DE1295516B - Verfahren zum Trennen einer Loesung in eine an einer Komponente ab- und eine daran angereicherte Loesung - Google Patents

Verfahren zum Trennen einer Loesung in eine an einer Komponente ab- und eine daran angereicherte Loesung

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DE1295516B
DE1295516B DE1965M0066878 DEM0066878A DE1295516B DE 1295516 B DE1295516 B DE 1295516B DE 1965M0066878 DE1965M0066878 DE 1965M0066878 DE M0066878 A DEM0066878 A DE M0066878A DE 1295516 B DE1295516 B DE 1295516B
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DE1965M0066878
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Dr-Ing Karl
Koerner
Dipl-Ing Manfred
Stephan
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Vodafone GmbH
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Mannesmann AG
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D9/00Crystallisation
    • B01D9/0018Evaporation of components of the mixture to be separated
    • B01D9/0022Evaporation of components of the mixture to be separated by reducing pressure

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Vaporization, Distillation, Condensation, Sublimation, And Cold Traps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen einer Lösung in eine an einer Komponente ab und eine daran angereicherte Lösung, wobei im oberen Teil eines Behälters die Komponente mit dem höheren Schmelzpunkt auskristallisiert wird, diese Kristalle im unteren Teil des Behälters geschmolzen werden, ein Teil der durch das Schmelzen entstehenden abgereicherten Lösung abgeführt und der restliche Teil als Rückstrom dem Behälter von unten wieder zugeführt und schließlich aus dem mittleren Teil als angereicherte Lösung abgezogen wird.
  • Als Trennmethoden sind bereits Verdampfungs-und Gefrierverfahren bekannt, wobei die Gefrierverfahren grundsätzlich überlegen sind, da zum Ausfrieren nur ein Bruchteil der Wärme benötigt wird, die zum Verdampfen aufgewendet werden muß. Bei Wasser z. B. verhält sich der Arbeitsanteil der Wärme, die sogenannte Exergie der Wärme, vom Verdampfungs- und Gefrierprozeß etwa wie 40 : 1. Nach dem tatsächlichen Aufwand war allerdings bis jetzt der Verdampfungsprozeß dem Gefrierprozeß wegen geringerer Verluste durch Nichtumkehrbarkeiten überlegen. Es ist eine Erfahrungstatsache, daß es gewisse nichtumkehrbare Vorgänge gibt. Nach dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre ist jeder nichtumkehrbare Vorgang gleichbedeutend mit einem Verlust an Arbeit, die als Wärme wieder erscheint, z. B. Arbeitsverlust bei Reibung und bei Wärmeübertragung durch Leitung bei endlichem Temperaturgefälle. Die grundsätzliche Überlegenheit des Gefrierprozesses kann demnach nur dann zur Geltung kommen, wenn man Nichtumkehrbarkeiten soweit wie möglich ausschaltet.
  • Zu den Verlusten durch Nichtumkehrbarkeiten kam bisher ein erheblicher Arbeitsaufwand zur Trennung von Mutterlauge und Eiskristallen. Die Trennung geschah vorzugsweise durch Auspressen oder Auswaschen, mithin durch Prozesse, für welche außer den Verlusten durch Nichtumkehrbarkeiten zusätzlich noch ein Energieaufwand erforderlich war. Im thermodynamischen Sinne handelt es sich daher um echte Verluste.
  • Es ist bekannt, bei Gefrierverfahren die beiden Prozesse, d. h. den des Ausfrierens und den der Rektifikation, in getrennten Apparaten vorzunehmen.
  • Ein bekanntes Verfahren der Rektifikation im festflüssigen Grenzgebiet ist beschrieben in Chemie-Ing.-Techn., 35. Jahrgang, 1963, Nr. 6, 5. 410 off. (vgl. auch deutsche Patentschrift 900 209).
