DE2441416B2 - Verdampfer für Alkalimetallhydroxide, Alkalimetallchlorate und Alkalimetallchloride enthaltende Lösungen - Google Patents

Verdampfer für Alkalimetallhydroxide, Alkalimetallchlorate und Alkalimetallchloride enthaltende Lösungen

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DE2441416B2 DE2441416A DE2441416A DE2441416B2 DE 2441416 B2 DE2441416 B2 DE 2441416B2 DE 2441416 A DE2441416 A DE 2441416A DE 2441416 A DE2441416 A DE 2441416A DE 2441416 B2 DE2441416 B2 DE 2441416B2
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Description

30
J5
40
Kohlenstoff bis zu O1Oi Gew.-%
Mangan bis zu 0,40 Gew.-%
Phosphor bis zu 0,02 Gew.-%
Schwefel bis zu 0,02 Gew.-%
Silicium biszuO,40Gew.-%
Stickstoff bis zu 0,015 Gew.-%
Kupfer bis zu 0,20 Gew.-%
Nickel + Kupfer bis zu 0,50 Gew.-%
Chrom 25,0 bis 27,5 Gew.-%
Molybdän 0,75 bis 1,50 Gew.-% und
Eisen als Rest
Erfindung betrifft einen Verdampfer gei
Die
Oberbegriff des Patentanspruchs.
Bei der Verarbeitung verschiedener Chemikalien ist es häufig erwünscht. Lösungen oder Aufschlämmungen dieser Chemikalien zu verdampfen, um die Chemikalien in einer marktgerechteren Form zu gewinnen. Diese Verdampfungsbehandlungen führen zu einer Aufkonzentrierung der behandelten Lösung oder Aufschlämmung und bewirken häufig eine Reinigung der Lösung oder der Aufschlämmung durch Kristallisation entweder der Verunreinigungen odes des gewünschten Produktes.
In der Vergangenheit wurden verschiedene Arten von Verdampfern in Abhängigkeit von den Eigenschaften der zu behandelnden Materialien für diese Verfahren verwendet Typische Vorrichtungen dieser Art sind Verdampfer mit aufsteigendem Film, Verdamp fer mit absteigendem Film, Calandria-Verdampfer und Zwangsumlaufverdampfer, die sowohl externe als auch interne Pumpen verwenden. Diese verschiedenen Arten von Verdampfern wurden als Einfachverdampfer, Mehrfachverdampfer, Rekompressionsverdampfer und dergleichen betrieben.
Wie bereits erwähnt hängt die Auswahl der besonderen eingesetzten Verdampferart von den
- M) Eigenschaften des zu behandelnden Materials ab. Weiterhin sind die Werkstoffe, aus denen die Verdampfer und insbesondere jene Oberflächen des Verdampfers hergestellt sind, die mit dem zu behandelnden Material in Berührung stehen, ebenfalls: auf der Grundlage der chemischen und physikalischen Eigenschaften der zu behandelnden Materialien als auch den Temperatur- und Druck-Bedingungen, die in dem Verdampfersystem angewendet werden müssen, ausgewählt worden.
Diese Überlegungen sind von besonderer Bedeutung, wenn beispielsweise wäßrige Alkalimetallhydroxid-Lösungen behandelt werden sollen, wie jene, die bei der Elektrolyse von wäßrigen Alkalimetallchloridlösungen in Diaphragmen-Zellen anfallen. Diese Lösungen, die anfänglich etwa 8 bis 14 Gew.-% Alkalimetallhydroxid, bis zu 18 Gew.-% AlkalimetaHchlorid und bis zu 0,05 Gew.-% Alkalimetallchlorat enthalten, wesJen bei Drücken von etwa 0,07 bis 7,03 kg/cm2 absolut auf Temperaturen im Bereich von etwa 500C bis 2000C erhitzt wodurch ein konzentrierteres Alkalimetallhydroxid-Material anfällt das typischerweise einen Alkalimetallhydroxid-Gehalt von etwa 35 bis 73 Gew.-%, einen Alkalimetallchlorid-Gehalt vor: bis zu etwa 8 Gew.-% und einen Alkalimetallchlorat-Gehalt von bis zu 0,2 Gew.-% aufweist Bei der Behandlung dieser Lösungen unter den angegebenen Bedingungen werden die Werkstoffe, aus denen die Verdampfervorrichtung hergestellt ist nicht nur durch die stark korrodierenden Alkalimetallhydroxide angegriffen, sondern unterliegen auch der Chlorid-Spannungsrißkorrosion, insbesondere im Bereich der Röhren des Wärmeaustauschers der Vorrichtung.
