DE1059850B

DE1059850B - Mehrstufiges Verdampfaggregat zum Eindampfen von chlorwasserstoff-haltigen Zuckerloesungen

Info

Publication number: DE1059850B
Application number: DEU4445A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Chem Dr Theodor Riehm
Original assignee: Udic SA
Current assignee: Udic SA
Priority date: 1957-01-18
Filing date: 1957-03-25
Publication date: 1959-06-18
Also published as: FR1216930A; AT203468B; US2944923A; GB835645A

Description

Mehrstufiges Verdampfaggregat zum Eindampfen von chlorwasserstoffhaltigen Zuckerlösungen Temperaturempfindliche organische Lösungen werden im allgemeinen unter vermindertem Druck bei niedrigenTemperatureneingedampft. Bestimmend für die zulässige Siedetemperatur ist dabei insbesondere die Verweilzeit im Verdampfer. Soweit es sich um sehr hochwertige und extrem empfindliche Stoffe handelt, wie z. B. Hormonlösungen, werden dazu auch Dünnschichtverdampfer mit sehr kurzen Verweilzeiten eingesetzt. Diese können aber wegen der nur beschränkt vergrößerungsfähigen :GIeizfläche und der kostspieligen Mechanik solcher Vorrichtungen nicht auf relativ wohlfeile Produkte und große Lösungsmengen angewandt werden, insbesondere nicht, wenn äußerst aggressive konzentrierte Salzsäure mitverdampft werden muß, wie es bei dem Eindampfen wäßriger, stark salzsaurer Zuckerlösungen der Fall ist, die bei der Vor- und Haupthydrolyse hemicellulose-und cellulosehaltiger pflanzlicher Stoffe mit Salzsäure anfallen.
Es ist weiter bekannt, Lösungen dadurch rationell einzudampfen, daß man das Eindampfen in mehreren Vakuum- oder Druck- und Vakuumstufen durchführt und dabei die Dämpfe der Stufen mit höherem Druck und höherer Temperatur zur Beheizung der Stufen mit niederer Temperatur benutzt. Dadurch muß nur die erste Stufe primär beheizt werden.
Jedoch ist es trotz der drei Jahrzehnte währenden intensiven Forschung auf dem Gebiete der Holzverzuckerung mit konzentrierter Salzsäure nicht geglückt, die verhältnismäßig großen Mengen Salzsäure anders als durch eine einstufige Vakuumverdampfung bei etwa 45 bis 50 Torr und 40 bis 50° C vom Holzzucker abzutrennen. Dieses Eindampfen ist mit einem verhältnismäßig hohen Wärmeaufwand verknüpft.
Demgegenüber wurde nun ein mehrstufiges Verdampfaggregat zum Eindampfen von chlorwasserstoffhaltigen, durch Hydrolyse erzeugten Zuckerlösungen entwickelt, bei dem keinerlei Pumpen für die Flüssigkeitsförderung von Stufe zu Stufe benötigt werden, das aus mehreren hintereinandergeschalteten, von unten nach oben nur einmal durchströmten Durchlaufverdampfern besteht, wobei in bekannter Weise der nachfolgende Verdampfer jeweils von den Brüden des vorhergehenden beheizt wird und die der ersten Stufe folgenden Verdampfer unter mehr und mehr vermindertem Druck arbeiten, und der Querschnitt der von außen beheizten Verdampferrohre so gewählt ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Zuckerlösung 20 bis 40 m/Sek. beträgt.
In dem Verdampfaggregat nach der Erfindung wird die Lösung in langen, engen, von außen beheizten Verdampferrohren in einem einzigen Durchgang von unten nach oben geleitet, in denen sie teilweise verdampft, so daß sich der gebildete Säuredampf und die Flüssigkeit gemeinsam reit solcher Geschwindigkeit durch die Verdampferrohre bewegen, daß keine Lösung in den Rohren zurückfallen kann und bei dem nur wenige Bruchteile von Sekunden währenden Durchgang durch die Rohre keine merkliche Zersetzung auftritt. Da bei dieser Verdampfung das technische Prinzip der Mammutpumpe angewandt wird - die Förderung beruht -auf der Verschiedenheit der spezifischen Gewichte der Zuckerlösung und des Gemisches von Zuckerlösung und Salzsäuregas im einzelnen Rohr - und dadulch sich die Flüssigkeit mit der außerordentlich hohen Geschwindigkeit von 20 bis 40 m/Sek. durch die. Verdampferrohre bewegt, wird auch die bei vielen Verdampfern auftretende '\% erkrustung ausgeschlossen.
