Aufkonzentrierung bis zum Feststoff – Vakuumverdampfung in der Industrie

In der chemischen und pharmazeutischen Industrie fallen Abwässer unterschiedlichster Menge und Zusammensetzung an, wie Prozesswasser aus der Chemikalienherstellung, Spül- oder Reinigungswässer. Steigende Energiepreise und strengere Grenzwerte machen die Aufbereitung bzw. Entsorgung dabei immer teurer. Durch Verdampfung können solche Abwässer aufkonzentriert werden. So entstehen je nach gewähltem Verfahren dünn- bis dickflüssige oder sogar feststoffartige Konzentrate. Auf diese Weise muss weniger Abwasser entsorgt werden. Gerade in der Chemie- und Pharmaindustrie entstehen durch das Verdampfen von Flüssigkeiten Konzentrate, die als Wertstoffe weiter verarbeitet oder als Produkte verkauft werden können. In diesen Fällen ist eine schonende Verdampfung bei geringen Temperaturen wie sie mit Vakuumverdampfern möglich sind, besonders wichtig.

Mit der Vakuumverdampfung lassen sich zum Beispiel folgende Flüssigkeiten aufkonzentrieren:

• Prozesswässer aus der Chemikalienproduktion,
• Spülwässer aus Reaktoren und Reinigungsabwässern (Tanks, Behälter usw.),
• Umkehrosmosekonzentrate und Ionenaustauscher-Regenerate sowie
• Spülwässer aus der Dispersionsherstellung (teilweise kann das Konzentrat dabei wiederverwendet werden),
• Abwässer aus der Sprengstoffherstellung.

Desweiteren können Verdampfer auch eingesetzt werden, um Desinfektionslösungen auf Wasserbasis herzustellen.

Heiß und heftig odersanft und schonend

Um Lösungen auf Wasserbasis zu verdampfen, stehen verschiedene Verdampferverfahren zur Auswahl. Die wesentlichen Unterschiede liegen in der Verdampfungstemperatur, in der Energieversorgung und dem Umwälzmechanismus im Verdampfer. Die Brüdenverdichter der Baureihe TC verdampfen bei etwa 90°C. Temperaturempfindliche Medien können also mit diesen Anlagen nicht behandelt werden. Dafür ist der Energiebedarf sehr gering und beträgt etwa 0,04kWh/l produzierten Destillats. Die Anlagen decken ein Leistungsspektrum von 400 bis 10000l/h Destillat ab. Das eingesetzte Zwangsumlaufprinzip sorgt für eine hohe Verfügbarkeit und konstante Destillatproduktion.

Im Gegensatz zum Brüdenverdichter können Vakuumverdampfer dank der Kombination aus Wärmepumpe und Vakuum bei einer Temperatur von nur 35 bis 45°C verdampfen, so dass keine wertvollen Wirkstoffe zerstört werden. Doch die niedrige Temperatur hat nicht nur Vorteile für wärmeempfindliche Produkte und in Bezug auf die Destillatqualität, es entstehen auch weniger Verkrustungen. Die Bautypen E und EW arbeiten wie der Brüdenverdichter nach dem Zwangsumlaufprinzip. Nachteilig ist der höhere Energiebedarf von 0,14kWh/l Destillat. Allerdings wird dieser durch Vorteile im laufenden Betrieb wieder relativiert.
Ob das Prinzip des Zwangsumlaufs oder ein Schabersystem die bessere Wahl ist, hängt vom gewünschten Grad der Aufkonzentrierung und vom Eingangs-TDS-Gehalt (TDS = total dissolved solids) ab. Mit Zwangsumlaufsystemen ist in der Regel ein TDS-Gehalt im Konzentrat bis zu 30% möglich. Dagegen lassen sich mit dem Schabersystem 50% erreichen. Mit dem im Folgenden beschriebenen RW-System können aus einem flüssigen Ausgangsprodukt sogar Feststoffe mit einem Trockensubstanzgehalt von 90% gewonnen werden.

Förderschnecke sorgt für Sauberkeit und Transport

Herzstück des Vakuumverdampfers ist eine im Verdampferkessel liegende Förderschnecke, die mit Schaberblättern ausgerüstet ist. Während des Betriebes halten die Schaber den Heizmantel kontinuierlich von Verkrustungen frei. Die Schnecke mischt den Inhalt im Kessel des Verdampfers ununterbrochen und sorgt für einen guten Wärmeaustausch. Nach Zyklusende transportiert die Förderschnecke den Feststoff aus der Anlage heraus. Anschließend wird ein neuer Zyklus gestartet. Die Schaberblätter sind aus einem besonderen Material und haben eine Standzeit von etwa drei Jahren.

