DE1032218B - Verfahren und Vorrichtung zur fraktionierten Kondensation von insbesondere chemischen Dampfgemischen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur fraktionierten Kondensation von insbesondere chemischen Dampfgemischen In der chemischen Industrie ist es bekannt, die Fraktionen eines Flüssigkeitsgemisches durch Destillation bzw. Rektifikation voneinander zu trennen.
• Falls an die Reinheit der Endprodukte geringere Ansprüche gestellt werden oder aber die Siedepunkte der Fraktionen beim Betriebsdruck genügend weit auseinander liegen, ist es ferner bekannt, die Trennung in der Weise durchzuführen, daß die Flüssigkeit verdampft und die Fraktionen des Dampfgemisches durch Kondensation getrennt werden. Hierbei kondensieren die schwerflüchtigen Bestandteile im höheren Temperaturbereich, während die leichtflüchtigen in einem niedrigeren Temperaturbereich in den flüssigen Zustand übergeführt werden. Bei dieser fraktionierten Kondensation von Dampfgemischen ist es bekannt, die Kondensation mittels Wasser durchzuführen. Diese Kühlung des Dampfgemisches durch Wasser hat aber den Nachteil, daß die Wandtemperatur des zur Kondensation dienenden Wärmeaustauschers für den Kondensationsbereich der zumeist in Frage kommenden chemischen Dampfgemische zu niedrig liegt, was eine starke Unterkühlung des Kondensats zur Folge hat, die eine hinreichend scharfe Trennung der einzelnen Fraktionen deshalb erschwert, weil infolge der tiefen Wandtemperatur bereits bei der ersten Fraktion im höheren Temperaturbereich gleichzeitig auch leichtflüchtige Bestandteile kondensiert werden. Bei mit Wasser arbeitenden Kondensationsanlagen liegt ein weiterer Nachteil darin, daß die Regelung der Kondensationstemperatur für die einzelnen Fraktionen nicht hinreichend fein durchgeführt werden kann, so daß schon aus diesem Grunde in der Praxis häufig der Destillation bzw. Rektifikation der Vorzug gegeben wird.
• Erfindungsgemäß wird das Verfahren zur fraktionierten Kondensation von Dampfgemischen unter Vermeidung der vorstehenden Nachteile dadurch verbessert, daß das Dampfgemisch stufenweise nacheinander durch hintereinandergeschaltete Kondensationsbehälter geleitet wird, wobei die Fraktionen an der Außenseite von innerhalb der Behälter angeordneten Rohren, insbesondere Rippenrohren, durch ein in diesen eingeschlossenes, innerhalb des Kondensationsbereiches verdampfhares Zwischenmedium kondensiert werden, dessen bei der Kondensation entstehende dampfförmige Komponente in mit den Verdampfungsrohren des Zwischenmediums in Reihe geschalteten Kondensationsrohren durch ein die Rohre außenseitig umströmendes Kühlmittel, z. B. Luft, niedergeschlagen wird. Abgesehen von der Einfachheit und den durch den Verzicht auf Pumpen od. dgl. bedingten hohen Wirtschaftlichkeitsgrad des Verfahrens hat dieses vor allem den Vorteil, daß die Wandtemperaturen der Rohre innerhalb jeder Fraktionsstufe durch die Verwendung eines verdampfbaren Zwischenmediums nahezu konstant gehalten werden können, wodurch eine genauere Einstellung der Kondensationstemperaturen in den einzelnen Stufen möglich ist. Die Verwendung eines Zwischenmediums hat den weiteren Vorteil, daß Schwankungen der Dampfgemischtemperatur elastisch aufgenommen werden können, ohne daß sie sich unmittelbar in Form einer Beeinträchtigung des Reinheitsgrades der einzelnen Fraktionen auswirken. Da die Kondensation der einzelnen Fraktionen des Dampfgemisches an der Außenseite der Rohre erfolgt, liegt ein weiterer Vorteil des Verfahrens darin, daß der Querschnitt für das an den Rohren vorbeizuleitende Dampfgemisch genügend groß bemessen werden kann, um die Strömungsgeschwindigkeit und damit auch den Druckverlust so klein wie möglich zu halten. Dieser Vorteil wirkt sich insbesondere bei Vacuumkondensationsanlagen aus, bei welchen die durchgesetzten Volumina infolge des niedrigen Druckes verhältnismäßig groß sind.
