DE19628009A1 - Verfahren zum Eindampfen von wäßrigen Salzlösungen - Google Patents
Verfahren zum Eindampfen von wäßrigen SalzlösungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindampfen von wäßrigen Salz
lösungen, vorzugsweise von sauren Salzlösungen, die bei der Herstellung von
Mineraldüngergranulaten entstehen, in einem Wärmetauscher, in dem die
Lösungen durch in getrennten Strömungswegen geführten Dampf erhitzt
werden.
Derartige wäßrige saure Salzlösungen, die auch als Maischen bezeichnet
werden, entstehen bei der Herstellung von Mineraldüngergranulaten, beispiels
weise Granulaten aus Nitrophosphat (NP), Nitrophosphat-Kalium (NPK),
Kalkammonsalpeter (KAS), Ammonsulfatsalpeter (ASS) und dergleichen.
Diese Salzlösungen enthalten je nach der Art des Düngemittels im wesentli
chen unterschiedliche Mengen Ammonium-, Alkali- und Erdalkaliphosphate,
-carbonate, -nitrate und/oder -sulfate. Mittels Eindampfung wird dann der
Wassergehalt dieser Salzlösungen soweit reduziert, daß die Maische in der
nachfolgenden Granulation kristallisiert und in Granulate geformt werden
kann. Die Maische hat nach der Eindampfung in der Regel noch einen
Wassergehalt von 13 bis 6 Gew.-%, einen Siedepunkt von 115 bis 145°C
und einen pH-Wert von 4 bis 5,5.
Bisher werden zur Eindampfung der Maischen regelmäßig Rohrbündel-Wär
meübertrager verwendet, die mit Dampf beheizt werden und durch deren
Rohre die Maische gepumpt wird. In einem nachfolgenden Behälter wird das
verdampfte Wasser abgetrennt. Diese Art der Verdampfung wird als Zwangs
umlaufverdampfung bezeichnet.
Die Maische neigt wegen ihrer hohen Salzkonzentration stark zur Krusten
bildung an den Innenwandungen der Rohre, durch die sie geführt wird. Die
Verdampfer können daher nur so lange betrieben werden, bis keine nennens
werte Verdampfung mehr möglich ist. Dies ist in der Regel nach ca. 1
Woche der Fall. Dann muß auf einen Ersatzverdampfer umgeschaltet wer
den. Es hat sich gezeigt, daß zu diesem Zeitpunkt 60 bis 80% der Rohre
vollständig verstopft und mit kompakt kristallisierter Salzmischung gefüllt
sind.
Die Reinigung des verstopften Verdampfers erfolgt dann in mehreren Schrit
ten. Er muß zunächst entleert und abgekühlt werden, was ca. 1 Stunde in
Anspruch nimmt. Danach muß er geöffnet werden, und es erfolgt eine
mechanische Vorreinigung durch Durchbohren der verstopften Rohre mit
Hochdruckwasser. Dabei wird mit einer Lanze ein Wasserstrahl mit einem
Druck von mehreren hundert bar durch die Rohre gebohrt. Dies ist er
forderlich, um bei einer anschließenden chemischen Reinigung die Rohre
durchströmen und die Beläge auflösen zu können. Hierfür werden etwa 8
bis 12 Stunden benötigt. Danach wird der Verdampfer wieder geschlossen,
und es wird eine chemische Reinigung mit Salpetersäure durchgeführt.
Während der Auflösung der Krusten muß wieder Wärme zugeführt und die
Säure auf etwa 70°C erhitzt werden. Hierfür sind ca. 6 bis 8 Stunden
erforderlich. Danach erfolgt die Entleerung und das erneute Anfahren des
Verdampfers mit Maische, was ca. 1 Stunde in Anspruch nimmt. Die
vorgenannten Maßnahmen bedingen eine Gesamtausfallzeit vom Abstellen bis
zum Wiedererreichen des Sollbetriebs von 20 bis 24 Stunden, je nach dem
Grad der Verschmutzung. Dieser hohe Reinigungsaufwand ist sehr unbefriedi
gend, wurde aber mangels Alternativen bisher in Kauf genommen.
Für den Wärmeaustausch zwischen verschiedenen Medien sind auch
Platten-Wärmetauscher bekannt, bei denen man im wesentlichen zwei Bauarten
unterscheidet. Die eine Bauart besteht aus Einzelplatten, die in Paketen
gestapelt und über Haltevorrichtungen zusammengepreßt sind. Dabei sind die
Platten gegeneinander und gegen die Umgebung mit Dichtungen abgedichtet.
