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Verdampfungsanlage mit Fallstromerhitzern Die erfindung betrifft
eine Verdamfungsanlage mit mehreren für die zu konzentrierende Flünsigkeit kaskadengeschalteten
Fallstromerhitzern.
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Wine solche Anlage wird benutzt, wenn eine Flüssigkeit auf eine hohe
Konzentration eingedampft werden soll, insbesondere beim Konzentrieren von Milch.
Hierbei besteht besonders große Gefahr einer Verschmutzung der Erhitzerrohre, die
-sich dadurch vermeiden lässt, daß die Flüssigkeit mit grosser Geschwindigkeit durch
die Erhitzer geführt wird.
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Die erforderliche grosse Fallgeschwindigkeit der Flüssigkeit in den
Brhitzerrohren wird üblicherweise dadurch erzielt, dass die Flüssigkeit jedem Erhitzer
mit
b einer Temperatur zugeführt wird, die höher als die dem Echiszerdruck entsprechende
Verdam: fungstemperatur der Flüssigkeit ist. Im kopf jedes Erhitzers tritt dann
eine Schnellyverdampfung auf, wobei der entwickelte Dampf die Flüssigkeit mit grosser
Geschwindigkeit durch die Rohre treibt. Im allgemeinen wird dazu die sogenannte
Gleichstromschaltung verwendet, bei welcher der Druck und die Verdampfungstemperatur
in den aufeinanderfolgenden Stufen der Kaskade fortwährend abnehmen.
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Bei einer dreistufigen Anlage zum Konzentrieren von Milch kann die
Verdampfungstemperatur z.B. im ersten Erhitzer 700C, im zweiten erhitzer 600 C und
im dritten rhitzer 45°C betrcagen; die erforderlichen Fallgeschwindigkeiten lassen
sich dann meistens leicht erzielen.
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95 ergeben sich in der Praxis jedoch rauch Falle, in denen die erforderliche
Fallgeschwindigkeit, insbesondere in den letzten Stufen der Anlage, nur schwierig
erreicht werden kann.
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Ein Beispiel eines solchen Falles ist die sogenannte Gegenstromschaltung.
Bei der oben erwähnten Gleichstromanlage zum Konzentrieren von Milch, wird das Konzentrat
mit einer Temperatur von etwa 45°C erhalten. Diese Temperatur ist in manchen Fällen
zu niedrig, beispielsweise wenn die zu behandelnde Flüssigkeit auf eine hohe Konzentration
eingedampft werden soll, in welchem Fall das Konzentrat bei 45°C eine zu hohe Viskosität
aufweist.
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Auch ist es schwierig, das Konzentrat bei einem Temperatur von etwa
40-45°C in einem Turm zu zerstäuben; bei einer Temperatur von etwa 55°C ist das
Zerstäuben viel leichter. Um diesenSchwierigkeiten zu entgehen, wird die Gegenstromschaltung
angewendet, bei welcher die Verdampfungstemperatur im dritten Erhitzer höher als
im zweiten Erhitzer ist, und bei welcher die von dem zweiten nach dem dritten erhitzer
geförderte Flüssigkeit aufgeheizt wird0 Beim ltollzentrieren von Hilch kann die
Verdampfungstemperatur beispielsweise in der zweiten Stufe 45°C und in der dritten
Stufe 55°C betragen, so dass das Konzentrat mit einer Temperatur von 55°C anfällt.
Es genügt dabei aber nicht, die Flüssigkeit während des Förderns vom zweiten nach
dem dritten erhitzer von 450C auf 55°C auizuheizen ; man muss vielmehr um die erforderliche
Schmellverdampfung im Kopf des dritten 3rhitzers zu erzielen zusätzlich aufheizen,
wodurch die Flüssigkeit eine erheblich höhere Temperatur, beispielsweise 70°C erhält.
