DE392884C - Verfahren und Apparatur zum Konzentrieren von Loesungen oder kolloiden Dispersionen - Google Patents

Description

• Verfahren und Apparatur zum Konzentrieren von Lösungen oder kolloiden Dispersionen. Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konzentrieren von Salzlösungen usw. bei. gewöhnlicher bzw. bei einer erheblich unterhalb des Siedepunktes des Lösungsmittels liegenden Temperatur. In gewissen Fällen kann man bis zur völligen Entfernung des Lösungsmittels kommen. Dies wird erreicht, indem man Gase oder Dämpfe durch Düsr,n, wie sie bei Dampfturbinen verwendet werden, expandieren läßt und auf die zu feinem Nebel verteilte Salzlösung zur Einwirkung bringt. Komprimiert man Luft auf 8 bis z; Atm. und läßt sie durch eine derartige Dfise expandieren, so wird die Spannungsenergie in freie Bewegungsenergie umgewandelt, und diese letztere wirkt sehr energisch auf die fein verteilte Flüssigkeit ein. Die Salzlösung verteilt man am zweckmäßigsten vermittels eines bekannten Zerstäubers zu einem feinen Nebel oder in bekannter Weise durch eine drehende Vorrichtung zu einer möglichst dünnen Scheibe, die quer zur Richtung des Luftstromes liegt. Es ist bereits ein Verfahren zum Trocknen von Milch ausgearbeitet worden, bei dem ein Dampfstrom auf die in dünner Scheibenform in freier Luft ausgebreitete Milch einwirkt. Auf diese Weise wird die Wärme> des Dampfes direkt der Milch zugeführt und sowohl der Zweck des Verfahrens, nämlich die Berührung der Milch mit heißen Metallflächen zu vermeiden, erreicht, aber keineswegs die völlige Nutzbarmachung des gesamten Energiegehalts des strömenden Dampfes.
• Mehrere andere bekannte Verfahren beruhen auf dem Prinzip, daß die Verdampfungsgeschwindigkeit eine Funktion einesteils des Zerteilungsgrades, der Flüssigkeit, andernteils der der zuströmenden Luft dargebotenen Flächenausdehnung der Nebelschwaden ist. Es wird daher die Erzeugung einer möglichst großen Flüssigkeitsoberfläche angestrebt, die erhöhte Dampfbildung zur Folge hat.
• Bei dem vorliegenden Verfahren wird demgegenüber eine besondere Wirkung durch hochgespannte Gase und Dämpfe erreicht, deren Teilchen eine Geschwindigkeit von zooo m pro Sekunde haben, daher mit großer Wucht auf die Salzlösung treffen und den Dampf des Lösungsmittels mit sich reißen. Während bei den bekannten Verfahren das zum Trocknen dienende Gas durch Vergrößerung der Oberfläche der Lösung nur indirekt eine erhöhte Dampfbildung begünstigt, wirkt der mit großer Geschwindigkeit sich bewegende Gasstrom direkt auf die Verdampfungsgeschwindigkeit ein, indem er fortwährend das Gleichgewicht zwischen dem Lösungsmittel und seinem Dampf durch Fortreißen von Dampfteilchen stört und Neubildung derselben aus der Flüssigkeit zur Folge hat.
• Um dem theoretischen Nutzeffekt möglichst nahe zu kommen, ist es daher erforderlich, die Verhältnisse so zu wählen, daß z. das expandierende Gas eine größtmögliche Geschwindigkeit erreicht, 2. die zerstäubte Flüssigkeit sich da befindet, wo die Gasteilchen die größte Geschwindigkeit besitzen, und 3. die Flüssigkeit äußerst fein verteilt wird und so dem vorbeiströmenden, expandierenden Gas oder Dampf eine möglichst große Angriffsfläche bietet. Beobachtet man diese drei Punkte, so kann man eine erhebliche Kohlenersparnis gegenüber bekannten Verfahren erzielen.
• In gleicherweise, wie man das Lösungsmittel aus Salzlösungen entfernen kann, läßt es sich auch aus kolloiden Lösungen und aus feinen Dispersionen fester Stoffe entfernen z. B. kann man nach dieser Methode kolloide Zerteilungen oder Aufschlemmungen von Kaolin, Erdfarben, Kohle, Torf, Graphit usw. entwässern.
• Statt Luft kann man bei diesem Verfahren auch Wasserdampf, und zwar am besten überhitzten Dampf verwenden, insbesondere, wenn nur eine Konzentration und nicht ein völliges Abdampfen gewünscht wird. Den Dampfdruck wählt man vorteilhaft möglichst hoch. Die bei den bekannten Zerstäubungsverfahren vielfach verwendete Preßluft wird in erster Linie dann verwendet, wenn es möglich ist, die Wärme von Abgasen auszunutzen. Am einfachsten führt man das den Luftkompressor und die Düse verbindende Rohr durch einen Abwärmekanal und läßt die Abgase die Leitung für komprimierte Luft im Gegenstrom umspülen. Bei der Konzentration von Lösungen, welche luft- oder sauerstoffempfindliche Substanzen enthalten, kann man in gleicher Weise ein anderes inertes Gas verwenden. Bei einer hygroskopischen Substanz wird man mit Preßluft arbeiten und muß entweder mit der Temperatur etwas höher gehen oder dem Luftstrom wasserentziehende Substanzen zusetzen, z. B. wird man bei der Eindampfung von Chlorkalziumlauge mindestens bei 3o bis 40'C arbeiten oder der komprimierten Luft geringe Mengen eines wasserentziehenden Mittels (z. B. o,i bis 0,5 Prozent Salzsäuregas) zusetzen; im letzteren Falle kommt man schon bei 2o bis 30' zum Ziel.
