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Verfahren zur Verhinderung der Bildung von Verkrustungen an Gefässwänden
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Durch die Erfindung wird nun ein Verfahren für die Erhitzung derartiger Flüssigkeiten bzw.
Dispersionen geschaffen, bei dem das erhitzte
Material die Wände des Wärmeaustauschers nicht verschmutzt und bei dem der Durchfluss auch bei Temperaturen aufrechterhalten werden kann, bei welchen normalerweise Ansätze und Krusten- bildung an den Wänden des Apparates auftreten.
Dieses Verfahren kann in einer einfachen
Apparatur durchgeführt werden, welche die
Aufrechterhaltung der Kontinuität des Prozesses ermöglicht und keine Abschaltung für die Reini- gung erfordert.
Der Vorgang gemäss der Erfindung kann so geleitet werden, dass er sich von selbst aufrecht- erhält, ohne dass im Wärmeaustauscher Ver- schmutzungen auftreten und dass die ange- wendeten Massnahmen in der Flüssigkeit bzw.
Dispersion eine Reaktion auslösen. Wenn in der zum Verkrusten neigende Substanzen enthaltenden Flüssigkeit Substanzen enthalten sind, welche beim Erhitzen exotherm reagieren, so kann die bei dieser exothermen Reaktion entstehende Wärmemenge dadurch für das Verfahren ausgenützt werden, dass wenigstens ein
Teil der entstehenden Reaktionsprodukte, vorzugsweise die gesamten Reaktionsprodukte, einem Wärmeaustausch mit einer kontinuierlich zugeführten Gas-Flüssigkeits-Mischung unterworfen wird, wobei diese in die Gas-Dampfmischung umgewandelt wird, so dass eine sich zumindest teilweise selbst aufrechterhaltende Erhitzung erzielt wird.
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemässen Verfahrens werden an Hand der Zeichnungen im folgenden beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch eine für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Einrichtung, Fig. 2 stellt eine Einrichtung mit abgeänderter Anordnung einzelner Teile in schematischer Darstellung dar. Die Erhitzung einer zufliessenden Mischung von Gas und Flüssigkeit erfolgt dabei durch das aus den dargestellten Kammern abfliessende Material.
Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Form der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung. Dabei wird lediglich ein Teil der Wärme für das Gas-Flüssigkeits-Gemisch aus dem Kammerablauf bezogen und zusätzlich von aussen Wärme zugeführt. Ein Einlass in die Kammer für die eventuelle Zufuhr von Reaktionspartnern ist strichpunktiert angedeutet.
Erfindungsgemäss wird die Bildung von Ablagerungen an den Wänden des Wärmeaustauschers beim Arbeiten mit einem dazu neigenden Material auf folgendem Wege vermieden.
Eine Flüssigkeit wird mit einem Gas gemischt und erhitzt. Der dabei entstehende Dampf wird in die zu erhitzende Flüssigkeit, beispielsweise eine Ablauge, eingeführt und diese durch die bei Kondensation der Dämpfe freiwerdende Wärme erhitzt. Das dabei erzielte Ergebnis ist überraschend. Der Überzug auf den Wänden der Vorrichtung scheint zumeist aus polymerisierten verharzen organischen Stoffen zu bestehen, die sich bei Temperaturerhöhung bilden. Dementsprechend war anzunehmen, dass das Ausmass der Polymerisation und damit der Verkrustung nur von der Temperaturerhöhung abhängt. Bei Verwendung von Dampf zusammen mit einem nicht kondensierbaren Gas stieg die Temperatur jedoch wesentlich über jene, die für die Bildung von Ablagerungen kritisch ist (für Calciumligninsulfonat etwa
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Beim Erhitzen einer Alkali-Zellstoffablauge, von in Wasser fein verteiltem Müll und von Kanalisationsschlamm wurde innerhalb übereinstimmender Temperaturbereiche die gleiche Verschmutzung des Wärmeaustauschers beobachtet.
