DE3415236C2

DE3415236C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Abtriebsdestillators

Info

Publication number: DE3415236C2
Application number: DE3415236A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. 5000 Köln Zeitsch
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1984-04-21
Filing date: 1984-04-21
Publication date: 1987-04-09
Also published as: GB2157582A; FR2563116A1; GB2157582B; SE8501739D0; CH667016A5; DE3415236A1; FR2563116B1; GB8509976D0; SE8501739L; US4666564A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines rotierenden Abtriebsdestillators. Hierbei sind mehrere konzentrisch angeordnete Kammern mit einem mäanderartigen Weg für die zu verarbeitende Flüssigkeit vorgesehen, wobei die äußerste Kammer induktiv beheizt wird. Die von flüchtigen Komponenten befreite Flüssigkeit entströmt dem Bereich der höchsten Zentrifugalbeschleunigung während die dampfförmige Komponente aus dem Zentrum des Rotationssystems abgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Abtriebsdestillators, in dem durch Wärmezufuhr ein nicht azeotrop siedendes Flüssigkeitsgemisch in eine mit leichtflüchtigen Komponenten angereicherte Dampffraktion und eine von leichtflüchtigen Komponenten weitgehend befreite Restflüssigkeit getrennt wird.
Derartige Verfahren werden in turmartigen Kolonnen durchgeführt.
Es ist bekannt, daß auch Abtriebskolonnen aus zylindrischen Türmen bestehen, in welchen das zu trennende Flüssigkeitsgemisch oben eingespeist wird und von dort nach unten läuft, während am Fußende erzeugter Dampf von unten nach oben strömt, wobei durch Böden oder Füllkörper dafür gesorgt wird, daß Flüssigkeit und Dampf in Kontakt treten und somit einen Stoffaustausch vollziehen können.
Kolonnen sind jedoch relativ hohe Apparate. Fragt man sich nach der Ursache für die große Höhe von solchen Kolonnen, so stellt man zunächst fest, daß eine gute Trennung von Dampf und Flüssigkeit durch bloße Gravitation gewährleistet sein muß. Betrachtet man beispielsweise eine Bodenkolonne, so ergeben sich zwei Bedingungen:

1. Der Strom der Flüssigkeit über die horizontalen Böden muß durch einen in seitlichen Schächten aufgebauten Flüssigkeitsdruck bewirkt werden, dessen Größe der Höhe der Flüssigkeitssäule und der wirkenden Erdbeschleunigung proportional ist.
2. Flüssigkeitströpfchen, die aus der auf den Böden siedenden Flüssigkeit hochgeschleudert werden, sollen möglichst nicht vom aufsteigenden Dampf zum nächsthöheren Boden mitgeschleppt werden. Die Dampfgeschwindigkeit, bis zu welcher dieser Wunsch realisiert werden kann, wächst mit der vertikal nach unten wirkenden Beschleunigung.

Solche Betrachtungen lassen erkennen, daß Abtriebskolonnen gleicher Leistung um so kleiner ausfallen, je größer die wirksame Beschleunigung ist.
In Anbetracht der relativ kleinen Größe der Erdbeschleunigung gibt es Fälle, wo durch exzessive Schaumbildung übliche Abtriebskolonnen nicht funktionieren. Ähnlich problematisch, zwar noch nicht bekannt, aber denkbar, sind Fälle, wo sich infolge hohen Drucks die Dichte des Dampfes von der Dichte der Flüssigkeit nur wenig unterscheidet, so daß eine Trennung der zwei Phasen in den bekannten auf Gravitation beruhenden Abtriebskolonnen auf große Schwierigkeiten stoßen würde.
Die genannten unvorteilhaften Charakteristika von Kolonnen haben bereits zu einem Apparat geführt, in welchem eine Zentrifugalbeschleunigung zur Phasentrennung benutzt wird (EP 0 002 568 vom 13. 11. 78). Die zwei dem Stoffaustausch zu unterwerfenden Phasen durchströmen eine Füllkörperpackung in gegenläufiger Richtung. Dieser Apparat hat aber mehrere Nachteile:

1. Der Dampf muß außerhalb des Rotors erzeugt und als solcher in diesen eingeführt werden.
2. In der Füllkörperpackung bilden sich Dampfkanäle, die den Stoffaustausch stark vermindern.
3. Die Flüssigkeit wird am äußeren Rand des Rotors abgeschleudert, was große Energieverluste und daher einen hohen Bedarf an Antriebsleistung zur Folge hat.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ei-Destillator zu schaffen, der die gleiche Wirkung hat wie Abtriebskolonnen, der aber sehr wenig Höhe benötigt, auch bei Schaumtendenz, sowie bei geringen Unterschieden zwischen Dampfdichte und Flüssigkeitsdichte wirksam arbeitet und der frei ist von den Nachteilen des in EP 0 002 568 beschriebenen Apparates.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Flüssigkeitsgemisch durch Stoffaustausch zwischen Dampf und Flüssigkeit in eine mit leichtflüchtigen Komponenten angereicherte Dampffraktion und eine von leichtflüchtigen Komponenten weitgehend befreite Restflüssigkeit getrennt wird, wobei im Bereich der größten Zentrifugalbeschleunigung eine Beheizung des Flüssigkeitsgemischs erfolgt, so daß sich dort Dampfblasen bilden, die infolge des durch die Rotation bedingten radialen Druckanstiegs in zentripetaler Richtung bewegt und dabei durch permeable, nur vom Dampf durchströmte Zwischenwände hindurch zur Achse des Rotationssystems geleitet und dort abgeführt werden, während die Restflüssigkeit durch die Druckwirkung des Zulaufs aus dem Bereich der größten Zentrifugalbeschleunigung abgeführt wird.
Mit dieser Maßnahme wird erreicht, daß der bei den bekannten Kolonnen mit Böden oder Füllkörpern konstruktionsbedingte Leerraum, der bis zu 95% betragen kann, vermieden und damit das Gesamtvolumen des Destillators sehr stark verringert wird. Demzufolge kann der erfindungsgemäße Abtriebsdestillator auch dort eingesetzt werden, wo sich aus Platzgründen die Aufstellung von großen Kolonnen verbietet, z. B. auf Schiffen oder in unterirdischen Bunkern.
Mit der Erfindung wurde die für den Betrieb von Kolonnen erforderliche Erdbeschleunigung durch eine Zentrifugalbeschleunigung ersetzt.
Um die erforderliche Beheizung der letzten Kammer während der Rotation durchführen zu können, wird erfindungsgemäß eine induktive Beheizung vorgesehen, die mit einer billigen Netzfrequenz erfolgt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann darin bestehen, daß der aus einer rotierenden Trommel bestehende Abtriebsdestillator einen achsennahen Flüssigkeitszulauf, mehrere konzentrisch zur Rotationsachse angeordnete, mäanderartig miteinander verbundene, durch Zwischenwände aus teilweise permeablem, nur vom Dampf durchströmten Material gebildete Kammern und einen Flüssigkeitsablauf aufweist, wobei die äußerste, vom Trommelmantel gebildete Kammerwand mit einer Heizvorrichtung und die innerste Kammer mit einer Dampfabführung versehen sind. Um zu verhindern, daß die in der letzten Kammer gebildeten Dampfblasen die Kammerwände umwandern, sind die freien Enden der Kammerwände mit Borden versehen, deren Höhe etwa der halben Breite der Kammern entspricht.
Die von leichtflüchtigen Komponenten befreite Flüssigkeit wird aus dem Bereich des größten Trommeldurchmessers und der gebildete Dampf aus dem Zentrum der Trommel abgeführt. Hierzu sind entsprechende Einrichtungen innerhalb der Trommel vorgesehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch den rotierenden Abtriebsdestillator,
Fig. 2 einen Teilausschnitt aus dem permeablen Bereich einer Kammerwand,
Fig. 3 den Druckverlauf innerhalb des permeablen Kammerwandbereiches.
Die Vorrichtung besteht aus einer rotierenden Trommel 1 mit vertikaler Achse 2 und einer unteren Lagerung 3. Der Antrieb ist nicht dargestellt. Die Trommel 1 besteht aus einem Trommelmantel 4 mit einem Trommelboden 5 und einem Trommeldeckel 6. Zur Vorgabe eines mäanderartigen Weges sind einzelne Kammern 7, 8, 9 und 10 durch Kammerwände 11, 12 und 13 gebildet, wobei die Kammerwände 11 und 13 mit dem Trommeldeckel 6 und die Kammerwand 12 mit dem Trommelboden 5 verbunden sind. Jede der Kammerwände 11 bis 13 ist mit Borden 11 a, 12 a, 13 a versehen und außerdem sind Teile der Kammerwände 11 b, 12 b und 13 b permeabel ausgeführt