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Verfahren und Vorrichtung zur Konzentration von Wasserstoffperoxyd
Zum Konzentrieren von Wasserstoffperoxyd sind schon früher eine Anzahl von Verfahren
vorgeschlagen worden. So ist es z. B. möglich, dasselbe durch Massenverdampfung
im Vakuum zu konzentrieren. Dabei ergeben sich jedoch große Verluste an Dampf. Das
bisher verwendete Hauptverfahren besteht in der Fraktionierung der Wasserstoffperoxydlösung
in einer großen Füllkörperkolonne aus Steinzeug im Vakuum. Die Nachteile dieses
Verfahrens sind die folgenden: i. Die unter Vakuum arbeitenden Kolonnen müssen größer
sein als es sonst erforderlich wäre. Außerdem sind sie kostspielig, weil sie aus
teuren Werkstoffeng wie z. B. korrosionsfestem Steinzeug, verfertigt werden müssen.
a. Je größer Höhe und Durchmesser sind, desto geringer ist ihr Wirkungsgrad, und
zwar infolge der Schwierigkeit, eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit aufrechtzuerhalten..
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3. Die Größe ist durch die Schwierigkeiten. der Anfertigung in Steinzeug
beschränkt.
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¢ Da die Flüssigkeit mit einer großen Oberfläche von Füllkörpermaterial
in Berührung kommt, besteht die unerwünschte Möglichkeit des Auswaschens von Verunreinigungen
aus demselben.
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Auch die bekannten Bodenkolonnen mit beispielsweise Glockenböden können.
für Wasserstoffperoxyd nicht verwendet werden, und zwar aus den folgenden Gründen:
i.
Es wären Kolonnen von außergewöhnlich großem Durchmesser erforderlich, um die Dampfgeschwindigkeit
unterhalb des Belastungspunktes der Schalen bzw. Böden zu halten.
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2. Die Schalen bzw. Böden fassen ein beträchtliches Volumen an Flüssigkeit.
Dadurch wird die Verweilzeit der Flüssigkeit im Verfahrensgang erhöht, und es ergibt
sich eine Zunahme des durch Zersetzung verlorengehenden Anteils an Wasserstoffperoxyd.
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Gemäß der Erfindung wurde nunmehr festgestellt, daß es möglich ist,
Wasserstoffperoxydlösungen mittels einer Reihe von Rohren und ohne die Verwendung
von Fraktionierkolonnen zu konzentrieren.
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Erfindungsgemäß wird die zu konzentrierende Wasserstoffperoxydlösung
im Gleichstrom mit heißemDampf von unten nach oben durch ein Rohr geschickt, und
die sich hierbei ins thermodynamische Gleichgewicht setzenden Phasen werden in einem
Abscheider in eine konzentrierte Wasserstoffperoxydlösung und in einen wasserstoffp,eroxydhaltigen
Dampf getrennt. Die so angereicherte Flüssigkeit wird teilweise mit neuer Wasserstoffperoxydlösung
dem ersten Rohr wieder zugeführt und teilweise als Fertigprodukt entnommen. Der
aus dem Abscheider entweichende Dampf wird dem unteren Ende eines zweiten Rohres
zusammen mit einer verdünnteren Lösung imGleichstrom zugeführt, wobei eineAnreicherung
dieser Wasserstoffperoxydlösung stattfindet. Die sich wiederum ins Gleichgewicht
setzende Dampf-und Flüssigkeitsphase wird in einem zweiten Abscheider getrennt und
der Dampf je nach Wunsch in weitere Röhre zusammen mit immer verdünnteren Wasserstoffperoxydlösungen
eingeleitet. Die aus dem zweiten Abscheider stammende Wasserstoffperoxydlösung wird
teilweise dem unteren Ende des ersten Rohres oder der Speisungsflüssigkeit desselben.
und teilweise dem unteren Ende des zweiten Rohres zugeführt.
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Das neue Verfahren wird im folgenden. an Hand einer zur Durchführung
geeignetenVorrichtung erläutert, die in der Zeichnung beispielsweise dargestellt
isr.
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Nach der Zeichnung besteht die Apparatur aus einem Kletterverdampfer
i mit einem Dampfmantel 2, welcher einen durch ein Ventil 4 regulierten und mit
einem Manometer 5 ausgestatteten Dampfeinlaß 3 sowie einen Dampfauslaß 6 besitzt.
