DE2703429C2

DE2703429C2 - Verfahren zum Eindampfen von Lösungen fester Stoffe in einem Mehrstufen-Zweifacheffekt-Verdampfungssystem

Info

Publication number: DE2703429C2
Application number: DE2703429A
Authority: DE
Inventors: Shinsaku Nobeoka Miyazaki Ogawa
Original assignee: Asahi Kasei Kogyo KK
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 1976-02-06
Filing date: 1977-01-28
Publication date: 1983-01-27
Also published as: FR2340120A1; JPS5294874A; CA1054921A; NL168709B; IT1076958B; US4132588A; DE2703429A1; NL7701143A; JPS5526882B2; SE7701190L; NL168709C; BR7700673A; SU1181520A3; GB1576432A; FR2340120B1

Description

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

Mehrfacheffekt-Verdampfer sind ebenfalls allgemein bekannt. Bei diesen Verdampfern wird die Wärme der in einem Effektteil erzeugten Brüden zum Verdampfen der Lösung in einem anschließeiden Effekttej) ausgenutzt. Das System ist wirksamer als das Mehrstufensystem. Üblicherweise sind jedoch die Effektteile hintereinander geschaltet mit dem Ergebnis, daß die Wirkungsgrade der Systeme unbefriedigend sind.

Zum Eindampfen von Lösungen sind noch weitere Systeme bekannt, die zwar in der großtechnischen Erzeugung eingesetzt werden, aber teuer uno unwirksam im Betrieb sind, da sie alle die Erzeugung und Vernichtung von Wärmeenergie im Verdzmpfungssystem erfordern. Man ist demzufolge laufend bestrebt die Wärmeausnutzung in Eindampfungssystemen zu verbessern, was auch Aufgabe der Erfindung ist, nämlich ein verbessertes Verfahren zum Eindampfen von Lösungen fester Stoffe in mehreren Stufen in einem Mehrstufen-Mehrfacheffekt-Verdampfungssystem verfügbar zu machen, wobei man die in einem Effoktteil aus einer zum Eindampfen durch aufeinanderfolgende Effektteile strömenden Lösung erzeugten Brüden zum Erhitzen eines folgenden Effektteils verwendet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man in einem Mehrstufen-Zweifacheffekt-Verdampfungssystem, in dem jeder der beiden Effektteile in mehrere Stufen unterteilt ist, die in den Stufen des einen Effektteils erzeugten Brüden zum Erhitzen der Lösung in jeder Stufe des anschließenden Effektteils verwendet, wobei die zum Erhitzen einer bei einer höheren Temperatur befindlichen Lösung in einer Stufe verwendeten Brüden einen höheren Brüdendruck haben als die zum Erhitzen einer bei niedrigerer Temperatur befindlichen Lösung in einer anderen Stufe verwendeten Brüden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Zweistufen-Zweifacheffekt-Verdampfersystem, das nach dem Prinzip gemäß der Erfindung arbeiteL

Fig.2 zeigt eine andere Ai-sführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Fünfstufen-Zweifacheffekt-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 veranschaulicht ein Vierstufen-Zweifacheffekt-Verdampfersystem, das mit einem Einfachverdampfer kombiniert ist.

Das Prinzip der Erfindung läßt sich am besten unter Bezugnahme auf F i g. 1 erklären. Das gleiche Prinzip liegt den Systemen mit einer größeren Zahl von Stufen der Zweifacheffekte zugrunde.

Bei dem in Fig. I 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 f 10, 120, 210 und 220 zum Erhitzen der einzudampfenden Lösung versehen. Die Leitungen 111 und 121 für die Zuführung der Wärmeenergie können solche sein, die Brüden oder Lösungen von hoher Temperatur führen. 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 gifübrt Die in der Stufe 11 erzeugten Brüden werden zum Erhitzen der Lösung in der Stufe 22 Ober die zum Erhitzer 220 führende Leitung 221 ausgenutzt. Die in der Stufe $2 erzeugten Brüden werden als Wärmequelle zum Erhitzen der Lösung in der Stufe 21 über die zum Erhitzer 210 führende Leitung 211 ausgenutzt. Hierdurch ergibt sich ein Doppeleffekt Das durch Kondensation der Brüden in den Heizleitungen 210 und 220 gebildete Kondensat verläßt das System durch Leitung Z Die durch Verdampfung in den Stufen 11,12,21 und 22 gebildete eingedampfte Lösung verläßt das System durch Austrittsleitung 3. Die in den Stufen 21 und 22 erzeugten Brüden verlassen das System durch die Leitungen 213 bzw. 223. Diese Brüden könnten natürlich noch als Wärmequelle für einen dritten Effekt dienen.

