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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
Dampf einer hochsiedenden, organischen Flüssigkeit durchströmt wird.
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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.
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Aus den Literaturstellen „Vauck,
Müller: Grundoperationen
chemischer Verfahrenstechnik, 9. Auflage, Seite 493 bis 511, Deutscher
Verlag für Grundstoffindustrie
GmbH, Leipzig (1992)" und „Ullmanns:
Enzyklopädie
der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 2, Seite 449, Verlag Chemie,
Weinheim/Bergstraße
(1972)" ist der
Einsatz von hochsiedenden organischen Flüssigkeiten als dampfförmiges Wärmeträgermedium
in Wärmetauschern
bekannt.
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Es ist auch bekannt, Wärmeträgeröle zu verdampfen,
und deren Dampf beispielsweise zur Verdampfung von Verbrauchern
in Form von Fluiden zu verwenden.
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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.
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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.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen,
daß der
Dampf der hochsiedenden, organischen Flüssigkeit in geschlossenem Kreislauf
bei mindestens geringem Unterdruck (Vakuum) geführt wird, wobei der Verdampfer
für die
hochsiedende organische Flüssigkeit
in den Kreislauf integriert ist, daß bei der Wärmeübertragung vom Dampf der hochsiedenden,
organischen Flüssigkeit
auf den Verbraucher entstehendes Kondensat zum Verdampfer zurückgeführt wird,
und daß zur
Temperaturregelung des Dampfes der hochsiedenden, organischen Flüssigkeit,
deren Dampfdruck erfaßt
und bei Abweichung vom Soll-Druck, der Verdampfer eingeschaltet wird,
bis der Druck des Dampfes der hochsiedenden, organischen Flüssigkeit
der gewünschten
Temperatur entspricht.
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Der Verdampfer kann elektrisch, durch Rauchgase
oder sogar durch Heizdampf (Wasser) beheizt werden. Insbesondere
bei Unterschreiten des Soll-Systemsdrucks wird der Verdampfer entsprechend
eingeschaltet, bis der Soll-Systemdruck wieder erreicht ist. Anschließend wird
der Verdampfer wieder abgeschaltet.
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Bevorzugt ist dabei vorgesehen, daß der Dampfdruck über eine
Steuerelektronik, zwischen Soll- und Ist-Druck respektive die gewünschte Temperatur
ausgeregelt wird.
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Beispielsweise kann auch dann, wenn
der Wärmeträger ein
vom Ideal abweichendes Dampfdruckverhalten zeigt, der Systemdruck
entsprechend im Kreislauf nachgeführt werden.
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Zudem kann bevorzugt sein, daß während des
Verfahrens im Kreislauf entstehende und/oder in diesen eingedrungene
Inerte aus dem Kreislauf abgezogen werden.
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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 Dampf einer hochsiedenden, organischen Flüssigkeit
parallel dazu führt,
daß an
den Wärmetauscher
eine Zufuhrleitung für
den Dampf der hochsiedenden, organischen Flüssigkeit 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
Dampf der hochsiedenden, organischen Flüssigkeit führenden Leitungsstrang 9 vorgesehen
ist, welches mit einer Steuerelektronik gekoppelt ist, mittels derer
die Heizung 1 des Verdampfers schaltbar ist.
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Der dampfförmige Wärmeträger wird vorzugsweise im Gegenstrom
zum Verbraucher geführt.
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Auch kann bevorzugt sein, daß das Druckmeßgerät am Verdampfer
vorgesehen ist.
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Desweiteren ist bevorzugt vorgesehen,
daß an
den Wärmetauscher
eine mit dem Verdampfer kommunizierende Entlüftungsleitung anschließt, die oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels über ein
Regelventil mit einer Vakuumpumpe zur Ableitung von Inerten verbunden
ist.
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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 Heizmittel temperatur im Vergleich zu anderen Wärmequellen über den
Verbraucher keinen Gradienten auf, sondern ist über die gesamte Fläche konstant.
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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.
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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.
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Dies erfolgt bei stets konstanter
Temperatur. Die im Verdampfer und in den Rohrleitungen befindliche
Wärmeträgermenge
ist relativ gering.
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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.
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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.
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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 Dampf
druckverhalten 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.
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Ein zusätzlicher Kondensator, der bei
konventionellen Siedethermostaten überschüssigen Restdampf verflüssigen muß, kann
entfallen.
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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.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt. Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung
zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Steuer elektronik (nicht gezeigt) eingestellt, die über eine
Druckregelung die vorgegebene Soll-Temperatur ausregelt.
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Das Kondensat des Wärmeträgerdampfes wird über die
Leitung 11 zum Verdampfer 3 zurückgeführt.
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Die Steuerelektronik sorgt dafür, daß der elektrische
Verdampfer 3 stets nur so viel Dampf erzeugt, wie für das Verfahren
im Kreislauf benötigt wird,
um den Verbraucher die geforderte Wärmemenge zur Verfügung zu
stellen.
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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.
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Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel
beschränkt,
sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.