Verfahren zur Bildung eines ringförmigen Flüssigkeitsstromes, der entlang einer
Kanalwand verläuft, und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung eines ringförmigen Flüssigkeitsstromes, der entlang einer Kanalwand verläuft, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In Eindampfapparaten und häufig auch in Apparaten zur Durchführung chemischer Reaktionen treten gleichzeitig Strömungen von Flüssigkeiten und Dämpfen und/oder Gasen auf. (Nachstehend wird der Einfachheit halber oft nur das Wort Gas gebraucht, auch wenn es sich um Dampf oder Dampf-Gasgemisch handeln kann). Flüssigkeits- und Gasströmung können sowohl im Gegenstrom als auch im Gleichstrom verlaufen.
Zum Beispiel sind sogenannte Rieselverdampfer bekannt, bei denen die flüssige Phase an den Innenwänden beheizter Rohre nach unten fliesst, während der entstehende Brüden im Gegenstrom nach oben steigt. Ähnlich arbeiten z. B. Absorptionsapparate, in denen eine Flüssigkeit ein Gas zu absorbieren hat. Allerdings müssen hier die Rohre meistens gekühlt werden, um die Absorptionswärme abzuführen. In diesen beiden genannten Fällen bewegt sich die Flüssigkeit nur unter dem Einfluss der Schwerkraft. Da deren Wirkung insbesondere bei viskosen Flüssigkeiten unter Umständen nicht ausreichend ist, um einen für die erforderliche Wärmeübertragung genügend intensiven Bewegungszustand der Flüssigkeit zu bewirken, sind Dünnschichtverdampfer und Dünnschichtreaktoren entwickelt worden, bei denen ein mechanisches Rührwerk die auf der Innenfläche eines vertikalen, von aussen beheizten (bzw.
gekühlten) Zylinders herabfliessende Flüssigkeit gleichmässig ringförmig verteilt und in Bewegung hält.
Strömen die flüssige und die gasförmige Phase in derselben Richtung, so trägt die Bewegung der Gasphase dazu bei, die Flüssigkeit in Bewegung zu setzen.
Das Prinzip des Gleichstromes ist insoweit dem Prinzip des Gegenstromes überlegen. Zum Beispiel sind Gleichstromverdampfer bekannt, bei denen die Rohre, in denen die einzudampfende Flüssigkeit strömt, horizontal liegen. Hier wird auf die Wirkung der Schwerkraft sogar ganz verzichtet, die Bewegung der Flüssigkeit beruht ausschliesslich auf der treibenden Wirkung des gasförmigen Stromes. Im Gleichstrom arbeiten auch Fallstromapparate, die für Wänne- und/oder Material übertragungsvorgänge bestimmt sind, und in welchen eine zu behandelnde Flüssigkeit auf der Innenfläche von vertikalen Wärmeaustauschrohren entlangläuft, und zwar in Gegenwart eines Gas- oder Dampfstromes. der axial verläuft. Besonders zu erwähnen sind in diesem Zusammenhang die Fallstromverdampfer.
Die einzudampfende Flüssigkeit bedeckt die Innenflächen der Heizrohre in einer dünnen Schicht, welche sich unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten bewegt. Diese Bewegung wird unterstützt durch einen ebenfalls von oben nach unten gehenden gasförmigen Strom, bestehend aus dem sich entwickelnden Brüden und aus gegebenenfalls zugleich mit der Flüssigkeit zugeführtem Dampf oder Gas.
In allen geschilderten Fällen kommt es darauf an, einen in lebhafter Bewegung befindlichen Flüssigkeitsstrom zu erzeugen, welcher die Wärmeaustauschfläcllen vollständig und gleichmässig bedeckt. Im Inneren von Rohren soll die Flüssigkeitsschicht also ringförmig an der Wand gehalten werden, so dass die Flüssigkeit am Ende der Rohre auf deren gesamtem Umfang austritt.
Dies ist nicht nur wichtig im Hinblick auf möglichst günstige Bedingungen für die Wärmeübertragung, sondern auch im Hinblick darauf, dass alle Teile der Flüssigkeit gleichmässig behandelt werden und die gleiche Aufenthaltszeit erreichen. Sowohl beim Eindampfen als auch bei chemischen Reaktionen hängt hiervon die Qualität des Endproduktes ab.
Die bekannten Verfahren und üblichen Apparate erreichen das beschriebene Ziel nur unvollkommen oder mit grossem technischem Aufwand. Letzteres trifft besonders für Dünuschichtapparate mit mechanischem Rührwerk zu. Das Fallstromverfahren ist verhältnismässig vorteilhaft infolge des Zusammenwirkens von Schwerkraft und der treibenden Wirkung der Gasphase.
Die gewünschte Art der Flüssigkeitsströmung ist aber in vielen Fällen nicht zu erreichen. Die Parameter, welche den Charakter einer Zweiphasenströmung bestimmen, sind sehr zahlreich und ihre Wirkung ist so wenig bekannt, dass bislang im wesentlichen empirisch vorgegangen werden muss, um festzustellen, wie sich irgendeine Kombination von Gas und Flüssigkeit unter bestimmten Betriebsbedingungen verhält.
Es ist jedoch bekannt, dass Flüssigkeit, welche in dünner Schicht an einer senkrechten oder wenigstens stark geneigten Wand herunterfliesst, quer zur Strö mungsrichtung Wellen bildet. Diese Wellen wandern mit der Flüssigkeit nach unten, und zwar mit zunehmender Amplitude. Die Flüssigkeitsschicht wird infolgedessen zunehmend ungleichmässiger. Fliesst die Flüssigkeit auf der Innen- oder Aussenseite eines vertikalen Rohres hinunter, so bilden die Wellen ringförmige Ansammlungen von Flüssigkeit, sogenannte Fallringe, zwischen denen die Dicke der Flüssigkeitsschicht ausserordentlich gering werden kann, abhängig von der Länge des senkrecht nach unten zurückzulegenden Weges und der Viskosität der Flüssigkeit.
