Apparat zum Trennen von Flüssigkeitsgemischen durch Verdampfung und Kondensation
Die vorliegendle Erfindung bezieht sich auf einen Apparat zum Trennen von Flüssigkeitsgemischen, insbesondere von wärmeunbeständigen organischen Flüssigkeitsgemischen, durch Verdampfung und Kondensation.
Es ist ein Apparat zum Trennen von Flüssigkeits- gemischen durch Verdampfung und Kondensation bekannt, der übereinander gestellte Kammern besitzt, die alle eine Verdampfungs- und eine Kondensationszone enthalten. Die Apparatkammern sind miteinander ver bunde, damit der Dampf aus der Verdampfungszone der tieferliegenden Kammer in die Kondensationszone der höherliegenden Kammer strömen kann.
Zum Überlauf der nichtverdampften Flüssigkeit in die tiefliegende Kammer ist ein Wasserverschluss vor gesehen (siehe beispielsweise Express-Information Nummer 30, 1963, S. 27, des Allunionsinstituts für wissenschaftliche und technische Information, Moskau, Prozesse und Apparate in Chemiebetrieben ).
Der bekannte Apparat wird zum Trennen von Gemischen unter Laborbedingungen verwendet. Die Verwendung leines so gebauten Apparats für industrielle Zwecke ist unzweckmässig, da er geringe Wärmeaustauschflächen in den Verdampfungs- und Kondensabionszonen besitzt. Die Vergrösserung der Wärmeaustauschfläche ist nur durch Vergrössern des Durchmessers möglich, wobei die Apparataussenmasse wachsen. Dagegen hat eine bedeutende Entfernung der Verdampfungszone von der Kondensationszone Wärmeverluste und Leistungssenkung sowie grösseren Metallaufwand beim Bau des Apparats zur Folge.
Es list das Ziel der vorliegenden Erfindung, di e er- wähnten Nachteile zu beseitigen.
Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrundegelegt, einen solchen Apparat zum Trennen von Flü.ssigkeits- gemischen durch Verdampfung und Kondensation zu entwickeln, der geringe Aussenmasse besitzt und bei industriellem Einsatz praktisch frei vom Strömungswiderstand trotz hocheffektiver Gemischtrennung und grol3er Leistungsfähigkeit ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wurde ein Apparat zum Trennen von Flüssigkeitsgemischen durch Verdampfung und Kondensation geschaffen, der übereinander gestellte Kammern besitzt, die alle eine Verdampfungs- und eine Kondensationszone enthalten, wobei die Kammern miteinander verbunden sind, damit der Dampf aus der Verdampfungszone einer tieferliegenden Klammer in die Kondensationszone der benachbarten höherliegenden Kammer strömen kann, und Wasserüberläufe für den nichtverdampften Flüssigkeitsteil in die benachbarte tie ferliegend Kammer haben, welcher Apparat erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass je zwei benachbarte Kammern voneinander durch einen Boden getrennt sind, auf dem der Wasserüberlauf für die in der höhergelegenen der beiden Kammern nicht verdampfte Flüssigkeit angeordnet ist,
wobei Kondensa tiionszone und Verdampfungszone voneinander durch einen Wasserverschluss getrennt sind und die Wärmeaustauschflächen in der Kondensationszone und in der Verdampfungszone in Form von Rohrschlangen vorgesehen sind.
Zweckmässigerweise wird die Rohrschlange in der Kondensationszone in Form einer Schraubenlinie und die Rohrschlange in der Verdampfungszone in Form einer Spirale ausgeführt.
Vorzugsweise sind die Rohrschlangen auf dem Boden angeordnet, an den ein zylindrischer Mantel anschliesst, der zusammen mit dem Kammergehäuse ein Ringraum zum Durchströmen des Dampfes aus der Verdampfungszone der tieferliegenden Kammer bildet, während der Wasservlerschluss, der die Kondensationszone von der Verdampfungszone trennt, durch den äusseren Teil des Bodens, die zylindrische Zwischen wand mit Öffnung für den Durchgang in die Verdampfungszone von Kondensat und nichtkondensieroaren Beimengungen und einen am Umfang des Bodens an diesen anschliessenden vertikalen zylindrischen Mantel, der die Zwischenwand umgibt, gebildet wird, wobei der Oberteil der Zwischenwand mit dem Kammergehäuse verbunden ist und einen Kanal zum Durchströmen der Dämpfe aus dem Ringraum in die Kondensationszone bildet.
Der Boden kann, um eine Vermischung der Flüssigkeit mit dem Dampf beim Verdampfen derselben zu vermindern, einen spiralförmigen Kanal besitzen, in den die spiralförmige Rohrschlange eingelegt ist.
