DE871440C

DE871440C - Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen und Destillieren von Fluessigkeiten

Info

Publication number: DE871440C
Application number: DEC1385D
Authority: DE
Inventors: Werner Ludin; Casimir Theiler
Original assignee: L VON ROLL AG; Ciba Geigy AG; Ciba AG
Current assignee: L VON ROLL AG; Novartis AG; BASF Schweiz AG
Priority date: 1940-11-05
Filing date: 1940-12-22
Publication date: 1953-03-23
Also published as: FR876585A; CH253949A; BE443455A; GB566883A; NL103486C

Description

Die bekannten Verfahren zum Verdampfen von Flüssigkeiten mit Zuleitung eines Gases arbeiten in der Weise, daß die für die Verdampfung benötigte Wärme entweder dem erwärmten Gas entzogen oder der einzudampfenden Flüssigkeit mittels Heizflächen zugeführt wird. Die erstere Art der Wärmezufuhr hat einen sehr großen Temperaturabfall zur Folge, und die geringe relative Feuchtigkeit der Gase ergibt daher eine kleine Verdampfungsleistung

xo und ist deshalb als unwirtschaftlich zu bewerten. Die Wärmezufuhr an die Flüssigkeit erfolgt durch Wärmeaustauschflächen, wie Doppelboden, Heizschlangen u. dgl., die im Verdampfer oder außerhalb desselben angeordnet sind. Durch Konvektions- oder Zwangsströmung mittels Rührer, Fördervorrichtungen u. dgl. wird die Flüssigkeit wohl mit dem Gas in Kontakt gebracht und verdampft, aber die Leistung ist nicht befriedigend. Zudem nimmt das zugeleitete Gas am Stoffaustausch nur beschränkt teil, besonders dann, wenn das Gas nicht in unmittelbarem Kontakt mit der erwärmten Flüssigkeit steht, wie dies beispielsweise durch parallele Gasströmung zur Stoffaustauschfläche zutrifft.

Es hat sich nun durch Untersuchungen ergeben, daß nach den bisherigen Anordnungen der Wärmezufuhr mit einem erheblichen Abfall der Flüssigkeitstemperatur in der Stoff austauschzone zu rechnen ist, der durch Wärmeflußwiderstände, wie unzweckmäßige Flüssigkeitsströmung, schlechte Wärme-

leitung u. dgl. verursacht wird. Dies hat zur Folge, daß die Flüssigkeitstemperatur'während der Verdampfung an der Kontaktfläche mit dem Gas erheblich niederer als an der Heizfläche sich einstellt, wodurch der Partialdruck auch entsprechend sinkt und damit die Menge der verdampften Flüssigkeit stark vermindert wird.

Über die Größe dieses Temperaturabfalls an der Stoffaustauschfläche ergibt folgende Überlegung ein

ίο anschauliches Bild. Bei der Verdampfung beispielsweise von Wasser ist minimal eine sofache Wassermenge der Stoffaustauschzone zuzuleiten, um den Temperaturabfall auf etwa ro° zu halten. Durch diese Bedingungen ist bei Voraussetzung ,voller Sättigung und z. B. einer Verdampfungstemperatur von 6o° eine Leistungsverminderung von minimal 30% festzustellen. Bei günstigeren Verhältnissen ist die umzuwälzende Wassermenge auf das 500- bis iooofache der verdampften Menge zu bringen. Die Verteilung solch enormer Mengen im Verdampfer stößt aber auf technische Schwierigkeiten und erweist sich infolge des hohen Kraftbedarfs zudem als nicht wirtschaftlich.

