CH642607A5 - Vorrichtung zur anreicherung von mineralischen saeuren, insbesondere von schwefelsaeure. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anreicherung und möglichen Reinigung von mineralischen Säuren, insbesondere von Schwefelsäure.

Für Vorrichtungen zum Anreichern von z.B. Schwefelsäure, gilt ganz allgemein das Erfordernis, dass die Vorrichtung flexibel ist, bezüglich einer Anpassung an den jeweiligen Durchsatz, weiterhin hinsichtlich der Art der Zusammensetzung der in die Vorrichtung eingegebenen Säure, die angereichert werden soll. Weiterhin sollen bei einer solchen Vorrichtung eine wirtschaftliche Arbeitsweise sowie eine zuverlässige Arbeitsweise und eine lange Lebensdauer vereinigt sein. Aus naheliegenden Gründen muss die Vorrichtung auch voll den Umweltbedingungen angepasst sein.

Es wird die Schaffung einer Vorrichtung bezweckt, mit der allen vorerwähnten Forderungen nachgekommen werden kann.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist gekennzeichnet, durch einen beheizbaren Ofen zum Erzeugen von Heizgasen und ein oder mehrere lange Quarzrohre, die sich vertikal durch den Ofen hindurch erstrecken, und die im oberen und unteren Bereich gegenüber dem Ofen abgedichtet sind, so dass die jeweilige Säure in einer ersten Konzentration im oberen Bereich zugeführt wird und in einer zweiten Konzentration, die höher als die erste ist, am unteren Bereich in einen Sammeltank abgelassen werden kann, gekennzeichnet weiterhin durch einen im Ofen vorhandenen Wärmetauscher für die Heizgase, wofür der im Innern des Ofens liegende Abschnitt des Quarzrohres von zu diesem parallelen Strömungskanälen umgeben ist, durch die die Heizgase strömen, und dass sich in diesen Strömungskanälen zumindest teilweise Turbulenzerzeuger befinden, mittels denen eine starke Turbulenz des Heizgases erreicht wird.

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Die im Hochtemperatur-Bereich der Vorrichtung liegenden Bauteile sollen eine solche Ausbildung haben können, dass eine Anreicherung der Schwefelsäure auf 97 % und mehr ermöglicht wird, wobei die vorerwähnten Bauteile eine solche Wärmeübertragung ermöglichen sollen-, dass die zu reinigende Säure auf etwa 320°C erwärmt werden kann. Dadurch, dass die zu schaffende Vorrichtung mit solchen hohen Temperaturen arbeiten kann, wird auch der Vorteil erreicht, dass in der jeweiligen Säure vorhandene organische Verunreinigungen ohne Rückstand zerstört bzw. abgebaut werden können, vor allem wenn beim Anreicherungsprozess ein geeignetes Oxidationsmittel beigegeben wird. Durch diese hohen Temperaturen wird die Schwefelsäure sehr stark korrosiv, so dass die Verwendung von Quarzrohren notwendig wird. Dieses bringt aber besondere Probleme hinsichtlich der Bauweise mit sich, infolge des sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten von Quarz und der geringen Festigkeitseigenschaften von Quarz. Diese Probleme können aber durch eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung gelöst werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Anreicherungsvorrichtung, die in einer nicht näher dargestellten Anlage zum Aufbereiten von Rückstandssäure dient.

Fig. 2a und 2b Vertikalschnitte durch die Vorrichtung nach Fig. 1, wobei die Schnitte um 90° zueinander versetzt liegen,

Fig. 3 in schematischer Darstellung einen Vertikalschnitt durch ein Quarzrohr, wie es aus den Fig. 2a und 2b ersichtlich ist,

Fig. 4a eine Seitenansicht einer für das Quarzrohr nach Fig. 3 bestimmten Rohreinheit,

Fig. 4b-4d in vergrösserter Darstellung verschiedene Teile der in Fig. 4a dargestellten Rohreinheit,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 2a, wobei mehrere Tragplatten für mehrere Quarzrohre und Rohreinheiten nach den Fig. 3 und 4a gezeigt sind,

Fig. 6a in schematischer Darstellung einen Horizontalschnitt durch die Rohreinheit nach Fig. 4a, mit einer Dichtung zwischen einem Auslasskanal und der Rohreinheit, Fig. 6b einen Vertikalschnitt durch die Rohreinheit,

nach der Linie B in Fig. 6a,

Fig. 6c einen Vertikalschnitt durch die Rohreinheit,

nach der Linie C in Fig. 6a,

Fig. 7a und 7b in schaubildlicher Darstellung und in einem vertikalen Schnitt Ausführungsbeispiele von Packungen, die in der Anreicherungsvorrichtung verwendet werden, und

Fig. 8 in schematischer Darstellung einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Quarzrohres, die als Alternative für ein Quarzrohr verwendet werden kann, das mit den vorerwähnten Packungen nach den Fig. 7a und 7b versehen ist.