  • Danach ist es bekannt, in einem senkrechten Rohr, das mit einer Kristallschüttung als Füllkörpersäule dient, eine stufenlose Rektifikation herbeizuführen, dadurch, daß sich schmelzende Kristalle und kristallisierende Flüssigkeit im Gegenstrom bewegen. Die energieärmere Phase, der Kristallbrei, strömt - beispielsweise durch einen Kolben vorwärts geschoben -von oben nach unten und verdrängt aus der am Fuß der Säule angeordneten Blase Flüssigkeit, die als die energiereichere Phase von unten nach oben strömt.
  • Die sich abwärts bewegenden Kristalle werden ärmer, so daß am Fuß der Säule nach völligem Niederschmelzen abgereicherte Lösung entnommen werden kann; die nach oben steigende Flüssigkeit wird reicher und kann im oberen Bereich der Schüttung als angereicherte Lösung über Schlitze in der Säulenwand entnommen werden. Bei beiden Phasen liegt ein stetiges Druck-, Temperatur- und Konzentrationsgefälle vor.
  • Die Beschickung mit dem Kristallbrei kann inter- mittierend erfolgen, und zwar mittels eines Kolbens.
  • Die USA.-Patentschriften 2 981 773, 2 940 272 zeigen außerhalb der Säule angeordnete Kristallisierapparate, die mit geneigter oder horizontaler Achse unterhalb des in seiner oberen Endstellung befindlichen Kolbens in die Säule einmünden. Bei der letzten Ausführung wird der Kristallbrei mittels eines Kolbens in die Säule befördert; bei einer anderen Ausführung gemäß der deutschen Patentschrift 1 102 703 dient eine Schnecke im horizontal angeordneten Kristallisierapparat zur Beförderung der Kristalle in die Säule.
  • Ohne Kolben, jedoch mit kontinuierlicher Beschickung durch Schneckenförderer arbeiten zwei Anlagen gemäß den USA.-Patentschriften 2913 344 und 2 854494. Der leicht abwärts geneigte Kristallisierapparat ist hier mit dem eigentlichen Konzentrationsrohr verbunden, im ersten Falle mit dem Kopf einer senkrecht stehenden Säule, im zweiten Falle mit dem einen Ende eines ligenden Rohres. In beiden Fällen sind auch Einrichtungen gezeigt, mit denen Druckstöße (Pulsationen) erzeugt werden können, wodurch sich das Gleichgewicht zwischen den Phasen schneller einstellen soll.
  • Es sei auch noch hingewiesen auf den Aufsatz Findlay-MacKay in Chemical Engineering Progress Symposium, Series 1959/55, Nr. 25, S. 163 ff., in dem die Stofftrennung durch Auskristallisieren ausführlich behandelt ist.
  • Auch durch die USA.-Patentschriften 3 028 970, 2 910 516 sind Gefrierverfahren zum Trennen von Komponenten einer Flüssigkeit bekannt. Allerdings befaßt sich das USA.-Patent 3 028 970 insbesondere mit einem Filtersystem, durch das verhindert werden soll, daß die Feuchtigkeit in den rotierenden Vakuumfilter eindringt. Der in diesem Patent geschilderte Prozeß läuft in einer aufwendigen Apparatur ab, und die dabei auftretenden Verluste durch Nichtumkehrbarkeiten sind groß.
  • In der USA.-Patentschrift 2 910 516 sind die Prozesse so angeordnet, daß zwangläufig zahlreichte Nichtumkehrbarkeiten auftreten. Das Eis wird in einem Kratzkühler oder durch Kühlmittelbeimischung hergestellt. Es wird in einem Austauscher geschmolzen, bei dem wiederum größere endliche Temperaturdifferenzen erforderlich sind.
  • Im mittleren Teil der Kolonne sind zwei Filter vorgesehen, zwischen denen nochmals aufgeheizt wird, so daß auch dort Nichtumkehrbarkeiten auftreten.
