CH667016A5

CH667016A5 - Verfahren und vorrichtung zum trennen eines nicht azeotrop siedenden fluessigkeitsgemisches.

Info

Publication number: CH667016A5
Application number: CH1572/85A
Authority: CH
Inventors: Karl Zeitsch
Original assignee: Krupp Gmbh
Priority date: 1984-04-21
Filing date: 1985-04-12
Publication date: 1988-09-15
Also published as: SE8501739L; FR2563116A1; FR2563116B1; GB2157582A; DE3415236C2; US4666564A; GB2157582B; SE8501739D0; GB8509976D0; DE3415236A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen eines nicht azeotrop siedenden Flüssigkeitsgemisches in eine mit leichtflüchtigen Komponenten angereicherte Dampffraktion und eine von leichtflüchtigen Komponenten weitgehend befreite Restflüssigkeit unter Wärmezufuhr.

Derartige Verfahren werden in turmartigen Kolonnen durchgeführt.

Es ist bekannt, dass auch Abtriebskolonnen aus zylindrischen Türmen bestehen, in welchen das zu trennende Flüssigkeitsgemisch oben eingespeist wird und von dort nach unten läuft, während am Fussende erzeugter Dampf von unten nach oben strömt, wobei durch Böden oder Füllkörper dafür gesorgt wird, dass Flüssigkeit und Dampf in Kontakt treten und somit einen Stoffaustausch vollziehen können.

Kolonnen sind jedoch relativ hohe Apparate. Fragt man sich nach der Ursache für die grosse Höhe von solchen Kolonnen, so stellt man zunächst fest, dass eine gute Trennung von Dampf und Flüssigkeit durch blosse Gravitation gewährleistet sein muss. Betrachtet man beispielsweise eine Bodenkolonne, so ergeben sich zwei Bedingungen:

1. Der Strom der Flüssigkeit über die horizontalen Böden muss durch einen in seitlichen Schächten aufgebauten Flüssigkeitsdruck bewirkt werden, dessen Grösse der Höhe der Flüssigkeitssäule und der wirkenden Erdbeschleunigung proportional ist.

2. Flüssigkeitströpfchen, die aus der auf den Böden siedenden Flüssigkeit hochgeschleudert werden, sollen möglichst nicht vom aufsteigenden Dampf zum nächsthöheren Boden mitgeschleppt werden. Die Dampfgeschwindigkeit, bis zu welcher dieser Wunsch realisiert werden kann, wächst mit der vertikal nach unten wirkenden Beschleunigung.

Solche Betrachtungen lassen erkennen, dass Abtriebskolonnen gleicher Leistung um so kleiner ausfallen, je grösser die wirksame Beschleunigung ist.

In Anbetracht der relativ kleinen Grösse der Erdbeschleunigung gibt es Fälle, wo durch exzessive Schaumbildung übliche Abtriebskolonnen nicht funktionieren. Ähnlich problematisch, zwar noch nicht bekannt, aber denkbar, sind Fälle, wo sich infolge hohen Druckes die Dichte des Dampfes von der Dichte der Flüssigkeit nur wenig unterscheidet, so dass eine Trennung der zwei Phasen in den bekannten auf Gravitation beruhenden Abtriebskolonnen auf grosse Schwierigkeiten stossen würde.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in Gestalt eines Destillators zu schaffen, der die gleiche Wirkung hat wie Abtriebskolonnen, der aber sehr wenig Höhe benötigt und auch bei Schaumtendenz sowie bei geringen Unterschieden zwischen Dampfdichte und Flüssigkeitsdichte wirksam arbeitet.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, dass das Flüssigkeitsgemisch in Rotation versetzt, auf einem Meanderweg einer grösser werdenden Zentrifugalbeschleunigung ausgesetzt und im Bereich der grössten Zentrifugalbeschleunigung beheizt wird, so dass sich dort Dampfblasen bilden, die infolge des durch Rotation bedingten radialen Druckanstieges in zentripetaler Richtung bewegt und dabei durch permeable Kammerwände hindurch zur Achse des Rotationssystems geleitet und dort abgeführt werden, während die Restflüssigkeit durch die Druckwirkung des Zulaufs aus dem Bereich der grössten Zentrifugalbeschleunigung abgeführt wird.

