DE19846494A1 - Verfahren zur Erhitzung von Verbrauchern - Google Patents

Abstract

Um ein Verfahren zur Erhitzung und Verdampfung von Verbrauchern in Form von Fluiden mittels eines Wärmetauscherprozesses, wobei der Wärmetauscher von dem Verbraucher und einem davon getrennt geführten dampfförmigen Wärmeträger durchströmt wird, zu schaffen, welches mit einfachen Mitteln leicht beherrschbar ist und insbesondere auch die Verwendung von Apparaturen ermöglicht, die keinen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden dürfen, wird vorgeschlagen, daß der Wärmetauscher von dem Dampf einer hochsiedenden, organischen Flüssigkeit durchströmt wird, der in geschlossenem Kreislauf bei geringem Unterdruck geführt wird, daß der Wärmeträger mittels eines Verdampfers verdampft wird, der in den Kreislauf integriert ist, daß bei der Wärmeübertragung von dampfförmigem Wärmeträger auf den Verbraucher entstehendes Kondensat zu dem flüssigen Wärmeträger verdampfenden Verdampfer zurückgeführt wird, und daß zur Temperaturregelung des dampfförmigen Wärmeträgers dessen Dampfdruck erfaßt wird, bei Abweichung der Verdampfer eingeschaltet wird, bis der Soll-Dampfdruck des dampfförmigen Wärmeträgers erreicht ist und dann der Verdampfer abgeschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhitzung und Verdampfung von Verbrauchern in Form von Fluiden mittels eines Wärmetauscherprozesses, wobei der Wärmetauscher, beispielsweise in Form eines Fallfilmverdampfers, von dem Verbraucher und einem davon getrennt geführten, dampfförmigen Wärmeträger durchströmt wird.

Im Stand der Technik ist es bekannt, zur Verdampfung von Fluiden mittels eines Wärmetauscherprozesses dampfförmige Wärmeträger einzusetzen. Dazu wird im Stand der Technik vornehmlich mit Wasserdampf gearbeitet. Sofern hohe Temperaturen zur Verdampfung des Fluides benötigt werden, können diese bei Verwendung von Wasser nur unter hohem Überdruck zur Verfügung gestellt werden. Um beispielsweise eine Temperatur von 315° Celsius zu gewährleisten, muß ein Druck von 110 bar erzeugt werden. Derartige Drücke führen zu hohen mechanischen Belastungen der Apparate und Rohrleitungen. Insbesondere im Laborbereich, in dem mit Glasapparaturen gearbeitet wird, ist die Verwendung von Wasserdampf als Wärmeträger weitestgehend ausgeschlossen.

Es ist auch bekannt, Wärmeträgeröle zu verdampfen, und deren Dampf beispielsweise zur Verdampfung von Verbrauchern in Form von Fluiden zu verwenden.

Dabei wird im Prinzip Öldampf in einem Verdampfer erzeugt, wobei der Verdampfer über eine Leitung mit einem entsprechenden Wärmetauscher (z. B. Fallfilmverdampfer) leitungsmäßig verbunden ist. Zwischen dem Dampferzeuger und den heizdampfgespeisten Wärmetauscher ist ein Ventil eingeschaltet, welches im Bedarfsfall geöffnet oder geschlossen wird. Aufgrund dieser Anordnung entstehen Druckunterschiede zwischen dem Dampferzeuger und dem mit dem erzeugten dampfgespeisten Wärmetauscher, wobei insbesondere an dem Ventil ein Druckabfall auftritt. Auch ist es durch relativ komplizierte Verfahrensführungen und Geräte erforderlich, ständig Unterdruck zu erzeugen und Kondensat oder dergleichen zurück- oder abzuführen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gattungsgemäßer Art zu schaffen, welches mit einfachen Mitteln leicht beherrschbar ist und insbesondere auch die Verwendung von Apparaturen ermöglicht, die keinen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden dürfen, wie beispielsweise Glasapparaturen oder dergleichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Wärmetauscher von dem Dampf einer hochsiedenden, organischen Flüssigkeit durchströmt wird, der in geschlossenem Kreislauf bei mindestens geringem Unterdruck (Vakuum) geführt wird, daß der Wärmeträger mittels eines Verdampfers, der seinerseits z. B. elektrisch, durch Rauchgase oder sogar durch Heizdampf (Wasser) beheizt wird, verdampft wird, der in den Kreislauf integriert ist, daß bei der Wärmeübertragung vom dampfförmigen Wärmeträger auf den Verbraucher entstehendes Kondensat zum den flüssigen Wärmeträger verdampfenden Verdampfer zurückgeführt wird, und daß zur Temperaturregelung des dampfförmigen Wärmeträgers dessen Dampfdruck erfaßt wird, bei Abweichung, insbesondere bei Unterschreiten des Soll-Systemdrucks, der Verdampfer eingeschaltet wird bis der Soll- Systemdruck des dampfförmigen Wärmeträgers erreicht ist und dann der Verdampfer abgeschaltet wird.

