DE580928C - Verfahren zum Eindampfen von Fluessigkeiten - Google Patents

Description

Die Wirtschaftlichkeit von Eindampfanlagen leidet oftmals stark unter dem Einfluß der Heizflächenverkrustung, welche die Leistungsfähigkeit herabsetzt und den Wärmeverbrauch erhöht. Man hat 'daher schon seit langem nach Mitteln und Wegen gesucht, um die Verkrustung der Heizflächen zu verhüten und dadurch den' Wirkungsgrad von Eindampfprozessen zu erhöhen. Die: bisher erzielten Teilerfolge waren jedoch von der vollkommenen Lösung des Problems noch ziemlich entfernt und befriedigten daher keineswegs. Die Wirksamkeit der angewandten Mittel war in den meisten Fällen ungenügend und mehr oder weniger dem Zufall preisgegeben. Erst systematische Untersuchungen über die physikalischen Vorbedingungen des Auftretens von Krusten brachten die gewünschten Aufklärungen und zeigten den Weg der nachstehend beschriebenen Erfindung.

Von allen .Krustenbildnern am gefürchtetsten sind die Calciumsalze, insbesondere Gips, die sowohl in Salzlösungen wie auch in manchen anderen organischen Flüssigkeiten auftreten. Die Untersuchungen haben ergeben, daß in erster Linie die Entstehung neuer Kristalle im Erhitzer bzw. unmittelbar an seiner Heizfläche vermieden werden muß und daß ferner besondere Maßnahmen gegen die Ablagerung und das Festhaften schon vorhandener schwimmender Kristalle zu treffen sind. Die Entstehung neuer Kristallkeime hat ihre Ursache in der Übersättigung der Lösung, wobei jedoch nach den Gesetzen der Kristallisation bereits die metastabile Zone , überschritten sein muß. Erleichtert wird

■ diese Kristallbildung durch lokale Dampfbildung an der Heizfläche des Erhitzers. Das Maß für die zulässige Übersättigung einer Lösung, wobei noch keine Salzausscheidung eintritt (metastabile Zone), ist für die verschiedenen Salze durchaus nicht einheitlich,

'. bewegt sich jedoch im allgemeinen in der Größenordnung von etwa 1 bis 3⁰C. Die Kenntnis dieses Temperaturintervalls ist be~ sonders wichtig bei solchen Stoffen, deren Lösungsvermögen bei Erwärmung abnimmt, wie dies z. B. - für Gips zutrifft, wenn die Temperatur der Lösung höher ist als etwa 38 ° C. Hieraus geht auch hervor, daß es für eine gesättigte Gipslösung meistens nicht genügt, deren Siedepunkt durch Drucksteigerung zu erhöhen, um die Kristallausscheidung zu verhindern.

Aus der Erkenntnis aller dieser Ursachen ι, heraus kommen bei dem den Gegenstand der Erfindung bildenden Verfahren zum Eindampfen von Lösungeny die als Haupt- oder Nebenbestandteil Stoffe mit bei zunehmender. 6a Temperatur abnehmender Löslichkeit en thaiten, zur Verhütung der Heizflächenverkrustung die folgenden vier Maßnahmen gleichzeitig zur Anwendung:

*) Von dem Patent sucher sind als die Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. Friedrich August Oetken und Paul Roepstorff in Frankfurt a. M.

ι. wird ein genügend hoher Flüssigkeitsdruck im Heizkörper zur Erhöhung des Siedepunktes der Flüssigkeit über die Temperatur des Heizmittels hinaus aufrechterhalten,
2. wird durch Vergrößerung der Umlaufmengen die Flüssigkeit bis höchstens an die obere Grenze der metastabilen Sättigungszone für die jeweils gelösten Stoffe erwärmt,

3. wird ein möglichst geringer Temperaturunterschied zwischen dem Heizmittel und der Flüssigkeit eingehalten, und

4. die zu erhitzende Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit, z. B. von mehr als 1 m/Sek., durch den Erhitzer geleitet.

