DE102011111317B4 - Evaporator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Apparatur zur Verdampfung oder Teilverdampfung von Flüssigkeiten, wobei der Tropfenmitriss dadurch verhindert wird, dass die, bezogen auf den im Verdampfer eingestellten Druck überhitzte Flüssigkeit, über ein speziell geformtes Einleitrohr so an die zylindrische Verdampferwand gesprüht wird, dass sich im Verdampfer eine Trombe ausbildet. Dadurch wird zum einen eine relativ große Oberfläche erzeugt, aus der die Dämpfe austreten können, zum andern werden Flüssigkeitstropfen durch die über die Rotationsbewegung erzeugte Fliehkraft an die Verdampferwand gedrückt und dadurch der Tropfenmitriss verringert. Die erfindungsgemäße Apparatur besteht im Kern aus einem zylindrischen Verdampfer und dem speziellen Einleitrohr.The invention relates to an apparatus for the evaporation or partial evaporation of liquids, the droplet entrainment being prevented by the liquid, based on the pressure set in the evaporator, being sprayed onto the cylindrical evaporator wall via a specially shaped inlet pipe in such a way that a Trombe is training. On the one hand, this creates a relatively large surface area from which the vapors can escape, and on the other hand, liquid drops are pressed against the evaporator wall by the centrifugal force generated by the rotational movement, thereby reducing the drop entrainment. The core of the apparatus according to the invention consists of a cylindrical evaporator and the special inlet tube.
Description
Die Erfindung betrifft eine Apparatur zur Verdampfung oder Teilverdampfung von Flüssigkeiten, wobei der Tropfenmitriss dadurch verhindert wird, dass die, bezogen auf den im Verdampfer eingestellten Druck überhitzte Flüssigkeit, über ein speziell geformtes Einleitrohr so an die zylindrische Verdampferwand gesprüht wird, dass sich im Verdampfer eine Trombe ausbildet. Dadurch wird zum einen eine relativ große Oberrfläche erzeugt, aus der die Dämpfe austreten können, zum andern werden Flüssigkeitstropfen durch die über die Rotationsbewegung erzeugte Fliehkraft an die Verdampferwand gedrückt und dadurch der Tropfenmitriss verringert. Die erfindungsgemäße Apparatur besteht im Kern aus einem zylindrischen Verdampfer und dem speziellen Einleitrohr.The invention relates to an apparatus for the evaporation or partial evaporation of liquids, wherein the droplet nitride is prevented by the overheated liquid, based on the pressure set in the evaporator, being sprayed via a specially shaped inlet tube to the cylindrical evaporator wall in such a way that a Trombe trains. As a result, on the one hand, a relatively large Oberrfläche generated from the vapors can escape, on the other hand, liquid droplets are pressed by the centrifugal force generated by the rotational movement of the evaporator wall and thereby reduces the Tropfenmitriss. The apparatus according to the invention consists essentially of a cylindrical evaporator and the special inlet tube.
Flüssigkeiten durch Verdampfung von flüchtigen Bestandteilen zu befreien oder durch Wasserverdampfung zu konzentrieren, ist Stand der Technik und gehört zu den Grundlagen thermischer Verfahrenstechnik. Bei der Verdampfung tritt allerdings die Problematik auf, dass aufgrund der Stoffeigenschaften Flüssigkeitstropfen durch den erzeugten Dampf der flüchtigeren Komponente mitgerissen werden. Speziell bei der Verdampfung von Mehrstoffgemischen können dadurch auch nicht flüchtige oder nur gering flüchtige Komponenten mit dem Dampf ausgetragen werden und verunreinigen das Dampfkondensat bzw. müssen als Verlust an Eindampfprodukt hingenommen werden.Liberating liquids by evaporation from volatiles or concentrating by evaporation of water is state of the art and belongs to the basics of thermal process engineering. During the evaporation, however, the problem arises that due to the material properties liquid droplets are entrained by the generated vapor of the more volatile component. Especially in the evaporation of multicomponent mixtures can also non-volatile or only slightly volatile components are discharged with the steam and contaminate the steam condensate or must be accepted as a loss of evaporation product.
