaal gesproken wordt de toevoervloeistof verwarmd met een voorwarmtewisselaar om de verdampingswarmtebehoefte te verminderen door warmte van het hete condensaat over te dragen aan de toevoerstroom.

De verwarmde toevoer wordt vervolgens gemengd met de verdampingsvloeistof en het mengsel wordt verwarmd door de hoofdwarmtewisselaar, die gebruik kan maken van stoom, elektriciteit, hete olie of andere beschikbare energiebronnen. Het mengsel kookt, waarbij een geconcentreerde vloeistofstroom en een waterdampstroom ontstaan die kunnen worden afgevoerd of gecondenseerd.

Dampcompressieverdamping (VC) is de afgelopen decennia de norm geweest voor ZLD-technologie, waarbij circa 95% van het water uit de toevoer wordt teruggewonnen.

De geconcentreerde vloeistofstroom (pekel) kan vervolgens naar een kristallisator worden geleid om te stollen.

Verdamping is vrij duur en economisch niet haalbaar bij grote toevoersnelheden. Daarom wordt een voorconcentratiestap toegepast in het ZLD-proces.

Er bestaan verschillende soorten verdampers.

1. vallende film
2. stijgende film
3. geforceerde circulatie
4. geschraapt oppervlak/dunne film
5. combinatieverdamper

De belangrijkste zijn:

1. Vallende filmverdampers (FFE's)

FFE's hebben veel energiebesparende, meertrapsverdampings- en mechanische dampcompressiefuncties. Een FFE werkt met een zeer lage bedrijfstemperatuur en maakt:

• eenvoudige bediening
• snel opstarten en uitschakelen mogelijk dankzij een minimale vloeistofretentie

FFE's worden gekozen voor viskeuze stromen met lage concentraties zwevende deeltjes. Een FFE heeft een capaciteit voor kleine tot grote debieten.

1. Geforceerde circulatieverdampers (FCE's)

Vanwege de hoge circulatiestroom en de verdamping die buiten de warmtewisselaar plaatsvindt, worden FCE's gekozen voor zeer viskeuze stromen met een hoge concentratie zwevende deeltjes en vervuilende stoffen. Ze hebben een capaciteit voor middelgrote tot grote debieten.

1. Dunnefilmverdampers (TFE's)/drogers

TFE's worden meestal gekozen om het watergehalte te verlagen tot < 5% (kristallisatie). Net als FFE's is deze technologie eenvoudig te regelen en snel op te starten en uit te schakelen dankzij een zeer lage vloeistofinhoud. TFE's worden gekozen voor producten die sterk kalken en zeer viskeuze vloeistoffen. Ze hebben een capaciteit voor kleine tot middelgrote debieten.

De destillaatstroom van verdampers is meestal < 10 ppm TDS (totale opgeloste stoffen). De meest gebruikte is de FFE (ook wel pekelconcentrator genoemd), die de toevoerconcentratie kan verhogen tot 300.000 ppm. Dit leidt tot een verhoging van het kookpunt (BPR) van de pekel en vereist ofwel een groot warmteoverdrachtsoppervlak (hoge investeringskosten) ofwel een hoge temperatuur (hoge operationele kosten).

4. Procesuitleg

Verdampers kunnen stromen met een hoge chlorideconcentratie behandelen en theoretisch het water scheiden van alle opgeloste stoffen, waardoor een stabiel vast product ontstaat dat kan worden gestort en een hoogwaardig gedestilleerd waterproduct.

De stappen in het verdampingsproces zijn (Fig. 3):

• toevoeging van chemicaliën (toevoertank)
• voorverwarming (toevoervoorverwarmer)
• ontluchting
• primaire verdamping (pekelconcentrator)

Fig. 3, Stroomschema van het verdampingsprocesen een foto van een module uit de praktijk.

Stappen 1 & 2 Er wordt zuur aan de toevoertank toegevoegd om de alkaliteit van bicarbonaat te neutraliseren, zodat de oplossing in de platenwarmtewisselaars kan worden voorverwarmd. Er worden ook antikalkmiddelen toegevoegd om kalkaanslag met calciumcarbonaat in de voorverwarmers te voorkomen.

Stap 3; De voorverwarmde stroom wordt ontgast met stoom uit de verdamper (rode lijn in Figuur 3) om de opgeloste koolstofdioxide (vermindering van de alkaliteit), opgeloste zuurstof en andere niet-condenseerbare gassen te verwijderen, teneinde de kans op corrosie van de verdamper te verkleinen.