Heiß- und Kaltwasseranschluss

Eine weitere Besonderheit des Vakuumverdampfers ist die Energieversorgung: Die Anlage wird mit Heißwasser und Kühlwasser versorgt, welches bauseitig vorhanden sein muss. Das Heißwasser mit einer Temperatur von 80 bis 90°C bringt die erforderliche Energie, um das Medium im Kessel zu erwärmen und zu verdampfen. Das Kühlwasser sollte 5 bis 25°C kalt sein, damit der erzeugte Wasserdampf kondensieren kann. Der Energiebedarf beträgt jeweils etwa 35kW/m3 zu verdampfendes Wasser. Der RW-Vakuumverdampfer deckt zurzeit Mengen bis 500l/h ab.

Für ein breites Anwendungsspektrum – dazu gehören auch korrosive Medien – gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien. Dazu gehören nicht nur Edelstähle verschiedener Qualitäten und spezielle Legierungen, sondern auch resistente Beschichtungen. Häufig wird chloridbeständiger Duplex-Edelstahl eingesetzt, der gerade für die chemische Industrie besonders gut geeignet ist.
Natürlich benötigen Vakuumverdampfer, wie andere Verfahren auch, bestimmte Voraussetzungen, um das gewünschte Resultat zu erzielen. Dazu gehört, dass der Wasseranteil des zufließenden Abwassers mindestens 80 bis 90% betragen muss. Außerdem sollten keine leichtflüchtigen Stoffe in großen Mengen vorhanden sein. Diese verdampfen zum größten Teil mit dem Wasser und gelangen in das Destillat. Der Anteil gelöster Salze sollte unter 100g/l liegen. Auch nicht kondensierbare Stoffe im Medium stören. Probleme können beispielsweise Alkohole und Lösemittel verursachen.

Weniger Abwasserentsorgung –mehr Recycling

Anwendungsbeispiele für Vakuumverdampfer gibt es in der Chemikalien- und Medikamentenherstellung ebenso wie in der Kosmetikindustrie. So haben Abwässer aus der Herstellung von Shampoo und Seifenlösungen in der Regel eine hohe Leitfähigkeit und einen hohen CSB-Wert. Sie enthalten Sulfate, Phosphate, Chloride, Tenside und zum Teil auch Schwermetalle. Herkömmliche Verfahren können für diese Art von Abwässern die geforderten Grenzwerte oft nicht einhalten. Mit dem Vakuumverdampfer lassen sich diese Abwässer aufkonzentrieren, der Abwasserstrom wird so um rund 90% reduziert. Das gewonnene Destillat kann zum Teil wieder als Reinigungswasser bzw. als Kühlwasser eingesetzt werden. Das Konzentrat wird entsorgt.

Ein weiteres Beispiel sind Spülwässer aus der Medikamentenherstellung. Da diese Abwässer chargenweise in großen Mengen anfallen, kann die bestehende Abwasserbehandlung diese nicht verarbeiten. Deshalb werden die Spülwässer von den übrigen Abwässern getrennt weiter bearbeitet und separat mit Vakuumverdampfern aufkonzentriert. Das Destillat wird teilweise wiederverwendet, der Rest in die Kanalisation eingeleitet. Das Konzentrat, welches nur 5% der Anfangsmenge ausmacht, wird entsorgt.
Bei der Herstellung von Chemikalien auf Silikon-Basis fallen ebenfalls Spülwässer an. Die unterschiedlichen Abwasserströme werden chargenweise in einem Vakuumverdampfer vom Typ R 2000 aufkonzentriert. Die Destillationsraten liegen zwischen 84 und 95%. Der Vakuumverdampfer ist aufgrund der Konsistenz des Konzentrates mit einem Schaber ausgestattet. Beide gewonnenen Ströme, sowohl Destillat als auch das silikonhaltige Konzentrat, werden wieder zurückgewonnen.

Fazit: Vakuumverdampfer liefern eine gute Destillatqualität und Konzentrate mit einem Trockensubstanzgehalt bis zu 90%. In vielen Anwendungsfällen können deshalb sowohl das Destillat als auch das Konzentrat weiter verwendet werden. Dabei ist schonendes Verdampfen oft besonders wichtig. Bei den niedrigen Temperaturen von 35 bis 45°C werden keine Wirkstoffe zerstört, die Korrosionsgefahr ist gering. Dazu tragen auch hochwertige Materialen, wie chloridbeständiger Duplex-Edelstahl dabei. Eine Förderschnecke mit Schaberblättern hält den Heizmantel von Verkrustungen frei und sorgt damit für eine hohe Prozessverfügbarkeit. Außerdem mischt sie den Kesselinhalt und transportiert den Feststoff aus dem Kessel.