Bislang wurden verschiedene Werkstoffe für Vorrichtungen dieser Art vorgeschlagen, die zum Verdampfen, Eindampfen und Reinigen von wäßrigen Alkalimetallhydroxidlösungen ver endet werden sollen. Die vorgeschlagenen Materialien schließen verschiedene herkömmliche rostfreie Stähle ein, wie die folgenden:
Rostfreier Stahl, Typ 304, Zusammensetzung: 9,5 Gew.-% Nickel, 70,0 Gew.-% Eisen, 18,0 Gew.-% Chrom, maximal 0,08 Gew.-% Kohlenstoff, maximal 0,5Gew.-% Silicium, 1,5 Gew.-% Mangan;
rostfreier Stahl, Typ 309, Zusammensetzung: 13,6 Gew.-% Nickel, 60,5 Gew.-% Eisen, 23,0 Gew.-% Chrom, maximal 0,20 Gew.-% Kohlenstoff, maximal 1,0 Gew.-% Silicium und maximal 2,0 Gew.-% Mangan;
rostfreier Stahl, Typ 316, Zusammensetzung: 13,0 Gew.-% Nickel, 65,0 Gew.-% Eisen, 17 fi Gew.-% Chrom, minimal 2,0 Gew.-% Molybdän, maximal 0,08 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 Gew.-% Silicium und 1,7 Gew.-% Mangaa
Diese Materialien haben sich für diesen Verwendungszweck jedoch im besten Fall lediglich teilweise als erfolgreich gezeigt, wobei die Korrosionsgeschwindigkeit und das Ausmaß der Spannungsrißbildung bei strengeren Betriebsbedingungen derart hoch liegen, daß es häufig erforderlich ist die Vorrichtungen nach einigen Monaten zu ersetzen. Keines dieser Materialien hat sich, vom kommerziellen Standpunkt aus gesehen, als zufriedenstellend standfest erwiesen. Demzufolge ist Nickel der übliche Werkstoff für Verdampfer, die zur Behandlung von wäßrigen Alkalimetallhydroxidlösungen eingesetzt werden. Obwohl Nickel aufgrund seines Verhaltens recht zufriedenstellend ist besteht ein
anhaltendes Bedürfnis dafür, dieses kostspielige Material durch ein geeignetes billigeres Material zu ersetzen. Bislang hüben sieb die Versuche zur Befriedigung dieses Bedürfniises jedoch als nicht zufriedenstellend erwiesen.
Aus der US-PS 26 24671 ist ein ferritischer Chromstahl bekannt, der 20 bis 40 Gew.-% Chrom enthält und zur Vermeidung der Sprödigkeit einen Gehalt an Kohlenstoff + Stickstoff von nicht mehr als 0,06 bis 0J02 Gew.-% und zur Erzielung der Schlagzähigkeit einen Gehalt an Kohlenstoff + Stickstoff von weniger als 0,04 bis 0,015 Gew.-% aufweist
Aus Finnenprospekten der Firma Airco Vacuum Metals USA ist ein ferritischer, rostfreier Stahl der folgenden Zusammensetzung bekannt:
Kohlenstoff bis zu 0,01 Gew.-%
Mangan bis zu 0,40 Gew.-%
Phosphor bis zu 0,02 Gew.-%
Schwefel bis zu 0,02 Gew.-%
Silicium bis zu 0,40 Gew.-%
Stickstoff bis zu 0,015 Gew.-%
Kupfer bis zu 0,20 Gew.-%
Nickel + Kupfer bis zu 0,50 Gew.-%
Chrom 25,0 bis 27,5 Gew.-%
Molybdän 0,75 bis 1,50 Gew.-% und
Eisen als Rest
10
15
20
25
In diesen Druckschriften ist angegeben, daß die in Rede stehende Legierung aufgrund ihres Korrosions- m Verhaltens auch in heißen alkalischen Umgebungen eingesetzt werden kann. Die tufgefül· ten Korrosionswerte wurden überwiegend mir Hilfe einer Methode ermittelt, bei der Proben des untersuchte Stahles unter statischen Bedingungen in den angegebenen Lösungen y, erhitzt wurden. Diese statische Untersuchung der Korrosionsbeständigkeit vermag jedoch in keiner Weise die starken Spannungen und dynamischen Belastungen zu simulieren, die beispielsweise ein Zwangsumlaufverdampfer aushalten muß. Diese Druck-Schriften vermitteln keinerlei Hinweis darauf, daß die angesprochene Legierung auch dem korrosiven Einfluß zu widerstehen vermag, den eine verdampfende Lösung ausübt, die Alkalimetallhydroxide, Alkalimetallchlorate und Alkalimetallchloride enthält Aufgrund der Kombi- <r> nation dieser drei Bestandteile ist die Lösung nämlich wesentlich korrosiver als eine Mischung aus lediglich Natriumhydroxid und Natriumchlorid.
