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Verfahren und Einrichtung zum Eindampfen von Flüssigkeiten und Lösungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eindampfen von Flüssigkeiten und Lösungen
in ein- oder mehrstufigen Verdampfanlagen. Bei den bisher vorwiegend gebräuchlichen
Verfahren befindet sich im Verdampfer die einzudampfende Lösung im Innern von senkrecht
stehenden Heizrohren, die von außen beheizt werden. Infolgedessen ist beim Eindampfen
der Lösung der Flüssigkeitsdruck zu überwinden, der sich naturgemäß durch eine Temperatursteigerung
des Heizdampfes geltend macht unter Berücksichtigung der spezifischen Gewichte.
Daher nimmt auch bei mehrstufigen Verdampfanlagen diese Temperatursteigerung verhältnismäßig
große Werte an.
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Die Erfindung geht nun davon aus, diese Temperatursteigerung durch
den Flüssigkeitsdruck bei stehenden, Fron. unten beschickten Ein4ampfapparaten zu
vermeiden. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Lösung in die senkrechten,
von außen beheizten Rohre von unten her mit so großer Geschwindigkeit durch Düsen
eingespritzt wird, daß die Flüssigkeit die Rohrwand in dünner Schicht bedeckt und
die Wandungen der Rohre von unten bis oben in Richtung des abziehenden Brüdens von
der einzudampfenden Flüssigkeit oder 'Lösung benetzt werden, wobei diese wiederholt
umgepumpt und eingespritzt werden kann.
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Es -ist schon ein Eindampfverfahren bekannt, bei dem die Flüssigkeit
durch die Erwärmung des Rollres von außen an der Rohrwand emporklettert. Bei dieser
Arbeitsweise muß in dem beheizten Rohr ein Flüssigkeitsstand gehalten werden, von
dem aus die Flüssigkeitsschicht sich an der Rohrwand bildet und dabei immer dünner
wird. Hier besteht aber die Gefahr, daß die Rieselschicht am Ausgang des Rohres
zu dünn wird und die Flüssigkeit daher festbrennt. Daher versagt dieses Verfahren
bei niedriger Druckdifferexiz oder bei dicken Flüssigkeiten oder langen Rohren.
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Es, ist schon bei liegenden Verdampfern bekannt, .vor den. sich konisch
nach innen erweiterüden Eintrittsstutzen für die Verdampferrohre verstellbare Stöpsel-
vorzusehen, durch welche der Eintritt der Flüssigkeit in die Heizrohre so lange
gehindert werden soll, bis die Vorkammer mit Flüssigkeit gefüllt ist und um eine
gleichmäßige Füllung der Rohre zu erreichen. Bei diesem Verdampfer werden die Rohre
mit Flüssigkeit gefüllt; ein Einspritzen der Flüssigkeit in die Rohre findet nicht
statt.
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Es sind auch Rieselapparate bekannt, bei denen die Flüssigkeit den
Rohren von oben her in dünner Schicht zugeführt wird und am Rohr herunterxieselt.
Hier liegt der Nachteil vor, daß die Beschickung ungleichmäßig ist und schlecht
geregelt werden kann, so daß auch hier die. Heizfläche .nicht ganz mit Flüssigkeit
bedeckt ist oder einzelne Rohre zuviel Flüssigkeit erhalten. Auch bewegt sich bei
- dieser Anordnung die Flüssigkeit entgegen.` zu dem aufsteigenden Brüden, wodurch
die Schichtbildungauf der Rohrwand beeinträchtigt wird.
Infolgedessen
ist auch hierbei die Gefahr des Anbrennens der Flüssigkeit an der Rohrwand verhältnismäßig
groß.
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Diese Nachteile der bekannten Verfahren werden bei dem vorliegenden
Verfahren dadurch vermieden, daß das Einspritzen der Flüssigkeit durch Düsen von
außen her geregelt werden kann, so daß man in der Lage ist, die Schichtbildung bis
zum oberen Ende des Rohres einzustellen.
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Es ist schon eine Wärmeaustauscheinrichtung bekannt, die hauptsächlich
als Kühler verwendet wird, bei welcher das als Kühlflüssigkeit verwendete Wasser,
das jedenfalls keiner Konzentration unterworfen werden soll, durch Düsen in die
Wärmeaustauschrohre eingespritzt wird, während die zu kondensierenden Gase oder
Dämpfe diese Rohre von außen umspülen. Bei dieser Anordnung kann also die Kühlflüssigkeit
ohne weiteres als Flüssigkeitsstrahl aus dem oben offenen Rohr austreten und sich
auf dem oberen Boden des Kondensators sammeln.
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Im Gegensatz hierzu handelt es sich also bei dem vorliegenden Verfahren
um eine geschlossene Bauweise der Flüssigkeitsräume, in der nicht das Kühl- oder
Heizmittel, sondern die zu behandelnde Flüssigkeit in die Rohre eingespritzt wird.
