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Verfahren zum Vermindern des Absetzens von Feststoffen auf den Kühlflächen
eines Wärmeaustauschers bei Kühlung von Alkalihydroxydlösungen Im Verlauf der Herstellung
von festen Alkalihydroxyden bzw. b--im Eindampfen verdünnter Hydroxydlösungen ist
es häufig erforderlich, die Lösungen zu kühlen.
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Eines der größten Probleme bei der Kühlung von wäßrigen Alkalihydroxydlösungen
mit Hilfe von Kühlschlangen oder ähnlichen Wärmeaustauschern ist die Ablagerung
von Feststoffen auf den mit der Lösung in Berührun stehenden Kühlflächen. Die Ablagerung
9 t' ist so stark, daß sich innerhalb weniger Tage Schichten von mehreren
Zentimetern Dicke auf den Kühlflächen bilden können. Die Wirksamkeit der Kühlvorrichtung
ist nach weniger als einer Woche so. weit herabgesetzt - oft zeigt sich eine
Abnahme der Kühlkapazität von mehr als zwei Dritteln nach 1 bis 2 Tagen
-, daß sich ihr weiterer Einsatz nicht mehr rechtfertigt und sie zu Reinigungszwecken
abgestellt werdien muß.
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Es wurde nun gefunden, daß man derartige Ablagerungen auf ein Minimum
herabsetzen kann, wenn man zwischen der 'U7ärmeaustauschfläche und einer in die
Lösung einzutauchenden Elektrode einen elektrischen Strom fließen läßt. Vorzugsweise
schaltet man die Wärmeaustauschfläche dabei als Anode. Läßt man einen elektrischen
Strom geringer Stromstärke bei niedriger Spannung zwischen der negativen Elektrode
und der positiv geladenen Wärmeaustauscherfläche fließen, so wird durch Verminderung
der Fieststoffablagerung auf der Wärmeaustauscherfläche eine wesentliche Verbesserung
der Wärmeaustauscheigenschaften der Kühlvorrichtung erzielt. Sie können während
wesentlich längerer Zeiträume betrieben werden und brauchen nicht so häufig stillgelegt
und gereinigt zu werden.
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Es werden jedoch nicht nur diese Vorteile erzielt, sondern überraschenderweise
bleibt auch die Korrosion der Kühlflächen und die Elektrolyse der Alkalihydroxydlösungen
äußerst gering.
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Auf diese Weise werden beispielsweise wäßrigiNatriumhydroxydlösungen
von etwa 65 bis 1200 C,
insbesondere Lösungen mit mehr als
25 und weniger als 75 Gewichtsprozent Natriumhydroxyd, gekühlt, indem
man sie durch eine Kühlschlangen oder andere Wärmeaustauscherflächen enthaltende
Kühlvorrichtung leitet und in den Schlangen ein Kühlmittel, z. B. Wasser, zirkulierzn
läßt. Die Werte der an die negative, in die wäßrige Natriumhydroxydlösung eingetauchte
Elektrode, die gegenüber der Kühlfläche elektrisch isoliert ist, und die positive
Wärmeaustauscherfläche angelegten Spannung sowie die Stärke des elektrischen Stroms
können innerhalb weiter Grenzen liegen. Eine Stromdichte von etwa 0,5 bis
11 Amp. pro m2 Wärmeaustauscherfläche bewirkt einen guten Schutz gegen die
Ablagerung von Feststoffen und gegen Herabsetzung der Wärmeaustauschwirksamkeit
der Kühlflächen. Zur Erzielung dieser Stromdichten arbeitet man in Abhängigkeit
von der Oberfläche der negativen Elektrode und des Wärmeaustauschers mit einem elektrischen
Strom von 1 bis 70 Amp. bei etwa 1 bis 10 Volt Spannung.