Die GB-PS12 84 180 befaßt sich mit dem Eindampfen von Natriumhydroxidlösungen, die bei der Chloralkali- rx> elektrolyse anfallen und die Natriumhydroxid, Natriumchlorat und Natriumchlorid enthalten. In dieser Literaturstelle ist angegeben, daß eine 23 bis 30 Gew.-% Chrom als einzigen Legierungsbestandteil enthaltende Stahllegierung in Gegenwart von Natriumchlorat r> passiviert wird, wodurch die Korrosionsgeschwindigkeit verringert wird, in Spalte 2, Zeilen 55 bis 57 dieser Druckschrift ist weiterhin angegeben, daß Chrom-Molybdän-Stähle in Gegenwart eines oxidierenden Bestandteils (Natriumchlorat) bei erhöhten Temperaturen wi »praktisch keine Korrosionsbeständigkeit« aufweisen. Daher hält diese Literaturstelle den Fachmann wohl davon ab, molybdänhaltige Chromstähle zur Ausbildung von Oberflächen zu verwenden, die mit Lösungen in Kontakt kommen, die Alkalimetallhydroxid, Alkalime- μ tallchlorid und Alkalimetallchlorat enthalten.
Es hat sich nun überraschenderweise Rezeigt, daß die oben angesprochene Legierung E-Brite 26-1 sich durch eine überraschende Korrosionsbeständigkeit auszeichnet, wenn sie mit der Verdampfung unterworfenen Lösungen in Kontakt kommt, die Alkalimetallhydroxide, Alkalimetallchlorate und Alkalimetallchloride enthal-
5 ten.
Gegenstand der Erfindung ist daher der Verdampfer gemäß Patentanspruch.
Dieser erfindungsgeraäße Verdampfer kann während langer Zeitdauern Ober einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen betrieben werden, ohne daß es notwendig wird, wegen der Korrosion und/oder der Spannungsrißbildung den Betrieb zum Auswechseln von Bestandteilen einzustellen, und dessen Kosten wesentlich niedriger liegen als die einer vergleichbaren, aus Nickel gefertigten Vorrichtung.
Genauer hat sich bei der Anwendung der Erfindung gezeigt, daß der ferritische, rostfreie Stahl der obigen Zusammensetzung als ein im wesentlichen vollständiger Ersatz für Nickel in dem gesamten Verdampfungssystem angewendet werden kann, das zum Verdampfen, Eindampfen und Reinigen von wäßrigen AlkalimetaUhydroxid/Alkalimetallchlorid-Lösungen verwendet wird. Typischerweise bestehen diese Verdampfer aus ein oder mehreren Verdampfereinheiten, von denen die Einheiten oder die Vorrichtungen so ausgelegt sind, daß das Verdampfen der wäßrigen Alkalimetallhydroxid/Alkalimetallchlorid-Lösungen, wie der mit einer Diaphragmen-Elektrolysezelle gewonnene Natronlaugenflüssigkeit, im Vakuum erfolgen kann, wodurch man ein konzentriertes, gereinigtes Natriumhydroxid-Produkt erhält Der Verdampfer kann irgendeiner der bekannten Typen sein, die für derartige Natriumhydroxid-Lösungen geeignet sind und kann beispielsweise ein Verdampfer mit aufsteigendem Film oder ein Zwangsumiaufverdampfer mit entweder internem oder externem Umlaufsystem oder dergleichen sein. Unabhängig von der besonderen Art des verwendeten Verdampfers umfassen all diese Einheiten eine Flüssigkeitsaufnahmekammer, in die die zu verarbeitenden Lösungen, zum Beispiel die in einer Diaphragmen-Elektrolysezeile im Kathodenraum anfallende Natriumhydroxid-Lösung, eingeführt werden. Typischerweise befindet sich diese Kammer im unteren Bereich der Vorrichtung und steht in Verbindung mit einer Durchflußheizzone, die mit Wärmeübertragungselementen ausgerüstet ist Die besondere Art der Flüssigkeitsaufnahmekammer kann jedoch in Abhängigkeit von der besonderen Verdampferart variieren. Somit kann sie in gewissen Fällen eine getrennte Kammer sein, während sie in anderen Fällen in Form eines Rohrs oder einer anderen Leitung oder lediglich der Kammer oder des Gehäuses der Umwälzpumpe vorliegt Der hierin verwendete Ausdruck »Flüssigkeitsaufnahmekammer« umfaßt somit der Einfachheit halber jenen Bereich der Vorrichtung, in den die zu verarbeitende Lösung eingeführt wird, gleichgültig welche Form dieser Bereich aufweisen mag.
Die Durchflußheizzone kann in beliebiger Weise ausgelegt sein, obwohl sie im allgemeinen die Form eines Wärmeaustausch* oder Heizröhren umfassenden Dampfkastens hat. Typischerweise wird die wäßrige Natriumhydroxid/Natriumchlorid-Lösung durch die Röhren geführt, die entweder vertikal oder horizontal angeordnet sind, wobei die Dampfkasteneinheit entweder innerhalb oder außerhalb des Verdampfers angeordnet ist. Bei dieser Anordnung wird Dampf oder ein anderes Wärmeaustauschmedium durch den Dampfkasten um die Außenseiten der Heizröhren herumgeführt. Alternativ kann jedoch ein Dampfkasten oder ein
Wärmeaustauscher verwendet werden, bei dem der Dampf oder ein anderes Wärmeaustauschmedium durch die Röhren geführt wird, während die zu verarbeitende Lösung um diese Röhren herumströmt Zusätzlich sind geeignete Verbindungsleitungen vorgesehen, um die zu behandelnden Lösungen von der Flüssigkeitsaufnahmekanuner in den Wärmeaustauscher oder die Heizzone zu überführen. Iu Abhängigkeit von dem Aufbau der Vorrichtung und der Anordnung der Heizzone können diese Verbindungsleitungen entweder innerhalb oder außerhalb des Verdampfers liegen.