• Die den einzelnen Fraktionen des Dampfgemisches in jeder Stufe entsprechende Kondensationstemperatur wird zweckmäßig durch Regelung der Temperatur des Zwischenmediums eingestellt. Die Kondensation der dampfförmigen Komponente erfolgt vorteilhaft mittels die Rohre außenseitig umströmender Luft, wodurch es in einfacher Weile möglich ist, z. B. durch Drosselung des Luftstromes, die Temperatur des Zwischenmediums und damit die den einzelnen Fraktionen des Dampfgemisches entsprechenden Temperaturen einzustellen.
• Als Zwischenmedium kann z. B. Wasser verwendet werden, wobei es jedoch erforderlich ist, bei Kondensationstemperaturen unter 1000 C innerhalb der Rohre ein entsprechendes Vacuum aufrechtzuerhalten. Je nach den in Frage kommenden Kondensationstemperaturen kann es in manchen Fällen zweckmäßig sein, ein geeignetes Kältemittel, z.B. Ammoniak, Dichlortetrafluoräthan (C2 Cl2 F4) od. dgl., zu verwenden, und zwar gegebenenfalls ebenfalls unter Aufrechterhaltung eines Vacuums.
• Eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung kennzeichnet sich durch zwei oder mehrere in Strömungsrichtung des Dampfgemisches hintereinander angeordnete, jeweils in sich geschlossene Rohrsysteme, welche aus zwei etwa quer zur Strömungsrichtung des Dampfgemisches angeordneten und an den einander gegenüberliegenden Längsenden verbundenen, mit Endkammern versehenen Rippenrohrbündeln gebildet sind, in welchen das einen wesentlichen Teil der Hohlräume ausfüllende Zwischenmedium eingeschlossen ist. Hierbei sind die jeweils den Verdampfungsteil für das Zwischenmedium bildenden, von dem Dampfgemisch außenseitig umströmten Rippenrohrbündel innerhalb von in Strömungsrichtung des Dampfgemisches hintereinandergeschalteten Kondensationsbehältern angeordnet, während die den Kondensationsteil für das Zwischenmedium bildenden Rohrbündel von einem mit der Längsachse etwa quer zu den Rohrbündeln angeordneten Schacht zur Führung des Kühlluftstromes umgeben sind. Um ein kontinuierliches Verdampfen und Kondensieren des Zwischenmediums innerhalb des Rohrsystems zu ermöglichen, sind Verdampfungs-und Kondensationsteil zur Waagerechten geneigt angeordnet, wobei der Verdampfungsteil für das Zwischenmedium gegenüber dem Kondensationsteil tiefer angeordnet ist. Die Regelung der Zwischenmediumtemperatur zur Einstellung der den einzelnen Fraktionen entsprechenden Kondensationstemperatur erfolgt vorteilhaft durch innerhalb des Kühlschachtquerschnittes drehbar angeordnete Drossel- bzw. Umlenkklappen, durch die eine genaue Anpassung der Temperaturen an die Kondensationstemperaturen der Dampfgemischfraktionen möglich ist.
• Die innerhalb der Kondensationsbehälter angeordneten Verdampfungsrippenrohrbündel für das Zwischenmedium sind an beiden Enden über Rohrböden an Endkammern angeschlossen, wobei für den Rücklauf des Kondensats des Zwischenmediums ein an beiden Enden in die Endkammern mündendes glattes Fallrohr vorgesehen ist.
• In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.
• Das durch Kondensation zu trennende Dampfgemisch tritt bei 1 durch den Stutzen 2 in den Kondensationsbehälter 3 ein, umströmt infolge der Sohikanebleche 5 auf möglichst langem Wege das Rippenrohrbündel 4 und tritt mit Ausnahme der hierbei kondensierten Fraktion durch den Stutzen 6 in den die nächste Stufe bildenden anschließenden Kondensationsbebälter ein. Die kondensierte Fraktion tritt über den Kondensatstutzen 7, der sich an der tiefsten Stelle des Kondsationsbehälters 3 befindet, aus.
• Das Rippenrohrbündel 4 ist an beiden Enden über Rohrböden 8, 8a mit der Wand des Kondensationsbehälters 3 verbunden. Sämtliche Rohre des Rohrbündels münden an den Enden in Kammern 9, 9a, wobei das unterste Rohr 10 als Fallrohr für das zurückfließende Kondensat des verdampfbaren Zwischenmediums dient und als Glattrohr ausgebildet ist. Um ein einwandfreies Zuriickfließen des Kondensats innerhalb des Rohrsystems sowie ein Aufsteigen der dampfförmigen Komponente in dem Kondensationsteil zu ermöglichen, ist das gesamte Rohrsystem um etwa 20 bis 300 gegen die Waagerechte geneigt angeordnet.