Einzelne der genannten Maßnahmen, so die unter 1 und 4 angegebenen, sind zwar bekannt und verschiedentlich angewendet worden, reichten aber für sich allein keineswegs aus, um die Krustenbildung im Erhitzer auf

ao die Dauer zu verhindern. Auch die gleichzeitige Anwendung von zwei verschiedenen Mitteln der angeführten Art, wie beispielsweise eines hohen Flüssigkeitsdrucks in Verbindung mit großer Geschwindigkeit, genügt

a₅ durchaus nicht. Es hat sich gezeigt, daß sich sämtliche Faktoren, wie angegeben, zu gemeinsamer Wirkung vereinigen müssen, wenn das Ziel erreicht werden soll.
Ein grundlegender Unterschied zwischen dem Verfahren nach der Erfindung und einem bekannten Vorschlag besteht darin, daß bei der bekannten Ausführung die Neubildung von Kristallen im Erhitzer nicht verhindert, sondern im Gegenteil Vorkehrungen getroffen werden, die im Erhitzer neugebildeten Kristalle in einem besonderen Schlammfänger zwischen Erhitzer und Drosselvorrichtung abzuscheiden, um dadurch ein reineres Salz als Endprodukt zu erhalten. Gemäß der Erfindung erfolgt dagegen keine Kristallbildung im Erhitzer, weil die dort etwa auftretende Übersättigung innerhalb der metastabilen Zone gehalten wird, indem man die Auslösung dieser geringen Übersättigung .durch die Wirkung der genannten Maßnahmen an eine andere Stelle der Verdampfungseinrichtung verlegt, wo auch das weitere Wachstum der Kristalle stattfindet. Dadurch ist die Gefahr der Krustenbildung auf der Heizfläche weit wirksamer als mit der bekannten Methode beseitigt.

Andererseits sind Verfahren bekanntgeworden, bei denen wohl die metastabile Sättigungszone nicht überschritten wird und das Wachsen der Kristalle außerhalb des Erhitzers erfolgt, aber vor allem die Erhöhung des Siedepunktes über die Temperatur des Heizmittels sowie die Auslösung der Übersättigung nach erfolgter Dampfabgabe der Flüssigkeit fehlen. Tatsächlich haben sich auch bei solchen Apparaten Gipskrusten

u. dgl. nicht verhüten lassen. Erst die Verbindung mit der Erhitzung unter genügend hohem Druck und damit die vollständige Fernhaltung jeglicher Kristallbildung von dem Erhitzer bringt die durch die Erfindung beabsichtigte Verbesserung.

Über die Anwendung hoher Strömungsgeschwindigkeiten als Mittel zur Verhinderung von Krustenbildung sei noch folgendes erwähnt: Die Geschwindigkeit soll sich in zweifacher Hinsicht auswirken. Einmal soll ein Absetzen fester Bestandteile auf der Heizfläche verhindert werden und ferner soll die Flüssigkeit gut durchgemischt werden, damit keine lokale Temperaturerhöhung über die zulässige Grenze der metastabilen Zone hinaus erfolgen kann. Hierzu müssen besonders hohe Geschwindigkeiten benutzt werden, und es hat sich gezeigt, daß diese zweckmäßigerweise mindestens 1 m/Sek. betragen müssen, wenn ein genügender Effekt erreicht werden soll. Durch die Annahme solch hoher Geschwindigkeiten allein ist jedoch die geforderte geringe Erwärmung innerhalb der metastabilen Zone noch keineswegs sichergestellt; sie bezweckt lediglich eine bessere Homogenität der Temperaturverteilung im Flüssigkeitsstrom. Die geringe Erwärmung erfordert ihrerseits eine gleichzeitige An-Wendung genügend großer Umlaufsmengen sowie niedriger Heiztemperaturen bzw. Temperaturgefälle an der Heizfläche. Durch entsprechende Wahl der Heizrohrabmessungen und der Betriebsverhältnisse der Umwälzpumpe können die vorstehenden Bedingungen bei der Konstruktion der Apparatur in jeder Hinsicht erfüllt werden.

