Verfahren zum Verdampfen von Flüssigkeiten.
Bis anhin konnte die Wärmewirtschaft lichkeit und teilweise auch die Leistung der Verdampfung mittelst Vakuum, Mehrstufenanordnung und Wärmepumpe gesteigert werden. Zum Eindampfen temperaturempfindlicher Flüssigkeiten wurde die Vakuumverdampfung angewendet, jedoch erhöhten sich die Energie-und Anschaffungskosten. Es sind auch Verdampfer bekannt, die durch Einführung von Luft eine Verdampfungs temperatur von Wasser unter 100 bei Atmosphärendruck erreichen.
Jedoch sind solche Systeme unwirtschaftlich, da die Luft bei tieferer als dem Verdampfungspunkt entsprechenden Temperatur eingeleitet wird, wodurch am, dem Verdampfer ein Mehrverbrauch an Wärme zur Erhöhung der Lufttemperatur auf die Verdampfungstemperatur notwendig wircl. Ferner benötigen solche Verdampfer einen grossen Überschuss an Luft, so dass neben dem hohen Wärmebedarf auch der Xr erbrauch für die Förderung steigt.
Es wurde nun gefunden, dass sich die Verdampfung in sehr wirtschaftlicher Weise dadurch ermöglichen lässt, dass ein Gas als sogenanntes Partialdruckreduziermittel zugeleitet und zur Ausnützung der im System anfallenden Wärme vor Eintritt in den beheizten Verdampfer mit einem Wärmeträger in Wärmeaustausch gebracht wird und diese Wärmegewinnung als wirtschaftlich gün set. ist unterhalb der dem Gesamtdruck entsprechenden Verdampfungstemperatur erfolgt.
In Fig. 1 der Zeichnung ist das Wesen vorliegender Erfindung an einem Beispiel schematisch gezeigt, indem ein gasförmiges Mittel vor Eintritt in den beheizten Verdampfer V in einem Wärmeaustauscher WI zur Rückgewinnung der Wärme des den Verdampfer verlassenden Gasdampfgemisches geleitet wird. Ferner wird auch die Abwärme des Ileizimgssystemes H in einem Wärmeaustauscher W2 dem Partialdruckreduzier mittel zur Ausnützung zugeführt undloder im Wärmeaustauscher W5 zur Verdampfung herangezogen. Es ist aber von Wichtigkeit, dass stets das Partialdruckreduziermittel durch Wärmeaustausch mit mindestens einem Wärmeträger der anfallenden Wärme vor seinem Eintritt in den Verdampfer erwärmt wird.
Bei einer Verdampfungstemperatur unterhalb der Temperatur des in das Verdampfungssystem eintretenden Partialdruckreduziermittels kann auch diese Temperaturdifferenzwärme ausgenützt werden. Für diesen Fall fällt im oben erwähnten Beispiel der Wärmeaustauscher Wl weg, da die Temperatur des abströmenden Gasdampfgemisches niedriger ist als diejenige des Partialdruckreduziermittels. Es wird alsdann die Abwärme des Heizungssystemes im Wärme austauscher W dem Partialdruekreduzier- mittel zur Ausnützung zugeführt. Obwohl bei tieferen Temperaturen der Kraftbedarf zur Förderung des gasförmigen Mittels steigt, sind Verdampfungen beispielsweise bei 15 C noch bedeutend wirtschaftlicher als solche unter Vakuum.
Ein Vergleich der optimalen Energiekosten in Funktion der Verdampfungstemperatur zeigt Fig. 2 für beispielsweise kontinuierliche Verdampfung von Wasser mit Dampf als Heizmittel unter Berücksichtigung gleicher Einheitskosten der Energiemengen.
Kurve a stellt die Kosteneinheiten für Va kuumverdampfung mit Kondensatwärmeaus- nützung dar und : Kurve b diejenigen für be- kannte Verdampfer mit Zuleitung von Luft von 20 und einer relativen Feuchtigkeit von 50%, wobei die Kosten für die Gebiete niederer Temperaturen, welche erst durch das neue Verfahren zur Anwendung kommen können, nur punktiert eingezeichnet wurden.
Kurve c veranschaulicht die Energiekosten für das neue Verfahren mit Partialdruckverdampfung beispielsweise nach System Fig. 3 mit Luftzuführung, und zwar mit Rückgewinnung der Wärme des Luftdampfge- misches und des Kondensates und bei tieferen Temperaturen noch mit Ausnützung der
Temperaturdifferenzwärme. Kurve d zeigt die Kosten nach System Fig. 5. Bei An wendung eines einclc: l'artialdruekle duziermittels mit kleinerer relativen Feueltiglteit stellen sich die Kosten noch erheblich günstiger.
Versuche haben bestätigt. dass sich bei
Anwendung der Partialdruckverdampfung je nach Betriebsverhältnissen und Energieein heitskosten Ersparnisse bis über 30 % ergeben gegenüber gleichen Bedingungen an bekann ten Verdampfern. Sie haben ferner gezeigt, dass die Verdampfungsleistung je nach der
Natur des verwendeten Heizmittels grösser wird, indem sie bis über 210% mehr betragen kann als der theoretischen Erhöhung des Ge fälles zwischen der Temperatur des Heiz mittels und derjenigen des dem Partialdruck zugeordneten Siedepunktes entspricht. Diese Beobächtung findet darin ihre Erklärung, dass an der Heizfläche keine Dampfblasen wie bei den bekannten eigentlichen Verdampfern sich bilden können, welche die Heizfläche teilweise unwirksam machen.
Diese Vorteile der Partialdruckver dampfung ergeben, auf die mehrstufigen
Verdampfer angewendet, welche an und für sich schon sehr wärmewirtschaftlich sind, noch günstigere Verhältnisse.
Das neue Verfahren eignet sich nicht nur bei niederen Verdampfungstemperaturen zur
Ausnützung von Nieder- bezw. Unterdruck- dampf und der Abwärme von Feuerungen, zur Steigerung der Verdampfungsleistung, sowie zur Behandlung temperaturempfind licher Produkte, sondern auch zur Reduktion der Verdampfungstemperatur von hoch siedenden Stoffen. Diese letztere Temperatur erniedrigung, welche gleichzeitig durch die
Massnahme einer Druckänderung gesteigert werden kann, verbindet die genannten tech nischen auch mit chemischen Vorteilen, wie
Aufhaltung der Zersetzung, Beeinflussung chemischer Reaktionen usw. Dadurch sind neue Möglichkeiten geschaffen, um beispiels weise Destillationen von hochsiedenden Ge mischen, wie die der Schmierölgruppe, aus führen zu können, die der hohen Temperatur wegen sonst technisch schwierig zu meistern sind.
Zudem ist damit eine günstige Wärmerückgewinnung verbunden.
Die Partialdruckverdampfung kann auch vorteilhaft über Atmosphärendruck Anwendung finden, da unter Annahme gleicher spezifischer Gasgehalte das absolute Gefälle zwischen der dem Gesamtdruck und der dem Partialdruck entsprechenden Verdampfungstemperatur mit höherem Drucke zunimmt.
Für Destillationen und Rektifikationen von Flüssigkeitsgemischen eignet sich das neue Verfahren nicht nur der wärmetechnischen Vorteile, sondern auch der wesentlich geringeren Verluste an Lösungsmitteln mit niederem Siedepunkt wegen gegenüber glei chen Verhältnissen unter Vakuum, da nach letzterer Methode durch die grössere Druckdifferenz und durch den Unterdruck bedingte Apparateundichtigkeiten bedeutende Verluste entstehen.
Zur Verdampfung und Destillation von sauerstoffempfindlichen Stoffen können zweckmässig indifferente Gase, wie Abgase von Feuerungen und industriellen Anlagen, Stickstoff, Wasserstoff und dergleichen, als Partialdruckreduziermittel Verwendung finden.
Die Verdampfungssteigerung ist besonders für Apparate der chemischen Industrie vorteilhaft, da für diese des Verwendungszweckes wegen die grösstmöglichen Heizflächen mit dem Kesselrauminhalt gegeben sind und meist nicht vergrössert werden können. Besonders günstig erweist sich das neue Verfahren zum Eindampfen von korrodierend wirkende und flüchtige Substanzen enthaltenden Flüssigkeiten, wie Säuren und Alkalien. Zur Abführung der sauren bezw alkalischen Brüden sind bei der Vakunmver- dampfung teure Apparaturen und Maschinen teilweise aus korrosionsbeständigen Wert ; stoffen notwendig, während beim neuen Ver- fahren einfache Konstruktionen aus billigem Material verwendet werden können.
Die Verdampfung kann nämlich mit einem Üb er- schuss an Partialdruckreduziermittel so geleitet werden, dass das abströmende saure bezw. alkalische Gasdampfgemisch ungesättigt ist, also überhitzt den Verdampfer verlässt, wodurch die Konstruktionsmaterialien chemisch weniger angegriffen werden.
Die Wärmerückgewinnung in den Wärmeaustauschern Wl und W2 nach : Fig. 1 kann durch indirekte Wärmeübertragung, wie zum Beispiel durch Oberflächenwärmeaustauschung, gegebenenfalls mit Zuhilfenahme eines Zwischenmediums, oder mittelst direkter Wärmeübertragung, beispielsweise Mischung, Diffusion und dergleichen zwl- schen dem wärmeabgebenden und dem den Partialdruck reduzierenden Mittel erfolgen.
Die Wärmeausnützung durch Wärmeaus- tauscher W3 findet meistens durch indirekte Wärmeübertragung statt.
Das aus dem Verdampfungssystem abströmende Gasdampfgemisch kann einem andern geeigneten Verdampfer zur noch weiteren Ausnützung zugeleitet werden. Ferner kann durch partielle : Kondensation der spezi- fische Gasgehalt vergrössert werden, womit dieses gasreichere Gemisch ganz oder teilweise wieder als Partialdruckreduziermittel ausgenützt und im : Kreislauf zu dem gleichen Verdampfungssystem zurückgeführt werden kann.
Die durch partielle Kondensation ausgeschiedene flüssige Phase des Gasdampfgemisches kann durch Abscheider, wie Zyklon, Strahlablenkvorrichtungen, mechanische oder elektrische Filter und dergleichen, aber auch durch die Methode der Absorption und Adsorption, von der gasdampfförmigen Phase getrennt werden.
Zum Transport des Partialdruckreduziermittels können je nach Druckverhältnissen Fördervorrichtungen, wie Ventilatoren, Kom- pressoren und Strahlverdichter, zur Anwendung kommen.
Das Partialdruckreduziermittel kann durch Verteiler, beispielsweise Diffusoren Vorrichtungen mit tangentialer Einmündung zur spiralförmigen Gasführung und dergleichen derart über, auf oder unter den Flüssigkeitsspiegel eingeführt werden, dass es möglichst gesättigt schnell aus der Grenzschicht der einzudampfenden Flüssigkeit entfernt wird.
Durch Verstellvorrichtungen lässt sich dies mittelst Regler, wie etwa Schwimmer und Humidostaten, automatisch erreichen.
Als Partialdruckreduziermittel können Gase oder Gemische derselben mit Dämpfen zur Verwendung kommen, die neben der physikalischen Aufgabe auch noch gegebenenfalls eine chemische Wirkung zu erfüllen vermögen, zum Beispiel Hydrierung, Oxydation und dergleichen. Gase mit kleinem Molekulargewicht ergeben wohl geringere spezifische Gasgehalte, sind aber in der Wärme- und Energiebilanz nicht wesentlich günstiger. Dagegen ergeben solche mit grösserer Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Wasserstoff, besondere Vorteile in bezug auf die Wärmeübertragung im Wärmeaustauscher und Kondensator.
Zur indirekten Beheizung des Verdampfers können als Heizmittel Dampf verschiedenen Druckes, insbesondere Niederdruckdampf, zirkulierende Flüssigkeiten, wie Wasser, Öl, Heizgase und Feuerungen durch mittelbare und unmittelbare Wärmeübertragung mit Ö1, Gas, Kohle oder dergleichen dienen. Bei der Destillation binärer oder höherer Gemische kann die Beheizung direkt erfolgen, indem eine der Gemischkomponenton als Heizdampf in das Gemisch eingeleitet wird, wobei die direkte Wärmeübertragung wie bei bekannten Wasserdampfdestillationen erfolgt.
Anhand der schematischen Zeichnungen wird die Erfindung des Näheren erläutert, ohne dass aber der Erfindungsgedanke auf die beispielsweise gegebenen Ausführungsformen beschränkt sein soll.
In Fig. 3 stelt 1 den Verdampfer mit einer Förderpumpe zur Berieselung, 2 den Heizkörper mit Heizzitteleintritt 3, 4 den Brüdenraum und 5 die Leitung zur Abführung des Luftdampfgemisches dar. Durch den Ventilator 6 wird das Partialdruckreduziermittel, im vorliegenden Falle Luft, angesaugt, der ejektorartigen Ansaugvorrichtung 7 zugeführt und mit dem Luftdampfgemisch vor Eintritt in den Zyklon 8 gemischt, wodurch zwischen der kalten Luft und dem warmen Luftdampfgemisch ein direkter Wärmeaustausch stattfindet und da her aus dem Gemisch Dalllp I kondensiert.
Das Kondenswasser wird durch Zentrifugalwirkung im Zyklon 8 vom Luftdampfgemisch getrennt und über Auslauf 9 entfernt. Ein Teil des Luftdampfgemisches wird über Sammler 10, Leitung 11 und Verteiler 12, zum Beispiel unter den Flüssigkeitsspiegel dem Verdampfer wieder zugeführt.
Der restliche Teil des Luftdampfgemisches entweicht über Schlot 13 ins Freie oder kann für andere Zwecke noch ausgenützt werden.
Mittelst des Luftstromes von Ventilator 6 wird in der ejektorartigen Ansaugvorrichtung 7 ein Unterdruck erzeugt, der das Luftdampfgemisch aus dem Verdampfer 1 und somit auch den Luftdampfanteil aus dem Zyklon 8 über Leitung 11 und Verteiler 12 in den Verdampfer 1 saugt. Genügt für bestimmte Anordnungen der Unterdruck nicht, oder erweist sich die Ansaugvorrichtung 7 für sehr grosse spezifische Luftgehalte als nicht ökonomisch, so ist ein Ventilator 6a (Fig. 3 punktiert eingezeichnet) in die Leitung 11 einzubauen. Nach letzteren Bedingungen kann die Anlage auch unter Weglassung von Ventilator 6 mit Ventilator 6a betrieben werden, wodurch die nötige Luft durch die Ansaugevorrichtung 7 angesaugt wird.
Mittelst einer geeigneten Verstellvorrichtung, beispielsweise eines am Diffusoraustritt angebrachten Ringschwimmers 14 und manschettenartiger Führung 15 von Diffusor 12 und Leitung 11, wird der Verteiler je nach Lauge des Flüssigkeitsspiegels in die wirtschaftlichste Betriebsstellung, nach welcher das Luftdampfgemisch mög lichst gesättigt den Verdampfer verlassen soll, gesteuert.
In Fig. 3 ist die Beheizung mit Dampf vorgenommen. Die Kondensatwärme kann derart zur Verdampfung ausgenützt werden, dass das liondenswasser vom Druckheizkörper 2 über den Ableiter 16 einem weiteren Heizkörper 17 zugeführt wird, womit die durch die Druckentlastung freiwerdende Dampfwärme, sowie die Kondensatwärme, bis zur Verdampfungstemperatur ausgenützt werden kann. Der Zwischenheizkörper 17 ist der bes. seren Ausnützung der Kondensatwärme wegen, bedingt durch die geringere hydrostatische Flüssigkeitshöhe im Verdampfer, oberhalb des Hauptheizkörpers 2 anzuordnen.
Bei der kontinuierlichen Verdampfung kann das aus dem Heizkörper 17 mit der Verdampfungstemperatur abfliessende Kondensat weiter zur Erwärmung der zufliessenden Flüs- sigkeit in einem Wärmeaustauscher 18, dienen, während das bis auf die Flüssigkeitstemperatur abgekühlte Kondensat über Auslauf 19 abfliesst. Die Erwärmung kann auch kombiniert mit teilweiser Ausnützung der restlichen Brüden vorgenommen werden.
Letztere Anordnung ist in der Figur nicht eingezeichnet. nie Ausführungsform nach Fig. 4 unterscheidet sich von der nach Fig. 3 dadurch, dass nur ein Teil der Brüden zwecks Ausnützung der Wärme mit der Luft in Mischung gebracht wird. Sie dient für Anlagen, in welchen das durch Schlot 13 abströmende Luftdampfgemisch für anderweitige Ausnützung, wie zum Beispiel im Mehrstufen- verdampfer, Verdampfer mit Wärmepumpe, wie nach Fig. 11 Anwendung findet.
Der durch Ventilator 6 erzeugte Luftstrom saugt durch die ejektorartige Ansaugvorrichtung 7 über eine regulierbare Drosselklappe 22 einen Teil des Gesamtluftdampfgemisches aus Leitung 5 an, wobei das aus der Mischung kondensierte Wasser, wie für Fig. 3 beschrieben, im Zyklon 8 ausgeschieden, während das luftreichere Luftdampfgemisch über den Wärmeaustauscher 23 in den Verdampfer gefördert wird.
Nach dieser Anordnung wird bei Dampfheizimg das Kondensat von Heizkörper 2 durch Ableiter 1 6 n acli dem Oberflächenwärmeaustausc.her 23 gefördert, wo es die Wärme dem zuzuführenden Partialdruckreduziermittel abgibt und als gekühltes Kondensat über Auslauf 24 abfliesst. Bei grösserem Widerstand des System mes kann an Stelle von Ventilator 6, Ventilator 6a (in Fig. 4 punktiert eingezeichnet) vorteilhaft Verwendung finden.
Fig. 5 stellt einen offenen Partialdruck verdampfer für indirekte Erwärmung des Partialdruckreduziermittels durch die Luftdampfgemischwärme dar. Über Drosselklappe 20 und Ventilator 6 wird die Luft einem Oberflächenwärmeaustauscher 2!5 und über Verteiler 12 dem Verdampfer 1 zugeführt.
Aus dem abströmenden Luftdampfgemisch wird durch die indirekte Wärmeabgabe an die Luft ein Teil des Dampfes kondensiert und als l < : Kondenswasser über Ablauf 216 ab- geführt, während das luftreichere Luftdampfgemisch über Schlot 13 ins Freie entweicht.
Die : Fig. 6 bis 9 veranschaulichen ge- schlossene Partialdruckverdampfer mit Um- lauf des Gasdampfgemisches. Diese Ausführungsformen sind besonders für Verdampfungen und Destillationen von Flüssigkeiten, deren Dampfkomponente zurückgewonnen werden muss, wie solche mit niederem Siedepunkt, geeignet.
Fig. 6 stellt einen Verdampfer dar, der bei beliebigem Druck in der Weise arbeitet, dass das durch Ventilator 6 der Ansaugvorrichtung 7 zugeführte Gas sich mit dem Gasdampfgemisch des Verdampfers 1 mischt und sich dadurch der Dampf des Gemisches teilweise kondensiert. Ein Teil des gasreicheren G asdampfgemisches wird, wie in Fig. 3 näher beschrieben, über Zyklon 8 und Verteiler 12 dem Verdampfer zugeführt, während der restliche Teil in einen Mischkondensator 27 geleitet wird, wo sich der Dampfanteil durch Mischung mit einer unlöslichen Kühlflüssigkeit kondensiert und das gekühlte gasreichere Gemisch über Leitung 28 und Drosselklappe 20 wieder der Fördervorrichtung 6 zugeführt wird.
Das Gemisch der beiden unlöslichen oder sehr wenig löslichen Komponenten wird über Auslauf 29 einem Abscheider 30 zugeleitet, wo sich der Kühlilüssigkeitsanteil trennt und mittelst Pumpe 31 über Kühler 32 und Flüssigkeitsverteiler 33 wieder dem Mischkondensator 27 zugeführt wird. Bei der Destillation eines Gemisches kann die in Ab scheider 30 von der unlöslichen Kühlflüssig- keit getrennte Komponente durch Verdampfung in einem Zwischenverdampfer als Heizdampf wie schon erwähnt zur direkten Beheizung des Verdampfers 1 dienen; dabei kommen die Heizkörper 2 und 17 in Wegfall.
Die flüssige Komponente wird dabei vor der Einleitung in den Zwischenverdampfer zweckmässig in einem Wärmeaustauscher durch Ausnützung der Wärme des Gasdampfgemisches auf die Verdampfungstemperatur des Gemisches vorgewärmt.
Nach : Fig. 7 wird das Gasdampfgemisch vom Verdampfer 1 über Wärmeaustauscher 23 nach dem Mischkondensator 27 geleitet, wo die Kondensation und Abscheidung wie nach Fig. 6 erfolgt. Das gasreichere Gasdampfgemisch wird über Leitung 28, Drosselklappe 20 und Ventilator 6 dem Wärmeaus- tauscher 23 zwecks indirekter Erwärmung durch das Gasdampfgemisch zugeführt und weiter über Verteiler 12 in den Verdampfer 1 gefördert. Die Beheizung des Verdampfers ist mit Gasfeuerung vorgesehen, wobei zwecks Ausnützung der Abgaswärme die heissen Abgase zur weiteren Erwärmung des Partialdruckreduziermittels vor Eintritt in den Verdampfer in den Wärmeaustauscher 23a geführt werden.
Die in den Fig. 16 und 7 beschriebenen Ausführungsformen eignen sich zum Verdampfen oder Destillieren von Flüssigkeiten, welche sich in der : Kühlflüssigkeit gar nicht oder nur sehr wenig lösen.
In Fig. 8 ist ein geschlossener Partialdruckverdampfer dargestellt, bei dem zwecks Kondensation des Dampfanteils ein Oberflächenkondensator verwendet wird. Das Gasdampfgemisch gibt einen Teil der Wärme durch indirekte Übertragung im Wärmeaustauscher 23 dem im Kreisprozess umlaufenden Partialdruckreduziermittel ab, womit ein Teil des Dampfes kondensiert, während der weitere Anteil im Vorwärmer 34 zur Anwärmung der zufliessenden Flüssigkeit dient, im eigentlichen Kondensator 35 5 gekühlt und im Zyklon 8 abgeschieden wird und als Flüssigkeitskomponente bei 9 den Ver dampfer verlässt.
Die unter Fig. 6 bis 8 erwähnten Ausführungsformen können zur Destillation binärer und höherer Flüssigkeitsgemische dienen; weiterhin lassen sich darin temperaturempfindliche, in Wasser gelöste Produkte bei niederen Temperaturen unter Verwendung eines Lösungsmittels als Destillations- komponente vom Wasser trennen. Mit Vorteil können die Systeme da angewendet werden, wo der übergehende Dampf reicher an leichtsiedenden : Komponenten ist.
Fig. 9 stellt dar eine Disposition zur Fraktionierung durch Rektifikation und Dephlegmation verschiedener Flüssigkeits- gemische, auch solcher azeotropischer Natur.
Das System eignet sich besonders auch für hochsiedende Gemische, welche bis anhin nach bekannten Verfahren im Vakuum behandelt wurden, beispielsweise Fraktionierung von Schmierölen, ätherischen üblen, Schwelteeren usw. Durch Partialdruckfraktionierung kann auch technisch wasserfreier Alkohol hergestellt werden. Bei niederen Temperaturen verschiebt sich bekannterweise der azeotropische Punkt in den Bereich höherer Alkoholgehalte. Das neue Verfahren erweist sich gegenüber der Rektifikation im Vakuum sehr wirtschaftlich, da die Alkoholverluste bis auf ein Minimum reduziert werden.
Das aus der Blase 1 abströmende Gasdampfgemisch tritt in ein Kolonnensystem 36 ein, wo eine Durchmischung, sowie ein Wärmeaustausch von Gasdampfgemisch und Rücklauf stattfindet, womit die Dampfzu- sammensetzung des Gasdampfgemisches sich in der Weise ändert, dass eine Dampfkomponente sich anreichert. Dieses letztere Gemisch durchströmt einen Dephlegmator 37, in wel chem durch Wärmeübertragung an das im Kreislauf zurückgeführte Partialdruckmittel, durch Abkühlung ein Teil der Destillationsdämpfe niedergeschlagen und als Rücklauf in die Kolonne 36 geleitet wird, während das gasreichere Gasdampfgemisch im Konden- sator 38 gekühlt wird.
Durch Abscheidung im Zyklon 8 wird das Destillat über Auslauf 9 entfernt und das Gasdampfgemisch über Dephlegmator 37 und Fördervorrichtung 6 wieder über einen gemass Fig. 3 gesteuerten Verteiler 12 der Blase zugeführt.
Die Abwärme des Hcizungssystemes kann gemäss Fig. 1 auch noch zur Erwärmung des im Kreislauf zurückströmenden Partialdruekreduziermittels ausgenützt werden, indem ähnlich etwa wie in Fig. 4 ein Wärmeaustauscher 23 in die Leitung von Ventilator 6 eingebaut wird.
Die nach Fig. 3 bis 9 beschriebenen Aus führungsformen des Verfahrens lassen sich bei Mehrstufenverdampfern als Endstufen nach den Druckstufen derart anwenden, dass zur Beheizung der Endstufen die Brüden de Vorstufen herangezogen werden.
In Fig. 10 ist eine Anwendung des Verfahrens für Mehrstufenverdampfer mit bei- spielsweise 3 verschiedenen Partialdfuck- stufen dargestellt. Diese Ausführungsform eignet sich beim Ein dicken starker Lösungen oder beim Ausscheiden von Salzen aus gesättigten Lösungen, da durch die bekannte Erhöhung des Siedepunktes bei zunehmender Konzentration ein grösseres Temperaturgefälle zwischen Heizmittel und Lösung erwünscht ist. Durch Kaskadenaufstellung kann das System vorteilhaft für die konti nuierliche Verdampfung Anwendung finden.
Besonders bei einer Beheizung mit Niederdruckdampf erweist es sich sehr wirtschaftlich.
Stufe a mit niederster Verdampfungstemperatur und daher mit höchstem spezi- fischen Luftgehalt entspricht beispielsweise der Anordnung nach Fig. 5. Das Luftdampfgemisch wird im Wärmeaustauscher 41 durch die Kondensatwärme von Stufe b erwärmt und gelangt durch den Verteiler in denVerdampfer b. In diesem nimmt durch die Verdampfung der spezifische Luftgehalt ab und erhöht entsprechend die Verdampfungstem peratur der Lösung. Das Gemisch wird über den Wärmeaustauscher 44 nach dem Verdampfer c gefördert, wo der Verdampfungspunkt noch weiter erhöht wird.
Lässt man beispielsweise die dünne Lösung kontinuierlich von Stufe c uber Stufe b nach Stufe a fliessen, so kann ein vorgeschriebenes Temperaturgefälle zwischen Heizmittel und Lösung und mithin eine bestimmte Leistung in jeder Stufe trotz starker Erhöhung des Siedepunktes der von Stufe zu Stufe konzentrierteren Lösung eingehalten werden. Es lässt sich auch die Bewegung der zu verdampfenden Flüssigkeit im umgekehrten Sinne vollziehen, was zum Beispiel für die in der Anfangskonzentration temperaturempfindlichen Lösungen der Fall ist, nur wird dann die Verdampfungsleistung vermindert.
Der Mehrstufenverdampfer nach Fig. 10 kann auch mit der Anordnung der Partialdruckrektifikation nach Fig. 9 durch Ersetzen der Stufe c mit letzterer kombiniert werden, indem das in Fig. 9 im Kreislauf zurückströmende Partialdruckreduziermittel in Fig. 10 über Wärmeaustauscher 215 in Stufe a eingeleitet wird.
Die Anwendung der Wärmepumpe auf das neue Verdampfungsverfahren ist nach der bekannten Ausführungsart nicht zu empfehlen und nicht ökonomisch, da die zuni Beispiel im Gemisch enthaltene Luftmenge mit dem Dampf verdichtet werden müsste. Zudem wirkt der Luftgehalt bei der lionden- sation des Gemisches durch Erniedrigung des Wärmedurchganges ungünstig. Nach An ordnung von Fig. 11 werden diese Nachteile behoben.
Im Verdampfer 1 mit den gleichen Positionen wie früher beschrieben, wird beispielsweise das Luftdampfgemisch über die Leitung 5 in den Heizkörper 46 des Nieder druckverdampfers 47 geführt, wo ein Teil der Dämpfe des Gemisches sich kondensiert und im Verdampfer 47 Dampf von niederem Druck erzeugt, als dem Teildampfdruck des Luftdampfgemisches entspricht. Das Kon- denswasser läuft über Syphon 48 ab, während das luftreichere Luftdampfgemisch einen Wärmeaustauscher 49 zwecks Erwärmung des Partialdruckreduziermittels passiert und über Schlot 50 entweicht.
Der im Verdampfer 47 erzeugte Niederdruckdampf wird mittelst einer Wärmepumpe 62, beispielsweise Kom- piessor, Strahiverdichter und dergleichen, in bekannter Weise auf den gewünschten Dampfdruck verdichtet und nach dem Heiz- körper 2 gefördert, wo es als Heizmittel dient. Das Kondensat von Heizkörper 2 wird mittelst Ableiter 116 über ein Reglerventil 63 in den Niederdruckverdampfer 47 gefördert, wo es verdampft und wieder im Kreislauf der Wärmepumpe zugeführt wird.
Der das Reglerventil 63 nicht durchströmende Anteil Kondensat, welcher insbesondere bei der Anwendung eines Strahlverdichters der grössere Teil ist, wird in einem Wärmeaustauscher (J0 zwecks weiterer Erwärmung des Partialdruckreduziermittels ausgenützt und bei G1 abgeführt.
Der Verdampfer mit Wärmepumpe nach Fig. 11 kann auch mit dem Mehrstufenverdampfer nach Fig. 10 kombiniert werden durch Ersetzen der Stufe a mit der Anordnung von Fig. 11. In diesem Falle wird das aus Schlott 50 austretende Gasdampfgemisch in den Wärmeaustauscher 41 überge leitet. Durch diese : Kombination ist auch die Verwendungsmöglichkeit aller bereits beschriebenen Einzelelemente gegeben.
Um die günstigste <RTI I
Process for evaporating liquids.
Up to now, it has been possible to increase the heat economy and, in some cases, the performance of evaporation by means of a vacuum, multi-stage arrangement and heat pump. Vacuum evaporation was used to evaporate temperature-sensitive liquids, but the energy and acquisition costs increased. There are also known evaporators which, by introducing air, achieve an evaporation temperature of water below 100 at atmospheric pressure.
However, such systems are uneconomical, since the air is introduced at a temperature lower than the temperature corresponding to the evaporation point, as a result of which more heat is required on the evaporator to increase the air temperature to the evaporation temperature. Furthermore, such evaporators require a large excess of air, so that in addition to the high heat requirement, the Xr consumption for the conveyance also increases.
It has now been found that the evaporation can be made possible in a very economical manner in that a gas is supplied as a so-called partial pressure reducing agent and, in order to utilize the heat generated in the system, is brought into heat exchange with a heat carrier before entering the heated evaporator, and this heat recovery is considered economical green set. has taken place below the evaporation temperature corresponding to the total pressure.
In Fig. 1 of the drawing, the essence of the present invention is shown schematically using an example, in that a gaseous agent is passed into a heat exchanger WI before entering the heated evaporator V to recover the heat of the gas vapor mixture leaving the evaporator. Furthermore, the waste heat from the insulation system H is also fed to the partial pressure reducing means in a heat exchanger W2 for use and / or used for evaporation in the heat exchanger W5. However, it is important that the partial pressure reducing agent is always heated by heat exchange with at least one heat transfer medium for the heat generated before it enters the evaporator.
At an evaporation temperature below the temperature of the partial pressure reducing agent entering the evaporation system, this temperature difference heat can also be used. In this case, the heat exchanger Wl is omitted in the above-mentioned example, since the temperature of the gas-vapor mixture flowing out is lower than that of the partial pressure reducing agent. The waste heat from the heating system in the heat exchanger W is then fed to the partial pressure reducing agent for use. Although the power required to convey the gaseous agent increases at lower temperatures, evaporation, for example at 15 C, is still significantly more economical than evaporation under vacuum.
A comparison of the optimal energy costs as a function of the evaporation temperature is shown in FIG. 2 for, for example, continuous evaporation of water with steam as heating means, taking into account the same unit costs of the amounts of energy.
Curve a represents the cost units for vacuum evaporation with condensate heat utilization and: Curve b those for known evaporators with air supply of 20 and a relative humidity of 50%, whereby the costs for the areas of lower temperatures, which are only affected by the new procedures can be used, have only been drawn in dotted lines.
Curve c illustrates the energy costs for the new method with partial pressure evaporation, for example according to the system in FIG. 3 with air supply, specifically with recovery of the heat of the air vapor mixture and the condensate and, at lower temperatures, with utilization of the
Temperature differential heat. Curve d shows the costs according to the system of Fig. 5. When using a single artial pressure reducing agent with a smaller relative fire performance, the costs are considerably lower.
Trials have confirmed. that at
Use of partial pressure evaporation, depending on the operating conditions and energy unit costs, results in savings of over 30% compared to the same conditions on known evaporators. They have also shown that the evaporation capacity varies depending on the
The nature of the heating medium used is greater in that it can be up to 210% more than the theoretical increase in the fall between the temperature of the heating medium and that of the boiling point associated with the partial pressure. This observation is explained by the fact that no vapor bubbles can form on the heating surface as with the known actual evaporators, which sometimes make the heating surface ineffective.
These advantages of Partialdruckver evaporation on the multi-stage
Used evaporators, which in and of themselves are very heat-efficient, even more favorable conditions.
The new process is not only suitable for low evaporation temperatures
Use of low or Vacuum steam and the waste heat from furnaces, to increase the evaporation capacity and to treat temperature-sensitive products, but also to reduce the evaporation temperature of high-boiling substances. This latter temperature decrease, which at the same time by the
Measure of a pressure change can be increased, combines the aforementioned technical and chemical advantages, such as
Halting the decomposition, influencing chemical reactions, etc. This creates new opportunities to mix example, distillations of high-boiling Ge, such as those of the lubricating oil group, which are otherwise technically difficult to master because of the high temperature.
In addition, it is associated with a favorable heat recovery.
Partial pressure evaporation can also be used advantageously above atmospheric pressure, since assuming the same specific gas contents, the absolute gradient between the evaporation temperature corresponding to the total pressure and the evaporation temperature corresponding to the partial pressure increases with higher pressure.
For distillations and rectifications of liquid mixtures, the new process is suitable not only because of its thermal advantages, but also because of the significantly lower losses of solvents with a low boiling point due to the same conditions under vacuum, since according to the latter method, due to the greater pressure difference and the negative pressure caused apparatus leaks significant losses arise.
For the evaporation and distillation of oxygen-sensitive substances, inert gases, such as exhaust gases from furnaces and industrial plants, nitrogen, hydrogen and the like, can be used as partial pressure reducing agents.
The increase in evaporation is particularly advantageous for apparatus in the chemical industry, as the largest possible heating surface with the boiler room content is given for this due to the intended use and usually cannot be enlarged. The new process for the evaporation of corrosive liquids and liquids containing volatile substances, such as acids and alkalis, has proven to be particularly advantageous. In order to remove the acidic or alkaline vapors in the case of vacuum evaporation, expensive equipment and machines are sometimes of corrosion-resistant value; materials are necessary, while simple constructions made of cheap material can be used in the new process.
The evaporation can namely be conducted with an excess of partial pressure reducing agent in such a way that the outflowing acid or. alkaline gas-vapor mixture is unsaturated, i.e. it leaves the evaporator overheated, which means that the construction materials are less chemically attacked.
The heat recovery in the heat exchangers W1 and W2 according to: Fig. 1 can be done by indirect heat transfer, such as surface heat exchange, if necessary with the aid of an intermediate medium, or by means of direct heat transfer, for example mixing, diffusion and the like between the heat emitting and the partial pressure reducing agents.
The heat utilization through heat exchanger W3 mostly takes place through indirect heat transfer.
The gas-vapor mixture flowing out of the evaporation system can be fed to another suitable evaporator for further utilization. In addition, partial condensation can increase the specific gas content, so that this gas-rich mixture can be fully or partially used again as a partial pressure reducing agent and can be returned to the same evaporation system in the circuit.
The liquid phase of the gas vapor mixture separated by partial condensation can be separated from the gas vapor phase by separators such as cyclones, beam deflectors, mechanical or electrical filters and the like, but also by the method of absorption and adsorption.
Depending on the pressure conditions, conveying devices such as fans, compressors and jet compressors can be used to transport the partial pressure reducing agent.
The partial pressure reducing agent can be introduced above, on or below the liquid level through distributors, for example diffusers, devices with tangential confluence for spiral gas flow and the like, so that it is removed as quickly as possible saturated from the boundary layer of the liquid to be evaporated.
Adjustment devices can be used to achieve this automatically using controllers such as floats and humidostats.
Gases or mixtures thereof with vapors can be used as partial pressure reducing agents which, in addition to the physical task, are also able to fulfill a chemical action, for example hydrogenation, oxidation and the like. Gases with a small molecular weight result in a lower specific gas content, but are not significantly more favorable in terms of heat and energy balance. On the other hand, those with greater thermal conductivity, such as hydrogen, have particular advantages with regard to heat transfer in the heat exchanger and condenser.
For indirect heating of the evaporator, steam of different pressure, in particular low pressure steam, circulating liquids such as water, oil, heating gases and furnaces by direct and indirect heat transfer with oil, gas, coal or the like can serve as heating means. In the case of the distillation of binary or higher mixtures, the heating can take place directly by introducing one of the mixture components into the mixture as heating steam, the direct heat transfer taking place as in known steam distillations.
The invention is explained in more detail with the aid of the schematic drawings, but without the concept of the invention being restricted to the exemplary embodiments given.
In Fig. 3, 1 represents the evaporator with a feed pump for sprinkling, 2 the radiator with Heizzitteleintritt 3, 4 the vapor space and 5 the line for discharging the air vapor mixture. The partial pressure reducing agent, in the present case air, is sucked in by the fan 6 ejector-like suction device 7 is supplied and mixed with the air-vapor mixture before entering the cyclone 8, whereby a direct heat exchange takes place between the cold air and the warm air-vapor mixture and therefore Dalllp I condenses out of the mixture.
The condensed water is separated from the air vapor mixture by centrifugal action in the cyclone 8 and removed via the outlet 9. Part of the air vapor mixture is returned to the evaporator via collector 10, line 11 and distributor 12, for example below the liquid level.
The remaining part of the air-vapor mixture escapes into the open via vent 13 or can still be used for other purposes.
A negative pressure is generated in the ejector-like suction device 7 by means of the air flow from the fan 6, which sucks the air vapor mixture from the evaporator 1 and thus also the air vapor fraction from the cyclone 8 via line 11 and distributor 12 into the evaporator 1. If the negative pressure is not sufficient for certain arrangements, or if the suction device 7 proves to be uneconomical for very large specific air contents, then a fan 6a (shown in dotted lines in FIG. 3) must be installed in the line 11. According to the latter conditions, the system can also be operated with a fan 6 a without the fan 6, as a result of which the necessary air is sucked in through the suction device 7.
By means of a suitable adjustment device, for example a ring float 14 attached to the diffuser outlet and a sleeve-like guide 15 for the diffuser 12 and line 11, the distributor is controlled, depending on the liquor in the liquid level, in the most economical operating position, after which the air-vapor mixture should leave the evaporator as saturated as possible.
In Fig. 3 the heating is done with steam. The condensate heat can be used for evaporation in such a way that the lionden water from the pressure heater 2 is fed to a further heater 17 via the arrester 16, whereby the steam heat released by the pressure relief, as well as the condensate heat, can be used up to the evaporation temperature. The intermediate heating element 17 is to be arranged above the main heating element 2 because of the better utilization of the condensate heat, due to the lower hydrostatic liquid level in the evaporator.
In the case of continuous evaporation, the condensate flowing out of the heating element 17 at the evaporation temperature can further serve to heat the inflowing liquid in a heat exchanger 18, while the condensate, which has cooled down to the liquid temperature, flows off via outlet 19. The heating can also be combined with partial utilization of the remaining vapors.
The latter arrangement is not shown in the figure. The embodiment according to FIG. 4 never differs from that according to FIG. 3 in that only some of the vapors are mixed with the air for the purpose of utilizing the heat. It is used for systems in which the air vapor mixture flowing out through the chimney 13 is used for other purposes, such as in multi-stage evaporators, evaporators with heat pumps, as shown in FIG. 11.
The air flow generated by the fan 6 sucks in part of the total air-vapor mixture from line 5 through the ejector-like suction device 7 via an adjustable throttle valve 22, the water condensed from the mixture, as described for FIG. 3, being excreted in the cyclone 8, while the air-vapor mixture is richer in air is conveyed via the heat exchanger 23 into the evaporator.
According to this arrangement, with Dampfheizimg the condensate from radiator 2 is conveyed through arrester 1 6 n acli to the surface heat exchanger 23, where it gives off the heat to the partial pressure reducing agent to be supplied and flows off as cooled condensate via outlet 24. In the case of greater resistance of the system mes, instead of fan 6, fan 6a (shown in dotted lines in FIG. 4) can advantageously be used.
5 shows an open partial pressure evaporator for indirect heating of the partial pressure reducing agent by the heat of the air-vapor mixture. The air is fed to a surface heat exchanger 2! 5 via the throttle valve 20 and fan 6 and to the evaporator 1 via a distributor 12.
A part of the steam is condensed from the outflowing air-vapor mixture due to the indirect heat transfer to the air and discharged as l <: condensation water via outlet 216, while the air-vapor mixture, which is richer in air, escapes into the open via chimney 13.
FIGS. 6 to 9 illustrate closed partial pressure evaporators with circulation of the gas / vapor mixture. These embodiments are particularly suitable for evaporation and distillation of liquids whose vapor component must be recovered, such as those with a low boiling point.
6 shows an evaporator which works at any pressure in such a way that the gas supplied to the suction device 7 by the fan 6 mixes with the gas-vapor mixture of the evaporator 1 and the vapor of the mixture partially condenses as a result. Part of the gas-rich gas vapor mixture is, as described in more detail in Fig. 3, fed to the evaporator via cyclone 8 and distributor 12, while the remaining part is passed into a mixing condenser 27, where the vapor portion is condensed by mixing with an insoluble cooling liquid and that cooled, gas-rich mixture is fed back to the conveying device 6 via line 28 and throttle valve 20.
The mixture of the two insoluble or very sparingly soluble components is fed via outlet 29 to a separator 30, where the cooling liquid portion separates and is fed back to the mixing condenser 27 by means of pump 31 via cooler 32 and liquid distributor 33. When a mixture is distilled, the component separated from the insoluble cooling liquid in separator 30 can be used as heating steam, as already mentioned, for direct heating of the evaporator 1 by evaporation in an intermediate evaporator; the radiators 2 and 17 are omitted.
The liquid component is expediently preheated to the evaporation temperature of the mixture in a heat exchanger before it is introduced into the intermediate evaporator by utilizing the heat of the gas / vapor mixture.
According to: FIG. 7, the gas-vapor mixture is passed from the evaporator 1 via heat exchanger 23 to the mixing condenser 27, where the condensation and separation take place as in FIG. The gas-vapor mixture, which is richer in gas, is fed via line 28, throttle valve 20 and fan 6 to the heat exchanger 23 for the purpose of indirect heating by the gas-vapor mixture and is further conveyed into the evaporator 1 via distributor 12. The heating of the evaporator is provided with gas firing, with the hot exhaust gases being fed into the heat exchanger 23a before entering the evaporator for the purpose of utilizing the exhaust gas heat for further heating of the partial pressure reducing agent.
The embodiments described in FIGS. 16 and 7 are suitable for evaporating or distilling liquids which do not dissolve at all or only very little in the cooling liquid.
In Fig. 8 a closed partial pressure evaporator is shown in which a surface condenser is used for the purpose of condensing the vapor portion. The gas-vapor mixture gives off part of the heat by indirect transfer in the heat exchanger 23 to the partial pressure reducing agent circulating in the cycle, with which part of the vapor condenses, while the other part is used in the preheater 34 to heat the inflowing liquid, cooled in the actual condenser 35 5 and in the cyclone 8 is deposited and leaves the evaporator as a liquid component at 9.
The embodiments mentioned under FIGS. 6 to 8 can serve for the distillation of binary and higher liquid mixtures; Furthermore, temperature-sensitive products dissolved in water can be separated from the water at low temperatures using a solvent as the distillation component. The systems can advantageously be used where the passing vapor is richer in low-boiling components.
9 shows a disposition for fractionation by rectification and dephlegmation of various liquid mixtures, including those of an azeotropic nature.
The system is also particularly suitable for high-boiling mixtures which have hitherto been treated in vacuo using known processes, for example fractionation of lubricating oils, essential oils, smoldering tears, etc. By partial pressure fractionation, technically anhydrous alcohol can also be produced. As is known, at lower temperatures the azeotropic point shifts into the range of higher alcohol contents. The new process proves to be very economical compared to rectification in a vacuum, since alcohol losses are reduced to a minimum.
The gas-vapor mixture flowing out of the bubble 1 enters a column system 36, where thorough mixing and heat exchange of gas-vapor mixture and return takes place, whereby the vapor composition of the gas-vapor mixture changes in such a way that a vapor component is enriched. This latter mixture flows through a dephlegmator 37, in which some of the distillation vapors are precipitated by heat transfer to the partial pressure medium returned in the circuit, by cooling and fed as reflux into the column 36, while the gas-vapor mixture richer in gas is cooled in the condenser 38.
By separation in the cyclone 8, the distillate is removed via the outlet 9 and the gas / vapor mixture is fed back to the bladder via the dephlegmator 37 and conveying device 6 via a distributor 12 controlled according to FIG. 3.
According to FIG. 1, the waste heat from the heating system can also be used to heat the partial pressure reducing agent flowing back in the circuit by installing a heat exchanger 23 in the line of fan 6, similar to that in FIG.
The embodiments of the method described according to FIGS. 3 to 9 can be used in multi-stage evaporators as output stages after the pressure stages in such a way that the vapors de precursors are used to heat the output stages.
In FIG. 10, an application of the method for multi-stage evaporators with, for example, 3 different partial dumping stages is shown. This embodiment is suitable for thick, strong solutions or when salts are precipitated from saturated solutions, since the known increase in the boiling point with increasing concentration means that a greater temperature gradient between the heating medium and the solution is desired. By cascading, the system can be used advantageously for continuous evaporation.
It proves to be very economical, especially when heated with low-pressure steam.
Stage a with the lowest evaporation temperature and therefore with the highest specific air content corresponds, for example, to the arrangement according to FIG. 5. The air vapor mixture is heated in the heat exchanger 41 by the condensate heat from stage b and passes through the distributor into the evaporator b. In this, the specific air content decreases as a result of evaporation and accordingly increases the evaporation temperature of the solution. The mixture is conveyed via the heat exchanger 44 to the evaporator c, where the evaporation point is increased even further.
If, for example, the thin solution is allowed to flow continuously from stage c via stage b to stage a, a prescribed temperature gradient between heating medium and solution and therefore a certain output can be maintained in each stage, despite a strong increase in the boiling point of the solution, which is more concentrated from stage to stage. The liquid to be evaporated can also be moved in the opposite direction, which is the case, for example, for solutions that are temperature-sensitive in the initial concentration, but the evaporation capacity is then reduced.
The multi-stage evaporator according to FIG. 10 can also be combined with the arrangement of the partial pressure rectification according to FIG. 9 by replacing stage c with the latter, in that the partial pressure reducing agent flowing back in the circuit in FIG. 10 in FIG. 10 is introduced into stage a via heat exchanger 215.
The application of the heat pump to the new evaporation process is not recommended according to the known embodiment and is not economical, since the amount of air initially contained in the mixture would have to be compressed with the steam. In addition, the air content has an unfavorable effect during the liondenization of the mixture by lowering the heat transfer. According to the arrangement of FIG. 11, these disadvantages are eliminated.
In the evaporator 1 with the same positions as described earlier, for example, the air vapor mixture is fed via the line 5 into the heating element 46 of the low pressure evaporator 47, where part of the vapors of the mixture condenses and generates steam of lower pressure in the evaporator 47 than the Partial vapor pressure of the air vapor mixture corresponds. The condensed water drains off via siphon 48, while the air-vapor mixture richer in air passes through a heat exchanger 49 for the purpose of heating the partial pressure reducing agent and escapes via chimney 50.
The low-pressure steam generated in the evaporator 47 is compressed in a known manner to the desired steam pressure by means of a heat pump 62, for example a compressor, jet compressor and the like, and conveyed to the heating element 2, where it is used as heating means. The condensate from radiator 2 is conveyed by means of a diverter 116 via a control valve 63 into the low-pressure evaporator 47, where it is evaporated and fed back into the circuit of the heat pump.
The portion of the condensate which does not flow through the regulator valve 63, which is the larger portion in particular when using a jet compressor, is used in a heat exchanger (J0 for the purpose of further heating the partial pressure reducing agent and discharged at G1.
The evaporator with heat pump according to FIG. 11 can also be combined with the multi-stage evaporator according to FIG. 10 by replacing stage a with the arrangement of FIG. 11. In this case, the gas / vapor mixture exiting from Schlott 50 is passed into the heat exchanger 41. This combination also enables all of the individual elements already described to be used.
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