Wenn jedoch Gas und Wasserdampf bei erhöhter Temperatur und unter konstantem Druck eingeführt wurden, so schien eine Verzögerung der Polymerisation einzutreten, die Wände der Vorrichtung wurden durch feste Ausscheidungen aus der Lauge nicht verkrustet. Zweifellos zersetzen sich in der Lauge verschiedene Verbindungen unter Bildung von Komponenten, die bei der erhöhten Temperatur mehr oder weniger löslich sind. Dies ist bei solchen organischen Stoffen zu erwarten, aber keiner dieser Vorgänge verursachte eineverschmutzung der Anlage.
Wenn sich-z. B. zwischen dem eingeführten Gas und der Flüssigkeit-eine Reaktion abspielt, bei welcher Wärme frei wird, so kann diese dazu benützt werden, um die Temperatur des Wassers und des Gases zu erhöhen, so dass der beschriebene Prozess sich selbst erhalten kann.
Ein solcher sich selbst erhaltender Prozess geht vor sich, wenn eine Calciumligninsulfonat enthaltende Rohlauge, z. B. für die Herstellung von Vanillin, partiell oxydiert wird. Gewöhnliche Wärmeaustauscher verschmutzen dabei stark und verlangen zur Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Betriebes eine ständige Wartung.
Es wurde Luft mit Wasser gemischt und die Mischung erhitzt. Die entstandenen Dämpfe wurden in die Ablauge eingeführt. Die Temperatur der Ablauge war verhältnismässig niedrig (unter 104, 4 C), sie lag unter jener, bei der normalerweise feste Absonderungen auftreten. Die Fluidität des Materials im verwendeten Apparat war zufriedenstellend. Die eingeführten heissen Dämpfe verursachten eine starke Durchmischung und fast augenblicklich eine Erhöhung der Ablaugentemperatur.
Die in der Ablauge angestrebte Oxydation verlief in einem dem Sauerstoffgehalt der eingeführten Luft entsprechenden Ausmass, und die freigewordene Wärmemenge entsprach diesem Verlauf der exothermen Oxydationsreaktion.
Diese Wärme überstieg den Wärmebedarf des für die Erhitzung des Luft-Wassergemisches dienenden Erhitzers. Sie wurde in der teilweise oxydierten Ablauge für einen Wärmeaustausch mit der zufliessenden Luft-WasserMischung verwendet.
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in eine Kammer 12 gefördert. Gas und eine Flüssigkeit werden gemischt und durch eine Leitung 13 in einen Erhitzer 14 geführt. Ein Kompressor und eine Pumpe (beide nicht gezeichnet) führen Gas und Flüssigkeit dem System zu. In dem von einer äusseren Wärmequelle versorgten Erhitzer 14 wird die Temperatur der Gas-Flüssigkeitsmischung erhöht.
Diese Mischung wird durch eine Leitung 15 in die Kammer 12 geführt und hier in die Ablauge eingeleitet. Während der innigen Vermischung des Gas-Flüssigkeitsgemisches mit der Ablauge steigt die Temperatur der letzteren über jene, bei welcher sich normalerweise fest werdende
Stoffe an den Wänden des Wärmeaustauschers ansetzen. In der Kammer 12 treten jedoch, selbst nach längerem kontinuierlichem Betrieb, keine Ablagerungen auf, und auch in der von der Ablauge durchströmten Leitung 16 zu einer zweiten Kammer 17 und in dieser zweiten Kam- mer 17 konnte keine Verschmutzung oder Ab- lagerung von festem Material beobachtet werden.
Dieser Vorgang ist für die Grundoperation, also den reinen Wärmeaustausch an sich, kenn- zeichnend, bei dem das in die Kammern 12 und 17 eingebrachte Material keiner Reaktion unterworfen werden muss. Es ist selbstverständlich, dass auch eine einzige Kammer geeigneter Kapazität angewendet werden kann ; in der Zeichnung sind Anlagen mit mehreren Kammern dargestellt.
Wenn das in den Kammern 12'und 17' (Fig. 2) eingebrachte Material oxydiert werden soll, so wird ein Sauerstoff enthaltendes Gas, z. B. Luft, verwendet. Die vor sich gehende exotherm verlaufende Oxydation liefert eine Wärmemenge, welche den für die Erhitzung der Gas-Wassermischung vorhandenen Bedarf übersteigt, so dass der Ablauf als Wärmequelle verwendet werden kann.
