DE1203226B

DE1203226B - Vorrichtung zur Abscheidung sublimierbarer Substanzen

Info

Publication number: DE1203226B
Application number: DES63261A
Authority: DE
Inventors: Robert Stephen Davis
Original assignee: Halcon International Inc
Current assignee: Halcon International Inc
Priority date: 1958-06-23
Filing date: 1959-06-02
Publication date: 1965-10-21
Also published as: CH395024A; FR1227598A; NL122353C; US3084914A; NL240455A; LU37236A1; GB920627A; ES249691A1

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

BOId

Deutsche Kl.: 12 a-5

Nummer: 1 203 226

Aktenzeichen: S63261IVc/12a

Anmeldetag: 2. Juni 1959

Auslegetag: 21. Oktober 1965

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abscheidung sublimierbarer Substanzen aus diese enthaltenden Dämpfen, die insbesondere bei der Gewinnung von Phthalsäureanhydrid anzuwenden ist.

Es ist in der Technik bekannt, daß man Phthalsäureanhydrid aus dem Dampf dadurch abscheiden kann, daß man das Phthalsäureanhydrid direkt als feste Substanz in großen Kammern, sogenannten Haybarn-Condensern, kondensiert. Das Phthalsäureanhydrid wird üblicherweise bei der Oxydation von Naphthalin oder Orthoxylol erhalten. Bei solchen Verfahren enthalten die Gase, die das Reaktionsgefäß verlassen, Wasserdampf, der — falls er sich nicht kondensiert — mit dem Phthalsäureanhydrid umgesetzt wird, so daß Phthalsäure entsteht, die eine sehr aggressive chemische Substanz mit hohem Schmelzpunkt darstellt. Deshalb wird im allgemeinen rostfreier bzw. korrosionsfester Stahl mit hoher Resistenz gegenüber dieser korrodierenden Säure als Baumaterial für solche Kondensationskammern angewendet; dies bedingt jedoch sehr hohe Kosten für die Anlage. Außerdem ist die Entfernung des festen kondensierten Phthalsäureanhydrids aus der Kammer schwierig, da dies von Hand durchgeführt werden muß. Dieses Gewinnungsverfahren wird außerdem dadurch erschwert, daß in den Kammern durch das Ausschaufeln die Möglichkeit einer Explosion besteht.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Abscheidung von Phthalsäureanhydrid bekannt, bei der man Dampf, der Phthalsäureanhydrid oder ein anderes entsprechendes sublimierbares Material enthält, quer über Kühlrohre leitet, die mit Seitenflächen versehen sind; dadurch wird eine maximale Kondensation des Festbestandteiles erzielt. Das Kondensat wird anschließend dadurch wieder aufgeschmolzen, daß man erhitzte Medien durch die Röhren hindurchführt; das Phthalsäureanhydrid kann dann als Flüssigkeit entfernt werden. Diese Vorrichtung hat sich jedoch in der Technik nicht durchgesetzt, da damit nur eine verhältnismäßig niedrige Wärmeübertragungsgeschwindigkeit erhalten werden kann; dies bedingt die Anwendung von großen und unwirtschaftlichen Oberflächen für die Kondensation.

Andere Beeinträchtigungen ergeben sich weiterhin aus der Verminderung der Kondensatorwirksamkeit, wenn der Strömungsweg für den Dampf durch das abgeschiedene Material hindurch verlegt wird. Wenn der Zwischenraum zwischen den Seitenflächen eines Rohres aufgefüllt ist, verliert das Rohr seine Wirksamkeit bezüglich der Wärmeübertragung und des Materialtransports. Die Belastung bezüglich der Kon-Vorrichtung zur Abscheidung sublimierbarer
Substanzen

Anmelder:

Halcon International, Inc.,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Chem. Dr. phil. E. Sturm, Patentanwalt,

München 23, Leopoldstr. 20

Als Erfinder benannt:

Robert Stephen Davis,

New Rochelle, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. Juni 1958 (743 756)

densation wird auf die nachfolgenden Reihen verschoben. Wenn eine solche Materialabscheidung bei mehreren Rohren eingetreten ist, wird die Vorrichtung mehr und mehr unwirksam; das Phthalsäureanhydrid wird mit den ausströmenden Gasen mitgeführt, wodurch sich die Ausbeute der Anlage vermindert; gleichzeitig entsteht dadurch eine Explosionsgefahr, nämlich durch die zu große Phthalsäureanhydridkonzentration in den Abgasen.