Folgende Beispiele mögen die Verhältnisse zahlenmäßig klarstellen:

i. In einem unter Druck arbeitenden Umlaufverdampfer wurde mit Kalk neutralisierte Sulfitablauge eingedampft. Die Lösung war mit Gips vollständig gesättigt. Der Erhitzer wurde mit Dampf von 120 ° C beheizt. Der Druck im Heizsystem betrug auf der Flüssigkeitsseite 1,3 atü. Dampfbildung konnte demnach an keiner Stelle des Erhitzers eintreten. Der Flüssigkeitsumlauf war so· berechnet, daß sich die Lauge beim einmaligen Durchgang durch den Erhitzer nur um etwa 0,8 bis 1⁰C erwärmte. Gleichzeitig konnte die Laugengeschwindigkeit im Erhitzer zwischen 1 und 2 m/Sek. gehalten werden. Die erwärmte Lauge wurde beim Eintritt in den Verdampfkörper auf atmosphärischen Druck entspannt, wobei sich eine der Umlaufmenge und der vorangegangenen Erwärmung entsprechende Dampfmenge daraus entwickelte und die Lauge selbst sich von etwa 10.1 auf ioq° C abkühlte. Die im Erhitzer durch Erwärmung sowie im Verdampfkörper durch die Dampf-

abgabe eingetretene Übersättigung wurde beim weiteren Durchlauf der Flüssigkeit durch den Verdampfkörper an den dort vorhandenen und mit der Lauge zirkulierenden Kristallkernen ausgelöst, wobei die Kristalle selbst größtenteils in Suspension blieben. In diesem Zustande wurde die Lauge aus dem Verdampfer abgesaugt und! von neuem mit entsprechendem Druck durch den Erhitzer geleitet, wo die Übersättigung durch Erwärmung auf etwa ior° C wieder herbeigeführt wurde. Eine Neubildung von Kristallen im Erhitzer oder ein Festsetzen der in der Flüssigkeit suspendierten Kristalle an der Heizfläche konnte hierbei verhindert werden, was dagegen bei anderen Apparaten erfahrungsgemäß nicht möglich ist.

2. Eine andere Anlage für Sulfitablauge hatte folgende Betriebsdaten:

Wasserverdampfung 1040 kg/h,

Umwälzgeschwindigkeit im

Heizkörper 1,97 m/Sek.,

Umwälzmenge 200 m³/h,

Erhitzung pro Umlauf ... 2,9° C,

²S Heizfläche 30 m²,

Temperatur der Flüssigkeit
bei Eintritt in den Heizkörper ... 65⁰ C,

bei Austritt aus dem Heiz-

körper 67,9° G,

Druck der Flüssigkeit im

Heizkörper 0,555 ata,

diesem Druck entsprechende

Siedetemperatur 83,5° C,

Temperatur im Heizraum 81 ° C,

Druck im Verdampfer ... 0,254 ^ata·

Bei dieser Arbeitsweise zeigte der Verdampfer auch bei längerem Betrieb keinen merklichen Leistungsabfall. Die Untersuchung des Heizsystems nach einer Betriebszeit von vier Wochen ergab nur einen leichten Anflug von Niederschlägen aus der Lauge. Andererseits wurde beobachtet, daß die konzentrierte Lauge eine erhebliche Menge Gips in Suspension enthielt, die sich bei längerem Stehen der Lauge in Fässern u. dgl. auf den Boden absetzte.

Bei der Durchführung des Verfahrens stellt sich an einer bestimmten: Stelle der Apparatur eine größte Übersättigung im Kreislauf der Flüssigkeit ein. Diese Stelle der größten Übersättigung kann innerhalb des Kreislaufes eine ganz verschiedene Lage ein-

nehmen, je nachdem, welche besonderen physikalischen Eigenschaften die Flüssigkeit besitzt, und es ist wichtig, daß der Sättiger, in welchem die Flüssigkeit aus dem Zustand der Übersättigung in denjenigen der Sättigung zurückgeführt wird, an der betreffenden Stelle angeordnet wird. In manchen Fällen kann durch die gewählten Arbeitsbedingungen eine vorübergehende Verschiebung des Punktes der größten Übersättigung innerhalb des Flüssigkeitskreislaufes -eintreten, so daß es vorteilhaft erscheint, beispielsweise zwei Sättiger an verschiedenen Stellen anzuordnen, welche vom Verdampferkörper getrennt oder auch konstruktiv verbunden sein können. Da- , durch wird wiederum ein praktisch ausreichender Schutz gegen jegliche Krustenbildung auf der Heizfläche erreicht.

