Die mehrstufige Entspannungsverdampfung ( MSF ) ist ein Wasserentsalzungsverfahren , bei dem Meerwasser durch die Entspannung eines Teils des Wassers in mehreren Stufen von im Wesentlichen gegenläufigen Wärmetauschern destilliert wird . Aktuelle MSF-Anlagen können bis zu 30 Stufen aufweisen. [ 1 ]

Mehrstufige Entspannungsdestillationsanlagen produzieren etwa 26 % des weltweit gewonnenen entsalzten Wassers. Fast alle neuen Entsalzungsanlagen nutzen Umkehrosmose aufgrund des deutlich geringeren Energieverbrauchs. [ 2 ]

Prinzip

Schematische Darstellung eines fünfstufigen Durchlauf-Entsalzungsreaktors. In der Praxis verfügen Anlagen häufig über deutlich mehr Stufen. A – Dampfeinlass, B – Meerwassereinlass, C – Trinkwasserauslass, D – Soleauslass (Abfall), E – Kondensatauslass , F – Wärmetauscher, G – Kondensatsammlung, H – Solevorwärmer
Die MSF-Entsalzungsanlage an der Jebel Ali G Station, Dubai

Die Anlage verfügt über mehrere Stufen, die jeweils einen Wärmetauscher und einen Kondensatsammler enthalten . Die Anlage hat ein kaltes und ein warmes Ende, während die Zwischenstufen Temperaturen zwischen den Stufen aufweisen. Die Stufen haben unterschiedliche Drücke, die den Siedepunkten des Wassers bei den jeweiligen Stufentemperaturen entsprechen. Nach dem warmen Ende befindet sich ein Behälter, der Soleerhitzer .

Der Prozess umfasst folgende Schritte:

  1. Wenn die Anlage im stationären Zustand arbeitet , fließt bzw. wird das Speisewasser mit der kalten Einlasstemperatur stufenweise durch die Wärmetauscher gepumpt und erwärmt sich.
  2. Wenn die Sole den Soleerhitzer erreicht, hat sie bereits nahezu die maximale Temperatur erreicht; es wird zusätzliche Wärme zugeführt.
  3. Nach dem Erhitzer fließt das Wasser durch Ventile zurück in die Stufen, in denen Druck und Temperatur immer weiter sinken.
  4. Das Wasser, das durch die einzelnen Stufen zurückfließt, wird als Sole bezeichnet, um es vom Zulaufwasser zu unterscheiden. Beim Eintritt in jede Stufe liegt die Temperatur der Sole über dem Siedepunkt beim jeweiligen Stufendruck. Ein kleiner Teil der Sole verdampft schlagartig und senkt so die Temperatur, bis ein Gleichgewicht erreicht ist.
  5. Der entstehende Dampf ist etwas heißer als das Speisewasser im Wärmetauscher.
  6. Der Dampf kühlt ab und kondensiert an den Wärmetauscherrohren, wodurch das Speisewasser wie zuvor beschrieben erwärmt wird. [ 3 ]

Die Gesamtverdunstung in allen Stufen beträgt je nach verwendetem Temperaturbereich bis zu etwa 85 % des durch das System fließenden Wassers. Mit steigender Temperatur nehmen die Probleme der Kesselsteinbildung und Korrosion zu; 110–120 °C scheinen ein Maximum zu sein, obwohl zur Vermeidung von Kesselstein möglicherweise Temperaturen unter 70 °C erforderlich sind. [ 4 ]

Das Speisewasser führt die Verdampfungswärme des kondensierten Dampfes ab und hält so die Temperatur der Stufe niedrig. Der Druck in der Kammer bleibt konstant, da beim Eintritt von warmer Sole in die Stufe jeweils gleiche Dampfmengen entstehen und beim Kondensieren an den Rohren des Wärmetauschers abgeführt werden. Das Gleichgewicht ist stabil, denn würde sich zwischenzeitlich mehr Dampf bilden, stiege der Druck, die Verdunstung würde sinken und die Kondensation zunehmen.

In der letzten Stufe haben Sole und Kondensat eine Temperatur nahe der Einlasstemperatur. Anschließend werden sie vom niedrigen Druck der Stufe auf Umgebungsdruck abgepumpt. Sole und Kondensat enthalten noch eine geringe Wärmemenge, die beim Abpumpen verloren geht. Dieser Wärmeverlust wird durch die im Heizgerät zugeführte Wärme ausgeglichen.