Es ist auch schon eine Vorrichtung für die Abscheidung von Sublimations- und Kondensationsprodukten aus als Trägergas dienenden Dampf-Gas-Gemischen, insbesondere von Phthalsäureanhydrid bekannt, bei der innerhalb eines geschlossenen Gehäuses mehrere, aus Rippenrohren zusammengesetzte, in etwa waagerechter Ebene angeordnete Wärmeaustauschelemente mit Anschlüssen für die wechselweise Beaufschlagung mit einem Kühl- und einem Heizmedium angeordnet sind, wobei die Wärmeaustauschelemente aus durch Verteiler- und Sammelkammern zu Bündeln zusammengefaßten, haarnadelförmig gebogenen Rippenrohren bestehen, die durch auf ihrer Länge in Abständen verteilt angeordnete und die Bündel in deren Querrichtung untergreifende Traggerüste abgestützt und verschieb-

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bar gelagert sind, und wobei die Traggerüste als geschlossenes Leitungssystem für die Durchleitung eines Heizmediums ausgebildet sind.

Ferner ist bereits eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitsteilchen aus Dämpfen bekannt, bei der in der Dampfleitung zwischen der Verdampfungskammer und dem Kondensator zahlreiche gerade oder gebogene Metallrohre, die gegebenenfalls mit Rippen versehen sind, vorzugsweise quer zum Dampfstrom angeordnet sind.

Weiterhin ist ein Abscheider für die Sublimation und Kondensation von Dampf-Gas-Gemischen, insbesondere zur Abscheidung von Phthalsäureanhydrid aus einem Trägergas bekannt, bei welchem innerhalb eines geschlossenen Gehäuses mehrere von dem Dampf-Gas-Gemisch quer angeströmte, aus mit rechteckigen Einzellamellen als Querrippen versehenen Rippenrohren zusammengesetzte, in etwa waagerechter Ebene angeordnete Wärmeaustauschelemente mit Anschlüssen für die wechselweise Beaufschlagung mit einem Kühl- und Heizmedium angeordnet sind, wobei unter Verwendung von Wärmeaustauschelementen, deren aus an sich bekannten elliptischen Kernrohren bestehende Rippenrohre unter Einhaltung eines freien Abstandes zwisehen den jeweils benachbarten Lamellenkanten sowohl seitlich als auch der Höhe nach zueinander versetzt angeordnet sind, die Lamellen einen in Rohrlängsachse gemessenen Abstand von mindestens etwa 8 bis höchstens etwa 12 mm aufweisen und die Lamellen der jeweils in der Höhe zueinander benachbarten Rohrreihen in Richtung der Rohrachse um jeweils ein etwa dem halben Lamellenabstand entsprechendes Maß zueinander versetzt sind. Mit den bekannten Vorrichtungen besteht jedoch nicht die Möglichkeit einer maximalen Wärme- und Massenübertragung je Volumeinheit.

Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Abscheidung sublimierbarer Substanzen aus diese enthaltenden Dämpfen geschaffen, die aus einem Behälter mit darin angeordneten Reihen von mit Seitenflächen versehenen Rohren, welche quer zu der Strömungsachse der Dämpfe im Behälter liegen, Mitteln zum Ein- und Auslaß von Dampf und Flüssigkeit und Mitteln zum Kühlen und Beheizen dieser Rohre besteht, wobei der Abstand der Seitenflächen auf den Rohren fortschreitend von einem Maximum in der Nähe des Dampfeinlasses bis zu einem Minimum in der Nähe des Dampfauslasses sich vermindert.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung beträgt bei der Vorrichtung der Abstand der Seitenflächen auf den Rohren ungefähr 2,54 cm in der Nähe des Dampfeinlasses und ungefähr 0,12 cm in der Nähe des Dampfauslasses.

Ferner kann dabei der Abstand der Rohre voneinander in der Nähe des Dampfeinlasses größer sein als der Abstand der restlichen Rohre im Behälter.