Mit dieser Massnahme wird erreicht, dass der bei den bekannten Kolonnen mit Böden oder Füllkörpern konstruktionsbedingte Leerraum, der bis zu 95% betragen kann, bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, vermie2

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den und damit das Gesamtvolumen des die Vorrichtung bildenden Destilla tors sehr stark verringert wird. Demzufolge kann der erfindungsgemässe Abtriebsdestillator auch dort eingesetzt werden, wo sich aus Platzgründen die Aufstellung von grossen Kolonnen verbietet, zum Beispiel auf Schiffen oder in unterirdischen Bunkern.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wird die für den Betrieb von bekannten Kolonnen erforderliche Erdbeschleunigung durch eine Zentrifugalbeschleunigung ersetzt.

Um die erforderliche Beheizung der letzten Kammer während der Rotation durchführen zu können, wird vorzugsweise eine induktive Beheizung vorgesehen, die zweckmässig mit Netzfrequenz erfolgt.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine rotierend antreibbare Trommel mehrere konzentrisch zur Rotorachse angeordnete Kammern aufweist, die mäanderartig miteinander verbunden sind, und die inneren Kammerwände teilweise permeabel ausgebildet sind, wobei die äussere, vom Trommelmantel gebildete Kammerwand eine Heizvorrichtung aufweist, und die äussere Kammer mit einem Flüssigkeitsablauf und die innerste Kammer mit einer Dampfabführung versehen ist. Um zu verhindern, dass die in der letzten Kammer gebildeten Dampfblasen die Kammerwände umwandern, sind die freien Enden der Kammerwände mit Borden versehen, deren Höhe etwa der halben Breite der Kammern entspricht.

Die von leichtflüchtigen Komponenten befreite Flüssigkeit wird aus dem Bereich des grössten Trommeldurchmessers und der gebildete Dampf aus dem Zentrum der Trommel abgeführt. Hierzu sind entsprechende Einrichtungen innerhalb der Trommel vorgesehen.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch den rotierenden Abtriebsdestillator,

Fig. 2 einen Teilausschnitt aus dem permeablen Bereich einer Kammerwand,

Fig. 3 den Druckverlauf innerhalb des permeablen Kammerwandbereiches .

Die Vorrichtung besteht aus einer rotierenden Trommel

I mit vertikaler Achse 2 und einer unteren Lagerung 3. Der Antrieb ist nicht dargestellt. Die Trommel 1 besteht aus einem Trommelmantel 4 mit einem Trommelboden 5 und einem Trommeldeckel 6. Zur Vorgabe eines mäanderartigen Weges sind einzelne Kammern 7, 8, 9 und 10 durch Kammerwände 11,12 und 13 gebildet, wobei die Kammerwände

II und 13 mit dem Trommeldeckel 6 und die Kammerwand 12 mit dem Trommelboden 5 verbunden sind. Jede der Kammerwände 11 bis 13 ist mit Borden IIa, 12a, 13a versehen und ausserdem sind Teile der Kammerwände 1 lb, 12b und 13b permeabel ausgeführt und in der Zeichnung mit einer Kreuzschraffur dargestellt. Der äussersten Kammer 10 ist eine Heizvorrichtung 14 zugeordnet, die aus einem ferroma-gnetischen Ring 15 mit einer zugeordneten, gehäusefesten Induktionsspule 16 besteht. Der ferromagnetische Ring 15 ist innerhalb des Trommelmantels 4 eingesetzt und über Isolierungsringe 17 und 18 mit dem Mantel 4 verbunden. Des weiteren ist die äusserste Kammer 10 im Trommeldeckel 6 mit einem Flüssigkeitsablauf 19 versehen, der mit einem radialen Kanal 21 in Verbindung steht. An den radial verlaufenden Kanal 21 schliesst sich ein axialer Kanal 22 an. Gebildet werden die beiden Kanäle 21 und 22 durch einen Deckring 20 mit angeschlossenem Stutzen 20a und einer weiteren axial verlaufenden Ringwand 23. Innerhalb der Ringwand 23 ist ein rohrförmiger Abzugsstutzen 25 vorgesehen, der einen Ringkanal 24 bildet. Am unteren Ende des Abzugsstutzens 25 ist ein konischer Kragen 26 vorgesehen, dem ein im Zentrum der Trommel vorgesehener Innenkegel 27 zugeordnet ist. Durch diese Anordnung werden ein Dampfabführkanal 28 und ein Flüssigkeitszufuhrkanal 29 gebildet, die beide mit der innersten Kammer 7 in Verbindung stehen. Der Abzugsstutzen 25 bildet einen Zentralkanal 33.

