DE102011053173A1

DE102011053173A1 - Verfahren und Anlage zur Wärmeübertragung

Info

Publication number: DE102011053173A1
Application number: DE201110053173
Authority: DE
Inventors: Johannes Menzel
Original assignee: ThyssenKrupp Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-02-28
Also published as: TW201319501A; WO2013030229A2; WO2013030229A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Übertragung von Wärme aus einem dampfförmigen Medium (7). Das dampfförmige Medium (7) wird in einem Kondensationswärmetauscher (1) zumindest teilweise kondensiert. Das anfallende Kondensat wird aus dem Kondensationswärmetauscher (1) abgezogen und entspannt. Die bei der Entspannung entstehende Dampfphase (10) wird verdichtet und dem Kondensationswärmetauscher (1) erneut zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Übertragung von Wärme aus einem dampfförmigen Medium, das in einem Kondensationswärmetauscher zumindest teilweise kondensiert, wobei anfallendes Kondensat aus dem Kondensationswärmetauscher abgezogen und entspannt wird.
Bei der Kondensation tritt das dampfförmige Medium vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand über. Dabei wird Kondensationswärme frei, die mittels eines Wärmetauschers genutzt und auf ein anderes Fluid übertragen wird. Bei dem dampfförmigen Medium kann es sich um einen Reinstoff, beispielsweise reinen Wasserdampf, oder um ein Stoffgemisch, beispielsweise aus mehreren organischen Lösungsmitteln, handeln. Das dampfförmige Medium kann auch in Luft vorliegen, wobei im Wärmetauscher das dampfförmige Medium aus der Luft kondensiert.
Die eingesetzten Wärmetauscher bezeichnet man auch als Kondensationswärmetauscher oder Kondensatoren. Sie werden unter anderem als Heizer für Desorptionskolonnen verwendet. Vorzugsweise werden Oberflächenkondensatoren eingesetzt. Bei diesen erfolgt die Kondensation des dampfförmigen Mediums auf der Oberfläche einer Wand des Wärmetauschers. Das dampfförmige Medium und das daraus entstehende Kondensat einerseits sowie das zu erwärmende Fluid andererseits strömen in von einander getrennten Räumen. Der Wärmeaustausch erfolgt indirekt durch die Trennwand. Oberflächenkondensatoren können beispielsweise als Rohrbündelkondensatoren oder Plattenkondensatoren ausgeführt sein.
Das dampfförmige Medium kann in dem Kondensationswärmetauscher vollständig oder nur teilweise kondensieren. Das anfallende Kondensat wird aus dem Wärmetauscher abgezogen.
Es gibt Verfahren bei denen das Kondensat auf dem Druckniveau des Frischdampfes bleibt. Bei diesen Verfahren wird das Kondensat in einem Verdampfer unter Zuführung von thermischer Energie wieder in den gasförmigen Aggregatzustand gebracht und erneut dem Kondensationswärmetauscher zugeführt.
Dagegen wird bei gattungsgemäßen Verfahren, entsprechend dem Oberbegriff der Erfindung, das Kondensat entspannt und somit ein Dampf mit einem geringerem Druck und Temperaturniveau erzeugt. Dieser Dampf kann daher nicht mehr in dem Kondensationswärmetauscher genutzt werden.
Bei Verfahren nach dem Stand der Technik wird der entspannte Dampf aus dem Kreislauf abgeführt und in eine Dampfschiene mit niedrigerem Druck- und Temperaturniveau eingespeist. Er kann dann zwar für andere Anwendungen, jedoch nicht mehr für die Wärmeübertragung im Kondensationswärmetauscher genutzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, bei dem ein möglichst hoher Anteil der Energie des dampfförmigen Mediums im Kondensationswärmetauscher übertragen wird.
Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Anlage nach Anspruch 5 zur Durchführung des Verfahrens. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens und Ausgestaltungen der Anlage werden in den Unteransprüchen beschrieben und nachfolgend erläutert.
Erfindungsgemäß wird die bei der Entspannung entstehende Dampfphase verdichtet und erneut dem Kondensationswärmetauscher zugeführt. Vorzugsweise wird das Kondensat in einem Behälter entspannt. Die bei der Entspannung frei werdenden Dämpfe werden auf den Druck komprimiert, den das frische dampfförmige Medium hat, bevor es dem Kondensationswärmetauscher zuführt wird. Die komprimierten Dämpfe werden entweder dem Kondensationswärmetauscher direkt zugeführt oder mit dem frischen dampfförmigen Medium vor dessen Eintritt in den Kondensationswärmetauscher vermischt.
Durch den im Kreislauf geführten Dampfanteil wird die übertragene Wärmeleistung gesteigert bzw. der Anteil an benötigtem frischem dampfförmigem Medium verringert. Gegenüber herkömmlichen Verfahren wird ein größerer Anteil der im Kondensat befindlichen Wärme im Kondensationswärmetauscher genutzt.
Eine energetische Bilanz lässt sich den folgenden beiden Beispielen entnehmen:
Beispiel 1:
Einem Kondensationswärmetauscher werden als dampfförmiges Medium 100 t/h Sattdampf bei 5 bar zugeführt. Damit könnte über den Kondensationswärmetauscher eine Energie von 58,6 MW an ein Fluid übertragen werden.
Das Dampfkondensat wird in einem nachgeschalteten Behälter auf einen Druck von 2,5 bar abgesenkt. Der bei der Entspannung entstehende Dampf wird erneut auf 5 bar komprimiert und dem frischen Sattdampf beigefügt. Dadurch kann eine zusätzliche Wärmeleistung von 3,2 MW im Kondensationswärmetauscher übertragen werden. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens steigert somit die im Kondensationswärmetauscher übertragene Wärmeleistung auf 61,8 MW.
Die für die Kompression benötigte elektrische Leistung beträgt dagegen nur 320 kW. Somit ergibt sich eine Leistungszahl, als Verhältnis von zusätzlich übertragener Wärmeleistung zur benötigten Kompressionsleistung, von 10.
Soll im Kondensationswärmetauscher stets eine Wärmeleistung von 58,6 MW übertragen werden, so kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die dazu benötigte Dampfmenge um 5,5% reduziert werden.
Beispiel 2:
Einem Kondensationswärmetauscher werden als dampfförmiges Medium 100 t/h Sattdampf bei 2,5 bar zugeführt. Damit kann über den Kondensationswärmetauscher eine Energie von 60,6 MW an das Fluid übertragen werden.
Das Dampfkondensat wird im Behälter auf einen Druck von 1,1 bar entspannt. Der bei der Entspannung entstehende Dampf wird erneut auf 2,5 bar verdichtet und dem frischen Sattdampf beigefügt. Dadurch kann eine zusätzliche Wärmeleistung von 3,1 MW im Kondensationswärmetauscher übertragen werden. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man somit die im Kondensationswärmetauscher übertragene Wärmeleistung auf 63,7 MW steigern.
Die für die Kompression benötigte elektrische Leistung beträgt dagegen nur 320 kW. Somit ergibt sich eine Leistungszahl von 9,7.
Soll im Kondensationswärmetauscher stets eine Wärmeleistung von 60,6 MW übertragen werden, so kann im Beispiel 2 die dazu benötigte Dampfmenge um 5,1% reduziert werden.
Das aus dem Kondensationswärmetauscher abgezogene Kondensat wird vorzugsweise in einem Behälter entspannt. Solche Apparate bezeichnet man auch als Kondensat-Entspanner. Das Hochdruckkondensat tritt über einen Zufluss in den Entspanner. Aufgrund der Druckabsenkung bildet sich eine Dampfphase, die als Nachdampf bezeichnet wird. Der Nachdampf wird an einem Abzug am Kopf des Behälters entnommen. Das auch nach der Entspannung noch vorhandene Kondensat wird am Boden des Behälters mittels eines Kondensatableiters, beispielsweise eines Kugelschwimmer-Kondensatableiters, abgeführt.
Erfindungsgemäß wird die am Kopf des Behälters abgezogene Dampfphase einer Verdichtungsanordnung zugeführt. Die Verdichtungsanordnung kann aus einem oder mehreren Verdichtern bzw. Gebläsen oder aus einem oder mehreren Ejektoren bestehen. Bei einer besonders günstigen Ausführung der Erfindung wird eine Verdichtungsanordnung eingesetzt, in welcher Verdichter bzw. Gebläse und Ejektoren miteinander kombiniert werden.
Die Verdichter können nach dem Rotationsprinzip oder nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten. Dazu können beispielsweise Turboverdichter oder Hubkolbenverdichter eingesetzt werden. Auch Gebläse, die geringere Förderdrücke erzeugen, sind einsetzbar.
Alternativ oder ergänzend dazu kann die Verdichtung des Nachdampfes mittels Ejektoren erfolgen. Ejektoren sind Apparate, die nach dem Venturi-Prinzip arbeiten. Dazu wird ein Treibmittel durch den Ejektor geleitet. Als Treibmittel dient vorzugsweise das im Kondensationswärmetauscher eingesetzte dampfförmige Medium. Das Treibmittel hat ein höheres Druckniveau als der zu fördernde Nachdampf. Das Treibmittel durchströmt eine Düse. Unmittelbar nach der Düse entsteht ein Unterdruck durch die der Nachdampf angesaugt wird. Nachdampf und Treibmittel verlassen gemeinsam den Ejektor.
Vorzugsweise wird das Druckniveau des Treibdampfes so gewählt, dass nach der Verdichteranordnung das Druckniveau des Kondensationswärmetauschers erreicht wird.
Durch die Verdichtungsanordnung wird im Kondensat-Entspanner ein Unterdruck erzeugt, der einen zusätzlichen Übergang von Kondensat in die Dampfphase bewirkt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen, sowie aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigt
1 ein Verfahrensschema mit einem Verdichter,
2 ein Verfahrensschema mit einem Ejektor,
3 ein Verfahrensschema mit Ejektor und Verdichter.
1 zeigt einen Kondensationswärmetauscher 1, der den Sumpf einer Desorptionskolonne 2 aufheizt. In der Desorptionskolonne 2 wird eine mit Kohlendioxid beladene Waschflüssigkeit 3 regeneriert. Die beladene Waschflüssigkeit 3 wird der Desorptionskolonne 2 zugeführt. Das ausgetriebene Kohlendioxid 4 wird am Kopf der Desorptionskolonne 2, die regenerierte Waschflüssigkeit 5 am Sumpf der Desorptionskolonne 2 abgeführt. Ein Teilstrom des Fluids 6 im Sumpf der Desorptionskolonne 2 wird über den Kondensationswärmetauscher 1 geführt.
Das Fluid 6 wird im Kondensationswärmetauscher 1 aufgeheizt. Dazu wird dem Kondensationswärmetauscher 1 ein dampfförmiges Medium 7 zugeführt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um Sattdampf mit einem Druck von 5 bar. Das dampfförmige Medium 7 kondensiert im Kondensationswärmetauscher 1 und übertragt seine Wärme an das Fluid 6.
Das Kondensat wird abgezogen und in einem Behälter 8 auf einen Druck von 2,5 bar entspannt. Am Boden des Behälters 8 wird entspanntes Kondensat 9 abgezogen. Bei der Entspannung entsteht eine Dampfphase 10, die am Kopf des Behälters 8 abgezogen und einer Verdichtungsanordnung 11 zugeführt wird. Die Verdichtungsanordnung umfasst bei dem in 1 dargestellten Verfahren einen Verdichter 12, der die Dampfphase 10 wieder auf einen Druck von 5 bar verdichtet. Der verdichtete Teilstrom 13 wird einem Feedstrom 14 an Sattdampf beigefügt, der ebenfalls ein Druckniveau von 5 bar hat.
Bei dem in 2 dargestellten Verfahren besteht die Verdichtungsanordnung 11 aus einem Ejektor 15. Dem Ejektor 15 wird ein Treibmittel 16 zugeführt. Bei dem Treibmittel 16 handelt es sich um Dampf. Das Druckniveau des Treibmittels 16 wird so gewählt, dass sich nach dem Ejektor 15 der Druck einstellt, den das dampfförmige Medium 7 am Eintritt in den Kondensationswärmetauscher 1 hat. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird zusätzlich zu dem durch das Treibmittel 16 zugeführten Dampf ein Feedstrom 14 an Sattdampf zugeführt.
3 zeigt eine Variante des Verfahrens, bei dem die Verdichtungsanordnung 11 einen Ejektor 15 und einen Verdichter 12 umfasst. Dem Verdichter 12 ist der Ejektor 15 vorgeschaltet. Dadurch wird eine zusätzliche Druckabsenkung in dem Behälter 8 erzielt, wodurch mehr Kondensat in die Dampfphase 10 übertritt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 reicht der als Treibmittel 16 dem Ejektor 15 zugeführte Dampf aus, um den im Kondensationswärmetauscher 1 benötigen Bedarf an dampfförmigem Medium 7 zu decken. Somit muss kein zusätzlicher Feedstrom 14 an Dampf zugeführt werden.

