Die Flüssigkeitsmitnahme reduziert bei der Gefrierentsalzung unmittelbar sowohl die Produktreinheit als auch die scheinbare Wasserrückgewinnung. Wenn geerntete Eiskristalle einen Teil konzentrierter Sole zurückhalten, gelangt das in der Sole gelöste Salz zusammen mit dem Eis in den Schmelzer. Wenn der Anteil der zurückgehaltenen Flüssigkeit (\beta) beträgt und die zurückgehaltene Sole einen Salz-Massenanteil (\sigma) aufweist, beträgt der Salzanteil im geschmolzenen Produkt näherungsweise (\varepsilon=\beta\sigma), sofern das Eis selbst vernachlässigbare Salzmengen enthält.
Wesentliche Erkenntnis: Eis ist nach der Trennung nicht automatisch salzfrei. Eine realistische Bilanz für eine Pilotanlage muss den Eisstrom als reines Eis plus mitgeführte Sole behandeln und die Systemgrenzen um den Slusher, den Separator und den Schmelzer definieren, um Produktsalzgehalt und rückgewinnbares Wasser korrekt vorherzusagen.
Wie die Flüssigkeitsmitnahme die Trennleistung verändert
Zurückgehaltene Sole transportiert Salz in das Produkt
Während der Fest-Flüssig-Trennung können Eiskristalle Flüssigkeit zwischen den Partikeln, in Hohlräumen oder auf ihren Oberflächen zurückhalten. Diese Flüssigkeit enthält gelöstes Salz und wird mit dem nominellen Eisstrom mitgeführt.
Wenn das Eis geschmolzen wird, wird die zurückgehaltene Sole Teil des entsalzten Wasserprodukts. Das Ergebnis ist ein verbleibender Salzgehalt, selbst wenn die Salzrückhaltung während der Eisbildung ansonsten wirksam ist.
Der Produktsalzgehalt hängt von zwei Variablen ab
Es gilt:
- (\beta) = Massenanteil der zurückgehaltenen Flüssigkeit im geernteten Eisstrom
- (\sigma) = Salz-Massenanteil in der zurückgehaltenen Sole
- (\varepsilon) = Salz-Massenanteil im geschmolzenen Produkt
Unter der idealisierten Annahme, dass die Eiskristalle kein Salz enthalten:
[ \varepsilon=\beta\sigma ]
Diese Beziehung zeigt, warum eine geringe Menge mitgeführter Flüssigkeit eine große Wirkung haben kann, wenn die Sole hoch konzentriert ist.
Für einen Grenzwert des Trinkwasserprodukts von (0.05) Gew.-% Salz gilt:
[ \varepsilon \leq 0.0005 ]
Daher wird die zulässige Flüssigkeitsmitnahme begrenzt durch:
[ \beta \leq \frac{0.0005}{\sigma} ]
Je höher die Konzentration der zurückgehaltenen Sole ist, desto geringer ist die zulässige Flüssigkeitsrückhaltung.
Die Trenneffizienz ist mehr als Salzrückhaltung
Ein Separator kann optisch sauberes Eis erzeugen und dennoch hinsichtlich der Produktqualität unzureichend arbeiten. Zu den relevanten Kennzahlen gehören:
- Eisrückgewinnung
- Wasserrückgewinnung
- Salzrückhaltung
- Salzgehalt des geschmolzenen Produkts
- Flüssigkeitsrückhaltung oder Feuchtigkeit des Filterkuchens
- Salzverlust mit der abgetrennten Sole
Die Flüssigkeitsmitnahme kann dazu führen, dass der Feststoffstrom eine hohe Massenrückgewinnung aufweist, während gleichzeitig die Menge des Wassers sinkt, das die Produktspezifikation erfüllt.
Darstellung der Flüssigkeitsmitnahme in der Stoffbilanz
Zuerst die Grenzen der einzelnen Verfahrensschritte definieren
Eine zweckmäßige Systemgrenze für eine Pilotanlage umfasst drei miteinander verbundene Prozessschritte:
- Ausgang des Slushers oder Kristallisators, an dem Eis und Sole vorhanden sind
- Fest-Flüssig-Separator, in dem freie Sole vom Eis entfernt wird
- Schmelzer, in dem das abgetrennte Eis in Produktwasser umgewandelt wird
Der Austrittsstrom des Separators sollte nicht als reines Eis behandelt werden, es sei denn, die Flüssigkeitsrückhaltung wurde gemessen oder bewusst als null angenommen.