Diese Nachteile technischer wie wirtschaftlicher

aS Art werden durch das vorliegende Verfahren zum Verdampfen und Destillieren von Flüssigkeiten bei Temperaturen unter dem Siedepunkt durch Zuleiten eines erwärmten Gases als Partialdruckreduziermittel und unter Beheizung der Flüssigkeit durch Heizkörper dadurch behoben, daß die Gaszufuhr auf eine Flüssigkeitsschicht gerichtet ist, die die Heizkörper bedeckt bzw. die an der Austrittsstelle einer unmittelbar von einem Wärmeaustauscher kommenden Leitung gebildet wird, wobei die Ausdehnung der Zufuhrstelle bzw. Zufuhrstellen für das Gas der Gesamtfläche-der Heizkörper bzw. der Verteilvorrichtung entspricht und bei kurzer einmaliger Berührung mit geringem Temperaturabfall der zu verdampfenden Flüssigkeit und des Gases gearbeitet wird. Damit kann der Temperaturabfall in der Stoffaustauschfläche in den Grenzen weniger Temperaturgrade, zumeist 1 bis 2⁰, gehalten werden. Dieser technische Fortschritt wird verwirklicht entweder durch die Verlegung der Heizfläche des Verdampfers in die Zone des Stoffaustausches, und zwar derart, daß die Heizfläche in die unmittelbare Nähe, im Abstand einiger Zentimeter von dieser entfernt oder gar in diese hinein gebracht wird, oder durch die zwangsweise Zuleitung der erwärmten Flüssigkeit in die Stoffaustauschzone. .

Das Verfahren ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß auch das erwärmte Gas zwangsweise in die Zone des Stoffaustausches geleitet und durch eine zur Stoffaustauschfläche senkrechte oder mindestens geneigte Strömung in intensive Berührung mit der Flüssigkeit gebracht wird, um die Gasgrenzschicht in der Stoffaustauschfläche. zu vermindern und die gesamte Gasmenge am Stoffaustausch teilnehmen zu lassen. Durch diese Maßnahme steigen die absolute Feuchtigkeitsaufnahme des Gases und die Leistung des Verdampfers. Besonders günstige Verhältnisse in bezug auf Temperaturabfall und Verdampfungsleistung werden dann erreicht, wenn das einzuleitende Gas auf die dem Partialdruck der zu verdampfenden Flüssigkeit entsprechende Temperatur vorgewärmt wird. Bei Anwendung geeigneter Gasverteilungsvorrichtungen kann das eingeleitete erwärmte Gas auf volle Sättigung bei optimaler Verdampfungstemperatur gebracht werden. Diese Ergebnisse sind besonders von großer Wichtigkeit, wenn das Verfahren mit demjenigen nach dem Patent 645 679 kombiniert zur Anwendung gelangt, womit eine optimale Wirtschaftlichkeit der Partialdruckverdampfung erreicht wird.

Gegenüber den bisherigen Verfahren wird bei gleicher Heizflächentemperatur die Verdampfungstemperatur steigen, und je nach den Temperaturgebieten wird der Partialdruck der Flüssigkeit sehr stark erhöht. Die pro Gasmenge aufgenommene Dampfmenge wird gleichfalls vermehrt und die Verdampfungsleistung eine optimale Höhe erreichen. Dieser technische Fortschritt ist speziell für die Konzentration von temperaturempfindlichen Flüssigkeiten und Lösungen von großer Wichtigkeit, da damit nicht nur die Wirtschaftlichkeit der Eindampfungsmethode verbessert wird, sondern die Verdampfung kann bei gleicher Leistung in tiefere Temperaturgebiete verlegt werden, was bessere Qualitäten der Konzentrate ergibt.

Aber auch in den höheren Temperaturgebieten, wo für gewisse Produkte thermische und chemische Einwirkungen sich bemerkbar machen, lassen sich bei Anwendung des Verdampfungsverfahrens erhebliche Qualitätsverbesserungen feststellen.

Soll mit solchen Partialdruckverdampfern in Stufen gearbeitet werden, so weist die Ausnutzung der Brüdenwärme zur Beheizung der folgenden Stufe eine merkliche Steigerung auf, da die Temperaturdifferenz zwischen dem Heizdampf und der zu verdampfenden Flüssigkeit auf ein Minimum gebracht werden kann. Das gleiche gilt für Verdampfer mit Wärmepumpe, wo die Niederhaltung erwähnter Temperaturdifferenz erst eine wirtschaftliche Ausnutzung der Brüdenwärme gewährleistet.

Zur näheren Erläuterung des Verfahrens wird die Erfindung an Hand folgender Beispiele dargelegt, ohne daß aber der Erfindungsgedanke auf diese Ausführungsformen beschränkt sein soll. Es zeigt

Fig. ι einen Verdampfer mit Heizfläche in der Zone des Stoffaustausches,

Fig. 2 einen Verdampfer mit Heizfläche in der Stoffaustauschfläche,

Fig. 3 einen Verdampfer mit Zuleitung der erwärmten Flüssigkeit in die Zone des Stoffaustausches.