Geeignete Verbindungsleitungen sind ebenfalls zwischen der Heizzone und einer Trennkammer vorgesehen, in der eine Flüssigkeits/Dampf-Mischung der verarbeiteten Lösung gebildet wird. Die Trennkammer, die normalerweise im Vakuum betrieben wird, kann auch mit Leitblechen oder Verteilungselementen versehen sein, die die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeits/Dampf-Mischung fiber den gesamten Querschnitt der Trennkammer unterstützen, das heißt die Freisetzung des Dampfes von der Flüssigkeit bewirken, während die Flüssigkeitsmenge, die mit den freigesetzten Dämpfen mitgerissen oder überführt wird, auf einem Minimum gehalten wird. Zusätzlich sind ferner Verbindungsleitungen vorgesehen, über die der flüssige Anteil der Mischung aus der Trennkammer in die Flüssigkeitsaufnahmekammer zurückgeführt wird, aus der er dann über die Heizzone wieder in die Trennkammer eingeführt wird. In vielen Fällen können ebenso wie in der Trennkammer in der Flüssigkeitsaufnahmekammer, der Heizzone und den verschiedenen Verbindungsleitungen Leitbleche oder andere Verteilungselemente angeordnet werden, um die gewünschte Verteilung und Strömung der zu behandelnden Lösung zu erreichen. j
Der Verdampfer kann als solcher als Einfachverdampfer betrieben werden oder kann mit einem oder mehreren zusätzlichen Einheiten ein Mehrfachverdampfersystem bilden. Typischerweise wird bei einem System der letzteren Art, zum Beispiel einem Dreifachverdampfer, der Dampf in die Heizzone oder den Dampfkasten des ersten Verdampfers als Heizmedium eingeführt, während die aus der Trennkammer des ersten Verdampfers austretenden heißen Dämpfe abgezogen und als Heizme^ium in die Heizzone oder den Dampfkasten des zweiten Verdampfers eingeführt werden. In ähnlicher Weise werden die heißen Dämpfe aus der Trennkammer des zweiten Verdampfers abgezogen und ?ls Heizmedium in die Heizzone oder den Dampfkasten des dritten Verdampfers eingeführt. Di« zu behandelnde Natriumhydroxid und Natriumchlorid enthaltende Lösung, zum Beispiel eine aus einer Diaphragmen-Elektrolysezelle stammende Natriumhydroxid-Flüssigkeit, wird in die Flüssigkeitsaufnahmekammer des dritten Verdampfers eingeführt, in dem ein erstes Eindampfen und Reinigen der Lösung bewirkt wird. Die teilweise eingedampfte und gereinigte Lösung wird dann in die Flüssigkeitscufnahmekammer des zweiten Verdampfers eingeführt, in dem eine weitere Aufkonzentrierung und Reinigung der Lösung bewirkt wird. Die hierbei anfallende Lösung wird dann in die Flüssigkeitsaufnahmekammer des ersten Verdampfers eingebracht, in der das Eindampfen und die Reinigung vervollständigt werden und aus dem eine konzentrierte, gereinigte Natriumhydroxid-Lösung als Produkt abge- μ zogen wird. Alternativ kann die Flüssigkeit in den zweiten Verdampfer, dann in den dritten Verdampfer und schließlich in den ersten Verdampfer eingeführt werden,
Es ist ersichtlich, daß in der ersten Verdampfereinheit die höchsten Temperaturen und die größten Natriumhydroxidkonzentrationen erreicht werden, während in der dritten Verdampfereinheit die höchsten Chloridkonzentrationen angetroffen werden. Typischerweise liegen die in der ersten Verdampfereinheit angewandten Temperaturen im Bereich von etwa 1200C bis 2000C, während die Natriumhydroxid-Konzentrationen im Bereich von etwa 30 bis 73 Gew.-%, die Natriumchlorid-Konzentrationen im Bereich von etwa 4 bis 10 Gew.-% und die Drücke im Bereich von etwa 0,70 bis 7,03 bar absolut liegen. In der dritten Verdampfereinheit liegen die Temperaturen typischerweise im Bereich von etwa 40" C bis 700C, während Natriumhydroxid-Konzentrationen im Bereich von etwa 9 bis 20 Gew.-%, Natriumchiorid-Konzentrationen im Bereich von etwa
10 bis 18 Gew.-% und Drücke im Bereich von etwa 0 bis 0,14 bar absolut angetroffen werden. Im allgemeiner, liegen die Bedingungen, bei tieren die zweite Verdampfereinheit betrieben wird, zwisciien denen der ersten und der dritten Verdampfereinheit, wobei Temperaturen im Bereich von etwa 700C bis 1200C1 Ntlriumhydroxid-Konzentrationen im Bereich von etwa 20 bis 30 Gew.-%, Natriumchlorid-Konzentrationen im Bereich von etwa 6 bis 14 Gew.-% und Drücke im Bereich von etwa 0,21 bis 1,05 bar absolut typisch sind.
