Flüssigkeitseinschlüsse sind eine der Haupteinschränkungen in Pilotanlagen zur Gefrierentsalzung. Wenn Eiskristalle konzentrierte Sole in die Festphase tragen, enthält das geschmolzene Produkt Restsalz, was sowohl die Reinheit des Trinkwassers als auch die nutzbare Ausbeute verringert. Die Salzkonzentration des Produkts kann durch ε = σβ angenähert werden, wobei σ die Salzkonzentration in der zurückgehaltenen Sole und β der Massenanteil der zurückgehaltenen Sole im Eis ist.
Das Eis selbst mag relativ rein sein, aber die zurückgehaltene Sole macht den geernteten Feststoff zu einem unreinen Produkt. Die Verringerung der Flüssigkeitsrückhaltung durch bessere Trennung, Waschung und Kreislaufführung kann daher die Reinheit verbessern und die Trinkwasserrückgewinnung erheblich steigern.
Wie Einschlüsse das Produkt verändern
Zurückgehaltene Sole trägt Salz in den Eisstrom
Während des Gefrierens bilden sich relativ reine Eiskristalle, während Salz in die verbleibende flüssige Sole abgestoßen wird. Mechanische Ernte- und Trennverfahren sind nicht ideal, sodass ein Teil dieser Sole auf den Kristalloberflächen oder in den Zwischenräumen verbleibt.
Wenn das Eis schmilzt, wird die zurückgehaltene Flüssigkeit Teil des Produktwasserstroms. Das gelöste Salz wird daher nicht allein durch das Schmelzen entfernt.
Die Produktsalinität hängt von zwei Variablen ab
Die vereinfachte Beziehung lautet:
[ \varepsilon = \sigma \beta ]
wobei:
- ε = Salzkonzentration im geschmolzenen Produkt
- σ = Salzkonzentration der zurückgehaltenen Sole
- β = Gewichtsanteil der zurückgehaltenen Sole im abgetrennten Eis
Dies bedeutet, dass selbst ein kleiner Anteil an zurückgehaltener Flüssigkeit zu einer inakzeptablen Produktsalinität führen kann, wenn die Sole hochkonzentriert ist.
Die Reinheit wird oft durch den schlechtesten Trennschritt bestimmt
Der Kristallisator mag zwar hochreines Eis bilden, aber die endgültige Produktqualität wird durch die kombinierte Leistung von Kristallisator, Fest-Flüssig-Abscheider, Waschstufe und Schmelzer bestimmt.
Eine Massenbilanz, die den Eisstrom als vollständig trocken behandelt, überschätzt die Entsalzungsleistung. Berechnungen für Pilotanlagen müssen sowohl Wasser- als auch Salzströme über jeden dieser Prozessschritte hinweg einbeziehen.
Wie Einschlüsse die Trinkwasserausbeute verringern
Ein Teil des Eises erfordert möglicherweise eine Behandlung oder Verwerfung
Wenn das geerntete Eis zu viel Salz enthält, kann der geschmolzene Strom den spezifizierten Grenzwert für Trinkwasser überschreiten. Dieses Wasser muss möglicherweise zusätzlich behandelt, verdünnt oder teilweise verworfen werden, anstatt als nutzbares Produkt zu gelten.
Folglich verringern Einschlüsse die effektive Ausbeute, selbst wenn die Gesamtmasse des geernteten Eises unverändert bleibt.
Geringe Änderungen der Rückhaltung können große betriebliche Auswirkungen haben
Die Hauptreferenz liefert einen anschaulichen Fall für einen Zulauf von 100 kg/min: Die Reduzierung der zurückgehaltenen Sole von 1,0 Gew.-% auf 0,5 Gew.-% kann die Trinkwasserproduktion von etwa 30 kg/min auf 65 kg/min steigern, während die erforderliche Reinheit gewahrt bleibt.
Dies ist kein universelles Produktionsverhältnis; die tatsächlichen Werte hängen von der Zulaufsalinität, dem Eisanteil, der Solekonzentration, der Trenneffizienz, dem Waschwassereinsatz und der Produktspezifikation ab. Das Beispiel verdeutlicht jedoch die nichtlineare betriebliche Bedeutung des Überschreitens einer Reinheitsschwelle.
Ausbeute und Reinheit sind gekoppelt
Geringere Einschlüsse verbessern die Reinheit direkt durch ε = σβ. Sie verbessern auch indirekt die Ausbeute, da weniger geschmolzenes Eis verworfen oder einer weiteren Behandlung unterzogen werden muss.