Zweckmässigerweise sind in jeder Kammer ausser dem Boden mit dem Wasserüberlauf darüb, erliegende Zusatzböden mit Rohrstutzen zum Durchströmen der Dämpfe und zum Flüssigkelitsüberlauf eingebaut, auf denen spiralförmige, die Verdampfungszone bildende Rohrschlangen angeordnet sind, während die schraubenlinienförmige Rohrschlange sich am Umkreis des obersten Zusatzbodens befindet, um die Kondensationszone zu erzeugen, die mit der Verdampfungszone der benachbarten tieferliegenden Kammer verbunden ist, wobei der Wasserschluss, der die Kondensationszone und die Verdampfungszone voneinander trennt, durch einen am Umfang des höchst gelegenen Zusatzbodens an diesen anschliessenden vertikalen zylindrischen Mantel, dem Unterteil des Gehäuses der benachbarten höherliegenden Kammer,
der die Öffnung für den Durchgang von Kondensat und nichtkondensierbaren Beimengungen indie Verdampfungszone besitzt, und den äusseren Teil des genannten Zusatzbodens gebildet ist.
In jeder Kammer können in der Verdampfungszone, ausser dem Boden mit dem Wasserüb,erlauf, darüberliegende Zusatzböden mit daran anschliessenden vertikalen Mänteln angeordnet sein, auf denen sich spiralförmigu Rohrschlangen befinden, wobei die Mäntel der Böden Ringräume abwechselnd entweder mit dem Kammergehäuse oder mit einem zentralen Rohr bilden, das in der Längsachse der Kammer angeordnet ist und durch das Dampf aus der Verdampfungszone der jeweiligen tieferliegenden Kammer in die Kondensationszone der benachbarten darüberliegenden Kammer strömt.
Hierbei ist zweckmässigerw, eise die schraubenlinienförmige Rohrschlange der Kondensationszone unter einer Glocke anzuordnen, die auf dem höchst gelegenen Zu satzboden der Kammer sitzt und von oben her das Rohr unter Offenlassung eines Spaltes zum Durchströmen des Dampfes abdeckt, wobei der Wasserverschluss, der die Kondensationszone von der Verdampfungszone trennt, durch den am Umfang des höchstgelegenen Zü- satzbodens an diesen anschliessenden Mantel, die Zylinderwand der Glocke, die Öffnung für den Durchgang von Kondensat und nichtkondensierbaren Beimengungen in die Verdampfungszone besitzt, und den äusseren Teil des genannten Zusatzbodens gebildet ist.
Nachstehend wird die Erfindung durch Beschreibung eines Ausfüluungsbeispiels und anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert; es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Apparats mit übereinanderliegenden Kammern,
Fig. 2 eine andere Ausführungsform desselben erfindungsgemässen Apparats und
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform desselben erfindungsgemässen Apparats.
Der Apparat zum Trennen von Flüssigkeitsgemischen durch Verdampfung und Kondensation besteht aus übereinandergestellten Kammern, von denen die oberste einen Deckel und die unterste einen Boden aufweist.
Je zwei benachbarte Kammern sind voneinander durch einen Boden 1 (Fig. 1) auf dem ein Wasserüberlauf 2 für die in der höher gelegenen der beiden Kammern nichtverdampften Flüssigkeit angeordnet ist, getrennt. Im Gehäuse 3 jeder Kammer befindet sich eine Kondensationszone 4 und ein, e Verdampfungszone 5, in denen die Wärmeaustauschflächen in Form von Rohrschlangen 6 und 7 ausgeführt sind. Hierbei befindet sich die Rohrschlange 6 in der Kondensationszone 4 und hat die Form einer Schraubenlinie. Die Rohrschlange 7 befindet sich in der Verdampfungszone 5 und hat die Form einer Spirale.
An jedem Boden 1 schliesst ein zylindrischer Mantel 8 an, der zusammen mit dem Kammergehäuse 3 einen Ringraum 9 zum Durchströmen des Dampfes in Pfeilrichtung A', A", aus der Verdampfungszone 5 der tieferliegenden Kammer in die Kondensationszone 4 der höherliegenden Kammer bzw. in Pfeilrichtung A aus einem Verdampfer (nicht gezeigt) in die Kondensationszone 4 der untersten Kammer, bildet.
Die schraubenlinienförmige Rohrschlange 6 ist von der spiralförmigen Rohrschlange 7 durch eine zylindrische Zwischenwand 10 getrennt, die Öffnungen 11 für den Durchgang des Kondensats in die Verdamp fungszon.e 5 und Öffnungen 12 für den Durchgang nichtkondensierbarer Beimengungen hat.