Das oxydierte, aus der Kammer 17'austretende Material wird im Gegenstrom zu der zufliessenden Luft-Wassermischung in den Er- hitzer 14'geführt. Zur Regelung des Laugezuflusses zu diesem Erhitzer sind Ventile 18, 19
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den Wänden des Wärmeaustauschers polymeri- siertes, festes Material ab. Der Wärmeaus- tauscher musste zum erstenmal nach einer Woche gereinigt werden ; später war eine Reinigung durchschnittlich einmal im Tag erforderlich.
Das nächste Beispiel bezieht sich auf die Be- handlung des gleichen Materials nach dem Ver- fahren gemäss der Erfindung unter äusserer Wärmezufuhr in einer der Fig. 1 entsprechenden Anlage.
Beispiel 2 : Die Rohablauge wurde mit etwa
60 C in einer Menge von 98, 2 l per Minute in die Kammer gepumpt. Wasser mit etwa 15, 6 C und in einer Menge von etwa 25, 2 kg per Minute wurde mit Luft in einer Menge von etwa 16, 4 kg per Minute gemischt. Diese Mischung wurde auf etwa 162, 2 C erhitzt. Sie wurde in die Kammer (Fig. 1) geleitet und mit der Rohablauge vermengt. Bei dieser Vermischung stieg die Temperatur auf etwa 128, 30 C. Die Anlage wurde dauernd unter einem Druck von etwa 11, 9 kgfcm2 gehalten. Dann wurde das Material abgeführt. In der Kammer und in den Leitungen zeigte sich auch bei kontinuierlichem Betrieb keinerlei Verschmutzung.
Das folgende Beispiel bezieht sich auf ein unter einem Druck von 142 kg/cm durchgeführtes Verfahren, wobei sich der Prozess selbst aufrechterhielt. Mit Ausnahme der Einleitung des Verfahrens ist dieses von einer äusseren Wärmezufuhr unabhängig. Bei kontinuierlichem Betrieb wird die für den Start verwendete Wärmequelle ausgeschaltet. Die Anlage entspricht etwa der schematischen Dar- stellung nach Fig. 2 oder 3.
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in einer Menge von etwa 64, 4 kg per Stunde gemischt und die Mischung auf etwa 261, 60 C erhitzt.
In diesem Stadium ergibt sich folgende Wärmebilanz :
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<tb> Dampf............. <SEP> 18. <SEP> 219, <SEP> 2 <SEP> kcal <SEP> per <SEP> Stunde
<tb> Wasser <SEP> 6. <SEP> 980, <SEP> 3 <SEP> kcal <SEP> per <SEP> Stunde
<tb> Luft <SEP> 4. <SEP> 183, <SEP> 1 <SEP> kcal <SEP> per <SEP> Stunde
<tb> Gesamtwärme <SEP> in <SEP> der
<tb> Luft-WasserMischung <SEP> 29. <SEP> 382, <SEP> 7 <SEP> kcal <SEP> per <SEP> Stunde
<tb>
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von 204, 6 kg per Stunde eintritt. Der Wärmeinhalt der Ablauge beträgt 1310, 4 kcal. Bei der Vermischung in der Kammer steigt die Temperatur auf etwa 162, 70 C. Damit ist, abgesehen von in der Kammer sich abspielenden Reaktionen, die gewünschte Zwischentemperatur erreicht.
Wenn jedoch das Material in der Kammer mit dem Sauerstoff der zugeleiteten Luftmischung. zur Reaktion gebracht wird, so hat der Ablauf eine Temperatur von etwa 2990 C. Damit steht für die erforderliche Erhitzung der Luft-
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Wassermischung im Erhitzer eine weitaus genügende Wärmemenge zur Verfügung. Der kontinuierliche Prozess verläuft in der in Fig. 2 skizzierten Weise ohne Verschmutzung der Wände der Vorrichtung.
