DE642051C

DE642051C - Process and device for the evaporation of liquids and solutions

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Publication number: DE642051C
Application number: DEK132897D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1934-01-21
Filing date: 1934-01-21
Publication date: 1937-02-20
Also published as: DE680745C; GB439538A; FR784847A; BE407375A

Description

Verfahren und Einrichtung zum Eindampfen von Flüssigkeiten und Lösungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindampfen von Flüssigkeiten und Lösungen in ein- oder mehrstufigen Verdampfanlagen. Bei den bisher vorwiegend gebräuchlichen Verfahren befindet sich im Verdampfer die einzudampfende Lösung im Innern von senkrecht stehenden Heizrohren, die von außen beheizt werden. Infolgedessen ist beim Eindampfen der Lösung der Flüssigkeitsdruck zu überwinden, der sich naturgemäß durch eine Temperatursteigerung des Heizdampfes geltend macht unter Berücksichtigung der spezifischen Gewichte. Daher nimmt auch bei mehrstufigen Verdampfanlagen diese Temperatursteigerung verhältnismäßig große Werte an.Method and device for evaporation of liquids and solutions The invention relates to a method for evaporating liquids and solutions in single or multi-stage evaporation systems. In the case of the predominantly common ones up to now In the process, the solution to be evaporated is inside the evaporator from vertical standing heating pipes that are heated from the outside. As a result, during evaporation the solution to overcome the liquid pressure, which is naturally due to an increase in temperature of the heating steam, taking into account the specific weights. This temperature increase therefore increases proportionally even in multi-stage evaporation systems great values.

Die Erfindung geht nun davon aus, diese Temperatursteigerung durch den Flüssigkeitsdruck bei stehenden, Fron. unten beschickten Ein4ampfapparaten zu vermeiden. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Lösung in die senkrechten, von außen beheizten Rohre von unten her mit so großer Geschwindigkeit durch Düsen eingespritzt wird, daß die Flüssigkeit die Rohrwand in dünner Schicht bedeckt und die Wandungen der Rohre von unten bis oben in Richtung des abziehenden Brüdens von der einzudampfenden Flüssigkeit oder 'Lösung benetzt werden, wobei diese wiederholt umgepumpt und eingespritzt werden kann.The invention now assumes this temperature increase through the fluid pressure when standing, fron. to the steaming devices charged below avoid. This is achieved according to the invention by dividing the solution into the vertical, pipes heated from the outside from below at such great speed through nozzles is injected so that the liquid covers the pipe wall in a thin layer and the walls of the pipes from bottom to top in the direction of the withdrawing vapor from the liquid to be evaporated or 'solution are wetted, this repeated can be pumped around and injected.

Es -ist schon ein Eindampfverfahren bekannt, bei dem die Flüssigkeit durch die Erwärmung des Rollres von außen an der Rohrwand emporklettert. Bei dieser Arbeitsweise muß in dem beheizten Rohr ein Flüssigkeitsstand gehalten werden, von dem aus die Flüssigkeitsschicht sich an der Rohrwand bildet und dabei immer dünner wird. Hier besteht aber die Gefahr, daß die Rieselschicht am Ausgang des Rohres zu dünn wird und die Flüssigkeit daher festbrennt. Daher versagt dieses Verfahren bei niedriger Druckdifferexiz oder bei dicken Flüssigkeiten oder langen Rohren.An evaporation process is already known in which the liquid climbed up the pipe wall due to the heating of the rollres from the outside. At this Operation must be kept in the heated pipe, a liquid level of from which the liquid layer forms on the pipe wall and becomes thinner and thinner will. But here there is the risk that the trickle layer at the outlet of the pipe becomes too thin and the liquid burns on. Therefore this procedure fails with low pressure differential or with thick liquids or long pipes.