• Der ehenfalls aus einem Rippenrohrbündel 11 bestehende Kondensationsteil für die Niederschlagung der dampfförmigen Komponente des Zwischenmediums ist über eine Verbindungsleitung 12 mit der Endkammer 9 des Verdampfungsteils für das Zwischenmedium verbunden und derart angeordnet, daß er sich etwa im Bereich der verlängerten Längsachse des Kondensationsbehälters 3 für das Dampfgemisch befindet, so daß Kondensations- und Verdampfungsteil für das Zwischenmedium in Reihe geschaltet sind.
• Die Verbindungsleitung 12 mündet in die Endkammer 13 des den Kondensationsteil bildenden Rippenrohrbündels 11, dessen einzelne Rohre durch die gegenüberliegende Endkammer 13 a ebenfalls kurzgeschlossen sind.
• Der Kondensationsteil 11, 13 des Rohrsystems ragt in einen zur Führung der Kiihlluft dienenden Kühlschacht 14, dessen Achse etwa senkrecht angeordnet ist und welcher am unteren Ende einen konischen Teil 15 besitzt, an dessen engstem Querschnitt ein die Luftströmung hervorrufender Ventilator 16 angeordnet ist. Innerhalb des Kühlschachtes 14 sind um etwa waagerechte Achsen 17 schwenkbare Drosselklappen 18 zur Feststellung des freien Strömu,ngsquersohnittes für die Luft vorgesehen. Um einen Teil des Luftstroms im Nebenstrom um den Kondensationsteil 11, 13 im Bedarfsfalle herumführen zu können, sind die Rohrbündel 11 kürzer als die Breite des Kühlschachtes 14 gehalten, so daß zwisclhen dem Ende der Kammern 13 a und der Seitenwand des Isiilhlsdhacht,es ein freier Qulersinitt entsteht, der durch einarmig gelagerte und um die Platten 19 drehbare Klappen 20 waElweise freigegeben oder so versperrt werden kann, daß die gesamte Luftmenge an den Kondensationselementen 11 vorbeiströmt.
• Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist wie folgt: Das in den Rohrbündeln 4 vorgesehene, innerhalb des in Frage kommenden Kondensationshereiches verdampfbare Zwischenmedium - im vorliegenden Falle Wasser - verdampft infolge der bei der Kondensation aufgenommenen Wärme, so daß die sich hierbei bildende Dampfkomponente innerhalb des Rohrbündels 4 in der Endkammer 9 aufsteigt, über das Verbindungsrohr 12 und die Endkammer 13 in die Rippenrohre 11 des Kondensationsteiles gelangt und hier durch die außenseitig der Rohre vorbeiströmende Luft wieder niedergeschlagen wird. Das Kondensat läuft infolge der Neigung des Rohrsystems durch das Verbindungsrohr 12 wieder in die Endkammer 9 des Verdampfungsteils zurück, um von dort über das Fallrohr 10 wieder der Verdampfung innerhalb der Rohre 4 zugeführt zu werden.
• Durch entsprechende Nebenstromklappen 20 kann die Rückkühlung bzw. die Kondensation der dampfförmigen Komponente des Zwischenmediums innerhalb des Kondensationsteils 11, 13 so eingestellt werden, daß die für die Verdampfung des Zwischenmediums benötigte Wärmemenge der Wärmeabgabe des Dampfgemisches für die Kondensation der ersten Fraktion angepaßt wird.
• Nach Ausscheiden des Kondensats der ersten Fraktion in der ersten Stufe tritt das restliche Dampfgemisch mit entsprechend verminderter Temperatur in die nächstfolgende Stufe ein, in welcher die Temperatur des Zwischenmediums durch entsprechende Einstellung der Klappen 18, 20 so gewählt ist, daß die für die Kondensation der zweiten Fraktion zu erzielende Wärmemenge derjenigen Temperatur entspricht, die das in der zweiten Stufe enthaltene Zwischenmedium etwa für die Verdampfung benötigt.
• Die Anzahl der Stufen richtet sich nach der Anzahl der durch die Kondensation zu trennenden Fraktionen des Dampfgemisches. Zur Anreicherung der Fraktionskondensate steht nichts im Wege, diese gegebenenfalls mehrfach durch die entsprechenden Stufen der Kondensationsanlage hindurchzuführen.