Aus PERRY'S CHEMICAL ENGINEERS' HANDBOOK, SIXTH EDITION, Seiten 11–31 bis 11–32, Verlag McGraw-Hill Inc., 1984, sind verschiedene Verdampfertypen bekannt, bei denen über unterschiedliche Methoden versucht wird, den Tropfenmitriss zu minimieren.From PERRY'S CHEMICAL ENGINEERS 'HANDBOOK, SIXTH EDITION, pages 11-31 to 11-32, published by McGraw-Hill Inc., 1984, various types of vaporizers are known in which different methods are used to minimize droplet staining.
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Die erfindungsgemäße Apparatur soll zur Verdampfung oder Teilverdampfung von Flüssigkeiten dienen. Dabei soll die Apparatur so ausgelegt werden, dass sie auch für größere Verdampfungsleistungen eingesetzt werden kann. Hierzu ist wichtig, dass der gesamte Verdampferbereich fest montiert bleibt und die für die Tropfenabscheidung und Oberflächenvergrößerung benötigten Fliehkräfte anderweitig erzeugt werden.The apparatus of the invention is intended to serve for evaporation or partial evaporation of liquids. The equipment should be designed so that it can also be used for larger evaporation rates. For this it is important that the entire evaporator area remains firmly mounted and the centrifugal forces required for droplet separation and surface enlargement are otherwise generated.
Diese Anforderung lässt sich erfindungsgemäß einfach lösen. Die erfindungsgemäße Apparatur besteht aus einem zylindrischen vertikalen Verdampfer, der einen exzentrischen Stutzen besitzt, in dem ein Einleitrohr montiert ist. Der erfindungsgemäße Verdampfer verjüngt sich am unteren Ende, beispielsweise durch eine Klöpperboden oder Korbbogenboden, zum Verdampferauslauf hin zu wesentlich niedrigerem Auslaufquerschitt.This requirement can be easily solved according to the invention. The apparatus of the invention consists of a cylindrical vertical evaporator having an eccentric nozzle, in which an inlet tube is mounted. The evaporator according to the invention tapers at the lower end, for example through a dished bottom or basket bottom, to the evaporator outlet to a much lower outlet cross section.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es Vorteilhaft ist bei der Verdampfung oder Teilverdampfung von Flüssigkeiten die Flüssigkeit nicht tangential, wie aus der Literatur bekannt, sondern in Richtung Behälterwand in den Verdampfer einzuleiten.Surprisingly, it has been found that it is advantageous in the evaporation or partial evaporation of liquids, the liquid is not tangential, as known from the literature, but to initiate towards the vessel wall in the evaporator.
In
Die gerade Länge B des erfindungsgemäß eingesetzten Einleitrohres wird dabei so gewählt, dass diese nach Einbau bis zum Innenradius des Verdampfermantels reicht. Ab dort krümmt sich das Einleitrohr erfindungsgemäß zur Verdampferinnenwand hin mit einem erfindungsgemäßen Krümmungswinkel F, zwischen 5° und 85°, bevorzugt zwischen 20° und 70°, besonders bevorzugt zwischen 30° und 70°. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn das erfindungsgemäß eingesetzte Einleitrohr mit einem geraden Rohrstück endet. Die Länge dieses Teilstücks G liegt bevorzugt zwischen dem 0,5-fachen und dem 2-fachen des Durchmessers des erfindungsgemäß eingesetzten Einleitrohres. Durch dieses gerade Endstück wird überraschenderweise die Ausbildung der Trombe positiv beeinflusst. Der Winkel α zwischen der gedachten Verlängerung des geraden Endes des Einleitrohres und der Tangente an die Verdampferwand ist erfindungsgemäß > 45° und < 90°, bevorzugt zwischen 50° und 70°.The straight length B of the introduction tube used according to the invention is chosen so that it extends to the inner radius of the evaporator jacket after installation. From there, according to the invention, the inlet tube curves towards the inside wall of the evaporator with a curvature angle F according to the invention, between 5 ° and 85 °, preferably between 20 ° and 70 °, particularly preferably between 30 ° and 70 °. Surprisingly, it has been shown that it is advantageous if the inlet tube used according to the invention ends with a straight piece of pipe. The length of this section G is preferably between 0.5 times and 2 times the diameter of the inlet tube used according to the invention. By this straight tail, the formation of the trumpet is surprisingly positively influenced. The angle α between the imaginary extension of the straight end of the inlet tube and the tangent to the evaporator wall is according to the invention> 45 ° and <90 °, preferably between 50 ° and 70 °.