Mit Kanalisationsabfällen und in Wasser dispergiertem Müll wurden ähnliche Prozesse durchgeführt, um die Wirkung des Verfahrens gemäss der Erfindung zu demonstrieren. Beim Erhitzen nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Vorgang (üblicher Wärmeaustausch) ergaben viele Bestandteile der Ablauge bei etwa 93, 3-110 C feste Abscheidungen und Verkrustungen. Über diesen Temperaturen erhöhen sich die Abscheidungen in der Anlage.
Wie aus Beispiel 2 ersichtlich ist, war die GasFlüssigkeitsmischung in der Kammer 12, ohne Rücksicht auf eine exotherme Reaktion, über jener Temperatur, bei der Calciumligninsulfonat an den Wänden eines üblichen Wärmeaustauschers zu verkrusten beginnt. Da das aus
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die zugeführte Gas-Wasser-Mischung wesentlich vorgewärmt und damit diejenige Wärmemenge wesentlich vermindert werden, die von aussen zugeführt werden muss, um die Luft-WasserMischung der Kammer 12'mit einer Temperatur von 162, 2 C zuleiten zu können. Eine solche Wärmeersparnis wird bei Verwendung einer Fig. 2 entsprechenden Anlage erzielt.
In ähnlicher Weise ist bei endothermen Reaktionen der nach der Reaktion verfügbare Wärme- überschuss noch für einen Wärmeaustausch mit der zufliessenden Gas-Flüssigkeitsmischung verwendbar, wobei die letztere vorgewärmt und damit von aussen zuzuführende Wärme eingespart wird.
Wenn das Verfahren, wie es in Beispiel 2 und 3 beschrieben ist, für Kanalisationsschlamm oder für in Wasser dispergierte Abfälle angewendet wird, so werden ähnliche Ergebnisse erzielt. Verschmutzungen wurden nicht beobachtet. Die Temperaturen des Kammerablaufes entsprechen der exothermen Reaktion in der Kammer. Der Prozess verläuft entsprechend der Darstellung in Fig. 2 und Beispiel 2. Hitzezufuhr von aussen ist nicht nötig, die erforderlichen Temperaturen für Gas und Wasser werden durch Wärmeaustausch mit dem im Gegenstrom geführten Kammerablauf erreicht.
Bei allen Beispielen wurde im System mit gesättigtem Dampf gearbeitet. Bei Beispiel 1 musste in das System Wasser eingebracht werden.
In Beispiel 2 wurde so viel Wasser zugeführt, als die Pumpe lieferte. Eine Regelung war nicht möglich.
Das Arbeiten mit einem Wasser-Luft-Gemisch, wie es in den Beispielen erläutert wird, ist nur dann erforderlich, wenn der Luftsauerstoff mit der Ablauge der Kammer reagieren soll. Andernfalls kann z. B. auch ein inertes, nicht kondensierbares Gas, z. B. Stickstoff, angewendet werden. Auch reaktionsfähige Gase können eingeführt werden.
Es ist zu ersehen, dass für Materialien, welche auf dem üblichen Weg ohne Verschmutzung der Apparatur nicht erhitzt werden können, gemäss der Erfindung ein sehr einfaches Verfahren und eine ebensolche Einrichtung zur Verfügung stehen. Wenn das Verfahren mit einer exotherm verlaufenden Reaktion verbunden ist, so wird ein kontinuierlicher Betrieb möglich, bei dem die für die Erhitzung des Materials erforderliche Wärme vom System selbst geliefert wird.
Es ist klar, dass auch verschiedene, hier nicht ausdrücklich erwähnte Modifikationen des beschriebenen Verfahrens ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verhinderung der Bildung von Verkrustungen an den Wänden von Gefässen, mit welchen Flüssigkeiten, die bei einer Erhitzung zum Verkrusten neigende Substanzen enthalten, in Berührung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass in eine solche Flüssigkeit eine erhitzte Gas-Dampfmischung eingeführt wird, so dass die Temperatur der Flüssigkeit auf einen Wert ansteigt, welcher über jenem liegt, bei dem in der Hitze festwerdende Bestandteile an den metallischen Wänden eines Wärmeaustauschers normalerweise Verkrustungen bilden.