Claims

Verfahren zur Übertragung von Wärme aus einem dampfförmigen Medium (7), das in einem Kondensationswärmetauscher (1) zumindest teilweise kondensiert, wobei anfallendes Kondensat aus dem Kondensationswärmetauscher (1) abgezogen und entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Entspannung entstehende Dampfphase (10) verdichtet und dem Kondensationswärmetauscher (1) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfphase (10) mittels mindestens eines Verdichters (12) verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfphase mittels mindestens eines Ejektors (15) verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ejektor (15) als Treibmittel (16) dampfförmiges Medium bei einen Druckniveau zugeführt wird, das über dem Druckniveau im Kondensationswärmetaucher (1) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als dampfförmiges Medium (7) Wasserdampf zugeführt wird.
Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Kondensationswärmetauscher (1), in dem zumindest ein Teil eines zugeführten dampfförmigen Mediums kondensiert, einem Behälter (8) zum Entspannen des anfallenden Kondensats, einer Verdichtungsanordnung (11) zur Verdichtung einer aus dem Behälter (8) abgezogenen Dampfphase und einer Einrichtung zur Rückführung der verdichteten Dampfphase in den Kondensationswärmetauscher (1).
Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsanordnung (11) mindestens einen Verdichter (12) umfasst.
Anlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsanordnung (11) mindestens einen Ejektor (15) umfasst.