Die im folgenden beschriebene Vorrichtung dient in erster Linie zur Anreicherung von Schwefelsäure, wobei in einem gewissen Ausmass die sogenannte Verdampfungstechnik angewandt wird. Dies bringt es mit sich, dass die Schwefelsäure, aus der Salpetersäure entfernt werden soll, dazu gebracht wird, entlang der Innenseite eines Quarzrohres zu laufen, wobei dieses Quarzrohr von der Aussenseite her mittels Heizgasen beheizt wird, wofür z.B. die Verbrennungsgase eines Ölbrenners dienen. Hierbei wird der in der Schwefelsäure enthaltene Wassergehalt verdampft. Um eine hohe Anreicherung der Schwefelsäure zu erreichen, sind Temperaturen bis zu etwa 320°C erforderlich. Diese Temperaturen sind ausreichend hoch, so dass vorhandene organische Verunreinigungen ohne Rückstand abgebaut werden, zumindest dann, wenn ein geeignetes Oxidationsmittel, z.B. Salpetersäure zugegeben wird. Hieraus ergibt sich, dass die Vorrichtung auch zur Reinigung von mineralischer Säure dient. Die Anreicherungsvorrichtung dient in erster Linie zum Aufbereiten von Schwefelsäure bei z.B. Nitrierverfahren (zum Härten), wobei die Schwefelsäure hauptsächlich durch bedeutende Mengen an organischen Substanzen verunreinigt ist.

Aus Fig. 1 ist die Anreicherungsvorrichtung 1 ersichtlich, die einen Sammeltank 2 oder Behälter für die in der Vorrichtung angereicherte Säure enthält. Die Säure, die angereichert werden soll, wird über die Leitungen 3 und 4 zugeführt. Die Anreichungsvorrichtung hat einen Ofen, der mittels den Verbrennungsgasen beheizt werden kann, die bei einem Ölbrenner 5 erzeugt werden. Diesem Ölbrenner 5 wird das Heizöl und die Luft über Leitungen 6 zugeführt. Der Ofen steht mit einem Sauggebläse 7 in Verbindung, wobei dieses Gebläse z.B. einen Durchsatz von 13000 m3/h hat. Die Anlage hat eine Rückflüssleitung 8 für Teile der Verbrennungsgase, die zum Verbrennungsraum des Ofens zurückgeführt werden, um die Möglichkeit zu schaffen, eine konstante Temperatur der heissen Verbrennungsgase aufrecht zu halten. Über das Sauggebläse 7 werden auch die Verbrennungsgase über eine Verbindungsleitung 9 zu einem Luftumwälzer gefördert. Dieser Luftumwälzer dient für die Luftströmung zum Brenner 5. Die angereicherte Schwefelsäure wird über eine Auslassleitung 10 vom Sammeltank 2 weggeleitet. Kaltes HNOs wird über eine Leitung 11 zugegeben. Es ist noch eine Ausgleichsleitung IIa vorhanden.

Aus den 2a und 2b ist ersichtlich, dass die Vorrichtung 1 mit mehreren, auch aus Fig. 3 ersichtlichen, langen Quarzrohren 12 bestückt ist, von denen jedes Quarzrohr in einer Rohreinheit 13 untergebracht ist, wie im folgenden detailliert beschrieben ist. Die Rohreinheit 13 ist auch aus Fig. 4a ersichtlich. Beim Ausführungsbeispiel hat jedes Quarzrohr eine Länge von etwa 5 m, wobei aber die Länge des Quarzrohres grundsätzlich zwischen 3 und 10 m variieren kann. Der innere Durchmesser von jedem Quarzrohr 12 ist etwa 125 mm, wobei dieser innere Durchmesser im Bereich von 100 bis 200 mm liegen kann. Die Quarzrohre 12 sind von einer solchen Qualität (z.B. dürchsichtig), die eine vergleichsweise gute Wärmeübetragung und mechanische Festigkeit ergibt. Die Wanddicke des Quarzrohres liegt im Bereich von 4 bis 12 mm und ein Gewicht von z.B. 6 bis 7 kg.

Die Rohreinheit 13 besteht aus einem feuerfesten Stahl. Auf Fig. 4 ist ersichtlich, dass die Rohreinheit 13 über einen wesentlichen Teil ihres Längenverlaufs doppelwandig ausgebildet ist. Mit dem Ausdruck «doppelwandige Rohreinheit» wird im vorliegenden Fall gemeint, dass die Einheit aus zwei Rohren 13a und 13b besteht, wobei das eine Rohr das andere Rohr radial umgibt, und wobei die beiden Rohre einzeln gehalten und voneinander im Abstand stehen. Der Ausdruck «doppelwandig» wird aber auch in dem Fall verwendet, wenn die beiden koaxial ineinander liegenden Rohre miteinander verbunden sind. Die erwähnte Rohreinheit 13 ist etwas kürzer als die zugehörigen Quarzrohre, wobei im vorliegenden Beispiel die Rohreinheit eine Länge von etwa 4,2 m hat. Die Rohreinheit 13 ist von ihrem unteren Bereich auch nach oben bis zu 25% bis 70% ihrer Höhe doppelwandig ausgebildet. Zwischen den beiden Wandungen, d.h., zwischen den beiden Rohren 13a und 13b liegt der Zwischenraum 13c.