Die Platten sind einer mechanischen Reinigung zugänglich, indem man den
Wärmetauscher in seine Elemente zerlegt. Dies ist sehr aufwendig. Die
andere Ausbildungsform von Platten-Wärmetauschern besteht aus Einzel
blechen, die miteinander unlösbar verschweißt sind. Diese auch Thermo-
Blech-Wärmetauscher genannten Apparate sind mehrfach in der Literatur
beschrieben worden (siehe u. a. Thermo-Blech-Wärmeaustauscher in der
thermischen Verfahrenstechnik 22 (12), 1988, S. 14-15). Diese Art von
Platten-Wärmetauschern wurde bisher nur eingesetzt, wenn eine Verstopfung
ausgeschlossen ist, da sie nur eingeschränkt einer mechanischen Reinigung
zugänglich sind. Das zwischen den geschweißten Platten geführte Medium
muß verschmutzungsfrei sein, da die Zwischenräume nicht mechanisch
gereinigt werden können. Allgemein werden Platten-Wärmetauscher bisher
nur in Medien eingesetzt, die nicht zur Verschmutzung neigen, also bei
spielsweise die Wärmeübertragung zwischen reinen Substanzen oder solchen,
bei denen keinerlei Abscheidungen auftreten können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Eindampfung von wäß
rigen Salzlösungen, wie sie bei der Herstellung von Granulaten aus Mineral
dünger entstehen, die durch einen hohen Reinigungsaufwand bedingten
Ausfallzeiten erheblich zu reduzieren und damit eine höhere Verfügbarkeit
der Anlagen herbeizuführen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß als Wärmetauscher
Platten-Wärmetauscher eingesetzt werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften
Ausbildung der Erfindung werden Platten-Wärmetauscher der Bauart
Thermo-Blech verwendet, deren Platten aus je 2 Blechen bestehen, die punktuell
zusammengeschweißt sind und die zwischen den Schweißpunkten Abstände
aufweisen, die als Blechkissen bezeichnet werden können. Die Platten sind
am Rande durch Abstandshalter voneinander getrennt. Überraschenderweise
hat sich gezeigt, daß bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
keine mechanische Reinigung erforderlich ist. Es entfällt daher das zeitauf
wendige Abkühlen, das Öffnen, das Durchbohren der Ablagerungen mit
Hochdruckwasserlanzen und das erneute Schließen des Wärmetauschers.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung beträgt der kleinste
Abstand der Platten 10 bis 30 mm, vorzugsweise 15 bis 25 mm. Der
größte lichte Abstand der Bleche in den Platten beträgt 5 bis 15 mm,
vorzugsweise 6 bis 10 mm. Die Stärke der Platten beträgt 1 bis 3 mm,
vorzugsweise etwa 2 mm. Der Abstand der Punktschweißungen der Bleche
einer Platte beträgt 75 bis 200 mm, vorzugsweise 90 bis 110 mm.
Bei der praktischen Durchführung von Versuchen wurden Platten-Wärme
tauscher der Firma DEG Engineering GmbH eingesetzt, die als Thermo
blech-Wärmetauscher bezeichnet werden. Die Platten bestehen dabei aus
punktuell zusammengeschweißten Blechen und sind nicht zerlegbar. Solche
Wärmetauscher haben den besonderen Vorteil, daß ein Minimum an Dich
tungsflächen und damit an Leckagemöglichkeiten besteht.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung können den anhand der
Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen entnommen werden. Es
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Wärmetauschers nach dem Prinzip
Thermoblech,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des inneren Aufbaus des Wärme
tauschers nach Fig. 1,
Fig. 3 die für die Durchführung der Versuche eingesetzte Versuchsanord
nung.
Der in Fig. 1 dargestellte Kompakt-Wärmetauscher des Typs THERMO
BLECH hat eine spezielle Kissenstruktur, die in Fig. 2 perspektivisch und
in vergrößertem Maßstab dargestellt ist. Die Platten dieses Wärmetauschers
1 sind schematisch als parallele Platten gezeichnet, die je aus Blechen 1A
und 1B bestehen, wie dies der Fig. 2 zu entnehmen ist. Durch die Leitung
2 fließt die einzudampfende Maische in den Wärmeaustauscher 1 und verläßt
diesen nach starker Reduktion ihres Wassergehalts durch Leitung 3. Die
Eindampfung wird erzielt durch heißen Wasserdampf, der durch die Leitung
4 zu- und durch die Leitung 5 als Kondensat abströmt.
Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, besteht der Wärmetauscher 1 aus Plat
ten, die aus Blechen 1A und 1B bestehen, welche durch punktuelle Ver
schweißung an den Stellen 6 miteinander verbunden sind. Die Platten sind
am Rande durch Abstandshalter in ihrer Lage befestigt. Durch diese Anord
nung entstehen Strömungswege 7 und 8. Diese spalten sich in der in Fig.