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Ein anderer Fall, in dem die erforderliche Fallgeschwindigkeit num
sehwierig erreicht werden kann; ist die Anwendung eines @ J eherhitzers. Sentl die
z.B. in einer dreistufigen Anlage erreiehbare Konzentration ungenügend erachtet
wird, kann man das in der dritten Stufe anfallende Konzentrat in einem Nacherhitzer
weiter konzentrieren. Beim
Konzentrieren von Milch ist es aus den
oben erwähntenn Gründen unerwünscht, im Nacherhitzer eine niedrigere Verdampfungstemperatur
als in der dritten Stufe anzuwenden, so dass der Druck im Nacherhitzer vorzugsweise
dem Druck in der dritten Stufe entsprechen oder übersteigen muss. Es wird dann aber
schwierig, im Wacherhitzer eine hinreichende Ballgeschwindigkeit zu erzielen; dazu
ist es in manchen Fällen erforderlich, die Flüssigkeit während des Förderns vom
dritten Erhitzer nach dem liacherhitzer einer zusätzlichen Aufheizung zu unterziehen,
so dass die Flüssigkeit eine höhere Temperatur erhält als dem Druck im Nacherhitzer
entspricht und im Kopf des Nacherhitzers eine Schnellverdampfung auftritt.
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Die Erfindung hat nun den Zweek, für Fälle der oben erwähnten wart,
in denen die Fallgeschwindigkeit in eine oder mehreren Erhitzern zu niedrig ist,
ein zweckmässiges Verfahren zur Steigerung der Fallgeschwindigkeit zu schaffen,
so dass auf ein zusätzliches Aufheizen der Flüssigkeit verzichtet werden kann.
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Gemäss der Erfindung wird - die Fallgeschwindigkeit in wenigstens
einem der Erhitzer' dadurch gesteiegert, dass der Flüss-igköit Dampf zugesetzt wird,
der durch Entspannen der einem in der Kaskade- vorangehenden erhitzer zugeführten
Flüssigkeit auf den Druck im betreffenden Erhitzer erzeugt wird, wobei die Entspannung
in einem getrennten Entspannungsgefäss
stattfindet, in welchem
der entwickelte Dampf von der Flüssigkeit getrennt wird.
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Bei der oben erwähnten dreistufigen anlage mit Gegenstromschaltung
entspannt man gemäss der Erfindung die vom ersten nach dem Erhitzer geförderte Flüssigkeit
im Entspannungsgefäss auf den im dritten erhitzer herrschenden Druck, wobei der
entwickelte Dampf dem dritten Erhitzer zugeführt wird. Man erhält dadurch im dritten
Erhitzer eine so hohe Fallgeschwindigkeit, daß die Flüssigkeit diesem Erhitzer mit
einer der Verdampfungstemperatur entsprechenden Temperatur zugeführt werden kann;
auf das oben erwähnte zusätzliche Aufheizen von 550C auf 7000 kann somit verzichtet
werden.
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Bei der oben erwähnten dreistufigen Anlage mit Nacherhitzer entspannt
man die einem der Erhitzer aus einem vorangehenden Erhitzer zugeführte Flüssigkeit
im Entspannungsgefäß auf den im Nacherhitzer herrschenden Druck, wobei der entwickelte
Dampf dem Nacherhitzer zugeführt wird, während der dem Nacherhitzer entnommene Dampf
dem erstgenannten Erhitzer zugeführt wird. han erhält dadurch im encherhitzer die
erforderliche Fallgeschwindigkeit, ohne daß ein zusätzliches Aufheizen der Flüssigkeit
während des Fördernwvom dritten Brhitzer zum Nacherhitzer erforderlich ist. Im erstgemnanmten
Erhitzer wird die Flüssigkeit durch
die sehr grosse, dem Nacherhitzer
entnommene Dampf menge durch die Röhre getrieben; die genannte Dampfmenge umfasst
den vom Entspannungsgefäss gelieferten Dampf, sowie den im ifacherhitzer entwickelten
Dampf. Die dadurch erzielte Fallgeschwindigkeit ist zuweilen so gross, so dass man
zu ihrer Regelung einen Teil des Dampfes ablassen muss. Zu diesem Zweck kann an
die vom Nacherhitzer nach dem ersterwähnten L'rhitzer führende Dampfleitung eine
direkt zum Kondensator führende Umlaufleitung angeschlossen werden.
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Bei Anlagen der vorliegenden Art wird das Heizmittel in wenigstens
einem der Erhitzer manchmal ausschließlich durch den Dampf gebildet, der einem anderen
Erhitzer mit höherem Dampfdruck entnommen wird In diesem all kann man die Wirkung
des Entspannungsgefässes dadurch unterstützen, dass das Konzentrat des genannten
Heizmittels erneut verdampft und der entwickelte Dampf dem Entspannungsgefäss zugeführt
wird; dabei werden dem Konzentrat keine, insbesondere bei Milch unerwünschte Fremdstoffe
zugesetzt.