Aus den Fig. 2a und 2b ist weiterhin ersichtlich, dass der Ofen einen Brennraum 14 hat, in dem das eingespritzte Heizöl mit Luft vermischt wird und verbrennt. Die hierbei entstehenden Heizgase werden so im Ofen geleitet, dass sie vor die Flammenfront gelangen. Die Quarzrohre und die

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aus Stahl bestehenden feuerfesten Rohre 13 erstrecken sich abschnittsweise entlang des Brennraumes 14, wobei die Rohre 13 auf der Aussenseite mit einem Flammenschutz 15, das als Schutzschild ausgebildet ist, versehen sind. Die Quarzrohre 12 erstrecken sich mit ihrer unteren Partie abgedichtet durch den unteren Teil des Ofens nach unten in den Sammeltank 2. Die mit 16 bezeichneten Abdichtungen werden im folgenden detaillierter beschrieben. Die Rohre 13 sind innerhalb des Ofens im wesentlichen fest, d.h., unbeweglich angeordnet. An ihren oberen Enden ragen sowohl die Quarzrohre als auch die zugehörigen Rohre 13 durch weitere Dichtungen 17, durch welche Dichtung der Brennraum 14 des Ofens von einem Auslasskanal 18 getrennt wird, wobei der Auslasskanal 18 mit dem eingangs genannten Gasgebläse 7 in Verbindung steht. Die Quarzrohre 12erstrecken sich ebenfalls vollständig durch den Auslasskanal 18 hindurch nach oben und durch eine Halterung 19, durch die in erster Linie die Quarzrohre 12 in Querrichtung fixiert werden, welche Halterung 19 aber auch als Abdichtung zwischen dem Auslasskanal 18 und der Atmosphäre dient. Aus dem gezeigten Beispiel ist ersichtlich, dass die Rohre 13 an der Stelle 29 durch Halteplatten gehaltert werden, wobei im folgenden erläutert wird, wie die Halteplatten mit den äusseren Mantelflächen der Rohre 13 zusammenwirken. Es sind aber auch Ausführungsformen denkbar, bei denen auf die vorerwähnten Halteplatten vollständig verzichtet wird.

Die Doppelwandigkeit des Rohres 13 erstreckt sich im wesentlichen bis zur Höhe der Bodenebene 14a des Brennraums 14, wodurch sich ergibt, dass der vorerwähnte Zwischenraum 13c in direkter Verbindung mit dem Verbrennungsraum steht Aus Fig. 2a ist ersichtlich, dass das Quarzrohr 12 mit radialem Spiel innerhalb des Rohres 13 liegt. Dieses radiale Spiel 20 in Fig. 2a liegt zwischen dem Quarzrohr 12 und der inneren Wandung 13b des Rohres 13. Der Raum zwischen der inneren Wandung 13b in Fig. 4b und der Mantelfläche des Quarzrohres 12 steht über Verbindungslöcher 21, die sich in der inneren Wandung 13b des Rohres 13 befinden, mit dem Raum in Verbindung, der zwischen den beiden Wandungen 13a und 13b liegt, wobei sich die Verbindungslöcher 21 im unteren Bereich des Rohres 13 befinden. Diese Verbindungslöcher 21 sind aus den Fig. 4a und 4d ersichtlich. Es sind 8 Lochreihen vorhanden, wobei jede Lochreihe 12 Löcher 21 hat.

Befindet sich das Quarzrohr 12 innerhalb des Rohres 13, so kann der Zwischenraum 13c zwischen den Wandungen 13a und 13b des Rohres 13 als radial äusserer Strömungskanal für die erwähnten Verbrennungsgase dienen, und der Raum zwischen dem Quarzrohr 12 und der inneren Wandung 13b des Rohres 13 kann als radial innerer Strömungskanal für dieselben Verbrennungsgase dienen, wobei die beiden radial äusseren und inneren Strömungskanäle über die Verbindungslöcher 21 miteinander verbunden sind. Die radial äusseren und inneren Strömungskanäle verlaufen parallel zum Quarzrohr 12 und umgeben dieses. Da der radial innere Strömungskanal im Auslasskanal 18 ausmündet, hat das Sauggebläse 7 für die erwähnten Verbrennungsgase zur Folge, dass eine Wärmeübertragung durch Konvektion durch die Heizgase erreicht wird, wobei die Heizgase im Brennraum erhitzt werden und durch Saugkraft nach unten in den radial äusseren Strömungskanal gesaugt werden, dann durch die Verbindungslöcher 21 strömen, in den radial inneren Strömungskanal gelangen und hier nach oben strömen und von hier in den Auslasskanal 18 gelangen. Im ersten und zweiten Strömungskanal wird also ein Wärmeübergang im Gegenstromverfahren erzielt, so dass durch den hierbei vorliegenden Wärmetauscher eine Wärmeübertragung auf das Innere des Quarzrohres 12 durch Konvektion stattfindet. Es findet aber auch eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung mittels der erwärmten Teile des haltenden Rohres statt. Das Sauggebläse 7 und die Strömungskanäle sind so ausgelegt, dass eine Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase im Bereich von 20-50 m/Sek. erreicht wird. Der Gasfluss wird bei seinem Durchgang durch die Strömungskanäle allmählich abgekühlt, so dass die Wärmeübertragung durch Konvektion auf das Quarzrohr allmählich abnimmt. Es bleibt aber noch die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung. Bei der Wärmestrahlung gibt die radial äussere Wandung 13a des Rohres 13 eine Wärmestrahlung ab zur radial inneren Wandung 13b, und dieses hat wiederum zur Folge, dass die Wandung 13b eine Wärmestrahlung zum innenliegenden Quarzrohr 12 abgibt. Die Summe an Wärme Übertragung durch Konvektion (Wärmeübergang) und Wärmestrahlung ist über einen grossen Teil der Länge des Quarzrohres mehr oder weniger konstant, so dass hierdurch eine sehr gleichmässige Beheizung des Quarzrohres erreicht wird.