Wenn statt eines Mehrfachverdampfersystems der obigen Art lediglich ein Einfachvei dämpfer verwendet wird, sind die in diesem Verdampfer oder dieser Verdampfereinheit angetroffenen Temperatur-, Druck- und Chemikalien-Konzentrations-Bedingungen im allgemeinen typisch für diejenigen Werte, die für den ersten Verdampfer eines Dreifachverdampfersystems angegeben sind.
Aus den obigen Ausführungen ist zu ersehen, daß die für die Herstellung der Verdampfer oder Verdampfereinheiten verwendeten Materialien variierenden Konzentrationen von Natriumhydroxid und Natriumchlorid sowohl in flüssiger als auch in der Dampfform über einen breiten Bereich für Temperatur- und Druck-Bedingungen unterliegen. Es hat sich jedoch im tatsächlichen Betrieb gezeigt daß die Korrosion und die Chlorspannungsrißbildung stark zunehmen, wenn die angetroffenen Temperaturen oberhalb etwa 50° C liegen. Es hat sich erwiesen, daß die bislang als Ersatzmaterialien für Nickel eingesetzten verschiedenen rostfreien Stähle bei solchen Bedingungen und insbesondere bei Temperaturen oberhalb etwa 1000C in relativ kurzer Zeit Risse bilden und korrodiert werden, so daß sich ihre technische Anwendung verbietet Diesbezüglich i«t festzustellen, daß die strengsten Korrosionsbedingungen in den Röhren des Dampfkastens des ersten Verdampfers angetroffen werden. In diesem Fall steht da« Innere der Röhren bei etwa 145° C mit einer Natriumhydroxid-Lösung in Berührung, die einen NaOH-Gehalt von etwa 45% aufweist, während die Außenwandungen der Röhren mit Dampf mit einer Temperatur von etwa 1850C und einem Druck von etwa
11 β Dar in Berührung stehen. Unter dienen Bedingungen ist die wirksame Lebensdauer der ros'frtien Stähle sehr kurz, wobei ein vollständiges Versegen dieser Materialien innerhalb etwa 3 bis 4 Wochen erfolgt
Obwohl e« eine Tatsache ist daß viele Teile der Verdampfer während des normalen Betriebes nicht diesen extremen Korrosionsbedingungen oder auch nur Temperaturen bis zu 1000C unterliegen und daher aus diesen rostfreien Stählen hergestellt werden können.
können auch abnorme netriebsbedingungen eintreten. In solchen Augenblicken können selbst die Oberflächen der zweiten und dritten Verdampfereinheiten bei abnorm hohe:n Temperaturen mit ungewöhnlich hohen Natriumhydroxid-Konzentrationen in Berührung kornmen. Es ist daher von Vorteil, einen Werkstoff zu verwenden, der eine Korrosionsbeständigkeit über den gesamten anzutreffenden Bereich von Bedingungen ergibt.
Demzufolge wird der oben beschriebene ferritische, rostfreie Stahl zur Bildung jener Oberflächen des Verdampfers oder der Verdampfereinheit verwendet, die mit entweder den Lösungen von Natriumhydroxid und Natriumchlorid oder den Dämpfen, die mitgerissene Lösungen von Natriumhydroxid und Natriumchlorid enthalten, bei Temperaturen oberhalb 50°C in Kontakt stehen. Diese Oberflächen sind, wie oben bereits angegeben wurde, die Oberflächen der Flüssigkeitsaufnahmekammer, der Durc'nnuG'netz/.OMc, uci Ti'cin'iHimmer, der Verbindungsleitungen, der Leitbleche und der Verteilungselemente und ähnlicher Teile dieser Verdampfereinheiten. Alternativ kann jedoch auch der gesamte Verdampfer aus dem ferritischen, rostfreien Stahl hergestellt werden, statt nur jene Bereiche mit jenem Material auszuführen, die bei Temperaturen oberhalb etwa 50°C mit der Lösung und/oder den Dämpfen in Berührung stehen.
Natürlich können als weitere Alternative lediglich die inneren Oberflächen des Verdampfers oder der Verdampfereinheit aus dem ferritischen, rostfreien Stahl der beschriebenen Art gebildet werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man ein weniger korrosionsbeständiges Material, wie Flußstahl, mit der ferritischen, rostfreien Stahllegierung auskleidet, wobei man irgendeine geeignete Technik anwendet, wie Walzen, Löten, Schweißen, Explosionsverbinden oder dergleichen. Obwohl die Anwendung eines beschichteten Materials etwas billiger sein kann, ergibt sich hierbei das Problem, eine integrale Verbindung zwischen dem korrosiveren Außenmaterial und der korrosionsbeständigen Innenschicht aus dem ferritischen, rostfreien Stahl sicherzustellen, insbesondere während der verschiedenen Verformungs-, Schweiß- und Zusammenbau-Vorgänge, die bei der Herstellung des Verdampfers durchgeführt werden. Aus diesem Grund wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anstelle eines beschichteten Materials der beschriebene ferritische, rostfreie Stahl verwendet In dieser Weise werden die Probleme, eine gute Verbindung zwischen den Metalloberflachen aufrechtzuerhalten, vermieden und man erhält rjne Verdampfereinheit, die als erster, zweiter oder dritter Verdampfer eines Mehrfachverdampfersystems oder als einziger Verdampfer verwendet werden kann, wenn kein Mehrfachverdampfersystem angewandt wird.