Für die Bewertung von Pilotanlagen sollte die Ausbeute daher als Trinkwasserrückgewinnung und nicht nur als Masse des geernteten Eises angegeben werden.
Wie Pilotanlagen Einschlüsse modellieren sollten
Definieren Sie die Systemgrenze über alle relevanten Einheiten hinweg
Eine nützliche Bilanz sollte die Kühl- oder Kristallisatoreinheit, den Eisabscheider, die Wasch-Kreislaufleitung und den Schmelzer umfassen. Sole, die am Ausgang des Abscheiders beim Eis verbleibt, muss als separater Flüssigkeitsbeitrag zum Feststoffstrom erfasst werden.
Dies verhindert, dass Salz aus der Bilanz verschwindet, wenn es physikalisch mit dem Eis transportiert wird.
Verfolgen Sie Wasser und Salz unabhängig voneinander
Das Modell sollte mindestens folgende Daten erfassen:
- Gesamtwasser, das in jede Einheit eintritt und sie verlässt
- Salz, das in jede Einheit eintritt und sie verlässt
- Salzkonzentration in der zurückgehaltenen Sole
- Anteil der zurückgehaltenen Sole im Eis
- Waschwasserzugabe und -kreislauf
- Produktwasser- und verworfene Soleströme
Eine reine Massenbilanz allein kann die Produktreinheit nicht vorhersagen, da sie nicht aufzeigt, wohin das Salz wandert.
Messen Sie die Rückhaltung, anstatt sie anzunehmen
Der Wert von β sollte aus Pilotdaten oder einem validierten Trennmodell geschätzt werden. Er kann mit der Kristallgröße, der Eisbetttiefe, der Belastung des Abscheiders, der Oberflächenentwässerung, der Rührung und den Betriebsbedingungen variieren.
Die Verwendung eines Nennwerts wie 1,0 Gew.-% kann für den ersten Entwurf nützlich sein, aber eine Sensitivitätsanalyse sollte auch niedrigere und höhere Rückhaltungsniveaus testen.
Strategien für Trennung und Waschung
Verbesserung der mechanischen Fest-Flüssig-Trennung
Zentrifugen, Skimmer, Entwässerungszonen und andere Fest-Flüssig-Trennvorrichtungen können die Menge der mit dem Eis abfließenden Sole reduzieren. Ihr Zweck ist es, freie und oberflächengebundene Flüssigkeit ohne übermäßigen Eisverlust zu entfernen.
Das beste Gerät ist nicht unbedingt dasjenige, das den trockensten Feststoff erzeugt. Es muss auch die Kristallausbeute bewahren, übermäßigen Energieverbrauch vermeiden und zuverlässig beim Durchsatz der Pilotanlage arbeiten.
Waschen des Eises vor dem Schmelzen
Ein Eiswaschschritt verdrängt konzentrierte Sole von Kristalloberflächen und Zwischenräumen. In der beschriebenen Konfiguration wird ein kleiner Teil des geschmolzenen Produktwassers – beispielhaft etwa 5 % – im Kreislauf geführt, um das Eisbett zu waschen, bevor das gereinigte Eis in den Schmelzer gelangt.
Der Waschstrom muss dann in die Wasser- und Salzbilanzen einbezogen werden. Waschen kann die Produktreinheit erheblich verbessern, erzeugt aber Wasser nicht ohne Kosten: Kreislaufstrom, Soleverdrängung, Vermischung und mögliche Produktverluste müssen berücksichtigt werden.
Verwendung von Kreislaufführung als Reinigungswerkzeug
Ein Waschkreislauf verändert das Trennproblem von der einfachen Entfernung von nassem Eis hin zur Verdrängung einer konzentrierten Flüssigkeit durch eine sauberere Flüssigkeit. Dies ist vergleichbar mit der Fest-Flüssig-Waschung in anderen Verfahrenseinheiten, bei denen die Wirksamkeit von Kontakt, Entwässerung, Vermischung und dem Volumen der Waschflüssigkeit abhängt.
Pilotversuche sollten bestimmen, ob das Kreislaufwasser alle relevanten Eisoberflächen erreicht und ob die verdrängte Sole effektiv entfernt wird, anstatt sie nur umzuverteilen.
Verständnis der Zielkonflikte
Geringere Rückhaltung kann die Eisrückgewinnung verringern
Eine aggressivere Trennung kann zusätzliche Sole entfernen, aber sie kann auch kleine Eiskristalle mitreißen oder mechanische Verluste erhöhen. Ein Prozess, der β auf Kosten eines erheblichen Eisverlusts minimiert, maximiert möglicherweise nicht die Trinkwasserrückgewinnung.