Durch Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann man unter anderem Phthalsäureanhydrid aus dieses enthaltenden Dämpfen abscheiden. Dabei gestattet es die Vorrichtung, daß man nur sehr kurz andauernde hochgradige Unterkühlungen anwendet. Auf diese Weise wird eine Zwischenkernbildung oder das »Ausschneien« vermieden, d. h. eine Bildung von leichten Phthalsäureanhydriden in der Gasphase, die mittels nicht kondensiertem Dampf fortgetragen werden.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung bietet den wesentlichen Vorteil, daß optimale Strömungsgeschwindigkeiten und ein weiterer, sich in der Länge erstreckender Rohrzwischenraum geschaffen werden, wodurch ein längerer Kondensationszyklus ermöglicht ist, bevor der Druckabfall durch den Kondensator hindurch so groß wird, daß dadurch die Fortsetzung des Vorganges beeinträchtigt würde.

Bei der praktischen Anwendung strömt ein Phthalsäureanhydrid enthaltender Dampf entlang einer Vielzahl von Wegen mit fortschreitend erhöhten Wärme- und Massentransportoberflächen je Einheit der Strömungswegfläche mit einer linearen Geschwindigkeit von etwa 15 bis 300 cm je Sekunde. Das Phthalsäureanhydrid wird als Festsubstanz aus dem Dampf bei einer Temperatur von etwa 135 bis 43° C kondensiert; die festen Teilchen werden zu einem geringen Teil auf dem Weg durch den Behälter bei einer Temperatur von etwa 177° C geschmolzen, und das sich ergebende verflüssigte Phthalsäureanhydrid wird in ein Reinigungssystem eingebracht, wo im wesentlichen reines Phthalsäureanhydrid gewonnen wird.

Die Temperatur, bei der die Kondensation stattfindet, soll unterhalb des Sublimationspunktes von Phthalsäureanhydrid (136° C) liegen; sie muß jedoch hoch genug sein, damit eine Kondensation des vorhandenen Wassers verhindert wird, um so die vorstehend erwähnte Bildung von Phthalsäure auszuschalten.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher veranschaulicht. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 eine Seitenansicht,

Fig. 2 eine Endansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

F i g. 3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1,

F i g. 4 eine Schnittansicht der Vorrichtung gemäß F i g. 1 entlang der Linie 4-4.

Wie aus Fi g. 1 ersichtlich ist, soll der Dampf dem Kondensator 21 durch das Dampfeinlaßventil 10 zugeführt und über die mit Seitenflächen versehenen Rohre 12, die in Querrichtung zur Richtung der Strömung des Dampfes angeordnet sind, geleitet werden. Auf diesen Rohren kondensiert sich das Phthalsäureanhydrid; der restliche Dampf verläßt den Kondensator durch den Dampfauslaß 13. Durch diese Rohre wird durch den Einlaß 14 ein Kühlmittel hindurchgeführt, um den Dampf auf eine Temperatur abzukühlen, bei der eine Kondensation des festen Phthalsäureanhydrids erfolgt. Die Rohre sind vorzugsweise der Länge nach mit Rohrverzweigungen 11 entsprechend den Rohren in jeder Reihe verbunden. Das kondensierte Phthalsäureanhydrid schlägt sich als fester Körper auf den mit Seitenflächen versehenen Rohren 12 nieder; die mittleren Reihen der Rohre sind mit einer ausreichenden Verminderung im Rohrseitenflächenabstand angeordnet, um eine Erhöhung der Oberfläche zu erzielen, so daß diese Mittelreihen in annähernd der gleichen Zeit gefüllt werden wie die Rohrreihen, die zuerst mit dem Dampf beim Eintritt in den Kondensator in Berührung kommen. Die Verteilung des kondensierten festen Phthalsäureanhydrids durch den Kondensator hindurch ist als Ergebnis dieser Maßnahme verbessert.

Die letzten Rohrreihen, d. h. diejenigen, die sich in nächster Nähe des Dampfauslasses 13 des Konden-

sators befinden, weisen eine Höchstzahl an mit Seitenflächen versehenen Rohren pro Zentimeter auf und haben daher ein maximales Verhältnis von Oberfläche zum Fassungsvolumen. Dies dient vor allem dazu, die Konzentration an Phthalsäureanhydrid im austretenden Gas zu vermindern. Deshalb werden diese Rohre dazu angewendet, um ein maximales Sauberhalten der Oberfläche für den Kondensator zu erzielen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rohrzwischenraum der ersten Rohrreihe verhältnismäßig weit, um eine Verlegung des Strömungsweges durch das abgeschiedene Material zu verhindern.

Der Abstand der Rohrseitenflächen vermindert sich fortschreitend von einem Maximum von etwa 2,5 cm bis zu einem Minimum von etwa 0,1 cm, vorzugsweise von einem Maximum von 1,27 cm zu einem Minimum von etwa 0,25 cm.