Bevorzugt ist dabei vorgesehen, daß der Systemdruck einstellbar ist, insbesondere über eine Steuerelektronik, die zwischen Soll- und Ist-Druck ausregelt.

Desweiteren ist bevorzugt, daß dann, wenn der Wärmeträger ein vom Ideal abweichendes Dampfdruckverhalten zeigt, der Systemdruck im Kreislauf nachgeführt wird.

Zudem kann bevorzugt sein, daß während des Verfahrens im Kreislauf entstehende Inerte aus dem Kreislauf abgezogen werden.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der von einer den Verbraucher führenden Leitung durchsetzt ist und den dampfförmigen Wärmeträger parallel dazu, insbesondere im Gegenstrom führt, daß an den Wärmetauscher eine Zufuhrleitung für den dampfförmigen Wärmeträger angeschlossen ist, die in offener Verbindung mit einem Verdampfer steht, daß vom Wärmetauscher eine Kondensat zum Verdampfer zurückführende Leitung abgeht, und daß ein Druckmeßgerät im den dampfförmigen Wärmeträger führenden Leitungsstrang, insbesondere am Verdampfer, vorgesehen ist, das mit einer Steuerelektronik gekoppelt ist, mittels derer die Heizung des Verdampfers schaltbar ist.

Dabei kann bevorzugt vorgesehen sein, daß am Wärmetauscher eine Entlüftungsleitung anschließt, die an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, die vorzugsweise über eine Kondensatrückführungsleitung mit dem Verdampfer verbunden ist.

Durch die Erfindung wird dem Anwender ein einfach beherrschbares Verfahren zur Verfügung gestellt, bei dem auch relativ einfache Vorrichtungsbestandteile verwendet werden können. Das Verfahren eignet sich insbesondere dazu, rechnergestützte Simulationen von neuen Produktionsverfahren in der chemischen Industrie experimentell zu überprüfen. Dabei müssen die notwendigen Daten, zum Beispiel über Mengen- und Wärmebilanzen, Nebenproduktanreicherungen, Korrosion und Fouling ermittelt werden, wobei jeder einzelne Verfahrensschritt mit Originalprodukten in kleinerem Maßstab nachgebildet sind. Gemäß der Erfindung kann dabei eine kleine Versuchsanordnung, die größtenteils aus Glas gefertigt und für relativ kleine Mengenströme ausgelegt ist, verwendet werden. Insbesondere für die Wärmeführung bei den entsprechenden Prozessen werden hohe Ansprüche gestellt. Dies gilt insbesondere für die Wärmeführung, vor allem für die Modellierung fluidverfahrenstechnischer Prozesse, wie sie etwa bei der thermischen Trennung in Destillationskolonnen zum Einsatz kommen. Beispielsweise haben Kolonnentemperaturen einen erheblichen Einfluß auf die Güte der Produkte. Lokale Überhitzung bei Verdampfern können empfindliche Produkte schädigen und Informationen über Nebenproduktanreicherungen verfälschen. Gemäß der Erfindung werden die entsprechenden Verbraucher (Fluide) mit dem Dampf einer hochsiedenden, organischen Flüssigkeit als Wärmeträger beheizt. Damit lassen sich hohe Heizflächenbelastungen (Wärmestromdichten) verwirklichen. Bei gutem Wärmeübergang ist die Temperaturdifferenz zwischen Produkt- und Heizmittel dennoch gering. Außerdem weist die Heizmitteltemperatur im Vergleich zu anderen Wärmequellen über den Verbraucher keinen Gradienten auf, sondern ist über die gesamte Fläche konstant.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Beheizung indirekt über den Dampf des Wärmeträgers in Form der hochsiedenden, organischen Flüssigkeit. Der Dampfdruck der reinen Flüssigkeit steht mit der Temperatur im engen Zusammenhang. Die Einstellung der Heizmitteltemperatur kann daher einfach über die Variation des Betriebsdruckes, der üblicherweise im leichten Unterdruck zwischen 100 mbar und 1000 mbar liegt, erfolgen. Die Menge der transportierten Wärmeenergie hängt von der Menge des Dampfes ab, der im Kreislauf zirkulieren kann.