In einem der ersten Verdampferstufe nachgeschalteten Brüdenabscheider, in den das Gemisch aus Säuredampf und Lösung tangential einströmt, wird die Lösung vom Säuredampf in bekannter Weise getrennt; worauf ohne jeden Flüssigkeitsstand im Abscheider die noch salzsaure Lösung sofort über ein Entspannungsventil oder eine Drosselblende in einen ebenso gebauten zweiten Verdampfer bei etwa 100 bis 150 Torr geleitet wird, den sie ebenfalls in einem einzigen Durchgang passiert, wobei weitere Säuremengen weggedampft werden. Natürlich lassen sich außer den beiden genannten V erdampferstufen der unter stark vermindertem Druck stehenden Endstufe noch eine oder mehrere Verdampferstufen vorschalten, deren Druckabfall so geregelt ist, daß dann der letzte vorgeschaltete Verdampfer unter einem Druck von nicht wesentlich unter 100 Torr steht. Nach dem Abscheiden der Säuredämpfe wird die verbleibende Lösung über ein weiteres Entspannungsventil oder eine weitere Drosselblende in die Vakuumstufe mit 40 bis 50 Torr geleitet, in der sie in einem üblichen Röhrenumlaufverdampfer bis auf die Endkonzentration gebracht wird.
Um nun die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit von 20 bis 40 m/Sek. zu erreichen, empfiehlt es sich, insbesondere in der ersten Stufe Verdampferrohre mit nicht über 15 mm lichtem Durchmesser und Heizdampftemperaturen von mindestens 140° C zu wählen. Sind die Rohrdurchmesser unter Verwendung von Graphit als Werkstoff wesentlich größer oder die Heiztemperaturen niedriger, so wird kein gleichmäßiges Durchströmen der Flüssigkeit durch die Rohre mehr erreicht, da dann die Geschwindigkeit des Säuredampfes nicht mehr das Zurückfallen einzelner Flüssigkeitsteilchen verhindern kann. Dadurch treten teilweise verlängerte Verweilzeiten bei den gefährlich hohen Temperaturen und dadurch die berüchtigten Zuckerzersetzungen auf.
Als äußerst zweckmäßig hat es sich. herausgestellt, in die Verdampferrohre, insbesondere in deren unterem Abschnitt, leicht herausnehmbare Formstangen zentrisch einzuhängen, die die Rohrinnenflächen nur unwesentlich berühren, aber einen Großteil des Rohrvolumens ausfüllen und dadurch die Verweilzeiten weiter herabdrücken.
Bei einer beispielsweise dreistufigen Ausführung des Verdampfaggregats beheizen die Dämpfe der ersten Stufe die zweite Stufe, die Dämpfe dieser Stufe die dritte Stufe, so daß der gesamte Dampfaufwand nur rund ein Drittel des bei dem früheren einstufigen Verfahren benötigten Dampfverbrauchs beträgt. Insbesondere hat sich gezeigt, daß noch gefährlicher als der Aufenthalt der zersetzlichen Lösung in den Verdampferrohren eine Verweilzeit im Abscheider ist, da schon bei niedrigem Flüssigkeitsstand sehr rasch große schädliche Verweilzeiten entstehen. Deshalb wird das Drosselventil zwischen zwei Druckstufen so weit geöffnet, daß alle Lösung sofort in den nächsten Verdampfer übergeht, sogar unter Inkaufnahme eines ganz geringen Durchschlüpfens von Dampf von der höheren zur niederen Druckstufe.
Gegenüber dem einstufigen Eindampfen der Holzzuckerlösungen unter vermindertem Druck bei 40 bis 50' C besitzt aber die Verwendung eines Verdampfaggregats nach der Erfindung noch einen weiteren wichtigen Vorteil. Bei ersterem konnten die aus der 40- bis 41%igen Salzsäure entstehenden Säuredämpfe unter vermindertem Druck nicht ohne Wasserzusatz niedergeschlagen werden, wobei nur eine auf 300/a I-ICI-Gehalt verdünnte Säure wiedergewonnen wurde, die in einem weiteren, wärmeverbrauchenden Arbeitsgang auf 40 bis 41% aufkonzentriert werden mußte. Im erfindungsgemäßen Verdampfaggrega.t entsteht dagegen in der ersten Stufe neben schon verhältnismäßig hochprozentiger Kondensatsäure noch HCI-Gas, das ohne nochmaligen Verdampfungsaufwand direkt zur Herstellung neuer 41 o/oiger Säure verwendet «.erden kann.
In der Zeichnung wird schematisch eine Ausführungsform der Erfindung als Beispiel dargestellt. Es zeigt Fig. I einen Querschnitt durch ein dreistufiges Verdampfaggregat nach der Erfindung, Fig.II Querschnitte von in die Verdampferrohre zentrisch eingehängten Formstangen.
