DE4011382A1 - Kontinuierliches verfahren zur trennung von loesungen und suspensionen in einem rieselfaehigen feststoff und in ein weitgehend feststoffreies destillat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Trennung von Lösungen und Suspensionen in einen rieselfähigen Feststoff und in ein weitgehend feststoff­ freies Destillat, wobei ein beheizbares Strömungsrohr verwendet wird.

Solche Trennverfahren sind in bestimmten Fällen bei­ spielsweise bei wäßrigen anorganischen und organischen Suspensionen, wie Chromhydroxid, Farben und Armstrong­ säure erforderlich. Besonderen Stellenwert erhalten sie durch Anwendung im Umweltschutz und im Recycling, z. B. bei der Aufarbeitung von salzhaltigen Abwässern.

Man betreibt bis heute solche Trennverfahren im allge­ meinen in diskontinuierlich arbeitenden Apparaten, wie z. B. Rührkessel und Schaufeltrockner.

Dabei ist der Zeit- und Kostenaufwand wegen des Chargen­ betriebes erheblich; die Wärmeübertragung ist schlecht und die ganze Charge durchläuft zur gleichen Zeit die zähviskose, breiige Phase, d. h. es treten zeitweise große Kräfte auf, die bei der Apparatedimensionierung berücksichtigt werden müssen. Dabei handelt es sich um einen offenen Destillatprozeß, d. h. in der Endphase des Prozesses liegen die Temperaturen sehr hoch, die trei­ benden Temperaturgefälle dagegen sehr niedrig. Dies führt zu langen Verweilzeiten in dieser Phase, was bei organischen Produkten Nachpolymerisation, verbunden mit starker Krustenbildung, zur Folge haben kann. Die Ver­ krustungen sind dann ebenfalls nur noch bergmännisch abbaubar. Füllung und Leerung des Apparates sind viel­ fach mit Umweltbelästigungen verbunden.

Wegen dieser Nachteile strebt man kontinuierliche Ver­ fahren an. Der Hauptvorteil der kontinuierlichen Ver­ fahren besteht darin, daß sich immer nur ein kleiner Teil des Produktes gerade in dem problematischen Bereich der zähviskosen, klebrigen Phase befindet, also nur mäßige Kräfte gebraucht werden und die Gefahr der Nach­ polymerisation verringert wird. Kontinuierliche Ver­ fahren, die von der Industrie als allgemeiner Stand der Technik angeboten werden, sind die Walzentrocknung, die Sprühtrocknung und die mechanische Dünnschichtver­ dampfung. Bei der Walzentrocknung wird eine dünne Schicht auf eine beheizte drehende Walzenoberfläche aufgetragen. Das Lösungsmittel dampft während der Walzendrehung ab, der Feststoff wird mit einem Messer abgeschabt. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die schlechte Wärmeübertragung, die hohen Investitionsko­ sten, die Neigung der Einspeisedüsen zur Verstopfung und die offene Verdampfung an der Filmoberfläche, die um­ weltbelästigend sein kann. Bei der Sprühverdampfung wird das Produkt überhitzt und dann unter Zuhilfenahme von Fremddampf in einen großen Behälter hinein gesprüht, in dem die Brüden vom Feststoff abgetrennt werden. Haupt­ nachteile des Verfahrens sind die hohen Investitionsko­ sten, der große Energieüberschuß, mit dem gearbeitet werden muß, und die hohe Vorüberhitzung der Lösung. Bei der mechanischen Dünnschichtverdampfung wird mit Hilfe von rotierenden Wischerblättern ein dünner Film auf einer vertikal angeordneten beheizten Rohrwand ausge­ breitet. Die Lösung bewegt sich als Film spiralförmig von oben nach unten. Dabei dampft das Lösungsmittel aus. Größere Krusten können sich auf den Wänden nicht bilden, da sie von den Wischern abgeschabt werden. Hauptnachteil bei diesem Verfahren ist neben den hohen Investitionsko­ sten und der Störanfälligkeit der Apparatur die Ablage­ rung des Produkts auf den Wischerblättern, die sich nicht selbstständig reinigen lassen. Hier bauen sich Krustenberge auf, die, wenn nicht Reinigungen der Wi­ scherblätter in kurzen Zeitabständen vorgenommen werden, zum Abreißen der Blätter führen. Außerdem wird auch der Austrittskonus des Dünnschichtapparates nicht geschabt, was Verstopfungen zur Folge haben kann.

