Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10933
For citation please use:
Main Title: Untersuchungen zur Abreicherung von Fremdionen über die Kristallphase
Translated Title: Investigations on the depletion of ions through crystalline phase
Author(s): Erlbeck, Lars
Advisor(s): Methner, Frank-Jürgen
Rädle, Matthias
Referee(s): Methner, Frank-Jürgen
Rädle, Matthias
Flöter, Eckhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die Entsalzung von Meerwasser zur Produktion von Trinkwasser bzw. die Aufreinigung von Quellwasser zur Nutzung als Prozesswasser stellt eine wichtige Technologie dar, die mit den bisherigen Methoden in Gebieten mit hoher wirtschaftlicher Stärke oder mit großen energetischen Vorkommen ausreichend realisiert wird. Wenn diese Voraussetzungen jedoch nicht gegeben sind, dann ist es derzeit schwierig, ein Angebot an adäquat aufgereinigtem Wasser zu erzeugen. Ein hierfür sowohl ökologisch als auch ökonomisch günstiges Verfahren zur autarken Versorgung mit sauberem Wasser kann die Methodik der Gefrierkristallisation darstellen. Bisherige Verfahren in diesem Bereich benutzen die Kristallisation zur Erzeugung von Eis und das Waschen als notwendige Nachbehandlung. Das in dieser Arbeit erforschte Verfahren beschäftigt sich mit dem Pressen von Eis als alternativer Möglichkeit der Nachbehandlung. Die grundsätzliche Untersuchung der Eignung dieses Prozesses sowohl zur Entsalzung einer künstlichen Laborlösung und einer realen Meerwasserprobe aus dem Atlantischen Ozean als auch der Entkalkung von Leitungswasser führte zur Erfassung der für die Pressung wichtigsten Kennzahlen. Als erstes aufgebautes Testsystem wurde eine Eismaschine zusammen mit einer gekühlten Stempelpresse verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Entsalzung bis zu Trinkwasserqualität möglich ist und dass eine grundsätzlich größere Ausbeute im Vergleich zur Waschung erhalten wird. Außerdem konnte gezeigt werden, dass eine höhere Presskraft nur bedingt eine Verbesserung der Qualität bewirkt, wenn nicht zeitgleich die Haltezeit der Presskraft ebenfalls angepasst wird. Auf Basis dieser Versuche und der entsprechenden Auswertungen konnte ein Kristallisationsbehälter mit integrierter Nachbehandlung in Form eines perforierten Konus ausgelegt und gefertigt werden. Dieser Behälter wurde mit einer Förderschnecke ausgestattet, die einerseits das Eis von der Wandung befreien und andererseits dieses zum und durch den Konus fördern sollte. Die erste untersuchte Förderschnecke wies dabei eine besonders große Steigung von 19,0° mit dementsprechend wenigen Schneckengängen auf, wohingegen die zweite untersuchte Schnecke eine Steigung von 4,33° aufwies. Zur Kühlung wurde ein Doppelmantel installiert, der mit einer wässrigen Ethylenglykol-Mischung durchströmt und in einer separaten Kälteanlage gekühlt wurde. Zur Untersuchung wurden sowohl die mittlere Kühlmitteltemperatur als auch die Drehzahl der Schnecke variiert und die Auswirkungen auf den Wärmestrom, den Wärmedurchgangskoeffizienten, die Salzkonzentration des erhaltenen Eises sowie die Kristallfläche und die Kraftänderung analysiert. Als Ausgangslösung mit hoher Salzkonzentration diente eine wässrige NaCl-Lösung mit 4,0 Gew.-% und als Lösung mit geringer Ausgangskonzentration diente eine künstlich angesetzte Lösung aus Leitungswasser, die mit Eisenchlorid, Ammoniumnitrat, Harnstoff und mit Mangansulfat versehen wurde. Die Verringerung der Kühlmitteltemperatur zeigte eine direkte Vergrößerung des Wärmestroms bei gleichzeitiger Abnahme des Wärmedurchgangskoeffizienten, was auf einen größeren Eismassenstrom zurückgeführt werden kann. Die Reinheit des erhaltenen Eises sank mit jeder einzelnen Verringerung der Kühlmitteltemperatur und konnte anhand der gepressten Eiskristallfläche und der Kraftänderung nachvollzogen werden. Dies resultierte aus dem gestiegenen Massenstrom, der die Verweilzeit des Eisgemischs im Konus verringerte und damit eine ausreichende Separation im Konus verhinderte. Die Erhöhung der Drehzahl des Schneckenförderers ergab zu Beginn eine erwartungsgemäße Erhöhung des Wärmedurchgangskoeffizienten, gefolgt von einer Verringerung dessen bei weiterer Erhöhung. Der Wärmestrom sank hierbei ab. Die Eisreinheit verbesserte sich ebenfalls im ersten Schritt, um dann bei weiterer Drehzahlsteigerung abzunehmen. Die Kristallfläche zeigte eine direkte und die Kraftänderung eine indirekte Überproportionalität zur Entsalzungseffizienz an. Anhand dieser durchgeführten Forschungsarbeit ist es möglich, einen Kristallisationsbehälter zu konstruieren, der mittels der Gefrierkristallisation Eis aus einer wässrigen Lösung erzeugt und durch Verpressung nachbehandelt, sodass Trinkwasser/Prozesswasser erhalten werden kann. Dabei muss die Auslegung der Verpressung entweder flexibel für die Betriebsparameter einstellbar sein oder die Anlage bei sehr stark festgelegten Parametereinstellungen betrieben werden.
