DD264617A5 - Verfahren zur verringerung oder voelligen entfernung des wassergehaltes von waermeempfindlichen, hoechstens 10 massenanteile in % wasserenthaltenden, im fluessigen aggregatzustand vorliegenden stoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung oder voelligen Entfernung des Wassergehaltes von waermeempfindlichen, hoechstens 10 Masseanteile in % Wasser enthaltenden, im fluessigen Aggregatzustand vorliegenden Stoffen, zum Beispiel Schmelzen oder Loesungen, durch Eindampfen bei Temperaturen, die im Falle von Schmelzen wenigstens 30C ueber dem Schmelzpunkt, bei Loesungen wenigstens 30C ueber der Kristallisationstemperatur liegen. Fuer das Verfahren ist charakteristisch, dass man das Eindampfen in einer Tellerstripperkolonne vornimmt, durch die im Gegenstrom mit einer - bezogen auf den Gesamtquerschnitt der Kolonne - Geschwindigkeit von 25-110 cm/s Gas geleitet wird. Als Gas wird bevorzugt Luft verwendet.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung oder völligen Entfernung des Wassergehaltes von wärmeempfindlichen, höchstens 10 Masseanteile in % Wasser enthaltenden, im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Stoffen, zum Beispiel Schmelzen oder Lösungen, durch Eindampfen bei Temperaturen, die im Falle von Schmelzen wenigstens 30°C über dem Schmelzpunkt, bei Lösungen wenigstens 30⁰C über der Kristallisationstemperatur liegen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In den für ähnliche Zwecke bisher bekannten Verfahren wird der Restwassergehalt der Schmelzen oder Lösungen durch Vakuumeindampfen oder Filmeindampfen entfernt (Kaszatkin, A. G.: Alapmüveletek, gepek es keszülekek a vegyiparban [= Grundprozesse, Maschinen und Apparate in der chemischen Industrie], 3. Ausgabe, Müszaki Kiado, Budapest 1976, Kapitel

Der Anwendbarkeit des Vakuumeindampfens sind dadurch Grenzen gesetzt, daß die zum Verdampfen des Wassergehaltes erforderliche Wärmemenge nur bei derart hohen Temperaturen an die flüssige Substanz weitergegeben werden kann, bei denen die Substanz bereits eine irreversible Zersetzung erleidet und es sogar zu Explosionen kommen kann. Darüber hinaus ist die Methode sehr energieaufwendig, weil außer der für die Verdampfung des Wassers aufgewendeten Energiemenge auch für die Aufrechterhaltung des Vakuums Energie verbraucht wird (Strom, Dampf, Kühlwasser).

Beim Filmeindampfen wird die der flüssigen Substanz übertragene Wärme besser genutzt, weil die warme Schmelze beziehungsweise Lösung mit dem das Wasser aufnehmenden Medium, nämlich der verhältnismäßig großen Menge vorgewärmter Luft, an großen Flächen (der Gesamtfläche der Eindampfrohre) in Berührung kommt. Bei dieser Lösung wird das Prinzip der unmittelbaren Kontaktierung im Gegenstrom bereits genutzt, aber außer der Verdampfungswärme des zu entfernenden Wassergehaltes ist natürlich noch zusätzliche Energie für die Bewegung und Erwärmung großer Luftmengen erforderlich.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung war die Ausarbeitung eines Verfahrens, mit dem unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Methoden der Wassergehalt von wärmeempfindlichen, im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Stoffen bei niedriger Temperatur mit geringem Energieaufwand verringert oder vollständig entfernt werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verringerung oder völligen Entfernung des Wassergehaltes von wärmeempfindlichen, im flüssigen Zustand vorliegenden Stoffen, bereitzustellen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das gestellte Ziel vollständig erreicht werden kann, wenn die im flüssigen Aggregatzustand vorliegende Substanz in eine Tellerstripperkolonne geleitet und durch die Kolonne im Gegenstrom mit einer— bezogen auf den Gesamtquerschnitt der Kolonne — Geschwindigkeit von 25-110cm/s ein Gas geführt wird. In diesem Fall beträgt infolge des wesentlich geringeren freien Querschnittes die tatsächliche Strömungsgeschwindigkeit an den Öffnungen der Teller 6 — 25cm/s.