Diese Wellenbildung führt dazu, dass trotz gleichmässiger Flüssigkeitszufuhr zu einem Fallstromrohr der Abfluss periodisch wechselt, und zwar unter bestimmten Umständen so stark, dass der Abfluss sekundenlang vollständig unterbrochen wird. Eine andere störende Erscheinung besteht darin, dass die abfliessende Flüssigkeitsschicht sich zu Strähnen zusammenzieht, wodurch die Gleichmässigkeit der Flüssigkeitsbedeckung in der Weise gestört wird, dass sich Zonen bilden können, welche überhaupt nicht mehr bespült werden.
Während sich jedoch die letztgenannte Erscheinung, das Zusammenziehen der Flüssigkeitsschicht zu einzelnen Strähnen, bei Fallstromapparaten durch passende Wahl der Rohrabmessungen usw. verhältnismässig leicht vermeiden lässt, ist dies nicht der Fall, soweit es sich um die beschriebene Bildung von Wellen bzw. Fallringen handelt.
Das periodische Wechseln des Flüssigkeitsstromes hat vier Nachteile beim Betrieb von Fallstromapparaten: a) Senkung des Wärmeübergangskoeffizienten an den jeweils minimal mit Flüssigkeit bedeckten Stellen, da dort im Extremfall nur noch die ruhende Grenzschicht vorhanden ist.
b) Überhitzung der Flüssigkeitsteile, welche sich an der Wand befinden, dadurch Qualitätseinbusse einerseits und gegebenenfalls Verkrustung der Heizfläche anderseits.
c) Überkonzentration von Flüssigkeitsteilen beim Eindampfen, was besonders bei wärmeempfindlichen Produkten schädlich ist und zur Bildung unlöslicher Rückstände führt.
d) Ungleiche Aufenthaltszeiten der Flüssigkeitsteile auf der Heiz- bzw. Kühlfläche, da die in den Fallringen enthaltene Flüssigkeit viel schneller strömt, als die an der Wand haftenden Flüssigkeitsteile. Diese ungleichen Aufenthaltszeiten können wiederum zu Qualitätseinbussen führen.
Die vorliegende Erfindung verfolgt den Zweck, diese Nachteile zu vermeiden. Sie geht von der Beobachtung aus, dass sich eine gleichmässig fliessende Flüssigkeitsschicht erzielen lässt, wenn die Flüssigkeit zu ununterbrochenen Richtungsänderungen gezwungen wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch einen sich um mindestens eine Achse herumwindenden Kanal geleitet wird und dass ein gasförmiger Strom durch den Kanal geschickt wird, der die Flüssigkeit als ringförmige Schicht an der Innenfläche des Kanals hält und sie auf dem ganzen Umfang des Kanals aus dem Kanal austreten lässt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist gekennzeichnet durch mindestens einen Kanal, der sich um mindestens eine Achse herumwindet, und durch Vorrichtungen zur Speisung dieses Kanals mit Flüssigkeit und Gas.
Der gasförmige Strom sollte dabei eine bestimmte Mindeststärke erreichen, und zwar abhängig von der Viskosität der Flüssigkeit. Versuche haben ergeben, dass bei einem Druck von 1 Bar die Mindeststärke des gasförmigen Stromes bei einer Viskosität der Flüssigkeit von mindestens 1 Centipoise V = 0,05 (d-6), bei einer Viskosität der Flüssigkeit von mindestens 250 Centipoise V = 0,02 (d-6) Normalkubikmeter pro Minute betragen muss. Aufgrund der physikalischen Zusammenhänge zwischen Druck, spezifischem Volumen, Geschwindigkeit und Treibwirkung des gasförmigen Stromes ergibt sich, dass bei irgendeinem anderen Druck p, gemessen in Bar, die dann erforderlichen Mindestmengen V (Normalkubikmeter pro Minute) sich aus den oben angegebenen Werten durch Multiplikation mit der Quadratwurzel aus diesem anderen Druck p ergeben.
Der Flüssigkeitsstrom wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass er höchstens so gross ist wie der durch die Gleichung L = 0,046 dz0,16 d + 0,8 erhaltene Wert.
Dabei ist L der Flüssigkeitsstrom in Liter pro Minute und d der hydraulische Durchmesser des Kanals in mm; d beträgt mindestens 6 mm.
Auf der beigefügten Zeichnung sind das Verfahren beispielsweise erläuternde Diagramme und Ausführungsbeispiele der Vorrichtung dargestellt.
Das Diagramm 1 zeigt den maximalen Flüssigkeitsstrom L in Liter pro Minute in Abhängigkeit vom hydraulischen Durchmesser d (mm) des Strömungskanals, das Diagramm 2 die minimale Stärke des gasförmigen Stromes in Normalkubikmeter pro Minute, ebenfalls in Abhängigkeit vom hydraulischen Durchmesser des Kanals. (Hydraulischer Durchmesser =dem Vierfachen des lichten Querschnittes geteilt durch den Umfang des Kanals.)