• Wenn der Siedepunkt der Fraktionen des Dampfgemisches unter 1000 C liegt, ist es bei Verwendung von Wasser als Zwischenmedium erforderlich, innerhalb des Rohrsystems ein Vakuum vorzusehen, um eine Verdampfung des Zwischenmediums unter 1000 C zu ermöglichen. Jedoch kann in diesen Fällen mit Vorteil ein geeignetes Kältemittel, z. B. Ammoniak oder Dichlortetrafluoräthan, als Zwischenträger verwendet werden, deren Siedepunkte in niedrigerem Temperaturbereich liegen.
• PATrNrÄNSPRcii 1":: 1. Verfahren zur fraktionierten Kondensation von insbesondere chemischen Dampfgemischen, dadurch gekennzeichnet, daß das Dampfgemisch stufenweise nacheinander durch hintereinandergeschaltete Kondensationsbehälter (3) geleitet wird, wobei die Fraktionen an der Außenseite von innerhalb der Behälter (3) angeordneten Rohren (4), insbesondere Rippenrohren, durch ein in diesen eingeschlossenes, innerhalb des Kondensationsbereiches verdampfbares Zwischenmedium kondensiert werden, dessen bei der Kondensation entstehende dampfförmige Komponente in mit den Verdampfungsrohren (4) des Zwischenmediums in Reihe geschalteten Kondensationsrohren (11) durch ein die Rohre (11) außenseitig umströmendes Kühlmittel, z. B. Luft, niedergeschlagen wird.

Claims (1)

1. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen Fraktionen des Dampfgemisches in jeder Stufe entsprechende Kondensationstemperatur durch Regelung der Temperatur des Zwischenmediums eingestellt wird.

   3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Zwischenmediums durch Drosselung der das Rippenrohrbündel (11) außen umströmenden Luft geregelt wird.

   4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenmedium eine leicht verdampfbare Flüssigkeit, z. B. Wasser, Ammoniak, Dichlortetrafinoräthan (Freon) od. dgl., gegebenenfalls in Verbindung mit einem Vakuum, verwendet wird.

   5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch zwei oder mehrere in Strömungsrichtung des Dampfgemisches hintereinander angeordnete, jeweils in sich geschlossene Rohrsysteme (4, 12, 11), welche aus zwei etwa quer zur Strömungsrichtung des Dampfgemisches angeordneten und an den einander gegenüberliegenden Längsenden verbundenen, mit Endkammern (9, 9 a; 13, 13 e) versehenen Rippenrohrbündeln (4, 11) gebildet sind.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verdampfungsteil (4, 9) für das Zwischenmedium bildenden, von dem Dampfgemisch außenseitig umströmten Rohrbündel (4) innerhalb von in Strömungsrichtung des Dampfgemisches hintereinandergeschalteten Kondensationsbehältern (3) angeordnet sind, während die den Kondensationsteil (11, 13) für das Zwischenmedium bildenden Rohrbündel (11) von einem mit der Längsachse etwa quer zu den Rohrbündeln (11) angeordneten Schacht (14) zur Führung des Kühlluftstromes umgeben sind.

   7. Vorrichtung nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß Verdampfungs- und Kondensationsteil (4, 9; in, 13) zur Waagerechten geneigt angeordnet sind und der Verdampfungsteil (4, 9) gegenüber dem Kondensationsteil (11, 13) eine tiefere Lage besitzt.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Führung des Kühlluftstromes dienende Schacht (14) an mindestens einem Ende mit einem Ventilator (16) ausgerüstet ist und daß innerhalb des Querschnittes des Kühlschachtes (14) eine oder mehrere um Achsen (17, 19) schwenkbare Drossel-bzw. Umlenkklappen (18, 20) vorgesehen sind.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenrohrbündel (11) sich in Längsrichtung nur über einen Teil des Schachtquerschnittes erstrecken und in dem freien Querschnitt zwischen den Enden der Rohrbündel (11) und der Schachtwand verstellbare Umlenkklappen (20) zur Umleitung des Luftstromes vorgesehen sind.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das innerhalb der Kondensationsbehälter (3) angeordnete Rippenrohrbündel (4) an beiden Enden über Rohrböden (8, 8a) an Endkammern (9, 9a) angeschlossen ist und für den Rücklauf des Kondensats des Zwischenmediums mindestens ein glattes Fallrohr (10) vorgesehen ist, welches beiderseits in Endkammern (9, 9 a) mündet.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Kondensationsbehälters (3) Schikanebleche (5) zur Umlenkung des Dampfgemisches angeordnet sind.