Es, ist schon bei liegenden Verdampfern bekannt, .vor den. sich konisch nach innen erweiterüden Eintrittsstutzen für die Verdampferrohre verstellbare Stöpsel- vorzusehen, durch welche der Eintritt der Flüssigkeit in die Heizrohre so lange gehindert werden soll, bis die Vorkammer mit Flüssigkeit gefüllt ist und um eine gleichmäßige Füllung der Rohre zu erreichen. Bei diesem Verdampfer werden die Rohre mit Flüssigkeit gefüllt; ein Einspritzen der Flüssigkeit in die Rohre findet nicht statt.It is already known from horizontal evaporators. conical inwardly widening inlet nozzles for the evaporator tubes adjustable stopper provide through which the entry of the liquid into the heating pipes so long should be prevented until the antechamber is filled with liquid and around a to achieve uniform filling of the tubes. In this evaporator, the tubes are filled with liquid; there is no injection of the liquid into the pipes instead of.

Es sind auch Rieselapparate bekannt, bei denen die Flüssigkeit den Rohren von oben her in dünner Schicht zugeführt wird und am Rohr herunterxieselt. Hier liegt der Nachteil vor, daß die Beschickung ungleichmäßig ist und schlecht geregelt werden kann, so daß auch hier die. Heizfläche .nicht ganz mit Flüssigkeit bedeckt ist oder einzelne Rohre zuviel Flüssigkeit erhalten. Auch bewegt sich bei - dieser Anordnung die Flüssigkeit entgegen.` zu dem aufsteigenden Brüden, wodurch die Schichtbildungauf der Rohrwand beeinträchtigt wird. Infolgedessen ist auch hierbei die Gefahr des Anbrennens der Flüssigkeit an der Rohrwand verhältnismäßig groß.There are also trickle devices known in which the liquid the Pipes is fed in from above in a thin layer and drizzles down the pipe. There is a disadvantage here that the loading is uneven and poor can be regulated, so that here too the. Heating surface .not completely filled with liquid is covered or individual tubes have received too much liquid. Also moves at - the liquid opposes this arrangement. 'to the rising vapor, whereby the layer formation on the pipe wall is impaired. Consequently Here, too, the risk of the liquid burning on to the pipe wall is proportionate great.

Diese Nachteile der bekannten Verfahren werden bei dem vorliegenden Verfahren dadurch vermieden, daß das Einspritzen der Flüssigkeit durch Düsen von außen her geregelt werden kann, so daß man in der Lage ist, die Schichtbildung bis zum oberen Ende des Rohres einzustellen.These disadvantages of the known methods are in the present Method avoided by injecting the liquid through nozzles from can be regulated externally, so that one is able to the layer formation up to adjust to the top of the pipe.

Es ist schon eine Wärmeaustauscheinrichtung bekannt, die hauptsächlich als Kühler verwendet wird, bei welcher das als Kühlflüssigkeit verwendete Wasser, das jedenfalls keiner Konzentration unterworfen werden soll, durch Düsen in die Wärmeaustauschrohre eingespritzt wird, während die zu kondensierenden Gase oder Dämpfe diese Rohre von außen umspülen. Bei dieser Anordnung kann also die Kühlflüssigkeit ohne weiteres als Flüssigkeitsstrahl aus dem oben offenen Rohr austreten und sich auf dem oberen Boden des Kondensators sammeln.It is already known a heat exchange device that mainly is used as a cooler, in which the water used as the cooling liquid, which in any case should not be subjected to any concentration, through nozzles into the Heat exchange tubes is injected while the gases to be condensed or Vapors wash around these pipes from the outside. With this arrangement, the cooling liquid easily emerge as a jet of liquid from the open-topped tube and become collect on the upper bottom of the condenser.

Im Gegensatz hierzu handelt es sich also bei dem vorliegenden Verfahren um eine geschlossene Bauweise der Flüssigkeitsräume, in der nicht das Kühl- oder Heizmittel, sondern die zu behandelnde Flüssigkeit in die Rohre eingespritzt wird. Das vorliegende Verfahren kann also zum Eindampfen von wärmeempfindlichen Lösungen, wie beispielsweise Zuckersäfte und Gelatinelösung, angewendet werden oder beim Eindampfen von Laugen, wie beispielsweise Sulfatlaugen oder Sulfitlaugen, die eine hohe Endkonzentration erreichen sollen. Die Durchführung des Verfahrens kann in einstufiger oder mehrstufigen Verdampfanlagen erfolgen.In contrast to this, it is the case with the present method to a closed design of the liquid spaces, in which not the cooling or Heating medium, but the liquid to be treated is injected into the pipes. The present process can therefore be used for the evaporation of heat-sensitive solutions, such as sugar juices and gelatin solution, or during evaporation of alkalis, such as sulphate liquors or sulphite liquors, which have a high final concentration should achieve. The process can be carried out in one or more stages Evaporation systems take place.

