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Verfahren zum Eindampfen von Schwefelsäure oder sich ähnlich verhaltenden
Lösungen
Bei einem bekannten Verfahren zur Hochkonzentration verdünnter Schwefelsäure
wurde die dünne Säure in einem einstufigen Apparat bis auf etwa 75 Gewichtsprozent
vorkonzentriert und dann in einem zweiten einstufigen Apparat bis auf 96 Gewichtsprozent
gebracht. Eine Verwertung der entstehenden Brüdendämpfe erfolgt nicht, was auch
wegen der hohen Siedepunktserhöhung bei dieser Schaltung nicht möglich war. Da Schwefelsäure
höherer Konzentration destilliert, enthalten die entstehenden Brüdendämpfe je nach
Konzentration noch beträchtliche Mengen an Säure. Durch Anordnung eines Dephlegmators
oder einer Rektifizierkolonne kann diese Säure zwar zurüd<gewonnen werden, jedoch
liegt der Nachteil dieses Verfahrens in dem hohen Gesamtwärmebedarf; hinzu kommt
die Schwierigkeit der Baustofffrage.
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Bei einem anderen Verfahren wird die in einer Stufe unter Vakuum
vorkonzentrierte Säure in eine Destillierblase eingeleitet, in welcher ununterbrochen
eine größere Menge hochkonzentrierter Säure im Siedezustand gehalten werden muß.
Die aus der Blase entweichenden Wasser-Säure-Dämpfe werden durch einen Teil Säure
aus der ersten Stufe in einem Dephlegmator oder in einer Rektifizierkolonne entsäuert,
und die entweichenden säurefreien Dämpfe dienen zum Heizen der ersten Stufe.
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Die Destillierblase wird durch Feuergase beheizt.
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Die Abgase geben einen Teil ihrer Restwärme über eine der Blase vorgeschaltete
Verdampferfläche an die aus der ersten Stufe kommende Säure ab, bevor diese in die
Destillierblase gelangt. Die entweichenden Dämpfe werden ebenfalls zum Beheizen
der ersten Stufe benutzt. Auch dieses Verfahren gestattet keine weitgehende Ausnutzung
der aufgewendeten Wärme. Es ist wegen der Art der Beheizung in bezug auf den Werkstoff
empfindlich und träge in der Regelung.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Konzentrierung von
Schwefelsäure oder sich ähnlich verhaltenden Lösungen in mehreren indirekt beheizten
Verdampfungsstufen. Dabei wird die Vorkonzentrierung der dünnen Rohsäure in an sich
bekannten Umlaufverdampfern ausgeführt und die Hochkonzeutrierung in der letzten
Verdampferstufe als Dünnschichtverdampfung nach dem Prinzip des fallenden Flüssigkeitsfilms
vorgenommen.
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Die in dieser Dünnschichtverdampfung gebildeten säurehaltigen Brüden
werden in die zu konzentrierende, in einer oder mehreren Vorstufen umlaufende Säure
entlang den Heizflächen der Umlaufverdampfer eingeleitet. Dadurch werden in den
letzten Stufen der Vorkonzentrierung säurefreie Brüden erhalten, die in voraufgehenden
Verdampferstufen als Heizmittel verwendet werden könnten. In der letzten, als Dünnschichtverdampfer
betriebenen Kouzentrierungsstufe und dem voraufgehenden Umlaufverdampfer erfolgt
die Beheizung mittels eines flüssigen Wärmeträgers, der bei normalem oder wenig
erhöhtem Druck umgewälzt wird. Dadurch wird die Verwendung korrosionsbeständiger
Werkstoffe, die aber nur unter bestimmten Betriebsbedingungen undurchlässig sind,
möglich. Es sind das beispielsweise imprägnierter Graphit, Siliziumguß oder durch
Sintern von Kohlefeinstäuben hergestellte und gegebenenfalls mit metallischen Überzügen
versehene Werkstoffe.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Anlagevolumen wesentlich
verringert und insbesondere der Säureinhalt der letzten, der Hochkonzentrierung
dienenden Stufe auf ein Minimum verringert. Dabei wird die Werkstofffrage in einfacher
Weise gelöst. Die Steuerung der Anlage ist einfach und zuverlässig.
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In den Abbildungen sind der Aufbau einer Anlage zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens und der in der letzten Stufe verwendete Dünnschichtverdampfer
beispielsweise und schematisch dargestellt.
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Abb. I ist das Fließschema der Anlage; Abb. 2 stellt den Kopf eines
Dünnschichtverdampfers mit indirekter Innenheizung dar; Abb. 3 zeigt das Verteilerorgan
dieser Vorrichtung in horizontalem Schnitt; Abb. 4 und 5 zeigen Dünnschichtverdampfer
mit Außenheizung.
