DE2913947A1

DE2913947A1 - Verfahren und vorrichtung zum inberuehrungbringen von mehrphasigen systemen

Info

Publication number: DE2913947A1
Application number: DE19792913947
Authority: DE
Inventors: Francois Prudhon; Augustin Scicluna; Jean-Michel Verdier
Original assignee: Rhone Poulenc Industries SA
Current assignee: Rhone Poulenc Industries SA
Priority date: 1978-04-10
Filing date: 1979-04-06
Publication date: 1979-10-18
Also published as: FR2422435A1; GR67714B; DE2913947C2; IL57021A0; BE875435A; NL7902759A; ZA791648B; AT378694B; TR20149A; LU81130A1; FI74216B; ATA268379A; MX6633E; JPS5916481B2; GB2021427A; DK151181C; AU523149B2; SU982528A3; AU4562379A; BR7902180A

Description

PATENTANWALT!: '

WUESTHOFF-Y. PECHMATSl N - BEHRENS - GOETZ

PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE MANDATAIRES AGREES PRES L¹OFFICE EUROPEEN DES BREVETS

DR.-ING. FRANZ VUESTHOFF DR. PHIL. FREDA TPUESTHOFF (1927-I916) DIPL.-ING. GERHARD POLS (1952-I971) DIPL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHMANN DRYING. DIETER BEHRENS DIPL.-ING.; DIPL₁-TIRTSCh₁-ING. RUPERT GOETZ

D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2 telefon: (089) 66 20 ji telegramm: protectpatent telex: 524070

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; Rhone-Poulenc

Pat entanmeldung

Anmelder:

RHONE-POULENC INDUSTRIES 22, avenue Montaigne 75 - Paris (8eme) Frankreich

Titel:

Verfahren und Vorrichtung zum Inberührungbringen von mehrphasigen Systemen

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DR.-ING. FRANZ VUESTHOFF

PATENTANWÄLTE _DK_ _{pHIU FEEDA} ^_UESTHOff (1927-19J6)

WUESTHOFF - v. PECHMANN - BEHREx\^TS - GOET2 dipping, gerhard puls (X₉J₁-I₉₇I)

ίΤ DIPL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHMANN

PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE DK..-ING. DIETER BEHRENS

).;aNDATAIRES AGREES I'llES l'oFFICE EUROPEEN DES BREVETS DIPL.-ING.; DIFL.-VIRTSCH.-ING. RUPERT GOETZ

D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2

telefon: (0S₉) 66 20 ji telegramm: protectpatent telex: 524070

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Anm.: Rhone-Poulenc

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Inberührungbringen von Substanzen, die in zumindest zwei verschiedenen Phasen vorliegen.

In der FR-PS 2 257 326 und DE-OS 24 29 291 wird ein Verfahren zum Inberührungbringen von mehrphasigen Systemen beschrieben, bei dem eine symmetrische schraubenförmige Strömung erzeugt und mindestens eine Phase in der Rotationsachse bis zu der durch die schraubenförmige Strömung erzeu ten Depressionszone eingeführt wird, wobei die Geschwindigkeit der axialen Phase 0,03 bis 3 m/s und die Bewegungsgröße der schraubenförmigen Strömung mindestens das 100-fache, vorzugsweise das 1 000- bis 10 000-fache, der Bewegungsgröße der axialen Phase bzw. geradlinigen Strömung beträgt, so daß diese geradlinige Strömung durch Übertragung der Bewegungsgröße der schraubenförmigen Strömung aufgeteilt wird.

Ein großer Vorteil dieses Verfahrens lißgt darin, daß es er-

.die möglicht, den idealen Bedingungen für/Dispersion nahe zu kommen, bei denen ein Volumenelement der behandelnden Phase während der Gesamtdauer der Behandlung mit einem Volumenelement der behandelten Phase vereinigt ist, so daß alle Volumenelemente der behandelten Phase die gleiche Behandlung erfahren.

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χ bzw. Quell-Wirbelströmung /2

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Außerdem ermöglicht ein solches Verfahren, mit einem sehr guten thermischen Nutzeffekt zu arbeiten, weil es zu einem Flash-Reaktor bzw. Schnellreaktor führt, der bezüglich der Konzentration variierbar, d.h. im Sinne einer Kolbenförderung arbeitet, aber in dem die Temperatur homogen ist.