Die in den Diagrammen dargestellten Kurven entsprechen den oben angegebenen Formeln. Diese Kurven sind das Ergebnis zahlreicher Versuche, bei denen die Strömungsverhältnisse in transparenten Rohren beobachtet wurden, welche wendelförmig um eine senkrechte Achse gewunden waren, und durch welche gleichzeitig Flüssigkeit und Luft von oben nach unten hindurchgeleitet wurden. Zahlreiche, für die Stabilität der Strömung wichtige Parameter wurden verändert.
Als Flüssigkeit wurde Wasser mit einer Viskosität von 1 Centipoise und Glukoselösung mit einer Viskosität von 250 Centipoise benutzt. Diesen beiden Werten der Viskosität entsprechen die Kurven V1 und V. in Fig. 2. Wie die Linie L in Fig. 1 zeigt, hängt die maximale Stärke des Flüssigkeitsstromes, bei welcher die Strömung noch stationär ist, ausschliesslich vom hydraulischen Durchmesser d des Strömungskanals ab. Weder die Viskosität noch die geometrische Form der Wendel konnten einen wesentlichen Einfluss auf diesen Grenzwert für L ausüben, obwohl diese Parameter in weiten Grenzen verändert wurden. Die geometrische Form eines Rohres in Gestalt einer Wendel ist bestimmt durch den Rohrdurchmesser d, den Radius der Wendel R und die Steigung der Wendel P.
Es wurden Rohre von 10 bis 50 mm Durchmesser, Wendelradien zwischen 5 und 140 mm und Steigungen von 500 bis 1500 mm benutzt.
Das Verhältnis von Steigung zu Wendelradius (P/R) wurde zwischen 3,5 und 300 geändert, ohne dass sich der Grenzwert der Flüssigkeitsströmung L wesentlich geändert hätte.
Es genügt, also Strömungskanäle in Wendelform mit sehr kleinem Wendelradius und grosser Steigung zu benutzen, um stabile und stationäre Zweiphasenströmungen zu erhalten. Diese Erkenntnis bedeutet nämlich, dass man bei grösseren Apparaten eine grössere Anzahl derartiger Wendelrohre parallel nebeneinander anordnen kann, ohne übermässigen Platzbedarf, und dass es möglich ist, solche Wendelrohre z. B. gegebenenfalls mechanisch zu reinigen, insbesondere, wenn der Wendelradius kleiner als der Rohrdurchmesser ist.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, lässt sich der Flüssigkeitsstrom praktisch beliebig, jedenfalls bis zu kleinen Bruchteilen eines Liters pro Minute und cm Rohrumfang verringern. Die unterhalb der Linie für den Maximalwert L eingezeichnete gestrichelte Linie L' bedeutet die obere Grenze, bis zu der der ringförmige Flüssigkeitsstrom nicht nur stabil ist, sondern auch eine in jedem Querschnitt des Kanals gleichbleibende Stärke aufweist. Bei höheren Anforderungen an die Gleichmässigkeit der die Kanalwand bedeckenden Flüssigkeitsschicht ist es daher zweckmässig, mit Mengen zu arbeiten, die unter denen liegen, die mit der gestrichelten Linie L' angegeben sind.
Was den gasförmigen Strom betrifft, so ist es möglich, mit grösseren Mengen zu arbeiten, als die Linie V1 in Fig. 2 angibt. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es aber zweckmässig, möglichst nahe der unteren Grenze zu arbeiten, jeweils abhängig von der Viskosität der Flüssigkeit. Um die untere Grenze zu bestimmen, genügt es, einfach die Flüssigkeit am Austritt des Strömungskanals zu beobachten. Erfolgt nämlich der Austritt auf dem gesamten Umfang, so ist die gewünschte ringförmige Schicht auf der gesamten Innenfläche des Kanals vorhanden. Dies konnte durch Beobachten des Flüssigkeitsstromes durch die transparenten Wände der bei den Versuchen benutzten Rohre festgestellt werden.
Wenn das Verfahrn nach der Erfindung bei Eindampfvorgängen benutzt wird, so ist zu berücksichtigen, dass der Flüssigkeitsstrom sich während des Durchganges durch den von aussen beheizten Strömungskanal infolge von Verdampfung eines Teiles der Flüssigkeit verringert, wohingegen der gasförmige Strom aufgrund desselben Vorganges zunehmend stärker wird. Es ist aber wichtig, dass der gasförmige Strom bereits beim Eintritt der Flüssigkeit in den gewundenen Strömungskanal die erforderliche Stärke zur Bildung einer die Kanalwand ringförmig bedeckenden Flüssigkeitsschicht besitzt. Andernfalls würde nämlich die Flüssigkeit sich nur im Unterteil des Rohrquerschnitts bewegen, und nur ein kleiner Teil der Wärmeaustauschfläche würde wirksam werden können.
In Weiterentwicklung des Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung soll daher wenigstens ein Teil des gasförmigen Stromes zusammen mit der Flüssigkeit in das eine Ende des Kanals eingeleitet werden. Grundsätzlich kann der gasförmige Strom ein Inertgas, z. B. Luft oder Dampf sein. Beim Eindampfen wird zweckmässigerweise Dampf benutzt, welcher in beliebiger Weise erzeugt werden kann, vorzugsweise aber durch Überhitzung und nachfolgende Entspannung der einzudampfenden Flüssigkeit zu gewinnen ist. Im letztgenannten Falle ergibt es sich von selbst, dass die Flüssigkeit mindestens mit derjenigen Temperatur in den Kanal eintritt, die der Siedetemperatur bei dem Druck am Eintritt in den Kanal entspricht.
Auch bei Zuführung von Dampf aus einer anderen Quelle ist es wichtig, dass die Flüssigkeit wenigstens mit dieser Siedetemperatur zugeführt wird, weil sonst ein Teil des zugeführten Dampfes an der kälteren Flüssigkeit kondensieren würde, entgegen dem angestrebten Zweck.