2 mit den Bezeichnungen 7A, 7B, 7C bezeichneten Weise auf. Der Abstand
der Plattenmitten ist mit a, der kleinste freie Abstand zwischen zwei Platten
ist mit c und der größte lichte Abstand zwischen den Blechen 1A, 1B ist
mit b bezeichnet. Bei dieser Art von Wärmetauschern mit den genannten
Abmessungen sind bis zu 350 m² Wärmeübertragungsfläche pro m³ Wärme
tauschervolumen möglich. Gegenüber einem Rohrbündel-Wärmetauscher mit
identischem Mantelrohrmaß ergibt sich hier eine Mehrfläche von etwa 40%.
Der Versuchs-Wärmetauscher verfügt über eine Randgängigkeit von etwa 40
mm.
Versuche mit einem Wärmetauscher 1 der Bauart THERMOBLECH mit
einer Wärmeübertragungsfläche von 4,5 m² wurden durchgeführt im Ver
gleich zu einem Rohrbündel-Wärmetauscher 10 mit einer Wärmetauschfläche
von 64 m² unter gleichen Bedingungen.
Die Versuchsanordnung ist der Fig. 3 zu entnehmen. Hier strömt die bei
der Herstellung des Mineraldüngemittels entstehende Maische entweder direkt
oder nach Durchlaufen einer Stufe wie der nachstehend beschriebenen über
eine Leitung 11 in die Leitung 14, von wo sie mittels einer Pumpe 13
durch Leitung 14 gepumpt und den parallel geschalteten Wärmetauschern 10
und 1 getrennt zugeführt wird. Der Wärmetauscher 10 ist ein Rohrbündel-
Wärmetauscher, der Wärmetauscher 1 ist ein Thermoblech-Wärmetauscher.
Vom oberen Ende dieser Wärmetauscher strömt die heiße und teilweise
verdampfte Maische über die Leitungen 15 in den oberen Teil des Behälters
12 zurück, aus dem dampfförmige Brüden durch Leitung 16 abziehen. Die
eingedampfte Maische wird durch Leitung 17 der nächsten Stufe des Ver
fahrens zugeführt, wo sie entweder weiter eingedampft oder zur Herstellung
ihrer körnigen Endform bearbeitet wird. Der zur Erhitzung der Maische
erforderliche Dampf wird durch Leitung 18 den beiden Wärmetauschern 1
und 10 zugeführt und das Kondensat durch Leitung 19 abgeführt.
In einer Versuchsanlage hatten die beiden Wärmetauscher 1 und 10 folgende
Abmessungen:
Manteldurchmesser: 900mm
Rohrlänge: 2500 mm
Rohraußendurchmesser×Wandstärke: 44,5 mm×2,9 mm
Zahl der Rohre: 211
Wärmeübertragungsfläche: 64 m² (berechnet auf Rohrinnenfläche)
Rohrlänge: 2500 mm
Rohraußendurchmesser×Wandstärke: 44,5 mm×2,9 mm
Zahl der Rohre: 211
Wärmeübertragungsfläche: 64 m² (berechnet auf Rohrinnenfläche)
Rechteckiger Mantelquerschnitt: 490 mm×325 mm
Mantellänge: 1000 mm
Platten: 800 mm×350 mm (1 Platte entspricht 2 punktuell geschweißten Blechen)
Zahl der Platten: 8
Abstand der Plattenmitten (a): 25 mm
Kleinster lichter Abstand zwischen Platten (c): 15 mm
Größter lichter Abstand in den Platten (b): 6 mm (Blechkissen)
Wärmeübertragungsfläche: 4,48 m²
Abstand zwischen Schweißpunkten: 100 mm.
Mantellänge: 1000 mm
Platten: 800 mm×350 mm (1 Platte entspricht 2 punktuell geschweißten Blechen)
Zahl der Platten: 8
Abstand der Plattenmitten (a): 25 mm
Kleinster lichter Abstand zwischen Platten (c): 15 mm
Größter lichter Abstand in den Platten (b): 6 mm (Blechkissen)
Wärmeübertragungsfläche: 4,48 m²
Abstand zwischen Schweißpunkten: 100 mm.
Der Plattentauscher 10 war aus dem Werkstoff 1.4404 gefertigt. Die Stärke
der Bleche betrug vorsorglich für den Fall einer notwendigen mechanischen
Reinigung 2 mm. Da das erfindungsgemäße Verfahren dies nicht erforderlich
machte, hätte eine Blechstärke von 1 mm ausgereicht.
Die mit einer solchen Anlage erzielten Versuchsergebnisse beim Eindampfen
einer Maische aus Nitrophosphatkalium (NPK) sind den folgenden Tabellen
zu entnehmen. In diesen steht die Kurzbezeichnung RB für Rohrbündel-
Wärmetauscher (10) und PL für Platten-Wärmetauscher (1).
