DE1263694B - Verfahren zur destillativen Behandlung von Fluessigkeiten in Gegenwart von inertem Traegergas - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

BOId

Deutsche Kl.: 12 a-5

Nummer: 1263 694

Aktenzeichen: St 10795IV c/12 a

Anmeldetag: 24. Januar 1956

Auslegetag: 21. März 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur destillativen Behandlung von Flüssigkeiten in Gegenwart von inertem Trägergas. Die Erfindung zielt darauf ab, den für die Destillation erforderlichen Aufwand an Wärmeenergie pro Gewichtseinheit des gewonnenen Produktes auf ein Minimum herabzusetzen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Flüssigkeit und das Trägergas bei im wesentlichen gleichbleibendem Druck auf eine Temperatur erhitzt werden, welche in demjenigen Bereich einer Kurve liegt, in dem eine Temperaturveränderung von I⁰C einer Veränderung der entwickelten Dampfmenge von 0,0324 bis 0,0648 Mol entspricht, wobei die Kurve die funktionelle Abhängigkeit der Dampfmenge von der Temperatur bei gleichbleibendem Druck in Gegenwart eines Mols Trägergas darstellt. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann in Destillations- und Verdampfungsanlagen durchgeführt werden und ist daher allgemein für die Konzentrierung von Flüssigkeiten geeignet.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden bestimmte optimale Partialdampfdrücke bevorzugt, wodurch die Verdampfung unterhalb des Siedepunktes des verdampfenden Stoffes bei jedem beliebigen Druck kontinuierlich und mit wertvoller Einsparung an Energie durchgeführt werden kann. Zur Verwirklichung der zu erzielenden Einsparungen dienen Anlagen, die aus an sich bekannten Einzelteilen bestehen, die optimalen Arbeitsbedingungen lassen sich nach bekannten Rechenmethoden ermitteln.

Im allgemeinen wird nach dem Verfahren gemäß der Erfindung eine zu verdampfende Flüssigkeit in Gegenwart eines inerten Trägergases, z. B. Stickstoff, zunächst auf eine bestimmte Temperatur t_t gebracht. Dies geschieht, indem man sie in einem geschlossenen System im Gegenstrom zu bereits verdampftem Material erhitzt. Hierbei steigt die Menge des Dampfes entsprechend der Abhängigkeit des Dampfdruckes von der Temperatur und dem Partialdruck des inerten, nicht kondensierbaren Gases in der Dampfphase des Systems.

Hierauf wird die Temperatur des inerten Trägergases der noch nicht verdampften Flüssigkeit und des entstandenen Dampfes um Δ t — t₂ — t_t auf die Temperatur t₂ erhöht. Dies geschieht durch Beheizung von außen.

Der bei der Temperatur t₂ entstandene Dampf wird anschließend in Gegenwart des Trägergases durch die zufließende Flüssigkeit, z. B. durch Wärmeaustausch im Gegenstrom, kondensiert. Bei Anwesenheit eines inerten Trägergases im Dampf wird die normale Kondensation so verändert, daß die Wärmeenergie weitestgehend ausgenutzt werden kann.

Verfahren zur destillativen Behandlung von
Flüssigkeiten in Gegenwart von inertem
Trägergas

Anmelder:

Sterling Drug Inc., New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. G. W. Lotterhos

und Dr.-Ing. H. W. Lotterhos, Patentanwälte,

6000 Frankfurt, Annastr. 19

Als Erfinder benannt:
Frederick John Zimmermann,
Wausau, Wis. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 24. Januar 1955 (483 705)

In der Zeichnung ist die Erfindung in schematischer Weise dargestellt.