Das vorliegende Verfahren kann also zum Eindampfen von wärmeempfindlichen Lösungen,
wie beispielsweise Zuckersäfte und Gelatinelösung, angewendet werden oder beim Eindampfen
von Laugen, wie beispielsweise Sulfatlaugen oder Sulfitlaugen, die eine hohe Endkonzentration
erreichen sollen. Die Durchführung des Verfahrens kann in einstufiger oder mehrstufigen
Verdampfanlagen erfolgen.
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Auf der Zeichnung ist in Fig. i ein Eindampfapparat im Längsschnitt
dargestellt, der nach dem beschriebenen Verfahren arbeitet: Fig. 2 und 3 zeigen
Düsenformen für diesen Apparat in größerem Maßstab.
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,Der Apparat besteht also im wesentlichen aus dem Heizkörper i mit
Dampfein- und Kondenswasseraustritt und Siederohren 2. Diese sitzen unten in dem
Zwischenboden 3 und oben in dem Boden 4. Der Verdampfer ist unten durch den Boden
5 abgeschlossen, in welchem die Düsen 6 sitzen, und zwar so, daß der aus jeder Düse
austretende Flüssigkeitskegel ? auf die innere Wandung des Rohres im unteren Teil
des Heizkörpers auftrifft. Die Entfernung von Boden 3 und 5 kann so bemessen werden,
daß dieser untere Raum durch Mannloch 9 befahrbar ist. Die Lösung gleitet dann an
der Rohrwandung aufwärts und tritt an dem oberen Boden 4. aus, sammelt sich iri
dem Ringraum 8 des Schaumfängers io und läuft von hier aus durch die Leitung ii
einer Pumpe i2 oder auch anderen Vorrichtung zu, die die Flüssigkeit unter dem notwendigen
Druck in die Druckkammer 13 befördert, aus welcher sie dann wieder in den Kreislauf
gelangt.
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Nach der Fig. 2 kann die Düse 6 mit einer schraubenförmigen Eindrehung
14 versehen sein, um dem Flüssigkeitsstrahl noch einen Drall zu geben und ihn in
Schraubenwindungen durch die Rohre zu befördern.
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Nach Fig. 3 kann die Düse 6 auch so angeordnet werden, daß sie über
den Boden 5 hervorragt, wobei die Austrittsmündung 15 so geformt ist, daß durch
den austretenden Flüssigkeitskegel an der Außenseite eine Saugwirkung entsteht,
die die etwa auf dem Boden 5 liegende Flüssigkeit mit emporhebt.
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Aus einem solchen Apparat, wie er eben geschildert ist, kann man nun
jede mehrstufige Verdampfanlage nach Art der Lösung und nach der Stärke der Endkonzentration
zusammensetzen. WelcheTemperaturersparnisse in wärmewirtschaftlicher Beziehung eintreten,
ergibt folgendes Beispiel: Legt man zum. Eindampfen von Zuckerlösungen eine dreistufige
Verdampfanlage zugrunde, bei welcher der letzte Körper unter Atmosphärendruck arbeitet,
und nimmt man die Anfangskonzentration der Lösung mit 7,8 Be, die Endkonzentration
mit 34 B6 an, so ergibt sich, daß z. B. in einer dreistufigen Verdampfanlage einer
Zuckerfabrik mit 3m langen Heizrohren zur Überwindung des Flüssigkeitsdruckes
9,5' C entsprechend o,4795 atü gebraucht werden. Um diese Temperatur kann
also der Heizdampf niedriger sein oder es lassen sich noch eine oder zwei Stufen
anhängen, was eine erhebliche Dampfersparnis bedeutet.
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Die Zeit, die jedes Flüssigkeitsteilchen im Verdampfer verweilt, richtet
sich nach dem Quotienten aus der Flüssigkeitsmenge, welcher im Verdampfer enthalten
ist, und der mittleren Flüssigkeitsmenge, welche in der Zeiteinheit den Verdampfer
durchströmt. Die im Verdampfer enthaltene Flüssigkeitsmenge setzt sich zusammen
bei den bekannten Apparatekonstruktionen mit senkrecht stehenden, außen beheizten
Siederohren aus der in den Heizrohren befindlichen Flüssigkeitsmenge und derjenigen,
welche über dem Raum unter dem unteren Rohrboden sich befindet. Namentlich die letztgenannte
Menge ist sehr groß, da im allgemeinen an eine gute Apparatekonstruktion die Anforderung
gestellt werden muß, daß der Raum unter `dem unteren Rohrboden gut befahrbar sein
muß. Für bisher bestehende gute Apparatekonstruktionen ergibt. sich hieraus die
Aufenthaltsdauer der Flüssigkeitsmenge von etwa 15 Minuten im Apparat.