Auch die Beheizung der im wesentlichen unbeweglich gehaltenen Rohre 13 findet gleichmässig statt, so dass sich hierdurch der Vorteil ergibt, dass sich die Wandungen 13a und 13b nicht werfen, also verformen, so dass sie hierdurch nicht nachteilig auf das innenliegende Quarzrohr einwirken, welches auf mechanische Beanspruchungen empfindlich ist.

Das Quarzrohr 12 ist mittels der erwähnten Dichtungen 16 und der Halterung 19 mittig innerhalb der Rohres 13 gehalten. Das Quarzrohr 12 stützt sich mit dem Hauptteil seines Gewichtes auf einem Sitz ab, der sich nach aussen erstreckt und in Verbindung mit der Dichtung steht, so dass eine gewisse sphärische Lagerung an der jeweiligen Abstützstelle entsteht.

Um eine noch bessere Verteilung der Wärme und Wärmeübertragung auf die Quarzrohre 12 und die Stahlrohre 13 zu erreichen, wird der Raum 13c, das heisst, der radial äussere Strömungskanal zwischen den Wandungen 13a und 13b mit Leitschaufeln 22 versehen, so dass eine starke Turbulenz in den Heizgasen erzielt wird, die durch diesen radial äusseren Strömungskanal strömen (Fig. 4b). Beim dargestellten Beispiel ist ersichtlich, dass die Leitschaufeln 22 in zwei verschiedenen Höhenlagen 23 und 24 am Rohr 13 vorhanden sind (Fig. 4a). In Jeder Höhenlage 23 oder 24 wirken vier Leitschaufeln 22 zur Turbulenzerzeugung zusammen. Jede Leitschaufel 22 ist etwas aus ihrer Ebene herausgekrümmt und erstreckt sich etwa über einen Winkel von 45° in einer Querschnittsebene durch das haltende Rohr beim jeweiligen Ende der Leitschaufel. Jede Leitschaufel erstreckt sich über einen Vierte] des Umfanges vom Raum 13c und ist entlang einer ihrer Längsseiten an der Wandung 13a befestigt. Die Leitschaufel 22 erstreckt sich nicht über den gesamten Raum 13c, sondern nur über einen Bereich von 80-95 % von diesem. In einem bestimmten Ausmass dienen die Leitschaufeln 22 auch als Versteifung, Verstrebung für die Wandungen 13a und 13b des Rohres 13.

Aus den Fig. 2a, 3 und 4a ist ersichtlich, dass jedes Rohr 13 im unteren Bereich mittels eines hervorstehenden Teiles 13d der inneren Wandung vom Rohr an einer feuerfesten Gusseisenplatte 25 gehalten wird.

Die Einlasse 3 und 4. durch die die Säure in die Vorrichtung eingebracht wird, sind mit Sprühorganen 26 versehen, mittels denen die Säure auf die innere Wandfläche des jeweiligen Quarzrohres gesprüht wird, so dass die Säure dann entlang dieser inneren Wandfläche nach unten fliesst.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die Dichtung 16 einen ersten Dichtungsring 16a aufweist, der aus Quarz oder ähnlichem ist. Dieser erste Dichtungsring 16a liegt auf einem Flansch 13e, der im Inneren des Rohres 13 liegt. Auf dem ersten Dichtungsring 16a liegt ein zweiter Dichtungsring 16b, der zum Beispiel aus Quarzfasern besteht. Der Ring

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16b liegt über eine geneigte Fläche 16c am ersten Dichtungsring 16a an. Das Quarzrohr 12 hat am Boden einen wesentlich verjüngten Teil 12a, zum Ausbilden einer sphärischen Abstützfläche 12b. Am verjüngten Teil 12a schliesst sich ein bogenförmiges Verstärkungselement 27 an, das innerhalb des Quarzrohres 12 liegt und an der Innenwand des Quarzrohres befestigt ist. Dieses Verstärkungselement 27 weist im Zentrum ein Auslassloch 28 auf, das nach unten in den verjüngten Teil 12a führt.

Dieser verjüngte Teil 12a estreckt sich nach unten in den Sammeltank 2, und zwar in einem Bereich zwischen 30 und 60% der Höhe des Tankes 2, wobei bei einem Mass von 40% die Höhe des Tankes 2 dann im Bereich zwischen 10 und 20%, bevorzugterweise 15% der Länge des Quarzrohres 12 beträgt.