Der Seitenflächenabstand ist definiert als der horizontale Abstand zwischen benachbarten Seitenflächen an jedem Rohr oder bei einer kurvenförmigen Seitenfläche als der horizontale Abstand zwischen benachbarten Kurvenspitzen der Seitenfläche. Der Rohrabstand ist definiert als der Abstand vom Mittelpunkt des einen Rohres zum Mittelpunkt eines benachbarten Rohres.

Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, vermindert sich der Seitenflächenabstand fortschreitend von einem Maximum bei der Rohrreihe in der Nähe des Dampfeinlasses 10 zu einem Minimum bei den Rohrreihen nächst dem Dampfauslaß 13 in der Weise, daß X des Seitenflächenabstandes nächst dem Einlaß 10 größer ist als Y beim Seitenflächenabstand nächst dem Auslaß 13.

Der Rohrabstand der Reihen in der Nähe des Einlasses 10 ist vorzugsweise größer als der Rohrabstand der Reihen in der Nähe des Auslasses 13, so daß a größer ist als b.

Um das Phthalsäureanhydrid aus dem Kondensator zu entfernen, wird das Kühlmittel, z. B. das Wasser, von Zeit zu Zeit abgestellt, und die Rohre werden mit Wasserdampf oder einem anderen Heizmedium durch den Einlaß 14 erhitzt. Das feste Phthalsäureanhydrid wird dabei geschmolzen und als Flüssigkeit zur weiteren Reinigung durch das Flüssigkeitsauslaßventil 17 entfernt. Das Dampfkondensat wird durch den Auslaß 16 abgeführt.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform, durch die ein kontinuierliches Verfahren ermöglicht wird, werden mehrere parallel wirksame Kondensatoren gleichzeitig in Betrieb genommen. Wenn dann das Phthalsäureanhydrid in den Rohren einiger Kondensatoren abgeschieden ist, wird das Kühlmittel abgeschaltet, die Dampfströmung auf die restlichen Kondensatoren verteilt, und die Beheizungsmittel werden dazu benutzt, den festen Körper in denjenigen Kondensatoren auszuschmelzen, worin sich Festbestandteile niedergeschlagen haben. Daher wird tatsächlich zu einer bestimmten Zeit ein Satz von Kondensatoren gekühlt, um Phthalsäureanhydrid zu kondensieren, und die restlichen Vorrichtungen werden zum Schmelzen und Verflüssigen von Phthalsäureanhydrid, das sich abgeschieden hat, verwendet.

Um die Betriebskosten, die sich durch Abschaltungen für Ausbesserungszwecke ergeben, zu vermindern, wird der Kondensator vorzugsweise so gebaut, daß jede Rohrreihe zum Saubermachen und Reparieren ohne Zerlegung der anderen Kondensatorrohre herausgezogen werden kann. Für einen leichten Zugang in das Innere der Vorrichtung ist ein Mannloch 18 vorgesehen.

Die Seitenflächen können solche Gestalt aufweisen, daß die Oberfläche der Rohre, worauf sie angeordnet sind, möglichst vergrößert wird.

Die Seitenflächen können aus flachen Platten bestehen, die parallel zueinander oder/und im rechten Winkel zu der Achse der Rohre oder zylindrisch angeordnet sind; ferner können sie die Form einer rund um die Rohre verlaufenden Schraube haben.

Wenn es erwünscht ist, kann die gleiche Flüssigkeit (z. B. ein öl) sowohl zum Beheizen und Kühlen durch Kreislaufführung der Flüssigkeit abwechselnd durch das Heiz- und das Kühlsystem verwendet werden.

Zu beachten ist, daß an den inneren Wänden und Oberflächen der Vorrichtungen keine Festbestandteile kondensieren, da solche Festbestandteile zum Ansammeln neigen; sie bleiben dann ungeschmolzen; es wird daher bevorzugt, Heizschlangen 19 im unteren Teil der Vorrichtungen anzuordnen, um die unerwünschte Bildung von Festkörpern zu verhindern.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Beispiele näher veranschaulicht.