Stap 4; Het grootste deel van de waterverdamping vindt plaats in het vat van de pekelconcentrator, dat is geënt met calciumsulfaat om kalkaanslag te minimaliseren. Het afvalwater is doorgaans verzadigd met calciumsulfaat, dat neerslaat en kalkaanslag vormt op de verdamperbuizen. Door calciumsulfaatkristallen te gebruiken, slaat het opgeloste calciumsulfaat bij voorkeur neer op de kristallen in plaats van op de verdamperbuizen.

Het proces vereist ook elektriciteit voor de mechanische dampcompressiecyclus (MVC). Omdat MVC de latente verdampingswarmte hergebruikt, is de energie-input vrij laag,in de orde van 15 kWh/m³ toevoer. Om de omvang en kosten van de dampafscheider en compressor te minimaliseren, vindt de verdamping plaats bij atmosferische druk.

5. Energiebesparing

Enkele methoden die worden toegepast om het energieverbruik van verdampingsinstallaties te minimaliseren, zijn:

• Meertrapsopstelling (ME)
• Thermische dampcompressie (TVR)
• Mechanische dampcompressie (MVR)
• Mechanische dampcompressie (MVC)
• Gebruik van restenergie

Voor verdampers is de MVC-aanpak de meest gebruikte.

5.1 Mechanische dampcompressie

In de MVC-verdamper wordt warmte overgedragen aan de circulerende stroom door condensatie van damp uit de compressor(en) (waardoor de temperatuur en druk van de damp toenemen). Daarbij is veel minder energie nodig dan bij een standaardverdamper.

During process (Fig.4), the vapor generated from the circulating stream has a large amount of energy in the form of latent heat at a temperature of the boiling wastewater. In order for the main heat exchanger to work, a higher temperature will be required. In order to get to the needed higher temperature, the vapor is compressed by the vapor compressor. Compressing the vapor raises its pressure (thus its saturation temperature as well) and produces the needed heat transfer in the main heat exchanger allowing for recycling the energy contained by the vapor, greatly improving the total energy efficiency.

1. Feed wastewater goes from the feed pump to the feedstock heat exchanger and in the circulating stream. The feedstock heat exchanger heats transfers sensible heat from the hot condensate to the cooler feed.

Figuur 4, Mechanisch dampcompressieproces

2. De circulatiepomp circuleert afvalwater vanuit de scheidingstank door de hoofdwarmtewisselaar naar de vernevelingsplaat en terug in de scheidingstank. De latente warmte van de gecomprimeerde damp wordt via de hoofdwarmtewisselaar aan het afvalwater overgedragen.
3. Een vernevelingsplaat wordt gebruikt om de druk van de circulerende stroom te verlagen. De druk aan de uitgang is laag genoeg om de circulerende stroom te laten verdampen in vloeibare en dampvormige componenten.
4. De vloeistof en damp stromen vervolgens naar de scheidingstank waar ze worden gescheiden. De vloeibare stoom verlaat de tank aan de onderkant en stroomt terug naar de circulatiepomp. De dampstroom verlaat de tank aan de bovenkant en stroomt naar de dampcompressor(en).
5. Bovenaan de scheidingstank is een nevelkussen aangebracht om kleine vloeistofdruppeltjes uit de damp te verwijderen.
6. De dampcompressor comprimeert de damp (waardoor de temperatuur en druk stijgen) en stuurt de damp naar de hoofdwarmtewisselaar, waar deze zijn latente warmte overdraagt aan het afvalwater in de recirculatiekring.
7. Het hete condensaat verlaat de hoofdwarmtewisselaar en stroomt naar de condensaattank, waar eventuele resterende damp wordt afgescheiden. Het hete condensaat wordt vervolgens naar de toevoerwarmtewisselaar gepompt, waar het voelbare warmte overdraagt aan het binnenkomende afvalwater.
8. Nadat de stationaire toestand bij de gewenste concentratie is bereikt, wordt het geconcentreerde afvalwater uit de recirculatiekring verwijderd met behulp van de restgasklep. Afhankelijk van de energiebalans kan energie aan het systeem worden toegevoegd door middel van elektrische verwarmers/processtoom of kan overtollige energie uit het systeem worden verwijderd via de stoomafvoerklep.