Aus Fig. 2a sind die Begrenzungswände la, lb und lc des Ofens ersichtlich. Aus Fig. 5 sind die Quarzrohre 12 mit ihren Umgebungsrohren 13 ersichtlich, wie sie von Abstützplatten 29 so umgeben werden, dass jeweils eine Baukasten-Einheit gehaltert wird. Für jede Baukasten-Einheit sind vier Halteplatten 29 vorhanden, so dass jede Baukasten-Einheit von vier, ein Rechteck einschliessenden Halteplatten 29 umgeben ist. Die Halteplatten 29 liegen aussen an den Rohren 13 an, wobei die Rohre 13 wiederum aneinander anliegen, so dass eine Rohrpackung gebildet wird. Im Falle, dass zwei voneinander getrennte Rohre beim doppelwandigen Rohr 13 vorhanden sind, können die radial äusseren Rohre oder die radial äusseren Wandungen 13a mittels Schrauben 29a an den Halteplatten 29 befestigt werden.

Aus den Fig. 6a, 6b und 6c ist die detaillierte Darstellung der in Fig. 20 gezeigten Dichtungen 17 ersichtlich. Die Dichtungen 17 sind zwischen zwei aus einem wärmebeständigen Material bestehenden Platten 30 und 31 eingesetzt, die mit Ausnehmungen versehen sind. Die vorliegende Wärmedichtung hat einen keramischen Ring 32, unter dem sich eine Dichtplatte 33 befindet (Trito Board). Die Dichtungen werden mittels zweier Schienen 34 getragen, die sich über den jeweiligen Raum im Ofen erstrecken. Es ist für die jeweilige Dichtung wesentlich, dass sie die Rohre 13 in Querrichtung abstützen, während sie gleichzeitig zumindest eine bestimmte Längsverschiebung der Rohre 13 in ihrer Längsrichtung zulassen.

Die Abdichtungen im oberen und unteren Bereich des Ofens können durch Platten 19 bzw. 25 gebildet werden, z.B. aus Gusseisen, in welchen Platten dann Bohrungen gefertigt werden, damit das jeweilige Quarzrohr 12 in einer solchen Bohrung axial verschoben werden kann. Auf der Oberseite z B. der Platte 19 kann ein poröses, säurefestes Material, wie z.B. Quarzwolle 19a aufgebracht werden. Auf dieses poröse, säurefeste Material kann dann wiederum ein säurefestes Material aufgelegt werden, so dass sich dichte Schichten 19b. 19c ergeben. Es kann hierzu noch keramisches Material und Quarzsand mit einer geeigneten Korngrössen-verteilung hinzu kommen. Auf die Oberseite der Gusseisenplatte 25 wird eine mit Flanschen versehene Platte 37 aufgelegt, die über Isolationsmaterial mit der Platte 25 in Anlage steht. Der Tank 2 ist in entsprechender Weise gegen die Unterseite der Platte 25 abgedichtet. Die Teile 25, 37 und 2 werden durch Bolzen zusammengehalten.

Um eine noch bessere Wärmeübertragung auf die dem Quarzrohr 12 zugeführte Säure zu erreichen, wird bei einem ersten Ausführungsbeispiel die Verwendung von an sich bekannten Packungen vorgeschlagen, die in die Quarzrohre eingesetzt werden. Diese Packungen ergeben grössere Gesamtfläche und damit eine bessere Rektifikation. Hierbei kann die Temperatur im oberen Bereich der Rohre 13 niedriger gehalten werden, was für die Haltbarkeit der im oberen Bereich des Ofens verwendeten Dichtungen von Wichtigkeit ist.

Mit der Verwendung von kleinen Packungen wird jedoch das Risiko eines Überlaufens der im Rohr nach unten fliessenden Flüssigkeit erhöht, da in diesem Fall die Flüssigkeit durch den nach oben gehenden Gasfluss getragen wird und ein Stau der Flüssigkeit eintritt. Hierdurch können Flüssigkeitswellen entstehen, die ein irreguläres Verdampfen zur Folge haben. Eine Voraussetzung für das Überlaufen ist jedoch eine hohe Gasgeschwindigkeit. Am Boden des jeweiligen Quarzrohres ist die Gasgeschwindigkeit nahezu Null und steigt bezüglich der zugeführten Wärme bis zu einem Maximum am oberen Ende des Quarzrohres an.

Mit den Verhältnissen, die am oberen Ende des Rohres 13 zwischen der Flüssigkeit und dem Gas herrschen, beträgt die Strömungsgeschwindigkeit, d.h., die Gasgeschwindigkeit, bei der das erwähnte Überlaufen eintreten kann, 2,5 bis 3,0 m/Sek., wenn 25 mm Packungen verwendet werden, wenn 40 mm Packungen verwendet werden, beträgt die Gasgeschwindigkeit 3-4 m/Sek., und wenn 50 mm Packungen verwendet werden, beträgt die Gasgeschwindigkeit 4-5 m/Sek.