Der Kletterverdampfer ist durch ein Rohr 7 mit einem Abscheider 8 verbunden. Letzterer
besitzt ein Flüssigkeitsablaufrohrg mit einerZweigleitung io für die Entnahme des
Fertigproduktes und einer Zweigleitung i i zum Umpumpen der Flüssigkeit zu dem Kletterverdampfer.
Ebenso besitzt der Abscheider 8 ein Dampfableitungsrohr 12, angeschlossen an ein
Rohr 13, welches durch ein Rohr 14 an einem mit einem (in derZeichnung nicht dargestellten)
Regulierhahn versehenen Behälter 15 angeschlossen ist. Das Oberteil des Rohres 13
ist an einenAbscheider i6 angeschlossen. Letzterer besitzt ein Flüssigkeitsablaufröhr
17 mit einer Zweig-Leitung i8 zum Umpumpen der Flüssigkeit zum Rohr 13 und einer
Zweigleitung 19 zum Umpumpen der Flüssigkeit zu dem Speiseeinlaß des Kletterverdampfers
i. Auch der Abscheider 16 besitzt ein Dampfableitungsrohr2o, angeschlossen an einRohr
21, welches durch ein Rohr 22 an einen mit einem (in der Zeichnung nicht dargestellten)
Regulierhahn versehenen Behälter 23 angeschlossen ist. Das Oberteil des Rohres 21
ist an einen Abscheider 24 angeschlossen. Letzterer besitzt ein Flüssigkeitsablauf
rohr 25 mit einer Zweigleitung 26 zum Umpumpen der Flüssigkeit in das Rohr 21 und
einer Zweigleitung 27, die an das Rohr 14 angeschlossen ist, um die Flüssigkeit
zu dem Rohr 13 umzupumpen. Auch der Abscheider24 besitzt einDampfableitungsrahr
28, welches an einen Kondensator 29 mit Vorlage 3o angeschlossen ist.
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Die Apparatur arbeitet folgendermaßen: Die zu konzentrierende Wasserstoffperoxydlösung
ist in dem Behälter 15 enthalten und wird durch das Rohr 14 in das Rohr 13 gespeist.
Der Kletterverdampfer i wird mit konzentriertem Wasscrstoffperoxyd angefüllt. Der
Behälter 23 enthält Wasser oder sehr verdünntes Wasserstoffperoxyd, z. B. das Kondensat
aus der Vorlage 3o. Die Flüssigkeit aus dem Behälter 23 wird durch das Rohr 22 in
das Rohr 21 gefördert. Das Wasserstoffperoxyd in dem Kletterverdampfer i verdampft
infolge der durch den Dampfmantel 2 entwickelten Hitze, und schwacher Wasserstoffperoxyddampf
strömt von dem Abscheider 8 in das RoUr 13, in welchem er mit der durch das Rohr
13 strömenden Flüssigkeit ungefähr ins Gleichgewicht kommt. Dabei verliert
der Dampf Wasserstoffperoxyd, weil die Flüssigkeit im Rohr 13 schwächer ist als
diejenige im Kletterverdampfer i. Dieser Vorgang wiederholt sich im Rohr 2i, und
der endgültige Dampf kann ohne übermäßigen Verlust an Wasserstoffperoxyd durch das
Rohr 28 und den Kondensator 29 zu der Vorlage 3o abgeführt werden. Das konzentrierte
Wasserstoffperoxyd wird am Boden des Rohres io abgezogen. Um in den Rohren 13 und
:2i eine konstante Menge Flüssigkeit zu halten, wird Flüssigkeit von jedem dieser
Rohre zum nächsten, d. h. von 21 zu 13 und von 13 zui, geleitet. Die Temperatur
in den gegen Wärme isolierten Rohren 13 und 21 ist praktisch auf ihre ganze Länge
hin konstant. Die Temperatur hängt von dem in der Apparatur herrschenden Druck ab
und kann auf So bis 11o° C gehalten werden.
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Für die Erzielung des gewünschten technischen Effektes ist es wesentlich,
daß die Länge jedes Rohres mindestens gleich dem Zehnfachen, Vorzugsweise gleich
dem Fünfzigfachen seiner Weite ist.