• Die Ausführung des Verfahrens in der Praxis ist sehr einfach. Komprimierte Luft oder ein anderes Gas oder Wasserdampf läßt man gegebenenfalls nach Vorwärmung durch eine trichterförmige Düse, wie sie für Dampfturbinen verwendet wird, expandieren. An der Stelle, an der das Gas die größte praktisch verwertbare Strömungsgeschwindigkeit erreicht, wird die einzudickende Salzlauge durch eine Zerstäubungsvorrichtung in bekannter Weise zu Nebel verteilt, am besten radial perpendikular zur Bewegung des Luftstromes. Man kann die Lauge auch in fein verteilter Form dem Luftstrom entgegenführen und endlich auch in der Bewegungsrichtung des Luftstromes verteilen. Der Grad der Zerstäubung und die Temperatur wird man je nach Art der Salzlauge und des verwendeten Gases verändern. Da es möglich ist, dem expandierenden Gas eine Geschwindigkeit bis iooo m pro Sekunde zu erteilen, treffen Luftteilchen mit großer Wucht auf die Teilchen der Salzlauge und reißen den Dampf des Lösungsmittels, das ein geringeres spezifisches Gewicht hat als das Salz, mit sich. Die Trennung wird um so vollständiger, j e energischer der Gasstrom auf die zerstäubte Lösung einwirkt. Vielleicht treten hierbei auch reibungselektrische Erscheinungen auf, die die Trennung des Lösungsmittels vom gelösten Stoffe noch zu beschleunigen vermögen. Da das expandierende Gas sich mit größerer Geschwindigkeit bewegt als die Nebelteilchen, so wird immer mehr von dem Lösungsmittel mitgerissen, bis die Konzentration so hoch wird, daß Kristallisation eintritt und sich feste Substanz ausscheidet.
• Man wird daher in einer gewissen Entfernung der Düse gegenüber in der Richtung des Luftstromes Prallflächen anordnen, um ein Mitreißen der festen Teilchen durch den Gasstrom zu verhindern. Dasselbe kann man auch durch entgegengestellte Drahtnetze oder Siebbleche erreichen und endlich dadurch, daß man den Gasstrom durch einen mit Füllkörpern (Ringe nach Raschig usw.) gefüllten Raum führt. Unterhalb der Prallflächen usw. wird ein Sammelraum angebracht für die ausgeschiedenen festen Stoffe bzw. für die eingedickte, kristallisierfähige Lauge.
• Man kann das Konzentrieren auch unter Vakuum ausführen, indem man das Gehäuse an eine Pumpe anschließt; dadurch erzielt man eine höhere Geschwindigkeit des Gasstromes. Dem Gasstrom kann man vertikale oder horizontale Richtung geben. Die erstere wird sich für die meisten Fälle als zweckmäßig erweisen. Den Effekt der Expansion kann man noch erhöhen, wenn man, anstatt eine einfache Dampfturbinendüse zu verwenden, bei der die Ausströmung des Gases geradlinig erfolgt, dem Gasstrom durch eine besondere Form der Düse eine Rotationsbewegung erteilt. Wird nun die Lauge zu einer gegen den Sinn des Uhrzeigers rotierenden Scheibe verteilt, so wird man den Gasstrom in entgegengesetzter Richtung (mit dem Sinn des Uhrzeigers) rotieren lassen, um die beste Wirkung zu erreichen. Diese Ausführungsart hat den Vorteil, daß die ausgeschiedenen festen Stoffe nicht mitgerissen, sondern durch die Zentrifugalkraft nach außen geschleudert werden und an der Wand des Gehäuses niederfallen.
• Eine weitere besonders einfache Ausführungsform des Verfahrens ist die folgende: Durch einen mit Füllkörpern zwecks Oberflächenvergrößerung erfüllten Turm läßt man die zu konzentrierende Flüssigkeit langsam als feinen Regen herunterrieseln, während im unteren Teil des Turmes der Gas- oder Dampfstrom durch die Düse expandiert. Das Lösungsmittel wird von dem Gasstrom nach oben mitgerissen, und die konzentrierte Lauge wird sich am Boden des Turmes ansammeln. Man kann sie nochmals nach oben pumpen, herabrieseln lassen und der Einwirkung des Gasstromes erneut unterwerfen.
• Es wurde ferner festgestellt, daß Zusätze kleiner Mengen von Ionisatoren oder Stoffen, welche entionisierend wirken, eine große Rolle spielen; z. B. wirkt bei Zuckerlösungen ein Zusatz von i bis 2 Prozent Kohlensäure zum Luftstrom stark entionisierend. Die Konzentrierung der Zuckerlösung erfolgt dann erheblich rascher und vorteilhafter. In gleicher Weise wirkt ein Zusatz von 0,5 bis i Prozent Alkohol. Umgekehrt ist bei Anwesenheit von - sehr geringen Mengen starker Säuren wesentlich mehr Zeit für die Konzentrierung bis zur gleichen Dichte erforderlich.
• Ähnliche Erscheinungen wurden auch bei der Eindickung von Salzlösungen beobachtet. So ist z. B., wie oben erwähnt, für die Eindickung von Chlorkalziumlauge ein Zusatz von Salzsäuregas vorteilhaft. Selbstverständlich müssen die Apparate aus einem salzsäurebeständigen Material hergestellt sein.
• In ganz besonderer Weise eignet sich das Verfahren, wie schon erwähnt, zur Eintrocknung oder Eindickung von Flüssigkeiten kolloider Natur, die schon bei gelindem Erwärmen sich zersetzen, koagulieren oder sonst ihren kolloiden Charakter verlieren. Da nach vorliegendem Verfahren bei gewöhnlicher oder nur ganz wenig erhöhter Temperatur gearbeitet

