DE2703429A1

DE2703429A1 - Verfahren und vorrichtung zum eindampfen von fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2703429A1
Application number: DE19772703429
Authority: DE
Inventors: Shinsaku Ogawa
Original assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1976-02-06
Filing date: 1977-01-28
Publication date: 1977-08-11
Also published as: US4132588A; CA1054921A; NL168709B; GB1576432A; NL7701143A; FR2340120B1; DE2703429C2; IT1076958B; JPS5526882B2; JPS5294874A; FR2340120A1; SE7701190L; BR7700673A; NL168709C; SU1181520A3

Description

VON KREISLER SCHÖNWALD MEYER EISHOLO FUES VON KREISLER KELLER SELTING

PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler + 1973

Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. Th. Meyer, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Dr. J. F. Fues, Köln Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Soiling, Köln

Ke/Ax

SKOLNi 27. Januar 1977 DEICHMANNHAUS AM HAUCTCAHNHOf ASAHI KASEI KOGYO KABUSHIKI KAISHA,

25-1, Dojimahamadori 1-chome, Kita-ku, Osaka (Japan)

Verfahren und Vorrichtung zum Eindampfen von Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Eindampfverfahren unter Verwendung von Mehrstufen-Mehrfacheffekt-Verdampfern (multistage, multiple effect evaporators).

Mehrstufenverdampfer sind allgemein bekannt. In der heute verwendeten Bauart erfordern sie den Umlauf großer Mengen der einzudampfenden Flüssigkeit, und nur die fühlbare Wärme dieser Flüssigkeit wird in latente Wärme für die Verdampfung umgewandelt. Die getrennten Stufen sind nicht mit Heizkörpern versehen, und es ist nicht möglich, große Unterschiede in der Konzentration der umlaufenden Flüssigkeit einzustellen, während sie von einer Stufe zur nächsten geführt wird. Bei dieser Arbeitsweise sind somit die .Wärmeausnutzung und Produktionsleistung unbefriedigend.

Mehrfacheffekt-Verdampfer sind ebenfalls allgemein bekannt. Bei diesen Verdampfern wird die Wärme der in einem Effektteil ("effect") erzeugten Dämpfe zum Verdampfen von Flüssigkeit in einem anschließenden Effektteil ausgenutzt. Das System ist wirksamer als das Mehrstufensystem. UbIi-

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cherweise sind jedoch die Effektteile hintereinander geschaltet mit dem Ergebnis, daß die Wirkungsgrade der Systeme unbefriedigend sind.

Zum Eindampfen von Flüssigkeiten sind noch weitere Systeme bekannt. Zahlreiche Systeme dieser Art werden in der großtechnischen Erzeugung eingesetzt. Sie sind jedoch teuer und unwirksam im Betrieb, da sie alle die Erzeugung und Vernichtung von Wärmeenergie im Flüssigkeitsverdampf ungssystem erfordern. Man ist demzufolge laufend bestrebt, die Wärmeausnutzung in Eindampfsystemen zu verbessern.

Gegenstand der Erfindung ist ein Eindampfverfahren, bei dem man kombinierte Mehrstufen-Mehrfacheffekt-Verdampfer verwendet und die Dämpfe aus mehreren ersten Stufen in einer Mehrfacheffekt-Komponente des Systems zum Erhitzen aller Stufen in einem anschließenden Effektteil des Systems ausnutzt, wobei die Dämpfe, die zum Erhitzen einer bei einer höheren Temperatur befindlichen Flüssigkeit in einer Stufe gewählt werden, einen höheren Dampf- druck haben als die zum Erhitzen einer bei einer niedrigren Temperatur befindlichen Flüssigkeit in einer anderen Stufe gewählten Dämpfe.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Abbildungen erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Zweistufen-Doppeleffekt-Verdampfersystem, das nach dem Prinzip gemäß der Erfindung arbeitet.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausfuhrungsform der Erfindung unter Verwendung eines Fünfstufen-Doppeleffekt-Verdampfersystems. Die Abbildung veranschaulicht die Stoffbilanz und die Temperaturverteilung, die bei der Herstellung einer eingedampften wäßrigen Natriumhydroxylösung erreicht werden.

Fig. 3 ist eine ähnliche Darstellung wie Fig. 2 und

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veranschaulicht ein Vierstufen-Doppeleffekt-Verdampfersystem, das mit einem Einfachverdampfer kombiniert ist.