F i g. 1 zeigt, daß der Verdampfer des ersten Effekts in zwei Stufen 11 und 12 unterteilt ist. Die Konzentration des gelösten Stoffs in der einzudampfenden Lösung ist in der Stufe 11 niedriger als in der Stufe IZ Daher ist der Anstieg des Siedepunkts in Stufe 11 geringer als in der Stufe IZ Daher haben die in der Stufe 11 erzeugten Brüden einen höheren Druck als die in Stufe 12 erzeugten Brüden. Die Brüden aus der Stufe 11, die einen höheren Druck als die Brüden aus Stufe \2 haben, können daher die Lösung in der Stufe 22 des zweiten Effektteils wirksamer erhitzen als es die Brüden aus der Stufe 12 vermögen.

Die Erfindung wird durch einen Vergleich mit dem üblichen Zweifacheffektverdampfer 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 IZ und die Konzentration des gelösten Stoffs im Verdampfer des zweiten Effekts ist ebenso hoch wie die Konzentration in der Stufe ZZ vorausgesetzt, daß die Konzentrationen des gelösten Stoffs die gleichen sind wie in den Leitungen 1 und 3 von Fig. 1. Daher ist der Brüdendruck 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 Lösung würde die gleiche Temperatur haben wie die Lösung in der Stufe 2Z vorausgesetzt, daß die Temperaturen der Kühlmittel gleich sind. Daher müssen beim üblichen Zweifacheffektverdampfer die Brüden in Leitung 211 die Lösung in der Stufe 2?. erhitzen. Dies ist natürlich weniger wirksam als im System gemäß der Erfindung, wo die Lösung in Stufe 22 durch die Brüden aus Stufe 11 mit höherem Brüdendruck erhitzt wird.

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 Brüdendruck 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 Mchrsiufcn-Zwcifach:ffckl-.Systems gemäß der Rrfindung größere effektive Tcmperiitiirdiffcrcnzcn an den Erhitzern 220 und 210 geschaffen werden können. Mit anderen Worten, der gleiche Effekt kann mit weniger Wärmeübertragungsfläche erreicht werden. Als Alternative ist es bei Verwendung der gleichen Heiz- unci Kühlquellen wie bei üblichen Systemen möglich, eine stärker eingedampfte Lösung in der Austrittsleitung 3 zu erzeugen.

Wie Fig. 1 zeigt, strömt die einzudampfende Lösung in jedem Effektteil durch eine Reihe aufeinanderfolgender Stufen, während dies bei den Brüden nicht der Fall ist. Dies steht im Gegensatz zu den üblichen Systemen, in denen sowohl die Lösung als auch die Brüden 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 der zwei Effektieile aufweisen. Mit steigender Stufenzahl in jedem Effektteil wird der Konzentrierungsgrad in jeder folgenden Stufe geringer. Der Brüdendruck aus der Lösung in der ersten Stufe des erstei. iiffektteils ist der höchste, da die Lösung in dieser Stufe Jie niedrigste Konzentration hat Umgekehrt ist die Konzentration in der letzten Stufe am höchsten. Dies hat zur Folge, daß die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Lösung i'.i 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.

Ein besonderer Vorteil des Systems gemäß der Erfindung liegt darin, daß eine Lösung 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-Flash Verdampfern, Mehrkörperverdampfern, Einfachverdampfern, Verdampfern mit Brüdenverdichtung u. dgl., betrieben werden.

■»5 Die Erhitzer 110, 120, 210 und 220 können unter Anwendung beliebiger Heizsysteme, z. B. durch natürlichen Umlauf oder Zwangsumlauf oder nach dem Prinzip des Filmverdampfers, erhitzt werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die Beherrschung von Eindampfproblemen jeglicher Art, jedoch ist es besonders vorteilhaft für die Behandlung von hochsiedenden Lösungen fester Stoffe, weil die Temperaturdifferenzeri zwischen den Stufen stark erhöht werden können. Das System gemäß der Er?incLng kann vorteilhaft zum Eindampfen von wäßrigem Natriumhydroxyd, Kaliumhydroxyd, Zuckerlösungen u. dgl. angewendet werden.