Das richtige Ziel ist daher die maximale Produktion von konformem Wasser, nicht die minimale Flüssigkeitsrückhaltung für sich allein.
Waschen verbraucht Produktwasser
Die Kreislaufführung eines Teils des Schmelzwassers verbessert die Salzabscheidung, aber dieses Wasser erscheint möglicherweise nicht sofort als Endprodukt. Der Nettonutzen hängt davon ab, wie viel Salz entfernt wird, wie viel Waschwasser zurückgewonnen wird und ob der Waschstrom Teil des Soleabflusses wird.
Die Solekonzentration kann sich während des Betriebs ändern
Die Beziehung ε = σβ zeigt, dass die Reduzierung von β nur ein Weg zu einer niedrigeren Produktsalinität ist. Wenn die Sole konzentrierter wird, kann ein konstanter Rückhaltungsanteil immer noch ein höheres ε erzeugen.
Die Betriebsbedingungen müssen daher sowohl die Menge der zurückgehaltenen Flüssigkeit als auch die Zusammensetzung der zurückgehaltenen Flüssigkeit kontrollieren.
Thermodynamische Nicht-Idealität ist ein separates Thema
Einschlüsse sind ein mechanisches Trennproblem, während sich die Nicht-Idealität des Phasengleichgewichts auf die Zusammensetzung der festen und flüssigen Phasen im Gleichgewicht bezieht. Aktivitätseffekte oder ungewöhnliches Verhalten von Liquidus- und Soliduskurven können die Reinigung begrenzen, selbst wenn Oberflächensole effektiv entfernt wird.
Für gewöhnliche Pilotstudien zur Gefrierentsalzung ist jedoch salzhaltige Flüssigkeit, die am Eis haftet, oft die dominierende praktische Reinheitsbeschränkung.
Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen
Die nützlichste Strategie für eine Pilotanlage hängt davon ab, ob die Priorität auf Reinheit, Ausbeute oder Prozessverständnis liegt.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf maximaler Trinkwasserreinheit liegt: Reduzieren Sie β durch verbesserte Entwässerung und Eiswäsche und überprüfen Sie dann die endgültige Salzkonzentration anhand der Produktspezifikation.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Trinkwasserrückgewinnung liegt: Optimieren Sie Trennung und Waschung gemeinsam, damit geringere Soleeinschlüsse nicht zu übermäßigem Eisverlust oder Waschwasserverwerfung führen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einer genauen Modellierung der Pilotanlage liegt: Definieren Sie Grenzen über Kristallisator, Abscheider, Waschkreislauf und Schmelzer hinweg und führen Sie separate Wasser- und Salzbilanzen durch.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Geräteauswahl liegt: Vergleichen Sie Zentrifugation, Skimming, Entwässerung und Waschung auf Basis der Netto-Produktion von konformem Wasser anstatt nur auf Basis der Trenneffizienz.
Indem Pilotanlagen eingeschlossene Sole als messbaren Prozessstrom und nicht als zufällige Verunreinigung behandeln, können sie sowohl die Reinheit der Gefrierentsalzung als auch die Trinkwasserausbeute vorhersagen und verbessern.
Zusammenfassungstabelle:
| Hauptfaktor | Auswirkung auf das Produkt | Reaktion der Pilotanlage |
|---|---|---|
| Anteil der zurückgehaltenen Sole (β) | Höheres β erhöht die Produktsalinität und verringert die Rückgewinnung von konformem Wasser | Verbesserung von Entwässerung und Fest-Flüssig-Trennung |
| Konzentration der zurückgehaltenen Sole (σ) | Konzentriertere Sole erhöht die Salzkonzentration im geschmolzenen Eis | Kontrolle von Solekonzentration und Betriebsbedingungen |
| Eiswäsche | Verdrängt Sole von Kristalloberflächen und Hohlräumen | Optimierung von Waschstrom, Kontakt, Entwässerung und Kreislauf |
| Trennvorrichtungen | Beeinflusst Soleentfernung, Eisverlust, Energieverbrauch und Zuverlässigkeit | Vergleich von Zentrifugen, Skimmern und Entwässerungssystemen |
| Prozessmodellierung | Eine reine Massenbilanz allein kann die Trinkwasserausbeute überschätzen | Verfolgung von Wasser und Salz über Kristallisator, Abscheider, Waschleitung und Schmelzer |
| Leistungsziel | Minimale Einschlüsse maximieren nicht immer die Rückgewinnung | Optimierung der maximalen Produktion von konformem Trinkwasser |
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