Im EP-A-00 45 912 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem nach einer Flash-Verdampfung die Lösung in einem gewendelten Durchlaufströmungsrohr bis zu einem riesel­ fähigen Feststoff aufkonzentriert wird. Dabei kann es zu pfropfenartigen Anbackungen an den beheizten Wänden kommen, die sich jedoch durch einen Selbstreinigungs­ mechanismus des Rohres wieder von der Wand ablösen. Während der Bildung des Pfropfens entsteht ein Druck­ aufbau vor der Verengung, der in vielen Fällen dazu führt, daß der abgelöste Pfropfen sich nicht auflöst, sondern mit höchster Geschwindigkeit den unteren Teil des Rohres durcheilt und dabei einen Schwall von in Folge des Druckaufbaues kondensierten Lösungsmittels nach sich zieht. Das hat zur Folge, daß kurzfristig feuchtes Produkt aus dem Rohr austritt, sich auf den Wänden des folgenden Abscheiders absetzt und dort an­ backt. Im Laufe der Zeit bauen sich so Krustenberge im Abscheider auf, die schließlich zur Verstopfung des ganzen Abscheiders führen und ihn damit funktionsunfähig machen. Bei anderen Produkten setzt eine schleichende Belegung der beheizten Rohrwände ein, die durch den Selbstreinigungsmechanismus des Rohres nicht beseitigt werden kann und eine allmähliche Leistungsminderung des Rohres bewirkt. Dies führt dazu, daß der Feststoff im Laufe der Zeit immer feuchter aus dem Rohr austritt mit den Folgen im Abscheider, die bereits weiter oben be­ schrieben sind. Das in EP-A-00 45 912 beschriebene Ver­ fahren gewährleistet also in einer ganzen Reihe von Fällen keinen störungsfreien Betrieb. Es muß daher ver­ bessert werden, um einen störungsfreien Betrieb auch bei Problemfällen zu garantieren.

Es besteht die Aufgabe, salzhaltige Abwässer und bei Produktionen anfallende organische, ebenfalls mit Salz beladene Rückstände so aufzuarbeiten, daß das Nutz­ produkt möglichst vollständig und rein zurückgewonnen wird und das Abfallprodukt möglichst niedrige Deponie- oder Verbrennungskosten verursacht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Feststoffauf­ konzentrierung in diesem Strömungsrohr nur bis zu einer oberen Grenze durchgeführt wird, die durch eine schlei­ chende Belegung der Wandung des Strömungsrohres mit Feststoff bzw. durch eine Totalverstopfung des Strö­ mungsquerschnittes gegeben ist, daß die Aufkonzentrie­ rung dann in einem zweiten beheizbaren Strömungsrohr weitergeführt wird, in das das erste Strömungsrohr unter einem Winkel einmündet, wobei der Strömungsquer­ schnitt des zweiten Strömungsrohres mindestens das 50 fache desjenigen des ersten Strömungsrohres beträgt, und wobei der Aufbau von Krustenbergen im zweiten Strömungs­ rohr durch Abschaben der Wandung verhindert wird, und daß das Feststoffprodukt zu einem rieselfähigen Zustand nachgetrocknet wird und am Ende des zweiten Strömungs­ rohres die in den beiden Strömungsrohren entstandenen Brüden abgetrennt und abgeführt werden.

Die Aufteilung in zwei Stufen bringt den besonderen Vor­ teil, daß man auch solche Produkte aus einer Lösung in einen rieselfähigen Feststoff überführen kann, die eine stark zähviskose Phase durchlaufen und dabei sehr zu An­ backungen neigen. Zu diesem neuen Verfahren gibt es keine echte Alternative und auch die diskontinuierlichen Verfahren sind nur eine Notlösung für solche problema­ tischen Produkte. Besonders vorteilhaft ist, daß das erste Strömungsrohr mit einer größeren Leistungsdichte betrieben werden kann, da hohe Strömungsgeschwindig­ keiten und große treibende Temperaturgefälle zugelassen werden können. Außerdem ist es preiswert herstellbar. Dadurch, daß das erste Strömungsrohr unter einem Winkel einmündet bzw. öffnet, wird das Produkt mit hoher Ener­ gie gegen die Innenwandung des zweiten Strömungsrohres geschleudert. Die senkrechte Mündung ist dabei am vor­ teilhaftesten. Das zweite Strömungsrohr kann relativ klein gehalten werden, da die für die Durchführung des Verfahrens notwendige Wärme zum größten Teil bereits im ersten Strömungsrohr in das Produkt eingetragen wird. Die Größe richtet sich allein nach der Verweilzeit, die gebraucht wird, um die Oberfläche des Feststoffes aus­ zutrocknen, es sei denn, man wolle auch noch die innere Feuchte des Feststoffes entfernen. Auf diese Weise kann auch dieses Strömungsrohr kostengünstig gehalten werden. Die im ersten Strömungsrohr entstandenen Brüden werden mit durch das zweite geführt und erst hinter dem zweiten Strömungsrohr abgetrennt. Um die Gefahr einer schlei­ chenden Verklebung mit Feststoff herabzusetzen, ist die Innenwandung des ersten Strömungsrohres vorzugsweise mit Polytetrafluorethylen oder Emaille beschichtet.

Vorzugsweise wird als erstes Strömungsrohr ein gewendel­ tes Verdampferrohr verwendet, dessen Strömungsquer­ schnitt so bemessen ist, daß eine Austrittsgeschwin­ digkeit des Dampffeststoffgemisches von mindestens 50 m/sec erzielt wird.

Auf diese Weise wird das Erreichen der oberen Grenzbe­ dingungen vermieden, weil die hohe Strömungsgeschwin­ digkeit das Ansetzen von Feststoffen verhindert.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform im ersten Strö­ mungsrohr werden Wendeln von mindestens 20° Steigung verwendet.

Dadurch wird das Produkt im Strömungsrohr gleichmäßiger über den ganzen Umfang verteilt, was die Gefahr der Krustenbildung reduziert.

Für den zweiten Strömungskanal wird vorzugsweise ein Drehrohr verwendet, dessen Innenwandung laufend durch gegensinnig zu diesem Drehrohr rotierende Schabemesser gereinigt wird.

Solche Messer sind beispielsweise auf einer Welle ange­ bracht, bzw. auf eine Welle aufschiebbaren Hülsen, und haben Schraubengewindeform. Ihre Kanten liegen bei der Rotation kurzzeitig an der Innenwandung des Drehrohres an und schaben die Innenwandung des Rohres ab.

Weitere rotierende Schabemesser und Schlagmesser können in den Stirnschalen angeordnet sein.

Das erste Strömungsrohr mündet dabei unter einem Winkel, vorzugsweise senkrecht, in das Drehrohr ein, so daß der mit hoher Geschwindigkeit austretende Strahl aus Dampf und Feststoff gegen die Innenwandung des Drehrohres ge­ schleudert und dort gebrochen wird. Der noch feuchte Feststoff klebt an der Wand an, der Dampf wird umgelenkt und verliert seine kinetische Energie. Infolge der ge­ genüber dem ersten Strömungsrohr wesentlich vergrößerten Querschnittsfläche verringert sich die Dampfgeschwindig­ keit so weit, daß sich der noch im Dampf mitgeführte Feststoff über die Länge des Rohres durch Schwerkraft abscheidet. Das bereits rieselfähige Feststoffprodukt bildet die im Drehrohr übliche Rollschicht aus und be­ wegt sich so zum unteren Ende des Drehrohres hin, wo es über eine Schleuse ausgetragen werden kann. Das noch klebrige Produkt haftet in einer dünnen Schicht auf der beheizten Innenwandung des Rohres, wird abgeschabt und fällt in die Rollschicht.

Alternativ verwendet man einen geneigt angeordneten Pad­ delschneckenapparat.

Ein solcher besteht beispielsweise aus einem beheizbaren Gehäuse und zwei sich darin gegenläufig drehenden Wel­ len, deren Achsen parallel zur Gehäuseachse liegen und mit schräg angeordneten Paddeln bestückt sind, die sich gegenseitig und die Innenwandung des Gehäuses von Kru­ sten frei schaben. Die Austrittsfläche des ersten Strö­ mungsrohres steht vorzugsweise senkrecht auf den Achsen der Wellen und ist wesentlich kleiner als die freie Querschnittsfläche des Paddelschneckenapparates. Auf diese Weise werden die bereits bei dem Drehrohr be­ schriebenen Effekte der Strahlbrechung, der Dampfge­ schwindigkeitsreduzierung und des Haftens der klebrigen Feststoffe an der Innenwandung erreicht. Mit den Paddeln wird die Gehäuseinnenwandung immer wieder vom Produkt freigeschabt. Zugleich wird das an der Innenwandung ge­ trocknete Produkt durch die Paddel zerkleinert und, un­ terstützt durch eine leichte Neigung der Gehäuseachse etwa um 10°, zum unteren Ende des Paddelschneckenappara­ tes transportiert. Hier kann das mittlerweile riesel­ fähige Produkt über eine konventionelle Schleuse ausge­ tragen werden. An dieser Stelle wird auch der im ersten und im zweiten Strömungsrohr erzeugte Dampf abgeführt.

Sind größere Ausgangsmengen mit ungesättigtem Feststoff­ gehalt zu trennen, so ordnet man dem ersten Strömungs­ rohr mindestens einen Verdampfer vor.

Dadurch läßt sich eine Vorverdampfung durchführen, so daß die eigentlichen Strömungsrohre besser ausgenutzt werden können. Es eignen sich herkömmliche Umlauf- oder Fallfilmverdampfer. Solche sind beispielsweise in Ullmanns Encyclopädie der technischen Chemie, 1. Band, Chemischer Apparatebau und Verfahrenstechnik, Verlag Urban und Schwarzenberger, München/Berlin, 1951, Seite 536 und 37 beschrieben. Sie sind insbesondere bei der Abwasseraufbereitung zweckmäßig.

In der Zeichnung sind zwei Anlagen zur Durchführung des neuen Verfahrens rein schematisch dargestellt und nach­ stehend näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Anlage mit einem Drehrohr als zweites Strömungsrohr,

Fig. 2 eine zweite Anlage mit einem Paddelschneckenappa­ rat als zweites Strömungsrohr und

Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie A-B in Fig. 2.

In Fig. 1 gelangt von einem beheizbaren Behälter 1 eine Suspension über eine Leitung 2 in einen beheizbaren, als Fallfilmverdampfer ausgebildeten Vorverdampfer 3 (Ull­ mann, Chemischer Apparatebau und Verfahrenstechnik, 1951, Verlag Urban und Schwarzenberg, Berlin/München, Seite 537, Abb. 836). Aus diesem Vorverdampfer 3 wird das angedickte Konzentrat über eine Leitung 4 in ein mit einem Heizmantel 5 versehenes, als stetige Wendel von 20° Neigung ausgebildetes Strömungsrohr 6 eingebracht. Die am Vorverdampfer 3 entstandenen Brüden werden über eine Leitung 7 als Heizmittel in den Heizmantel 5 einge­ speist. In diesem Strömungsrohr 6 wird das Produkt wei­ ter aufkonzentriert. Mit einer mittleren Ausgangsge­ schwindigkeit von 80 m/sec gelangt dieses Gemisch aus Konzentrat und Brüden in die Kopfschale 8 eines zweiten, als Drehrohr ausgebildeten Strömungsrohres 9, dessen Strömungsquerschnitt das 60-fache desjenigen des ersten Strömungsrohres 6 beträgt. Das Produkt wird dabei senk­ recht gegen die Innenwandung 12 geschleudert. Im Dreh­ rohr 9 ist in Drehrichtung etwa 50° hinter der Scheitel­ linie eine gegensinnig zum Drehrohr 9 angetriebene Mes­ serwelle 10 vorgesehen, deren Messer 11 schraubenlinien­ förmig gestaltet sind und die Innenwandung 12 des Dreh­ rohres 9 abkratzen. Die Messerwelle 10 besitzt eine La­ gerung 13 in der Kopfschale 8 und eine Lagerung 14 in der Fußschale 14. Innerhalb des Drehrohres 9 geht das Produkt in einen rieselfähigen Feststoff über. Ein in die Fußschale 14 hineinreichender angetriebener und mit Schlag- und Schabemessern 15 besetzter Wellenstumpf 16 sorgt dafür, daß auch hier keine Anbackungen und Ver­ klumpungen auftreten können, damit das Produkt störungs­ frei durch den Auslaß 17 abgeführt werden kann. Die Brü­ den verlassen die Fußschale 14 durch einen Abzug 18.

In Fig. 2 und 3 gelangt von einem beheizbaren Behälter 31 eine Suspension über eine Leitung 32 in einen beheiz­ baren, als Umlaufverdampfer ausgebildeten Vorverdampfer 33 (Ullmann, siehe oben, Seite 536, Abb. 835). Aus die­ sem Vorverdampfer 33 wird das angelegte Konzentrat über eine Leitung 34 in ein mit einem Heizmantel 35 versehe­ nes, als stetige Wendel von 25° Neigung ausgebildetes erstes Strömungsrohr 36 eingebracht. Die im Vorver­ dampfer 33 entstandenen Brüden werden als Heizmittel in den Heizmantel 35 eingeführt. In diesem Strömungsrohr 36 wird das Produkt weiter aufkonzentriert. Mit einer mittleren Geschwindigkeit von 60 m/sec gelangt dieses Gemisch aus Konzentrat und Brüden durch einen Einlaß­ stutzen 38 senkrecht in ein zweites, als Paddel­ schneckenapparat ausgebildetes Strömungsrohr 39, dessen Querschnitt das 80-fache desjenigen des ersten Strö­ mungsrohres 36 beträgt. Der Paddelschneckenapparat 39 weist ein beheizbares Gehäuse 40 auf, in welchem zwei gegensinnig drehende, miteinander kämmende, mit unter 10° angestellten Paddeln 41 besetzte Wellen 42 und 43 angeordnet sind. Die Paddeln 41 schaben die Innenwandung 44 des Gehäuses 40 und sich gegenseitig laufend ab und verhindern auf diese Weise Anbackungen und Verkru­ stungen. Das getrocknete rieselfähige Produkt wird über einen Auslaß 45 ausgetragen und die Brüden ziehen über einen Abzugsstutzen 46 ab.

Beispiel 1

Auftrennung einer 50%igen wäßrigen Armstrongsäuresus­ pension in rieselfähige Armstrongsäure und Wasser.

Verwendet wird die Anlage gemäß Fig. 1 jedoch ohne Vor­ verdampfer.

Durchsatz 25 kg/h
Erstes Strömungsrohr:
gewendeltes Strömungsrohr
Rohrinnendurchmesser:	15 mm
Strömungsquerschnitt:	177 mm²
Rohrlänge:	6 m
Wendeldurchmesser:	250 mm
Steigung:	20°
Heizmittel:	thermisch isomere Benzyltoluole (Handelsname Marlothermöl)
Heizmitteltemperatur:	300°C
Systemdruck:	1 bara
Drosselorgan am Eintritt des ersten Strömungsrohres:	geregeltes Nadelventil
Produkttemperatur vor Drosselorgan:	200°C
Produkttemperatur hinter Drosselorgan:	160°C.

Da das Eigendampfpotential nicht genügend groß ist, wird zur Verminderung von Verstopfungen Stickstoff miteinge­ speist:

Stickstoffmenge 5 kg/h
Zweites Strömungsrohr:
Drehrohr mit rotierender Messerwelle
Drehrohrdurchmesser:	200 mm
Drehrohrlänge:	1 m
Strömungsquerschnitt:	31 000 mm²
Messerwellendurchmesser:	50 mm
Messer:	Schneckengewinde
Neigung des Drehrohres:	10°
Drehzahl:	30 U/min.
Heizmittel:	Marlothermöl
Heizmitteltemperatur:	270°C

Beispiel 2

Auftrennung einer 10%igen wäßrigen Salzlösung in rieselfähiges Salz und Wasser.

Verwendet wird die Anlage gemäß Fig. 2, jedoch anstelle des Vorverdampfers findet eine Flash-Verdampfung statt.

Durchsatz 25 kg/h
Erstes Strömungsrohr:
gewendeltes Strömungsrohr
Rohrinnendurchmesser:	15 mm
Strömungsquerschnitt:	177 mm²
Rohrlänge:	6 m
Wendeldurchmesser:	250 mm
Steigung:	20°
Heizmittel:	Marlothermöl
Heizmitteltemperatur:	150°C
Systemdruck:	1 bara

Zweites Strömungsrohr:
Paddelschneckenapparat
Gehäuselänge:	2300 mm
Wellendurchmesser:	45 mm
Paddelumfangskreisdurchmesser:	1300 mm
Schrägstellung der Paddel:	5°
Neigung des Paddelschneckenapparates:	10°
Strömungsquerschnitt:	13 000 mm²
Heizmittel:	Marlothermöl
Heizmitteltemperatur:	200°C
Drehzahl:	160 U/min.

Claims (6)

1. Kontinuierliches Verfahren zur thermischen Auf­ trennung von Lösungen und Suspensionen in einen rieselfähigen Feststoff und in ein weitgehend feststofffreies Destillat, wobei ein beheizbares Strömungsrohr (6, 36) verwendet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Feststoffaufkonzentrierung in diesem Strömungsrohr (6, 36) nur bis zu einer oberen Grenze durchgeführt wird, die durch eine schleichende Belegung der Innenwandung (12, 44) dieses Strömungsrohres (6, 36) mit Feststoff bzw. durch eine Totalverstopfung des Strömungsquer­ schnittes gegeben ist; daß die Aufkonzentrierung dann in einem zweiten beheizbaren Strömungsrohr (9, 39) weitergeführt wird, in das das erste Strömungs­ rohr (6, 36) unter einem Winkel einmündet, wobei der Strömungsquerschnitt des zweiten Strömungsrohrs (9, 39) mindestens das 50-fache desjenigen des ersten Strömungsrohres (6, 36) beträgt, und wobei der Aufbau von Krustenbergen im zweiten Strömungs­ rohr (9, 39) durch Abschaben der Innenwandung (12, 44) verhindert wird; und daß das Feststoffprodukt zu einem rieselfähigen Zustand nachgetrocknet und am Ende des zweiten Strömungsrohres (9, 39) ausge­ tragen und die in den beiden Strömungsrohren (6; 9, 36; 39) entstandenen Brüden abgetrennt und abge­ führt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes Strömungsrohr (6, 36) ein gewendel­ tes Verdampferrohr (6, 36) verwendet wird, dessen Strömungsquerschnitt so bemessen ist, daß eine Aus­ trittsgeschwindigkeit des Dampf-Feststoffgemisches von mindestens 50 m/sec erzielt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im ersten Strömungsrohr (36) Wendeln von mindestens 20° Steigung verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als zweites Strömungsrohr (9) ein Drehrohr (9) verwendet wird, dessen Innen­ wandung (12) durch eine gegensinnig zum Drehrohr (9) rotierende Messerwelle (10) gereinigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als zweites Strömungsrohr (39) ein geneigt angeordneter Paddelschneckenapparat (39) verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Strömungsrohr (9, 39) mindestens ein Vorverdampfer (3, 33) vorge­ ordnet wird.