Ferner ist bei der Durchführung des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung in besonderem Maße dem Umstand Rechnung zu tragen, daß die Dampfabgabe der Flüssigkeit nach erfolgter Entspannung im Verdampfkörper unter wesentlich anderen Verhältnissen erfolgt, als man bei den bisher üblichen Verdampfern gewohnt ist. Diese besonderen Betriebsverhältnisse sind einerseits durch die große Umlaufmenge und niedrige Temperaturdifferenz der Flüssigkeit vor und nach der Dampfabgabe sowie andererseits durch den hohen Druck der Flüssigkeit vor der Entspannung auf den Verdampferdruck bedingt. Die im Erhitzer als notwendig erachtete Druckerzeugung kann entweder durch Anwendung entsprechend hoher Flüssigkeitssäulen, einfacher jedoch durch Drosselung des Flüssigkeitsumlaufes erfolgen. Es sind verschiedene Einrichtungen bekanntgeworden, mit Hilfe deren die vollkommene Entspannung der Flüssigkeit erreicht wurde. Wenn jedoch größere Druckgefälle vorhanden sind, so ergibt die mit der plötzlichen Entspannung auf den Verdampf er druck verbundene Wärmeabgabe der Flüssigkeit gewisse Schwierigkeiten im praktischen Betriebe solcher Anlagen. -100

Die Wärmeabgabe ist nämlich als umgekehrter Vorgang der Kondensation in einem Einspritzkondensator aufzufassen. Sie bedingt eine gute Verteilung der eingespritzten Flüssigkeit bzw. die Schaffung einer mögliehst großen Flüssigkeitsoberfläche, damit die Dampfa'hgabe so weitgehend wie möglich erfolgen kann, um so mehr, wenn schon an und für sich nur ein geringes Temperaturgefälle vorhanden ist. Andererseits müssen die Drosselquerschnitte bei hohen Druckunterschieden aber sehr eng gehalten werden, so- daß die Oberfläche des austretenden Flüssigkeitsstrahles nicht groß genug ist, um eine schnelle und vollständige Wärmeabgabe in Form von Dampf zu ermöglichen. Der Strahl wird dann nach seinem Eintritt' in den Verdampferraum zum Teil auseinandergerissen, wobei Spritzverluste entstehen, zum anderen Teil gelangt die Flüssigkeit von neuem in den Kreislauf, noch bevor die gesamte Dampfabgabe beendet ist.

Es hat sich daher als zweckmäßig erwiesen, gemäß Erfindung die gesamte Entspannung der Flüssigkeit in zwei Stufen vorzunehmen, indem durch die erste Drosselstufe der im Erhitzer benötigte Druck hervorgerufen wird, während die zweite Drosselstufe nur ein ge-> ringes Druckgefälle für die Entspannung auf den Verdampferdruck erzeugt, das eben gerade ausreicht, um eine vorzeitige Dampf--

ίο bildung in der Flüssigkeitsleitung zwischen den beiden Drosselstellen zu verhüten. Infolge des. verbleibenden kleinen Druckgefälles erhält man größere Austrittsquerschnitte und hat somit die Möglichkeit, den Flüssigkeitsstrahl genügend weit aufzuteilen, um eine große Strahloberfläche zu erhalten, die für die Dampf abgabe besonders .günstig ist. Der Unterschied gegenüber der einfachen Drosselung ist deshalb besonders groß, weil man in-

ao folge der äußerst geringen Temperaturerhöhung der Flüssigkeit im Erhitzer nur einen ganz geringen Druck nötig hat, um. die Dampfbildung vor der letzten Entspannung zu vermeiden, während der Flüssigkeitsdruck im Erhitzer wegen der höheren Heiztemperatur wesentlich größer sein muß.