  • Wie aus der Schilderung des Standes der Technik hervorgeht, sind die bisher bekannten Gefrierverfahren mit Nachteilen behaftet. durch die sie trotz theoretischer Überlegenheit wenig Chancen gegenüber Verdampfungsverfahren haben.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, sowohl die bei bekannten Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen auftretenden Verluste durch Nichtumkehrbarkeiten als auch den zusätzlichen Aufwand an Energie und Apparaten zur Phasentrennung auf ein Minimum zu reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ausgangslösung mit Hilfe einer Sprühdüse im oberen Teil des Behälters unter Vakuum versprüht wird.
  • Der Rückstrom der abgereicherten Lösung wird beispielsweise mit Hilfe eines abgezweigten Teiles des das Vakuum erzeugenden Treibdampfes aufgeheizt.
  • Im folgenden sind die Vorteile der Erfindung aufgeführt: Ausfrieren und Trennen erfolgen zusammen in einem Behälter, so daß der energetische Aufwand vermindert wird; durch Versprühen der Ausgangslösung wird eine extrem große Oberfläche erzeugt, so daß der Wärme- und Stoffaustausch bei extrem kleinen Temperaturdifferenzen abläuft; durch das Auskristallisieren aus der versprühten Lösung wird eine lockere feinkörnige Schüttung erzielt, wodurch der Stoffaustausch begünstigt wird; zum Schmelzen der Eiskristalle am Fuß der Schüttung ist kein Wärmeaustauschapparat nötig, so daß auch dort mit kleinsten Temperaturdifferenzen gearbeitet werden kann; durch einen geeigneten Flüssigkeitslauf im unteren Teil des Behälters werden drei Arbeitsgänge kombiniert: a) Erzeugung der Pulsation in der Kristallschüttung, b) Ausbringen des Produkts aus dem Behälter, c) Abschmelzen der Kristalle am Fuß der Schüttung.
  • Es werden dadurch ein geringes Bauvolumen und infolgedessen geringe Wärmeverluste erzielt.
  • Zu diesem thermodynamischen Vorteilen kommen folgende apparative Vorteile gegenüber bisherigen Anlagen: kompakte Bauweise. Da die Kristallisation durch Dampfabsaugen erfolgt, entfällt eine besondere Entlüftungseinrichtung, wie sie bisher bei der Aufbereitung der zu trennenden Produkte erforderlich war. Die Anlage besteht im wesentlichen nur aus einfachen Apparaten ohne bewegliche Teile, abgesehen von einer Kolbenpumpe, die aber auch durch eine magnetische Membranpumpe ersetzt sein kann, und einer Förderpumpe, die ebenfalls ersetzbar ist, und zwar durch einen Strahlapparat oder durch die Schaffung einer geeigneten geodätischen Fallhöhe.
  • Die Erfindung ist an Hand einer im folgenden erläuterten Zeichnung dargestellt.
  • Die Ausgangslösung a wird über den Wärmeaustauscher 1 geführt, dort vorgekühlt und anschließend im Kopf des Behälters 2 versprüht. Der Dampfstrahlapparat 3 evakuiert den Behälter und saugt einen Teil der abgereicherten Lösung dampfförmig ab. Dabei friert der andere Teil der abgereicherten Lösung aus. Das entstehende Gemisch aus Eiskristallen und angereicherter Lösung bildet im unteren Teil des Behälters eine Schüttung. Das Verfahren der Rektifikation im festflüssigen Grenzgebiet bewirkt, daß am Fuß der Schüttung die abgeschmolzenen Eiskristalle als abgereicherte Lösung anfallen, während die angereicherte Lösung b am oberen Teil der Schüttung anfällt. Hier wird sie durch den Filtermantel 4 von einer Pumpe 5 abgesaugt und nach dem Vorkühlen der Ausgangslösung im Wärmeaustauscher 1 aus der Anlage abgeführt. Die abgereicherte Lösung wird durch eine Kolbenpumpe 6, der ein Windkessel 7 vorgeschaltet ist, am unteren Teil des Behälters 