F i g. 1 zeigt eine zur Durchführung des erfindungsgemäß Verfahrens geeignete Vorrichtung, und zwar für eine einstufige Anlage, in schematischer Darstellung;

F i g. 2 zeigt eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete zweistufige Vorrichtung;

F i g. 3 zeigt eine Partialdruckkurve für Wasser als zu destillierende Flüssigkeit bei konstantem Gesamtdruck mit der Temperatur als Abszisse und Menge Wasserdampf als Ordinate, und

F i g. 4 stellt den Effekt in den Verdampfungsbzw. Kondensationsstufen unter Partialdruckbedingungen bei gegebenem Gesamtdruck dar, wobei die Temperatur um Δ t erhöht wird, um die Wärmestrahlung auszugleichen und einer Verzögerung bei einer Änderung normaler Heiz- bzw. Kühlbedingungen zu begegnen.

Zur Beschreibung des Verfahrens sollen folgende Bezeichnungen dienen. Bei der Eintrittsöffnung auf der linken Seite der F i g. 1 werden W₀ kg Flüssigkeit und N₀ kg inertes Trägergas, beide bei der Temperatur T₀ ⁰ C und dem Druck P₀ eingebracht. Der Wärmeinhalt dieser Bestandteile sei Q₀ in kcal. Nach

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dem Verlassen des ersten Wärmeaustauschers, der erhöht. Durch geeignete Rohre oder Leitungen ge- »Rückgewinnungsaustauscher« genannt sei, herr- langt das Material in den Erhitzer 14', in dem die sehen folgende Bedingungen an der Austrittsseite Wärme der ersten Stufe zur Erhöhung der Temperadesselben: T₁ ⁰ C, S₁ kg Dampf, W₁ kg nicht ver- tür von T₁ auf T₂ verwendet wird. Auf den Erhitzer dampfte Flüssigkeit, N₁ kg inertes Trägergas, wobei 5 14' folgt ein Separator 15', in dem Verunreinigungen N₁ = N₀= N₂ = N₃ ist, was besagt, daß die Gesamt- und wenig nicht Verdampftes durch Ablassen entmenge inerten Trägergases konstant gehalten und im fernt werden. Aus dem Separator 15' gelangen das System umgewälzt wird. Q₁ bedeutet den gesamten Trägergas und Wasserdampf zurück in den Wärme-Wärmeinhalt in kcal beim Zustand »eins«. Nach Er- austauscher 13', wobei die eintretende Flüssigkeit wärmung im Erhitzer herrscht der Zustand »zwei« io auf die Temperatur T₁ erhöht wird. Falls gewünscht, mit T₂° C; S₂ kg Dampf, W₂ kg Flüssigkeit, N₂ kg kann das aus dem Wärmeaustauscher 13' austretende inertes Trägergas, welche Bestandteile insgesamt den Material zu einer ähnlichen oder gleichen nächsten Wärmeinhalt Q₂ in kcal haben. Die am Austritt des Stufe geleitet werden, um dort als äußere Wärme-Rückgewinnungsaustauschers anzutreffenden Bedin- quelle zu wirken, und gelangt schließlich in den gungen entsprechen dem Zustand »drei« in den oben 15 Wärmeaustauscher 16', zwecks Trennung des Dampangegebenen Einheiten (T₃, S₃, N₃). Q₃ ist der im fes von dem eingebrachten inerten Trägergas. Das Kondensat und im nicht Kondensierten verbleibende Trägergas kehrt über das Gebläse 12' in das System Wärmeinhalt am Ausgang des Systems. zurück. Selbstverständlich sind die verschiedenen

Ganz allgemein ist es zweckmäßig, die Dämpfe im erwähnten Bauteile des Apparates durch entsprechend Rückgewinnungsaustauscher mit Hilfe der eintreten- 20 isolierte oder anders gegen Wärmeverluste geschützte den Flüssigkeit zu kondensieren, so daß ein praktisch ϊ-Ιί Leitungen oder Rohre verbunden und den vorkomreines Kondensat bei größtmöglicher Wärmerück- menden Arbeitsdrucken bzw. der gewünschten Kapagewinnung erhalten wird. Das wird erreicht, wenn die f„ zität der kontinuierlichen Anlage entsprechend dimen-Temperatur der Beschickung nach dem Verlassen des ^ sioniert. Druckregelventile (nicht dargestellt) dienen Rückgewinnungsaustauschers um einen weiteren Be- 25 zur Einhaltung entsprechender Gegendrücke. Der trag Δ t erhöht wird. Das nunmehr höhere Energie- ^y; Arbeitsdruck in den verschiedenen Stufen kann niveau im Zustand »zwei« gestattet es, den Wärme- ^ variieren.