Der Figur 2 ist ein Ausschnitt aus dem permeabfen Teil IIb der Kammerwand 11 zu entnehmen, wobei eine die Permeabilität bewirkende Pore mit 31 bezeichnet ist. An der rechten Eintrittsseite der Pore 31 ist eine Dampfblase 30 dargestellt, die gemäss dem dargestellten Pfeil von rechts nach links durch die Pore von einer Kammer in die andere Kammer strömt.

Figur 3 zeigt den durch die Rotation bewirkten Druckverlauf.

Die Wirkung des erfindungsgemässen rotierenden Ab-triebsdestillators ist wie folgt:

Die zu trennende Flüssigkeit wird dem Ringkanal 24 zugeführt und durchströmt sodann die gebildeten Kammern 7, 8, 9 und 10, um dann über den axialen Kanal 22 wieder auszutreten. Der Flüssigkeitskanal 29 bewirkt, dass die Flüssigkeit in den Bereich der der Kammer 7 zugeordneten Fläche der Kammerwand 11 gelangt. Von dort fliesst die Flüssigkeit in den Bereich der Übertrittsöffnung 34 am unteren Ende der Kammerwand 11 und gelangt in die Kammer 8. Des weiteren geht die Flüssigkeit den Weg über die Übertrittsöffnung 35 oberhalb der Kammerwand 12 in die Kammer 9 und sodann über die Übertrittsöffnung 36 unterhalb der Kammerwand 13 in die Kammer 10. Der Einfachheithalber sind nur 4 Kammern gezeigt, ihre Anzahl ist aber beliebig. Der am äusseren Umfang der Trommel 1 vorgesehene ferromagnetische Ring 15 wird während der Rotation durch die gehäusefeste Induktionsspule 16 beliebig intensiv beheizt. Der thermisch isolierte ferromagnetische Ring 15 wirkt wie eine Heizplatte, ist somit sehr viel heisser als die ihn umgebenden Teile. Auf diese Weise kann die den Destillator durchströmende Flüssigkeit auf der Innenseite des ferroma-gnetischen Ringes 15 zum Sieden gebracht werden, was dort zur Bildung von Dampfblasen 30 führt. Infolge der Rotation der Trommel besteht ein radialer Druckanstieg, so dass sich die Dampfblasen 30 in zentripetaler Richtung zur Achse 2 hinbewegen. Dabei treffen sie zunächst auf die Zwischenwand 13, welche ebenso wie die anderen Zwischenwände 12 und 11 aus teilweise permeablem Material IIb, 12b, 13b besteht. Das permeable Material kann gelocht oder gesintert sein. Wenn keine Dampfblasen erzeugt werden, sind die Poren 3-1 der Kammerwände 11 bis 13 mit Flüssigkeit gefüllt. Tritt aber, wie schematisch in Figur 2 gezeigt, eine Dampfblase 30 in eine Pore 31 ein, so muss sie diese in zentripetaler Richtung durchwandern. Sie gelangt so in die nächste Kammer 9 und schliesslich durch die Kammern 8 und 7 zu der durch den Innenkegel 27 gebildeten Innenwand, wo sie durch den sich nach oben verjüngenden Konuswinkel dieser Wand nach oben bewegt wird und durch den Zentralkanal 33 mit den anderen Blasen vereint den Destillator verlässt. Der konische Kragen 26 bewirkt eine Trennung des austretenden Dampfes von der eintretenden Flüssigkeit. Die Borde IIa, 12a, 13a machen es den Blasen unmöglich, die Zwischenwände 13, 12 und 11 zu umwandern.