Die benötigte Dampfmenge wird über einen separat betriebenen Verdampfer zur Verfügung gestellt. Der Dampf gelangt zum Verbraucher und kondensiert dort aufgrund des angelegten Temperaturgefälles aus. Dabei gibt er seine Kondensationswärme an den Verbraucher ab. Das Kondensat gelangt schließlich zurück in den Verdampfer. Der Vorteil dabei ist, daß der Verbraucher dem Heizmedium immer nur gerade soviel Wärmeenergie entzieht, wie für den Prozeß benötigt wird.

Dies erfolgt bei stets konstanter Temperatur. Die im Verdampfer und in den Rohrleitungen befindliche Wärmeträgermenge ist relativ gering.

Da sich die Drücke im Arbeitsbereich von etwa 100 mbar bis 1000 mbar leicht und mit hoher Genauigkeit einstellen und regeln lassen, können die Arbeitstemperaturen bis auf wenige Bruchteile eines Grads genau eingestellt werden. Somit lassen sich auch geringste treibende Temperaturdifferenzen zwischen Heizmittel und Verbraucher realisieren.

Als Wärmeträger können beispielsweise organische Flüssigkeiten wie Glykole und Kohlenwasserstoffe oder auch Wärmeträgeröle eingesetzt werden. Sie haben einen hohen Siedepunkt und können schon bei niedrigen Drücken hohe Heizmitteltemperaturen erreichen. Zudem können sie bei Prozessen eingesetzt werden, bei denen ein Kontakt mit Wasser aus dem Heiz- beziehungsweise Kühlsystem ein beträchtliches Gefahrenpotential darstellen würden.

Infolge der Tatsache, daß bei solchen Wärmeträgern die üblichen Arbeitstemperaturen von 150° Celsius bis 250° Celsius bei geringem Vakuum von 100 mbar bis 900 mbar realisiert werden können, hat den Vorteil, daß damit befüllte Anlagen nicht unter die Druckbehälterverordnung fallen und mit niedrigen Mindestwandstärken ausgelegt beziehungsweise Glasapparaturen zum Einsatz gelangen können. Gemäß der Erfindung kann ein zum Beispiel elektrisch betriebener Verdampfer, der je nach angestrebtem Temperaturbereich verschiedene, organische Wärmeträger verdampfen kann, zum Einsatz kommen. Der Anwender kann die gewünschte Temperatur über eine Bedieneinheit direkt einstellen. Die genaue Kenntnis der Dampfdruckkurve ist hierfür . nicht erforderlich. Der intern im System mit der Temperatur korrespondierende Dampfdruck kann über ein entsprechendes Erfassungsgerät erfaßt und über eine Steuerelektronik eingestellt werden, die zwischen Soll- und Ist-Temperatur ausregelt. Falls der Wärmeträger, etwa infolge beginnender Zersetzung oder Verunreinigung ein vom Ideal abweichendes Dampfdruckverhalten zeigt, kann der Druck im System automatisch nachgeführt werden. Inerte, die durch Undichtigkeiten der Apparatur oder durch thermische Zersetzung des Wärmeträgers in das System gelangen, können durch eine Vakuumpumpe abgesaugt werden. Diese Pumpe kann auch beim Anfahren der Anlage behilflich sein. Es kann auch eine Vakuumpumpe vorgesehen sein, die den geforderten Druck gewährleistet und die nur dann arbeitet, wenn eine Druckänderung vonnöten ist.

Ein zusätzlicher Kondensator, der bei konventionellen Siedethermostaten überschüssigen Restdampf verflüssigen muß, kann entfallen.