In eigenen Versuchen wurde nämlich gefunden, daß im Falle der angegebenen Gasströmungsgeschwindigkeit die Stripperkolonne wie eine Schaumkolonne arbeitet und deshalb—weil die Berührungsfläche zwischen Gas- und Flüssigphase in der Schaumkolonne die größtmögliche ist—die gewünschte Eindampfwirkung unter Verwendung von sehr wenig Strippgas— höchstens ein Zehntel der Gasmenge, die im Filmverdampfer benötigt wird — und deshalb auch mit wesentlich weniger Energie erzielt werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Verringerung oder völligen Entfernung des Wassergehaltes von wärmeempfindlichen, höchstens 10 Masseanteile in % Wasser enthaltenden, im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Stoffen, wie Schmelzen oder Lösungen, durch Eindampfen bei Temperaturen, die im Falle von Schmelzen wenigstens 30⁰C über dem Schmelzpunkt, bei Lösungen wenigstens 30°C über der Kristallisationstemperatur liegen. Für die Erfindung ist charakteristisch, daß man das Eindampfen in einer Tellerstripperkolonne vornimmt, durch die im Gegenstrom mit einer Geschwindigkeit von 25-110cm/s Gas geleitet wird. Als Gas wird erfindungsgemäß zweckmäßig Luft verwendet.

Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Kolonne ist als Apparat in der Chemieindustrie seit langem bekannt

(s. zum Beispiel Kaszatkin, A. G., loc, cit. S. 477) und wird auf vielen Gebieten der chemischen Industrie, in erster Linie als Adsorber eingesetzt, jedoch ist auch ihre Verwendung als Desorber oder Destillationskolonne nicht selten, die Verwendung als Eindampfer ist jedoch völlig neu.

Der Vorteil der als Schaumkolonne arbeitenden Stripperkolonne beruht in erster Linie auf der großen Berührungsfläche zwischen den beiden Phasen, weil dadurch die zu dem jeweiligen Druck, der jeweiligen Temperatur und Konzentration gehörenden Gleichgewichtsbedingungen mit einem wesentlich besseren Wirkungsgrad erreicht werden können als im Falle von — gleiche Verweilzeit vorausgesetzt — geringeren Berührungsflächen. Es ist leicht einzusehen, daß in der von feinen Blasen durchsetzten Schaumschicht eine wesentlich größere Berührungsfläche entsteht als an der Rohroberfläche der bisher verwendeten Filmeindampfer oder im Separator des Vakuumeindampfers.

Ein Filmeindampfer mit 150m² Fläche braucht pro Betriebsstunde 10000Nm³ Luft. Für den Betrieb einer Schaumkolonne gleicher Leistung werden nur 500 Nm³/h gebraucht, was bedeutet, daß der Luftbedarf des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Zwanzigstel vom Luftbedarf des Verfahrens ausmacht, das den Stand der Technik bildet. Zum Erwärmen der geringeren Luftmenge ist weniger Energie erforderlich, und auch die zum Transport des Gases aufgewendete Arbeit ist geringer.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat folgende Hauptvorteile:

a) Das Entfernen des Wassers kann in kleineren Vorrichtungen, d. h. unter Verwendung von weniger Konstruktionsmaterial,

und in kleineren Betriebsräumlichkeiten vorgenommen werden, b Verglichen mit dem Gasbedarf des Filmeindampfers ist die erforderliche Gasmenge um wenigstens eine Größenordnung geringer.

c) Die zum Erzielen eines identischen Eindampfwirkungsgrades erforderliche Energiemenge beziehungsweise die zum Vorwärmen des Gases gebrauchte Energiemenge ist geringer.

d) Der Eindampfprozeß ist leichter beherrschbar.