Die angestrebte Unterteilung des entspannten Flüssigkeitsstrahles kann sowohl durch beliebig geformte Düsen kleinen Durchmessers, durch Längs- oder Querschlitze auch in kreisförmiger Anordnung wie auch durch Brausen, Siebe oder gelochte Bleche beliebiger Art erfolgen. Maßgebend ist, daß der entspannten Flüssigkeit beim Austritt in den Verdampferraum eine möglichst große Oberfläche für die Dampfabgabe zur Verfügung steht und daß die Austrittsgeschwindigkeit auf ein Mindestmaß beschränkt bleibt.

Die Durchführung des Verfahrens setzt ferner voraus, daß bei der erfindungsgemäß verlangten geringen Flüssigkeitserwärmung, durch welche die Zone der metastabilen Sättigung nicht überschritten werden darf, naturgemäß größere Umlaufmengen als sonst üblich in Anwendung kommen müssen, welche in. Verbindung mit der geforderten Druckerzeugung im Erhitzer einen nicht unbeträchtlichen Kraftaufwand für die Umwälzpumpe . ergeben. Eine weitere Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens kann man daher dadurch erreichen, daß die Umwälzpumpe nicht elektrisch, sondern durch Dampfturbine angetrieben wird, deren Abdampf in den Erhitzer geleitet wird, derart, daß der Betriebsdampf auf den Heizdruck des Erhitzers der zugehörigen oder einer vorgeschalteten Eindampfstufe expandiert.' ' Bei Mehrkörperanlagen wird man zweckmäßigerweise den Turbinenabdampf jeder einzelnen Stufe zur Beheizung der ersten Verdampferstufe verwenden, damit eine der Körperzahl entsprechende mehrfache Ausnutzung des Abdampfes erfolgt;

Die Zeichnung' diene zur beispielsweisen Erläuterung des gemäß der Erfindung angewandten Verfahrens.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ι der Verdampfer, 2 der Erhitzer; beide können unter beliebigem Druck wie auch unter Vakuum betrieben werden. Der Verdämpfer 1 ist mit dem Erhitzer 2 einerseits durch die Leitungen 3 und 5 sowie andererseits durch die Leitung 11 verbunden. In die Leitung S ist dieUmwälzpumpeö eingeschaltet, welche durch die Dampfturbine 7 angetrieben wird. Der Betnebsdampf der Turbine 7 tritt bei 8 ein. Die Abdampfleitung 9 ist mit dem Erhitzer 2 verbunden. Durch die Leitung 10 wird der noch fehlende Heizdampf zugeführt, welcher gegebenenfalls auch teilweise oder ganz durch den Turbinenabdampf der nachgeschalteten Verdampferstufen einer Mehrkörperanlage ersetzt werden kann., Ebenso kann komprimierter Brüdendampf als Heizdampf dienen. In die Verbiiidungsleitung 11 ist eine Drosselvorrichtung 12 eingeschaltet, durch welche der' Flüssigkeitsdruck, im Gegensatz zu demjenigen· im Erhitzer 2, so weit erniedrigt wird, daß der Siedepunkt der Flüssigkeit nur noch wenig über der an dieser Stelle herrschenden Flüssigkeitstemperatur ■ liegt. Bei" 13 findet' dann die vollständige Entspannung auf den absoluten Druck im Verdampfer ΐ statt.' Die sich hierbei aus der Flüssigkeit entwickelnde Dampfmenge entweicht durch den Br'üdenstutzen .14 und kann beispielsweise einem Kondensator, einem Brüdenkompre'ssor oder auch dem Erhitzer einer zweiten Verdampferstufe zugeführt werden. Jede der zur Verwendung kommenden Drosseleinrichtungen 12 und 13 kann · natürlich in bekannter Weise regelbar eingerichtet sein, und zwar sowohl jede Drosselstufe einzeln für sich oder auch zusammen und'in Abhängigkeit von einander. Je nach den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit wird an einer oder mehreren Stellen des Flüssigkeitskreislaufes der Sättiger 4 eingeschaltet, z. B. zwischen Verdampfer 1. und Umwälzpumpe 5 oder zwischen den beiden Drosselstufen i2-^: und,13. Ebenso kann der Sättiger 4 in beliebiger Weise mit dem Verdampfer ι zu einer Konstruktionseinheit verbunden oder auch umschaltbar eingerichtet werden. RohriS dient zur Entlüftung des Sättigers 4. · ' ■

