DE19933715A1

DE19933715A1 - Rohrbündel-Verdampfer

Info

Publication number: DE19933715A1
Application number: DE1999133715
Authority: DE
Inventors: Dietmar Helm; Siegfried Schmidt; Harry Raddatz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2001-01-25

Abstract

Bei einem Rohrbündel-Verdampfer (1) mit einem Verdampfungsraum (5), in welchem Heizungsrohre (2) angeordnet sind, werden zwischen den Heizungsrohren (2) Spülrohre (6) verteilt. Diesen Spülrohren (6) kann über eine Zuleitung (8) ein Spülmittel zugeführt werden, welches über Düsenöffnungen (4) in den Verdampfungsraum (5) austritt und dort die Heizungsrohre (2) von Verschmutzungen reinigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rohrbündel-Verdampfer mit einem Verdampfungsraum und mit durch den Verdampfungsraum verlaufenden Rohren.

Es ist bekannt, für den Wärmeaustausch zwischen zwei Medien sogenannte Rohrbündelapparate einzusetzen. Diese enthalten ein Bündel aus vorzugsweise in einem regelmäßigen Raster angeordneten, parallelen Rohren, welche von einem ersten Medium durchströmt werden können. Die Rohre sind dazu in der Regel an einem Ende gemeinsam an die Zuleitung und am anderen Ende gemeinsam an die Ableitung für das erste Medium angeschlossen. Der mittlere Abschnitt des Rohrbündels zwischen den Rohrenden ist in einem Raum angeordnet, welchem über eine Zuleitung bzw. eine Ableitung ein zweites Medium zugeführt bzw. entnommen werden kann. Die Rohre werden also in diesem Raum äußerlich vom zweiten Medium umspült. Durch die Rohrwandung hindurch findet dabei der Wärmeaustausch zwischen erstem und zweitem Medium statt, wobei durch die (möglichst große) Anzahl der Rohre eine hohe Oberfläche für den Wärmeübertritt zur Verfügung gestellt wird. Je nach Temperaturverhältnis zwischen erstem und zweitem Medium kann mit dem Rohrbündelapparat das zweite (Nutz-)Medium erwärmt oder gekühlt werden.

Eine häufige Anwendung solcher Rohrbündelapparate ist die Verdampfung bzw. Destillation von Flüssigkeiten. Die zu behandelnde Flüssigkeit stellt dabei das zweite Medium dar, welches das Rohrbündel von außen umgibt, während die Rohre selbst von einem Heizmittel, z. B. heißem Wasser oder Wasserdampf durchströmt werden. Das Heizmittel gibt seine Wärmeenergie an die Flüssigkeit ab, welche daraufhin ganz oder teilweise verdampft. Der Dampf kann am oberen Ende des Raumes zwischen den Rohren (Verdampfungsraum) abgezogen werden. Die Verdampfung wird in der Regel eingesetzt, um flüchtige von nicht-flüchtigen Bestandteilen der Flüssigkeit zu trennen.

Ein wichtiges Beispiel für ein solches Trennungsverfahren ist die Reinigung ölhaltiger Abwässer, wie sie z. B. bei der Automobilproduktion auftreten. Hierbei müssen täglich mehrere Hundert Kubikmeter Abwasser von Öl befreit werden. Zu diesem Zweck werden bekannte Rohrbündel-Verdampfer eingesetzt. Ein typischer Verdampfer enthält dabei ein Bündel von ca. 2000-3000 Titanrohren. Im Laufe des Betriebs eines solchen Verdampfers setzen sich außen auf den Rohren Verschmutzungen aus den zu verdampfenden Abwässern ab. Diese Verschmutzungen behindern den Wärmeübergang und senken somit die Effizienz und die Energieausbeute des Verdampfers. Wenn die Verschmutzung zu stark zunimmt, muß der Rohrbündel- Verdampfer daher gereinigt werden. Dies ist typischerweise alle zwei bis drei Wochen der Fall. Über einen Zeitraum von ca. 24 Stunden findet dann eine äußere Spülung des Rohrbündels statt. Darüber hinaus muß alle zwei bis drei Jahre eine komplette Revision des Verdampfers durchgeführt werden. Hierzu wird der Verdampfer geöffnet, die Rohre werden manuell von Ablagerungen befreit, mit neuen Dichtungen versehen und wieder montiert. Eine solche Revision dauert etwa drei bis vier Wochen und verursacht erhebliche Kosten. Nachteilig ist auch, daß während der Spülungen und während einer Revision der Betrieb des Verdampfers unterbrochen werden muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, den Betrieb eines Rohrbündel-Verdampfers wirtschaftlicher zu machen. Ferner sollte die Energieausbeute einer Verdampfungsanlage verbessert werden.