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In Abb. I ist eine für das neue Verfahren geeignete dreistufige Anlage
beispielsweise und schematisch dargestellt.
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Nach Abb. I gelangt die verdünnte Säure bei I über den Wärmeaustauscher
2, Rohrleitung 3, Wärmeaustauscher 4 in den Heizkörper 5 der Stufe I. Sie verläßt
diese Stufe über Leitung 6 und wird durch Pumpe 7 in den Heizkörper 8 der Stufe
II gedrückt. Von der Stufe II fließt die Säure durch Leitung g in den Heizkörper
10 der tiefer stehenden Stufe III und von hier mit der höchstmöglichen Konzentration
durch Leitung 1I und Wärmeaustauscher 2 zur Lagerung. Im Wärmeaustauscher 2 wird
die hochkonzentrierte Säure durch die dünne Säure gekühlt.
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Die entstehenden Brüdendämpfe der Stufe III werden durch Leitung
I2 in die Säure entlang der Heizfläche der Stufe II eingeblasen. Dadurch werden
die säurehaltigen Brüdendämpfe ausgewaschen und verlassen zusammen mit den im Heizkörper
8 erzeugten Dämpfen als praktisch reine Wasserdämpfe die Stufe II. Durch das Dampfeinblasen
erhöht sich gleichzeitig die Wärmeübertragungsleistung je Heizflächeneinheit. Ein
Teil des Wärmeinhaltes der eingeblasenen Brüden dient außerdem zum Verdampfen der
Säure in dem Heizkörper.
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Die säurefreien Brüdendämpfe der Stufe II gelangen durch Leitung 13
in den Heizkörper 5 der Stufe 1 zum Verdampfen der darin befindlichen Säure. Das
Kondensat gelangt durch Leitung 14 zum Wärmeaustauscher 4, um die dünne Säure weiter
vorzuwärmen, und weiter durch Leitung 15 zum Fallrohr I6 des Mischkondensators I7.
Der Heizkörper 5 wird über Leitung I8 und I9 zum Kondensator 17 entlüftet. Die in
Stufe I entstehenden Brüdendämpfe gelangen ebenfalls durch Leitun 19 zum Kondensator
17 und werden durch Wasser aus Leitung 20 kondensiert. Das Kondensat-Wasser-Gemisch
fließt durch Fallrohrs6 ab.
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Die Entlüftung der ganzen Anlage erfolgt durch eine geeignete Vakuumpumpe
bei 21.
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Die für die Verdampfung erforderliche Wärme wird der Anlage über
einen Wärmeträger in einem Kreislauf dem Heizkörper 10 und in einem weiteren Kreislauf
dem Heizkörper 8 zugeführt. Dieser Wärmeträger, z. B. Diphenyl, Diphenyloxyd, ein
Gemisch davon oder eine andere geeignete hochsiedende Flüssigkeit, wird im Erhitzer
22 durch z. B. Feuergase erhitzt, durch Leitung 23 zum Heizkörper 10 und nach teilweiser
Wärmeabgabe durch Leitung 24, Wärmeaustauscher2s, Leitung 26 und Pumpe 27 wieder
zum Erhitzer gedrückt.
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Im Wärmeaustauscher 25 gibt der Wärmeträger des ersten Kreislaufes
die Restwärme an den Wärmeträger des zweiten Kreislaufes ab. Der zweite Kreislauf
wird gebildet durch Wärmeaustauscher 25, Heizkörper 8 und die Leitungen 28 und 29.
Der Wärmeaustauscher 25 dient gleichzeitig als Temperatur- und Druckwechsler. Auf
diese Weise ist es möglich, die den Bedingungen der Heizkörper 8 und 10 entsprechenden
Werkstoffe, z. B. imprägnierten Graphit und Siliziumguß, zu verwenden. In beiden
Wärmeträgerkreisläufen kann der Wärmeträger in flüssiger oder dampfförmiger Phase
verwendet und mittels einer Pumpe oder selbsttätig, d. h. durch die im Umlaufweg
vorhandenen Temperaturdifferenzen, umgewälzt werden.
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Arbeitet z. B. die dritte Stufe unter Normaldruck, so wird als Werkstoff
für den Heizkörper 10 zweckmäßig Siliziumguß verwendet. Die Siedetemperatur der
verdünnten Säure am oberen Ende des Heizkörpers beträgt etwa I500 C, die Siedetemperatur
der konzentrierten Säure am unteren Ende des Heizkörpers etwa 3100 C. Der Wärmeträger,
z. B. Diphenyl-Diphenyloxyd-Gemisch, tritt am unteren Ende des Heizkörpers mit etwa
3500 C ein, fließt im Gegenstrom zur Säure nach oben und verläßt den Heizkörper
mit etwa 2500 C. Der Wärmeträger steht unter einem Druck von mindestens 5 atü.