Der ferritische, rostfreie Stahl der oben beschriebenen Zusammensetzung zeichnet sich durch seine sehr geringen Gehalte an Kohlenstoff und Kohlenstoff plus Stickstoff aus, die wesentlich niedriger liegen als die anderer rostfreier Stähle. Weiterhin ist der Stahl gemäß der bevorzugtesten Ausführungsform frei von Nickel. Dieses Material erhält man mittels eines ElektronenstrahldauerheizraJfinierprozesses, bei dem das geschmolzene Metall während längerer Zeit einem sehr starken Vakuum (zum Beispiel 0,5 urn Hg) ausgesetzt wird, währenddem es mit Hilfe einer Elektronenstrahlquelle aufgeheizt wird. Diese Heizquelle führt in dem geschmolzenen Metall zu lokalisierten Oberhitzungsbe-
reichen, die eine Verdampfung und Abtrennung von verunreinigenden [lementen bewirken. Das raffinierte Metall wird dann kontinuierlich vergossen, wobei man die Wärme eines Elektronenstrahls zum Aufheizen verwendet. Die Methode und die Vorrichtung zur Herstellung dieses ferritischen, rostfreien Stahls wird in der US-PS 37 64 297 beschrieben.
Zur Herstellung der Verdampfereinheit aus dem ferritischen, rostfreien Stahl können im allgemeinen herkömmliche Fabrikationsverfahren angewandt werden. Somit können herkömmliche Bearbeitungs- und Form-Maßnahmen zur Herstellung der Bestandteile der Verdampfereinheit angewandt werden und diese Teile können dann unter Benutzung verschiedener Schweißtechniken zu der endgültigen Verdampfereinheit zusammengefügt werden. Die in dieser Weise gebildeten Einheiten können dann in der oben beschriebenen Weise unter dem gesamten Bereich hinsichtlich der
Beumgüngcn Von Temperatur, i^niCiv üHvi ixCriZCntrS
tion der Chemikalien angewandt werden und besitzen eine Lebensdauer, die mindestens mit der vergleichbarer, aus Nickel hergestellter Einheiten äquivalent ist.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung und deren Anwendung. Bei diesen Beispielen sind, wenn nicht anders angegeben, die Teile und Prozentteile auf das Gewicht bezogen, während die Temperaturen in 0C angegeben sind. Weiterhin handeli es sich bei dem in den Beispielen als »Stahl E« bezeichneten Stahl um einen ferritischen, rostfreier Stahl der oben angegebenen Zusammensetzung.
In diesen Beispielen wird ein Standard-3-2-1-Dreifachverdampfersystem verwendet, das drei herkömmliche Zwangsumlaufverdampfereinheiten umfaßt In dei Trennkammer oder dem Dampfkörper des erster Verdampfers werden Abschnitte aus verschiedener Metallen mit den Abmessungen von etwa 3,8 χ 7,0 err aufgehängt Einige dieser Abschnitte tauchen in die ir der Kammer vorhandene Flüssigkeit ein und stehen mil einer Lösung in Kontakt, die etwa 45 Gew.-% Natriumhydroxid, 5,5 Gew.-% Natriumchlorid, I1C Gew.-% Natriumsulfat und etwa 0,05 Gew.-% Natri umchlorat enthält und eine Temperatur von etwa 140° C aufweist Andere Abschnitte werden in dem Dampfbe reich der Kammer aufgehängt, in dem sie mil überhitztem Dampf mit einer Temperatur von etws 1400C in Berührung stehen, der mitgerissene Flüssig keitsspuren aud dem Flüssigkeitsbereich der Kammei enthält Die Metallabschnitte werden unter dieser Bedingungen in dem Verdampfer belassen, währenddem das Verdampfersystem für 33 Tage in Betrieh gesetzt wird. Nach Ablauf dieser Zeit werde., die Abschnitte entnommen und es wird das Ausmaß der erfolgten Korrosion bestimmt Diese Korrosion wird dann als Korrosionsgeschwindigkeit in Millimeter pre Jahr angegeben. Die unter Anwendung dieser Verfahrensmaßnahmen erhaltenen Ergebnisse sind in det folgenden Tabelle zusammengestellt Es ist ferner festzuhalten, daß einige der Metallabschnitte durch Anbringen von Vertiefungen einer Spannung unterworfen worden sind, während über andere eine Schweißraupe gelegt wurde. In der Tabelle sind die durch Vertiefungen einer Spannung unterworfenen Abschnitte mit »S« bezeichnet, während die geschweißter Abschnitte mit dem Buchstaben »W« gekennzeichnet sind