In Fig. I bedeutet das Bezugszeichen 1 den unter Atmosphärendruck arbeitenden Verdampfer, der beispielsweise mit 3 m langen Graphitrohren mit 15 mm lichtem Durchmesser versehen ist. Die Rohre werden von außen mit Dampf von 150° C beheizt. Die salzsaure Zuckerlösung läuft von unten den Rohren zu, durch die sie mit 20 bis 40 m/Sek. strömt. Im Abscheider 2 herrscht eine Temperatur von etwa 107° C. Die in 1 voreingedickte Zuckerlösung läuft nun, ohne daß sich in 2 ein Flüssigkeitsstand bildet, über das Drosselventil 3 zum Verdampfer 4, der dieselbe Bauart wie der Verdampfer 1 aufweist. In den diesem nachgeschalteten Abscheider 5 herrscht eine Temperatur von etwa 65° C. Über das Drosselventil 6 strömt die Zuckerlösung schließlich in den Umlaufverdampf er 8 von üblicher Bauart, der bei etwa 40° C arbeitet. Die Ausführung auch des Verdampfers 8 als Verdampfer mit einmaligem Durchgang mit engen langen Rohren verbietet sich infolge der zu hohen Viskosität der Holzzuckerlösung in der dritten Stufe. Es müssen daher Rohre mit größerem Innendurchmesser angewandt werden, auf die das Prinzip des einmaligen Durchgangs nicht anwendbar ist.
Die Säuredämpfe des Verdampfers 1 beheizen den Verdampfer 4, wobei sie sich größtenteils kondensieren. Bei Einzug von Salzsäure mit über 30°/o HCl-Gehalt in 1 bleiben aber noch nicht kondensierbare IICI-Gase nach dem Durchgang der Dämpfe durch 4 übrig, die im Abscheider 7 von dem Kondensat mit etwa 33 % HCl-Gehalt geschieden werden. Letzteres läuft über den Siphon bei 7 nach unten ab, erstere verlassen den Abscheider 7 nach oben.
Zur Erreichung einer günstigen Wärmeausnutzung ist es vorteilhaft, wenn die dem Verdampfer 1 zulaufende Lösung vor Eintritt in denselben durch zusätzliche W ärmeaustauscher, z. B. unter Ausnutzung der Wärme der Kondensate bei 7 oder 8 vorgewärmt wird.
Aus Fig. II ist ersichtlich, daß die im Querschnitt dargestellten, in die Verdampferrohre zentrisch eingehängten Formstangen die Rohrwandungen nur insoweit berühren, als zum Festhalten in ihrer Lage in den Rohren unbedingt erforderlich ist, im übrigen aber den größten Teil des Raumes in den Rohren ausfüllen, wodurch eine weitere Verkürzung der Verweilzeit bzw. eine zusätzliche Beschleunigung des Durchganges der einzudampfenden Lösung erzielt wird.
Beispielsweise treten bei dem Eindampfen von sogenannten Hauptzuckerlösungen der Holzverzuckerung, bestehend aus 38 bis 401)/&i-er Salzsäure mit darin gelöstem Traubenzucker und beigemengten anderen Zuckern, die z. B. zu einem Fünfzehntel aus Xylose bestehen, in der Vorrichtung nach der Erfindung keine analytisch feststellbaren Zersetzungen auf.
Aber sogar die außerordentlich empfindlichen sogenannten Vorzuckerlösungen aus Laubholz, die praktisch aus Xylose und 30- bis 35 1/oiger Salzsäure bestehen, lassen sich in einem Verdampfaggregat nach der Erfindung mit geringem Wärmeaufwand verdampfen. Die Verluste an Xylose betragen in jeder der drei Stufen 0,75% derselben. Bei einer vergleichsweisen Eindampfung der gleichen Xylose-SaIzsäure-Lösung in einer Vakuumstufe bei etwa 45° C in Umlaufverdampfern mit entsprechend längeren Verweilzeiten beträgt der gesamte Xyloseverlust 21/2%, also praktisch etwa die gleiche Menge wie bei dem @' erdampfaggregat nach der Erfindung, wobei aber die eingedampften Lösungen durch Zersetzungsprodukte stark verunreinigt sind, während die erfindungsgemäß erhaltenen keinen der sonst üblichen nachgeschalteten und kostspieligen Reinigungsprozesse mehr durchlaufen müssen, sondern in klarer, salzsäurefreier Lösung anfallen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Mehrstufiges Verdampfaggregat zum Eindampfen von chlorwasserstoffhaltigen, durch Hydrolyse erzeugten Zuckerlösungen, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mehreren hintereinandergeschalteten, von unten nach oben nur einmal durchströmten Durchlaufverdampfern besteht, wobei in bekannter Weise der nachfolgende Verdampfer jeweils von den Brüden des vorhergehenden beheizt wird und die der ersten Stufe folgenden Verdampfer unter mehr und mehr vermindertem Druck arbeiten, und der Querschnitt der von außen beheizten Verdampferroh:re so gewählt ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Zuckerlösung 20 bis 40 m/Sek. beträgt.
2. Mehrstufiges Verdampfaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verdampferrohre den größten Teil des Rohrvolumens ausfüllende, aber die Rohrwandung nur unwesentlich berührende Formstangen zentrisch eingehängt sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 832 847, 691617, 456 193, 455 101.