Diese Aufgabe wird durch einen Rohrbündel-Verdampfer gelöst, welcher in bekannter Weise einen Verdampfungsraum aufweist, durch den Rohre verlaufen. Erfindungsgemäß hat dabei mindestens eines dieser Rohre eine oder mehrere Öffnungen zum Verdampfungsraum hin und ist mit einer Zuleitung für Spülmittel verbunden. Ein solches Rohr wird im folgenden "Spülrohr" genannt.

Anders als beim Stand der Technik dienen also nicht alle Rohre im Verdampfungsraum der Durchleitung eines Heizmediums. Vielmehr kann mindestens einem dieser Rohre über eine entsprechende Zuleitung ein Spülmittel zugeführt werden, welches durch die Öffnungen des Rohres in den Verdampfungsraum austritt. Das bedeutet, daß über dieses Spülrohr eine Spülung und Reinigung des Inneren des Verdampfungsraums vorgenommen werden kann. Ablagerungen an den Rohren des Rohrbündels können auf diese Weise entfernt werden, bevor sie sich in erheblichen Mengen angesammelt und auf der Rohroberfläche verfestigt haben.

Geeignete Spülmittel können je nach den im konkreten Fall vorliegenden Medien ausgewählt werden. In vielen Fällen wird Wasser ein geeignetes Spülmittel sein, wobei gegebenenfalls übliche Reinigungsadditive zugesetzt werden können. Ferner ist es bevorzugt, wenn das Spülmittel unter Druck zugeführt wird und damit auch unter Druck aus den Öffnungen des Spülrohres austritt. Zum einen wird hierdurch die Reichweite des Spülmittels in den Zwischenräumen des Rohrbündels erhöht, zum anderen kann der mechanische Impuls des Spülmittels zur Ablösung der Ablagerungen ausgenutzt werden.

Die erfindungsgemäße Abwandlung eines Rohrbündel-Verdampfers ist nicht auf eine bestimmte Dimensionierung des Rohrbündels beschränkt. Sie ist grundsätzlich bereits mit einem Rohr für das Heizmittel und einem Spülrohr denkbar. In praktischen Fällen wird indes die Anzahl der Rohre für das Heizmittel erheblich höher liegen, wobei typischerweise einige Tausend Rohre in einem engen regelmäßigen Raster angeordnet sind. Vorzugsweise sind etwa 1 bis 20%, besonders bevorzugt 5 bis 15%, der Rohre eines Rohrbündels Spülrohre, also mit Öffnungen versehen. Bei einer solchen Dichte der Spülrohre wird erfahrungsgemäß eine ausreichende Reinigungswirkung erzielt, ohne daß ein zu großer Teil des Rohrbündel-Verdampfers für die Zufuhr von Wärme verloren geht. Die für die Zufuhr von Spülmittel vorgesehenen Spülrohre können homogen zwischen den übrigen Rohren verteilt werden. Vorzugsweise wird indes die Konzentration dieser Rohre räumlich so variiert, daß überall eine ähnliche Reinigungswirkung auftritt bzw. daß erfahrungsgemäß besonders stark verschmutzende Bereich des Rohrbündels stärker gereinigt werden.