In Fig. ι wird in den durch Heizkörper 2 beheizten Verdampfer 1 durch einen Ventilator 3 ein erwärmtes Gas über den Verteiler 4 in die zu verdampfende Flüssigkeit eingeleitet und das Gas-Dampf-Gemisch über Schlot 6 zur weiteren Ausnutzung, beispielsweise zur Erwärmung des einzuleitenden Gases u. dgl., oder ins Freie abgeführt. Die in die unmittelbare Zone des Stoffaustausches 5 zwischen der zu verdampfenden Flüssigkeit und dem den Partialdruck reduzierenden Mittel eingebauten Heizkörper 2 sind in nächster Nähe derart

angeordnet, daß der Wärmefluß von der Heizfläche zur Stoffaustauschfläche durch Widerstände der Wärmeleitung und Flüssigkeitsströmung nicht behindert wird. Vorteilhaft wird dabei, wie dies in Fig. ι grundsätzlich dargestellt ist, der Heizkörper 2 in seiner Hauptdimension in die Richtung der Stoffaustauschfläche 5 verlegt. Im Wärmeaustauscher 7 wird das einzuleitende Gas auf die für die Verdampfung günstigste Temperatur, für einheitliehe Flüssigkeiten mit Vorteil auf die Verdampfungstemperatur erwärmt werden.

Fig. 2 stellt einen Partialdruckverdampfer dar, bei dem die Stoffaustauschfläche 5 als Heizfläche des Wärmeaustauschers 2 ausgebildet ist, womit der Wärmeflußwiderstand von der Heizfläche zur Stoffaustauschfläche auf nahezu Null vermindert werden kann. Die durch eine Fördervorrichtung 3 angesaugte erwärmte Gasmenge gelangt durch einen konzentrisch im Verdampfer 1 angeordneten Verteiler 4 derart zwangsweise auf die Stoffaustauschfläche 5, daß neben den günstigsten Verdampfungsleistungen auch die volle Sättigung des Gases erreicht werden kann. Durch diese Anordnung der senkrechten oder mindestens geneigten Strömung des Gases zur Stoffaustauschfläche findet eine intensive Berührung des Gases mit der Flüssigkeit statt, wodurch die Gasgrenzschicht vermindert wird und die gesamte Gasmenge am Stoffaustausch teilnimmt. Die Stoffaustauschfläche wird durch Berieselung mittels Verteiler 8 mit der zu verdampfenden Flüssigkeit, die unten im Verdampfer gesammelt und durch Pumpe 9 wieder in die Verteiler 8 gefördert wird, beschickt. Die Frischlösung gelangt bei

10 in das Verdampfungssystem. Das gesättigte Gas-Dampf-Gemisch entweicht durch Schlot 6 und wird beim Kreislaufverfahren in Wärmeaustauschern und Kondensatoren entfeuchtet und als relativ trockenes Gas über Ventilator 3 wieder in den Verdampfer 1 geleitet.

Das Verfahren nach Fig. 3 arbeitet in der Weise, daß die durch Pumpe 9 geförderte Flüssigkeit im Wärmeaustauscher 2 auf die Verdampfungstemperatur erwärmt wird und über die Verteilvorrichtung

11 in den Verdampfer 1 gelangt, während das erwärmte Gas mittels Ventilator 3 und Verteiler 4 eingeleitet wird und das Gas-Dampf-Gemisch bei 6 den Verdampfer 1 verläßt. Bei dieser prinzipiellen Anordnung wird sowohl die zu verdampfende Flüssigkeit als auch das Partialdruckreduziermittel, und zwar die gesamte Menge zwangsweise in die Zone des Stoffaustausches 5 geleitet und in intensive Berührung gebracht, womit bei geringster Flüssigkeitsumwälzung der kleinste Temperaturabfall in der Stoff austauschzone und eine der Verdampf ungstemperatur entsprechende höchste Leistung erreicht werden. Die Anordnung der Heizflächen von Wärmeaustauscher 2 außerhalb des Verdampfers 1 erweist sich besonders vorteilhaft für krustenbildende Stoffe, da die Inkrustierung der Heizfläche durch Nichtbildung von Dampfblasen an derselben und durch die Möglichkeit einer erhöhten Flüssigkeitsgeschwindigkeit an der Heizfläche sehr stark vermindert, oft sogar aufgehoben wird.

Das vorliegende Verfahren kann bei beliebigem Gesamtdruck des Systems betrieben werden, vorzugsweise wird aber ungefähr bei Atmosphärendruck gearbeitet, da unter diesen Bedingungen die Apparaturen sehr billig zu stehen kommen. Bei der Verdampfung oder Destillation von flüchtigen Flüssigkeiten und Lösungen auch bei Einschaltung einer Rektifizierkolonne wird in einem in sich geschlossenen Apparatesystem gearbeitet, wobei vorzugsweise das Partialdruckreduziermittel im Kreislauf geführt wird.

Vergleichsbeispiel

Durchgeführte Vergleichsversuche zeigen anschaulich die Überlegenheit des vorliegenden Verfahrens. Die Partialdruckverdampfung in der Anordnung ähnlich wie nach Fig. 1 wurde bei gleicher Temperatur des Heizmittels und der eingeleiteten Luft und bei gleicher Eintauchtiefe der Luftverteilvorrichtung und gleicher stündlicher Luftmenge durchgeführt, und zwar Versuch I: Heizfläche in der unmittelbaren Zone des Stoffaustausches; Versuch II: Heizfläche im Abstand von 15 cm von der Stoffaustauschzone.

Die Auswertungen der Versuche erfolgten nach der bekannten Stoffaustauschgleichung

G = β · F · A pm

und der Wärmebewegun-gsgleichung Q = a · F · Atm.

Aus. den Untersuchungen ergeben sich folgende prozentuale Verbesserungen des Versuches I gegenüber dem Versuch II:

Temperaturabfall

Heizfläche — Stoffaustauschzone 77 °/o

Heizfläche — Brüden 43 °/o

Verdampfungsleistung 20°/o

Verdunstungsziffer β · F ίο %

B-F

Kenngröße (L = Luftvolumen) 8 ⁰Zo

105 Wärmeübergang

Heizmittel — Wasser an der Heizfläche a_x 21 °/o

Wärmebewegung

Wasser an der Heizfläche — Stoffaustauschfläche — Brüden a₂ 115 °/o

Gesamte Wärmebewegung

Heizmittel — Brüden a , 38 °/o

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

ι. Verfahren zum Verdampfen undDestillieren von Flüssigkeiten bei Temperaturen unter dem Siedepunkt durch Zuleiten eines erwärmten Gases und unter Beheizung der Flüssigkeit durch Heizkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhr auf eine Flüssigkeitsschicht gerichtet ist, die die Heizkörper bedeckt bzw. die an der Austrittsstelle einer unmittelbar von einem Wärmeaustauscher kommenden Leitung gebildet wird, wobei die Ausdehnung der Zufuhrstelle bzw. Zufuhrstellen für das Gas der

Gesamtfläche der Heizkörper bzw. der Verteilvorrichtung entspricht und bei kurzer einmaliger Berührung mit geringem Temperaturabfall der zu verdampfenden Flüssigkeit und des Gases gearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas senkrecht oder mindestens geneigt zur Stoffaustauschfläche zugeführt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einzuleitende Gas auf die dem Partialdruck der zu verdampfenden Flüssigkeit entsprechende Temperatur vorgewärmt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung bei beliebigem Gesamtdruck und mit oder ohne Führung des Gases im Kreislauf erfolgt.
5. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einem Verdampfer (1) mit Abzug (6), einem Ventilator (3), Wärmeaustauscher (7) und Gasverteiler (4), der in die Stoffaustauschzone (5) mündet und einer Vorrichtung (2 bzw. 11) für die Wärmezufuhr in die Stoffaustauschzone, wobei sich die Gaszuführungsstellen über die gesamte Oberfläche des bzw. der Heizkörper erstrecken.
6. Vorrichtung nach Anspruchs in Ausbildung als geschlossener Flüssigkeitsverdampfer mit eingehängtem Heizkörper, dessen Größe der Gaszuführungsdüse entspricht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Rieselverdampfer mit über die gesamte Rieselfläche ver- teilten Gaszuführungsdüsen. .

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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