Wie die genannten Formeln und die Kurven von Fig. 2 erkennen lassen, muss der gasförmige Strom ziemlich stark sein, um das Entstehen einer ringförmigen Schicht von Flüssigkeit auf der Innenfläche des Kanals zu bewirken. Es kann daher die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens übermässig belasten, wenn zur Erzeugung des gasförmigen Stromes Dampf von aussen her zugeführt werden soll. Die Möglichkeit, Dampf aus der einzudampfenden Flüssigkeit selbst durch vorgehende Überhitzung mit nachfolgender Entspannung zu gewinnen, ist im allgemeinen begrenzt, insbesondere auch durch die Wärmeempfindlichkeit der einzudampfenden Lösungen.
Beim Eindampfen sollte mindestens ein von aussen heizbarer, vorzugsweise im Querschnitt kreisförmiger Strömungskanal benutzt werden, welcher aus einem oberen, senkrecht stehenden, geraden Teil und einem unteren, um mindestens eine senkrechte Achse gewundenen Teil besteht, wobei die Flüssigkeit dem oberen Ende des geraden Teiles zuzuführen ist. In einem geraden, senkrechten Rohr ist es nämlich im Gegensatz zu einem gewundenen, z. B. wendelförmigen Rohr möglich, auch ohne das Vorhandensein eines gasförmigen Stromes die gesamte Innenfläche mit Flüssigkeit benetzt zu halten. Der senkrecht stehende, gerade obere Teil wirkt also in derselben Weise, wie das Heizrohr eines gewöhnlichen Fallstromverdampfers.
Beim Durchgang der Flüssigkeit durch diesen oberen Teil muss nur so viel Dampf erzeugt werden, wie notwendig ist, um beim Eintritt in den gewundenen Teil die ringförmige Strömung aufrechtzuerhalten. Die erforderliche Länge des geraden Teiles lässt sich berechnen, sie liegt z. B. zwischen 1/4 und Illr der insgesamt erforderlichen Rohrlänge. Da die Länge des geraden Teiles verhältnismässig gering bleibt, besteht auch nicht die eingangs beschriebene Gefahr der Wellenbildung und eines periodisch wechselnden Flüssigkeitsstromes.
Auch bei Verwirklichung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung besteht, je nach dem Fliessverhalten der zu behandelnden Flüssigkeiten, die Möglichkeit ungleicher Aufenthaltszeiten der verschiedenen Flüssigkeitsteile dadurch, dass sich an der Wand des Strömungskanals eine ruhende bzw. nur langsam bewegte Grenzschicht befindet. Auch bleibt die Möglichkeit bestehen, dass die die Wand benetzenden Flüssigkeitsteile unerwünschte Veränderungen erfahren und die Wand verkrusten. Die Innenfläche des gewundenen Kanals sollte aus einem von der zu behandelnden Flüssigkeit nicht benetzbaren Material bestehen. Dies lässt sich beispielsweise durch einen Überzug des Rohr-Inneren mit Teflon erreichen. Die Verwendung nicht benetzbarer Überzüge von Wärmeaustauschflächen ist an sich bekannt.
Versuche haben aber gezeigt, dass senkrecht stehende, nicht benetzbare Flächen nur sehr geringe Werte der Wärmeübertragung an siedende Flüs sigkeiten ergeben, weil in diesem Falle keine hinreichenden Kräfte vorhanden sind, die die Flüssigkeit an der Wand halten. Bei einem gemäss der vorliegenden Erfindung gewundenen Kanal, z. B. einem Rohr in Gestalt einer Wendel, werden trotz der nicht benetzbaren Innenfläche hohe Werte der Wärmeübertragung erzielt, da die besonderen Strömungsverhältnisse einen genügend engen Kontakt zwischen der Wand und der Flüssigkeit bewirken.
Ein zylindrisches Rohr in Gestalt einer Wendel mit senkrechter Achse ist im allgemeinen als die nächstliegende und zweckmässigste Form eines Strömungskanals zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung anzusehen. Für gewisse Anwendungsbereiche könnte aber auch ein in Spiralform gewundenes Rohr eingesetzt werden, ebenso wie der Strömungskanal auch als Aussparung in einem Block aus geeignetem Material vorgesehen werden könnte. Ausser der Windung um eine einzige Achse ist es ebenfalls möglich, einen Kanal vorzusehen, der sich um zwei oder sogar mehr Achsen herumwindet, je nach dem Raum, der zur Verfügung steht. So kann man z. B. die Verwendung eines Kanals vorsehen, der sich in Gestalt einer Acht um zwei parallele Achsen windet.
Obwohl ein kreisförmiger Querschnitt des röhrenförmigen Kanals für die meisten Zwecke geeignet ist, kann der Kanal auch einen anderen, z. B. ovalen Querschnitt besitzen.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verdampfer, wie er beispielsweise zur Durchführung des Verfahrens gemäss Erfindung eingesetzt werden kann und zu Versuchszwecken benutzt worden ist. Der Verdampfer enthält ein Rohr 1, das sich in Form einer Wendel um eine senkrechte Achse windet und zwischen zwei Rohrplatten 2 und 3 in der Heizkammer 4 befindet. Oberhalb der Rohrplatte 2 befindet sich eine Kammer 5, durch welche das Rohr mit Flüssigkeit und Dampf gespeist werden kann.