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Zu den Lösungen, die besonders zur Ablagerung von Feststoffen auf
den Kühlflächen neigen, gehören solche, die dile gewöhnlich in elektrolytisch hergestelltem
Natriumhydroxyd vorkommenden Salze, wie Natriumchlorid, -carbonat, -sulfat od. dgl.,
enthalten. Bei den üblichen Verfahrenstechniken treten die be-
schriebenen
Probleme normalerweise bei wäßrigen Natriumhydroxydlösungen auf, die mehr als etwa
1 Gewichtsprozent Natriumchlorid oder andere Salze enthalten.
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Die meisten Schwierigkeiten hinsichtlich der Feststoffablaggerung
und der Verminderung der Wärmeübertragungseigenschaften der Kühlvorrichtungen treten
bei solchen wäßrigen Allalihydroxydlösungen auf, die z. B. im Fall einer Natriumhydrc>xydlösung
etwa 25 bis 75 Gewichtsprozent Natriumhydroxyd und mehr als
1 Gewichtsprozent (im allgemeinen 5 bis
25
Gewichtsprozent) eines oder mehrerer Salze, wie Natriumchlorid, -bicarbonat oder
-stilfat, enthält, und die von etwa 65 bis 120' C auf 20 bis 40'
C -ek-ühlt werden soll. Bei der Kühlung derartiger Lösungen wird die Erfindung
daher b,-sonders zweckmäßig angewendet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine beliebige Anzahl von
Kühlern hintereinandergeschaltet werden. Es ist ratsam, jedoch nicht notwendig,
die Wärmeaustauscherflächen in jedem Kühler positiv zu laden. Häufig genügt
es, die Wärrneaustauscherflächen in den ersten oder einigen der ersten Kühler einer
Reihe positiv zu laden, da in diesen normalerweise die größte Feststoffablagerung
stattfindet. In den weiteren Kühlern einer Reihe können die Ablagerungen so geringfügig
sein, daß sich das Aufladen ihrer Wärmeaustauscherflächen nicht lohnt.
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Es wurde festgestellt, daß bei der Kühlung wäßriger Natriumhydroxydlösungen
in einem System von hintereinandergeschalteten Kühlvorrichtungen, in dem ersten
oder den beiden ersten Kühlern, in welchen die Kühlung von etwa 90 bis 120'
C auf etwa 75' C erfolgte, keine übermäßige Ablagerung von Feststoffen
auf den positiv geladenen Wärmeaustauscherflächeil eintrat. Bei der weiteren Abkühlung
auf 20 bis 40' C
in den nachfolgenden Kühlvorrichtungen tritt keine ernsthafte
Feststoffablagerung auf, so daß die Kühlflächen in diesen Vorrichtungen nicht mehr
aufgeladen zu werden brauchen.
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Die Gestalt der in der Kühlvorrichtung angeordlieten und in die Flüssigkeit
eingetauchten Elektroden richtet sich nach der Form der Kühlvorrichtung, der Form
und Anordnung der Kühlflächen und der All-oder Abwesenheit von Rührern in der Kühlvorrichtung.
Es ist zwar von Vorteil, die negative Elektrode in gleichmäßigem Abstand von der
positiv geladenen Wärmeaustatischerfläche anzuordnen, jedoch hat dies natürlich
seine praktischen Grenzen. Es können beträchtliche Abweichungen von einer solchen
Anordnung der negativen Elektrode vorgenommen werden.
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Das folgende Beispiel erläutert das erfindungsgemäße Verfahren. Beispiel
Sechs Kühler wurden so hintereinandergeschaltet, daß eine wäßrige --,\Tatriumhvdroxvdlösung
kontinuierlich nach einander durch die Käler 1 bis 6 laufen konnte.
Die heißeste Natriumhydroxydlösung wurde in den Kühler 1 eingeführt. Kühlwasser
wurde im Gegenstrom zu dem Fluß der Alkalilauge durch die Kühlschlangen jedes Kühlers
geleitet. Das kält,.-ste Kühlwasser floß also zuerst in die Schlangen des Kühlers
6. Die Kühlvorrichtungen einschließlich der Kühlschlangen bestanden aus Nickel,
um eine auf Grund des Kontaktes der freien Flächen mit dein heißen wäßrigen Natriumhydroxyd
auftretende V erunreinigung auszuschließen. jede Kühlvorrichtung wurde mit
einem Rührwerk ausgerüstet.