Es lassen sich auf diese Weise auch sehr temperaiürempfindliche Stoffe behandeln, und zwar mit sehr heißen Gasen, trotzdem die zu behandelnde Substanz nur relativ niedere Temperaturen verträgt. Man kann beispielsweise auf diese Weise Milchpulver herstellen mit Gasen, die eine Temperatur von etwa 500⁰C aufweisen, während die Milch nicht über etwa 80⁰C erhitzt werden soll.

Ein weiterer Vorteil des bekannten Verfahrens liegt darin, daß man in kompakten Anlagen mit sehr guten Energieausbeuten trocknen und verdampfen kann. Man hat dieses Verfahren auch schon zum Konzentrieren von Säuren wie Schwefelsäure oder Phosphorsäure angewandt (I¹R-PS 2 257 326). ·

Es hat sich aber gezeigt, daß mehrere ^Probleme auftreten, vor allem bei der Trennung der Phasen nach der Behandlungo

Deshalb werden in einem älteren Vorschlag entsprechend der DE-OS 28 02 748 (PR-OS 77.02015) die Trennung der Phasen durch eine plötzliche Änderung der Geschwindigkeit mindestens einer der Phasen unter Beibehaltung der allgemeinen Strömungsrichtung der Phasen bewirkt.

Mit Hilfe dieses Verfahrens läßt sich ζ_Λ B. in einer einzigen Stufe Phosphorsäure mit mehr als 60 $ ^?®5 erhalten, d. h. prak-

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tisch Superphosphorsäure bzw. Polyphosphorsäure, während bei den bis dahin bekannten Verfahren stets in zwei Stufen gearbeitet werden mußte.

Leider wird dieses Konzentrierungsverfahren manchmal durch Verunreinigungen bzw. Begleitstoffe stark erschwert. Dies trifft beispieslweise zu für die Konzentrierung von Rückstands-Schwefelsäure, die bei der Herstellung von Titanpigmenten anfällt. Hier wirkt sich die Anwesenheit von Eisen sehr störend aus, da sich Eisensalze bilden.

Es wurde nun gefunden, und dies ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, daß man die bekannten Schwierigkeiten vermeiden kann, wenn man das Verfahren der FR-PS 2 257 326 anwendet und eine Zerstäubung mittels Übertragung von Bewegungsgröße bewirkt; das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man auf der Höhe der Zone der Phasenberührung eine Kühlzone vorsieht. Gemäß dem bekannten Verfahren wird, wie bereits angegeben, eine Phase mit Hilfe einer schraubenförmigen Strömung oder Quell-Wirbelströmung eingebracht, die symmetrisch ist bezogen auf eine axiale Phase, welche in die Rotationsachse/Ser Quell-Wirbelströmung bis zu der durch diese erzeugten Depressionszone bzw. dem Unterdruckbereich eingeführt wird, so daß die axiale oder geradlinig eingebrachte Phase durch die Quell-Wirbelströmung zerstäubt wird.

Erfindungsgemäß wird auf dem Niveau der Zerstäubungszone und um diese herum ein Kühlelement vorgesehen, das auf einer solchen Temperatur gehalten wird, daß sich eine flüssige Phase bildet, welche die Wand dieser Kühlzone kontinuierlich benetzt und wäscht und auf diese Weise die Abscheidung von Feststoff aus der Lösung auf dieser Wand in dieser sehr heißen Zone verhindert.

Anders gesagt, die Temperatur an dieser Wand muß bei mehr oder weniger (in etwa) dem Taupunkt des Mediums entsprechen.

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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Vorrichtung ausgeführt werden, wie sie in der FR-PS 2 257 326 beschrieben ist; sie umfaßt einen Mischkopf, der sich zusammensetzt aus einem Rotationskörper als Ummantelung bzw. einem Hüllrohr, das stromabwärts in ein Übergangsrohrstück übergeht, welches einen verengten kreisrunden Auslaß aufweist, beispielsweise Diaphragma oder noch bequemer eine Einschnürung, ein perforiertes Innenrohr, beispielsweise konisch, das mit dem Hüllrohr einen Ringraum ausbildet, in welchen zumindest eine tangentiale Zuführung mündet, so daß eine schraubenförmige Strömung bzw. Quell-Wirbelströmung entsteht, sowie einer axialen, beispielsweise zylindrischen Zuleitung entlang der Symmetrieachse der Quell-Wirbelströmung, die auf der Ebene des verengten kreisrunden Auslasses mündet in einer Entfernung, die mehr oder weniger gleich ist dem Durchmesser dieses Auslasses.