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Weil der Druck im Entspannungsgefäss meistens von dem Verdampfungsdruck
im Erhitzer Verschieden ist, dem die aus dem Entspannungsgefäß herrührende Flüssigkeit
zugeführt werden soll, wird in die leitung, über welche die Slüssigkeit aus dem
Entspannungsgefäss abgeführt wird, vorzugsweise
ein Flüssigkeitsverschluss
aufgenommen.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt sind, naher erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt schematisch eine dreistufige Anlage mit Gegenstromschaltung
gemäss der Erfindung.
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Die Xig. 2 zeigt schematisch eine dreistufige Anlage mit Gleichstromschaltung
und nachfolgendem Nacherhitzer gemäss der Erfindung.
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Bei der Anlage nach Fig. 1 wird die zu konzentrierende Milch, die
eine Temperatur von etwa 85°C hat, durch eine Pumpe 1 über eine Leitung 2 dem Kopf
des ersten Fallstromerhitzer 3 zugeführt, in dem eine Verdampfungstemperatur von
70°C herrscht. Im Kopf des Erhitzers 3 findet eine Schnellverdampfung statt, wozu
die erforderliche Wärme der Flässigkeit entzogen wird1 so dass die Flüssigkeitstemperatur
auf 700C herabsinkt. Der entwickelte Dampf treibt die Flüssigkeit mit einer grossen
Geschwindigkeit, z.B. von 1,5-3 m/Sek. durch die Rohre des ersten Erhitzers, in
denen eine weitere Verdampfung der Flüssigkeit stattfindet. Das am unteren Ende
des Erhitzers 3 auftretende Gemisch von Dampf und Flüssigkeit wird einem Zentrifugalabscheider
4 zugeführt.
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Der aus dem Kbscheider 4 erhaltene Dampf mit einer Temperatur von
70°C wird über eine Leitung 5 als Heizmittel dem dritten Fallstromerhitzer 6 zugeführt,
in dem die Verdampfungstemperatur
5500 beträgt. Ausserdem wird
ein Teil dieses Dampfes von einem Brüdenkompressor 7 angesaugt; in diesem~ Kompressor
wird, wie mit einem Pfeil 8 angedeutet wird, Prischdampf injiziert, so dass der
Milchdampf zu einer Temperatur von beispielsweise 77-90°C verdichtet wird.
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Der verdichtete Dampf wird als Heizmittel dem Erhitzer 3 zugeführt,
Die aus dem Abscheider 4 erhaltene Flüssigkeit wird, zusammen mit der im unteren
Ende des Erhitzers 3 angesammelten Flüssigkeit, durch eine Pumpe 9 über eine Leitung
10 einem Entspannungsgefäss 11 zugeführt, das gleichzeitig als Zentrifugalabscheider
wirkt. Im Entspannungsgefäss 11 findet eine Schnellverdampfung statt durch welche
die Temperatur der Flüssigkeit auf 55°C herabsinkt, Der gebildete Dampf wird über
eine Leitung 12 dem Kopf des dritten Erhitzers 6 zugeführt.
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Die im Entspannungsgefäss 11 abgetrennte Flässigkeit wird über einen
Flüssigkeitsverschluss 13 dem Kopf des zeiten Fallstromerhitzers 14 zugeführt. In
diesem Erhitzer beträgt die Verdampfungstemperatur 45°O, so dass im Kopf eine Schnellverdampfung
stattfindet, welche die Flüssigkeitstemperatur auf 450; erniedrigt wobei der entwickelte
Dampf -die- erforderliche Fallgeschwindigkeit der Flüssigkeit in den Rohren des
Erhitzere -14 herbeiführt. Das am unteren Ende des Erhitzers 14 anfallende Gemisch
von Dampf und Flüssigkeit wird einem Zentrifugalabscheider 15 zugeführt. Der
in
diesem Abscheider abgetrennte Dampf fließt über eine Leitung 16 zum Kondensator
17, während die abgetrennte Flüssigkeit, zusammen mit der am unteren Ende des Erhitzers
14 abgelassenen Flüssigkeit, durch eine Pumpe 18 über eine Leitung 19 dem Kopf des
dritten Erhitzer 6 zugeführt wird. Die Leitung 19 enthält eine Heizspirale 20, die
dem über die Leitung 5 fliessenden Dampf mit einer Temperatur von 70°C ausgesetzt
ist. Die Flüssigkeitstemperatur wird dadurch auf 55°C erhöht. Die Leitung 19 mündet
in die Leitung 12, über welche der im Entspannungsgefäss 11 gebildete Dampf dem
Erhitzer 6 zugeführt wird0 Es findet dadurch eine Vermischung von Dampf und Flüssigkeit
statt, welche die gleiche Wirkung hat wie eine in der Plüssigkeit auftretende Schnellverdampfung.