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Dadurch, daß nun gemäß der Erfindung in den Heizrohren ein Gemisch
von Flüssigkeitsteilchen und Dampf beschleunigt durch die Düsenwirkung mit größter
Geschwindigkeit
emporgetrieben wird, wird die spezifische Wärmeübertragung
(Transmissionskoeffizient) bedeutend gesteigert. Außerdem wird das nutzlose Temperaturgefälle,
welches in den üblichen Apparatekonstruktionen durch die Flüssigkeitssäule verursacht.
wird,, beseitigt. Man kommt für den Heizdampf deshalb, ohne die Heizflächen der
Verdampfer zu vergrößern, ausschließlich mit der Temperaturdifferenz aus, die gegeben
ist durch die Siedepunktserhöhung und durch die wesentlich verbesserte spei. Wärmeleistung,
die nur noch die Heizflächenarbeit zu leisten hat. Die Flüssigkeitsmenge; die sich
in der Vorrichtung gemäß der Erfindung befindet, ist wesentlich kleiner, da solche
nur in der Druckkammer 13 enthalten ist. Sie durchströmt außerdem durch die
Düsenarbeit den Verdampfer in kürzerer Zeiteinheit, so daß die Aufenthaltsdauer
nur noch rund 3 Minuten beträgt.
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Gemäß dem angeführten Beispiel entspricht der Dampfdruck in der 3.
Verdampferstufe einer Temperatur von ioo °, in der 2. Verdampferstufe einer Temperatur
von 1o4+4: = io8 °, in der z. Verdampferstufe einer Temperatur von 108+4+i = 113'
und für den Heizdampfdruck ii3+4+o,6 = ii7,6o° entsprechend rund o,9 atü.
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Selbstverständlich kann man auch Verdampfanlagen mit mehr als drei
Stufen verwenden. So kann man beispielsweise Sulfitablauge mit Heizdampf von i atü
unter Vakuum in einer 8- bis iostufigen Anlage auf Zellpech mit 75°/o Trockensubstanz
eindampfen und durch Erwärmung der konzentrierten Lösung mit anschließender Entspannung
ohne Walzen- oder Dünnschichttrockner auf 85°/o Trockensubstanz bringen. Nach dem
neuen Verfahren sind etwa 1,6 bis 2 kg Dampf je Kilogramm Zellpech aufzuwenden.
Nimmt man den Wärmeinhalt des Zellpeches mit 3 80o WE an, so kann man aus i kg Zellpech
aus Speisewasser mit 50' C und einem Wirkungsgrad der Kesselanlage von
0,75
etwa 4,7 kg Dampf von 7 atü herstellen. Es stehen also im ungünstigsten
Falle 2 kg Dampfausgabe einer Dampfeinnahme von 4,7 kg gegenüber. Die Differenz
reicht zur Deckung der Amortisation und der Wartung usw. aus.
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Wärmt man z. B. die aus einer zehnstufigen Vakuumverdampfstation kommende
Sulfatdicklauge mit Frischdampf auf und zerstäubt sie dann unter Vakuum; so gewinnt
man eine Trockensubstanz mit nicht über 20°/o Wassergehalt. Das so erhaltene Pulver
kann in einem gewöhnlichen -Trockenapparat mit Heißluft, die durch abziehende Kesselgase
erzeugt wird, fertiggetrocknet werden, so daß die üblichen Scheibenverdampfer, Drehöfen
usw. vollkommen fortfallen. Dabei wird der Wärme= aufwand so stark herabgemindert,
daß man zum Eindampfen von iooo 1 Sulfatablauge von 12' B6 und 6o' C bis zur Trockensubstanz
nur noch 137 kg Abdampf von i -atü und 23 kg Frischdampf von 8 bis io atü gebraucht,
wobei noch zu berücksichtigen ist, daß der vom Schmelzprozeß überschüssige Wärmeinhalt
der Trockensubstanz nunmehr restlos zur Dampferzeugung verwendet werden kann.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren kann man die Beheizung
sowohl im Gegenstrom wie im Gleichstrom verwenden. Bisher hat man im allgemeinen
besonders. Zuckersäfte im Gleichstrom eingedampft, weil die Dicksaftkö:Mer weniger
Verdampfleistung aufzubringen haben und erheblich kleiner in - der Heizfläche sind
und somit im Saftinhalt.
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Bei der Eindampfung nach dem neuen Verfahren kann nun die gesamte
Aufenthaltszeit des Saftes erheblich verringert werden. Deshalb ist es auch möglich,
in diesem Falle im Gegenstrom zu arbeiten. Das hat wiederum den Vorteil, daß bei
der Eindampfung im Gegenstrom die Zuckerverluste aus den Lösungen geringer werden,
abgesehen von den wärmewirtschaftlichen Vorteilen. Man braucht also bei dem neuen
Verfahren nur die große Dünnsaftmenge auf die Temperatur des letzten Körpers anzuwärmen
und die bereits eingedampften Lösungen entsprechend weiter anzuwärmen auf die Temperatur
der Verdampferstufe.