Am Ausgang.dieses Mischkopfes ist allgemein ein Aufnahme-Organ vorgesehen, entweder in Form eines Doppelkegels wie in der FR-PS 2 257 326 beschrieben, in welchem die Berührung der Phasen miteinander erfolgt und verlängert durch einen Zyklon, in welchem die Phasentrennung erfolgt, oder in Form eines zylindrischen Rohres, das in seinem stromabwärtsgerichteten Teil fest verbunden ist mit einem Übergangsrohrstück (Stutzen) mit größerem Querschnitt.

Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Kühlelement vorgesehen und zwar stromabwärts von dem Mischkopf.

Dieses Kühlelement kann am Kopf des Aufnahmebehälters oder am Ausgang des Kopfes, in welchem die Strömungen gebildet werden, vorgesehen sein oder zwischen dem Kopf für die Zerstäubung und dem Aufnahmebehälter, Doppelkegel oder Schacht bzw. Stutzen, der als Reaktor dient, angeordnet sein.

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Das Kühlelement besteht in einfacher Weise aus einer Hülse oder Muffe, beispielsweise aus Graphit, die von einer kalten Flüssigkeit durchströmt wird, beispielsweise "Gilotherirf¹, Wasser und anderes mehr. Selbstverständlich kann die Kühlung auch auf beliebig anderer Weise bzw. mit anderen Mitteln bewirkt werden, die den gleichen Effekt erzeugen«

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf das Einengen von Schwefelsäure oder Phosphorsäure beschränkt, sondern kann auch auf Chromsäure angewandt werden, auf Lösungen, die zum Abbeizen von Blechen verwendet wurden und auf beliebig andere Lösungen, die eingeengt bzw. konzentriert v/erden sollen.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß vor allem beim Aufarbeiten von Rest-Schwefelsäure, die als Verunreinigung Eisen enthält, diese Verunreinigung leicht und in völlig unerwarteter Weise als Eisen(ll)-sulfat-monohydrat abgetrennt werden kann. '

Vorteilhafterweise wird eine schwefelsaure Lösung behandelt, die 200 bis 300 g/l H₂SO^ sowie 30 bis 60 g/l Eisen enthält, indem man Luft einführt bei einer Temperatur von 750 bis 1 050⁰C unter Anwendung eines Kühlelementes, das von einem bei 50 bis 95°C gehaltenen fließfähigem Medium durchströmt wird, so daß die Austrittstemperatur der Gasphase 150 bis 200⁰C beträgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu ebenfalls bemerkenswerten Ergebnissen, wenn Phosphorsäure konzentriert wird, weil mit seiner Hilfe in einem einzigen Arbeitsgang eine Konzentrierung bis zu mehr als 65 % ^⁰S ^ausgehend ^νο*ι einer 25 %igen Lösung erreicht wird.
Vorteilhafterweise beträgt die Eintrittstemperatur 750 bis

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1 050⁰C, die Temperatur des fließfähigen Mediums im Kühlelement 50 bis 95⁰C und die Austrittstemperatur der Gasphase 150 bis 300⁰C.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Ausführungsbei-

.en spiele und die beigefügte Zeichnung/noch näher erläutert.

Die Gesamtvorrichtung gemäß Fig. 1 setzt sich zusammen aus einem (Misch-) Kopf 1, einem Kühlelement 2, einem Doppelkegel 3, einem Zyklon 4, einem Vorratsbehälter 5 zur Aufnahme der Lösung, die konzentriert werden soll^und aus einem Filter 6. Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung ist mit der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung identisch mit der Ausnahme, daß anstelle des Doppelkegels ein zylindrisches Rohr 7 vorgesehen ist.

Fig. 3 zeigt schematisch den Kopf 1. Dieser umfaßt einen zylindrischen Körper 8, einen perforierten kegelstumpfförmigen Mantel 9 mit verengtem Auslaß 10, eine axiale Zuleitung 11 und eine tangential einmündende Zuleitung 12 für die Gasphase.