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Die Kühler 1 und 2 bestanden aus zylindrischen Behältern mit
einem Durchmesser von etwa 2,1 in und einer vertikalen Höhe von etwa 2,7m. In jedem
dieser Kühler hatten die Kühlschlangen eine Kühlfläche von 32,5 M2 und bestanden
aus -Nickelrohren mit einem äußeren Durchmesser von 10 cm. Die zylindrischen
Kühler 3 und 4 hatten einen Durchmesser von etwa 2,7 in und eine Höhe
von etwa 3,0 in. jeder dieser Kühler hatte eine Kühlfläche von 60,5M2, die
aus Kühlschlangen mit einem äußeren Durchmesser von 10cm bestanden. Die Kühler5
und 6 bestanden aus zylindrischen Behältern mit einem inneren Durchmesser
von etwa 2,7m und einer Höhe von etwa 2,7 in. Sie enthielten JNickelkühlschlangen
mit einem Durchmesser von 10 cm, die 52,8 m2 Kühlfläche hatten.
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Wäßrige Natriumhydroxydlösung der Zusammensetzung:
| Gewichtsprozent |
| NaOH ........................... 50,50 |
| NaC1 ............................. 2,81 |
| Na.S04 ............. ()"42 |
| Na2 C 01 ........................... 0,31 |
wurde mit der in der Tabelle angegebenen Geschwindigkeit und Temperatur in das vorstehend
beschriebene Kühlsystein eingeführt, dessen Kühlvorrichtungen hintereinandergeschaltet
waren. Die Alkalilauge wurde beispielsweise kontinuierlich zuerst in dcn Kühler
1,
dann in Kühler 2 usw. bis in Kühler
6 geleitet. Das durch die Kühlschlangen
zirkulierende Kühlmittel war Wasser von der in der Tabelle angegebenen Temperatur.
Das Kühlwasser wurde kontinuierlich und im Gegenstrom zu dem Alkalistrom durch die
hintereinandergeschalteten Kühler geleitet, beispi#.-Isweise zuerst in den Kühler
6 und dann in den Kühler
5 und eventuell aus Kühler
1 abgezogen.
Mit diesem Kühlsvstem arbeitete man während längerer Zeiträume (a) ohne positiv
geladene Kühlschlangen,
(b) mit positiv geladenen Kühlschlangen in Kühler
1 und (c) mit positiv geladenen Kühlschlangen in Kühler
1 und 2. In
der Tabelle sind die spezifischen 'Verfahrensbedingungen für die verschiedenen Fälle
für eine jeweils etwa 6tägige Betriebsdauer angegeben.
| Verf ahrensbedingungen Versudie |
| Durchschnittlidie Werte A B
C D E F |
| Natriumhydroxydlösung, Beschickungsgeschwindigkeit |
| (t/Tag) (50 Gewichtsprozent Na0H) ...............
880 808 904 802 758 958 |
| Kühlwasserzuführungsgeschwindigkeit (Liter/Minute)
. . 108 616 892 491 476 684 |
| Temperatur der zugeführten Na 0 H-Lösung Q .... '
98,3 95,0 96,1 95,0 93,3 92,2 |
| Temperatur der abgezogenen Na 0 H-Lösung C) .....
29,9 28,3 26,8 26,9 26,7 27,2 |
| Temperatur des zugeführten Kühlwassers Q ........ 15,8
12,4 12,7 12,8 12,5 12,2 |
| Temperatur des abgezogenen Kühlwassers C) .........
42,7 59,5 50,0 66,7 64,5 57,2 |
| Hektoliter Wasser pro Tonne Na 0 H-Lösung (mit einem |
| Na 0 H-Gehalt von 50 Gewichtsprozent)
............. 1,77 1,10 1,43 0,885 0,903 1,03 |
Blei dem Versuch
A wurden die Kühlschlangen nicht elektrisch aufgeladen.
Bei dem Versuch B wurde eine von den Kühlschlangen, dem Rührwerk und dein Gehäuse
des Kühlers elektrisch isolierte Elektrode in die abzukühlende Lösung getaucht,
und man ließ einen elektrischen Strom von
2,9 Volt und
60 Amp. zwischen
den Kühlschlangen und der Elektrode fließen, wobei die Kühlschlangen positiv aufgeladen
waren.
Bei Versuch
C wurden die Kühlschlangen wie bei Versuch
B betrieben, jedoch mit einem Strom von
3 Volt und
60 Amp. Bei Versuch
D enthielten die Kühler
1 und 2 Elektroden, die von den Kühlschlangen,
dem Gehäuse und dem Rührwerk elektrisch isoliert waren. Bei Versuch
D ließ
man in jedem der Kühler
1
und 2 einen elektrischen Strom voll
5 Volt
und 60,Amp. zwischen den Kühlschlanglen und den eingetauchten Elektroden fließen.