Das Prinzip der Erfindung läßt sich am besten unter Bezugnahme auf Fig. 1 erklären. Das gleiche Prinzip liegt den Systemen mit einer größeren Zahl von Stufen und Effekten zugrunde.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Verdampfersystem besteht die Gruppe von Verdampfern des ersten Effekts aus den Zweistufenverdampfern 11 und 12. Die Gruppe der Verdampfer des zweiten Effekts besteht aus den Zweistufenverdampfern 21 und 22. Die Stufen sind durch Trennwände 10 und 20 getrennt. Jede Stufe ist mit ihrem eigenen Heizkörper 110, 120, 210 und 220 zum Erhitzen der einzudampfenden Flüssigkeit versehen. Die Leitungen 111 und 121 für die Zuführung der Wärmeenergie können Dämpfe oder Flüssigkeiten von hoher Temperatur führende Leitungen sein. Zweckmäßig ist die Temperatur der Wärmequelle 111 wenigstens ebenso hoch wie die der Wärmequelle 121.

Die einzudampfende Lösung wird durch Leitungen 1, 112, 122 und 212, die, wie die Abbildung zeigt, die Trennwände 10 und 20 umgehen, in und durch das Verdampfersystem geführt. Die in der Stufe 11 erzeugten Dämpfe werden zum Erhitzen der Flüssigkeit in der Stufe 22 über die zum Erhitzer 220 führende Leitung 221 ausgenutzt. Die in der Stufe 12 erzeugten Dämpfe werden als Wärmequelle zum Erhitzen der Flüssigkeit in der Stufe 21 über die zum Erhitzer 210 führende Leitung 211 ausgenutzt. Hierdurch ergibt sich ein Doppeleffekt. Das durch Kondensation der Dämpfe in den Heizleitungen 210 und 220 gebildete Kondensat verläßt das System durch Leitung 2. Die durch Verdampfung in den Stufen 11, 12, 21 und 22 gebildete eingedampfte Flüssigkeit verläßt das System durch Austrittsleitung 3. Die in den Stufen 21 und 22 erzeugten Dämpfe verlassen das System durch die Leitungen 213 bzw^223. Diese Dämpfe

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könnten natürlich als Wärmequelle für einen dritten Effekt dienen.

Fig. 1 zeigt, daß der Verdampfer des ersten Effekts in zwei Stufen 11 und 12 unterteilt ist. Die Konzentration des gelösten Stoffs in der einzudampfenden Flüssigkeit ist in der Stufe 11 niedriger als in der Stufe 12. Daher ist der Anstieg des Siedepunkts in Stufe 11 geringer als in der Stufe 12. Daher haben die in der Stufe 11 erzeugten Dämpfe einen höheren Dampfdruck als die in Stufe 12 erzeugten Dämpfe. Die Dämpfe aus der Stufe 11, die einen höheren Dampfdruck als die Dämpfe aus Stufe 12 haben, können daher die Flüssigkeit in der Stufe 22 des zweiten Effektteils wirksamer erhitzen als es die Dämpfe aus der Stufe 12 vermögen.

Die Erfindung wird durch einen Vergleich mit dem üblichen Doppeleffektverdampfer besser verständlich. In einem solchen Verdampfer ist die Konzentration des gelösten Stoffs im Verdampfer des ersten Effekts ebenso hoch wie die Konzentration in der Stufe 12, und die Konzentration des gelösten Stoffs im Verdampfer des zweiten Effekts ist ebenso hoch wie die Konzentration in der Stufe 22, vorausgesetzt, daß die Konzentrationen des gelösten Stoffs die gleichen sind wie in den Leitungen 1 und 3 von Fig. 1. Daher ist der Dampfdruck des Verdampfers des ersten Effekts der gleiche wie in Leitung 211, vorausgesetzt, daß die Temperaturen der Heizquellen gleich sind. Die im zweiten Effektteil des üblichen Systems einzudampfende Flüssigkeit würde die gleiche Temperatur haben wie die Lösung in der Stufe 22, vorausgesetzt, daß die Temperaturen der Kühlmittel gleich sind. Daher muß beim üblichen Doppeleffektverdampfer der Dampf in Leitung 211 die Flüssigkeit in der Stufe 22 erhitzen. Dies ist natürlich weniger wirksam als im System gemäß der Erfindung, wo die Lösung in Stufe 22 durch die Dämpfe aus Stufe 11 mit ; höherem Dampfdruck erhitzt wird.