Die Flüssigkeit wird demnach mit grosser Geschwindigkeit durch die Rohre des Erhitzers
6 getrieben. Im Gegensatz zu den bekannten Anlagen mit Gegenstromschaltung, braucht
man die Flüssigkeit nur bis auf die im dritten Erhitzer herrschende Verdampfungstemperatur
aufzuheizen und nicht auf eine erheblich höhere Temperatur.
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Das am unteren Ende des Erhitzers 6 anfallende Gemisch von Dampf und
Flüssigkeit wird einem Zentrifugalabscheider 21 zugeführt. Der abgetrennte Dampf
wird als Heizmittel dem Erhitzer 14 zugeführt, während die abgetrennte'Flüssigkeit
zusammen
mit der am unteren Ende des Erhitzers 6 abgelassenen Flüssigkeit, durch eine Pumpe
22 über ein Ventil 23 als Endprodukt abgeführt wird. Mittels eines Ventiles 24 kann
man erwünechtenfalis einen Teil der dem Erhitzer 6 entnommenen Flüssigkeit erneut
diesem Erhitzer zuführen.
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In den Erhitzern 6 und 14 besteht das Heizmittel ausschliesslich aus
Dampf der Xlussigkeit selhst, so dass man das Kondensat dieses Heizmittels wieder
der zu konzentrierenden Flüssigkeit zusetzen kann, ohne dass dabei in das Konzentrat
Eremdstoffe eingeführt werden. In der Fig. 1 ist, ausschließlich in Bezug auf den
Erhitzer 14, gestrichelt eine Variante dargestellt, bei der diese Möglichkeit ausgenutzt
wird. Gemäss dieser Variante wird das aus dem erhitzer herrührende Kondensat des
Heizmittels durch eine Pumpe 25 wenigstens teilweise einem als Wärmeaustauscher
ausgebildeten Dampfentwickler 26 zugeführt; der entwickelte Dampf wird über eine
Leitung 27 dem Entspannungsgefäss 11 zugeführt um dessen Wirkung zu unterstützen.
Erwünsehtenfalls kann auch das Kondensat aus dem Erhitzer 6 zu diesem Zweck verwendet
werden; das Kondensat aus dem Erhitzer 3, das mit Frischdampf verunreinigt ist,
muss aber getrennt abgelassen werden.
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Bei der Anlage nach Fig. 2 wird die zu konzentrierende Milch mit einer
temperatur von etwa 85°C durch eine Pumpe 1 über
eine Leitung 2
dem Kopf des ersten Erhitzers 3 zugeführt, in dem die Verdampfungstemperatur 70°C
beträgt; es tritt dabei eine Schnellverdampfung ein die im Erhitzer 3 die erforderliche
Fallgeschwindigkeit herbeiführt. Der Dampf, der in dem an das untere Ende des Erhitzers
3 angeschlossenen Abscheider 4 abgetrennt wird, fliesst über die Leitung 5 als Heizmittel
zum zweiten Erhitzer 28, in dem eine Verdampfungstemperatur von 60°C herrscht, ausserdem
wird ein Teil dieses Dampfes über einen Brüdenkompressor 7 als Heizmittel dem ersten
Erhitzer 3 zugeführt. Die dem ersten Erhitzer 9 entnommene Flüssigkeit wird durch
die Pumpe 9 über die Leitung 10 dem Kopf des zweiten Erhitzer 28 zugeführt. wobei
die zur Erzielung der erforderlichen Fallgeschwindigkeit erwünschte Schnellverdampfung
eintritt. An das untere Ende des Erhitzers 28 ist ein Zentrifugalabscheider 29 angeschlossen.
Der abgetrennte Dampf wird über eine Leitig- 30 als Reizmittel dem dritten Erhitzer
31 zugeführt. in dem die V'erdampfungstemperatur 45°C beträgt. Ausserdem wird ein
Teil dieses Dampf es einem Brüdenkompressor 32 zugeführt, indem ein Gemisch von
Milc-hdampf und Frischdampf mit einer Temperatur von etwa 7O-8000-entetebt, das
als Heizmittel dem gleichfalls nach dem Fallstromprinzip arbeitenden Nacherhitzer
33 mit einer Verdampfungstemperatur von-45°C zugeführt wird.