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Für die Durchführung des Verfahrens sind mindestens je zwei Rohre
und Abscheider erforderlich, doch können je nach den speziellen Bedingungen auch
drei und mehr Sätze verwendet werden, wobei die zu konzentrierende Wasserstoffperoxydlösung
der Basis irgendeines der Rohre außer dem letzten vor dem Kondenser zugeführt wird.
Der
Dampf für das erste Rohr wird vorzugsweise durch Konzentrieren des entnommenen Fertigproduktes
aus dem ersten Abscheider in einem Kletterverdampfer gewonnen, wobei die Rohrsätze
zur Platzersparnis vorteilhaft parallel angeordnet sind und zu mehreren in einem
größeren Mantelrohr zusammengefaßt werden.
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Um eine Dampfgeschwindigkeit zu erzielen, die ausreicht, um ein inniges
Gemisch von Dampf und Flüssigkeit in den Rohren von unten nach oben zu führen, ist
es zweckmäßig, jedenfalls bei Verwendung eines senkrechten Verdampfers, alle Rohre
diesem im Durchmesser gleich zu machen. Auch bei Verwendung eines anderen Verdampfertyps,
beispielsweise eines Massenverdampfers, ist es zweckmäßig, alle Rohre mit gleichem
Durchmesser zu wählen.
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Um den Flüssigkeitsspiegel zu regulieren und ein Überlaufen oder Trockenlaufen
der Apparatur infolge zu geringer oder zu starker Verdampfung zu vermeiden, ist
es vorteilhaft, in die Speiseleitung eine selbsttätige Regelvorrichtung einzubauen.
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Vorzugsweise stehen die Rohre der erfindungsgemäßen Vorrichtung senkrecht,
obwohl sie auch jeden beliebigen Winkel unter 9o° mit der Vertikalen bilden können.
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Um höhere Konzentrationsgrade zu erhalten, kann die Konzentration
der in die Apparatur gespeisten Flüssigkeit oder die dem Verdampfer zugeführte Wärmemenge
erhöht werden. Auch kann bei Erhöhung der Wärmemenge eine größere Menge des Produktes
bei gleicher Konzentration verarbeitet werden. Als Beispiel sei angeführt, daß es
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, die Konzentration des Wasserstoffperoxyds
in einem Aggregat von 3 auf 30% zu steigern, während in einem weiteren Aggregat
das 300/aige Wasserstoffperoxyd auf # eine Konzentration von 6o% gebracht werden
kann.
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Der Betrieb der Anlage wird auch durch die Menge an Wasser oder sehr
verdünnten Wasserstoffperoxyds, welches der Anlage aus dem Behälter 23 zugeführt
wird, gesteuert. Je weniger Wasser aus diesem Behälter zugeführt wird, desto größer
ist der Verlust an Wasserstoffperoxyd im Kondensat, und umgekehrt.
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Das Verfahren kann beispielsweise in Apparaturen aus rostfreiem Stahl,
Glas, Aluminium oder sonstigen geeigneten Werkstoffen durchgeführt werden. Das Verfahren
kann kontinuierlich vor sich gehen, und zwar unterAtmosphärendfuck oder unter vermindertem
Druck, was insbesondere bei höheren Wasserstoffperoxydkonzentrationen, z. B. 8o%,
wegen der Zersetzung bei hohen Temperaturen ratsam ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung können bei der Konzentration von Wasserstoffperoxyd,
wie es bei irgendeinem der üblichen fabrikmäßigen Produktionsverfahren anfällt,
zur Anwendung gelangen. Wasserstoffperoxyd mit einem übermäßigen Gehalt an Verunreinigungen
kann jedoch nach diesem Verfahren nicht konzentriert werden, da die Verunreinigungen
die Apparatur zusetzen würden. Es muß daher vorher nach irgendeinem der üblichen
Reinigungsverfahren gereinigt worden sein.
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Die nachstehenden Beispiele, bei welchen die in der Zeichnung dargestellte
Apparatur verwendet wurde, erläutern die vorliegende Erfindung: i. 42,4 kg 4,46%igen
Wasserstoffperoxyds wurden in das wärmeisolierte Rohr 13 gespeist, wo sie auf heißen
Dampf mit einer Temperatur von i io° stießen. Das Bodenprodukt aus dem Abscheider
8 wurde teilweise als 6,25 kg 28,2%igen Wasserstoffperoxyds. abgezogen, während
ein anderer Teil durch das Rohr i i zu dem Kletterverdampfer i umgepumpt wurde.