  werden kann, lassen sich Trocknungsprodukt(#

  erhalten, die alle ihre kolloiden Eigenschaften

  behalten haben und reversibel sind.

  Für die Ausführung des Verfahrens verwendet

  man zweckmäßig Apparaturen, wie sie durch

  die beiliegenden Zeichnungen i bis 7 schema-

  tisch dargestellt sind. Im folgenden sei die Be-

  schreibung derselben gegeben

  Bei Abb. z gelangt komprimierte Luft oder

  ein anderes Gas oder überhitzter Wasserdampf

  aus dem Ventil i durch die Düse a in den Düsen-

  trichter -;. Dieser mündet in einen konischen

  Behälter .I, der oben durch ein Sieb 9 vom Be-

  hälter 6 getrennt ist. Auf dem Sieb 5 liegen

  zur Vergrößerung der Oberfläche Füllkörper

  (Ringe nach Raschig usw.). Durch die Lei-

  tung 8 wird die einzuengende Flüssigkeit, z. B.

  eine Salzlösung, in den Zerstäuber 9 geführt,

  aus dem sie durch die Öffnungen in feiner Ver-

  teilung herausrieselt. Der Zerstäuber 9 ist

  außerdem mit Löchern ii versehen, durch die

  die Gase hindurchstreichen können. h(tzt(re

  gelangen von da in den Abscheider i 2. Der-

  selbe ist mit Prallwänden i3 versehen, an denen

  sieh etwa mitgerissene Flüssigkeitsteilchen ab-

  scheiden. Durch Hahn 1.9 kann der Abscheidur

  abgesperrt werden. Es ist darauf zu achten,

  daß die Temperatur im Abscheider i? nicht

  niedriger ist als im Behälter 6. Das von den

  Gasen mitgenommene Dispersionsmittel(Wasser)

  verläßt den Abscheiden Die Hauptmenge der

  eingeengten Lösung belangt durch die Füll-

  körperschicht und sammelt sich im Behälter ia.