Beispiel 1

Die entweichenden Dämpfe aus der Oxydation von Naphthalin in der Dampfphase werden durch einen Kondensator für Phthalsäureanhydrid mit einer Geschwindigkeit von 180 kg/Std. pro 0,09 m² der Frontfläche hindurchgeleitet. Die Frontfläche soll hier als die gesamte Querschnittsfläche der Dampfströmung definiert sein. Der Kondensator enthält zwanzig Reihen von mit Seitenflächen versehenen Rohren mit gleichmäßigem Rohrabstand und einer Oberfläche von annähernd 27 m² pro 0,09 m² der Frontfläche. Der Abstand der Seitenflächen auf allen Rohren im Kondensator ist gleichmäßig. Jedes Rohr hat fünf Seitenflächen pro 2,54 cm Länge. Die Hauptmenge des Phthalsäureanhydrids im Dampf wird an den Rohrseitenflächen kondensiert; die nicht kondensierten Gase werden aus dem Kondensator abgeführt. Der Kondensator ist 5 Stunden lang in Betrieb; der durchschnittliche Verlust an Phthalsäureanhydrid im Abgas wird mit 1,75% des gewinnbaren, in den Kondensator eingeführten Phthalsäureanhydrids gefunden. Die erste Auffüllung einer Rohrreihe, wodurch ein erhöhter Druckabfall durch den Kondensator verursacht wird, kann nach 2 Stunden und 3 Minuten, von der Inbetriebnahme an gerechnet, festgestellt werden.

Die Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung bietet in der Technik allgemein wesentliche Vorteile auch bei der Gewinnung von anderen sublimierbaren Substanzen, wie aus den nachstehenden Beispielen ersichtlich ist.

Beispiel 2

Eine gasförmige Mischung aus 10 Volumprozent Jod und 90 Volumprozent Luft wurde in den vorstehend beschriebenen Kondensator eingeleitet. Die gasförmige Mischung befand sich anfänglich bei 150° C und im wesentlichen unter normalem Atmo-

Sphärendruck. Kühlwasser von 20° C wurde im Kondensator zum Zirkulieren gebracht. Das Jod wurde praktisch vollständig kondensiert und wiedergewonnen. Die Verbesserung der Umlaufzeit gegenüber den Verfahren mit herkömmlichen Kondensatoren entsprach der für Phthalsäureanhydrid beschriebenen.

Beispiel 3

Eine gasförmige Mischung aus 0,2 Volumprozent Maleinsäureanhydrid und 99,8 Volumprozent Luft wurde in den vorstehend beschriebenen Kondensator eingeleitet. Die gasförmige Mischung befand sich anfänglich bei 100° C und im wesentlichen unter normalem atmosphärischem Druck. Wasser von 20⁰C wurde zur Kühlung durch die Kondensatorröhren geleitet. Eine praktisch vollständige Kondensation des Maleinsäureanhydrids wurde so erreicht. Die Verbesserung der Umlaufzeit gegenüber dem Verfahren mit herkömmlichen Kondensatoren entsprach der für Phthalsäureanhydrid beschriebenen.

Aus den vorstehenden Beispielen ist ersichtlich, daß die Anwendung eines unterschiedlichen Seitenflächenabstandes in dem Kondensator bei der Gewinnung der sublimierbaren Substanzen, beispielsweise Phthalsäureanhydrid, eine wesentliche Verminderung der Verluste durch Abgas mit sich bringt. Wenn man diese Maßnahme zusammen mit einem unterschiedlichen Rohrzwischenraum anwendet, wird die Betriebsdauer des Kondensators wesentlich erhöht.

Claims

Patentansprüche:

!.Vorrichtung zur Abscheidung sublimierbarer Substanzen aus diese enthaltenden Dämpfen, bestehend aus einem Behälter mit darin angeordneten Reihen von mit Seitenflächen versehenen Rohren, die quer zu der Strömungsachse der Dämpfe im Behälter liegen, Mittel zum Ein- und Auslaß von Dampf und Flüssigkeit, Mittel zum Kühlen und Beheizen dieser Rohre, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Seitenflächen auf den Rohren (12) fortschreitend von einem Maximum (Z), in der Nähe des Dampfeinlasses (10) bis zu einem Minimum (Y), in der Nähe des Dampfauslasses (13) sich vermindert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Seitenflächen auf den Rohren (12) ungefähr 2,54 cm in der Nähe des Dampfeinlasses (10), und ungefähr 0,12 cm in der Nähe des Dampfauslasses (13) beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Rohre (12) voneinander in der Nähe des Dampfeinlasses (10) größer ist als der Abstand der restlichen Rohre im Behälter (21).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 072 965,
1080521,1082230.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 718/392 10.65 © Bundesdnickerei Berlin