Die in der nachstehenden Tabeiie angegebener Legierungen besitzen die folgenden Zusammensetzungen:
Rostfreier Stahl 304: 9,5 Gew. 0Zn Nickel. 70,0 Gew.-% Eisen, 18,0 Gew.-°/o Chrom, maximal 0,08 Gew.-°/o Kohlenstoff, maximal Ο,ϊ Gew.-% Silicium und l,5Gew.-% Mangan;
rostfreier Stahl 309: 13,5 Gew.-% Nickel, 60,5 Ge-.-% Eisen, 23,0 Gew.-% Chrom, maximal 0,20 Gew -% Kohlenstoff, maximal 1,0 Gew.-% Silicium und maximal 2,0 Gew.-% Mangan;
rostfreier Stahl 316: 13,0 Gew.-% Nickel, 65,0 Gew-% Eisen, 17,0 Gew.-% Chrom, wenigstens 2,0 Gew.-% Molybdän, maximal 0,08 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 Gew.-% Silicium und l,7Gew.-% Mangan;
Monelmetall 400: 66,0 Gew.-% Nickel, 1.35 Gew.-% Eisen, 31,5 Gew.-% Kupfer, 0,12 Gew.-% Kohlenstoff, 0,15 Gew.-% Silicium und 0,90 Gew.-% Mangan;
Nickel 200:99,5 Gew.-% Nickel, 0,5 Gew.-% Eisen, 0,05 Gew.-% Kupfer, 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, 0,05 Gew.-% Silicium und 0,25 Gew. % Mangan;
Titan 5OA: 90 Gew-% Chrom, maximal 0,03 Gew.-% Stickstoff, maximal 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, maximal 0,015 Gew.-% Wasserstoff, maximal 0,3 Gew.-% Eisen, maximal 0,25 Gew.-% Sauerstoff und maximal 0,4% aller übrigen Elemente.
Beispiele Malernil
Zustand Korrusinnsgcsch windigkeil
mm/Jahr
Danipl- llüssiekeits-
phase phase
Bemerkungen
Stahl h S
W
rostfreier Stahl 304 S
W
rostfreier Stahl 309 S
W
rostfreier Stahl 316 S
W
Monelmetall 400 S
W
Nickel 200 S
W
Titan 50A Crt
W
0.0028 0,0068
0.017 0.015
0,4592 0,017
0,5173 0.013
Beispiel 8
Unter Anwendung der obigen Vorrichtung werden einige der Nickelröhren in dem Dampfkasten des ersten Verdampfers durch Röhren aus den folgenden Materialien ersetzt:
Stahl E
Rostfreier Stahl 304
Rostfreier Stahl 309
Rostfreier Stahl 316
Titan 5OA
0.015
0,325
0,2908 0,0185
0.2903 0.0193
0,0076
0,015
0,0094 0,0086
0,016 0,0078
2,143 0,172
3,766 0,!74
Schwach bräunliche Verfärbung, kein An/eichen eines Angriffs
Intergranulare Korrosion in den empfindlich gemachten Bereichen
verstreute allgemeine Korrosion und geringe Grübchenkorrosion
verstreute allgemeine Korrosion und geringe Grübchenkorrosion
verstreute allgemeine Korrosion und geringe Grübchenkorrosion
verstreute allgemeine Korrosion und geringe Grübchenkorrosion
verstreute allgemeine Korrosion und geringe Grübchenkorrosion
verstreute allgemeine Korrosion und geringe Grübchenkorrosion
verstreute allgemeine Korrosion
geringe Obcrflächenfärbung, verstreute geringe allgemeine Korrosion
geringe Oberflächenfärbung, verstreute geringe allgemeine Korrosion geringe oberflächenfärbung, verstreute geringe allgemeine Korrosion
sehr starke allgemeine Korrosion und Oberflächenanätzung
sehr starke allgemeine Korrosion und Oberflächenanätzung, geringer, jedoch bevorzugter Angriff der Schweißnaht
Die Röhren aus dem rostfreien Stahl 304 besitzen eine Anfangswandstärke von 2,10 mm, die Röhren aus Titan
<*> 5OA besitzen eine Anfangswandstärke von 039 mm, während die restlichen Röhren eine Anfangswandstärke von 1,65 mm aufweisen.