Den geernteten Eisstrom in zwei Bestandteile aufteilen
Sei (P) der Gesamtmassenstrom des geernteten Eisstroms, der den Separator verlässt. Er wird dargestellt als:
[ P=P_{\text{ice}}+P_{\text{retained brine}} ]
Wenn (\beta) der Massenanteil der zurückgehaltenen Sole ist:
[ P_{\text{retained brine}}=\beta P ]
[ P_{\text{ice}}=(1-\beta)P ]
Diese Aufteilung ist die zentrale Korrektur einer idealisierten Stoffbilanz.
Wasser und Salz getrennt bilanzieren
Die zurückgehaltene Sole enthält:
[ \text{Salzstrom}=\beta P\sigma ]
[ \text{Wasserstrom}=\beta P(1-\sigma) ]
Das salzfreie Eis trägt bei:
[ \text{Wasserstrom}=(1-\beta)P ]
Nach dem Schmelzen enthält der Produktstrom daher:
[ \text{Gesamtsalz}=\beta P\sigma ]
[ \text{Gesamtwasser}=P(1-\beta\sigma) ]
und seine Gesamtmasse beträgt (P). Folglich gilt:
[ \varepsilon=\frac{\beta P\sigma}{P}=\beta\sigma ]
Diese Komponentenbilanz ist aussagekräftiger als eine reine Gesamtmassenbilanz, da die Gesamtmasse auch dann erhalten bleibt, wenn die Produktqualität nicht den Anforderungen entspricht.
Die abgetrennte Sole separat bilanzieren
Wenn (F) der in den Slusher oder Kristallisator eintretende Zulauf ist, kann die Gesamtbilanz wie folgt formuliert werden:
[ F=P+B ]
wobei (B) der Sole-Strom ist, der die definierte Systemgrenze verlässt. Die Komponentenbilanzen lauten:
[ F_{\text{water}}=P_{\text{water}}+B_{\text{water}} ]
[ F_{\text{salt}}=P_{\text{salt}}+B_{\text{salt}} ]
Für ein realistisches Modell ist der Salzgehalt im Produkt nicht null:
[ P_{\text{salt}}=\beta P\sigma ]
Dieses Salz muss von der Salzmenge abgezogen werden, die in die abgetrennte Sole gelangt. Die Annahme (P_{\text{salt}}=0) überschätzt die Salzrückhaltung künstlich und unterschätzt den Salzgehalt der Sole.
Warum kleine Änderungen der Flüssigkeitsrückhaltung überproportional wichtig sein können
Die Flüssigkeitsmitnahme beeinflusst sowohl Reinheit als auch nutzbare Ausbeute
Eine Verringerung von (\beta) reduziert die Salzmenge, die in den Schmelzer gelangt. Sie kann außerdem den Anteil des Zulaufwassers erhöhen, der zu spezifikationsgerechtem Produkt wird, da weniger Produktwasser verworfen, verdünnt oder zurückgeführt werden muss.
Dieser Effekt ist besonders wichtig, wenn die Produktspezifikation nahe am vorhergesagten Salzgehalt liegt. Eine geringfügige Änderung der Separatorleistung kann das Produkt von spezifikationsgerecht zu nicht spezifikationsgerecht verändern.
Beispielhafte Bedeutung für eine Pilotanlage
Die ergänzende Referenz beschreibt ein Beispiel mit einem Zulauf von 100 kg/min, bei dem eine Verringerung der zurückgehaltenen Sole von 1,0 Gew.-% auf 0,5 Gew.-% die Trinkwasserproduktion deutlich erhöht; die angegebenen Werte ändern sich dabei von etwa 30 kg/min auf 65 kg/min.
Diese Werte sollten als beispielhafte Systemergebnisse und nicht als universelle Leistungsfaktoren betrachtet werden. Die tatsächliche Verbesserung hängt vom Salzgehalt der Sole, dem Eisanteil, der Separatorausführung, den Waschverlusten, der Rückführung und dem Grenzwert für die Produktqualität ab.