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Bei Versuch E wurden die Kühler wie bei dem Versuch
D mit Elektroden ausgestattet. Zwischen den Kühlschlangen und der Elektrode
d"-s Kühlers 1 floß ein Strom von 3,9 Volt und 60 Amp., während
zwischen den Kühlschlangen und der eingetauchten Elektrode des Kühlers 2 ein Strom
voll 3,9 Volt und 34 Amp. floß. Bei Versuch F wurden die Kühler
1
und 2 wie bei den Versuchen D und E ausgerüstet, wobei im
Kühler 1 ein Strom von 2,9 Volt und 50 Amp. und im Kühler 2
ein Strom von 2,9 Volt und 20 Amp. angewendet wurde.
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Wie aus den oben in der Tabelle angegebenen Daten ersichtlich ist,
wird durch das Fließen eines elektrisehen Stromes zwischen den positiv geladenen
Kühlschlangen und den eingetauchten Kathoden die Kühlwirksamkeit des Kühlsystems
wesentlich verbessert. So war bei Versuch A, bei dem die Kühlschlangen nicht
elektrisch geladen waren, wesentlich mehr Wasser zur Kühlung erforderlich als bei
den anderen Versuchen, bei denen die Kühlschlangen in beiden Kühlvorrichtungen
1 und 2 positiv geladen waren.
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Ferner geben die Wärmeleitzahlen der Kühlschlangen in den Kühlern
1 und 2 eindeutig die Verbesserungen wieder, die durch das positive Aufladen
der Kühlschlangen und den Fluß voll elektrischen Strömen zwischen den Kühlschlangen
und einer in die zu kühlende wäßrige Natriumhydroxydlösung eingetauchten Elektrode
erhalten werden. So fielen bei dem Versuch A, bei dem kein Strom aligewendet
wurde, dieWärmeleitzahlen (in kcal/m2-h-'C) von etwa 244 auf etwa 122 nach nur wenigen
Betrieb#stagen. Auf ähnliche Weise fielen die Wärmeleitzahlen der Kühlschlangen
in Kühler 3 von etwa 366 auf etwa 98 nach 5 Betriebstagen.
Andererseits blieben die Wärmeleitzahlen der Kühlschlangen in den Kühlern
1 und 2 ziemlich konstant, wenn die Kühlschlangen positiv geladen wurden
und ein Strom zwischen ihnen und dereingetauchten Elektrode floß. Beispielsweise
fiel bei dem Versuch E die Wärmeleitzahl der Kühlschlangen des Kühlers
1 nach sechs Betrieb#stagen von einer anfänglichen Wärmeleitzahl von 342
nur auf 292. Die Wärmeleitzahl der Kühlschlangen in Kühler 2 verringerte
sich bei diesem Versuch nach 6 Betriebstagen von 513 auf etwa 464.
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Ferner zeigte sich bei der visuellen Betrachtung der Kühlschlangen
nach Beendigung des Kühlprozesses ganz eindeutig, daß die Feststoffablagerung um
die Kühlschlangen wesentlich herabgesetzt und fast völlig vermieden wurde, wenn
die Kühlschlangen positiv aufgeladen waren und ein Strom zwischen den Kühlschlangen
und den eingetauchten Elektroden floß. Während bei VersuchA die Feststoffablagerung
um die Kühlschlangen nach 6 Tagen zu einer Schicht mit einer Dicke von
2,5 bis 7,5 cm führte, wurde bei den Versuchen B bis F eine merkliche
Verringerung der Dicke der auf den Kühlschlangen befindlichen Ab-
lagerung
festgestellt. Beispielsweise wiesen bei dem Versuch E die Kühlschlangen der
Kühler 1 und 2 nur eine geringe Menge abgelagerter Feststoffe auf. Während
bei dem Versuch A eine gleichmäßig dicke Feststoffschicht abgelagert wurde,
hatten sich bei dem Versuch E überhaupt nur an vereinzelten Stellen der Kühlschlangen
Ablagerungen gebildet.