DE859140C - Verfahren zur Abtreibung fluechtiger Stoffe aus Fluessigkeiten - Google Patents

Description

• Verfahren zur Abtreibung flüchtiger Stoffe aus Flüssigkeiten Bei der Erzeugung elektrischer Energie in Kondensationskraftanlagen wird bekanntlich nur ein Bruchteil der zur Dampfbildung aufgewendeten Wärme in elektrische Energie umgesetzt. Der größte Teil der Wärme ist noch in der zum Kondensator strömenden Dampfmenge enthalten. Angesichts dieser Tatsache hat es nicht an Bestrebungen gefehlt, den Wärmeinhalt des Vakuumabdampfes von Kondensationskraftanlagen vor seiner Übertragung an das Kühlwasser noch zu irgendeiner nützlichen Verrichtung einzusetzen. Für fast alle denkbaren Anwendungsmöglichkeiten steht jedoch der unterhalb der Atmosphäre liegende Druck dieses Dampfes und die niedere Temperatur, die das Niveau des Kühlwassers nur wenig übersteigt, hinderlich im Wege.
• Wie die nähere Prüfung zeigt, gibt es eine verfahrenstechnische Anwendung, bei der auch mit Wärme von niederer Temperatur gearbeitet werden kann, ohne daß hierdurch Nachteile entstehen. Es ist dies der Vorgang der Abtreibung flüchtiger Stoffe aus Flüssigkeiten mit Hilfe von Dampf. Gemäß vorliegender Erfindung wird hierbei in der Weise verfahren, daß die Kondensation der abgetriebenen und gegebenenfalls verstärkten Dämpfe mit den bei der Krafterzeugung nach dem Kondensationsverfahren gebräuchlichen Kühlwassermengen und Temperaturen durchgeführt wird.
• Mit dem Begriff der Abtreibung wird im allgemeinen die Vorstellung einer notwendigen Anwendung von Hitze verbunden. Gefühlsmäßig ist man daher geneigt, hohe Temperaturen als günstig anzusehen. Tatsächlich sind jedoch in den meisten Fällen die Gleichgewichtsverhältnisse zwischen Dämpfen und Flüssigkeiten so gelagert, daß der Anteil der leichterflüchtigen Komponente in der Dampfphase um so höher ist, je tiefer die Temperatur der Abtreibung angenommen wird. Bei niederer Temperatur ist also weniger Dampf erforderlich als bei Anwendung von Hitze.
• Ein weiterer Grund für die bisherige Anwendung unnötig hoher Temperaturen bei der Abtreibung dürfte in dem mit niederer Temperatur verbundenen Übergang zum Vakuumbetrieb zu suchen sein. Vakuumdestillationen suchte man bisher soweit als möglich zu vermeiden und ließ sich nur in den Fällen zur Anwendung von Vakuum nötigen, wo die Eigenschaften der zu trennenden Stoffe, Zersetzung oder sonstige Gefährdung durch höhere Temperaturen, keinen anderen Ausweg ließen.
• Tatsächlich aber werden die betrieblichen Erschwerungen, die die Anwendung von Vakuum mit sich bringt, mehr als ausgeglichen durch die damit verbundenen Vorteile: den Fortfall der Wärmeaustauscher zwischen zulaufender und ablaufender Flüssigkeit sowie der Wärmeisolation der gesamten Apparatur.
• Der entscheidende Gesichtspunkt für die Verwendung des bisher ungenutzten Vakuumabdampfes von Kondensationskraftanlagen zur Abtreibung flüchtiger Stoffe aus Flüssigkeiten besteht jedoch in der nahezu vollständigen Wertlosigkeit dieses Dampfes. Hierdurch wird es möglich, auch solche flüchtigen Stoffe durch Abtreibung zu gewinnen, die bisher wegen eines etwa durch starke Verdünnung oder durch andere Gründe bedingten hohen Dampfverbrauches verloren gegeben werden mußten. Dies gilt z. B. für die kleinen Alkohol-, Ammoniak-, Kohlensäure- oder Schwefligsäuregehalte in verschiedenen Industrieabwässern. Darüber hinaus besitzt das Verfahren der Erfindung allgemeine Anwendbarkeit für das gesamte Gebiet der Stofftrennung durch Destillation oder Rektifikation. In Fällen, wo der Vakuumabdampf nicht unmittelbar mit der zu behandelnden Flüssigkeit in Berührung gebracht werden kann, etwa bei Wasserlöslichkeit der schwerflüchtigen Komponente, wird ein Dampfumformer eingeschaltet, auf dessen Kondensationsseite der Vakuumabdampf kondensiert, während auf der Verdampferseite die zu behandelnde Flüssigkeit bzw.deren schwererflüchtige Komponente mit der übertragenen Wärmemenge verdampft wird.
• Erfindungsgemäß erfolgt die Kondensation der abgetriebenen und gegebenenfalls verstärkten Dämpfe mit den bei der Krafterzeugung nach dem Nondensationsverfahren gebräuchlichen Kühlwassermengen und Temperaturen. Dies bedeutet, daß in den Dampfweg zwischen Kraftmaschine und Kondensator der Kondensationskraftanlage Abtriebs- und, falls die abgetriebenen Dämpfe verstärkt werden sollen, Verstärkungskolonnen eingeschaltet werden. Der Kondensator hat dann nicht mehr den reinen Vakuumabdampf der Kraftmaschine niederzuschlagen, sondern die mit Hilfe dieses Vakuumabdampfes abgetriebenen und gegebenenfalls verstärkten Dämpfe der zwischengeschalteten Destillation. Da auf der Kühlwasserseite gegenüber dem reinenKraftbetrieb erfindungsgemäß alles unverändert bleibt, erfolgt die Kondensation der Dämpfe bei den unter den örtlich gegebenen Kühlwasserverhältnissen tiefstmöglichen Temperaturen.
• Als Dampfkosten der Abtreibung sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich die geringen durch die zwischengeschaltete Abtriebs- und gegebenenfalls Verstärkungseinrichtung verursachten Einbußen an ausnutzbarem Wärmegefälle einzusetzen.
• Beispiel I Alkoholgewinnung aus Waschwässern der Sulfltzellstoffindustrie In der Sulfitzellstoffindustrie wird zur Alkoholgewinnung im allgemeinen nur die unverdünnte Kochlauge, höchstens noch das erste Waschwasser vergoren und abgebrannt. Bei den weiteren Waschwässern verzichtet man bisher auf die Alkoholgewinnung, da die Destillation im Vergleich zur gewinnbaren Alkoholmenge zu teuer käme (vgl. Ungewitter, Verwertung des Wertlosen, S. I20). Wie nachstehend gezeigt werden soll, entfällt bei Verwendung von Vakuumabdampf aus Kraftanlagen der angeführte Grund für die bisherige Beschränkung auf die Abwässer mit den höchsten Alkoholgehalten.
• Dem Beispiel legen wir ein Waschwasser mit 10/ovo Alkoholgehalt zugrunde. Die im Vakuum innerhalb des Bereiches der üblichen Kondensatordrücke aus dieser Flüssigkeit im Gegenstrom abgetriebenen Dämpfe enthalten rund 5°1OO Alkohol. Durch Teilkondensation in Stufen und im Stoffaustausch mit dem hierdurch gebildeten und stufenweise vermehrten Rücklauf wird der Alkoholgehalt des Dampfes auf den gewünschten Betrag, z. B. 940J,, erhöht, Infolge der Kleinheit des Alkoholanteils in den abgetriebenen Dämpfen unterscheidet sich die Kondensation des überwiegenden Teiles dieser Dämpfe nicht merklich von der Wasserdampfkondensation im Kondensator einer Kraftmaschine. Durch Einschaltung der Alkoholgewinnungsanlage erleidet also die Krafterzeugung keinen nennenswerten Verlust an ausnutzbarem Wärmegefälle. Bei genauer Rechnung sind allerdings noch die geringen Druckverluste in der Dampfzuleitung und in der Abtriebssäule zu berücksichtigen.
• Die Kondensationstemperatur des g4°/Oigen Alkohols liegt bei den hier in Frage kommenden Drücken etwa zwischen Ig und 25° C. Demgemäß muß man dafür sorgen, daß das Kühlwasser zuerst den Schlußkondensator und dann der Reihe nach die hinsichtlich der Dampfströmung vor diesem angeordneten Kondensatoren durchströmt.
• Sofern die Temperatur des verfügbaren Kühlwassers für die Alkoholkondensation zu hoch sein sollte, z. B. bei Vorhandensein einer atmosphärischen Rückkühlanlage, müssen die alkoholreichen Restdämpfe mit künstlicher Kälte niedergeschlagen werden. Der durch die Kältemaschine verursachte Energieaufwand kann in Kauf genommen werden, da es sich nur um den letzten Rest, in der Größenordnung von etwa IOI, der ursprünglichen Dampfmenge, handelt, bei dessen Kondensation die Kältemaschine gegebenenfalls einzusetzen ist.
• Beispiel 2 Benzolgewinnung aus Wasser mit geringem Benzolgehalt Benzol ist bekanntlich in Wasser unlöslich und kann daher im allgemeinen durch Abstehenlassen der Mischung abgetrennt werden. Bei sehr geringen Benzolgehalten ist das jedoch nicht möglich, so daß eine Abtreibung des Benzols mit Dampf notwendig sein kann. Dieser Fall soll betrachtet werden unter der Voraussetzung, daß der Vakuumabdampf einer Kraftmaschine für die Abtreibung zur Verfügung steht.
• A. Abtreibung: In einer Abtriebskolonne von geringem Strömungswiderstand wird der Vakuumabdampf im Gegenstrom mit dem benzolhaltigen Wasser in Stoffaustausch gebracht.
• Rechnerisch läßt sich nachweisen, daß der Benzolgehalt im Dampf mit steigender Temperatur abnimmt.
• Zur Vakuumabtreibung wird also weniger Dampf benötigt als bei höheren Drücken.
• Da voraussetzungsgemäß der Benzolgehalt der Flüssigkeit so klein sein soll, daß von einer absoluten Unlöslichkeit nicht mehr gesprochen werden kann, wird der Wasserdampfanteil in der Dampfphase höher sein, als er sich rechnerisch ergeben würde. Man kann etwa annehmen, daß die abgetriebenen Dämpfe 700/0 Benzoldampf und 300/0 Wasserdampf enthalten.
• B. Kondensation: Für die Niederschlagung der abgetriebenen Dämpfe steht das Kondensatorkühlwasser der Kraftanlage zur Verfügung. Menge und Erwärmung dieses Kühlwassers sollen durch die Einschaltung der Destillationsanlage keine Veränderung erfahren.
• Die Wärmeübergangszahl bei der Kondensation des Benzol-Wasserdampf-Gemisches liegt für waagerechte Kühlrohre bei etwa 2000 kcal/m2h "C. Für eine Wassergeschwindigkeit von I m/sec in den Kühlrohren ergibt sich mit a - 4000 kcal/m2h °C eine Wärmedurchgangszahl von etwa I300 kcal/m2h °C gegenüber etwa 2000 bei reiner Wasserdampfkondensation. Im Verhältnis dieser beiden Zahlen muß das Produkt F. # tm für den Benzolmischdampfkondensator größer sein. Dem wird dadurch Rechnung getragen, daß die Kondensationstemperatur, die bei reinem Wasserdampf z. B.
• 35° C betragen haben möge, auf 40° C für den Mischdampfkondensator erhöht wird. Bei dieser Kondensationstemperatur herrscht im Kondensator ein Druck von 236,8 Torr.
• C. Energieverbrauch: Rechnerisch besitzt der in den Kondensator mit voraussetzungsgemäß 70°/O.Benzolgehalt eintretende Mischdampf eine Temperatur von 6I° C. In der Abtriebskolonne entsteht dieser Mischdampf durch Stoffaustausch zwischen dem benzolhaltigen Wasser und dem Vakuumabdampf der Kraftmaschine. Wird der Druckabfall in der Kolonne zu 50 mm Hg angenommen, so beträgt der Druck des Vakuumabdampfes beim Eintritt in die Kolonne etwa 287 Torr entsprechend einer Temperatur von rund 75" C. Um die zur Gewinnung von I kg Benzol notwendige Dampfmenge bestimmen zu können, müssen nunmehr Voraussetzungen getroffen werden über den Benzolgehalt und die Eintrittstemperatur der benzolhaltigen Flüssigkeit. Der Benzolgehalt soll I g/kg betragen, die Eintrittstemperatur der Flüssigkeit 60° C.
• Dann sind folgende Dampfbeträge aufzubringen: I. zurErwärmung von I000 Wasser von 60° auf 75° Dw = 615 °oo = 27,2 kg Dampf/I kg Benzol; 629-75 2. zur Erzeugung von 1 kgBenzoldampf von 236,8Torr und 6I° C aus I kg Benzolflüssigkeit von 60° C 101 Db = 629 - 75 = 0,2 kg Dampf/I kg Benzol; 3 3. zur Gewinnung von 3 kg Wasserdampf von 236,8 Torr Dd = 0,4 kg Dampf kg Benzol; also insgesamt rund 30 kg Dampf/I kg Benzol.
• Diese Dampfmenge wird in der Kraftmaschine nicht wie bei reinem Kraftbetrieb auf 35° C oder 42 Torr, sondern auf 75" oder 287 Torr entspannt. Unter Voraussetzung eines Wirkungsgrades der letzten Entspannungsstufen (einer Dampfturbine) von 60% tritt durch die Erhöhung des Gegendruckes eine Einbuße an Energieerzeugung ein von Lv = 0,6 . 66 . 30 . I = I,4 kWh/I kg Benzol.
• Hierzu kommen noch Pumpkosten für das Herauspumpen von I000 kg Wasser aus dem Vakuumraum (h = 20 m, 77 = o,5) mit 1 1 Iooo zu zo 1 Lp = I000 20 427 86 = 0,11 kWh/r kg Benzol.
• Bei einem Strompreis von I,5 FlkWh ergeben sich danach die Energie kosten zu K = I,5I I,5 = 2,27 #!I kg Benzol.
• Beispiel 3 Trennung von Benzol und Toluol Beide Stoffe sind in Wasser unlöslich. Ihre Trennung kann daher durch Wasserdampfdestillation unter Verwendung des Vakuumabdampfes einer Kraftanlage erfolgen.
• A. Mengenanteile: Das System Benzol-Toluol bildet ein bekanntes Schulbeispiel für die Eigenschaften idealer Lösungen. Der Berechnung soll ein äquimolekulares Flüssigkeitsgemisch von 0,5 Mol Benzol und 0,5 Mol Toluol zugrunde gelegt werden.
• B. Kondensation: Für den im Kondensator herrschenden Druck ist die Kondensation des Eutektikums Benzol-Wasser bei den vorhandenen Kühlwasserverhältnissen bestimmend. Wie beim vorigen Beispiel wird die Kondensationstemperatur des Eutektikums zu 40° C angenommen, womit der Druck im Kondensator zu 236,8 Torr festgelegt ist. Damit erfolgt die Kondensation unter den gleichen Bedingungen wie im vorigen Beispiel.
• C. Verstärkung: Wie die Rechnung ergibt, besitzen die aus der Abtriebskolonne austretenden Dämpfe einen nicht unerheblichen Toluolgehalt. Um diesen zum Verschwinden zu bringen, ist eine Verstärkung der Dämpfe notwendig. Das hierbei anzuwendende Verstärkungsverhältnis beträgt etwa 2.
• Nimmt man den Druckabfall in der Verstärkungskolonne zu 80 mm Hg und den in der Abtriebskolonne zu 40 mm Hg an, so ergibt sich der Druck des Dampfes vor Eintritt in die Rektifizieranlage zu 357 Torr, ent- sprechend einer Sättigungstemperatur des Kraftmaschinenabdampfes von rund 800 C.
• D. Energieverbrauch: Zur Trennung von 1 kg des Gemisches aus 0,46 kg Benzol und 0,54 kg Toluol sind folgende Dampfbeträge notwendig: I. zur Verdampfung von 3 o,46 kg Benzol (Rücklaufverhältnis 2) Dk = 3.0,46.101 = 0,25kg Dampf/I kg Gemisch; 350 2. Wasserdampfanteil im Kondensator (3 00/o nach Voraussetzung) Da = 3 Ä 0,46 - 0,59 kg Dampf/I kg Gemisch; 3. zur Erwärmung von 0,54 kg Toluol um angenommen 200 Df = 0,54.0,45.20 = 0,01 kg Dampf/I kg Gemisch; 550 zusammen 0,85 kg Dampf/I kg Gemisch.
• Diese Dampfmenge wird in der Eiraftmaschine anstatt auf 42 Torr (35° C) bei reinem Kraftbetrieb jetzt nur auf 357 Torr (rund 80" C) entspannt. Unter Voraussetzung eines Wirkungsgrades der letzten Entspannungsstufen (einer Dampfturbine) von 600/o wird durch die genannte Erhöhung des Gegendruckes eine Energieeinbuße von Lv = 0,6.80.0,85. = 0,048/I kg Gemisch 860 verursacht.
• Die Pumpkosten können demgegenüber vernachlässigt werden.
• Bei 1,5 .1p'/kWh Strompreis betragen die Energiekosten für die Trennung des äquimolekularen Gemisches von Benzol und Toluol K = 0,048.1,5 = 0,072 ##/I kg Gemisch.
• Beispiel 4 Trennung von WIethanol und Äthanol Bei diesem Stoffpaar ist die Wasserlöslichkeit der schwerflüchtigen Komponente Äthanol von Bedeutung.
• Diese Stoffeigenschaft verhindert die Anwendung der unmittelbaren Wasserdampfdestillation.
• Um die Berührung des Wasserdampfes mit den zu trennenden Stoffen zu vermeiden, muß ein Dampfumformer eingeschaltet werden, auf dessen Kondensationsseite derVakuumabdampf der Kraft anlage kondensiert. Mit der dabei frei werdenden Kondensationswärme wird auf der Verdampferseite des Dampfumformers das Äthanol verdampft. Der erzeugte Äthanoldampf dient dann zur Durchführung einer normalen Vakuumrektifikation der idealen Lösung Methanol und Äthanol.
• Durch die Kondensation der leichtflüchtigen Eomponente Methanol im Rücklaufkondensator bei den vorhandenen Kühlwasserverhältnissen wird der Druck in der Rektifizierapparatur festgelegt. Wird wie früher die Kondensationstemperatur zu 40°C angenommen, so beträgt der Kondensationsdruck des reinen Methanols 261,5 Torr. Ein etwa noch vorhandener geringer Äthanolgehalt wirkt druckvermindernd. Demgemäß ergibt sich der Druck im Rücklaufkondensator zu 260 Torr.
• Weiterhin wurde der Druckabfall von Verstärkungs-und Abtriebssäule mit insgesamt I00 mm Hg angenommen. Auf der Verdampfungsseite des Dampfumformers beträgt der Druck somit 360 Torr und die zugehörige Verdampfungstemperatur des reinen Äthanols rund 60° C. Bei 100 Austauschgefälle ergibt sich die Kondensationstemperatur des auf der anderen Seite der Austauschfläche kondensierenden Wasserdampfes zu 70° C entsprechend 234 Torr.
• Dieses Ergebnis zeigt, daß auch bei der Arbeitsweise mit Dampfumformer keine wesentlich erhöhten Gefällsverluste des Kraftmaschinenabdampfes eintreten.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Verfahren zur Abtreibung flüchtiger Stoffe aus Flüssigkeiten mittels Wasserdampf, der zuvor in einer Kraftmaschine entspannt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensation der abgetriebenen und gegebenenfalls verstärkten Dämpfe mit den bei der Krafterzeugung nach dem Kondensationsverfahren gebräuchlichen Kühlwassermengen und -temperaturen durchgeführt wird..