Auf der Zeichnung ist in Fig. i ein Eindampfapparat im Längsschnitt dargestellt, der nach dem beschriebenen Verfahren arbeitet: Fig. 2 und 3 zeigen Düsenformen für diesen Apparat in größerem Maßstab.In the drawing, FIG. 1 shows an evaporator in longitudinal section which works according to the method described: FIGS. 2 and 3 show Larger scale nozzle shapes for this apparatus.

,Der Apparat besteht also im wesentlichen aus dem Heizkörper i mit Dampfein- und Kondenswasseraustritt und Siederohren 2. Diese sitzen unten in dem Zwischenboden 3 und oben in dem Boden 4. Der Verdampfer ist unten durch den Boden 5 abgeschlossen, in welchem die Düsen 6 sitzen, und zwar so, daß der aus jeder Düse austretende Flüssigkeitskegel ? auf die innere Wandung des Rohres im unteren Teil des Heizkörpers auftrifft. Die Entfernung von Boden 3 und 5 kann so bemessen werden, daß dieser untere Raum durch Mannloch 9 befahrbar ist. Die Lösung gleitet dann an der Rohrwandung aufwärts und tritt an dem oberen Boden 4. aus, sammelt sich iri dem Ringraum 8 des Schaumfängers io und läuft von hier aus durch die Leitung ii einer Pumpe i2 oder auch anderen Vorrichtung zu, die die Flüssigkeit unter dem notwendigen Druck in die Druckkammer 13 befördert, aus welcher sie dann wieder in den Kreislauf gelangt.So the apparatus essentially consists of the radiator i with Steam inlet and condensate outlet and boiler pipes 2. These are located at the bottom of the Intermediate floor 3 and above in the floor 4. The evaporator is below through the floor 5 completed, in which the nozzles 6 sit, in such a way that the out of each nozzle escaping fluid cone? on the inner wall of the tube in the lower part of the radiator. The distance from floors 3 and 5 can be measured in such a way that that this lower space is passable through manhole 9. The solution then slides on the pipe wall upwards and exits at the upper floor 4. collects iri the annular space 8 of the foam catcher io and runs from here through the line ii a pump i2 or some other device to keep the liquid under the necessary Pressure is conveyed into the pressure chamber 13, from which it is then returned to the circuit got.

Nach der Fig. 2 kann die Düse 6 mit einer schraubenförmigen Eindrehung 14 versehen sein, um dem Flüssigkeitsstrahl noch einen Drall zu geben und ihn in Schraubenwindungen durch die Rohre zu befördern.According to FIG. 2, the nozzle 6 can have a helical recess 14 to give the liquid jet a twist and turn it into To convey screw turns through the pipes.

Nach Fig. 3 kann die Düse 6 auch so angeordnet werden, daß sie über den Boden 5 hervorragt, wobei die Austrittsmündung 15 so geformt ist, daß durch den austretenden Flüssigkeitskegel an der Außenseite eine Saugwirkung entsteht, die die etwa auf dem Boden 5 liegende Flüssigkeit mit emporhebt.According to Fig. 3, the nozzle 6 can also be arranged so that it is over the bottom 5 protrudes, the outlet mouth 15 is shaped so that through the emerging cone of liquid creates a suction effect on the outside, which uplifts the liquid lying approximately on the bottom 5.