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

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert.

_h- Be is ρ i e I I

Dieses fHspiel wird in Verbindung mit F-" i g. 2 besser vci ständlich. F-'ig. 2 veranschaulicht das FLindampten einer in einer Filektrolyse-Zclle erzeugten I8%igen

wäßrigen Natriumhydroxydlösung auf eine 48%ige Lösung in einem Zwcifaeheffi-kt Verdampfcrsystem. in dem jeder der beiden Effeklieile in fünf Stufen unterteilt ist. Die Abbildung /eigl Ferner die Sloffbilanz und die Temperaturverteilung. In dieser Abbildung bedeuten l/h = Tonnen/Stunde und KpA = .Siedepunktsanstieg.

Durch die erste Stufe Jl I im ersten Effekitcil strömen stündlich 820 ι I8%igcs wäßriges Natriumhydroxyd als Wärmequelle und 41.6 t Lösung, die einzudampfen ist. Die Temperatur in dieser Stufe betrügt 84,4 C und der ί> Anstieg des Siedepunktes 6,8°C Stündlich strömen insgesamt J8.bO t l9.5°/mges waldiges Natriumhydroxyd aus Stufe 311 in Stufe 312. Stündlich werden insgesamt 3.00 t Brüden aus Stufe 311 /um Erhitzen der konzentrierten Natriumhydroxylösung in der let/ten ι. Stufe 325 des zweiten Effeklteils verwendet.

Der tatsächliche .Strömungsweg der einzudampfenden Lösung durch die verschiedenen Stufen in jedem F.ffeklleil läßt sich leicht in der Abbildung verfolgen. Die aus der Endstufe )25 austretende Lösung ist eine :> 48%ige wäßrige Natriumhydroxydlösung. Die Abbildung zeigt, dab die Temperatur der einzudampfenden Lösung und der erzeugten Brüden auf dem Wege durch die aufeinanderfolgenden Stufen im ersten Effektteil niedriger wird und auf dem Weg durch die aufeinanderfolgenden Stufen im /weiten Effektteil steigt. Das System ist so ausgelegt, daß die Brüden aus der ersten Stufe des ersten Effektteils zum Erhitzen der Losing in der letzten Stufe des zweiten F.ffektteils ausgenutzt wird, so daß ein maximaler Wirkungsgrad erzielt wird. n>

In F i g. 2 sind die getrennten Stufen im ersten Effektteil mi'. 311 bis 315 und im zweiten Effektteil mit 321 bis 325 bezeichnet. Die Brüden aus den Stufen 321 bis 325 weiden vereinigt und im barometrischen Kondensator 33 kondensiert. Kühlwasser strömt durch r, Leitung 331 und kondensiertes Wasser durch Leitung 341. Weiterhin ist

34 ein Ka'holytbehälter.

342 die durch den Kathodenraum der Elektrolyse-Zelle umzuv.ulzende wäßrige Njtriumhyclroxvlösung.

343 die von der Elektrolyse-Zelle zurückgeführte I8%ige wäßrige Natriumhydroxylösung.

344 das ,ms dem Katholytbehältcr abgetrennte Wasserstoffgas.

345 die als ßeheizungsmiuel verwendete I8ⁿ/oige wäßrige Natriumhydroxylösung.

346 die einzudampfende IS^oige wäßrige Natrium hvdroxydlösu ng.

35 eine Siebbodenkolonne. in der Wasserstoffgas absorbie. i und gekühlt wird.

Es ist festzustellen, daß bei Verwendung eines üblichen Zweifacheffekt-Verdampfersystems für die gleiche 18%ige Natriumhydroxydlösung die Tempera- "·ί tür im Verdampfer des ersten Effekts die gleiche wie in der letzten Stufe im ersten Effekttei! sein würde, und die Sätiigungstemperatur der erzeugten Brüden ist ebenfalls gleich, d. h. nur 58,7"C. Unter diesen Bedingungen ist es offensichtlich unmöglich, 48"/nigcs Natriumhydroxyd zu erzeugen.

Beispiel 2

Dieses Beispiel kann am besten in F i e. 3 verfolgt werden. Fig. J veranschaulicht die Verwendung eines Zwcifacheffckisvstems mit vier Stufen in jedem Effekiieil /um Eindampfen von wäßrigem Natriumhydroxyd von 2") Ciew.-% auf 48 GcW₁-¹¹A. Das System ist mil einem Linslufenverdampfer 46 kombiniert. Die Abbildung zeigt die Stoffbilanz und die Ten pcraturverteilung. In der Abbildung bedeuten

411 bis 414 die Stufen im ersten Effektlcil;

421 bis 424 die Stufen im zweiten Effektteil;

43 einen barometrischen Kondensator: 431 Kühlwasser;

44 einen Kaiholyibehältcr:

441 kondensiertes Wasser aus dem zweiten Effekt-

tCii'.

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:

4-f·... wäßrige Natriumhydrowdlösung. die einzudampfen ist;

45 eine Siebbodenkolonne zum Kühlen und Absorbieren des Wasserstoffs;

46 einen Einstufenverdamyfer und

461 wäßrige Natriumhydroxydlösung. die als Beheizungsmittel für den Einstiifenverdampfer verwendet wird.

Die vorstehende Beschreibung zeigt eindeutig, daß die besondere Verbesserung gemäß der Erfindung in der Unterteilung jedes Effektteils in einem Zweifacheffekt-Verdampfungssystem in eine Anzahl von Stufen und in der Verwendung des Wärmegehalts in den Brüden aus der Stufe mit dem höchsten Brüdendruck in dem einen Effektteil zum Erhitzen der Flüssigkeit in einer Stufe im anschließenden Effektteil liegt. Die wirksamste Ausnutzung wird erfindungsgemäß erzielt, wenn die Brüden aus der ersten Stufe des einen Effektteils zum Erhitzen der Lösung in der letzten Stufe des anschließenden Effektteils verwendet werden.

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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zum Eindampfen von Lösungen fester Stoffe in mehreren Stufen in einem Mehrstufen-Mehrfacbeffekt-Verdampfungssystem, wobei man die in einem Effektteil aus einer zum Eindampfen durch aufeinanderfolgende Effektteile strömenden Lösung erzeugten Brüden zum Erhitzen eines folgenden Effektteils verwendet, dadurch ₎₀ gekennzeichnet, daß man in einem Mehrstufen-Zweifacheffekt-Verdampfungssystem, in dem jeder der beiden Effektteile in mehrere Stufen unterteilt ist, die in den Stufen des einen Effektfeils erzeugten Brüden zum Erhitzen der Lösung in jeder _)ä Stufe des anschließenden Effektteils verwendet, wobei die zum Erhitzen einer bei einer höheren Temperatur befindlichen Lösung in einer Stufe verwendeten Brüden einen höheren Brüdendruck haben als die zum Erhitzen einer bei niedrigerer Temperatur befindlichen Lösung in einer anderen Stufe verwendeten Brüden.

2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Brüden aus der ersten Stufe des einen Effektteils zum Erhitzen der Lösung in der letzten Stufe des anschließenden Effektteils verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Brüden aus der Stufe mit dem höchsten Brüdendruck mit den Brüden aus _M der nächsten folgenden Stufe vereinigt und die vereinigten Brüden zum Erhitzen der Lösung in der letzten Stufe des anscnließencfen Effektteils verwendet.

4. Verfahren nach Anspruv.i 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man in jedem der beiden Effektteile die gleiche Zahl von Stufen verwendet

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die einzudampfende Lösung im ersten Effektteil mit der fühlbaren Wärme einer Lösung erhitzt, die nacheinander durch Erhitzer in aufeinanderfolgenden Stufen strömt.

6. Anwendung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 5 zum Eindampfen einer das Produkt der Elektrolyse von wäßrigen Natriumchlorid darstellenden wäßrigen Natriumhydroxidlösung mit der Maßgabe, daß man die Natriumhydroxidlösung in zwei Ströme unterteilt und einen Strom als Wärmequelle im ersten Effektteil und den anderen Strom als einzudampfende Lösung verwendet.