und in der Zeichnung mit einer Kreuzschraffur dargestellt. Der äußersten Kammer 10 ist eine Heizvorrichtung 14 zugeordnet, die aus einem ferromagnetischen Ring 15 mit einer zugeordneten, gehäusefesten Induktionsspule 16 besteht. Der ferromagnetische Ring 15 ist innerhalb des Trommelmantels 4 eingesetzt und über Isolierungsringe 17 und 18 mit dem Mantel 4 verbunden. Des weiteren ist die äußerste Kammer 10 im Trommeldeckel 6 mit einem Flüssigkeitsablauf 19 versehen, der mit einem radialen Kanal 21 in Verbindung steht. An den radial verlaufenden Kanal 21 schließt sich ein axialer Kanal 22 an. Gebildet werden die beiden Kanäle 21 und 22 durch einen Deckring 20 mit angeschlossenem Stutzen 20 a und einer weiteren axial verlaufenden Ringwand 23. Innerhalb der Ringwand 23 ist ein rohrförmiger Abzugsstutzen 25 vorgesehen, der einen Ringkanal 24 bildet. Am unteren Ende des Abzugsstutzens 25 ist ein konischer Kragen 26 vorgesehen, dem ein im Zentrum der Trommel vorgesehener Innenkegel 27 zugeordnet ist. Durch diese Anordnung werden ein Dampfabführkanal 28 und ein Flüssigkeitszufuhrkanal 29 gebildet, die beide mit der innersten Kammer 7 in Verbindung stehen. Der Abzugsstutzen 25 bildet einen Zentralkanal 33.
Der Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus dem permeablen Teil 11 b der Kammerwand 11 zu entnehmen, wobei eine die Permeabilität bewirkende Pore mit 31 bezeichnet ist. An der rechten Eintrittsseite der Pore 31 ist eine Dampfblase 30 dargestellt, die gemäß dem dargestellten Pfeil von rechts nach links durch die Pore von einer Kammer in die andere Kammer strömt.
Fig. 3 zeigt den durch die Rotation bewirkten Druckverlauf.
Die Wirkung des erfindungsgemäßen rotierenden Abtriebsdestillators ist wie folgt:
Die zu trennende Flüssigkeit wird dem Ringkanal 24 zugeführt und durchströmt sodann die gebildeten Kammern 7, 8, 9 und 10, um dann über den axialen Kanal 22 wieder auszutreten. Der Flüssigkeitskanal 29 bewirkt, daß die Flüssigkeit in den Bereich der der Kammer 7 zugeordneten Fläche der Kammerwand 11 gelangt. Von dort fließt die Flüssigkeit in den Bereich der Übertrittsöffnung 34 am unteren Ende der Kammerwand 11 und gelangt in die Kammer 8. Des weiteren geht die Flüssigkeit den Weg über die Übertrittsöffnung 35 oberhalb der Kammerwand 12 in die Kammer 9 und sodann über die Übertrittsöffnung 36 unterhalb der Kammerwand 13 in die Kammer 10. Der Einfachheit halber sind nur 4 Kammern gezeigt, ihre Anzahl ist aber beliebig. Der am äußeren Umfang der Trommel 1 vorgesehene ferromagnetische Ring 15 wird während der Rotation durch die gehäusefeste Induktionsspule 16 beliebig intensiv beheizt. Der thermisch isolierte ferromagnetische Ring 15 wirkt wie eine Heizplatte, ist somit sehr viel heißer als die ihn umgebenden Teile. Auf diese Weise kann die den Destillator durchströmende Flüssigkeit auf der Innenseite des ferromagnetischen Ringes 15 zum Sieden gebracht werden, was dort zur Bildung von Dampfblasen 30 führt. Infolge der Rotation der Trommel besteht ein radialer Druckanstieg, so daß sich die Dampfblasen 30 in zentripetaler Richtung zur Achse 2 hin bewegen. Dabei treffen sie zunächst auf die Zwischenwand 13, welche ebenso wie die anderen Zwischenwände 12 und 11 aus teilweise permeablem Material 11 b, 12 b, 13 b besteht. Das permeable Material kann gelocht oder gesintert sein. Wenn keine Dampfblasen erzeugt werden, sind die Poren 31 der Kammerwände 11 bis 13 mit Flüssigkeit gefüllt. Tritt aber, wie schematisch in Fig. 2 gezeigt, eine Dampfblase 30 in eine Pore 31 ein, so muß sie diese in zentripetaler Richtung durchwandern. Sie gelangt so in die nächste Kammer 9 und schließlich durch die Kammern 8 und 7 zu der durch den Innenkegel 27 gebildeten Innenwand, wo sie durch den sich nach oben verjüngenden Konuswinkel dieser Wand nach oben bewegt wird und durch den Zentralkanal 33 mit den anderen Blasen vereint den Destillator verläßt. Der konische Kragen 26 bewirkt eine Trennung des austretenden Dampfes von der eintretenden Flüssigkeit. Die Borde 11 a, 12 a, 13 a machen es den Blasen unmöglich, die Zwischenwände 13, 12 und 11 zu umwandern.