Die zu konzentrierende Flüssigkeit, die aus einer Quelle 6 kommt und auf Verdampfungstemperatur vorgewärmt wurde, wird durch eine Leitung 7, die mit einem Ventil 8 versehen ist, dem Rohr 1 in regelbarer Menge zugeführt. Gleichzeitig wird aus einer Quelle 9 kommender Sattdampf durch eine Leitung 10, die mit einem Ventil 11 versehen ist, in die Kammer 5 eingeführt.
Die Kammer 4 wird durch eine Leitung 12, die mit einer zweiten Dampfquelle 13 verbunden ist, mit Heizdampf beschickt, und eine Leitung 14 dient dazu, diese Kammer zu entwässern und zu entlüften.
Durch entsprechende Bemessung des Flüssigkeitsstromes L (Lösung) und des gasförmigen Stromes V (Dampf) ist es möglich, auf der gesamten Länge des Rohres 1 eine stationäre Strömung in zwei Phasen zu erzielen. Die einzudampfende Lösung fliesst dabei als ringförmige Schicht auf der Innenseite des beheizten Rohres 1 siedend herab, und der Dampf, der durch das Sieden entsteht, bildet zusammen mit dem von der Quelle 9 her zugeführten Dampf den gasförmigen Strom, welcher ebenfalls nach unten strömt und die Flüssigkeit an der Wand hält.
Die konzentrierte Lösung und der am Ende des Rohres 1 austretende Dampf gehen in einen Abscheider 15. Eine Trennwand 16 mit einem Verbindungsrohr 17 teilt den Abscheider in zwei Kammern 18 und 19. Mit Hilfe dieser Einrichtung wird die konzentrierte Lösung vom Dampf getrennt und aus dem Raum 19 durch die Leitung 20 mit Hilfe der Pumpe 21 abgesaugt.
Der Dampf wird mittels der Leitung 22 dem Oberflächenkondensator 23 zugeführt. Die Leitungen 24 und 25 dienen der Kühlwasserzufuhr und Kühlwasserableitung. Der Kondensator ist mit einer Vakuumpumpe 26 ausgerüstet, welche zur Entlüftung dient. Das Kondensat wird schliesslich durch die Leitung 27 abgesaugt.
Der oben beschriebene Verdampfer war für Versuchszwecke bestimmt, er ist aus diesem Grunde nur mit einem einzigen Heizrohr ausgerüstet. Selbstverständlich kann ein solcher Verdampfer eine beliebige Anzahl von Heizrohren enthalten, welche parallel miteinander arbeiten. Im vorliegenden Falle handelte es sich um ein Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem äusseren Durchmesser von 42 mm und einem inneren Durchmesser von 36 mm, welches innen mit einer Teflon- schicht, Lebensmittelqualität S 954-100, 0,03 mm stark, ausgekleidet war.
Der Wendelradius R war gleich dem inneren Durchmesser des Rohres, 36 mm, die Steighöhe der Wendel P = 600 mm. Das Verhältnis P/R betrug also ungefähr 17. Die aufgerollte Länge dieses Rohres betrug 6,8 m, während die Höhe der Wendel, d. 11. der Abstand zwischen den Rohrplatten 2 und 3, 6,44 m betrug.
Bei Versuchen mit dem Verdampfer wurden wässrige Glukoselösungen konzentriert. Die Ausgangskonzentrationen lagen etwa zwischen 35 und 62 %, die Endkonzentrationen schwankten zwischen 62 und 83 %, was einem beachtlichen Viskositätsumfang entspricht, der von 20 bis 800 Centipoise geht.
Der schraffierte Streifen des Diagramms Fig. 4 umgrenzt die bei den Versuchen erreichten Wärmeübertragungszahlen in Abhängigkeit von der Viskosität der eingedampften Flüssigkeit. Diese Resultate zeigen, dass das Verfahren nach der Erfindung die Konzentration von Lösungen mit sehr hohen Viskositäten ermöglicht, und dass dabei Wärmeübertragungszahlen erreicht werden, die den in Dünnschichtverdampfern mit mechanischem Rührwerk erreichten gleichkommen, jedoch ohne Einsatz mechanischer Mittel zur Bewegung der Flüssigkeit.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann aber nicht nur zum Eindampfen, sondern auch zur Durchführung chemischer Reaktionen angewendet werden.
Genannt seien beispielsweise Verfahren der Flüssigkeits-Gas-Absorption, welche mit stark exothermen Reaktionen verbunden sind. Hier kommt es auf rasche Abführung der entstehenden Wärme an, wofür die rasche, ringförmige Strömung entlang der Kanalwand besonders günstig ist. Erwähnt sei in diesem Zusammenhang die Sulfonation von Olefinen durch SO3, die Nitration oder Halogenation von aromatischen Verbindungen und die Halogenation von Alkanen.
Das Verfahren gemäss der Erfindung eignet sich überdies auch zur Polymerisation in flüssigem Zustand, denn die Polymerisationenreaktionen sind im allgemeinen so stark exotherm, dass sie nicht in einer grossen Masse durchgeführt werden können. Man muss auf Lösungen oder Emulsionen zurückgreifen, die dazu bestimmt sind, den Vorgang thermisch beherrschen zu können. Die mit dem Verfahren gemäss der Erfindung durchgeführte dünnschichtige Polymerisation bietet hinsichtlich der Sulfonation die gleichen Vorteile, wie bereits oben erwähnt. Da Temperaturunterschiede und unterschiedliche Aufenthaltszeiten weitgehend vermieden werden können, lässt sich ein Endpolymer erzeugen dessen Molekulargewicht sich innerhalb erwünschter, verhältnismässig enger Grenzen hält.
Process for the formation of an annular stream of liquid which flows along a
Channel wall runs, and device for performing the method
The present invention relates to a method for forming an annular flow of liquid which runs along a channel wall, and to an apparatus for carrying out the method.