Nach 6 Betriebstagen wurde die Eindampfung wegen ungenügender Leistung
abgeschaltet. Im Rohrbündelapparat (RB) waren etwa 170 von 211 Rohren
vollständig verstopft. Es erfolgte die übliche mechanische Reinigung mit
Hochdruckwasserlanzen.
Der Plattenapparat (PL) zeigte zwar ebenfalls starke Krustenbeläge auf den
Flächen. Er wurde aber nur chemisch 6 Stunden lang mit Salpetersäure
beaufschlagt. Nach erneuter Sichtprüfung waren die Oberflächen blank und
frei von Belägen. Dies zeigt, daß trotz der starken Verkrustung noch freie
Strömungskanäle für die Spülsäure vorhanden waren, die einen Angriff der
Säure möglich machten.
Hier wurde die gleiche Apparatur wie in Beispiel 1 eingesetzt.
Die Eindampfung wurde 9 Tage lang betrieben. Normalerweise wäre die
Apparatur spätestens am 5. Betriebstag wegen ungenügender Leistung ab
geschaltet worden. Im Rohrbündel-Wärmetauscher 10 waren etwa 180 von
211 Rohren vollständig verstopft. Deren Reinigung erfolgte in üblicher
Weise mechanisch mit Hochdruckwasserlanzen.
Der Platten-Wärmetauscher 1 zeigte in den letzten 2 Tagen des Versuchs
keine Dampfaufnahme mehr und wies starke Krustenbeläge auf den Flächen
auf. Er wurde aber wieder nur chemisch 6 Stunden lang mit Salpetersäure
beaufschlagt. Nach Sichtprüfung waren die Oberflächen erneut frei von
Belägen. Dies zeigt, daß auch bei einem extremen Verschmutzungsgrad noch
freie Strömungskanäle für die Spülsäure vorhanden waren, die einen Angriff
der Säure möglich gemacht haben.
Aus diesen Versuchen ergibt sich, daß entgegen den allgemein bestehenden
Bedenken der Platten-Wärmetauscher auch bei starker Verkrustung nicht
vollständig verstopft und somit in einfacher Weise durch eine chemisch
wirkende Flüssigkeit (hier Salpetersäure) gereinigt werden kann. Eine zeit-
und kostenaufwendige mechanische Vorreinigung kann daher entfallen. Im
Gegensatz zu den bisher verwendeten Rohrbündel-Wärmetauschern bleiben bei
den Platten-Wärmetauschern immer Kanäle frei, die von Säure durchströmt
werden können. Daher ist eine einfache, rein chemische Reinigung möglich,
und es entfallen somit die Ausfallzeiten durch Abkühlung, Öffnen, mechani
schem Reinigen und Schließen des Rohrbündel-Wärmetauschers. Des weiteren
sind Platten-Wärmetauscher in der Regel platzsparender bei gleicher Wärme
übertragungsleistung als Rohrbündel-Wärmetauscher, da sie kompakter gebaut
sind, und günstiger in der Investition, da sie weniger Material benötigen und
einfacher zu bauen sind.
Es ist davon auszugehen, daß Plattenwärmetauscher des Typs Thermoblech
auch bei kommerziellen Anlagen unter Vergrößerung ihrer äußeren Dimensio
nen einsetzbar sind. Dabei kann davon ausgegangen werden, daß der Ab
stand der Bleche und der Platten im wesentlichen dem der Versuchsanlage
entsprechen wird. Bei einer Wärmeübertragungsfläche von ca. 100 m²
erscheint ein runder Wärmetauscher mit einem Manteldurchmesser von 900
mm und einer Länge von 2500 mm, analog zum bisher verwendeten Rohr
bündelapparat, mit 30 Platten als geeignet.
Claims (7)
1. Verfahren zum Eindampfen von wäßrigen Salzlösungen, vorzugsweise
von sauren Salzlösungen, die bei der Herstellung von Mineraldünger
granulaten entstehen, in einem Wärmetauscher, in dem die Lösungen
durch in getrennten Strömungswegen geführten Dampf erhitzt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmetauscher Plattenwärmetauscher
eingesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Plattenwärme
tauscher eingesetzt werden, deren Platten aus je 2 Blechen bestehen, die
punktuell zusammengeschweißt sind und die zwischen den Schweiß
punkten Abstände aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten
am Rande durch Abstandshalter voneinander getrennt sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste
Abstand der Platten 10 bis 30 mm, vorzugsweise 15 bis 25 mm,
beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
größte lichte Abstand der Bleche in den Platten 5 bis 15, vorzugsweise
6 bis 10 mm, beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Plattenstärke 1 bis 3 mm, vorzugsweise etwa 2 mm, beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand der Punktschweißungen der Bleche einer Platte 75 bis
200 mm, vorzugsweise 90 bis 110 mm, beträgt.
Priority Applications (2)
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