Die dem Soleerhitzer zugeführte Wärme stammt üblicherweise aus einem industriellen Prozess, der sich in unmittelbarer Nähe der Entsalzungsanlage befindet. Der Dampf kondensiert an den Rohren, die die Sole transportieren (ähnlich wie in den einzelnen Stufen).

Die für die Verdampfung notwendige Energie ist in der Sole vorhanden, wenn diese den Erhitzer verlässt. Der Grund dafür, dass die Verdampfung in mehreren Stufen statt in einer einzigen Stufe bei niedrigstem Druck und niedrigster Temperatur erfolgt, liegt darin, dass sich das Speisewasser in einer einzigen Stufe nur auf eine Zwischentemperatur zwischen der Eintrittstemperatur und der Erhitzertemperatur erwärmen würde, während ein Großteil des Dampfes nicht kondensieren und die niedrigste Druck- und Temperaturstufe nicht aufrechterhalten werden könnte.

Solche Anlagen können mit 23–27 kWh/m³ ( ca. 90 MJ/m³ ) destilliertem Wasser betrieben werden. [ 5 ]

Da das kältere Salzwasser, das in den Prozess eintritt, im Gegenstrom zum salzhaltigen Abwasser/destillierten Wasser fließt, tritt relativ wenig Wärmeenergie im Ausfluss aus. Der größte Teil der Wärme wird vom kälteren Salzwasser aufgenommen, das zum Erhitzer strömt, wodurch die Energie recycelt wird.

MSF-Destillationsanlagen, insbesondere große, werden häufig in einer Kraft-Wärme- Kopplungsanlage mit Kraftwerken kombiniert . Die Abwärme des Kraftwerks wird zur Erwärmung des Meerwassers genutzt und dient gleichzeitig der Kühlung des Kraftwerks. Dadurch reduziert sich der Energiebedarf um die Hälfte bis zwei Drittel, was die Wirtschaftlichkeit der Anlage drastisch verbessert, da die Energiekosten den mit Abstand größten Betriebskostenfaktor von MSF-Anlagen darstellen. Die Umkehrosmose, der Hauptkonkurrent der MSF-Destillation, erfordert eine aufwendigere Vorbehandlung des Meerwassers und einen höheren Wartungsaufwand sowie Energie in Form von Arbeit (Strom, mechanische Leistung) anstelle der günstigeren Niedertemperatur-Abwärme. [ 6 ] [ 7 ]

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Garg, Manoj Chandra (2019). „Erneuerbare Energien für Membrantechnologie: Kostenanalyse und Energieverbrauch“. Aktuelle Trends und zukünftige Entwicklungen bei (Bio-)Membranen . S.  85–110 . doi : 10.1016/B978-0-12-813545-7.00004-0 . ISBN 978-0-12-813545-7Die
  2. ^ Ghaffour, Noreddine; Missimer, Thomas M.; Amy, Gary L. (Januar 2013). „Technische Überprüfung und Bewertung der Wirtschaftlichkeit der Meerwasserentsalzung: Aktuelle und zukünftige Herausforderungen für eine nachhaltigere Wasserversorgung“. Desalination . 309 : 197–207 . Bibcode : 2013Desal.309..197G . doi : 10.1016/j.desal.2012.10.015 . hdl : 10754/562573 .
  3. ^ Warsinger, David M.; Mistry, Karan H.; Nayar, Kishor G.; Chung, Hyung Won; Lienhard V, John H. (2015). „Entropieerzeugung bei der Entsalzung mit Abwärme variabler Temperatur“ . Entropy . 17 (12): 7530–7566 . Bibcode : 2015Entrp..17.7530W . doi : 10.3390/e17117530 .
  4. ^ Panagopoulos, Argyris; Haralambous, Katherine-Joanne; Loizidou, Maria (25.11.2019). „Entsalinisierungssole-Entsorgungsverfahren und Behandlungstechnologien – Ein Überblick“. Science of the Total Environment . 693 133545. Bibcode : 2019ScTEn.69333545P . doi : 10.1016/j.scitotenv.2019.07.351 . PMID 31374511 . 
  5. ^ „Der Zusammenhang: Wasser- und Energiesicherheit“ . IAGS Energiesicherheit . Abgerufen am 11.12.2008 .
  6. ^ „Shoaiba-Entsalzungsanlage“ . Wassertechnologie . Abgerufen am 13.11.2006 .
  7. ^ Winter, Tennille; Pannell, David J.; McCann, Laura MJ; Winter, Tennille; Pannell, David J.; McCann, Laura MJ (2002). Die Ökonomie der Entsalzung und ihre potenzielle Anwendung in Australien (Bericht). doi : 10.22004/ag.econ.125611 .