Das Verdampfersystem wird in der oben beschriebenen Weise betriebea Es zeigt sich, daß die Röhren aus
Titan 5OA nach lediglich zwei Betriebsstunden verschlissen sind und aus der Dampfkammer herausgeschnitten werden müssen. Nach 25 Betriebstagen werden die Röhren aus den rostfreien Stählen 304,309 und 316 aus
dem Dampfkasten entnommen, wobei es sich zeigt, daß die Röhren aus dem rostfreien Stahl 316 zerstört worden sind, Bei der Untersuchung der Röhren aus den rostfreien Stählen 304 und 309 zeigt sich, daß sie an den Enden eine merkliche Verdünnung zeigen, wobei die Röhren aus dem rostfreien Stahl 304 an den Enden eine auf 1,016 bis 1,067 wrn verminderte Wandstärke gegenüber der Anfangswandstärke von 2,10 mm besitzen, während die Wandstärke an beiden Enden der Röhren aus dem rostfreien Stahl 309 von anfänglich 1,65 mm auf 1,04 bis 1,09 mm abgenommen hat. Zusätzlich ergibt sich im Verlauf der 25 Tage eine allgemeine Verdünnung der Wandstärke über die gesamte Länge der Röhren aus dem rostfreien Stahl 304 von bis zu 0,508 mm, was einer allgemeinen Korrosionsgeschwindigkeit von 7,417 mm pro Jahr entspricht. Die Röhren aus dem rostfreien Stahl 309 zeigen im Verlaufe ucr £.~t ι ag£ CtTiC allgemeine r*u"uiiiMC uCr ·· ur,v*5tur,%w über die gesamte Länge von etwa 0,0254 mm, was einer allgemeinen Korrosionsgeschwindigkeit von etwa 0,371 mm pro ]ahr entspricht.
Nach 118 Betriebstagen werden die Röhren aus dem Stahl E entnommen und untersucht. Die Wandstärke an den Enden der Röhren hat von den anfänglichen 1,65 mm auf lediglich 1,55 bis 1,60 mm abgenommen. Weiterhin beträgt die im Verlaufe der 118 Tage erfolgte Abnahme der Wandstärke über die gesamte Länge der Röhren im Maximum etwa 0,0254 mm, was einer allgemeinen Korrosionsgeschwindigkeit von etwa 0,0787 mm/Jahr entspricht.
Aus den obigen Ergebnissen ist zu ersehen, daß die als »Stahl E« bezeichnete ferritische, rostfreie Stahllegierung eine wesentlich geringere Korrosionsgeschwindigkeit zeigt als die verschiedenen rostfreien Stähle und daß die Korrosionsgeschwindigkeit dieses Materials der von Nickel im wesentlichen äquivalent ist. Das Material stellt daher einen geeigneten Ersatz für Nickel als Werkstoff zur Herstellung von Verdampfereinheiten dar, die bei Temperaturen oberhalb etwa 5O0C für Lösungen verwendet werden, die Natriumhydroxid und Natriumchlorid enthalten.
Beispiel 9
Unter Verwendung des »Stahls E« stellt man eine Verdampfereinheit des üblichen Zwangsumlaufverdampfertyps her. Im Fall dieser Verdampfereinheit wird das Material zur Bildung der Flüssigkeitsaufnahmekammer, der Röhren und Röhrenplatten in der Dampfkammer, der Trennkammer oder des Dampfkörpers, der Leitblech^ und der Verte!!ungs?!?m?n'p innprhalh des Dampfkörpers und der Flüssigkeitsaufnahmekammer und für die Verbindungsleitungen zwischen diesen Kammern verwendet. Wenn man diese Vorrichtung zum Eindampfen einer Kathodenzellflüssigkeit einer Diaphragmen-Zelle verwendet, die etwa 11 Gew.-°/o Natriumhydroxid, 16 Gew.-% Natriumchlorid, 0,4 Gew.-% Natriumsulfat, 0,01 Gew.-% Natriumchlorat enthält und eine Temperatur von etwa 80° C aufweist, so ist die Korrosionsbeständigkeit dieser Einheiten mindestens äquivalent derjenigen vergleichbarer Einheiten, die aus Nickel hergestellt sind. Dies trifft zu, gleichgültig ob die Einheit als Einfachverdampfer, als erster Verdampfer eines Dreifachverdampfersystems oder als erster, zweiter und/oder dritter Verdampfer eines derartigen Systems eingesetzt wird.

Claims (1)

  1. Patentanspruch;
    Verdampfer zum Verdampfen, Eindampfen und/ oder Reinigen von Alkalimetallhydroxide, Alkaümetallchlorate und Alkalimetallchloride enthaltende Lösungen, umfassend eine Flüssigkeitsaufnahmekammer für die zu verarbeitenden Lösungen, eine Wänneübertragungselemente enthaltende Durchflußheizzone, eine Trennkammer zur Bildung einer Flüssigkeits-Dampf-Mischung der zu verarbeitenden Lösung, diese Kammern und diese Zonen verbindende Leitungen und in diesen Kammern, Zonen und Verbindungsleitungen angeordnete Leitbleche und Verteilungselemente, dadurch ge- is kennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Oberflächen dieser Wärmeübertragungselemente, Kammern, Zonen, Verbindungsleitungen, Leitbleche und Verteilungselemente des Verdampfers, die bei Temperaturen oberhalb etwa 50eC mit der Alkalimetallhydroxide, Alkalimetallchlorate und Alkalimetallchloride enthaltenden Lösung und/oder deren Dämpfen in Berührung stehen, aus einem ferritischen, rostfreien Stahl folgender Zusammensetzung geformt ist:
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