AT203468B - Verfahren zur rationellen Eindampfung von temperaturempfindlichen Lösungen - Google Patents

Description

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  Verfahren zur rationellen Eindampfung von temperaturempfindlichen Lösungen 
Temperaturempfindliche organische Lösungen werden im allgemeinen im Vakuum bei niedrigen Temperaturen eingedampft. Bestimmend für die zulässige Siedetemperatur ist dabei insbesondere die Verweilzeit im Verdampfer. Soweit es sich um sehr hochwertige und extrem empfindliche Stoffe handelt, wie z. B. Hormonlösungen, werden dazu auch Dünnschichtverdampfer mit sehr kurzen Verweilzeiten eingesetzt.

   Diese können aber wegen der nur beschränkt vergrösserungsfähigen Heizfläche und der teuren Mechanik solcher Apparate nicht auf Fälle mit relativ billigen Produkten und grossen Lösungsmengen, wie beispielsweise Milch, Fruchtsäfte, angewandt werden und insbesondere nicht, wenn äusserst aggresive konzentrierte Salzsäure mit verdampft werden muss, wie es bei der Eindampfung wässeriger stark salzsaurer Zuckerlösungen der Fall ist, die bei der Vor- und Haupthydrolyse   hemicellulose-und   cellulosehaltiger pflanzlicher Stoffe mit Salzsäure anfallen. 



   Es ist weiter bekannt, Lösungen dadurch rationell einzudampfen, dass man die Eindampfung in mehreren Vakuum- oder Druck- und Vakuumstufen durchführt und dabei die Dämpfe der Stufen mit höherem Druck und höherer Temperatur zur Beheizung der Stufen mit niederer Temperatur benutzt. Dadurch muss man nur die erste Stufe primär beheizen. Die Anwendung dieses Mehrfachdampfeffektes auf temperaturempfindliche Stoffe verbietet sich meist wegen der Zersetzung in den ersten Verdampfungsstufen bei zu hohen Temperaturen. 



   Insbesondere war es trotz der drei Jahrzehnte währenden intensiven Forschung auf dem Gebiet der Holzverzuckerung mit konzentrierter Salzsäure nicht geglückt, die relativ grossen Mengen Salzsäure anders als durch eine einstufige Vakuumverdampfung bei zirka 40-50 Torr und   40-50 C   von dem Holzzucker abzutrennen. Diese Eindampfung ist mit einem relativ hohen Wärmeaufwand verknüpft. 



   Es wurde nun gefunden, auch die Säureverdampfung der Holzverzuckerung mehrstufig, insbesondere 3-stufig, durchzuführen, wobei es vornehmlich gelang, sogar bei normalem Atmosphärendruck einen Grossteil der Säure wegzudampfen, ohne dass merkliche Mengen des Zuckers bei der hohen Temperatur von über 100   C und in Gegen- wart der sehr konzentrierten Säure zerstört werden.
Dazu wird   erfindungsgemäss   die Lösung in langen, engen, von aussen beheizten Verdampfer- rohren in einem einzigen Durchgang von unten nach oben geleitet, in denen sie teilweise verdampft, so dass der gebildete Säuredampf und die Flüssig- keit gemeinsam mit solcher Geschwindigkeit durch die Verdampferrohre sich bewegen,

   dass keine
Lösung in den Rohren zurückfallen kann und dabei dem nur wenige Bruchteile von Sekunden währenden Durchgang durch die Rohre keine merkliche Zersetzung auftritt. Da bei dieser Ver- dampfung das technische Prinzip der Mammut- pumpe angewandt wird-die Förderung beruht auf der Verschiedenheit der spezifischen Gewichte der Zuckerlösung und des Gemisches von Zucker- lösung in Gegenwart von Salzsäuregas im einzelnen
Rohr-und dadurch sich die Flüssigkeit mit der ausserordentlich hohen Geschwindigkeit von 20 bis 40 Meter pro Sekunde durch die Verdampfer- rohre bewegt, wirdauchdie bei vielen Verdampfern auftretende Verkrustung ausgeschlossen. Erfin- dungsgemäss wird durch die Beschleunigung der
Flüssigkeitsteilchen durch die Verdampferrohre die Bildung und Abscheidung von verkrustenden
Zersetzungsprodukten an den Heizflächen ver- mieden. 



   In dem nachgeschalteten Brüdenabscheider, in den das Gemisch aus Säuredampf und Lösung tangential einströmt, wird die Lösung und der
Säuredampf in bekannter Weise getrennt und ohne jeden Flüssigkeitsstand im Abscheider die noch salzsaure Lösung sofort über ein Entspannungs- ventil oder eine Drosselblende in einen ebenso gebauten zweiten Verdampfer bei zirka 100-150
Torr geleitet, den sie ebenfalls in einem einzigen
Durchgang passiert, wobei weitere Säuremengen weggedampft werden. Nach dem Abscheiden der
Säuredämpfe wird die verbleibende Lösung über ein weiteres Entspannungsventil oder eine weitere
Drosselblende in die Vakuumstufe bei 40-50 Torr geleitet, in der sie in einem üblichen Röhren- umlaufverdampfer bis auf die Endkonzentration gebracht wird. 



   Die Dämpfe der ersten Stufe beheizen die
2. Stufe, die Dämpfe dieser Stufe die 3. Stufe, 

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 so dass der gesamte Dampfaufwand nur rund des früheren einstufigen Verfahrens beträgt. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass noch gefährlicher als der Aufenthalt der zersetzlichen Lösung in den Verdampferrohren eine Verweilzeit im Abscheider ist, da auch bei schon niedrigem Flüssigkeitsstand sehr rasch grosse schädliche Verweilzeiten entstehen. Deshalb wird das Drosselventil zwischen 2 Druckstufen soweit geöffnet, dass alle Lösung sofort in den nächsten Verdampfer übergeht, sogar unter Inkaufnahme eines ganz geringen Durchschlupfes von Dampf von der höheren zur niedrigeren Druckstufe. 



   Ein weiterer grosser Vorzug des Verfahrens liegt darin, dass bei der einstufigen Eindampfung im Vakuum bei   40-50   C   die aus der   40-41% igen   Salzsäure entstehenden Säuredämpfe früher nicht im Vakuum ohne Wasserzusatz niedergeschlagen werden konnten und somit sich nur eine auf 30%igen HCl-Gehalt verdünnte Säure wiedergewinnen lässt, die in einem weiteren, wärmeverbrauchenden Prozess auf 40-41%   HCl-Gehalt   aufkonzentriert werden musste. Nach der neuen,   erfindungsgemässen   Ausführung der Säureverdampfung entsteht in der 1. Stufe neben relativ schon hochprozentiger Kondensatsäure noch   HC1-   Gas, das ohne nochmaligen Verdampfungsaufwand direkt zur Herstellung neuer   41% iger   Säure verwendet werden kann. 



   Die beiliegende Zeichnung stellt eine schematische Ausführungsform des Erfindungsgedankens dar. Der Vorteil dieser Flüssigkeitsführung ist, dass keinerlei Flüssigkeitspumpen für die Förderung von Stufe zu Stufe erforderlich sind. 



   1 ist der unter Atmosphärendruck arbeitende Verdampfer, der beispielsweise mit 3 m langen Graphitrohren mit 15 mm lichtem Durchmesser versehen ist. Die Rohre werden von aussen mit Dampf von 150   C beheizt. Die salzsaure Zuckerlösung läuft unten den Rohren zu, durch die sie mit 20 bis 40 Meter pro Sekunde strömt. Im Abscheider 2 herrscht eine Temperatur von zirka   1070 C.   Die in 1 voreingedickte Zuckerlösung läuft, ohne dass sich in 2 ein Flüssigkeitsstand bildet, über das Drosselventil 3 nach dem Verdampfer 4, der gleich wie Verdampfer 1 gebaut ist. 



  Im Abscheider 5 herrscht eine Temperatur von zirka 65   C. Über das Drosselventil 6 strömt die Zuckerlösung schliesslich in den Umlaufverdampfer 8 üblicher Bauart, der bei zirka   400 C   arbeitet. Die Ausführung auch des Verdampfers 4 
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 langen Rohren verbietet sich im Falle der Holzzuckerlösung infolge der zu hohen Viskosität der Lösung in der 3. Stufe. Es müssen deshalb Rohre mit grösserem Innendurchmesser angewandt werden, für die das Prinzip   des "Einmaldurchganges"   nicht anwendbar ist. 



   Die Säuredämpfe des Verdampfers 1 beheizen den Verdampfer 4, wobei sie grösstenteils kondensieren. Bei Einzug von Salzsäure über   30%   HClGehalt in 1 bleiben aber noch unkondensierbare HCl-Gase nach dem Durchgang der Dämpfe durch 4 übrig, die im Abscheider 7 von dem Kon- densat von zirka   33%     HCl-Gehalt   geschieden werden. Letzteres läuft über den Siphon unter 7 ab, ersteres verlässt den Abscheider 7 oben.
Es ist natürlich zur Erreichung einer günstigen Wärmeausnützung vorteilhaft, wenn die bei 1 zulaufende Lösung vor Eintritt in die Eindampfanlage durch zusätzliche Wärmeaustauscher, z. B. unter Ausnutzung der Wärme der Kondensate, bei 7 und 8 vorgewärmt wird. 



   Es hat sich als   zweckmässig   erwiesen, insbesondere in der 1. Stufe Verdampferrohre nicht über 15 mm lichten Durchmesser und Heizdampftemperaturen von mindestens   1400 C   zu wählen, um genügend Dampfgeschwindigkeiten zu erhalten. Sind die Rohrdurchmesser bei Graphit als Werkstoff wesentlich grösser oder die Heiztemperaturen niedriger, so wird kein gleichmässiges Durchströmen der Flüssigkeit durch die Rohre mehr erreicht, da dann die Säuredampfgeschwindigkeit nicht mehr das   Zurückfallen   einzelner   Flüssigkeitsteilchen   verhindern kann. Dadurch treten teilweise verlängerte Verweilzeiten bei den gefährlich hohen Temperaturen und dadurch die berüchtigten Zuckerzersetzungen auf. 



   Es ist weiter zu empfehlen, in die Verdampferrohre, insbesondere in deren unteren Rohrabschnitt, leicht   herausnehmbareFormstangen,   etwa wie in Fig II, zentral einzubringen, die die Rohrinnenflächen praktisch nicht berühren, aber einen Grossteil des Rohrvolumens ausfüllen und dadurch die Verweilzeiten weiter   herabdrücken.   



   Bei erfindungsgemässer Verdampfung treten beispielsweise bei Eindampfung von sogenannten Hauptzuckerlösungen der Holzverzuckerung, bestehend aus   38-40%piger   Salzsäure mit darin gelöstem Traubenzucker und beigemengten anderen Zuckerarten, z. B.   1/13 Xylose,   keine analytisch feststellbaren Zersetzungen auf. Aber sogar die ganz extrem empfindlichen sogenannten Vorzuckerlösungen der Holzverzuckerung aus Laubholz, die praktisch aus Xylose und 30-35%iger Salzsäure bestehen, lassen sich nach der Erfindung mit geringem Wärmeaufwand verdampfen. Die Verluste von Xylose betragen in jeder der 3 Stufen 0, 75% der Xylose.

   Bei einer vergleichsweisen Eindampfung der gleichen Xylose-Salzsäurelösung in einer Valcuumstufe bei zirka 45   C in Umlaufverdampfern, mit entsprechend längeren Verweilzeiten, wie sie bisher ausgeführt wer- 
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 praktisch der gleiche wie bei der erfindungsgemässen Ausführung, ohne dass aber die eingedampften Lösungen durch Zersetzungsprodukte stark verunreinigt sind und keinen der sonst üblich nachgeschalteten teuren Reinigungsprozesse mehr durchlaufen müssen, sondern in wasserheller, salzsäurefreier Lösung anfallen. 



     Beispiel l :   Dem ersten Verdampferrohraggregat werden 12 kg pro Stunde einer Hauptzuckerlösung (aus Laubholz gewonnen) zugepumpt, deren Zuckergehalt folgende Zusammensetzung aufweist :
90% Glukose, 7% Xylose, 2% Arabinose und 1% Mannose, jeweils Gewichtsprozent. Sie weist 

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 eine Zuckerkonzentration von   16, 6 Gew.-%   und eine Säurekonzentration von 33, 4 Gew.-% HC1 auf. Im ersten Verdampferrohr destillieren 4, 2 kg pro Stunde HC1 mit 58 Gew.-% HC1 ab ; es treten in den zweiten Verdampfer 7, 8 kg Zuckerlösung mit 26 Gew.-% Zuckergehalt über. 



   Im zweiten Verdampferrohrbündel destillieren 2, 4 kg pro Stunde Dämpfe mit   29, 0 Gew.-%   HCl-Gehalt und im dritten Verdampfer ebenfalls 2, 4 kg pro Stunde mit 25 Gew.-% HC1 ab. 



  Vom zweiten zum dritten Verdampferröhrenbündel laufen 5, 4 kg pro Stunde Zuckerlösung mit 37 Gew.-% Zuckergehalt über und aus dem dritten Verdampfer laufen 3, 0 kg pro Stunde fertige Zuckerlösung mit 66 Gew.-% Zuckergehalt ab. 



   Beispiel 2 : Im ersten Verdampferrohrbündel werden 12, 5 kg pro Stunde einer Vorzuckerlösung (aus Nadelholz gewonnen) zugepumpt, deren Zuckergehalt folgende Zusammensetzung aufweist :
27 Gew.-% Glukose, 35 Gew.-% Mannose, 5   Gew.-% Galaktose,   29 Gew.-% Xylose und 4 Gew.-% Arabinose. Die Lösung hat einen Zuckergehalt von 12 Gew.-% und eine Säurekonzentration von 28 Gew.-% HC1. 



   Im ersten Verdampferbündel destillieren 4, 5 kg Salzsäure pro Stunde mit 40 Gew.-% HC1 ab ; es treten zum zweiten Verdampfer 8, 0 kg pro Stunde Zuckerlösung mit 18, 7 Gew.-% Zuckergehalt über. 



   Im zweiten Verdampferrohrbündel destillieren 2, 8 kg pro Stunde Dämpfe mit   26, 5 Gew.-% HCl   ab und im dritten Verdampfer 2, 7 kg pro Stunde Dämpfe mit 26, 0 Gew.-% HC1. 



   Vom zweiten zum dritten Verdampfer laufen 5, 2 kg pro Stunde Zuckerlösung mit   28, 7 Gew.-%   Zuckergehalt über und aus dem dritten Verdampfer treten 2, 5 kg pro Stunde fertige Zuckerlösung mit 60 Gew.-% Zuckergehalt aus. 



   Die Verweilzeit im ersten und zweiten Verdampfer beträgt jeweils zirka   1; Sekunden,   sowohl für Beispiel 1 als auch für Beispiel 2 zutreffend. 



   Bei Beispiel 1 beläuft sich der Zuckerverlust während der Verdampfung bei stündlichem Durchsatz in allen drei Stufen zusammen auf 0, 1 Gew.-% und im Beispiel 2 auf   0, 16 Gew.-%.  
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Anwendung für Holzzuckerlösungen, sondern lässt sich für alle empfindlichen verdünnten Lösungen verwenden. 



    PATENTANSPRÜCHE :    
1. Verfahren zur rationellen Eindampfung von temperaturempfindlichen Lösungen, die bei der Vor-und Haupthydrolyse von   hemizellulose-und   zellulosehaltigen pflanzlichen Stoffen mittels Salzsäure anfallen, in einem mehrstufigen Verdampferaggregat mit einigen Rohren, welche von unten mit den wässerigen Lösungen beschickt werden, wobei durch Dampfblasenpumpwirkung das gebildete Flüssigkeitsdampfgemisch durch die von aussen mit Dampf beheizten Rohre der ersten Stufe des Aggregates ohne zusätzliche Pumpe nach oben strömt, über einen ersten Brüdenabscheider und ein erstes Reguliergerät ebenfalls von unten nach oben ein zweites stehendes Röhrenaggregat unter geringerem Druck durchläuft, welches mit den Säuredämpfen vom Kopf des ersten Brüdenabscheiders beheizt wird,

   weiterhin über einen zweiten Brüdenabscheider und ein zweites Reguliergerät zu einem unter noch weiter vermindertem Druck stehenden Umlaufverdampfer üblicher Bauart strömt, dessen Rohre mit den von am Kopf des zweiten Brüdenabscheiders abziehenden Dämpfen beheizt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Stufe unter Atmosphärendruck gearbeitet wird und die Temperatur des Heizdampfes 150   C beträgt, dass in der zweiten Stufe bei einem Druck von 100 bis 150 Torr und in der dritten Stufe bei einem Druck von 40 bis 50 Torr gearbeitet wird und dass das Flüssigkeitsdampfgemisch mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 40 Metern pro Sekunde die Verdampferrohre durchströmt.

Claims (1)

1. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Rohre der Verdampferaggregate Formstangen zentral eingebaut sind, welche den grössten Teil des Rohrvolumens ausfüllen, die Rohrinnenflächen aber nicht berühren.