Fig. 4 zeigt das Kühlelement bzw. die Kühlmuffe 2 bestehend aus einem Körper aus Graphit 13 mit einer Kühlmittelleitung 14, die von einem Kühlmedium durchströmt wird.

In den folgenden Beispielen wurde ein Mischkopf 1 mit einem Durchmesser über alles von 270 mm und Höhe 120 mm verwendet; der Durchmesser des verengten Auslasses betrug 45 mm, der Durchmesser des größten Querschnittes des perforierten konischen Mantels 166 mm.

Das Kühlelement war insgesamt 120 mm lang und 66 mm hoch. Der Durchmesser des kleinsten Querschnittes betrug 24 mm und der Scheitelwinkel des Kegels 90°. Die Kühlflüssigkeit bestand aus Wasser von Raumtemperatur, so daß im Graphitblock eine Temperatur von etwa 70⁰C eingehalten wurde.

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Beispiel 1

In diesem Beispiel wurde eine Lösung reiner Schwefelsäure in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 jedoch ohne Kühlelement konzentriert.

Die Eintrittstemperatur betrug 800⁰C, die Austrittstemperatur der Luft 165°C. Es wurden stündlich SO nP Luft unter 3500mm Wasser*und 46,5 kg Flüssigkeit (flüssige Phase) eingebracht.

Ausgehend von einer 23 %igen Schwefelsäure erhielt man unmittelbar eine 69 %ige Schwefelsäure.

Beispiel 2

In einer Vorrichtung gemäß Fig. 2 jedoch ohne Kühlelement wurde eine reine Phosphorsäure, die 25 % PpO₁- enthielt, unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 behandelt, d.h. Eintrittstemperatur 80O⁰C, Luftmenge 80 m /h unter 3500mm Wasser, Austrittstemperatur· 185°C und Flüssigkeitsmenge. Man erhielt eine konzentrierte Phosphorsäurelösung mit 65 % PpO₁-, Diese Phosphorsäure lag, wie es die Theorie der Reorganisation (Umlagerung) für reine Säuren vorsieht, vollständig als Ortho-Säure vor.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wurde eine bei der Herstellung von TiOp-Pigmenten anfallende Rest-Schwefelsäure aufgearbeitet, die 250 g/l H₂SO^ und 50 g/l Eisen enthielt. Die Behandlung erfolgte zunächst in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1, jedoch ohne Kühlelement. Dabei setzte die Vorrichtung sehr schnell zu.

Darauf wurde das erfindungsgemäß vorgesehene Kühlelement zwischengeschaltet und bei einer Temperatur von 70⁰C gehalten.
Die übrigen Bedingungen lauteten wie folgt:

- Eintrittstemperatur 85O⁰C

- Luft-Austrittstemperatur 16O°C

- Luftmenge 80 m /h unter 3500mm Wasser

*(3500mm WS)

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- J? - 1A-52 062

- Flüssigkeitsmenge 40 kg/h.

Man erhielt eine Lösung, die 1 030 g freies H₂SO^; sowie 4 g Eisen je Liter enthielt,· dies entspricht einer schwefel sauren Lösung mit 64 % freies H₂SO^. In diesem Falle ließ sich das Eisen leicht durch einfaches Dekantieren in Form von Eisen(ll)-sulfat-monohydrat abtrennen, das bei Zunahme der Konzentration ausfiel.

Beispiel 4 ■

Mit einer Vorrichtung gemäß Beispiel 3, d.h. entsprechend Fig. 1 und mit einem bei 70⁰C gehaltenen Kühlelement 2 wurde eine reine, 25 %ige Phosphorsäure-Lösung unter folgenden Bedingungen behandelt:

- Eintrittstemperatur 800⁰C

- Luft-Austrittstemperatur 200⁰C

- Luftmenge 80 m^/h

- Flüssigkeitsmenge 40 kg/h.

Man erhielt eine Phosphorsäure mit 70 % PpOc, die die Säure zu 97 % als Ortho-Phosphorsäure enthielt.

Beispiel 5

Es wurde wie im Beispiel 4 gearbeitet mit der Abwandlung, daß die Austrittstemperatur der Gasphase 250⁰C betrug. Man erhielt dabei eine Säure mit 78 % P₂Oc, ^wovon 28 % als Ortho-Phosphorsäure vorlagen.