Der obere Ablauf aus dem Abscheider 16 ging zu dem wärmeisolierten Rohr 2i, dessen
Unterteil i i kg Kondensat (o,o9%iges Wasserstoffperoxyd) aus dem Behälter 23, der
von der Vorlage 3o aus gespeist wurde, zugeführt wurden. Die Gesamtmenge des Kondensats
belief sich auf 47,75 kg. Der Prozentsatz des bei dem Verfahren zersetzten Wasserstoffperoxyds,
auf die der Anlage zugeführte Menge an Wasserstoffperoxyd bezogen, belief sich auf
2,5%, die als konzentriertes Produkt wiedergewonnene Menge auf 920/0. Rohr i war
aus rostfreiem Stahl mit einer Länge von i448 mm und einem Durchmesser von i2,7
mm. Die Rohre 13 und 2i waren je io67 mm lang bei einem Durchmesser von 25,4
mm und bestanden, wie übrigens auch die restliche Apparatur, aus chemisch widerstandsfähigem
Glas. Die Apparatur arbeitete bei Atmosphärendruck; die Temperatur in den Rohren
13 und 21 war praktisch gleichmäßig.
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2. i9 kg 4,o6%igen Wasserstoffperoxyds wurden in einem Zeitraum von
43 Minuten in das wärmeisolierte Rohr 13 gespeist, in welchem sie auf heißen Dampf
mit einer Temperatur von etwa 70° trafen. Das Bodenprodukt aus. dem Abscheider 8
wurde teilweise als 3J5 kg 2 i%igen Wasserstoffperoxyds abgezogen, während ein anderer
Teil durch das Rohr i i wieder in den Kletterverdampfer i gefördert wurde. Dem unteren
Ende von Rohr 2i wurden 13,9 kg Kondensat o,io%igen Wasserstoffperoxyds aus dem
Behälter 23, der von der Vorlage 3o aus gespeist wurde, zugeführt. I)ie gesamte
Menge des Kondensats belief sich auf 28,8 kg. Der Prozentsatz an in dem Verfahren
zersetzten Wasserstoffperoxyds, auf die der Anlage zugeführte Menge an Wasserstoffperoxyd
bezogen, belief sich auf io,3%, der Prozentsatz an als konzentriertes Produkt wiediergewonnenem
Wasserstoffperoxyd auf 86%. Bei dieser Apparatur war das Rohr i aus rostfreiem Stahl
mit einer Länge von 3658 mm bei 5o,8 mm Durchmesser. Die Rohre 13
und 2i,
beide aus chemisch widerstandsfähigem Glas, waren je 1829 mm lang bei 5o,8 mm Durchmesser.
Der Betriebsdruck im Kondensator 29 belief sich auf 76,2 mm Quecksilbersäule; die
Temperatur in den Rohren 13 und 21 war praktisch gleichmäßig.
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Die vorliegende Erfindung bietet die folgenden Vorteile: i. Sie vermeidet
die Verwendung von Fraktionierkolonnen aus Steinzeug und gestattet den
Gebrauch
wahlweiser Werkstoffe geringerer Abmessungen und mit besseren Festigkeits- und Bearbeitungseigenschaften.
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2. Die Anlage für das Verfahren kann so gebaut werden, daß sie nur
eine geringe Menge an Flüssigkeit faßt, wodurch die Zersetzung herabgemindert wird.
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3. Das Verfahren kann bei Atmosphärendruck vor sich gehen, wodurch
die Notwendigkeit für Vakuumanlagen entfällt.
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4. Die Anlage ist für eine gegebene -Leistung sehr viel kleiner, leichter
zu erstellen und weniger Raumbedarf erheischend als bei Verwendung von Fraktioniertürmen,
da hohe Dampfgeschwindigkeiten für dieselbe keinen Nachteil bedeuten.
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Eine Glockenbodenkolonne von 3048 mm Durchmesser wäre erforderlich
für die gleiche Leistung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden
Kolonne von 914,4 mm Durchmesser, wenn diese letztere Kolonne 65 Rohre von 5o,8
mm Durchmesser enthalten würde.