Die Steuerelektronik sorgt dafür, daß der Verdampfer stets nur soviel Dampf erzeugt, wie benötigt wird, um dem Verbraucher die geforderte Wärmemenge zur Verfügung zu stellen. Eine Kühlung mit Leitungswasser zur Abführung der überschüssigen Wärmeenergie kann hierdurch entfallen. Für die Installation der Vorrichtung ist lediglich ein elektrischer Anschluß erforderlich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wesentliche Vorrichtungsbestandteile sind ein mit elektrischen Heizkerzen 1 beheizter und mit einem Wärmeträgeröl 2 gefüllter Verdampfer 3, ein Wärmetauscher 4 im Ausführungsbeispiel in Form eines Fallfilmverdampfers, eine Vakuumpumpe 5 sowie ein Gefäß 6, welches den Verbraucher in Form eines flüssigen Fluides aufnimmt. Die Vorrichtungsteile sind über Leitungen verbunden, die später noch beschrieben werden.

Der Wärmetauscher 4 ist von einer den Verbraucher führenden Leitung 7 durchsetzt, wobei der dampfförmige Wärmeträger parallel dazu in dem Mantel des Wärmetauschers 4 geführt ist. Der Mantel ist bei 8 geschlossen, so daß nur die Leitung 7 oben und unten offen aus dem Wärmetauscher ausmündet. An dem Ringspalt zwischen der Leitung 7 und dem Mantel 4 mündet eine Leitung 9 ein, die den Wärmeträgerdampf führt, der von dem Verdampfer 3 erzeugt wird.

Desweiteren geht im Ausführungsbeispiel oben von dem Ringspalt zwischen Leitung 7 und dem Behältermantel 4 eine Entlüftungsleitung 10 ab, die mit dem Verdampfer 3 kommunizierend verbunden ist. Seitlich oberhalb des Flüssigkeitsstandes zweigt eine Leitung zu einem Regelventil 17 ab. Die diesem nachgeordnete Vakuumpumpe 5 entnimmt in der Anfahrphase und während des Betriebs eventuell im System angereicherte Inertgase und komprimiert diese auf Umgebungsdruck. Vorteilhaft kann dort eine Flüssigkeitsringpumpe, die mit dem gleichen Medium wie der Wärmeträger als Sperrflüssigkeit gefüllt ist, eingesetzt werden. Die Kühlung dieser Sperrflüssigkeit kann über einen Luftkühler oder durch Wasserkühlung erfolgen und bewirkt ein Niederschlagen der partialdruckmäßig mitgeführten Wärmeträgeranteile. Der (in der Zeichnung nicht dargestellte) Abscheider als Bestandteil einer üblichen Flüssigkeitsringpumpe kann gleichzeitig als Wärmeträger-Vorlage dienen.

Das zu verdampfende Fluid wird bei 12 zugeführt und in dem Behälter 6 überführt, von dem es über die Leitung 7 in den Verdampfer gelangt und dort verdampft.

Teilweise wird das verdampfte Produkt bei 13 an Brüden abgegeben. Desweiteren kann ein Teil des verdampften Produktes bei 14 über eine Rückführungsleitung zurückgeführt werden und in den von einer Pumpe 15 abgehenden Ablauf 16 angeschlossen sein.

Um mit dieser Vorrichtung Verbraucher in Form von Fluiden mittels eines Wärmetauscherprozesses zu verdampfen, ist der Wärmetauscher 4 in Form eines Fallfilmverdampfers von dem Verbraucher und einem davon getrennt geführten dampfförmigen Wärmeträger durchströmt. Der Wärmeträger ist dabei der Dampf einer hochsiedenden organischen Flüssigkeit. Er wird in dem Verdampfer 3 verdampft, wobei durch die Vakuumpumpe 5 zunächst in dem Kreislauf ein Unterdruck erzeugt wird, beispielsweise ein Unterdruck in der Größenordnung von 100 bis 1000 mbar. Sobald der Unterdruck in dem System erzeugt ist, der der gewünschten Temperatur des dampfförmigen Mediums entspricht, wird die Vakuumpumpe 5 ausgeschaltet und die Leitung dort verschlossen.