Trenndaten müssen die Flüssigkeitsrückhaltung enthalten
Die Messung ausschließlich der Masse des zurückgewonnenen Eises ist unzureichend. Eine Pilotanlage sollte außerdem die in diesem Eis zurückgehaltene Flüssigkeit bestimmen oder abschätzen, beispielsweise anhand von:
- Feuchtigkeit oder Flüssigkeitsgehalt des abgetrennten Eises
- Salzkonzentration der zurückgehaltenen Flüssigkeit
- Salzkonzentration des geschmolzenen Produkts
- Durchflussraten von Eis, Produktwasser und abgetrennter Sole
Der gemessene Produktsalzgehalt kann außerdem als Konsistenzprüfung verwendet werden:
[ \beta \approx \frac{\varepsilon}{\sigma} ]
Diese Schätzung ist nur dann gültig, wenn die Annahmen hinter (\varepsilon=\beta\sigma) angemessen sind.
Betriebliche Faktoren, die die Flüssigkeitsmitnahme beeinflussen
Leistung des Separators
Eine verbesserte Entwässerung, längere Entwässerungszeiten, geeignete Zentrifugation und eine wirksame Fest-Flüssig-Trennung können die mit dem Eis mitgeführte freie Sole reduzieren.
Eine intensivere Trennung kann jedoch auch den Eisverlust oder den Energieverbrauch erhöhen. Das Betriebsziel besteht nicht einfach darin, den trockenen Feststoffanteil zu maximieren, sondern die Rückgewinnung von spezifikationsgerechtem Wasser zu maximieren.
Wasch- oder Verdrängungsschritte
Ein optimierter Waschschritt kann konzentrierte Sole von der Eisoberfläche verdrängen und den Salzübertrag reduzieren. Die Waschflüssigkeit selbst muss in die Bilanz einbezogen werden, da sie das Produkt verdünnen, den Wasserbedarf erhöhen oder einen zusätzlichen Sole-Strom erzeugen kann.
Ein Waschschritt kann die Reinheit verbessern und gleichzeitig die Nettorückgewinnung reduzieren, wenn zu viel Eis schmilzt oder zu viel Waschwasser verworfen werden muss.
Eismorphologie und Handhabung
Kristallgröße, Agglomeration, Oberfläche und Verdichtung beeinflussen, wie viel Flüssigkeit an der festen Phase verbleibt. Die Bedingungen bei der Handhabung zwischen Kristallisation und Trennung können daher den effektiven Wert von (\beta) verändern.
Bei Pilotstudien sollte die Rückhaltung unter denselben Betriebsbedingungen gemessen werden, unter denen die Leistungsdaten ermittelt werden.
Verständnis der Zielkonflikte
Geringere Flüssigkeitsmitnahme gegenüber höherem Eisverlust
Eine aggressive Trennung kann mehr Sole entfernen, aber auch zu einem höheren Austrag oder Schmelzen von Eis führen. Ein niedrigerer Wert von (\beta) ist nur dann vorteilhaft, wenn der damit verbundene Verlust an festem Wasser den Reinheitsgewinn nicht überwiegt.
Das richtige Optimierungsziel ist in der Regel die Produktionsrate von Trinkwasser und nicht allein die Trockenheit des Separators.
Produktreinheit gegenüber Prozessvereinfachung
Die Behandlung des gesamten zurückgewonnenen Eises als reines Eis vereinfacht die Berechnungen, führt jedoch zu optimistischen Vorhersagen. Die Berücksichtigung der Flüssigkeitsmitnahme erfordert mehr Messungen, liefert aber ein Modell, das nicht spezifikationsgerechtes Produkt erklären und die Maßstabsvergrößerung unterstützen kann.
Für Ausbildungseinheiten ist das nicht ideale Modell besonders wertvoll, da es die Anlagenleistung mit den Komponentenbilanzen verknüpft.