2 kontinuierlich abgeführt. Ein Teil der abgereicherten Lösung wird als Produkt c abgezogen, der andere Teil wird vorzugsweise asymmetrisch pulsierend dem Behälter von unten wieder zugeführt, nachdem er einen Wärmeaustauscher 8, in dem er aufgeheizt wird, pas- siert hat. Durch das kontinuierliche Absaugen und periodische Rückführen der abgereicherten Lösung wird eine Pulsation erzeugt, welche den Stoffaustausch im festflüssigen Grenzgebiet fördert. Der aufgeheizte Rücklauf dient gleichzeitig zum Schmelzen der Eiskristalle am unteren Ende der Schüttung. Das Gemisch aus Treibdampf d und aus der am oberen Teil des Behälters 2 abgesaugten, dampfförmigen abgereicherten Lösung wird vom Strahlapparat 3 in den Kondensator 9 geleitet und durch Kühlwasser e niedergeschlagen. Sind abgereicherte Lösung und Wasserdampfkondensat nicht mischbar, so können sie im Absetzgefäß 10 getrennt werden. Der abgetrennte Anteil der abgereicherten Lösung fließt als Produkt ab. Sind abgereicherte Lösung und Wasserdampfkondensat mischbar, so geht dieser Anteil des Produkts c verloren, es sei denn, daß Treibdampf und abgesaugter Dampf Dämpfe desselben Stoffes sind.
  • Der Strahl apparat 11 saugt mittels Treibdampf d die nicht kondensierten Gase aus dem Kondensator 9 ab.
  • Dieser Treibdampf wird im Wärmeaustauscher 8 kondensiert, erwärmt dort die zum unteren Teil des Behälters 2 zurückfließende abgereicherte Lösung und fließt zusammen mit dem Kondensat f aus dem Absetzgefäß ab.
  • In bestimmten Fällen, insbesondere bei Lösungen, deren feste Phase leichter ist als die flüssige, wird es von besonderem Vorteil sein, statt eines einfachen geraden Behälters einen solchen zu verwenden, der am unteren Ende U-förmig umgebogen ist. Das obere Ende des U-förmig umgebogenen Schenkels entspricht in diesem Falle dem unteren Teil des geraden Behälters.
  • Als Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser an Hand eines Zahlenbeispiels gegeben: Die Ausgangslösung ist Meerwasser mit 3,5 Gewichtsprozent Salz bei 150 C. Wird diese auf 40 C heruntergekühlt, so kristallisiert 1 kg Eis aus 2,17 kg Meerwasser aus. Es entstehen 1,17 kg angereicherte Lösung pro Kilogramm Trinkwasser. Zum Abkühlen und Ausfrieren muß eine Wärmemenge von 119 kcal pro Kilogramm Trinkwasser entzogen werden.
  • Dies wird durch Absaugen einer Dampfmenge von 0,199 kg pro Kilogramm Trinkwasser bei 3,3 Torr erreicht. Das Meerwasser enthält bei Sättigung 100ppm Luft, d. h., bei 2,17 kg Meerwasser pro Kilogramm Trinkwasser müssen noch 0,217 g Luft pro Kilogramm Trinkwasser abgesaugt werden.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Trennen einer Lösung in eine an einer Komponente ab und eine daran angereicherte Lösung, wobei im oberen Teil eines Behälters die Komponente mit dem höheren Schmelzpunkt auskristallisiert wird, diese Kristalle im unteren Teil des Behälters geschmolzen werden, ein Teil der durch das Schmelzen entstehenden abgereicherten Lösung abgeführt und der restliche Teil als Rückstrom dem Behälter von unten wieder zugeführt und schließlich aus dem mittleren Teil des Behälters als angereicherte Lösung abgezogen wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Ausgangslösung mit Hilfe einer Sprühdüse im oberen Teil des Behälters unter Vakuum versprüht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstrom der abgereicherten Lösung mit Hilfe eines abgezweigten Teiles des das Vakuum erzeugenden Treibdampfes aufgeheizt wird.
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