Die Öffnungen 11 und 12 sind relativ zueinander verschieden hoch angeordnet.
Der Oberteil der Zwischenwand 10 ist mit dem Kammergehäuse 3 verbunden und bildet mit dem Mantel 8 einen Kanal 13 zum Durchströmen des Dampfes in Richtung des Pfeils A, A', aus dem Ringraum 9 in die Kondensationszone 4, während der Unterteil dieser Zwischenwand 10 mit dem Boden 1 verbunden ist.
Der Mantel 8 und die zylindrische Zwischenwand 10 bilden, wenn sich Kondensat zwischen ihnen befindet, einen Wasserverschluss, der die Kondensationszone 4 von der Verdampfungszone 5 trennt.
Auf dem Baden 1 befindet sich ein spiralförmiger Kanal 14, in dem die spiralförmige Rohrschlange 7 angeordnet ist, und der dazu dient, ein Vermischen der Flüssigkeit mit dm Dampf beim Verdampfen derselben zu verhindern und eine Flüss'igk.eitsbewegung in Richtung der Bodenmitte hervorzurufen.
Die Flüssigkeitsgemische werden im Apparat folgendermassen getrennt.
Destillatdampf aus einem Verdampfer (nicht gezeigt) strömt durch einen Eintrittsstutzen 33 über den Ringspalt 9 und den Kanal 13 in Pfeilrichtung A in die Kondensationszone 4, der untersten Kammer, wo er an der Oberfläche der schraubenlinienförmigen Rohrschlange 6 vollkommen kondensiert wird.
Das erhaltene- Kondensat fliesst über die Öffnung 11 in der Zwischenwand 10 in den-spiralförmigen Kanal 14 der Verdampfungszone 5, wo es teilweise an der Oberfläche der spiralförmigen Rohrschlange 7 verdampft wirt
Der aus dem Kondensat gebildete Dampf strömt nach oben in Richtung des Pfeils A' in die Kondensationszone der höherliegenden Kammer, während der nichtverdampfte Flüssigkeitsteil durch den Wasserüberlauf 2 auf den Boden der tieferliegenden Kammer fliesst bzw. aus der untersten Kammer durch den Wasserüberlauf 2 und einem Stutzen 34 aus dem Apparat abgeführt wird.
Der Destillatdampf aus der Verdampfungszone der obersten Kammer strömt durch einen Stutzen 35 im Deckel des Apparates in einen- Kondensator (nicht gezeigt, wo er vollkommen kondensiert wird, wobei ein Teil des erhaltenen Kondensates durch einen Stutzen 36 in die Verdampfungszone- der obersten Kammer zu- rückgeführt wird.
Zur Steigung der Leistungsfähigkeit sind bei der zweiten Ausführungsform im Apparat in der Verdampfungszone 5 jeder Kammer ausser dem Boden 1 mit dem Wasserüberlauf 2, darüberliegende Züsatzböden 15 und 16 (Fig. 2) mit Rohrstutzen 17 zum Durchströmen des Dampfes und mit Rohrstutzen- 18 für den Überlauf der nichtverdampften Flüssigkeit vorgesehen. Auf den Böden 1, 1 16, 15 sind spiralförmige Rohrschlangen 7 an- geordnet.
Am Umfang des höchstgeleigenen Zusatzbodens 15 schliesst ein vertikaler zylindrischer Mantel 19 an, der sich ausserhalb der Kammer befindet und mit dem Unterteil des Gehäuses 3 der benachbarten höherliegenden Kammer einen Kanal 20 bildet, in dem die schraubenlinienförmige Rohrschlange 6 der Kondensationszone 4 untergebracht ist
Der Kanal 20 ist durch Umfiihrungsrohre 21 mit der Verdampfungszone der tieferliegenden Kammer verbunden.
Die Öffnungen 11 zum Durchgang des Kondensats und die Öffnungen 12 zum Überlauf der nichtkondensierbaren Beimengungen befinden sich im- Unterteil des Gehäuses 3 der höherliegenden Kammer.
Der Mantel 19 und der Unterteil des Gehäuses 3 der höherliegenden Kammer bilden, wenn sich Kondensat zwischen ihnen befindet, einen Wasserverschluss, der die Kondensationszone 4 von der Verdampfungszone 5 trennt.
Bei derartiger konstruktiver Ausführung der Kammer strömt der Destillatdampf aus einem Verdampfer (nicht gezeigt) durch einen Stutzen 33 in Richtung des Pfeils A in den Kanal 20 der Kondensationszone 4 der untersten Kammer, wo er an der Oberfläche der schraubenlinienförmigen Rohrschlange 6 vollkommen kondensiert wird.
Das erhaltenes Kondensat gelangt über die Öffnungen 11 in die Verdampfungszone 5 des oberen Bodens 15 und fliesst weiter über die Rohrstutzen 1g auf die tieferliegenden Baden 16 und- 1. Durch einen derartig über die Böden geleiteten Flüssigkeitsstrom wird der Vermischungseffekt vermindert und- folglich die Wirksamkeit der Gemischtrennung gesteigert.
Die aus dem Kondensat auf den Böden 1, 16, 15 erzeugten Dämpfe strömen über die Rohrstutzen 17 und die Umführungsrohre 21 in Richtung des Pfeils A' nach oben in die Kondensationszone der höherliegenden Kammer. Nichtverdampfte Flüssigkeit fliesst über den Was serüberlauf 2 in die tieferliegende Kammer herab.
Es wird, um Wärmeverluste zu vermindern und um weinen kleineren Apparatdurchmesser zu erhalten, bei der dritten Ausführungsform in der Längsachse jeder Kammer ein zentrales Rohr 22 (Fig. 3) angeordnet, damit Dampf in Richtung des Pfeils A aus der jeweiligen tieferliegenden Kammer in die Kondensationszone 4 der benachbarten darüberliegenden Kammer strömen kann, deren schraubenlinienförmige Rohrschlange 6 sich über einem Boden 23 unter leiner Glocke 25 befindet.
Das Rohr 22 ist durch die Verdampfungszone 5 geführt, in der sich der Boden 1 mit Wasserüberlauf 2 und Zusatzböden 26, 27 befinden, auf denen Spirale förmige Rohrschlangen 7 liegen. Das Rohr endet in der Kondensationszone 4. Die Glocke 25 deckt das Rohr 22 von oben her so ab, dass ein Spalt 28 zum Durchströmen des Dampfes in Richtung des Pfeils A aus dem Rohr 22 in die Kondensationszone 4 entsteht.
Die zylindrische Wand der Glocke 25 enthält Öffnungen, die die Form von zick-zack-förmig verlaufenden Schlitzen 29 (in Fig. 3 schematisch angedeutet) zum Durchgang von Kondensat und nichtkondensierbaren Beimengungen in die Verdampfungszone 5 aufweisen.
Der sich an dem Boden 23 anschliessende vertikale Mantel 24 und die zylindrische Wand der Glocke 25 bilden, wenn Kondensat zwischen ihnen vorhanden ist, einen Wasserverschluss, der die Verdampfungszone 5 von der Kondensationszone 4 trennt.
Die vertikalen Mäntel (24, 26a, 27a) der Böden 23, 26, 27 bilden abwechselnd entweder mit dem Kammergehäuse 3 oder dem Rohr 22 Ringräume 30 zum Durchgang des Kondensats von den höherliegenden Böden auf die tieferliegenden und zum Durchströmen in Richtung des Pfeils A' des aus Kondensat erhaltenen Destillatdampfes in die Kondensationszone der höherliegenden Kammer.
Nichtverdampfte Flüssigkeit fliesst vom Boden 1 auf die Böden der tieferliegenden Kammer über den Wasser überlauf 2, der durch die Zylinderwand des Rohrstutzens 31 des Bodens 1 und diejenigen des ausgeweiteten Unterteils 32 des Rohres 22 gebildet wird bzw. wird die vom Boden 1 der untersten Kammer über dén Wasserüberlauf 2 fliessende nichtverdampfte Flüssigkeit durch den Stutzen 34 aus dem. Apparat ablge- führt.
Verwendung in der Industrie von Apparaten der erfindungsgemässen Bauart gestattet es, einen der wichtigsten Widersprüche bei der Vakuumrektifikation, und zwar die- gegenseitige Abhängigkeit der Apparatwirksamkeit vom Strömungswiderstand längs der Apparathöhe zu beseitigen. Durch Einsatz des Apparats können Flüssigkeitsgemische wärmeunbeständiger Stoffe grosstechnisch beispielsweise in der Chemie-, Nahrungsmittel-, Vitamin-Pharmazeutischen Industrie und in anderen Industriezweigen getrennt werden: Da bei dem erfindungsgemässen Apparat keine Wechselwirkung der beiden Phasen vorhanden ist, wird der Widerstand des ganzen Apparats durch denjenigen einer Kammer biestimmt, die praktisch widerstandslos ist.
Hierdurch ist es möglich, unbegrenzt die Wirksamkeit des Apparats durch Vergrösserung der Kammeranzahl zu steigern.
Ausserdem steigern Vergrösserung der Wärmeaustauschflächen und deren relative Lage bedeutend die Leistungsfähigkeit des Apparats und ermöglichen es, seine Aussenmasse zu vermindern.