DE1551588A1

DE1551588A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen tiefsiedender Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE1551588A1
Application number: DE1967L0057024
Authority: DE
Inventors: Lothar Dipl.-Ing. 8000 München; Stockner Josef 8021 Baierbrunn Setzpfandt
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1967-07-19
Filing date: 1967-07-19
Publication date: 1970-03-19
Also published as: DE1551588B2; US3618332A; DE1551588C3; ES356797A2; FR1571842A; GB1198228A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen tiefsiedender Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfen tiefsiedender Flüssigkeiten.

Tiefsiedende Flüssigkeiten können gefahrlos verdampft werden, wenn sie keine Kohlenwasserstoffe enthalten. Bei der Zerlegung von Gasgemischen jedoch, welche in geringem Maße Beimengungen enthalten, die sich bei der Rektifikation anreichern und.explosionsgefährlich sind, wie z. B. Azetylen, welches sich bei der Zerlegung atmosphärischer Luft im flüssigen Sauerstoff anreichert, besteht ständig die Gefahr von betriebsstörenden Explosionen an den Stellen, an denen sich

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Pestausseheidungen der explosiblen Gase ansammeln können.

Beim Abstellen von Tieftemperatur-Gaszerlegungsanlagen, z. B. Luftzerlegungsanlagen, oder einzelnen Apparateteilen derselben, bleiben in den Apparaten tiefsiedende Flüssigkeiten oder Fest-Flüssig-Suspensionen zurück, die schnell entfernt, gefahrlos verdampft und deren Dampfe abgeleitet werden müssen. Es ist bekannt, die Flüssigkeit oder Suspension aus den Apparaten in eine Betongrube zu leiten, die sich normalerweise im Erdboden in der Nähe der Apparate befindet. Durch Wärmezufuhr aus dem Erdboden und durch den Wärmeeinfall aus der Atmosphäre verdampft die Flüssigkeit langsam in der Grube, welche zur Beschleunigung der Verdampfung mit einer Wärmespeichermasse gefüllt sein kann. Die tiefsiedende Flüssigkeit verdampft in der Grube relativ langsam, wobei sie sich mit schwerer siedenden Beimengungen, insbesondere Kohlenwasserstoffen anreichert. Wird die Löslichkeit der Kohlenwasserstoffe in der Flüssigkeit überschritten, so kann z. B. in flüssigem Sauerstoff Azetylen in fester Form ausfallen und zu einer Explosion führen. Außerdem ist die Umgebung der Grube durch die bei der Verdampfung entstehenden kalten, am Boden entlangkriechenden Dampfschwaden gefährdet. Sie stellen durch ihren zum Teil hohen Sauerstoffgehalt und ihr lang andauerndes Auftreten wegen der langsamen Verdampfung in der Betongrube eine große Gefahr dar.

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Um die Gefahr des Ausfallens von Azetylen in fester Form zu vermindern, ist es aus der deutschen Patentschrift 1 OJ5 689 bekannt,.kohlenwasserstoffhaltigen flüssigen Sauerstoff, der z. B. im Außenraum des Hauptkondensators einer Doppelrektifikationssäule anfällt, in einem Zusatzverdampfer nur so weit einzudampfen, daß die Konzentration der Kohlenwasserstoffe in der Restflüssigkeit unter deren Explosions- oder Löslichkeitsgrenze bleibt. Die kohlenwasserstoffreiche Restflüssigkeit wird nach dem Zusatzverdampfer in einem Abscheider vom Gas abgetrennt und entweder abgelassen oder in Ad sorbern gereinigt. Dieses Verfahren ist in apparativer Hinsicht jedoch sehr aufwendig. Außerdem darf im Zusatzverdampfer keine vollständige Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs erfolgen, da bei einer totalen Verdampfung die Löslichkeitsgrenze des Azetylens mit Sicherheit überschritten und Azetylen in fester Form ausfallen würde. Sowohl die Verwendung eines Zusatzverdampfers als auch eine anschliessende Reinigung der azetylenreichen Restflüssigkeit in regenerierbaren Adsorbern ist umständlich und gefährlich, weil bei • beiden Methoden eine relative Anreicherung von Azetylen erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Verfahren zu schaffen, das eine schnelle, gefahrlose und vollständige Verdampfung tiefsiedender Flüssigkeiten, insbesondere

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solcher mit beigemengten Kohlenwasserstoffen, ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch einen Treibgasstrahl atmosphärische Luft angesaugt und gleichzeitig die zu verdampfende Flüssigkeit zerstäubt wird, wonach die zerstäubte Flüssigkeit in einem vorbestimmten Volumenstrom des sich bildenden Aerosols kontinuierlich verdampft wird.

