Benetzungsverhalten und Kristallisationsfouling in Rieselfilmverdampfern für die Meerwasserentsalzung

Durch die steigende weltweite Wasserknappheit nimmt die Meerwasserentsalzung bei der Versorgung mit Trink- und Brauchwasser eine immer größer werdende Bedeutung ein. Um die Effizienz heutiger und zukünftiger Verdampferanlagen zur Meerwasserentsalzung weiter zu steigern, ist es zwingend notwendig, weitere Erkenntnisse zum Kristallisationsfouling auf den Wärmeübertragungsflächen durch invers lösliche Salze und dessen Verminderung zu gewinnen. In Mehreffekt-Verdampfern mit berieselten horizontalen Rohren hat die Berieselungsdichte großen Einfluss auf das Kristallisationsfouling. Auf der einen Seite werden von Anlagenbetreibern geringe Berieselungsdichten angestrebt, um den Prozess möglichst effizient zu halten, auf der anderen Seite besteht bei einer zu geringen Berieselungsdichte die Gefahr der verstärkten Belagbildung. Deshalb wurden in dieser Arbeit Untersuchungen zur Benetzung unterschiedlicher Rohrwerkstoffe und zur Belagbildung in einem Rieselfilmverdampfer im Technikumsmaßstab durchgeführt. Dabei wurde die Verbesserung der Benetzbarkeit der Rohrmaterialien durch Benetzungsmittel untersucht. Versuche zeigten, dass bereits sehr geringe Dosierungen eines als geeignet ausgewählten Benetzungsmittels genügen, um maßgebliche Verbesserungen zu bewirken. Für Untersuchungen zum Einfluss des Rohrmaterials auf die Belagbildung wurden Kontaktwinkelmessungen durchgeführt. Basierend auf den daraus ermittelten Grenzflächenenergien wurden verschiedene Modelle zur Belagbildung angewendet und mit Ergebnissen aus Belagbildungsversuchen verglichen. Ferner wurde der Einfluss der Berieselungsdichte auf die Belagbildung bei teils sehr geringen Berieselungsdichten experimentell untersucht. Dabei zeigte sich mit abnehmender Berieselungsdichte und vor allem beim Aufreißen des Flüssigkeitsfilmes eine deutliche Zunahme des Calciumcarbonat-Belages. Auch der Einfluss eines Benetzungsmittels auf die Belagbildung wurde bei teils sehr geringen Berieselungsdichten untersucht. Mit dem Benetzungsmittel wurde eine geringere Belagbildung festgestellt. Die besten Ergebnisse wurden in Versuchen mit dem kombinierten Einsatz eines Benetzungsmittels und eines belagverhindernden Additivs erzielt, wobei die Belagbildung nahezu vollständig unterdrückt werden konnte. Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Oxidhaut auf Kupfer-Nickel-Rohren einen großen Einfluss auf die Oberflächenenergie, die Benetzung und die Belagbildung hat. Rohroberflächen mit vollständig ausgebildeter Oxidhaut zeigten eine geringere Belagbildung im Vergleich zu Rohroberflächen bei Erstkontakt mit Meerwasser. Außerdem wurde ein Modell zur Beschreibung der Calciumsulfat-Belagbildung auf einem beheizten Rohr, das in eine übersättigte Calciumsulfat-Lösung in einem Rührkessel eingetaucht ist, vorgestellt. Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Ergebnissen untermauert. Dabei wurden die Auswirkungen eines begrenzten Flüssigkeitsvolumens im Berechnungsmodell berücksichtigt.