Im vorliegenden Fall wurde die Gasgeschwindigkeit so bemessen, dass sie am oberen Ende des Rohres 13 etwa 2,5 m/Sek. betrug. Für eine vollständige Verdampfung der in die Vorrichtung eingebrachten Flüssigkeit kann die Gasgeschwindigkeit jedoch auf das Zweifache der vorerwähnten Geschwindigkeit anwachsen. Eine vollständige Verdampfung tritt jedoch nur in Ausnahmefällen ein.

Im Falle, dass in der vorerwähnten Weise das Quarzrohr vollständig mit Packungen versehen wird, sollten die Packungen am oberen Ende einen Durchmesser von nicht weniger als 40 mm haben. Bis zu der halben Höhe des Quarzrohres können Packungen mit einem Durchmesser von 25 mm verwendet werden.

In manchen Fällen ist es auch möglich, die Höhe einer Packungslage zu begrenzen, so dass auf der Oberseite der Packungslage eine maximale Gasgeschwindigkeit von 1,5 bis 2,0 m/Sek. erreicht wird. Die Flüssigkeit wird dann mit Hilfe der Sprüheinrichtung 26 im oberen Bereich des Quarzrohres gegen seine Innenwand gesprüht. Aus der entlang der Innenwand des Quarzrohres nach unten fliessenden Flüssigkeit wird das Wasser entfernt. Wenn die Flüssigkeit auf die Packungslage trifft, beträgt die Gasgeschwindigkeit etwa 1,5 bis 2,0 m/Sek., so dass die Flüssigkeit teilweise über die Packungslage verspritzt wird. Hierbei ist also die Gasgeschwindigkeit so angepasst, dass ein gutes Versprühen, aber kein Überlaufen eintritt.

In den Fig. 7a und 7b sind zwei verschiedene Ausführungsformen von Packungen 35 und 36 dargestellt.

Die Packungen bestehen aus Stücken von Quarzrohren, z.B. aus Stücken von durchsichtigen Glasrohren, welche im folgenden in drei verschiedenen Grössen erläutert werden sollen, nämlich kleine Grössen, mittlere Grössen und grosse Grössen. Unter kleinen Grössen der Packungen ist zu verstehen, dass ihre grösste Abmessung im Bereich zwischen 1/20 und Va, bevorzugterweise V1Q vom inneren Durchmesser des jeweiligen Quarzrohres liegt. Unter Packungen mittlerer Grösse werden Stücke aus Quarzrohren verstanden, deren grösste Abmessung im Bereich zwischen Y8 und V5, bevorzugterweise v6 vom inneren Durchmesser des jeweiligen Quarzrohres liegt. Unter grossen Packungen werden Stücke von Quarzrohren verstanden, deren grösste Abmessung im Bereich zwischen V4 und V2, bevorzugterweise V3, vom inneren Durchmesser des ieweiligen Quarzrohres liegt. Die Quarzrohrstücke haben im wesentlichen den gleichen Durchmesser und Länge und können die in Fig. 7a gezeigte Form 35 haben.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7b besteht die Pak-kung aus einem kalottenförmigen Teil, insbesondere aus Quarz, der mit Löchern an der höchsten Stelle des Domes

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oder in der nächsten Umgebung davon versehen ist. Dieser Körper 36 wird mit seiner grossen Oberfläche von oben nach unten in das Quarzrohr 12 eingesetzt. Wenn mehrere solcher Körper 36 in einem Quarzrohr untergebracht werden sollen, so werden die Körper 36 im Abstand von 100 bis 500 mm, bevorzugterweise von etwa 250 mm voneinander angeordnet.

Beim Anreichern von Schwefelsäure, die verschiedene Metallsalze enthalten kann, können bei der Verwendung von Packungen, diese beschichtet werden. Dies kann zur Folge haben, dass die Packungen aneinander und/oder am Quarzrohr anpacken. In den Fällen, wo dieses Problem auftreten kann, kann als Alternative zu diesen Packungen ein an sich bekanntes Quarzrohr verwendet werden, wie es aus Fig. 8 ersichtlich ist. Im prinzipiellen Aufbau besteht dieses Quarzrohr aus einem äusseren Rohr 36 und einem inneren Rohr 37, wobei die Innenräume der Rohre 36 und 37 mittels Verbindungslöcher 38 miteinander in Verbindung stehen. Am inneren Rohr sind in verschiedenen Höhenlagen geneigte Platten angebracht, durch die den im Quarzrohr nach oben steigenden Gasen Drehbewegungen verliehen werden. Der aufsteigende Gasstrom trägt Flüssigkeitströpfchen mit sich, so dass die innere Wandfläche des Quarzrohres, das ist die innere Wandfläche des äusseren Rohres 36, gleichmässig feucht gehalten wird. Die Wirkungsweise ist abhängig von der Drehgeschwindigkeit des Gasstromes, wobei diese durch Wahl des Durchmessers vom inneren Rohr 37 sowie durch den Neigungswinkel der erwähnten Platten im Verhältnis zur Querschnittsfläche des Quarzrohres angepasst werden. Bei einem Steigungswinkel von z.B. 30° und einem Durchmesser von 50 mm für das innere Rohr 37, beträgt die vertikale Gasgeschwindigkeit etwa 0,8 m/Sek. bei einem Höhenniveau des Rohres von einem Meter, bei der Verwendung eines Quarzrohres 140 X 4, wenn eine Wassermenge von 64 kg/h verdampft wird bei 250°C. Die jeweilige Kurve geht geradlinig nach oben bis zu einem Höhenniveau von 3 m, wo dann die Gasgeschwindigkeit etwa 2,5 m/Sek. beträgt. Die Kurve ist dann beim letzterwähnten Höhenniveau unterbrochen, und bei einem Höhenniveau von 5 m beträgt die Gasgeschwindigkeit etwa 3,6 m/Sek. Im oberen Bereich ist das innere Rohr 37 mit Anhebezapfen 40 und einer Traghülse 41 versehen.