e) Infolge der geringeren Gasmenge entsteht weniger Abgas, und auf diese Weise sind auch die Kosten der Abgasreinigung geringer als im Falle des Filmeindampfers.

f) Die im Laufe des Eindampfens entweichende Menge an Schadstoffen, die die Umwelt schädigen, ist geringer.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert, ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

In einer aus Stahl 304L gefertigten, 1,2 m langen Stripperkolonne von 0,52 m Durchmesser soll der Wassergehalt einer Ammoniumnitratschmelze, die 98,5 Masseanteile in % Ammoniumnitrat enthält, um etwa 1 Masseanteil in % verringert werden. Die Kolonne enthält zwei Blasensiebteller und einen Heizteller. Die Überlauf höhe beträgt 10cm. Auf dem Heizteller befindet sich in 6 Reihen eine aus Rohr von 1 cm Durchmesser angefertigte Rohrspirale mit einer gesamten äußeren Heizfläche von 2,8m². In die Kolonne werden stündlich 10000 kg Schmelze einer Temperatur von 170°C eingeleitet (der Erstarrungspunkt liegt bei 151⁰C), die 150 kg (1,5 Masseanteile in %) Wasser enthält.

In die Kolonne werden mit einem Druck von 2,5 kPa 500 Nm³/h Luft eingeblasen. Die über den gesamten Querschnitt berechnete lineare Strömungsgeschwindigkeit beträgt daher 65cm/s.

Die Luft tritt in Form von Blasen in das auf den Tellern befindliche Ammoniumnitrat ein und bildet Schaum. Der Wassergehalt des den Teller verlassenden Ammoniumnitrats beträgt 0,78 Masseanteile in %, und die zum Verdampfen des Wassers benötigte Energie wird dabei dem Wärmegehalt der Schmelze entnommen. Wenn die Temperatur der Luft während des Prozesses konstant bei 170°C bleibt, kühlt sich die Schmelze dadurch auf 160°C ab.

Um eine weitere Konzentrierung zu erreichen, wird die den oberen Teller verlassende Schmelze, die eine Temperatur von 160⁰C, einen Wassergehalt von 0,78 Masseanteile in % aufweist, über den Heizteller geleitet und erneut auf 170°C erwärmt und gelangt dann auf den unteren Blasenteller, wo Luft der genannten Parameter durch die Schmelze geblasen wird. Der Ammoniumnitratgehalt der Schmelze steigt auf 99,48 Masseanteile in %, und es stellt sich eine Temperatur von 163-165⁰C ein. Diese Stoffkonzentration ist für die meisten Anwendungsgebiete, zum Beispiel für die Kunstdüngerherstellung, ausreichend.

Beispiel 2

Eine Ammoniumnitratlösung, die 93 Masseanteile in % Ammoniumnitrat enthält, soll auf einen Wassergehalt von 0,5 Masseanteile in % konzentriert werden. Durchmesser, Konstruktionsmaterial sowie Maße und Ausführung der Teller entsprechen der Kolonne gemäß Beispiel 1, jedoch ist die Kolonne 2,5 m lang und enthält 5 Blasensiebteller und 4 Heizteller. Die Ammoniumnitratlösung wird mit einer Temperatur von 160⁰C auf den obersten Siebteller eingespeist. Zur Entfernung des Wassers werden 750Nm³/h Luft eingeführt, wobei die scheinbare lineare Strömungsgeschwindigkeit etwa 100cm/s, der Druck 10 kPa und die Temperatur etwa 170⁰C betragen. Die Materialströme auf den einzelnen Tellern weisen folgende Hauptparameter auf:

Eintritt Austritt

1. Teller

Konzentration 93,0 Masseanteile 95,2 Masseanteile

Temperatur 160,0°C 125,0°C

2. Teller 95,2 Masseanteile 97,1 Masseanteile Konzentration in% in% Temperatur 170,0°C 140,0°C

3. Teller

Eintritt Austritt

Konzentration 97,1 Masseanteile 98,4 Masseanteile

Temperatur 170,0°C 150,0°C

4. Teller

Konzentration 98,4 Masseanteile 99,1 Masseanteile

Temperatur 170,0°C 160,0°C

5. Teller

Konzentration 99,1 Masseanteile 99,5 Masseanteile

Temperatur 170,0⁰C 164,0°C

Das Endprodukt des Eindampfens ist demnach eine 0,5 Masseanteile in % Wasser enthaltende Schmelze einer Temperatur von 164°C.