Der Wärmeträgerdampf kann nun in dem geschlossenen System zirkulieren, wobei er über die Leitung 9 in den Fallfilmverdampfer 4 eingeleitet wird. Der Dampf gelangt dabei an die Leitung 7, durch die der Verbraucher geführt wird. Dort kondensiert der Dampf aufgrund des anliegenden Temperaturgefälles. Er gibt seine Kondensationswärme an den Verbraucher in der Leitung 7 ab. Der Verbraucher entzieht dem Wärmeträgerdampf nur gerade so viel Wärmeenergie, wie für den Prozeß benötigt wird. Dies erfolgt bei einer stets konstanten Temperatur. Der mit dieser Temperatur korrespondierende Druck wird über eine Steuerelektronik (nicht gezeigt) eingestellt, die über eine Druckregelung die vorgegebene Soll-Temperatur ausregelt.

Das Kondensat des Wärmeträgerdampfes wird über die Leitung 11 zum Verdampfer 3 zurückgeführt.

Die Steuerelektronik sorgt dafür, daß der elektrische Verdampfer 3 stets nur so viel Dampf erzeugt, wie für das Verfahren im Kreislauf benötigt wird, um dem Verbraucher die geforderte Wärmemenge zur Verfügung zu stellen.

Sofern erforderlich, werden Inerte, die im Kreislauf des Wärmeträgerdampfes entstehen, über die Entlüftungsleitung 10 und die Vakuumpumpe 5 abgezogen, wobei gleichzeitig eventuell mitgeführter Wärmeträger von der Vakuumpumpe zurück in den elektrischen Verdampfer geführt werden kann, was über entsprechende Leitungsanschlüsse erfolgt.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.

Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erhitzung und Verdampfung von Verbrauchern in Form von Fluiden mittels eines Wärmetauscherprozesses, wobei der Wärmetauscher, beispielsweise in Form eines Fallfilmverdampfers, von dem Verbraucher und einem davon getrennt geführten, dampfförmigen Wärmeträger durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher von dem Dampf einer hochsiedenden, organischen Flüssigkeit durchströmt wird, der in geschlossenem Kreislauf bei mindestens geringem Unterdruck (Vakuum) geführt wird, daß der Wärmeträger mittels eines Verdampfers verdampft wird, der in den Kreislauf integriert ist, daß bei der Wärmeübertragung vom dampfförmigen Wärmeträger auf den Verbraucher entstehendes Kondensat zum den flüssigen Wärmeträger verdampfenden Verdampfer zurückgeführt wird, und daß zur Temperaturregelung des dampfförmigen Wärmeträgers dessen Dampfdruck erfaßt wird, bei Abweichung, insbesondere bei Unterschreiten des Soll-Drucks, der Verdampfer eingeschaltet wird bis der Dampfdruck des dampfförmigen Wärmeträgers entsprechend der gewünschten Temperatur erreicht ist und dann der Verdampfer abgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfdruck einstellbar ist, insbesondere über eine Steuerelektronik, die zwischen Soll- und Ist-Druck respektive die gewünschte Temperatur ausregelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der Wärmeträger ein vom Ideal abweichendes Dampfdruckverhalten zeigt, der Druck im Kreislauf nachgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrens im Kreislauf entstehende und/oder in diesen eingedrungene Inerte aus dem Kreislauf abgezogen werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (4) vorgesehen ist, der von einer den Verbraucher führenden Leitung (7) durchsetzt ist und den dampfförmigen Wärmeträger parallel dazu, insbesondere im Gegenstrom führt, daß an den Wärmetauscher (4) eine Zufuhrleitung (9) für den dampfförmigen Wärmeträger angeschlossen ist, die in offener Verbindung mit einem Verdampfer (3) steht, daß vom Wärmetauscher (4) eine Kondensat zum Verdampfer (3) zurückführende Leitung (11) abgeht, und daß ein Druckmeßgerät im den dampfförmigen Wärmeträger führenden Leitungsstrang (9), insbesondere am Verdampfer (3), vorgesehen ist, das mit einer Steuerelektronik gekoppelt ist, mittels derer die Heizung (1) des Verdampfers (3) schaltbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Wärmetauscher (4) eine mit dem Verdampfer (3) kommunizierende Entlüftungsleitung (10) anschließt, die oberhalb des Flüssigkeitsspiegels über ein Regelventil (17) mit einer Vakuumpumpe (5) zur Ableitung von Inerten verbunden ist.