Seawater desalination to produce potable water as well as water purification of well water to produce process water are important technologies, which can be used, as long as economic power or required energetic resources are available. If these preconditions are not met, it is quite hard to obtain suitably cleaned water. A potential ecologically and economically more feasible process to produce pure water self-sufficiently is available with freeze crystallization. Until now, this kind of desalination is usually combined with ice washing as a post-treatment step. This work explores the technology of ice pressing as a possible post-treatment. Consequently, basic investigations were conducted to investigate the suitability to the desalination of an artificial solution, a real seawater sample from the Atlantic Ocean and for the decalcification of extremely hard tap water. These studies produced the key figures, which were later used to design a suitable crystallizer. For this investigation, a commercial crystallizer in combination with a self-made cooled pressing mold were used. The results showed that complete desalination is feasible and, in principle, a higher yield can be achieved as compared to washing. Furthermore, it could be shown that a higher pressing force does not necessarily lead to better quality; instead, the holding time of the pressing plays a more important role. As mentioned, the experimental results were used to design a crystallizer with already implemented pressing section, constructed as a perforated cone. The crystallizer itself was equipped with a screw conveyor, whose purpose was to scratch the ice from the cooling surface and transport it to and through the cone. The initially investigated screw had a large pitch of 19.0° with accordingly large number of spirals, whereas the second screw had a pitch of 4.33°. For cooling purposes, a double jacket was flushed with a chilled aqueous ethylene glycol mixture, which was cooled in a separate cooling system. Investigation of the crystallization system with integrated pressing section was conducted by varying the mean coolant temperature and rotational speed to measure the effect on heat flow, heat transition coefficient, change of force, and crystal area of the achieved ice mass before and after the cone. The initial solution for all experiments was either a high concentrate of 4.0 wt.-% aqueous sodium chloride solution or a low concentrate (an aqueous mixture of tap water with iron chloride, ammonium nitrate, urea, and manganese sulfate). A decrease of the coolant temperature led to a drop in the heat transition coefficient and removal efficiency. Furthermore, the heat flow increased as expected. Therefore, the increase in temperature difference resulted in a higher ice mass, inhibiting the heat transfer and a sufficient separation within the cone. The initial increase of the rotational speed of the screw led to a rise of the heat transition coefficient followed by a later drop after further increasing the speed. The same behavior could also be seen with removal efficiency. The heat flow decreased continuously with each increase of rotational speed. For both experimental examinations, a direct overproportionality of the crystal area of the pressed ice to the removal efficiency and an inverse overproportionality of the change of force was shown. Based on these investigations, it is possible to design a crystallizer to desalinate water or produce process water, through freeze crystallization combined with an integrated pressing section. The design must take into account that with changing parameters the plant has to be flexibly adjustable or the plant must operate under rigid parameters.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12059
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10933
Exam Date: 18-Nov-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 10-Dec-2020
DDC Class: 664 Lebensmitteltechnologie
Subject(s): Wasseraufbereitung
Meerwasserentsalzung
Gefrierkristallisation
seawater desalination
freeze crystallization
water treatment
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Appears in Collections:FG Brauwesen » Publications

Files in This Item:
erlbeck_lars.pdf
Format: Adobe PDF | Size: 76.51 MB
DownloadShow Preview
Thumbnail

Item Export Bar

This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons