Verfahren zum Konzentrieren von Flüssigkeiten durch Verdampfen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es sind bereits Einrichtungen zum Konzentrieren von Flüssigkeiten durch Verdampfen vorgeschlagen worden, bei denen die zn konzentrierende Flüssigkeit durch eine Pumpe im Kreislauf geführt wird Bei solchen Konstruktionen hat man auch schon mittels der Pumpe solche Überdrucke erzeugt, dass der zu konzentrierenden Flüssigkeit auf der Über- druckseite die zur Verdampfung nötige Wärme zugeführt werden kann, ohne dass an der Wärmeübergangsstelle eine Verdampfung eintritt.
Dies hat den Vorteil, dass die im Hinblick auf gute Wirkung meistens kompliziert gebauten Wärmeüberträger nicht Gefahr laufen, durch Verkrustungen, wie sie beim Ver dampfungsvorgang meistens eintreten, verunreinigt und in ihrer Funktion gestört zu werden. I)ie Verdampfung wird dann durch Entspannung der unter Druck stehenden Flüssigkeit lierbeigeführt und kann an einer passenden Stelle der Apparatur erfolgen, wo eine Verkrustung weniger störend oder durch periodische Reinigung leicht entfernbar ist (siehe z. B. Schweizer Patent Nr. 166207 und DRP. Nr. 580928).
Es wurde nun gefunden, dass Einrichtun- gen der genannten Art, in denen die zu konzentrierende Flüssigkeit mittels einer Pumpe im Kreislauf geführt und auf der Überdruck- seite derart erwärmt wird, dass an der Wärme übergangsstelle keine Verdampfung eintritt, mit Vorteil so konstruiert werden, dass die zur Verdampfung führende Entspannung der Flüssigkeit an mindestens einer Düse erfolgt, die tangential in ein zyklonartiges Trenngefäss führt.
Die Entspannungsdüsen können in beliebig ger Zahl, zweckmässig in der Nähe des obern Randes des zyklonartigen Trenngefässes, angebracht sein. Bei kleinen Gefässen kann eine einzige Düse genügen; bei grösseren Gefässen verwendet man zweckmässig zwei bis vier oder noch mehr Düsen, die längs des Gefässumfanges verteilt sind. Die Düsen können in an sich bekannter Weise, z. B. nach im Turbinenbau verwendeten Systemen, regulierbar ausgebildet sein.
Das zyklonartige Trenngefäss kann durch eine konzentrische Trennwand in einen äussern und einen innern Teil getrennt werden, welehe Teile miteinander einerseits durch mindestens eine, gegebenenfalls auch mehrere Ablauföffnungen für die Flüssigkeit und anderseits durch tangential angeordnete Düsen für den Dampfdurchtritt miteinander in Verbin- dung stehen. Auf diese Weise erhält man im gleichen Trenngefäss zwei Zyklonwirkungen.
Im äussern Teil erfolgt vorwiegend die Verdampfung der überdruckseits erhitzten Flüssigkeit und eine grobe Trennung von Dampf und Flüssigkeit. Im innern Teil erfolgt eine Trennung des Dampfes von den noch mitgeris senen Flüssigkeitsteilen, wobei aber die aus der ersten und zweiten Trennung herrührenden Anteile an Flüssigkeit gemeinsam in den Kreislauf zurückgeführt werden.
Die Zeichnungen zeigen Ausführungsbei- spiele der Einrichtung nach der Erfindung, an welchen auch das erfindungsgemässe Verfahren beispielsweise erläutert ist
Fig. 1 stellt den schematischen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels mit einem im Schnitt gezeichneten, als Doppelzyklon gebauten Trenngefäss dar.
Fig. 2 stellt den Schnitt gemäss Linie Ä-B der Fig. 1 dar.
Fig. 3 stellt den schematischen Schnitt durch ein als einfacher Zyklon gebautes Trenngefäss dar.
In Fig. 1 bezeichnet 1 den Veidampfungs raum mit der oben zylindrisch, unten konisch ausgebildeten Zyklonwand 2, welche in den axialen Auslauf 11 übergeht. Mittels der tangential in die Zyklonwand 2 eingebauten Düsen 3, welche gewünschtenfalls durch einen nicht eingezeichneten Verstellmechanismus im Querschnitt reguliert werden können, steht der Flüssigkeitsmantel 5 in Verbindung mit dem Verdampfungsraum 1. Die Aussenwand des Flüssigkeitsmantels bildet die Heizfläche 6 des Heizmantels 15. In den Flüssigkeitsmantel 5 mündet unten der tangential angeordnete Eintrittsstutzen 10 ein. Die Heizfläche 6 wird umschlossen vom Heizmantel 15 mit dem Eintrittsstutzen 16 und dem Austrittsstutzen 17.
Im Verdampfungsraum befinden sich oberhalb der Düsen 3 die Prallbleehe 8 und der durch eine konzentrische Trennwand gebildete, zyklonartige Abscheider 13 mit den tangential angeordneten Eintrittsöffnungen 12, dem zentralen Brüdenabzugrohr 9 und dem Plüssig- keitsrüeklaufrohr 14. Das Trenngefäss wird durch die Isolation 7 gegen Wärmeverluste geschützt. Fernerlbezeichnen 18 ein Schwimmergefäss mit Regulierung 26, 19 eine Umlaufpumpe, 20 einen Vorwärmer für die Dünnlösung, 21 ein gegebenenfalls automati sches Ventil für den Vorlauf der Dünnlösung, 22 ein Dichtemessgefäss, 23 den Konzentratablauf,'24 einen Wärmeaustauscher und 25 ein Druckausgleichsrohr für das Schwimmergefäss.
In Fig. 3 bezeichnet 27 Prallbleche für Sprühflüssigkeit aus den Düsen.
Die Wirkungsweise ist die folgende: Die mittels der Pumpe 19 in Zirkulation gehaltene Lösung wird durch Regulierung des Zulaufes an Dünnflüssigkeit mittels des Ventils 21 in gewünschter Konzentration unter demjenigen Druck dem Wärmeaustauscher 24 zugeführt, welcher durch das Druckgefälle der Düsen 3 bzw. die Austrittsgeschwindigkeit aus den Düsen bestimmt wird, jedoch stets grösser ist als der der Oberflächentemperatur der Heizfläche 6 und der Heizfläche im Wärmeaustauscher 24 entsprechende Verdampfungs druck. Das Regulierventil 21 wird durch die Niveauregulierung 26 gesteuert.
Die erwärmte Lösung tritt durch den Eintrittsstutzen 10 in den Flüssigkeitsmantel 5 ein, in welchem sie wirbelförmig unter einem Drall, der durch nicht gezeichnete Leitbleche verstärkt werden kann, aufsteigt und gleichzeitig durch die Heizfläche 6 weiter erwärmt wird bis nahe an die dem Flüssigkeitsdruck entsprechende Siedetemperatur. Die Wärmezufuhr im Heizmantel 15 und im Wärmeaustauscher 24 kann mittels elektrischer Energie, Heizdampf oder verdichtetem Brüdendampf erfolgen. Bei entsprechendem Temperaturgefälle genügt gegebenenfalls schon die durch die Heizfläche 6 übertragene Wärmemenge, sO dass der Wärmeaustauseher nicht benötigt wird.
Die Flüssigkeit expandiert nun durch die Düsen 3 und strömt mit grosser, tangentialer Geschwindigkeit wirbelförmig an der Wand 2 nach unten unter gleichzeitiger Verdampfung bei einer grossen Oberfläche und dünner Flüssigkeits- schicht, so dass die Gefahr des Schäumens stark herabgesetzt wird. Die im Flüssigkeitsmantel 5 aufsteigende Flüssigkeit wirkt gleich zeitig als Wärmeträger und gibt durch die Wand 2 des Verdampfers bei kleinem Temperaturgefälle Wärme an die in dünner Schicht herabströmende Flüssigkeit ab, was eine Abkühlung derselben an der Wand verhindert.
Im untern Teil des kegelförmig ausgebildeten Verdampferraumes sammelt sich die konzentrierte Flüssigkeit 4 und wird durch ein mit der Saugleitung der Pumpe 19 verbundenes Schwimmergefäss 18, mittels Regu liervorrichtung 26, welche auf das Vorlaufventil 21 wirkt, auf konstantem Niveau ge halten. Der Konzentratablauf wird entsprechend dem Dichtcmcssgefäss 22 durch das Ventil 23 reguliert.
Die im Verdampferraum 1 entstehenden Brüdendämpfe scheiden an den Prallblechen X die groben Flüssigkeitsteilchen ab und gelaugen dann durch die tangential angeordneten Eintrittsöffnungen 12 in den zyklonartigen Abscheider 13, in welchem die restlichen Fl üssigkeitsteilchcn abgeschieden werden und durch das in die Flüssigkeit 4 eintauchende Rücklaufrohr 14 in den Kreislauf zurückgeführt werden, während die Brüdendämpfe durch das Brüdenabzugrohr 9 abgeführt werden. Die Dämpfe können dann in einem Kon dellsatol niedergeschlagen oder zwecks Wärmerückgewinnung verdichtet und als Heizdampf verwendet werden.
Die in Fig. 3 gezeigte Variante unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 1 dadurch, dass das zyklonartige Trenngefäss nur VOll einem Isolationsmantel 7 umgeben ist.
Eine Ahkühlung der Wand wird damit vermieden. Die zu konzentrierende Flüssigkeit wird unter Pumpendruck in den Verteilring 5 geführt und auf die Düsen 3 verteilt, durch welche die Expansion stattfindet mit nach folgender Verdampfung entsprechend der nach Fig. 1 geschilderten Wirkungsweise. Der Verteilring 5 kann dabei spiralförmig ausgebildet sein, entsprechend der bei jeder Düse abgezweigten Flüssigkeitsmenge. Die zur Ver dämpfung benötigte Wärmemenge kann in einem zwischen Pumpe 19 und Verteilnug 5 eingeschalteten Wärmeaustauscher zugeführt werden.
Process for concentrating liquids by evaporation and equipment for carrying out the process.
Devices for concentrating liquids by evaporation have already been proposed, in which the zn-concentrating liquid is circulated by a pump. In constructions of this type, the pump has already produced such overpressures that the liquid to be concentrated is on the overpressure side the heat required for evaporation can be supplied without evaporation occurring at the heat transfer point.
This has the advantage that the heat exchangers, which are usually of complicated construction in terms of their effectiveness, do not run the risk of being contaminated and their function impaired by encrustations, as usually occur during the evaporation process. I) The evaporation is then brought about by releasing the pressurized liquid and can take place at a suitable point in the apparatus, where encrustation is less disturbing or can be easily removed by periodic cleaning (see e.g. Swiss Patent No. 166207 and DRP. No. 580928).
It has now been found that devices of the type mentioned, in which the liquid to be concentrated is circulated by means of a pump and heated on the overpressure side in such a way that no evaporation occurs at the heat transfer point, are advantageously constructed in such a way that that the expansion of the liquid leading to evaporation takes place at at least one nozzle which leads tangentially into a cyclone-like separating vessel.
Any number of expansion nozzles can be attached, expediently in the vicinity of the upper edge of the cyclone-like separating vessel. A single nozzle may be sufficient for small vessels; For larger vessels, it is advisable to use two to four or even more nozzles distributed along the circumference of the vessel. The nozzles can in a conventional manner, for. B. according to systems used in turbine construction, designed to be adjustable.
The cyclone-like separating vessel can be separated into an outer and an inner part by a concentric partition, which parts are connected to one another on the one hand by at least one, possibly also several drainage openings for the liquid and on the other hand by tangentially arranged nozzles for the passage of steam. In this way, two cyclone effects are obtained in the same separation vessel.
In the outer part there is mainly evaporation of the liquid heated on the overpressure side and a rough separation of vapor and liquid. In the inner part, the vapor is separated from the liquid parts still entrained, but the liquid fractions resulting from the first and second separation are returned together into the circuit.
The drawings show exemplary embodiments of the device according to the invention, on which the method according to the invention is also explained, for example
1 shows the schematic structure of a first exemplary embodiment with a separating vessel, drawn in section and constructed as a double cyclone.
FIG. 2 shows the section along line A-B of FIG.
Fig. 3 shows the schematic section through a separating vessel constructed as a simple cyclone.
In Fig. 1, 1 denotes the vaporization space with the cyclone wall 2, which is cylindrical at the top and conical at the bottom and which merges into the axial outlet 11. The liquid jacket 5 is connected to the evaporation chamber 1 by means of the nozzles 3 built tangentially into the cyclone wall 2, which if desired can be adjusted in cross section by an adjusting mechanism (not shown). The outer wall of the liquid jacket forms the heating surface 6 of the heating jacket 15 5 the tangentially arranged inlet connection 10 opens out at the bottom. The heating surface 6 is enclosed by the heating jacket 15 with the inlet connection 16 and the outlet connection 17.
In the evaporation space above the nozzles 3 are the baffle plate 8 and the cyclone-like separator 13 formed by a concentric partition wall with the tangentially arranged inlet openings 12, the central vapor discharge pipe 9 and the fluid return pipe 14. The separation vessel is protected against heat loss by the insulation 7 . Furthermore, 18 denotes a float vessel with regulation 26, 19 a circulation pump, 20 a preheater for the thin solution, 21 an optionally automatic valve for the flow of the thin solution, 22 a density measuring vessel, 23 the concentrate drain, 24 a heat exchanger and 25 a pressure equalization pipe for the float vessel .
In Fig. 3, 27 denotes baffles for spray liquid from the nozzles.
The mode of operation is as follows: The solution kept in circulation by means of the pump 19 is fed to the heat exchanger 24 by regulating the inflow of thin liquid by means of the valve 21 in the desired concentration under the pressure that is generated by the pressure drop of the nozzles 3 or the exit speed from the Nozzles is determined, but is always greater than that of the surface temperature of the heating surface 6 and the heating surface in the heat exchanger 24 corresponding evaporation pressure. The regulating valve 21 is controlled by the level regulator 26.
The heated solution enters the liquid jacket 5 through the inlet nozzle 10, in which it rises in a vortex shape under a swirl, which can be reinforced by baffles (not shown) and at the same time is further heated by the heating surface 6 to close to the boiling temperature corresponding to the liquid pressure. The heat supply in the heating jacket 15 and in the heat exchanger 24 can take place by means of electrical energy, heating steam or compressed vapor. Given a corresponding temperature gradient, the amount of heat transferred through the heating surface 6 may be sufficient so that the heat exchanger is not required.
The liquid now expands through the nozzles 3 and flows at great, tangential speed in a vortex downward on the wall 2 with simultaneous evaporation over a large surface and a thin liquid layer, so that the risk of foaming is greatly reduced. The liquid rising in the liquid jacket 5 acts at the same time as a heat carrier and gives off heat to the liquid flowing down in a thin layer through the wall 2 of the evaporator at a small temperature gradient, which prevents the same from cooling on the wall.
In the lower part of the conical evaporator chamber, the concentrated liquid 4 collects and is kept at a constant level by a float vessel 18 connected to the suction line of the pump 19, by means of Regu liervorrichtung 26, which acts on the flow valve 21. The concentrate flow is regulated by valve 23 in accordance with the sealing vessel 22.
The vapor vapors generated in the evaporator chamber 1 separate the coarse liquid particles on the baffle plates X and then leach through the tangentially arranged inlet openings 12 into the cyclone-like separator 13, in which the remaining liquid particles are separated and through the return pipe 14 immersed in the liquid 4 into the Circulation are returned, while the exhaust vapors are discharged through the exhaust pipe 9. The vapors can then be condensed in a con dellsatol or compressed for the purpose of heat recovery and used as heating steam.
The variant shown in FIG. 3 differs from the embodiment according to FIG. 1 in that the cyclone-like separating vessel is surrounded only by an insulating jacket 7.
This avoids cooling the wall. The liquid to be concentrated is fed into the distribution ring 5 under pump pressure and distributed to the nozzles 3 through which the expansion takes place with subsequent evaporation according to the mode of operation described in FIG. The distribution ring 5 can be designed in a spiral shape, corresponding to the amount of liquid branched off at each nozzle. The amount of heat required for damping United can be supplied in a heat exchanger connected between pump 19 and distributor 5.