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Die im Abscheider 29 abgetrennte Flüssigkeit wird, zusamen
mit
der am unteren End-e des Erhitzers 28 abgelassenen Flüssigkeit, durch eine Pumpe
34 über eine Leitung 35 einem gleichzeitig als Zentrifugalabscheider wirkenden Entspannungsgefäss
56 zugeführt, in dem eine Entspannung auf d-en in den Erhitzern 31 und 32 herrschenden
Druck stattfindet. Der dabei gebildete Dampf wird über eine Leitung 3-7 dem Kopf
des Nacherhitzers 33 zugeführt. Die im Entspannungsgefäss 36 abgetrennte Flüssigkeit
wird-über eine Leitung 38 abgeführt, die einen Flüssigkeitsverschluss enthält und
in eine Leitung 39 ausmündet; über die Leitung 39 wird der aus dem Nacherhitzer
33 herrührende Dampf dem Kopf des drit-ten Erhitzers -31 zugeführt. Es findet dabei
eine Vermischung von Dampf und Flüssigkeit statt, welche die gleiche Wirkung wie
eine Schnellverdampfung in der Flüsigkeit hat, so dass die Flüssigkeit mit grosser
Geschwindigkeit durch die Rohre des dritten Erhitzers 31 getrieben wird. Weil der
über die Leitung 39 zugeführte Dampf sowohl den im Entspannungsgefäss 36 gebildeten
Dampf als auch den im Nacherhitzer 33 entwockelten Dampf enthält, wird im dritten
Erhitzer 31 eine besonders hohe Fallgeschwindigkeit erzielt. Diese Fallgeschwindigkeit
kann sogar geregelt werden, wozu ein Teil des Dampfes über eine Umlaufleitung 40
nach dem Kondensator zugeführt wird.
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An das untere Ende des dritten Erhitzers 31 ist ein Zentrifugalabscheider
41 angeschlossen. Der darin- abgetrennte Dampf
fliesst über die
leitung 42 nach dem Kondensator 17. Die im Abscheider 41 abgetrennte Flüssigkeit
wird, zusammen, mit der am unteren Ende des Erhitzers 31 abgelassenen Flüssigkeit,
durch eine Pumpe 43 einer Leitung 44 zugeführt, die in die Leitung 37 mündet, über
welche der im Entspannungsgefäss 36 gebildete Dampf dem Nacherhitzer 33 zugeführt
wird.
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Es findet dadurch eine Vermischung von Dampf und Flüssigkeit statt,
welche die erforderliche fallgeschwindigkeit im Nacherhitzer 33 herbeiführt. An
das untere Ende des Nacherhitzers 33 ist ein Zentrifugalabscheider 44 angeschlossen.
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Der darin abgetrennte Dampf wird über die bereits erwähnte leitung
39 dem Kopf des dritten Erhitzers 31 zugeführt. Die im Abscheider 44 abgetrennte
Flüssigkeit wird, zusammen mit der am unteren Ende des IDacherhitzers 33 abgelassenen
Flüssigkeit durch die Pumpe 46 als Endprodukt abgeführt.
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Der Trockenstoffehalt des Konzentrates kann im Nacherhitzer 33 von
etwa 45% auf etwa 8O gesteiegert werden. Im Gegensatz zu den bekannten anlagen mit
Nacherhitzung, braucht man die Flüssigkeit während des Fördern vom dritten Erhitzer
zum Nacherhitzer nicht aufzuheizen.
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Bei der Anlage nach Fig. 2 wird das Konzentrat mit einer Temperatur
von 45°C erhalten. Wenn eine höhere Temperatur des Endproduktes erwünscht ist, kann
das Entspannungsgefäss 36 in der Flüssigkeitsleitung 16 zwischen dem ersten und
dem zweiten Erhitzer angeordnet werden. Im Nacherhitzer
kann dann
z. B. eine Temperatur von 60°C auftreten.
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In diesem Fall muss die vom dritten Erhitzer nach dem Nacherhitzer
geförderte Flüssigkeit aufgeheizt werden0 Bin zusätzliches Aufheizen auf eine Temperatur
oberhalb 600C zur erzielung einer Schnellverdampfung ist jedoch nicht erforderlich.
Der aus dem Nacherhitzer.herrührende Dampf wird in diesem Fall dem Kopf des zweiten
Erhitzers zugeführt.
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Patentansprüche