In evaporators and often also in apparatus for carrying out chemical reactions, flows of liquids and vapors and / or gases occur simultaneously. (In the following, for the sake of simplicity, only the word gas is often used, even if it can be steam or a steam-gas mixture). Liquid and gas can flow both in countercurrent and in cocurrent.
For example, so-called trickle evaporators are known in which the liquid phase flows downwards on the inner walls of heated pipes, while the vapor produced rises in countercurrent. Work z. B. Absorption apparatus in which a liquid has to absorb a gas. However, the pipes usually have to be cooled here in order to dissipate the heat of absorption. In these two cases mentioned, the liquid only moves under the influence of gravity. Since their effect, especially in the case of viscous liquids, may not be sufficient to bring about a state of motion of the liquid that is sufficiently intense for the required heat transfer, thin-film evaporators and thin-film reactors have been developed in which a mechanical agitator is used to heat the inside of a vertical, externally heated ( or.
cooled) cylinder, the liquid flowing down is evenly distributed in a ring and keeps moving.
If the liquid and the gaseous phase flow in the same direction, the movement of the gas phase helps to set the liquid in motion.
In this respect, the principle of direct current is superior to the principle of countercurrent. For example, direct current evaporators are known in which the tubes in which the liquid to be evaporated flows are horizontal. Here the effect of gravity is completely dispensed with, the movement of the liquid is based exclusively on the driving effect of the gaseous flow. Downflow devices, which are intended for heat and / or material transfer processes, and in which a liquid to be treated runs along the inner surface of vertical heat exchange tubes, in the presence of a gas or vapor stream, also work in cocurrent. which runs axially. The falling film evaporators deserve special mention in this context.
The liquid to be evaporated covers the inner surfaces of the heating pipes in a thin layer, which moves downwards under the influence of gravity. This movement is supported by a gaseous stream, which also goes from top to bottom, consisting of the developing vapor and, if necessary, steam or gas which is supplied at the same time with the liquid.
In all the cases described, it is important to generate a lively flow of liquid which completely and evenly covers the heat exchange surfaces. In the interior of pipes, the liquid layer should therefore be held in a ring-shaped manner on the wall, so that the liquid emerges at the end of the pipes over their entire circumference.
This is not only important with regard to the most favorable conditions for the heat transfer, but also with regard to the fact that all parts of the liquid are treated equally and achieve the same residence time. Both in the case of evaporation and chemical reactions, the quality of the end product depends on this.
The known methods and conventional apparatus achieve the goal described only imperfectly or with great technical effort. The latter is particularly true for thin layer machines with mechanical agitators. The downdraft method is relatively advantageous due to the interaction of gravity and the driving effect of the gas phase.
In many cases, however, the desired type of liquid flow cannot be achieved. The parameters which determine the character of a two-phase flow are very numerous and their effect is so little known that until now it has essentially been necessary to proceed empirically to determine how any combination of gas and liquid behaves under certain operating conditions.
It is known, however, that liquid which flows down a vertical or at least strongly inclined wall in a thin layer forms waves transversely to the direction of flow. These waves travel downward with the liquid, with increasing amplitude. As a result, the liquid layer becomes increasingly irregular. If the liquid flows down the inside or outside of a vertical pipe, the waves form ring-shaped accumulations of liquid, so-called falling rings, between which the thickness of the liquid layer can be extremely small, depending on the length of the vertical downward path and the viscosity of the liquid.
This wave formation leads to the fact that, in spite of an even supply of liquid to a downflow pipe, the outflow changes periodically, and under certain circumstances so strongly that the outflow is completely interrupted for seconds. Another disturbing phenomenon is that the flowing liquid layer contracts into strands, whereby the evenness of the liquid coverage is disturbed in such a way that zones can form which are no longer flushed at all.
However, while the last-mentioned phenomenon, the contraction of the liquid layer into individual strands, can be avoided relatively easily in downdraft devices by suitable choice of tube dimensions etc., this is not the case as far as the described formation of waves or falling rings is concerned.
The periodic change in the flow of liquid has four disadvantages when operating downdraft devices: a) Reduction of the heat transfer coefficient at the points that are minimally covered with liquid, since in extreme cases only the static boundary layer is present there.
b) Overheating of the liquid parts that are on the wall, resulting in a loss of quality on the one hand and possibly encrustation of the heating surface on the other.
c) Overconcentration of liquid parts during evaporation, which is particularly harmful with heat-sensitive products and leads to the formation of insoluble residues.
d) Unequal residence times of the liquid parts on the heating or cooling surface, since the liquid contained in the falling rings flows much faster than the liquid parts adhering to the wall. These unequal dwell times can in turn lead to a loss of quality.
The present invention aims to avoid these disadvantages. It is based on the observation that a uniformly flowing liquid layer can be achieved if the liquid is forced to change direction continuously.
The method according to the invention is characterized in that the liquid is passed through a channel winding around at least one axis and that a gaseous flow is sent through the channel, which holds the liquid as an annular layer on the inner surface of the channel and it over the entire circumference of the channel can exit the channel.
The device according to the invention is characterized by at least one channel that winds around at least one axis, and by devices for feeding this channel with liquid and gas.
The gaseous flow should reach a certain minimum strength, depending on the viscosity of the liquid. Tests have shown that at a pressure of 1 bar, the minimum strength of the gaseous flow at a viscosity of the liquid of at least 1 centipoise V = 0.05 (d-6), at a viscosity of the liquid of at least 250 centipoise V = 0.02 (d-6) must be normal cubic meters per minute. Due to the physical relationships between pressure, specific volume, speed and driving effect of the gaseous flow, it follows that at any other pressure p, measured in bar, the then required minimum quantities V (normal cubic meters per minute) result from the values given above by multiplying with the Give the square root of this other pressure p.