austausch im Rückgewinnungsaustauscher wirksam -# F i g. 3 zeigt die Änderung der Dampfmenge in zu führen. Unter allen Temperatur- und Druckver- _s - Kilogramm in Abhängigkeit von der Temperatur in hältnissen im System befindet sich der Dampf im 30 ° C in Gegenwart von 1,57 kg Stickstoff als Träger-Sättigungszustand oder unterhalb davon. gas, wobei Wasser als destillativ zu behandelnde _ " Flüssigkeit angenommen wird. Dabei liegt das opti-Emstufige Vorrichtung _male Verhältnis innerhalb jenes Bereiches der Kurve, In Fig. 1 ist 11 eine Pumpe, die verdampfbares welcher innerhalb der schraffierten Fläche liegt, und Material, und 12 ein Gebläse, das Trägergas in und 35 dieser Bereich entspricht einer Menge von 0,0324 bis durch den Rückgewinnungsaustauscher 13 fördern. 0,0648 Mol Flüssigkeitsdampf pro ° C und Mol Trä-Die Beschickung wandert weiter durch den Rück- gergas. Experimentelle Untersuchungen zeigten, daß gewinnungsaustauscher 13 zum Erhitzer 14. Dieser zwecks Einhaltung optimaler Bedingungen dieses ist als gewöhnlicher Wärmeaustauscher dargestellt, Verhältnis unabhängig vom gewählten Arbeitsdruck doch kann jede andere wirksame Erhitzertype ver- 40 einzuhalten ist und innerhalb des optimalen Bereiches wendet werden. Das aus dem Erhitzer 14 austretende die .Temperaturdifferenz frei wählbar ist, wobei die inerte Trägergas und der Wasserdampf gelangen in erzeugte Dampfmenge jeder gewählten Temperatureinen Separator 15, wo etwas Flüssigkeit und alle in differenz annähernd proportional ist. So ergeben sich der Flüssigkeit anwesenden Feststoffe abgeführt und bei dem in F i g. 3 gezeigten Beispiel optimale Arvon wo Dampf und inertes Trägergas in den Rück- 45 beitsbedingungen innerhalb eines Bereiches von gewinnungsaustauscher 13 zurückgeführt und, falls 5,55° C, wobei der Dampfgehalt im System um gewünscht, in den Erhitzer 14' (F i g. 2) weitergeleitet 0,1816 bis 0,3632 kg erhöht wird. Unter den gleichen werden. Dort findet ein weiterer Wärmeaustausch Voraussetzungen wie diejenigen, die dem in F i g. 3 statt, worauf kondensierbarer Dampf und das Träger- gezeigten Beispiel zugrunde liegen, findet man den gas bei stark erniedrigter Temperatur zur schließ- 50 optimalen Arbeitsbereich für einen Temperaturlichen Trennung voneinander in den Separator 16 ge- Sprung von nur 2,77° C auf der Kurve dort, wo der leitet werden. Das Destillat wird dort abgezogen. Mit Dampfgehalt um 0,0915 bis 0,183 kg ansteigt. Der in Hilfe des Gebläses 12 gelangt das inerte Trägergas der F i g. 3 dargestellten Kurve ähnliche Kurven für zurück zum Eintritt in das System. Wird ein einstuft- beliebige Kombinationen von inerten Trägergasen ges System verwendet, dann ist der Separator 16 was- 55 und destillativ zu behandelnden Flüssigkeiten können sergekühlt, er trennt Dampf und inertes Trägergas jederzeit experimentell ermittelt werden, wobei die praktisch vollständig. Das inerte Trägergas wird mit optimalen Arbeitstemperaturen bzw. Arbeitsdrücke Hilfe des Gebläses 12 in die Charge zurückgeführt. jeweils innerhalb eines solchen Bereiches der Kurve ^_x., - _Λ7 . , liegen, in welchem 0,0324 bis 0,0648MoI Flüssig-Mehrstufige Vorrichtung _{6o ke}i_tsdampf pro ° C und Mol Trägergas erzeugt wer-Entsprechend F i g. 2 werden eine Anzahl von den. Hatte man — gemäß dem in F i g. 3 gezeigten Einheiten (in F i g. 2 sind zwei derartige Einheiten Beispiel für 1,575 kg Stickstoff und 15,9 kg/cm² Gedargestellt) aneinandergereiht. Der diesbezüglich an- samtdruck — den optimalen Arbeitsbereich ermitgegebene Apparat ist für jedes mehrstufige System telt, so sah dieses Beispiel in der Praxis, in einer der kennzeichnend. Eine Pumpe 11' und ein Gebläse 12' 65 F i g. 1 entsprechenden Anlage angewandt, folgendermischen die Flüssigkeit und das inerte Trägergas und maßen aus:

fördern die Mischung in das System. Im Wärmeaus- Die Pumpe 11 förderte kontinuierlich 1,25 kg Was-

tauscherl3' wird die; Temperatur von T₀' auf T₁ ser und das Gebläse 12 1,575 kg Stickstoff als Trä-

gergas in und durch den Rückgewinnungsaustauscher 13. Die Eintrittstemperatur des Wassers betrug 15,5° C, was einem Wärmeinhalt von 19,4 kcal entspricht, der Stickstoff wurde mit 26,7° C, das entspricht etwa 10,3 kcal, in das System zurückgeleitet, der Arbeitsdruck in der ersten Stufe betrug zunächst 14,06 ata. Nun wurde Wasser und Stickstoff im Austauscher 13 auf die Temperatur T₁ erwärmt, nämlich auf die im Diagramm der F i g. 3 abzulesende unterste Temperaturstufe des optimalen Temperaturbereiches, das ist 162,9° C. Die dazu erforderliche Wärmemenge A QR betrug 667 kcal, und es entstanden 0,82 kg Wasserdampf. Das auf T₁ = 162,9° C erhitzte Material enthielt nun die beim Eintritt mitgebrachte sowie die im Austauscher 13 zugeführte Wärme, nämlich 696,7 kcal, und wurde in den Erhitzer 14 übergeführt und dort durch äußere Zufuhr einer weiteren Wärmemenge A Q von 137,0 kcal um 5,3° C erwärmt. Als Folge dieser Temperatursteigerung waren 1,134 kg Wasser verdampft. Eine Rechnung ergibt, daß die im Erhitzer 14 erzeugte Dampfmenge 0,0585 Mol Flüssigkeitsdampf pro ° C und Mol Inertgas entspricht. 0,113 kg Wasser waren noch in der wäßrigen Phase. Der Wärmeinhalt im höheren Temperaturniveau (T₂ = 168,2⁰C) betrug 833,8 kcal, das ist gleich der Summe Q₁ + AQ.

Das den Erhitzer 14 verlassende Material gelangte in den Separator 15, wo Verunreinigungen und ungefähr 0,113 kg Wasser entfernt wurden, wodurch ein Wärmeverlust von angenähert 19,2 kcal entstand. Der auf T₂ (168,2° C) erhitzte Dampf und das Trägergas wurden nun in den Austauscher 13 rückgeführt, wo ihm von der verfügbaren Wärmemenge Q₂ (814,6 kcal) 667 kcal entzogen wurden. Durch den Entzug dieser Wärmemenge A QR wurden die im Gegenstrom zur Beschickung geführten Dämpfe auf 82,2° C abgekühlt. Dadurch wurde die in den Wärmeaustauscher 13 gespeiste Beschickung auf T₁ (162,9° C) erhitzt.