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Wird der Heizkörper 8 z. B. aus imprägniertem Graphit hergestellt,
dessen höchste Wandtemperatur etwa I700 C und dessen höchstzulässiger Betriebsdruck
etwa 3 atü beträgt, so kann der von dem Heizkörper 10 abströmende Wärmeträger in
der Regel für die Beheizung des Heizkörpers 8 nicht direkt verwendet werden, da
seine Temperatur 2500 C und sein Druck 5 atü beträgt. Dieser Wärmeträger gibt vielmehr
vorteilhaft die erforderliche Wärme im Wärmeaustauscher 25 an den im zweiten Kreislauf
strömenden Wärmeträger, z. B. Diphenyl-Diphenyloxyd-Gemisch, ab, welcher z. B. unter
Normaldruck steht. Der zweite Kreislauf wird zweckmäßig so bemessen, daß die maximale
Temperatur des Wärmeträgers I700 C nicht überschreitet.
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In den beiden der Vorkonzentrierung dienenden Stufen I und II werden
an sich bekannte Umlaufverdampfer verwendet, deren Wärmeübertragungsflächen aus
imprägniertem Graphit oder Siliziumguß hergestellt sind. Die Zahl dieser Stufen
kann bei Bedarf vermehrt werden.
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In der Endstufe wird stets ein Dünnschichtverdampfer verwendet. Dieser
kann, wie in Abb. I dargestellt, unterhalb der voraufgehenden Vorstufe I angeordnet
werden. Es ist jedoch auch möglich, die Endstufe neben den Vorstufen anzuordnen
und die Brüden mittels einer Förderpumpe von der Endstufe zur Vorstufe zu leiten.
Diese Brüdeneinleitung kann in einer anderen, gegebenenfalls auch in mehreren Vorstufen
vorgenommen werden.
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Die Verdampfung der Säure im fallenden Film kann z. B. auf der Außenseite
der Heizfläche erfolgen. In Abb. 2 ist dies beispielsweise und schematisch gezeigt.
In dem Heizkörpermantel 30 ist die rohrförmige Heizfläche 31 eingebaut. Der Wärmeträger
strömt bei 32 in den Heizkörper ein und verläßt ihn bei 33. Die verdünnte Säure
fließt bei 34 auf das Verteilerrad 35, verläßt dieses durch die öffnungen 36 und
strömt als dünner Film über die äußere Oberfläche des Heizkörpers 31 nach unten.
Die Öffnungen 36 können auch derart schräg in den Boden des Verteilerrades gebohrt
werden, daß das Rad durch die durchlaufende Säure in leichte Drehung versetzt wird.
Diese Drehung kann noch durch den aus dem Raum 37 von der Filmoberfläche abströmenden
Brüdendampf dadurch unterstützt werden, daß dieser Dampf die auf dem äußeren Umfang
des Verteilerrades angebrachten turbinenartigen Schaufeln 38 durchströmt.
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Soll die Filmverdampfung auf der Innenseite der Heizfläche erfolgen,
so kann eine Anordnung nach Abb. 3 und 4 gewählt werden. Die verdünnte Säure fließt
aus dem Raum 39, der beispielsweise einen Säurebehälter bezeichnen soll, durch die
tangentialen Schlitze 40 auf die Innenseite der rohrförmigen Heizfläche 41 nach
unten. Durch die Form der Schlitze wird die Säure in eine spiralförmige Drehung
versetzt. Der entstehende Brüdendampf strömt durch das Rohrinnere nach oben und
verläßt dieses bei 42.
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Der Wärmeträger umströmt die Heizfläche von außen, durch den Ringraum
43 von unten kommend, und fließt bei 44 ab.
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Auf eine besonders gleichmäßige Säureverteilung auf die Oberfläche
des Heizkörpers kann verzichtet werden, wenn bei Innenverdampfung das Heizrohr mit
Füllkörpern ausgefüllt wird. Diese Füllkörper werden zweckmäßig so bemessen, daß
der aufsteigende Brüdendampf turhulent strömt. In Abb. 5 ist diese Ausführung beispielsweise
skizziert. 45 ist die Heizfläche, 46 sind die Füllkörper. Die Säure fließt bei 47
auf die Füllschicht und durch diese nach unten. Der entsteigende Brüdendampf strömt
bei 48 nach oben ab. Der Wärmeträger strömt von unten nach oben durch den Ringraum
49 und verläßt diesen bei 50.