Die zu verdampfende bzw. zu konzentrierende Flüssigkeit wird, bezogen auf den im Verdampfer herrschenden Druck, überhitzt, das heißt, über die entsprechende Siedetemperatur hinaus erhitzt. Der Verdampfer wird je nach zu verdampfender Flüssigkeit bei Überdruck oder bei Vakuum betrieben. Der Absolutdruck liegt dabei zwischen 5 mbar und 5000 mbar, bevorzugt zwischen 50 mbar und Atmosphärendruck. Prinzipiell kann auch bei noch höherem Druck gearbeitet werden. Für die meisten zu verdampfenden Flüssigkeiten bietet das jedoch keine Vorteile. Zum Einstellen des Vakuums bei Vakuumbetrieb können beliebige Vakuumpumpen oder Strahler entsprechend dem Stand der Technik eingesetzt werden.The liquid to be evaporated or concentrated is, based on the pressure prevailing in the evaporator, superheated, that is, heated above the corresponding boiling point. The evaporator is operated at overpressure or at a vacuum, depending on the liquid to be evaporated. The absolute pressure is between 5 mbar and 5000 mbar, preferably between 50 mbar and atmospheric pressure. In principle, it is also possible to work at even higher pressure. However, this offers no advantages for most liquids to be evaporated. To adjust the vacuum in vacuum operation, any vacuum pumps or emitters can be used according to the prior art.
Besonders vorteilhaft lässt sich der erfindungsgemäße Verdampfer bei der Konzentrierung korrosiver Medien einsetzen. Als Beispiel sei hier die Konzentrierung von Schwefelsäure genannt. Der erfindungsgemäße Verdampfer kann für den gesamten Konzentrationsbereich der Schwefelsäure eingesetzt werden. Bei einer Schwefelsäurekonzentration ≥ 60% H2SO4 eignet sich der erfindungsgemäße Verdampfer besonders gut, da aufgrund der Dichte und Viskosität der Schwefelsäure die Ausbildung der Trombe unterstützt wird. Durch den Molekularmassenunterschied des zu verdampfenden Wassers und der abzutrennenden Schwefelsäure tragen die erfindungsgemäß erzeugten Fliehkräfte bei diesem System auch besonders gut zur Stofftrennung bei. Gleiches gilt natürlich auch für andere Säuren und für Salzlösungen, bei denen Wasser abgetrennt werden soll.The inventive evaporator can be used to particular advantage in the concentration of corrosive media. An example is the concentration of sulfuric acid. The evaporator according to the invention can be used for the entire concentration range of sulfuric acid. At a sulfuric acid concentration ≥ 60% H 2 SO 4 , the inventive evaporator is particularly well, because due to the density and viscosity of the sulfuric acid, the formation of the Trombe is supported. Due to the molecular mass difference of the water to be evaporated and the sulfuric acid to be separated, the centrifugal forces generated according to the invention also contribute particularly well to the separation of substances in this system. Of course, the same applies to other acids and salt solutions in which water is to be separated.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verdampfers für die Konzentrierung von Schwefelsäure wird als Material für den Verdampfer bevorzugt emaillierter Stahl eingesetzt. Glas, PTFE- ausgekleidete Stahlverdampfer oder andere korrosionsbeständige Materialien sind ebenfalls einsetzbar, aber aufgrund der Siedetemperaturen der Schwefelsäure ist emaillierter Stahl in einem weiteren Temperatur- und Druckbereich beständig. Das erfindungsgemäße Einleitrohr wird bei der Konzentrierung von Schwefelsäure bevorzugt aus PTFE-ummanteltem Stahl gefertigt. Emaillierter Stahl ist zwar auch einsetzbar, aber aufgrund der Geometrie des Einleitrohres ist eine Herstellung schwierig. Tantal oder andere korrosionsbeständige Werkstoffe sind ebenfalls einsetzbar.When using the evaporator according to the invention for the concentration of sulfuric acid is preferably used as the material for the evaporator enameled steel. Glass, PTFE-lined steel evaporators or other corrosion-resistant materials can also be used, but due to the boiling temperatures of sulfuric acid, enamelled steel is stable in a wider temperature and pressure range. The inlet tube according to the invention is preferably made of PTFE-coated steel in the concentration of sulfuric acid. Although enamelled steel is also usable, but due to the geometry of the inlet tube, a production is difficult. Tantalum or other corrosion-resistant materials can also be used.
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