Somit wurden 1,134 kg destilliertes Wasser gewonnen; dafür wurden insgesamt 139,34 kcal aufgewendet, wovon 137 kcal dem Erhitzer 14 zugeführt worden sind und 1,1 kcal für die Korrektur des Druckabfalles von 0,35 kg/cm² benötigt wurden, wobei die Gebläseleistung für die Umwälzung des Stickstoffes im System mit 1,24 kcal angenommen wurde. Das entspricht insgesamt 122,18 kcal pro Kilogramm destilliertem Wasser.

Derselbe Versuch wurde auch mit einer zweistufigen Anlage entsprechend der F i g. 2 unternommen. Dabei wird, wie schon erwähnt, der nicht ausgenutzte Wärmeüberschuß aus dem Rückgewinnungsaustauscher 13 der ersten Stufe dem Erhitzer 14' der zweiten Stufe zugeführt und erzeugt dort die notwendige Temperatur. Somit ist für die zweite Stufe keine gesonderte äußere Wärmequelle notwendig. Die folgende Tabelle zeigt die einzelnen Werte in der zweiten Stufe. Der für den Erhitzer 14' verwendete Ablauf der ersten Stufe besaß bei etwa 82° C und

14,06 kg/cm² einen Wärmeinhalt von 156 kcal, von: dem eine Wärmemenge A Q' von 90 kcal in dem Erhitzer 14' entzogen wurde.

Einheit	Zustand 0'	Zustand 1'	Zustand 2'	Zustand 3'
Q in kcal	9,6	63,0	153,0	99,3
T in 0C	15,5	37,8	57,3	47,9
S in kg	0,00	0,068	0,209	0,123
N in kg	1,57	1,57	1,57	1,57
P in kg/cm2	1,00	1,00	1,00	1,00
W in kg	0,227	0,159	0,018	etwa 0,10

Ein Vergleich der Wärmemenge im Zustand 0', 1' und 2' zeigt also, daß die in den Rückgewinnungsaustauscher 13' strömende Beschickung aus den vom Separator 15' kommenden Dämpfen mit einem Wärmeinhalt von 153 kcal, 63,0 — 9,6 = 53,4 kcal aufnahm. Davon ist der durch Ablassen und Strahlung entstandene Wärmeverlust abzuziehen.

Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ergibt sich daraus, daß einfache Vorrichtungen verwendet werden können, das Verfahren kontinuierlich arbeitet und dabei nur geringe zusätzliche Wärmeenergie erfordert. Das Verfahren ist für die Destillation einschließlich Verdampfung, Kondensation und Konzentration in der chemischen Technik geeignet. Die Einsparungsmöglichkeit für Wärmeenergie in mehrstufigen Systemen wurde aufgezeigt. Obwohl die angeführten Zahlen für Wasser als destillativ zu behandelnde Flüssigkeit gelten, ist die Anwendung des Verfahrens für andere Stoffe als Wasser ohne weiteres möglich.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur destillativen Behandlung von Flüssigkeiten in Gegenwart von inertem Trägergas, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit und das Trägergas bei im wesentlichen gleichbleibendem Druck auf eine Temperatur erhitzt werden, welche in demjenigen Bereich einer Kurve liegt, in dem eine Temperaturveränderung von 1° C einer Veränderung der entwickelten Dampfmenge von 0,0324 bis 0,0648 Mol entspricht, wobei die Kurve die funktionelle Abhängigkeit der Dampfmenge von der Temperatur bei gleichbleibendem Druck in Gegenwart eines Mols Trägergas darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit und das Trägergas in annähernd äquimolarem Verhältnis der destillativen Behandlung zugeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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