Bei den für die Zufuhr von Spülmittel vorgesehenen Rohre sind die Öffnungen für den Austritt des Spülmittels vorzugsweise in hoher Anzahl über die Oberfläche des Rohres verteilt. Insbesondere kann dabei eine gleichmäßige Verteilung in einem engen Raster vorliegen. Es ist jedoch auch möglich, die Dichte der Öffnungen in bestimmten Bereichen zu konzentrieren, um dort einen vermehrten Austritt von Spülmittel zu ermöglichen und somit stärker verschmutzte Bereiche entsprechend stärker zu reinigen. Eine ähnliche Wirkung kann auch dadurch erzielt werden, daß die Querschnittsfläche der Öffnungen dort größer gewählt wird, wo mehr Spülmittel austreten soll. Über eine variable Dichte und/oder eine variable Querschnittsfläche der Öffnungen kann auch auf einen Druckabfall des Spülmittels entlang der Rohre reagiert werden. Der Druck des Spülmittels nimmt nämlich mit steigendem Abstand von der Spülmittelquelle ab. Bei homogen verteilten, gleich großen Öffnungen würde somit aus den näher an der Quelle gelegenen Öffnungen aufgrund des höheren Druckes ein höherer Durchfluß des Spülmittels auftreten als bei den entfernter gelegenen Öffnungen. Falls dies nicht erwünscht ist, sollten die näher zur Quelle gelegenen Öffnungen weniger dicht angeordnet und/oder mit kleinerem Querschnitt versehen werden.

Vorzugsweise werden die Öffnungen in den Spülrohren als Düsen ausgestaltet. Hierdurch kann erreicht werden, daß das austretende Spülmittel höhere Geschwindigkeit und damit einen höheren Impuls erhält, so daß es sich weiter ausbreitet und eine bessere mechanische Reinigung bewirkt.

Die Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zum Betrieb eines oben beschriebenen Rohrbündel-Verdampfers, bei dem kontinuierlich oder diskontinuierlich während des Verdampfungsbetriebes Spülmittel aus den Öffnungen der Spülrohre versprüht wird, um hierdurch Ablagerungen und Verschmutzungen von den übrigen Rohren zu entfernen. Während ein kontinuierliches Reinigen einen gleichmäßigen Betrieb der Anlage ermöglicht, hat eine diskontinuierliche Reinigung den Vorteil, daß der Verbrauch an Spülmittel verringert werden kann und die einzelnen Reinigungsvorgänge mit höherem Druck und mit einer höheren Flußrate des Spülmittels und somit mechanisch wirksamer durchgeführt werden können. Es ist auch möglich, eine kontinuierliche Grundreinigung mit diskontinuierlich, d. h. von Zeit zu Zeit überlagerten Spezialreinigungen zu kombinieren.

Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematisierten Längsschnitt durch einen Rohrbündel- Verdampfer 1.

Fig. 2 zeigt eine teilweise offene Seitenansicht eines realen Rohrbündel- Verdampfers.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Rohrbündel-Verdampfer nach Fig. 2.

In Fig. 1 sind die für die Erfindung wichtigen Bestandteile eines Rohrbündel- Verdampfers 1 schematisch dargestellt. Der Rohrbündel-Verdampfer 1 hat einen Verdampfungsraum 5, welchem über eine vorzugsweise am unteren Ende angeordnete Zuleitung 7 eine zu verdampfende Flüssigkeit zugeführt werden kann. Am oberen Ende des Verdampfungsraumes 5 ist ein Dampfabzug 3 angeordnet, über welchen Verdampfungsprodukte abgezogen werden können. Nicht-flüchtige Rückstände verbleiben am Boden des Verdampfungsraumes 5 in der dortigen Flüssigkeit. Sie können über einen (nicht dargestellten) Abfluß kontinuierlich oder von Zeit zu Zeit entnommen werden.