Die Vorrichtung zum Anreichern von z.B. Schwefelsäure, wird so ausgebildet, dass die Quarzrohre auf einfache Weise erkannt und ausgewählt werden können, nämlich zwischen Quarzrohren mit Packungen und Quarzrohren für eine innere Drehbewegung der aufsteigenden Gase.

Beim Ofen, der beheizt werden kann und beim an den Ofen angeschlossenen Sammeltank für die angereicherte Säure ist einerseits der für das Heizmittel (Verbrennungs-gase) bestimmte Raum und andererseits die Räume über und/oder unter den jeweiligen Dichtungen mit einer nicht dargestellten Druck-Reguliereinrichtung verbunden, mittels dei erreicht wird, dass der Druck im für das Verbrennungsgas dienenden Raum, wobei das Verbrennungsgas zum Beheizen dient, etwas höher ist als der Druck in den anderen Räumen. Diese erwähnte Druckregulierung kann erreicht werden, wenn der Abfluss der Strömungsgase aus der Anlage reguliert wird, sie kann aber auch erreicht werden, indem man das Absaugen aus dem Sammeltank 2 reguliert. Der Abfluss der Verbrennungsgase wird mit einem nicht dargestellten Durchflussmesser reguliert, so dass im Verbrennungsraum ein Druck erreicht wird, der nahe beim Atmosphärendruck liegt. Das Absaugen von Säuredämpfen aus dem Sammeltank 2 wird mit Hilfe eines Gebläses erreicht, so dass im Sammeltank ein Vakuum erzielt wird. Der erläuterte Aufbau der Vorrichtung funktioniert auch dann gut, sogar wenn die Dichtungen 16 einmal nicht ganz zufriedenstellend arbeiten sollten, da die dann in den Sammeltank 2 eintretenden Verbrennungsgase aus diesem Sammeltank abgesaugt werden. Im letztgenannten Fall verhindert der erwähnte Druckunterschied, dass Säuredämpfe in den vom Verbrennungsgas eingenommenen Raum eintreten und hierbei eine Schädigung durch Korrosion hervorrufen könnten.

Wenn die Vorrichtung in Betrieb gesetzt wird, so sollte das Beheizen langsam stattfinden, damit ein Temperaturschock vermieden wird, der zu thermisch hervorgerufenen Brüchen führen kann. Im Verbrennungsraum herrscht eine Arbeitstemperatur von etwa 900°C, wogegen im Auslasskanal 18 eine Temperatur von etwa 500°C herrscht.

Beim Anreichern von Säuren, die stark von Metallsalzen verunreinigt sind, sollte die Anreicherung nicht soweit getrieben werden, dass sich die Metallsalze an den Quarzrohren niederschlagen. Die letzte Anreicherungsphase kann dann im Sammeltank 2 durchgeführt werden, indem diesem Sammeltank 2 Wärme zugeführt wird. Für diese letzte Anreicherungsphase ist nur ein geringer Anteil der gesamten Wärmemenge erforderlich. Dies soll beim folgendenBeispiel erläutert werden, wobei 50%ige Schwefelsäure dem Quarzrohr zugeführt wird, wobei dann diese Schwefelsäure im Quarzrohr auf 90% angereichert wird, worauf dann in der letzten Anreicherungsphase im Sammeltank eine Anreicherung auf 95% erfolgt. Für die Anreicherung von 1000 kg 50%iger H2S04 (60°C) auf 90% ige Schwefelsäure ist eine Wärmemenge von etwa 350'000 kcal = 1,46 . 106 kJ erforderlich. Für eine weitere Anreicherung auf 95 % ist eine Wärmemenge von 35'000 kcal = 1,5 .105 kJ erforderlich. Die letztgenannte Wärmemenge kann z.B. durch eine elektrische Heizung mittels eines Wärmemantels 2a am Boden des Sammeltanks diesem zugeführt werden (Fig. 2a). Um einen Niederschlag der Salze im Sammeltank zu verhindern, wird dieser an einen Kühler angeschlossen, über den die Säure abgeleitet wird. In diesem Fall ist der Sammeltank auch mit einer Leitung zum Wegführen von Verbrennungsgasen zur oberen Seite des Ofens versehen.