Wird der Destillator über den Kanal 24 mit einem Flüssigkeitsgemisch beschickt, das nicht azeotrop siedet, so ist der gebildete Dampf reicher an flüchtigen Komponenten als die ihn erzeugende Flüssigkeit. Selbst ohne die Kammerwände müßte der Dampf bereits eine andere, an flüchtigen Komponenten reichere Zusammensetzung aufweisen als die austretende Restflüssigkeit. Die mäanderartige Führung des Flüssigkeitszulaufes um die Kammerwände erhöht diesen Konzentrationsunterschied, weil dadurch die Flüssigkeit mit Dampf in Kontakt gebracht wird, der ärmer an flüchtigen Komponenten ist als dem Gleichgewicht entspricht. Demzufolge ergibt sich ein Stoffaustausch, der zu einer Abgabe von flüchtigen Komponenten von der Flüssigkeit an den Dampf führt, die Flüssigkeit also verstärkt von flüchtigen Komponenten befreit, wie das für Abtriebskolonnen bekannt ist. Anders als bei diesen jedoch wirkt hier sogar die Beheizung noch konzentrationsverändernd, denn es ist leicht einzusehen, daß die Flüssigkeit auf ihrem Weg über die Heizfläche immer mehr an flüchtigen Komponenten verarmt.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Abtriebsdestillators, in welchem ein achsennahe in einen rotierenden Apparat eingespeistes, nicht azeotrop siedendes Flüssigkeitsgemisch beheizt und auf einem Mäanderweg einer größer werdenden Zentrifugalbeschleunigung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitsgemisch durch Stoffaustausch zwischen Dampf und Flüssigkeit in eine mit leichtflüchtigen Komponenten angereicherte Dampffraktion und eine von leichtflüchtigen Komponenten weitgehend befreite Restflüssigkeit getrennt wird, wobei im Bereich der größten Zentrifugalbeschleunigung eine Beheizung des Flüssigkeitsgemisches erfolgt, so daß sich dort Dampfblasen bilden, die infolge des durch die Rotation bedingten radialen Druckanstiegs in zentripetaler Richtung bewegt und dabei durch permeable, nur vom Dampf durchströmte Zwischenwände hindurch zur Achse des Rotationssystems geleitet und dort abgeführt werden, während die Restflüssigkeit durch die Druckwirkung des Zulaufs aus dem Bereich der größten Zentrifugalbeschleunigung abgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung induktiv erfolgt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einer rotierenden Trommel (1) bestehende Abtriebsdestillator einen achsennahen Flüssigkeitszulauf (24), mehrere konzentrisch zur Rotationsachse (2) angeordnete, mäanderartig miteinander verbundene, durch Zwischenwände (11 bis 13) aus teilweise permeablem, nur von Dampf durchströmtem Material (11 b bis 13 b) gebildete Kammern (7 bis 10) und einen Flüssigkeitsablauf (19, 21 und 22) aufweist, wobei die äußerste, vom Trommelmantel (4) gebildete Kammerwand mit einer Heizvorrichtung (14) und die innerste Kammer (7) mit einer Dampfabführung (28) versehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Kammerwände (11, 12, 13) mit Borden (11 a, 12 a, 13 a) versehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Borde etwa der halben Breite der Kammern (8 bis 10) entspricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beheizte äußere Wand (4) aus einem Ring (15) aus ferromagnetischem Material mit einer zugeordneten, gehäusefesten Induktionsspule (16) besteht und zwischen dem Trommelmantel (4) und dem ferromagnetischen Ring (15) thermische Isolierungen (17 und 18) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die permeablen Teile (11 b, 12 b, 13 b) der Kammerwände (11 bis 13) aus gesintertem Material bestehen.

8. Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die permeablen Teile (11 b, 12 b, 13 b) der Kammerwände (11 bis 13) aus fein gelochtem Material bestehen.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Flüssigkeitsablauf (19) der äußeren Kammer (13) ein Abführkanal (21) zugeordnet ist, der radial verläuft und zu einem inneren axialen Ringkanal (22) führt.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der den Ringkanal (22) bildenden Ringwand (23) ein einen zweiten Ringkanal (24) bildender Abzugsstutzen (25) vorgesehen ist, der zum Zwecke der Dampfabfuhr mit der innersten Kammer (7) in Verbindung steht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abzugsstutzen (25) am unteren Ende einen Dampfsammelkragen (26) aufweist.