The liquid flow is preferably chosen so that it is at most as large as the value obtained by the equation L = 0.046 dz0.16 d + 0.8.
L is the liquid flow in liters per minute and d is the hydraulic diameter of the channel in mm; d is at least 6 mm.
In the accompanying drawing, the method is shown, for example, in explanatory diagrams and exemplary embodiments of the device.
Diagram 1 shows the maximum liquid flow L in liters per minute depending on the hydraulic diameter d (mm) of the flow channel, diagram 2 the minimum strength of the gaseous flow in normal cubic meters per minute, also depending on the hydraulic diameter of the channel. (Hydraulic diameter = four times the clear cross-section divided by the circumference of the duct.)
The curves shown in the diagrams correspond to the formulas given above. These curves are the result of numerous experiments in which the flow conditions in transparent tubes were observed, which were wound helically around a vertical axis, and through which liquid and air were simultaneously passed from top to bottom. Numerous parameters that are important for the stability of the flow have been changed.
As the liquid, water with a viscosity of 1 centipoise and glucose solution with a viscosity of 250 centipoise were used. Curves V1 and V in FIG. 2 correspond to these two values of viscosity. As line L in FIG. 1 shows, the maximum strength of the liquid flow at which the flow is still stationary depends exclusively on the hydraulic diameter d of the flow channel . Neither the viscosity nor the geometrical shape of the helix could have a significant influence on this limit value for L, although these parameters were changed within wide limits. The geometric shape of a pipe in the form of a helix is determined by the pipe diameter d, the radius of the helix R and the pitch of the helix P.
Pipes with a diameter of 10 to 50 mm, spiral radii between 5 and 140 mm and slopes of 500 to 1500 mm were used.
The ratio of the pitch to the spiral radius (P / R) was changed between 3.5 and 300 without the limit value of the liquid flow L having changed significantly.
It is sufficient to use helical flow channels with a very small helix radius and a large gradient in order to obtain stable and steady two-phase flows. This knowledge means that with larger apparatuses a larger number of such helical tubes can be arranged in parallel next to one another without taking up excessive space, and that it is possible to use such helical tubes z. B. mechanically cleaned if necessary, especially if the spiral radius is smaller than the pipe diameter.
As can be seen from FIG. 1, the liquid flow can be reduced practically as desired, at least down to small fractions of a liter per minute and cm of pipe circumference. The dashed line L 'drawn below the line for the maximum value L means the upper limit up to which the annular liquid flow is not only stable, but also has a constant strength in every cross section of the channel. In the case of higher demands on the evenness of the liquid layer covering the channel wall, it is therefore advisable to work with quantities that are below those indicated by the dashed line L '.
As far as the gaseous flow is concerned, it is possible to work with larger quantities than the line V1 in FIG. 2 indicates. For economic reasons, however, it is advisable to work as close as possible to the lower limit, in each case depending on the viscosity of the liquid. To determine the lower limit, it is sufficient to simply observe the liquid at the outlet of the flow channel. If the exit occurs over the entire circumference, the desired annular layer is present on the entire inner surface of the channel. This could be determined by observing the flow of liquid through the transparent walls of the tubes used in the experiments.
If the method according to the invention is used in evaporation processes, it must be taken into account that the liquid flow decreases during passage through the externally heated flow channel due to evaporation of part of the liquid, whereas the gaseous flow becomes increasingly stronger due to the same process. However, it is important that the gaseous flow already has the strength required to form a liquid layer covering the channel wall in an annular manner when the liquid enters the winding flow channel. Otherwise the liquid would only move in the lower part of the pipe cross-section, and only a small part of the heat exchange surface would be able to take effect.
In a further development of the method according to the present invention, at least a part of the gaseous stream should therefore be introduced into one end of the channel together with the liquid. In principle, the gaseous stream can be an inert gas, e.g. B. be air or steam. In the case of evaporation, it is expedient to use steam, which can be generated in any desired manner, but is preferably obtained by overheating and subsequent expansion of the liquid to be evaporated. In the last-mentioned case, it follows automatically that the liquid enters the channel at least at that temperature which corresponds to the boiling temperature at the pressure at the entry into the channel.
Even when steam is supplied from another source, it is important that the liquid is supplied at least at this boiling temperature, because otherwise part of the steam supplied would condense on the colder liquid, contrary to the intended purpose.
As the above formulas and the curves of FIG. 2 indicate, the gaseous flow must be quite strong in order to cause an annular layer of liquid to form on the inner surface of the channel. It can therefore place an excessive burden on the economic viability of the process if steam is to be supplied from outside to generate the gaseous stream. The possibility of obtaining vapor from the liquid to be evaporated itself by prior overheating with subsequent relaxation is generally limited, in particular also by the heat sensitivity of the solutions to be evaporated.
During evaporation, at least one externally heatable flow channel, preferably circular in cross section, should be used, which consists of an upper, vertical, straight part and a lower part wound around at least one vertical axis, the liquid being fed to the upper end of the straight part is. In a straight, vertical tube it is in contrast to a winding, z. B. helical tube possible to keep the entire inner surface wetted with liquid even without the presence of a gaseous stream. The vertical, straight upper part thus works in the same way as the heating pipe of a conventional downdraft evaporator.