Scheinbare Rückgewinnung gegenüber tatsächlicher Rückgewinnung
Ein hoher Durchfluss im Eisstrom kann irreführend sein, wenn ein großer Teil des Zulaufwassers in mitgeführter Sole verbleibt, die später abgetrennt werden muss. Die Rückgewinnung sollte auf einer klar definierten Grundlage angegeben werden, beispielsweise:
- Gesamtwassermenge, die in den Eisstrom eintritt
- Als geschmolzenes Produkt zurückgewonnenes Wasser
- Als Produkt unterhalb des Salzgrenzwerts zurückgewonnenes Wasser
Diese Mengen sind unterschiedlich, wenn der Produktsalzgehalt durch eine Spezifikation begrenzt wird.
Behandlung von (\beta) als konstantem Wert
Die Verwendung eines festen Rückhaltewerts, beispielsweise 1,0 Gew.-%, ist für ein erstes Modell akzeptabel, gilt aber nicht unbedingt für alle Betriebsbedingungen. Die Rückhaltung kann sich mit Zulaufrate, Kristalleigenschaften, Separatoreinstellungen und Waschbedingungen ändern.
Sensitivitätsberechnungen sollten untersuchen, wie sich der vorhergesagte Produktstrom und Salzgehalt über einen realistischen Bereich von (\beta) verändern.
Anwendung auf Ihre Pilotanlage
Beginnen Sie damit, den Anteil der zurückgehaltenen Sole und deren Salzkonzentration zu messen oder abzuschätzen, und verwenden Sie anschließend Komponentenbilanzen, nicht nur Gesamtmassenbilanzen, über Slusher, Separator und Schmelzer.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Produktreinheit liegt: Berechnen Sie (\varepsilon=\beta\sigma) und prüfen Sie, ob das geschmolzene Produkt unterhalb des festgelegten Salzgrenzwerts bleibt.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Trinkwasserrückgewinnung liegt: Optimieren Sie Separator- und Waschbedingungen für die Produktion von spezifikationsgerechtem Wasser und nicht einfach für eine maximale Masse des Eisstroms.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer genauen Stoffbilanzierung liegt: Stellen Sie das geerntete Eis als getrennte Eis- und mitgeführte-Sole-Fraktionen dar und verfolgen Sie Wasser und Salz unabhängig voneinander.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Maßstabsvergrößerung oder dem Anlagenvergleich liegt: Messen Sie die Flüssigkeitsrückhaltung unter jeder Betriebsbedingung und vergleichen Sie Änderungen von (\beta), Produktsalzgehalt und nutzbarer Rückgewinnung.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Ausbildung in der Pilotanlage liegt: Verwenden Sie den Mitnahme-Term, um zu zeigen, wie ein nicht idealer Separator die Betriebsleistung verändert, obwohl die Gesamtmasse erhalten bleibt.
Eine genaue Messung der Flüssigkeitsmitnahme verwandelt eine nominelle Eisrückgewinnungsberechnung in eine belastbare Vorhersage von Qualität und Ausbeute des entsalzten Wassers.
Zusammenfassungstabelle:
| Schlüsselfaktor | Auswirkung | Empfohlener Ansatz |
|---|---|---|
| Anteil der zurückgehaltenen Sole (β) | Erhöht den Produktsalzgehalt und reduziert die nutzbare Wasserrückgewinnung | Flüssigkeitsrückhaltung unter jeder Betriebsbedingung messen |
| Salzanteil der Sole (σ) | Ein höherer Salzgehalt macht eine geringe Flüssigkeitsmitnahme schädlicher | Salzkonzentration der zurückgehaltenen Sole analysieren |
| Produktsalzgehalt (ε) | Zeigt, ob das geschmolzene Eis die Spezifikationen erfüllt | ε = βσ verwenden und durch Produktprüfungen verifizieren |
| Stoffbilanz | Die Annahme von reinem Eis überschätzt die Salzrückhaltung und Rückgewinnung | Eis, Wasser und Salz getrennt bilanzieren |
| Separatorbetrieb | Entwässerung, Zentrifugation und Verweilzeit beeinflussen die Flüssigkeitsmitnahme | Für spezifikationsgerechtes Wasser optimieren, nicht nur für Trockenheit |
| Waschen und Handhabung | Kann den Salzübertrag reduzieren, aber den Wasserbedarf oder Eisverlust erhöhen | Waschströme, Rückführung und Verluste in die Bilanz einbeziehen |
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