Nach dem Verfahren der Erfindung wird die kinetische Energie eines eine Düse verlassenden Treibgasstrahles ausgenutzt, um eine begrenzte Menge atmosphärischer Luft anzusaugen und gleichzeitig die zu verdampfende Flüssigkeit zu zerstäuben. Danach wird die zerstäubte Flüssigkeit in einem vorbestimmten Volumenstrom des sich bildenden Aerosols unter Abkühlung des Treibgases und der angesaugten Luft kontinuierlich verdampft. Zur Erzeugung· des Volumenstromes wird das Aerosol durch einen in seiner seitlichen Ausdehnung begrenzten Raum geführt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß durch die Zerstäubung die tiefsiedende Flüssigkeit schnell und vollständig verdampft und daß sich daher eventuell vorhandene, beigemengte Kohlenwasserstoffe in der zu verdampfenden Flüssigkeit nicht anreichern können. Die Enthalpien der mitgerissenen Luft und des Treibgases liefern die zur Verdampfung der Flüssigkeit notwendige Wärme. Erfindungsgemäß erhält das Aerosol in dem Verdampfungsraum eine hohe Strömungsgeschwin-

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digkeit und Turbulenz, und der dadurch erreichte gute Wärmeübergang vom Treibgas und der mitgerissenen Luft an die zerstäubte Flüssigkeit läßt diese schnell und rückstandslos verdampfen.

Bei der Verdampfung einer sauerstoffreichen Flüssigkeit wird durch das Treibgas und die angesaugte Luft eine Verminderung der Sauerstoffkonzentration des Aerosols erreicht, die sich fortsetzt, wenn die verdampfte Flüssigkeit aen Verdampfungsraum verläßt und sich wegen der noch hohen kinetischen Energie des Strahles der Dämpfe mit der Umgebungsluft intensiv vermischt. Eine Gefährdung der Umgebung des Ortes der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsverdampfung ist somit ausgeschlossen.

Die zu verdampfende Flüssigkeit wird unter Druck in den Verdampfungsraum zur Zerstäubung eingeführt. Die vom Treibgasstrahl zerstäubte Flüssigkeitsmenge wächst mit dem Flüssigkeitsdruck.

Als Treibgas kann Niederdruckluft verwendet werden. Luft steht kostenlos zur Verfügung und braucht nur mittels eines Gebläses, das z. B. in Luftzerlegungsanlagen ohnehin vorhanden ist, auf einen höheren Druck gebracht zu werden. Unter Umständen kann es jedoch von Vorteil sein, als Treibgas überhitzten Wasserdampf zu verwenden.

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Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aus einem Mischrohr, das an einem Ende zentrisch mit einer Treibgasdüse wesentlich geringeren Querschnitts versehen ist. Etwa rechtwinkelig zum Mischrohr ist mindestens eine Flüssigkeitsleitung angeordnet, die sich mit ihrem offenen Ende bis zur Treibgasdüse erstreckt. Der seitlich begrenzte Verdampfungsraum besteht also aus einem Rohr, das an beiden Enden offen ist. Im Rohr stellt sich eine turbulente Strömung und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Aerosols ein, weil durch den Treibgasstrahl eine große Menge atmosphärischer Luft mitgerissen und der Strom beider Gase zusammen durch das Mischrohr getrieben wird. Die turbulente Strömung im Mischrohr ist in der Lage, die Wärme des Treibgases und der mitgerissenen Luft schnell an die zerstäubte, kalte Flüssigkeit zu übertragen. Die lichte Weite und die Länge des Mischrohres müssen der Verdampfungsgeschwindigkeit der zerstäubten Flüssigkeit angepaßt sein. Zwischen der Treibgasdüse, die in einem Ende des Mischrohres zentrisch angeordnet ist und der Inhenwandung dieses Mischrohrendes verbleibt eine so große ringförmige Öffnung, daß eine genügende Menge atmosphärischer Luft in das Mischrohr mitgerissen wird, um die zerstäubte Flüssigkeit verdampfen zu können. Die ringförmige Öffnung ^; ist so groß bemessen, daß die Luftgeschwindigkeit in ihr

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größer oder gleich der Mitreisgeschwindigkeit für die zerstäubte Flüssigkeit ist. Die angesaugte Luftmenge beträgt ein Vielfaches der Treibgasmenge, so daß die Enthalpie der angesaugten Luft den größten Teil der Verdampfungswärme der verstäubten Flüssigkeit deckt.

In zweckmäßiger Weise ist das Mischrohr senkrecht aufgestellt und die Treibgasdüse im unteren Ende des Mischrohres angebracht. Auf diese Weise wird die zerstäubte Flüssigkeit in der Aerosolströmung von unten nach oben durch das Mischrohr getragen. Am oberen Ende -des Mischrohres tritt ein trockenes Gas aus, das in einer größeren Entfernung vom Erdboden gefahrlos in die Luft abgeblasen werden kann. Das Mischrohr kann jedoch auch waagerecht liegend angeordnet sein, wobei das'ftohrende nach oben umgebogen ist. Im Gegensatz zum senkrecht aufgestellten Mischrohr benötigt das waagerecht liegende mehr Platz.

Das, untere Ende des Mischrohres kann eine Erweiterung, vorzugsweise eine konische, aufweisen. -Die Erweiterung des Mischrohrendes begünstigt erheblich das Ansaugen von atmosphärischer Luft durch den Treibgasstrahl. Eine konische Erweiterung eines, Rohrendes ist fertigungstechnisch leicht herstellbar.

Die durch den Treibgasstrahl angesaugte Menge von atmosphärischer Luft kann noch vergrößert werden, wenn

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der obere Teil des Mischrohres mit einem Diffusor und einem anschließenden zylindrischen, weiten Rohr versehen ist.

Die Treibgasdüse kann sich stetig verjüngen, wobei in der Düsenmündung höchstens Schallgeschwindigkeit erreicht wird. Die Treibgasdüse kann jedoch auch aus einer Laval-Düse bestehen, die eine Überschallströmung ermöglicht. Damit ist gewährleistet, daß durch die hohe Treibgasgeschwindigkeit möglichst viel atmosphärische Luft in das Mischrohr mitgerissen wird und daß die zu zerstäubende Flüssigkeit im Mischrohr in einen feinsten, schnell verdampfenden Nebel verwandelt wird. ·

Die Flüssigkeitsleitung zum Einspeisen der zu verdampfenden Flüssigkeit in das Mischrohr durchdringt in zweck-■ mäßiger Weise das untere Ende des Mischrohres an einer Durchtrittsstelle. Die ringförmige Öffnung zum Ansaugen von atmosphärischer Luft zwischen Treibgasdüse und Mischrohr wird dabei fast nicht verengt. Außerdem läßt sich die Flüssigkeitsleitung an der Wandung des Mischrohres gut befestigen, z. B. durch Schweißen.

Mit Vorteil erstreckt sich die Flüssigkeitsleitung bis zu der der Durchtrittsstelle zugewandten Innenwandung der Düsenmündung. Auf diese Weise wird der die Düsenmündung verlassende Treibgasstrahl von der Flüssigkeitsleitung nicht gestört. Nachdem sich der Treibgasstrahl nach dem

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Verlassen der Düse kegelförmig ausbreitet, ist das Ende der Flüssigkeitsleitung abgeschrägt, wobei zur Erleichterung des piüssigkeitsaustritts der Abschrägungswinkel größer als der Winkel des Strahlkegels ist. Die kinetische Energie der Grenzschicht, des Gasstrahles wird so über die ganze Weite der Flüssigkeitsleitung zum Zerstäuben der Flüssigkeit wirksam.

Zwischen der Düsenmündung und dem Ende der Flüssigkeitsleitung befindet sich ein Abstand, um ein Verstopfen der Düse durch Eis zu verhindern. Bei Verwendung von atmosphärischer Luft als Treibgas können durch die Kälte der zu zerstäubenden Flüssigkeit Wasserdampf und Kohlendioxyd aus der Luft im Bereich der Treibgasdüse ausfrieren, was durch den warmedämmenden Abstand zwischen Düsenmündung und Flüssigkeitsleitung vermieden wird.

Mit besonderem Vorteil sind um die Treibgasdüse mehrere Flüssigkeitsleitungen angeordnet. So kann die kinetische Energie der Grenzschicht des Gasstrahles an seinem ganzen Umfang zum Zerstäuben der Flüssigkeit ausgenutzt werden. Außerdem wird auf diese Weise im Mischrohr ein sehr gleichmäßig verteiltes Gas-Flüssigkeits-Gemisch erreicht, in dem die zerstäubte Flüssigkeit schnell und vollständig verdampft. . ■ .

Die Erfindung sei anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

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Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine Verdampfungsvorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdampfen tiefsiedender Flüssigkeiten durchgeführt wird. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Mischrohr 1, das senkrecht aufgestellt und am oberen und unteren Ende offen ist. Am unteren Ende ist das Mischrohr 1 zentrisch mit einer Treibgasdüse 2 versehen, deren Düsenmündung J5 eine wesentlich kleinere Querschnittsfläche aufweist als die lichte Weite des Mischrohres 1, so daß zwischen Treibgasdüse 2 und Mischrohr 1 eine ringförmige Öffnung 4 gebildet wird. Etwa rechtwinkelig zur Treibgasdüse 2 ist eine Flüssigkeitsleitung 5 angeordnet, die an einer Durchtrittsstelle 6 das untere Ende des Mischrohres 1 durchdringt und die sich mit ihrem offenen Ende 7 bis zu der der Durchtrittsstelle 6 zugewandten Innenwandung 8 der Düsenmündung 3 erstreckt.

. Die Verdampfung einer tiefsiedend'en Flüssigkeit mit dieser Vorrichtung geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß durch einen die Düsenmündung j5 verlassenden Niederdruckluftstrahl 9 eine begrenzte Menge atmosphärischer Luft 10 angesaugt, die zu verdampfende Flüssigkeit 11 zerstäubt und die zerstäubte Flüssigkeit in einem Aerosol, das sich im Mischrohr 1 bildet, kontinuierlich verdampft wird. Bei ΐέ verlassen nur mehr Dämpfe ohne zerstäubte Flüssigkeit das

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obere Ende des Mischrohres 1.

Um das Ansaugen atmosphärischer Luft 10 durch den Druckluftstrahl 9 zu begünstigen, weist das untere Ende des Mischrohres 1 eine konische Erweiterung 13 auf. Um dem Druckluftstrahl 9 eine Überschallgeschwindigkeit zu verleihen, ist die Treibgasdüse 2 als Laval-Düse ausgebildet. Das offene Ende 7 der Flüssigkeitsleitung 5 ist abgeschrägt, wobei der Abschrägungswinkel größer als der Winkel des Kegels des DrückluftStrahles 9 ist. Zwischen der Düsenmündung 3 und dem Ende 7 der Flüssigkeitsleitung 5 befindet sich ein Abstand 14, um ein Vereisen der Düsenmündung 3 zu verhindern.

Die Wirkungsweise der Erfindung sei anhand von Zahlenbeispielen verdeutlicht.

Die Versuchsergebnisse beziehen sich auf eine erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung bei folgenden Bedingungen:

Mischrohrlänge 5*5 m

Nennweite des Mischrohres 100 mm konische Erweiterung des unteren Endes des Mischrohres Umgebungstemperatur + 5 bis + 10° C Temperatur in der Laval-Düse + 25 bis + 30° C

Beispiel I:

150 Nnr /h Treibluft bei einem Druck von 0,5 atü

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konnten ohne Flüssigkeitszerstäubung die 4,2-fache Menge . atmosphärischer Luft ansaugen und in das Mischrohr mitreissen. Die Geschwindigkeit der angesaugten Luft im Ringquerschnitt kurz vor der Flüssigkeitszuführung betrug 25 m/sec. Bei gleichzeitiger Flüssigkeitszuführung (flüssiger Stickstoff) ist das Gewichtsverhältnis von angesaugter Luft zu Treibluft auf einen Wert von >, 1 und die Luftgeschwindigkeit im Ringquerschnitt auf 18 m/sec abgesunken. Das Ge-Wichtsverhältnis der verdampften Flüssigkeitsmenge zu Treibluftmenge betrug 2,9· Am oberen Ende des Mischrohres ergab sich eine Strömungsgeschwindigkeit von 19 m/sec und eine Gasaustrittstemperatur von -130 bis -14O° C.

Beispiel Ht

600 NmVh Treibluft bei einem Druck von 5,5 atü konnten ohne Flüssigkeitszerstäubung die 3-fache Menge atmosphärischer Luft ansaugen und in das Mischrohr mitreißen. Die Geschwindigkeit der angesaugten Luft im Ringquerschnitt kurz vor der Flüssigkeitszuführung betrug 68 m/sec. Bei gleichzeitiger Flüssigkeitszuführung (Flüssiger Stickstoff) ist das Gewichtsverhältnis von angesaugter Luft zu Treibluft auf einen Wert von 2,3 und die Luftgeschwindigkeit im Ringquerschnitt auf 47 m/sec abgesunken. Das Gewichtsverhältnis der verdampf-

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ten Flüssigkeitsmenge zu Treibluftmenge betrug 2,5. Am oberen Ende des Mischrohres ergab sich eine Strömungsge schwindigkeit von 63 m/sec und eine Gasaustrittstempera tur von -I30 bis -14O° C.

15 Patentansprüche
1 Blatt Zeichnungen

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Claims

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15. 7.67 Blatt 14 Λ · Chr/Si

Patentansprüche

.y Verfahren zum Verdampfen tief siedender Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Treibgasstrahl atmosphärische Luft angesaugt und gleichzeitig die zu verdampfende Flüssigkeit zerstäubt wird, wonach die zerstäubte Flüssigkeit in einem vorbestimmten Volumenstrom des sich bildenden Aerosols kontinuierlich verdampft wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verdampfende Flüssigkeit unter Druck steht.
j3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibgas Niederdruckluft verwendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibgas überhitzter Wasserdampf dient.

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5· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mischrohr (1) an einem Ende zentrisch mit einer,Treibgasdüse (2) wesentlich geringeren Querschnitts versehen und etwa rechtwinkelig dazu mindestens eine Flüssigkeitsleitung (5) angeordnet ist, die sich mit ihrem offenen Ende (7) bis zur Treibgasdüse (2) erstreckt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr (1) senkrecht aufgestellt ist und die Treibgasdüse (2) im unteren Ende des Mi-schrohres angebracht ist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Mischrohres (1) eine Erweiterung (13)* vorzugsweise eine konische, aufweist.
ο. Vorrichtung'nach den Ansprüchen 5 bis J₃ dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des Mischrohres (1) mit einem Diffusor und einem anschließenden zylindrischen, weiten Rohr versehen ist.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibgasdüse sich stetig verjüngt.

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10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibgasdüse (2) aus einer Laval-Düse besteht.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsleitung (5) das untere Ende des Mischrohres*(1) an einer Durchtrittsstelle (6) durchdringt.
12. Vorrichtung nach Anspruch' 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Flüssigkeitsleitung (5) bis zu der der Durchtrittsstelle (6) zugewandten Innenwandung (8) der Düsenmündung (3) erstreckt.
1j5. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (7) der Flüssigkeitsleitung (5) abgeschrägt ist.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 13* dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Düsenmündung (jJ) und dem Ende (7) eier Flüssigkeitsleitung (5) ein Abstand (14) befindet.

15· Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Plüssigkeitsleitungen um die Treibgasdüse (2) angeordnet sind.

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