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1. Vorrichtung zur Anreicherung und möglichen Reinigung von mineralischer Säure, insbesondere Schwefelsäure, gekennzeichnet durch einen beheizbaren Ofen zum Erzeugen von Heizgasen und ein oder mehrere lange Quarzrohre (12), die sich vertikal durch den Ofen hindurch erstrecken, und die im oberen und unteren Bereich gegenüber dem Ofen abgedichtet sind, so dass die jeweilige Säure in einer ersten Konzentration dem oberen Bereich zugeführt und in einer zweiten Konzentration, die höher als die erste ist, am unteren Bereich in einen Sammeltank (2) abgelassen werden kann, gekennzeichnet weiterhin durch einen im Ofen vorhandenen Wärmetaucher für die Heizgase, wofür der im Innern des Ofens liegende Abschnitt des Quarzrohres von zu diesem parallelen Strömungskänalen (13c, 20) umgeben ist, durch die die Heizgase strömen, und dass sich in diesen Strömungskanälen zumindest teilweise Turbulenzerzeuger (22) befinden, mittels denen eine starke Turbulenz des Heizgases erreicht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil des Abschnittes vom Quarzrohr (12) von Doppel-Strömungskanälen umgeben ist, wobei der eine den anderen umgibt, und dass sich die Turbulenzerzeuger (22) im radial äusseren Strömungskanal befinden, dass die Doppel-Strömungskanäle durch ein feuerfestes Rohr (13) mit Doppelwandung im unteren und mittleren Bereich gebildet werden, wobei sich das Quarzrohr mit Spiel innerhalb der inneren Wandung (13b) befindet, so dass der Zwischenraum (13c) zwischen den beiden Wandungen des Rohres (13) den radial äusseren Strömungskanal bildet, und der Zwischenraum zwischen der inneren Wandung des Rohres (13) und der Aussenseite des Quarzrohres den radial inneren Strömungskanal bildet, und dass die radial inneren und äusseren Strömungskanäle im unteren Bereich des Rohres (13) über in der inneren Wandung vorhandene Durchgangslöcher (21) miteinander in Verbindung stehen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzerzeuger als geneigte Leitschaufeln (22) ausgebildet sind, die in einer oder mehreren Niveauhöhen liegen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (13) von seinem unteren Bereich aus nach oben bis zur Höhe des Verbrennungsraumes (14) des Ofens doppelwandig ausgebildet ist, auf welcher Höhe der radial äussere Strömungskanal in den Verbrennungsraum ausmündet, und dass das Rohr (13) mit seinem oberen Bereich mittels einer ersten Dichtung (17) in einen für die Heizgase dienenden Auslasskanal (18) ragt, welche Dichtung (17) den Verbrennungsraum (14) und den Auslasskanal (18) abdichtet, dass der radial innere Strömungskanal in den Auslasskanal (18) ausmündet, dass in Verbindung mit dem Auslasskanal (18) ein Wärmeübergang durch die Heizgase dadurch stattfindet, dass ein Sauggebläse (7) vorhanden ist, mittels dem die im Verbrennungsraum erzielten Heizgase über die Durchgangslöcher (21) nach unten in den radial äusseren Strömungskanal (13c), dann in und nach oben im radial inneren Strömungskanal (20) und von hier nach aussen in den Auslasskanal (18) gesaugt werden, dass die am Verbrennungsraum (14) vorbeiführenden Teile des feuerfesten Rohres (13) mit einem aussenliegenden Flammenschutz (15) versehen sind, dass das Quarzrohr eine Länge im Bereich von 3 bis 10 Meter, bevorzugterweise etwa

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzrohr aus durchsichtigem Quarz besteht.

5 Meter, und einen Innendurchmesser im Bereich von 100 bis 200 mm, bevorzugterweise etwa 125 mm hat.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Quarzrohr (12) Einsätze (35, 36) aus Quarzpackungen befinden, die eine grosse Kontakt- und Heizfläche für die eingebrachte Säure und damit eine bessere Wiederverwendbarkeit ergeben.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Quarzrohr (12) eine derartige Ausbildung hat, dass die im Quarzrohr (12) aufsteigenden Gase eine Drehbewegung durchführen.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Quarzrohre (12) und ihre feuerfesten Rohre (13) zu Baukasten-Einheiten zu-sammengefasst sind und zusammenwirken, so dass jede Einheit eine Anzahl von z.B. sechs Quarzrohren und eine entsprechende Anzahl von zugehörigen, feuerfesten Rohren (13) umfasst, die eine gemeinsame Dichtung (17) aufweist und im Ofen gehalten ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammeltank (2) mit einer Heizeinrichtung, z.B. einem Heizmantel versehen ist, so dass beim Anreichern von Säuren, die durch Metallsalze stark verunreinigt sind, ein teilweises Anreichern im Quarzrohr und ein teilweises Anreichern im beheizten Sammeltank erfolgen kann.

10. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizgase hinsichtlich ihrer Temperatur und ihrer Strömungsgeschwindigkeit in den radial äusseren und inneren Strömungskanälen so gewählt werden, dass eine hohe Temperatur bis 320°C auf die Säure übertragen werden kann, und dass das Quarzrohr so ausgebildet ist, dass ein Oxydationsmittel beigegeben werden kann, so dass beim Anreicherungsprozess vorhandene organische Verunreinigungen ohne Rückstand abgebaut werden.