Im Betrieb strömt also die Flüssigkeit, von der Pumpe 6 getrieben und auf den nötigen Druck gebracht, z. B. der Reihe nach durch den Erhitzer 2 und die Steigleitung 11 über die erste Drosselstufe 12 zur zweiten Drosselstufe 13 in den Verdampfer 1, dann nach

Dampf abgabe durch den Sättiger 4 zurück zur Pumpe 6. Bei anderen Flüssigkeiten bzw. Betriebsbedingungen kann z. B. folgende Reihenfolge zweckmäßig sein: Von Pumpe6 durch Erhitzer 2, Steigleitung 11, erste Drosselung 12, Sättiger 4, zweite Drosselung 13, Verdampfer 1 und direkt zur Pumpe 6 zurück. Nach genügender Eindickung wird die Flüssigkeit bei 16 aus dem Verdampfer abgelassen.

Das Verfahren kann selbstverständlich sowohl unter Druck wie unter Vakuum arbeiten, auch in Verbindung mit Brüdenkompression. Ferner können Verdampfer dieser Bauart ohne weiteres im Mehrfacheffekt betrieben werden, wobei jede Verdampferstufe ihre eigene Umwälzpumpe, Drosseleinrichtungen, Sättiger usw., wie in der Zeichnung dargestellt, erhält. Es sei noch .darauf hingewiesen, daß die richtige Anordnung des Sättigers einen bestimmenden Einfluß auf die Größe des Flüssigkeitsumlaufes und damit des Kraftbedarfes für die Umwälzpumpe besitzt. Berücksichtigt man noch, daß durch die erfindungsgemäß geforderte hohe Geschwindigkeit im. Erhitzer gleichzeitig eine wesentliche Steigerung des Wärmedurchganges eintritt, so ist ohne weiteres verständlich, daß das Verfahren nach der Erfindung die wirtschaftliche Eindampfung auch von solchen Flüssigkeiten gestattet, die bisher wagen der Krustenbildung Schwierigkeiten machten.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zum Eindampfen von Lösungen, die als Haupt- oder Nebenbestandteil Stoffe mit bei zunehmender Temperatur abnehmender Löslichkeit enthalten, in Ein- oder Mehrfachverdampfern, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der Heizflächenverkrustung gleichzeitig

   a) ein genügend hoher Flüssigkeitsdruck im Heizkörper zur Erhöhung des Siedepunktes der Flüssigkeit über die Temperatur des Heizmittels hinaus aufrechterhalten,

   b) durch Vergrößerung der Umlaufmengen die Flüssigkeit bis höchstens an die obere Grenze der metastabilen Sättigungszone für die jeweils gelösten Stoffe erwärmt,

   c) ein möglichst geringer Temperaturunterschied zwischen dem Heizmittel und der Flüssigkeit eingehalten, und

   d) die zu erhitzende Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit z. B. von mehr als ι m/Sek. durch den Erhitzer geleitet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckerzeugung im Erhitzer eine Drosselung des Flüssigkeitsstromes in zwei Stufen erfolgt, derart, daß durch die erste Drosselstufe der Siedepunkt der Flüssigkeit bis auf nahezu die Temperatur im Erhitzer herabgesetzt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Flüssigkeitsumlauf eine Umwälzpumpe mit Antrieb durch eine Dampfturbine dient, deren Betriebsdampf auf den Heizdruck des Erhitzers der zugehörigen oder einer vorgeschalteten Eindampfstufe expandiert.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen