Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufkonzentrierung von korrosiven Flüssigkeiten wie insbesondere Säuren.

Im Stand der Technik erfolgt die Aufkonzentrierung korrosiver Flüssigkeiten wie beispielsweise die Aufkonzentrierung verdünnter Säuren typischerweise in einem mehrstufigen Verfahren, in dem der Säure bei relativ geringen Temperaturen unter Vakuum nach und nach Wasser entzogen wird. Das Vakuum ist erforderlich, um den Siedepunkt der Säure ausreichend herabzusetzen, dass bei den gegebenen Temperaturen überhaupt Wasser verdampft. Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Aufkonzentrierung von Schwefelsäure ist in der EP 0 425 000 A1 offenbart.

Diese bekannten Verfahren sind relativ energieintensiv, da allenfalls ein geringer Anteil der Abwärme der einzelnen Stufen im Rahmen des Verfahrens nutzbringend eingesetzt werden kann. Zudem werden aufgrund der relativ geringen Temperaturen organische Verunreinigungen nicht vollständig zersetzt und müssen noch separat abgetrennt werden. Die maximal erreichbaren Säurekonzentrationen sind begrenzt und die Vorrichtungen haben einen erheblichen Platzbedarf. Die Kontrolle der Verfahrensparameter ist bei mehrstufigen Verfahren schwierig. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufkonzentrierung korrosiver Flüssigkeiten aufzufinden, welches diese Nachteile überwindet.

Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufkonzentrierung korrosiver Flüssigkeiten die Vorrichtung umfassend ein Fluidsystem mit einem Eingang für verdünnte korrosive Flüssigkeit, wobei das Fluidsystem dem Eingang in Serie nachgeschaltet einen regenerativen Wärmetauscher zum Vorwärmen der verdünnten Flüssigkeit, einen Hauptwärmetauscher oder Heizelement zum weiteren Erhitzen der vorgewärmten Flüssigkeit und einen Hauptabscheider zum Abtrennen von Lösungsmitteldampf aus der erhitzten Flüssigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Fluidsystem ferner eine Dampfleitung aufweist, um der warmen Seite des regenerativen Wärmetauscher Lösungsmitteldampf als Wärmequelle zuzuführen, der im Hauptabscheider aus der erhitzten Flüssigkeit abgetrennt wurde.

Die korrosiven Flüssigkeiten enthalten einen korrosiven Stoff in einem Lösungsmittel. Nach dem Erhitzen der korrosiven Flüssigkeit im Hauptwärmetauscher oder Heizelement bildet ein Teil des Lösungsmittels eine Gasphase mit einem nur mehr geringen Anteil an dem korrosiven Stoff, während die verbleibende flüssige Phase eine hohe Konzentration des korrosiven Stoffes aufweist. Im Hauptabscheider wird der Lösungsmitteldampf abgetrennt, bevor er dem regenerativen Wärmetauscher als Wärmequelle zur Verfügung gestellt wird. Die Möglichkeit der Verwendung von Abwärme aus dem Verfahren zum Vorwärmen des Zulaufs im regenerativen Wärmetauscher erlaubt eine sehr energieeffiziente Verfahrensführung.

Eine Produktleitung verbindet vorzugsweise den Hauptabscheider mit dem für darin isolierte konzentrierte Flüssigkeit bestimmten Ausgang des Fluidsystems. An der Produktleitung kann sich ein Kühlwärmetauscher zur Kühlung des Produkts befinden. Neben dem Eingang weist das Fluidsystem typischerweise auch einen Ausgang für aufkonzentrierte korrosive Flüssigkeit und einen weiteren Ausgang für aus der Flüssigkeit entferntes Lösungsmittel auf.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Fluidsystem ferner einen Zusatzabscheider aufweist, welcher der warmen Seite des regenerativen Wärmetauschers nachgeschaltet ist und das Abtrennen von kondensierter Flüssigkeit aus dem gekühlten Lösungsmitteldampf erlaubt. Mehr oder weniger die gesamte im Lösungsmitteldampf enthaltene Menge des korrosiven Stoffes verbleibt in der kondensierten Flüssigkeit, während der gekühlte Lösungsmitteldampf nur noch Spuren des korrosiven Stoffes enthält.

Eine Lösungsmittel-Ausgangsleitung verbindet vorzugsweise den Zusatzabscheider mit dem für aus der Flüssigkeit entferntes Lösungsmittel bestimmten Ausgang des Fluidsystems.

Weiterhin bevorzugt ist, dass das Fluidsystem ferner eine Rückflussleitung aufweist, um der vorgewärmten Flüssigkeit vor Eintritt in den Hauptwärmetauscher oder in das Heizelement kondensierte Flüssigkeit zuzuführen, die im Zusatzabscheider aus dem gekühlten Lösungsmitteldampf abgetrennt wurde. Bei optimaler Abstimmung der Verfahrensparameter kann erreicht werden, dass die Temperatur und die Konzentration des korrosiven Stoffs in diesen beiden vermengten Flüssigkeiten ähnlich sind.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass einige oder alle medienberührenden Teile zumindest des Hauptwärmetauschers oder Heizelements und des Hauptabscheiders aus Siliziumkarbid gefertigt oder in den medienberührenden Bereichen mit Siliziumkarbid beschichtet sind. Siliziumkarbid hält stark korrosiven Medien wie konzentrierten Säuren auch bei hohen Temperaturen von etwa 450°C stand. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Aufkonzentrierung korrosiver Flüssigkeiten, wobei in einem ersten Schritt a) einem Fluidsystem (10) kontinuierlich eine verdünnte korrosive Flüssigkeit zugeführt wird; in einem zweiten Schritt b) diese Flüssigkeit dann auf eine Temperatur erhitzt wird, die ausreicht, um bei einem gegebenen Systemdruck innerhalb des Fluidsystems (10) ein Flüssigkeits- Dampf-Gemisch zu erzeugen; und in einem dritten Schritt c) der Lösungsmitteldampf aus diesem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch abgetrennt wird.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Systemdruck größer 1 bar und vorzugsweise größer 2 bar beträgt. Die im Verfahren angelegten Systemdrücke liegen erfindungsgemäß generell oberhalb von 1 bar, was den Siedepunkt der korrosiven Flüssigkeiten erhöht und die genannten positiven Effekte bewirkt.

Bevorzugte Druckbereiche können je nach konkreter Anwendung zwischen>1 und 25 bar, zwischen 2 und 20 bar, zwischen 3 und 10 bar und insbesondere zwischen 4 und 7 bar liegen. Der Systemdruck ist vorzugsweise zwischen im gesamten Bereich des Fluidsystems innerhalb zwischen dem Eingang 11 und den Ausgängen 12 bzw. 13 relativ konstant und variiert innerhalb des Fluidsystems 10 um weniger als 2 bar, vorzugsweise um weniger als 1 bar und weiter vorzugsweise weniger als 0,5 bar.

Die Temperatur der erhitzten Flüssigkeit bzw. des entsprechenden Flüssigkeits- Dampf-Gemisches ist vorzugsweise größer 200°C. Bevorzugte Bereiche umfassen einen Temperaturbereich von 220°C bis 450°C und insbesondere einen Temperaturbereich von zwischen 250°C und 300°C.

Insbesondere kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass das Erhitzen der Flüssigkeit in Schritt b) zumindest teilweise durch Wärmetausch mit dem in Schritt c) aus dem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch abgetrennten Lösungsmitteldampf erfolgt. Beispielsweise kann die Flüssigkeit auf diese Weise auf eine Temperatur im Bereich von 110°C bis 220°C und insbesondere im Bereich von 140°C bis 190°C vorgewärmt werden. Weiterhin bevorzugt ist in einer Ausführungsform des Verfahrens, dass zumindest ein Teil der aus dem durch den Wärmetausch abgekühlten Lösungsmitteldampf kondensierten Flüssigkeit der in Schritt a) zugeführten Flüssigkeit vor oder während dem Erhitzen in Schritt b) beigemischt wird.

Das Verfahren kann in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden. Dabei kann im Rahmen des Schrittes b) die verdünnte korrosive Flüssigkeit am regenerativen Wärmetauscher durch Aufnahme von Wärme aus dem in Schritt c) aus dem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch abgetrennten Lösungsmitteldampf vorgewärmt und am Hauptwärmetauscher oder Heizelement weiter auf die Zieltemperatur erhitzt werden. Das Abscheiden gemäß Schritt c) kann am Hauptabscheider erfolgen. Eine etwaige Abtrennung kondensierter Flüssigkeit aus dem durch den Wärmetausch am regenerativen Wärmetauscher abgekühlten Lösungsmitteldampf kann am Zusatzabscheider erfolgen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich zur Aufkonzentrierung von Säuren wie beispielsweise Schwefelsäure (H2SO4), Salpetersäure (HNO3), Salzsäure (HCl) oder Flusssäure (HF), oder auch zur Aufkonzentrierung von Basen, beispielsweise Natronlauge (NaOH) oder Kalilauge (KOH), oder zur Aufkonzentrierung anderer korrosiver, beispielsweise oxidativer Flüssigkeiten.

Aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke kann in einem einzigen Schritt eine sehr starke Aufkonzentrierung auf eine Konzentration erreichen, deren Wasseranteil nur geringfügig größer ist, als der Wasseranteil eines azeotropen Gemischs. Der Unterschied des Wasseranteils zum azeotropen Gemisch kann beispielsweise weniger als 10%, weniger als 5% oder gar weniger als 2% betragen. Im Falle der Schwefelsäure, dessen azeotropes Gemisch gut 98% Schwefelsäure enthält, kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Schritt eine Aufkonzentrierung von einer geringen Konzentration von kleiner 30% oder kleiner 20% auf mehr als 80%, mehr als 90% oder gar mehr als 95% erfolgen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergehen sich aus dem nachfolgend anhand der Figur beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufkonzentrierung einer korrosiven Flüssigkeit, die einen korrosiven Stoff in vorzugsweise wässriger Lösung umfasst.

Die Vorrichtung umfasst ein Fluidsystem 10 mit einem Eingang 11 für verdünnte korrosive Flüssigkeit, einem Ausgang 12 für aufkonzentrierte korrosive Flüssigkeit und einen weiteren Ausgang 13 für Lösungsmitteldampf.

Die verdünnte korrosive Flüssigkeit wird am Eingang 11 anhand einer Zulaufpumpe 301 , deren medienberührende Teile aus einer korrosionsbeständigen Hochleistungslegierung wie beispielsweise einer Legierung aus der Reihe Hastelloy® oder Inconel® gefertigt sind, in das Fluidsystem 10 gefördert. Die Temperatur der in das Fluidsystem 10 zugeführten verdünnten korrosiven Flüssigkeit kann in etwa der Umgebungstemperatur entsprechen bzw. in einem gängigen Temperaturbereich von zwischen 10°C und 50°C liegen.

Der Flüssigkeits- bzw. Dampfdruck innerhalb des Fluidsystems 10 ist generell größer als 1 bar und kann beispielsweise zwischen 4 und 7 bar liegen. Der Druck wird im gesamten Bereich des Fluidsystems innerhalb eines bestimmten Korridors gehalten. Idealerweise beträgt der Druckabfall zwischen Eingang 11 und den Ausgängen 12 bzw. 13 weniger als 1 bar.

Nach Eintritt in das Fluidsystem 10 durchläuft die Flüssigkeit zunächst einen regenerativen Wärmetauscher 101 und wird dort durch Wärmetausch mit heißem Lösungsmitteldampf, dessen Herkunft in der Folge noch näher diskutierten wird, vorgewärmt. Die Temperatur der nun erwärmten verdünnten korrosiven Flüssigkeit am Ausgang des regenerativen Wärmetauschers 101 kann beispielsweise im Bereich von 140°C bis 190°C liegen. Durch den erhöhten Systemdruck kommt es aber zu keiner nennenswerten Verdampfung von Lösungsmittel.

Die vorgewärmte verdünnte Flüssigkeit 12 durchläuft sodann einen Hauptwärmetauscher 102 und wird dort durch Wärmetausch mit einem geeigneten Medium 102a wie etwa heißem Öl auf eine höhere Temperatur von beispielsweise größer 220°C, in manchen Anwendungen insbesondere zwischen 250°C und 300°C, in anderen Anwendungen aber bis erwärmt, bei der es trotz des erhöhten Systemdrucks zu einem Verdampfen des Lösungsmittels der korrosiven Flüssigkeit kommt. Durch dieses Verdampfen kann der heiße Medienstrom in einem dem Hauptwärmetauscher 102 nachgeschalteten Hauptabscheider 201 in einen konzentrierten korrosiven Flüssigkeitsstrom und einen nur noch geringere Anteile des korrosiven Stoffs enthaltenden Lösungsmitteldampfstrom getrennt werden.

Der aus dem Hauptabscheider 201 ablaufende konzentrierte korrosive Flüssigkeitsstrom wird in einem Kühlwärmetauscher 103 schließlich durch Wärmetausch mit Kühlwasser 103a auf eine gewünschte Produkttemperatur von beispielsweise kleiner 80°C oder kleiner 50°C gekühlt, bevor er das Fluidsystem 10 durch den Ausgang 12 für aufkonzentrierte korrosive Flüssigkeit verlässt.

Der im Hauptabscheider 201 abgetrennte heiße Lösungsmitteldampf, der noch gewisse Anteile des korrosiven Stoffes enthält, wird der warmen Seite des regenerativen Wärmetauschers 101 zugeführt und dort durch Wärmeabgabe an die frisch zugeführte verdünnte korrosive Flüssigkeit abgekühlt, beispielsweise auf einer Temperatur im Bereich von 110°C bis 220°C und insbesondere im Bereich von 140°C bis 190°C. Durch eine mit der Abkühlung bei in etwa gleichbleibendem Druck einhergehende Teilkondensation des Lösungsmitteldampfs kann dieser Medienstrom in einem der warmen Seite des regenerativen Wärmetauschers 101 nachgeschalteten Zusatzabscheider 202 in einen Flüssigkeitsstrom und einen Dampfstrom getrennt werden.

Der am Zusatzabscheider 202 abgeschiedene Flüssigkeitsstrom wird anhand einer Rücklaufpumpe 302 dem Strom der neu zugeführten erwärmten korrosiven Flüssigkeit an einer Stelle zwischen der kalten Seite des regenerativen Wärmetauschers 101 und dem Hauptwärmetauscher 102 beigemischt. Bei optimaler Abstimmung der Verfahrensparameter sind Temperatur und Konzentration des korrosiven Stoffs in diesen beiden vermengten Strömen ähnlich.

Der im Zusatzabscheider 202 abgetrennte Lösungsmitteldampf enthält nur noch Spuren des korrosiven Stoffes und verlässt das Fluidsystem 10 durch den Ausgang 13 für Lösungsmitteldampf.

In einem konkreten Beispiel kann dem System am Eingang 11 eine 30%ige wässrige Schwefelsäure (H2SO4) mit einer Flussrate von 10.000 kg/Std. zugeführt werden. Die Temperatur dieser Säure kann 30°C betragen und der Druck kann auf 5,3 bar eingestellt werden. Im regenerativen Wärmetauscher 101 wird die Temperatur auf 165°C angehoben, während der Flüssigkeitsdruck nahezu konstant bleibt (5,25 bar). Bei 165°C und 5,25 bar bleibt die 30%ige Schwefelsäure vollständig flüssig. Im Hauptwärmetauscher 102 wird die Schwefelsäure, nun mit einer durch Beimengung von flüssigem Rückfluss aus dem Zusatzabscheider 202 erhöhten Flussrate von ca. 11 .500 kg/Std, dann auf eine Temperatur von 290°C erwärmt. Der Druck bleibt wiederum nahezu konstant (5,1 bar). Bei 290°C und 5,10 bar dampft Wasser aus der Schwefelsäure ab und der Medienstrom wird am Hauptseparator 201 in einen flüssigen Strom heißer 85%iger Schwefelsäure (ca. 3.500 kg/Std.) und einen Dampfstrom an heißer 4%iger Schwefelsäure (ca. 8.000 kg/Std.) getrennt. Der flüssige Strom der 85%igen Schwefelsäure wird im Kühlwärmetauscher 103 auf etwa 50°C gekühlt und verlässt das Fluidsystem 10 durch den Ausgang 12. Der heiße Dampf der 4%igen Schwefelsäure wird der warmen Seite des regenerativen Wärmetauschers 101 zu- geführt und dort durch Wärmeabgabe an die frisch zugeführte verdünnte Schwefelsäure auf rund 160°C abgekühlt. Durch diese Abkühlung bei immer noch nahezu konstantem Druck von rund 5 bar kommt es zu einer Teilkondensation des Dampfs, sodass im Zusatzabscheider 202 eine Trennung in einen Flüssigkeitsstrom von ca. 160°C warmer ca. 30%iger Schwefelsäure (ca. 1 .500 kg/Std.) und einen Dampfstrom von ca. 160°C heißem und nur mehr Spuren von Schwefelsäure enthaltendem Wasserdampf (ca. 6.500 kg/Std.) getrennt werden. Der Dampf verlässt das Fluidsystem 10 durch den Ausgang 13. Der Flüssigkeitsstrom wird der neu zugeführten Säure vor dem Hauptwärmetauscher 102 als Rücklauf beigemischt.

Im gegebenen Beispiel beläuft sich der Leistungsbedarf des heißen Öls 102a zum Erhitzen der korrosiven Flüssigkeit im Hauptwärmetauscher 102 auf rund 4650 kW. Eine Leistung von rund 450 kW werden ferner auf die Kühlung verwendet. Von den eingesetzten 5100 kW werden aber rund 3950 kW oder etwa 80% aufgrund der Verfahrensführung regeneriert.

Neben Schwefelsäure (H2SO4) eignen sich die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren auch noch zur Aufkonzentrierung anderer Säuren, z.B. Salpetersäure (HNO3), Salzsäure (HCl) oder Flusssäure (HF), oder auch zur Aufkonzentrierung von Basen, beispielsweise Natronlauge (NaOH) oder Kalilauge (KOH), oder zur Aufkonzentrierung anderer korrosiver, beispielsweise oxidativer Flüssigkeiten.

Die medienberührenden Teile zumindest des Hauptwärmetauschers 102 und des Hauptabscheiders 201 sind vorzugsweise aus Siliziumkarbid (SiC) gefertigt, da dieses Material stark korrosiven Medien wie konzentrierten Säuren auch bei hohen Temperaturen von beispielsweise größer 220°C standhalten kann. Für die medienberührenden Teile des Zusatzabscheiders 202 gelten geringere Anforderungen die chemische Beständigkeit bei hohen Temperaturen. Hier kann eine Beschichtung mit inerten Kunststoffen wie PFA oder PTFE bevorzugt sein. Aufgrund der hohen Temperaturen werden organische Verunreinigungen in den korrosiven Medien zersetzt, sodass sowohl das konzentrierte Produkt (Ausgang 12) als auch das vom korrosiven Medium befreite Lösungsmittel (Ausgang 13) frei von solchen Verunreinigungen ist. Durch die Verwendung von Abwärme aus dem Verfahren zum Vorwärmen der verdünnten korrosiven Mediums im regenerativen Wärmetauscher 101 ist das Verfahren sehr energieeffizient. Das Verfahren ist ein kontinuierliches Verfahren, in welchem dem Fluidsystem 10 am Eingang 11 kontinuierlich eine verdünnte korrosive Flüssigkeit zugeführt und an den Ausgängen 12 und 13 kontinuierlich konzentrierte korrosive Flüssigkeit und Lösungsmittel entnommen werden.