As the liquid passes through this upper part, only as much vapor needs to be generated as is necessary to maintain the annular flow as it enters the tortuous part. The required length of the straight part can be calculated. B. between 1/4 and Illr of the total required pipe length. Since the length of the straight part remains relatively short, there is also no risk of wave formation and a periodically changing flow of liquid, as described above.
Even when implementing the method according to the present invention, depending on the flow behavior of the liquids to be treated, there is the possibility of unequal residence times of the various liquid parts due to the fact that there is a stationary or only slowly moving boundary layer on the wall of the flow channel. The possibility also remains that the liquid parts wetting the wall experience undesirable changes and encrust the wall. The inner surface of the tortuous channel should consist of a material which cannot be wetted by the liquid to be treated. This can be achieved, for example, by coating the inside of the tube with Teflon. The use of non-wettable coatings for heat exchange surfaces is known per se.
Tests have shown, however, that vertical, non-wettable surfaces result in only very low values for heat transfer to boiling liquids, because in this case there are insufficient forces to hold the liquid on the wall. In a channel wound according to the present invention, e.g. B. a tube in the form of a helix, high values of heat transfer are achieved despite the non-wettable inner surface, since the special flow conditions cause a sufficiently close contact between the wall and the liquid.
A cylindrical tube in the form of a helix with a vertical axis is generally to be regarded as the closest and most expedient form of a flow channel for carrying out the method according to the present invention. For certain areas of application, however, a tube wound in a spiral shape could also be used, just as the flow channel could also be provided as a recess in a block of suitable material. In addition to winding around a single axis, it is also possible to provide a channel that winds around two or even more axes, depending on the space available. So you can z. B. envisage the use of a channel that winds in the shape of a figure eight around two parallel axes.
Although a circular cross-section of the tubular channel is suitable for most purposes, the channel can also be another, e.g. B. have an oval cross-section.
3 shows a schematic cross section through an evaporator, as it can be used, for example, to carry out the method according to the invention and has been used for experimental purposes. The evaporator contains a tube 1 which winds around a vertical axis in the form of a helix and is located between two tube plates 2 and 3 in the heating chamber 4. Above the tube plate 2 there is a chamber 5 through which the tube can be fed with liquid and steam.
The liquid to be concentrated, which comes from a source 6 and has been preheated to evaporation temperature, is fed through a line 7 which is provided with a valve 8 to the pipe 1 in a controllable amount. At the same time, saturated steam coming from a source 9 is introduced into the chamber 5 through a line 10 which is provided with a valve 11.
The chamber 4 is charged with heating steam through a line 12, which is connected to a second steam source 13, and a line 14 is used to dewater and vent this chamber.
By appropriately dimensioning the liquid flow L (solution) and the gaseous flow V (steam), it is possible to achieve a steady flow in two phases over the entire length of the pipe 1. The solution to be evaporated flows down boiling as a ring-shaped layer on the inside of the heated tube 1, and the steam that is created by the boiling forms, together with the steam supplied from the source 9, the gaseous stream, which also flows downwards and the Holds liquid on the wall.
The concentrated solution and the steam emerging at the end of the pipe 1 go into a separator 15. A partition 16 with a connecting pipe 17 divides the separator into two chambers 18 and 19. With the help of this device, the concentrated solution is separated from the steam and out of the room 19 suctioned through the line 20 with the aid of the pump 21.
The steam is fed to the surface condenser 23 via the line 22. The lines 24 and 25 are used to supply and discharge cooling water. The condenser is equipped with a vacuum pump 26 which is used for ventilation. The condensate is finally sucked off through line 27.
The evaporator described above was intended for experimental purposes, for this reason it is only equipped with a single heating tube. Of course, such an evaporator can contain any number of heating tubes which work in parallel with one another. In the present case, it was a stainless steel tube with an outer diameter of 42 mm and an inner diameter of 36 mm, which was lined on the inside with a Teflon layer, food grade S 954-100, 0.03 mm thick.
The spiral radius R was equal to the inner diameter of the pipe, 36 mm, the height of rise of the spiral P = 600 mm. The P / R ratio was thus approximately 17. The coiled length of this tube was 6.8 m, while the height of the helix, i. 11. The distance between tube plates 2 and 3 was 6.44 m.
In experiments with the evaporator, aqueous glucose solutions were concentrated. The initial concentrations were approximately between 35 and 62%, the final concentrations fluctuated between 62 and 83%, which corresponds to a considerable range of viscosity ranging from 20 to 800 centipoise.
The hatched stripe in the diagram in FIG. 4 delimits the heat transfer coefficients achieved in the tests as a function of the viscosity of the evaporated liquid. These results show that the method according to the invention enables the concentration of solutions with very high viscosities and that heat transfer coefficients are achieved which are equivalent to those achieved in thin-film evaporators with mechanical stirrers, but without the use of mechanical means to move the liquid.
However, the method according to the invention can be used not only for evaporation, but also for carrying out chemical reactions.
For example, methods of liquid-gas absorption, which are associated with strongly exothermic reactions, may be mentioned. Here it depends on the rapid dissipation of the heat generated, for which the rapid, ring-shaped flow along the channel wall is particularly beneficial. In this context, the sulfonation of olefins by SO3, the nitration or halogenation of aromatic compounds and the halogenation of alkanes should be mentioned.
The process according to the invention is also suitable for polymerisation in the liquid state, because the polymerisation reactions are generally so strongly exothermic that they cannot be carried out on a large scale. You have to resort to solutions or emulsions that are designed to be able to control the process thermally. The thin-layer polymerization carried out with the method according to the invention offers the same advantages with regard to sulfonation as already mentioned above. Since temperature differences and different residence times can largely be avoided, an end polymer can be produced whose molecular weight is kept within desired, relatively narrow limits.