Aus einem solchen Apparat, wie er eben geschildert ist, kann man nun jede mehrstufige Verdampfanlage nach Art der Lösung und nach der Stärke der Endkonzentration zusammensetzen. WelcheTemperaturersparnisse in wärmewirtschaftlicher Beziehung eintreten, ergibt folgendes Beispiel: Legt man zum. Eindampfen von Zuckerlösungen eine dreistufige Verdampfanlage zugrunde, bei welcher der letzte Körper unter Atmosphärendruck arbeitet, und nimmt man die Anfangskonzentration der Lösung mit 7,8 Be, die Endkonzentration mit 34 B6 an, so ergibt sich, daß z. B. in einer dreistufigen Verdampfanlage einer Zuckerfabrik mit 3m langen Heizrohren zur Überwindung des Flüssigkeitsdruckes 9,5' C entsprechend o,4795 atü gebraucht werden. Um diese Temperatur kann also der Heizdampf niedriger sein oder es lassen sich noch eine oder zwei Stufen anhängen, was eine erhebliche Dampfersparnis bedeutet.From such an apparatus, as just described, you can now put together any multi-stage evaporation system according to the type of solution and the strength of the final concentration. The following example shows the temperature savings in terms of heat management: Evaporation of sugar solutions is based on a three-stage evaporation system in which the last body works under atmospheric pressure, and if the initial concentration of the solution is 7.8 Be, the final concentration is 34 B6. B. in a three-stage evaporation plant of a sugar factory with 3m long heating pipes to overcome the liquid pressure 9.5 ' C corresponding to o, 4795 atü are used. The heating steam can be lower by this temperature or one or two levels can be added, which means considerable steam savings.

Die Zeit, die jedes Flüssigkeitsteilchen im Verdampfer verweilt, richtet sich nach dem Quotienten aus der Flüssigkeitsmenge, welcher im Verdampfer enthalten ist, und der mittleren Flüssigkeitsmenge, welche in der Zeiteinheit den Verdampfer durchströmt. Die im Verdampfer enthaltene Flüssigkeitsmenge setzt sich zusammen bei den bekannten Apparatekonstruktionen mit senkrecht stehenden, außen beheizten Siederohren aus der in den Heizrohren befindlichen Flüssigkeitsmenge und derjenigen, welche über dem Raum unter dem unteren Rohrboden sich befindet. Namentlich die letztgenannte Menge ist sehr groß, da im allgemeinen an eine gute Apparatekonstruktion die Anforderung gestellt werden muß, daß der Raum unter `dem unteren Rohrboden gut befahrbar sein muß. Für bisher bestehende gute Apparatekonstruktionen ergibt. sich hieraus die Aufenthaltsdauer der Flüssigkeitsmenge von etwa 15 Minuten im Apparat.The time that each liquid particle remains in the evaporator is determined based on the quotient of the amount of liquid contained in the evaporator is, and the average amount of liquid which the evaporator in the unit of time flows through. The amount of liquid contained in the evaporator is made up in the known apparatus constructions with vertical, externally heated Boiling tubes from the amount of liquid in the heating tubes and that which is above the space under the lower tube sheet. The latter in particular The quantity is very large, as there is generally a requirement for a good apparatus design it must be ensured that the space under the lower tube sheet is easy to drive on got to. For previously existing good apparatus constructions results. from this the The amount of liquid remains in the apparatus for about 15 minutes.

Dadurch, daß nun gemäß der Erfindung in den Heizrohren ein Gemisch von Flüssigkeitsteilchen und Dampf beschleunigt durch die Düsenwirkung mit größter Geschwindigkeit emporgetrieben wird, wird die spezifische Wärmeübertragung (Transmissionskoeffizient) bedeutend gesteigert. Außerdem wird das nutzlose Temperaturgefälle, welches in den üblichen Apparatekonstruktionen durch die Flüssigkeitssäule verursacht. wird,, beseitigt. Man kommt für den Heizdampf deshalb, ohne die Heizflächen der Verdampfer zu vergrößern, ausschließlich mit der Temperaturdifferenz aus, die gegeben ist durch die Siedepunktserhöhung und durch die wesentlich verbesserte spei. Wärmeleistung, die nur noch die Heizflächenarbeit zu leisten hat. Die Flüssigkeitsmenge; die sich in der Vorrichtung gemäß der Erfindung befindet, ist wesentlich kleiner, da solche nur in der Druckkammer 13 enthalten ist. Sie durchströmt außerdem durch die Düsenarbeit den Verdampfer in kürzerer Zeiteinheit, so daß die Aufenthaltsdauer nur noch rund 3 Minuten beträgt.Since, according to the invention, a mixture of liquid particles and steam is accelerated upwards in the heating pipes by the nozzle action at the greatest speed, the specific heat transfer (transmission coefficient) is significantly increased. In addition, the useless temperature gradient, which is caused in the usual apparatus constructions by the liquid column. is, eliminated. For the heating steam, without enlarging the heating surfaces of the evaporator, one gets by exclusively with the temperature difference that is given by the increase in the boiling point and the significantly improved spei. Thermal output that only has to do the heating surface work. The amount of fluid; which is located in the device according to the invention is much smaller, since such is only contained in the pressure chamber 13 . Thanks to the nozzle work, it also flows through the evaporator in a shorter time unit, so that the duration of the stay is only around 3 minutes.

Gemäß dem angeführten Beispiel entspricht der Dampfdruck in der 3. Verdampferstufe einer Temperatur von ioo °, in der 2. Verdampferstufe einer Temperatur von 1o4+4: = io8 °, in der z. Verdampferstufe einer Temperatur von 108+4+i = 113' und für den Heizdampfdruck ii3+4+o,6 = ii7,6o° entsprechend rund o,9 atü.According to the example given, the vapor pressure in FIG. Evaporator stage with a temperature of 100 °, in the 2nd evaporator stage one temperature from 1o4 + 4: = io8 °, in which z. Evaporator stage at a temperature of 108 + 4 + i = 113 ' and for the heating steam pressure ii3 + 4 + o.6 = ii7.6o ° corresponding to around o.9 atm.

Selbstverständlich kann man auch Verdampfanlagen mit mehr als drei Stufen verwenden. So kann man beispielsweise Sulfitablauge mit Heizdampf von i atü unter Vakuum in einer 8- bis iostufigen Anlage auf Zellpech mit 75°/o Trockensubstanz eindampfen und durch Erwärmung der konzentrierten Lösung mit anschließender Entspannung ohne Walzen- oder Dünnschichttrockner auf 85°/o Trockensubstanz bringen. Nach dem neuen Verfahren sind etwa 1,6 bis 2 kg Dampf je Kilogramm Zellpech aufzuwenden. Nimmt man den Wärmeinhalt des Zellpeches mit 3 80o WE an, so kann man aus i kg Zellpech aus Speisewasser mit 50' C und einem Wirkungsgrad der Kesselanlage von 0,75 etwa 4,7 kg Dampf von 7 atü herstellen. Es stehen also im ungünstigsten Falle 2 kg Dampfausgabe einer Dampfeinnahme von 4,7 kg gegenüber. Die Differenz reicht zur Deckung der Amortisation und der Wartung usw. aus.Of course, you can also use evaporation systems with more than three stages. For example, sulphite waste liquor can be evaporated with heating steam from iatü under vacuum in an 8 to 10-stage system to cell pitch with 75% dry matter and brought to 85% dry matter by heating the concentrated solution with subsequent relaxation without a roller or thin-film dryer. According to the new process, around 1.6 to 2 kg of steam per kilogram of cell pitch have to be used. If the heat content of the cell pitch is assumed to be 3 80o WE, about 4.7 kg of steam at 7 atmospheres can be produced from 1 kg of cell pitch from feed water at 50 ° C and an efficiency of the boiler system of 0.75. In the worst case, 2 kg of steam output are compared to a steam consumption of 4.7 kg. The difference is enough to cover amortization and maintenance, etc.

Wärmt man z. B. die aus einer zehnstufigen Vakuumverdampfstation kommende Sulfatdicklauge mit Frischdampf auf und zerstäubt sie dann unter Vakuum; so gewinnt man eine Trockensubstanz mit nicht über 20°/o Wassergehalt. Das so erhaltene Pulver kann in einem gewöhnlichen -Trockenapparat mit Heißluft, die durch abziehende Kesselgase erzeugt wird, fertiggetrocknet werden, so daß die üblichen Scheibenverdampfer, Drehöfen usw. vollkommen fortfallen. Dabei wird der Wärme= aufwand so stark herabgemindert, daß man zum Eindampfen von iooo 1 Sulfatablauge von 12' B6 und 6o' C bis zur Trockensubstanz nur noch 137 kg Abdampf von i -atü und 23 kg Frischdampf von 8 bis io atü gebraucht, wobei noch zu berücksichtigen ist, daß der vom Schmelzprozeß überschüssige Wärmeinhalt der Trockensubstanz nunmehr restlos zur Dampferzeugung verwendet werden kann.If you warm z. B. the coming from a ten-stage vacuum evaporation station Sulphate thick liquor with live steam and then atomized under vacuum; so wins one has a dry substance with not more than 20% water content. The powder thus obtained can in an ordinary drying apparatus with hot air, which is drawn off by boiler gases is produced, ready-dried, so that the usual disc evaporators, rotary kilns etc. completely omitted. The heat input is reduced so much that that you have to evaporate 100 1 sulfate liquor of 12 'B6 and 6o' C to dryness only 137 kg exhaust steam from i -atü and 23 kg live steam from 8 to io atü needed, it must also be taken into account that the excess heat content from the melting process the dry substance can now be used completely for steam generation.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann man die Beheizung sowohl im Gegenstrom wie im Gleichstrom verwenden. Bisher hat man im allgemeinen besonders. Zuckersäfte im Gleichstrom eingedampft, weil die Dicksaftkö:Mer weniger Verdampfleistung aufzubringen haben und erheblich kleiner in - der Heizfläche sind und somit im Saftinhalt.In the method described above, the heating can be used use both countercurrent and cocurrent. So far one has in general particularly. Sugar juices evaporated in cocurrent because the thick juice grains are less Have to apply evaporation power and are considerably smaller in - the heating surface and thus in the juice content.

Bei der Eindampfung nach dem neuen Verfahren kann nun die gesamte Aufenthaltszeit des Saftes erheblich verringert werden. Deshalb ist es auch möglich, in diesem Falle im Gegenstrom zu arbeiten. Das hat wiederum den Vorteil, daß bei der Eindampfung im Gegenstrom die Zuckerverluste aus den Lösungen geringer werden, abgesehen von den wärmewirtschaftlichen Vorteilen. Man braucht also bei dem neuen Verfahren nur die große Dünnsaftmenge auf die Temperatur des letzten Körpers anzuwärmen und die bereits eingedampften Lösungen entsprechend weiter anzuwärmen auf die Temperatur der Verdampferstufe.With the evaporation according to the new process, the entire Residence time of the juice can be reduced significantly. Therefore it is also possible in this case to work in countercurrent. This in turn has the advantage that at evaporation in countercurrent reduces the sugar losses from the solutions, apart from the thermal advantages. So you need with the new one Only warm the large amount of thin juice to the temperature of the last body and to further warm the already evaporated solutions to the same temperature the evaporator stage.

Claims

PATE INK CLAIMS: i. Process for evaporation of liquids and Solutions in single or multi-stage evaporation systems, characterized in that the solution in the vertical, externally heated pipes from below with such a large Velocity injected through nozzles in a thin layer covering the pipe wall is that the walls of the tubes from bottom to top in the direction of the withdrawing Brüdens are wetted by the solution to be evaporated, the solution being repeated can be pumped around and injected.

2. Procedure for evaporation of solutions, in particular sugar juices, according to the method of claim i, characterized in that that the evaporation of the juice in a multi-stage evaporation system in countercurrent takes place, so the thin juice is drawn in in the last stage and the thick juice "leaves the system in the first evaporator stage.

3. Facility for execution of the method according to claim i, characterized in that below the heating chamber (i), separated from this by an intermediate chamber, a solution receiving chamber Pressure chamber (3) with the top floor centered to the nozzles (6) is attached, from which the conically widening liquid jets through the Pass the intermediate chamber into the heating pipes.

4. Nozzle for the device according to claim 3, characterized in that the nozzle outlet opening slightly conical to the outside.

5. Nozzle for. the device according to claim 3, characterized in that the inner nozzle wall receives a swirl through which the liquid jets receive a helical movement.

6. nozzle for the device according to claim 3, characterized in that the nozzle outlet mouth (i5) protrudes above the top floor (5) and is shaped so that through the exiting Liquid jet creates a suction effect on the accumulated liquid on the topsoil is exercised.

7. Process for the evaporation of waste liquors from cellulose production according to claim r, characterized in that the thin liquor in the evaporation plant brought to a concentration of up to 75% and then in an atomizer, if necessary under vacuum, in which a dry material of about 20% water content is produced.