CS204525B1 - Způsob kontinuálního chlazení sytícího se systému - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu kontinuálního ehlazení sytícího se systému.

V řadě technologií vzniká chemickou reakcí v roztoku sloučenina, kterou se roztok sytí. Zároveň se v důsledku reakčního tepla zvyšuje teplota roztoku, kterou je třeba chlazením udržovat na požadované hodnotě* Popsaný případ je blízký procesu eloxování (anodická oxidace hliníku).

Obvyklé uspořádání takovéhoto systému je, že sytíoí se roztok cirkuluje přes výměník tepla. Zde se po určité době vyloučí krystaly tuhé fáze, které se v následujícím separačním uzlu oddělí a ochlazený roztok bez tuhé fáze se vrací zpět do reaktoru.

Tento způsob chlazení sytícího se roztoku má jednu nevýhodu. Tuhá fáze, která se vylučuje v chladiči ve formě suspenze, narůstá na chladicích plochách jako inkrustace a postupně snižuje prostup tepla i prostupnost chladiče natolik, že po určité době je nutno cyklus přerušit, chladič odstavit a vyčistit. Zarůstání chladicích ploch je dáno tím, že nasycený nebo dokonce mírně přesycený roztok přichází do styku s chladicím povrchem o podstatně nižší teplotě. Silně se lokálně podchlazuje a tím se vytvářejí podmínky pro

204 525

0 4 3 2 S vylučování tuhé fáze na chladicí ploše. Proto je celý proces obvykle veden šaržovitě s tím, že ještě před nasycením roztoku je nutno chlazení přerušit a roztok regenerovat, (např. krystalizaci) resp. roztok vyměnit.

Podstatně výhodnějším je způsob kontinuálního chlazení sytícího se systému, například v důsledku ohemioké reakce, podle předkládaného vynálezu, jehož podstata spošívá v tom, že více než polovina cirkulujícího roztoku se chladí pouze průchodem přes teplosmšnnou ploohu chladiče, jejíž povrchová teplota je vyšší než teplota nasycení cirkulujícího roztoku a zbytek cirkulujícího roztoku se za současného vylučování pevné fáze ohladí průchodem přes teplosmšnnou ploohu krystalizátoru, jejíž povrchová teplota je nižší než teplota nasyoení cirkulujícího roztoku.

Způsobem podle vynálezu se chlazený oirkulující roztok u stěny chladicí teplosměnné ploehy výměníku tepla nepřesyouje, takže se nemohou vytvářet inkrustace. Způsob je zvláště výhodný v případě, jestliže při reakoi vzniká pomšraě malé množství sytící látky, ale je zapotřebí odvádět velké reakční teplo. Přes chladič cirkuluje téměř veškerý chlazený roztok, přičemž se nedosáhne přesycení potřebné k vyloučení pevné, fáze, protože teplota stšny chladiče je vyšší než teplota nasyoení roztoku. Zbývajíoí část roztoku se ohladí cirkulaoí přes teplosmšnnou ploohu krystalizátoru. Tam se ochlazením na teplotu nižší než je teplota nasyoení oirkulujíoího roztoku vyloučí takové množství pevné fáze, aby koncentrace látky v roztoku, resp. teplota nasyoení roztoku, byla nižší než teplota stěny chladiče.