Wird der Destillator über den Kanal 24 mit einem Flüssigkeitsgemisch beschickt, das nicht azeotrop siedet, so ist der gebildete Dampf reicher an flüchtigen Komponenten als die ihn erzeugende Flüssigkeit. Selbst ohne die Kammerwände müsste der Dampf bereits eine andere, an flüchtigen Komponenten reichere Zusammensetzung aufweisen als die austretende Restflüssigkeit. Die mäanderartige Führung des Flüssigkeitszulaufes um die Kammerwände erhöht diesen Konzentrationsunterschied, weil dadurch die Flüssigkeit mit Dampf in Kontakt gebracht wird, der ärmer an flüchtigen

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Komponenten ist als dem Gleichgewicht entspricht. Demzufolge ergibt sich ein Stoffaustausch, der zu einer Abgabe von flüchtigen Komponenten von der Flüssigkeit an den Dampf führt, die Flüssigkeit also verstärkt von flüchtigen Komponenten befreit, wie das für Abtriebskolonnen bekannt ist.

Anders als bei diesen jedoch wirkt hier sogar die Beheizung noch konzentrationsverändernd, denn es ist leicht einzusehen. dass die Flüssigkeit auf ihrem Weg über die Heizfläche immer mehr an flüchtigen Komponenten verarmt.

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1 Blatt Zeichnungen

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667 016 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Trennen eines nicht azeotrop siedenden Flüssigkeitsgemisches in eine mit leichtflüchtigen Komponenten angereicherte Dampffraktion und eine von leichtflüchtigen Komponenten weitgehend befreite Restflüssigkeit unter Wärmezufuhr, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsgemisch in Rotation versetzt, auf einem Mäanderweg einer grösser werdenden Zentrifugalbeschleunigung unterworfen und im Bereich der grössten Zentrifugalbeschleunigung beheizt wird, so dass sich dort Dampfblasen bilden, die infolge des durch Rotation bedingten radialen Druckanstieges in zentripetaler Richtung bewegt und dabei durch permeable Zwischenwände hindurch zur Achse des Rotationssystems geleitet und dort abgeführt werden, während die Restflüssigkeit durch die Druckwirkung des Zulaufs aus dem Bereich der grössten Zentrifugalbeschleunigung abgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung induktiv erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beheizung Netzfrequenz benutzt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine rotierende antriebbare Trommel (1) mehrere konzentrisch zur Rotorachse (2) angeordnete Kammern (7 bis 10) bildet, die mäanderartig miteinander verbunden sind, und die inneren Kammerwände (1 lb bis 13b) teilweise permeabel ausgebildet sind, wobei die äussere, vom Trommelmantel (4) gebildete Kammerwand eine Heizvorrichtung (14) aufweist, und die äussere Kammer (10) mit einem Flüssigkeitsablauf (19) und die innerste Kammer (7) mit einer Dampfabführung (28) versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Kammerwände (11, 12, 13) mit Borden (1 la, 12a, 13a) versehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Borde etwa der halben Breite der Kammern (8 bis 10) entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beheizte äussere Wand (4) aus einem Ring (15) aus ferromagnetischem Material mit einer zugeordneten, gehäusefesten Induktionsspule (16) besteht und zwischen dem Trommelmantel (4) und dem ferromagnetischen Ring (15) thermische Isolierungen (17 und 18) vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Ring (15) zum Schutz gegen elektrolytischen Angriff zumindest auf der Innenseite mit einem korrosionsfesten Überzug plattiert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die permeablen Teile (1 lb, 12b, 13b) der Kammerwände (11 bis 13) aus gesintertem Material bestehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die permeablen Teile (1 lb, 12b, 13b) der Kammerwände (11 bis 13) aus fein gelochtem Material bestehen.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Flüssigkeitsablauf (19) der äusseren Kammer (10) ein Abführkanal (21) zugeordnet ist, der radial verläuft und zu einem inneren axialen Ringkanal (22) führt.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der den Ringkanal (22) bildenden Ringwand (23) ein einen zweiten Ringkanal (24) bildender Abzugsstutzen (25) vorgesehen ist, der zum Zwecke der Dampfabfuhr mit der innersten Kammer (7) in Verbindung steht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abzugsstutzen (25) am unteren Ende einen Dampfsammeikragen (26) aufweist.