Diese Beispiele zeigen die Bedeutung der vorliegenden Erfindung, welche zahlreiche Vorteile aufweist, da sie einerseits die Konzentrierung von Lösungen ermöglicht, die mit Verunreinigungen bzw. Begleitstoffen beladen sind, was bisher auf diese einfache Weise nicht möglich war, und andererseits das Einbringen von heißen Gasen im Bereich von 800⁰C unter Einhaltung von ebenfalls hohen Austrittstemperaturen ohne Gefahr, daß die a priori hitzeempfindlichen Überzüge oder Beschichtungen beschädigt werden,

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die aufgrund ihrer chemischen Widerstandsfähigkeit gegenüber den Reaktionspartnern verwendet werden. Es läßt sich auf diese Weise hoch konzentrierte Phosphorsäure mit mehr als 65 °/o P₉O,- erhalten.

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-Ay

L e e τ s e i t e

Claims

DR.-ING. PRANZ \7UESTHOFS

PATENTANWÄLTE _DR_ _{pHIL<
pREDA WUESTH0FP} (j_91?-_l9SQ

WUESTHOFF - v. PECHMANN - BEHRENS - GOET2 _Di_Pl.-_ING. gerhard puls (19*2-197*)

DIPL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHMANN EROPESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE DR.-ING. DIETER BEHRENS

MANUATAIRES AGREES PRES l'OFFICE EUROPEEN DES BREVETS DIPL.-ING.; DIPL.--WIRTSCH.-ING. RUPERTGOETZ

D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2

telefon: (089) 66 20 ji telegramm: protectpatent telex: j 24 070

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Anm.: Rhone-Poulenc

Patentansprüche

i/l.} Verfahren zum Inberührungbringen von in verschiedenen Piiasen befindlichen Substanzen bei dem mindestens eine fStiase in Richtung der Achse einer symmetrischen Quell-Wirbelströmung bis zu der von dieser gebildeten Depressionszone eingeführt wird, wobei die Geschwindigkeit der axialen Strömung 0,03 bis 3 m/s und die Bewegungsgröße der Quell-Wirbelströmung mindestens das 100-fache, vorzugsweise das 1 000 bis 10 000-fache der Bewegungsgröße der axialen Strömung beträgt, und die axiale Strömung durch Übertragung der Bewegungsgröße der Quell-Wirbelströmung zerteilt und dispergiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß man um die Zone, in der die Phasen in Berührung kommen, kühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß man soweit kühlt, daß durch Unterschreiten des Taupunktes einer Phase diese an der Wand dieser Zone kondensiert.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 umfasssend einen Mischkopf in Form eines Rotationskörpers, gegebenenfalls eines zumindest teilweise zylindrischen Hüllrohrs, der bzw. das stromabwärts in ein Rohrstück mit verkleinertem kreisförmigen Durchtritt übergeht und darin angeordnet ein perforiertes Innenrohr, das mit dem

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(QRIQfNAL INSPECTED

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Hüllrohr einen Ringraum bildet, in welchen eine tangetitiale Zuführung für die Ausbildung einer schraubenförmigen Strömung mündet, sowie eine Zuleitung in der Symmetrieachse der schraubenförmigen Strömung vorgesehen ist und die in einem kreisrunden verengten Auslasses in einer Entfernung etwa gleich dem Durchmesser dieses Auslasses endet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlelement (2) stromabwärts von dem Mischkopf (1)" angeordnet ist.

4e Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet., daß das Kühlelement eine Graphitmuffe (13) mit einer Kühlmittelleitung (14) ist»

5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 und der Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 zum Konzentrieren von Phosphorsäure oder Schwefelsäure.

6. Anwendung nach Anspruch 5 zur Konzentrierung einer Schwefelsäure-Lösung enthaltend 200 bis 300 g/l H₂SO. und 30 bis 60 g/l Eisen mit luft von 750 bis 1 05O⁰G bei einer Temperatur des Kühlelementes von 50 bis 95⁰C und einer Austrittstemperatur der Luft von 150 bis 200⁰G.

7. Anwendung nach Anspruch 5, zur Konzentrierung einer Phosphorsäure-Lösung enthaltend 25 % P₂ ⁰I- mit Luft von bis 1 05O⁰G bei einer Temperatur des Kühlelementes von 50 bis 95⁰C und einer Austrittstemperatur der Luft von 150 bis 30O⁰C.

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