Beispiel 3

Eine Ammoniumnitratschmelze von 98,7 Masseanteile in % Konzentration wird in der im Beispiel 1 beschriebenen Vorrichtung mit300Nm³/h Luft von 1,2kPa Druck und 170⁰C Temperatur eingedampft. Die scheinbare lineare Strömungsgeschwindigkeit der Luft in der Kolonne beträgt 40 cm/s

Die Materialströme auf den einzelnen Tellern weisen folgende Parameter auf:

Eintritt Austritt

1. Teller

Konzentration 98,7 Masseanteile 99,35 Masseanteile

Temperatur 170°C 162 ⁰C

2. Teller

Konzentration 99,25 Masseanteile 99,46 Masseanteile

Temperatur 170°C 165°C

Das Endprodukt des Eindampfens ist eine Schmelze von 0,54 Masseanteile in % Wassergehalt und einer Temperatur von 165°C.

Beispiel 4

In der im Beispiel 1 beschriebenen Kolonne soll der Wassergehalt einer 99,0 Masseanteile in % Harnstoff enthaltenden Schmelze, deren Temperatur 150⁰C beträgt, auf 0,1 Masseanteile in % verringert werden. Zu diesem Zweck wird auf 150⁰C vorgewärmte Luft unter 5 kPa Druck in einer Menge von 500 Nm³/h durch die Kolonne geleitet. Das auf dem ersten Teller auf 140°C abgekühlte Material wird auf dem in der Mitte liegenden Heizteller auf 145⁰C erwärmt und mit dieser Temperatur auf den zweiten Teller weitergeleitet.

Parameter der Materialströme:

Eintritt Austritt

1. Teller

Konzentration 99,0 Masseanteile 99,7 Masseanteile

Temperatur 150°C 140°C

2. Teller

Konzentration 99,7 Masseanteile 99,9 Masseanteile

Temperatur 145°C 142°C

Als Endprodukt erhält man demnach eine 0,1 Masseanteile in % Wasser enthaltende Harnstoffschmelze der Temperatur von 142°C.

Beispiel5

Eine 99,5 Masseanteile in % Caprolactam enthaltende Schmelze von 135⁰C Temperatur wird in einer Kolonne, die in Material und Aufbau der in Beispiel 1 beschriebenen Kolonne entspricht, jedoch nur einen Durchmesser von 0,4m aufweist, mit auf 130-135 °C vorgewärmtem Stickstoff entwässert. Das Gas hat eine scheinbare lineare Strömungsgeschwindigkeit von 60cm/s, einen Druck von 2 kPa und wird in einer Menge von 300 Nm³/h eingeleitet. Die aus der Kolonne austretende Schmelze ist praktisch wasserfrei, ihre Temperatur beträgt etwa 130⁰C.

Claims (2)

1. Verfahren zur Verringerung oder völligen Entfernung des Wassergehaltes von wärmeempfindlichen, höchstens 10 Massenanteile in % Wasser enthaltenden, im flüssigen Aggregatzustand vorliegenden Stoffen, wie Schmelzen und Lösungen, durch Eindampfen bei Temperaturen, die im Falle von Schmelzen wenigstens 3O⁰C über dem Schmelzpunkt, bei Lösungen wenigstens 30°C über der Kristallisationstemperatur liegen, dadurch gekennzeichnet, daß man das Eindampfen in einer Tellerstripperkolonne vornimmt, durch die im Gegenstrom mjt einer Geschwindigkeit von 25-1 lOcm/s Gas geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Gas Luft verwendet.