  Abb. z zeigt eine ähnliche Ausführung, bei

  der j(doch der konische Behälter durch zylin-

  drische hinge .l ersetzt ist. Die Salzlösung oder

  die kolloide Dispersion gelangt durch die Lei-

  tung 8 und die Brause d in den Behälter .I.

  Gleichzeitig kann durch Leitung 3i zum Zwecke

  der besseren Zerstäubung in bekannter Weise

  Luft oder ein anderes Gas eingeführt we: den.

  Die in Abb.7 dargestellte Apparatur ge-

  stattet eine besonders rasche Konzentrierung.

  Ein Luft- oder Gasstrom bzw. überhitzter

  Wasserdampf tritt hier durch eine turbinen-

  artige Öffnung 16, die in Abb. ; und :1 beson-

  ders dargestellt ist, ein und erhält dadurch

  gleichzeitig eine drehende Bewegung gemäß

  den punktierten Linien. Die Salzlösung wird

  zweckmäßig durch die Leitung 8 eingeführt

  und durch die drehende Zerstäubungsvorrich-

  tUng 17 zu einer Scheibe zerteilt. Die betref-

  fende Vorrichtung ist in Abb. 5 und 6 beson-

  ders dargestellt. Durch einen Motor 18 und

  Zahnräder 2o, 21, 22, ;3 oder auf andere Weise

  wird die Turbine 17 in Umdrehung versetzt

  und hierdurch die zti konzentrierende Flüssig-

  keit zu einer dünnen Scheibe verteilt, durch

  welche der Gasstrom hindurchstreichen muß.

  ;Je nachdem, ob man eine kolloide Listing od;-r

  Salzlösung usw. nur konzentrieren oder völlig

  abdampfen will, muß man die Strömungsge-

  schwindigkeit des Gases schwäche-: oder stärker

  und die Tenipuratur tiefer oder höher wähl(_n.

  Durch geeignete Widerstände 24 bis !g (Siebe,

  Bleche usw.) wird bewirkt, daß die- eingedickt"

  Flüssigkeit oder die zur Trockne verdampfte

  Substanz abgeschieden und gegebenenfalls in

  getrennten Behältern 2,5, =6-z, :7-1 8-t, ge-

  sammelt wird.

Claims (1)

1. PATE 11'-A1 s1':iC"("II1's: i. \"erfahren zum Konzentrieren von Lii- sungen oder kolloiden Dispersionen durch Zerstäubung in einem Gas- oder Dampfstrom, dadurch gekennzeichnet, daß man Gase oder Dämpfe gegebenenfalls 'unter Zusatz von Stoffen, welche die Trennung erleichtern oder Flüssigkeiten zu absorbieren vermögen, durch Düsen, wie sie für Dampfturbinen verwendet wt:rden, expandieren läßt, und den Gas- oder Dampfstrom an dc-r Stelle seiner höchsten Geschwindigkeit auf die fein verteilte, zu konzentrierende Flüssig- keit einwirken. läßt. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gukeunzeichnet, daß die einzudickende Lauge im Gegenstrom zum expandierenden Gas zti feinem Nebel zerstäubt wird. 3. Verfahren nach Anspruch i und 2, da- durch gekennzeichnet, daß die einzudickende Lange radial perpendikular zum expandie- renden Gas oder Dampf durch eine drehende Vorrichtung zti einer dünnen Scheibe ft-in zerstäubt wird. -l. Verfahren nach Anspruch i bis 3, da- durch gekennzeichnet, daß der Gasstrom in der Dampfturbinendüse nicht nur eine gerad- linige Beschleunigung erhält, sondern auch in eine rotierende Bewegung gebracht wird, und zwar entgegen der Drehrichtung des nach Anspruch 3 fein verteilten Flüssigk(its- nebels. Verfahren nach Anspruch i bis .I, da- durch gekennzc ichnot, daß der expandie- rende Gas- oder Dampfstrom in einen Turm einströmt, durch welchen die einzudickende Lauge auf Füllkörpern als feiner Regen herabrieselt. 0. Verfahren nach Anspruch i bis 5, da- durch gekennzeichnet, daß dem Wege des Luftstromes Prallflächen, z. B. Stäbe, Draht- netze,Siebbleche, Füllkörper usw., entgcgcn- gestellt werden, um die sich ausscheidenden festen Stoffe oder spezifisch schwerer wordene Flüssigkeit abzuscheiden.