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Die folgenden Beziehungen kommen gemäß der Erfindung durch die Unterteilung des ersten Effektteils in die durch die Wand 10 getrennten Stufen 11 und 12 zum Tragen:

a) Die Konzentration des gelösten Stoffs ist in der Lösung in Stufe 11 niedriger als in der Lösung in Stufe 12, so daß der Dampfdruck in Leitung 221 höher ist als in Leitung 211, vorausgesetzt, daß die-Heizquellen gleich sind;

b) Die Konzentration des gelösten Stoffs in der Lösung ist in der Stufe 21 niedriger als in der Stufe 22.

c) Die Temperatur der Lösung ist in Stufe 21 niedriger als in Stufe 22.

Es ist daher offensichtlich, daß durch Anwendung des Mehrstufen-Mehrfacheffekt-Systems gemäß der Erfindung größere effektive Temperaturdifferenzen an den Erhitzern 220 und 210 geschaffen werden können. Mit anderen Worten, der gleiche Effekt kann mit weniger Wärmeübertragungsflache erreicht werden. Als Alternative ist es bei Verwendung der gleichen Heiz- und Kühlquellen wie bei üblichen Systemen möglich, eine stärker eingedampfte Flüssigkeit in der Austrittsleitung 3 zu erzeugen.

Wie Fig. 1 zeigt, strömt die einzudampfende Flüssigkeit in jedem Effektteil durch eine Reihe aufeinanderfolgender Stufen, während dies bei den Dämpfen nicht der Fall ist.

Dies steht im Gegensatz zu den üblichen Systemen, in denen sowohl die Flüssigkeit als auch die Dämpfe durch aufeinanderfolgende Stufen strömen, übliche Mehrstufen-Flashverdampfersysteme sind nicht mit Heizkörpern versehen, die den Erhitzern 110, 120, 210 und 220 der Systeme gemäß der Erfindung entsprechen.

Das vorstehend erläuterte Prinzip der Erfindung ist auf Verdampfer anwendbar, die mehrere Stufen und mehrere Effektteile aufweisen. Mit steigender Stufenzahl in jedem Effektteil wird der Konzentrierungsgrad in jeder

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folgenden Stufe geringer. Der Dampfdruck aus der Lösung In der ersten Stufe des ersten Effektteils ist der höchste, da die Lösung in dieser Stufe die niedrigeste Konzentration hat. Umgekehrt ist die Konzentration in der letzten Stufe am höchsten. Dies hat zur Folge, daß die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Flüssigkeit in der ersten Stufe des ersten Effektteils und in der letzten Stufe des zweiten Effektteils vergrößert werden kann. Es ist somit möglich, die Wärmeübertragungsfläche des ganzen Systems zu verkleinern oder eine stärker konzentrierte Lösung zu erzeugen.

Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß der Wirkungsgrad des Systems durch Hinzufügung eines dritten Effektteils mit einer mehrfachen Reihe von Stufen verbessert werden kann. Ein besonderer Vorteil des Systems gemäß der Erfindung liegt darin, daß eine Flüssigkeit von hoher Temperatur als Wärmequelle verwendet werden kann, ohne daß damit der Nachteil eines großen Temperaturabfalls, der gewöhnlich bei dieser Art von Wärmequelle auftritt, verbunden ist. Dies ist dadurch bedingt, daß die getrennten Effektteile in eine Reihe von Stufen unterteilt sind.

Der Verdampfer gemäß der Erfindung kann in Kombination mit anderen üblichen Verdampfern, z.B. Mehrstufen-Flashverdampfern, Mehrkörperverdampfern, Einfachverdampfern, Verdampfern mit Brüdenverdichtung u.dgl., betrieben werden.

Die Erhitzer 110, 120, 210 und 220 können unter Anwendung beliebiger Heizsysteme, z.B. durch natürlichen Umlauf oder Zwangsumlauf oder nach dem Prinzip des FiIm-Verdampfers, erhitzt werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die Lösung von Eindampfproblemen jeglicher Art, jedoch ist es besonders vorteilhaft für die Behandlung von hochsieden- ^! den Flüssigkeiten, weil die Temperaturdifferenzen zwischen

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den Stufen stark erhöht werden können. Das System gemäß der Erfindung kann vorteilhaft zum Eindampfen von wäßrigem Natriumhydroxyd, Kaliumhydroxyd, Zuckerlösungen u.dgl. angewendet werden.

Die Dämpfe aus dem letzten Effektteil (z.B. 213 und 223) können mit beliebigen üblichen Mitteln, z.B. mit Kühlwasser, einem barometrischen Kondensator oder Oberflächenkondensator, gekühlt werden.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert.

Beispiel 1

Dieses Beispiel wird in Verbindung mit Fig. 2 besser verständlich. Fig. 2 veranschaulicht das Eindampfen einer in einer Elektrolyse-Zelle erzeugten 18%igen wäßrigen Natriumhydroxydlösung auf eine 48%ige Lösung in einem Doppeleffekt-Verdampfersystem, in dem jeder Effektteil in fünf Stufen unterteilt ist. Die Abbildung zeigt ferner die Stoffbilanz und die Temperaturverteilung. In dieser Abbildung bedeuten t/h ^β Tonnen/Stunde und

KpA - Siedepunktsanstieg.

Durch die erste Stufe 311 im ersten Effektteil strömen stündlich 820 t 18%iges wäßriges Natriumhydroxyd als Wärmequelle und 41,6 t Lösung, die einzudampfen ist. Die Temperatur in dieser Stufe beträgt 84,4°c und der Anstieg des Siedepunktes 6,8°C. Stündlich strömen insgesamt 38,60 t 19,5%iges wäßriges Natriumhydroxyd aus Stufe 311 in Stufe 312. Stündlich werden insgesamt 3,00 t Dampf aus Stufe 311 zum Erhitzen der konzentrierten Natriumhydroxylösung in der letzten Stufe 325 des zweiten Effektteils verwendet.

Der tatsächliche Strömungsweg der einzudampfenden Lösung durch die verschiedenen Stufen in jedem Effektteil läßt sich leicht in der Abbildung verfolgen. Die aus der End-

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stufe 325 austretende Lösung ist eine 48%ige wäßrige Natriumhydroxydlösung. Die Abbildung zeigt, daß die Temperatur der einzudampfenden Lösung und des erzeugten Dampfes auf dem Wege durch die aufeinanderfolgenden Stufen im ersten Effektteil niedriger wird und auf dem Weg durch die aufeinanderfolgenden Stufen im zweiten Effektteil steigt. Das System ist so ausgelegt, daß der Dampf aus der ersten Stufe des ersten Effektteils zum Erhitzen der Lösung in der letzten Stufe des zweiten Effektteils ausgenutzt wird, so daß ein maximaler Wirkungsgrad erzielt wird.

In Fig. 2 sind die getrennten Stufen im ersten Effektteil mit 311 bis 315 und im zweiten Effektteil mit 321 bis bezeichnet. Der Dampf aus den Stufen 321 bis 325 wird vereinigt und im barometrischen Kondensator kondensiert. Kühlwasser strömt durch Leitung 331 und kondensiertes Wasser durch Leitung 341. Weiterhin ist

34 ein Katholytbehälter.

342 die durch den Kathodenraum der Elektrolyse-Zelle umzuwälzende wäßrige Natriumhydroxylösung.

343 die von der Elektrolyse-Zelle zurückgeführte 18%ige wäßrige Natriumhydroxylösung.

344 das aus dem Katholytbehälter abgetrennte Wasserstoffgas.

345 die als Beheizungsmittel verwendete 18%ige wäßrige Natriumhydroxylösung.

346 die einzudampfende 18%ige wäßrige Natriumhydroxydlösuncj.

35 eine Siebbodenkolonne, in der Wasserstoffgas ' absorbiert und gekühlt wird.

Es ist festzustellen, daß bei Verwendung eines üblichen Doppeleffekt-Verdampfersystems für die gleiche 18%ige Natriumhydroxydlösung die Temperatur im Verdampfer des

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ersten Effekts die gleiche wie in der letzten Stufe im ersten Effektteil sein würde, und die Sättigungstemperatur des erzeugten Dampfes ist ebenfalls gleich, d.h. nur 58,7⁰C. Unter diesen Bedingungen ist es offensichtlich unmöglich, 48%iges Natriumhydroxyd zu erzeugen.

Beispiel 2

Dieses Beispiel kann am besten in Fig. 3 verfolgt werden. Fig. 3 veranschaulicht die Verwendung eines Doppeleffektsystems mit vier Stufen in jedem Effektteil zum Eindampfen von wäßrigem Natriumhydroxyd von 25 Gew.-% auf 48 Gew.-%. Das System ist mit einem Einstufenverdampfer 46 kombiniert. Die Abbildung zeigt die Stoffbilanz und die Temperaturverteilung. In der Abbildung bedeuten

411 bis 414 die Stufen im ersten Effektteil;

421 bis 424 die Stufen im zweiten Effektteil;

43 einen barometrichen Kondensator; 431 Kühlwasser;

44 einen Katholytbehälter;

441 kondensiertes Wasser aus dem zweiten Effektteil;

442 wäßrige Natriumhydroxydlösung, die zum Kathodenraum der Elektrolyse-Zelle geführt wird;

443 wäßrige Natriumhydroxydlösung, die von der Elektrolysezelle zurückgeführt wird;

444 Wasserstoffgas aus dem Katholytbehälter;

445 wäßrige Natriumhydroxydlösung, die als Beheizungsmittel verwendet wird;

446 wäßrige Natriumhydroxydlösung, die einzudampfen ist;

45 eine Siebbodenkolonne zum Kühlen und Absorbieren des Wasserstoffs;

46 einen Einstufenverdampfer und

461 wäßrige Natriumhydroxydlösung, die als Beheizungsmi ttel für den Einstufenverdampfer verwendet wird.

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Die vorstehende Beschreibung zeigt eindeutig, daß die besondere Verbesserung gemäß der Erfindung in der Unterteilung jedes Effektteils in einem Mehrfacheffekt-Verdampfungssystem in eine Anzahl von Stufen und in der Verwendung des Wärmegehalts in den Dämpfen aus der Stufe mit dem höchsten Dampfdruck in einem Effektteil zum Erhitzen der Flüssigkeit in einer Stufe im nächsten folgenden Effektteil liegt. Die wirksamste Ausnutzung der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird erzielt, wenn die Dämpfe aus der ersten Stufe eines Effektteils zum Erhitzen der Flüssigkeit in der letzten Stufe im nächsten folgenden Effektteil verwendet werden.

Es ist natürlich auch möglich, die Dämpfe aus benachbarten Stufen in einem Effektteil zu vereinigen, um eine Stufe in einem folgenden Effektteil zu erhitzen. Beispielsweise könnte bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform die Stufe 325 weggelassen werden, und die Dämpfe aus den Stufen 311 und 312 könnten zum Erhitzen der Stufe 324 vereinigt werden. Diese Arbeitsweise ist nicht so wirksam wie die in Fig. 2 tatsächlich dargestellte Arbeitsweise. Sie könnte jedoch durch Kombination mit einem anderen Verdampfertyp verbessert werden, wie in Fig. 3 dargestellt.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Eindampfen von Flüssigkeiten in mehreren Stufen in einem Mehrstufen-Mehrfacheffekt-Verdampfungssystem, wobei man die in einem Effektteil aus einer zum Eindampfen durch aufeinanderfolgende Effektteile strömenden Flüssigkeit erzeugten Dämpfe zum Erhitzen eines folgenden Effektteils verwendet, dadurch gekennzeichnet, daß man in einem Mehrstufen-Mehrfacheffekt-Verdampfungssystem, in dem jeder Effektteil in mehrere Stufen unterteilt ist, die in den Stufen eines Effektteils erzeugten Dämpfe zum Erhitzen der Flüssigkeit in jeder Stufe des nächsten folgenden Effektteils verwendet, wobei die zum Erhitzen einer bei einer höheren Temperatur befindlichen Flüssigkeit in einer Stufe verwendeten Dämpfe einen höheren Dampfdruck haben als die zum Erhitzen einer bei niedrigerer Temperatur befindlichen Flüssigkeit in einer anderen Stufe verwendeten Dämpfe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Dämpfe aus der ersten Stufe eines Effektteils zum Erhitzen der Flüssigkeit in der letzten Stufe des anschließenden Effektteils verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Dämpfe aus der Stufe mit dem höchsten Dampfdruck mit den Dämpfen aus der nächsten folgenden Stufe vereinigt und die vereinigten Dämpfe zum Erhitzen der Flüssigkeit in der letzten Stufe eines folgenden Effektteils verwendet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man in jedem Effektteil die gleiche Zahl von Stufen verwendet. ;

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man mit zwei Effektteilen arbeitet.

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6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die einzudampfende Flüssigkeit im ersten Effektteil mit der fühlbaren WSrme einer Flüssigkeit erhitzt, die nacheinander durch Erhitzer in aufeinanderfolgenden Stufen strömt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man wäßrige Natriumhydroxydlösungen eindampft.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als Natriumhydroxydlösung das Produkt der Elektrolyse von wäßrigem Natriumchlorid in einer Elektrolyse-Zelle eindampft.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Natriumhydroxydlösung in zwei Ströme unterteilt und einen Strom als Quelle der fühlbaren Wärme im ersten Effektteil und den anderen Strom als einzudampfende Flüssigkeit verwendet.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Effektteil in wenigstens zwei Stufen unterteilt und in jeder Stufe ein Erhitzer angeordnet ist.

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