Kontinuální ohlazení sytícího se roztoku dle předkládaného vynálezu lze provést například tak, že chlazený roztok cirkuluje přes paralelně zapojený výměník tepla a krystalizátor. Teplota v krystalizátoru se nastaví regulací průtoku elektrolytu přes krystalizátor a teplota ohlazeného roztoku ve výměníku se nastaví regulaoí průtoku chladicí vody přes výměník tepla. Převážná část roztoku se ohladí cirkulaoí přes výměník tepla. Je samozřejmě možné i sériové zapojení ohladiče a krystalizátoru, při kterém převážná část oirkulujíoího roztoku prochází pouze ohladičem - výměníkem tepla a zbytek cirkuluje jak přes chladič, tak i přes krystalizátor. Užitečný objem krystalizátoru a teplota v krystalizátoru musí být takový, aby teplota nasycení chlazeného roztoku byla nižší než teplota stšny výměníku tepla - ohladiče. Je nutno počítat se separací pevné fáze na přepadu z krystalizátoru. Je-li separace pevné fáze na přepadu z krystalizátoru úplná, pak v ustáleném stavu se výkon krystalizátoru rovná ryohlosti sycení ohlazeného systému látkou. Odběr produkční suspenze je šaržovitý a prováděný tak, aby byla zachována látková bilance krystalizátoru. Potřebný užitečný objem krystalizátoru a teplotu v něm vypočteme z následujících vztahůj

Je-li separace pevné fáze na přepadu z krystalizátoru úplná, pak v ustáleném sta—

204 S25 vu platí:

/1/ kde s rychlost sycení chlazeného roztoka (kg/h) o

P výkon kryatalizátoru (kg/h)

Rovnovážnou koncentraci chlazeného roztoku vypočteme z látkové a tepelné bilance krystalizace:

W_c - w_p W_c + ¹ w_c - W_p

- * ^hC ^{+ c}p^ÍTC ^T<?

w_c + 1 /2/ /3/ kde

W_c rovnovážná koncentrace ohlazeného roztoku (kg/kg_Q)

Wp koncentrace v kryatalizátoru (kg/kg_Q)

T_c teplota ohlazeného roztoku (°G)

Τθ teplota v kryatalizátoru (°C) •

P výkon kryatalizátoru (kg/h)

C množství ohlazeného roztoku cirkulujícího přes krystálizátor (kg/h) •

Q teplo odebrané roztoku, který cirkuluje přes krystalizátor (kJ/h) c_p měrné teplo roztoku (kJ/kg deg) h₀ krystalizační teplo vylučující se látky (kJ/kg)

Z rovnic /1/, /2/ a /3/ vypočteme:

C a (Q - áh_o)/o_p(T_c - Τθ) /4/

W_c - (á + Cw_p)/(C - á) /5/

Z rovnic /4/ a /5/ plyne, že rovnovážná koncentrace chlazeného roztoku je dám: - rychlostí sycení chlazeného roztoku vylučující se látkou

204 525

- teplotou v krystalizátoru a teplotou chlazeného roztoku

- koncentrací v krystalizátoru.

Výkon chlazení v krystalizátoru vypočteme ze vztahuj

10^K A/2,3 Ορ^ο^θ /6/ kde

T

P

A

K >*2° “HgO teplota chladicí vody na vstupu do krystalizátoru (°C) ohladioí plocha v krystalizátoru (m ) o

celkový koeficient prostupu tepla v krystalizátoru (kJ/h mdeg) měrné teplo vody (kj/kg deg) průtok ohladioí vody (kg/h)

Z rovnice /6/ plyne, že výkon ohlazení v krystalizátoru je dán:

- užitečným objemem krystalizátoru, resp* vloženou ohladioí ploohou v tomto užitečném objemu

- parametry ohladioí vody (vstupní teplota a průtok)

- teplotou v krystalizátoru

Celkový koeficient prostupu tepla se pro předpokládaný režim míchání v krystalizátoru a průtok ohladioí vody odhadne*

Koncentrace v krystalizátoru je dána vztahem:

1/g w_

100 apifr · L k_QZ? Ofy Pý - 100 é t) /7/ kde

W_Q rozpustnost vylučujíoí se látky v roztoku při teplotš v krystalizátoru (kg/kg_Q) ý hustota krystalů vylučujíoí se látky (kg/m·³) tvarové koeficienty kg, g krystalizační parametry vylučujíoí se látky

V_G užitečný objem krystalizátoru (nr³) p procenta pevné fáze v krystalizátoru (% obj.)

204 S2S t doba mezi dvěma odběry pevné fáze z krystalizátoru (h)

L střední velikost krystalů v krystalizátoru (m)

Příklad

V procesu eloxování (anodická oxidace hliníku) dochází k částečnému rozpouštění vytvářeně kysličníkové vrstvy v elektrolytu. To má za následek hromadění hliníku v anodické vaně a jeho znehodnocení. Při koncentraci 12 až 15 g Al/1 elektrolytuse silně zhoršuje kvalita vytvářené kysličníkové vrstvy.

Při elektrolytických dějích v anodické vaně vzniká teplo. Teplota v anodické vaně musí být nižěí než 26 °C. Při teplotě vyšší se silně urychluje nežádoucí zpětné rozpouštění kysličníkové vrstvy a tím i znehodnocování elektrolytu v anodické vaně.

Větší ěást elektrolytu z anodické vany se chladila cirkulací elektrolytu přes výměník tepla - ohladiě, zbytek cirkuloval mezi vanou a krystalizátorem, kde se vylučoval síran amonno-hlinitý. Z látkové a tepelné bilance výměníku tepla byla určena teplota stěny výměníku na 18 °C. Elektrolyt v anodické vaně se sytil rychlostí 12,6 kg NH^Al (S0^)₂»12 HgO/h a teplota elektrolytu v anodické vaně byla 23 °C. Ze vztahů /4/, /5/, /6/, /7/ byl určen užitečný objem krystalizátoru a teplota v krystalizátoru taková, aby teplota nasycení elektrolytu v anodioké vaně byla nižší než 18 °C. Chladicí voda měla vstupní teplotu 8 °C a průtok 10 m^/h. Krystalizátor obsahoval 30 % obj. pevné fáze s střední velikost krystalů v krystalizátoru se ustálila na hodnotě 0,003 m. Separace pevné fáze na přepadu z krystalizátoru byla úplná a separace produkční suspenze se prováděla jednou za 24 hodin a to tak, aby byla zachována látková bilance krystalizátoru.

Potřebný užiteěný objem krystalizátoru byl 4 m a v tomto objemu byla vložena chladici plocha 20 m . Regulací průtoku elektrolytu přes krystalizátor byla nastavena vypočtená teplota 13,5 °C, při které je teplota nasycení elektrolytu v anodioké vaně minimální. Při této teplotě cirkulovalo přes krystalizátor 2500 kg elektrolytu/h. Zbytek elektrolytu, to je 55066 kg elektrolytu/h, cirkuloval přes výměník tepla. Po určité době se systém dostal do rovnovážného stavu z hlediska látkové bilance. Rychlost sycení elektrolytu v anodické vaně se rovnala výkonu krystalizátoru, který byl 12,6 kg NH^A1(SO^)₂.

.12 H₂0/h a teplota nasycení elektrolytu v anodické vaně se ustálila na rovnovážné hodnotě 17 °C.

Teplota stěny výměníku tepla byla 18 °C a teplota nasycení elektrolytu v anodické vaně byla 17 °C. Teplota nasycení elektrolytu v anodioké vaně byla tedy nižší než teplota stěny výměníku tepla. Krystalizátor sloužil nejen k vylučování síranu amonno-hlinitého z elektrolytu, ale chránil také paralelně zapojený výměník tepla před zainkrustováním a tím umožňoval kontinuální chlazení sytícího se elektrolytu v anodické vaně.

Claims (1)

1. Způsob kontinuálního chlazení sytícího se systému, například v důsledku ohemloké reakoe vyznačený tím, že víoe než polovina cirkulujícího roztoku se chladí pouze průchodem přes teplosmšnnou plochu chladiče, jejíž povrchová teplota je vyšší než teplota nasycení cirkulujícího roztoku a zbytek cirkulujícího roztoku se za současného vylučování pevné fáze ohladí průchodem přes teplosmšnnou plochu krystalizátoru, jejíž povrchová teplota je nižší než teplota nasycení oirkulujíoího roztoku.