Durch den Verdampfungsraum 5 verläuft ein Bündel paralleler Rohre 2, von welchen aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 1 nur zwei Rohre gezeigt sind. Im dargestellten Fall verlaufen die Rohre 2 senkrecht, sie können jedoch auch horizontal oder schräg verlaufen. Die Rohre 2 sind am unteren Ende gemeinsam an eine Zuleitung 9 für ein Heizmedium (z. B. Wasserdampf) angeschlossen. Entsprechend sind sie an ihrem oberen Ende gemeinsam an eine Ableitung 10 für das verbrauchte Heizmedium angeschlossen.

Ein typisches Einsatzgebiet für einen Rohrbündel-Verdampfer der bisher beschriebenen Art ist die Reinigung ölhaltiger Abwässer (Emulsionen und Waschwasser) bei der Automobilproduktion. Hierbei fallen typischerweise ca. 200 m³ Abwasser pro Arbeitstag an.

Die erfindungsgemäße Neuerung besteht darin, daß zwischen den "normalen" Rohren 2 für das Heizmittel "Spülrohre" 6 für ein Spülmittel angeordnet sind. Diese Spülrohre 6 (von denen in Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eines dargestellt ist) sind an ihrem unteren Ende vorzugsweise gemeinsam an eine Zuleitung 8 für ein Spülmittel angeschlossen. Ein entsprechender Anschluß eines Abflusses am anderen Ende der Rohre 6 ist zwar denkbar, jedoch im allgemeinen nicht erforderlich, da das Spülmittel vollständig in den Verdampfungsraum 5 abgegeben wird. Diese Abgabe des Spülmittels geschieht über die Öffnungen 4 in den Spülrohren 6. Die Öffnungen 4 können dabei je nach gewünschter Verteilung der Spülmittelabgabe im Verdampfungsraum 5 gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt angeordnet sein. Vorzugsweise sind sie als Düsen ausgestaltet. Das Spülmittel tritt unter Druck aus den Öffnungen 4 aus und trifft auf die benachbarten Heizungsrohre 2. Diese werden daher durch das Spülmittel von eventuellen Ablagerungen gereinigt. Ein solcher Reinigungseinsatz des Spülmittels kann kontinuierlich während des Betriebs des Verdampfers erfolgen. Ebenso ist es denkbar, diskontinuierlich von Zeit zu Zeit Spülmittel zuzuführen, um Ablagerungen zu entfernen.

In den Fig. 2 und 3 ist ein realer Rohrbündel-Verdampfer dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht mit teilweise geöffneter Seitenwand. Fig. 3 zeigt einen horizontalen Schnitt durch diesen Rohrbündel-Verdampfer. Das gesamte Rohrbündel ist in vier Einschübe 12, 13, 14, 15 unterteilt, wobei jeder Einschub 570 Titanrohre enthält. Insgesamt sind somit 2280 Titanrohre vorhanden. Die Titanrohre 6 haben eine Länge von ca. 6 m und einen Durchmesser von ca. 40 mm. Innerhalb der Einschübe sind die Titanrohre in einem gleichmäßigen Abstand von typischerweise von 6 mm in Reihen angeordnet, wobei jede zweite Reihe auf Lücke steht und die Reihen voneinander einen Abstand von ebenfalls typischerweise 6 mm haben (Abstand gemessen von Rohraußenwand zu Rohraußenwand).

Bei Rohrbündel-Verdampfern nach dem Stand der Technik sind alle Titanrohre gleich ausgebildet, d. h. durchgehend zum Verdampfungsraum hin geschlossen. Während des Betriebs der Verdampfungsanlage werden die Titanrohre durch die Verschmutzung des Abwassers stark belegt. Daher waren bisher regelmäßige Spülungen im Abstand von zwei bis drei Wochen mit einer Dauer von ca. 24 Stunden erforderlich, um den Verdampfer wieder funktionsfähig zu machen. Des weiteren mußte alle zwei bis drei Jahre eine komplette Revision des Verdampfers durchgeführt werden, bei der der Verdampfer geöffnet wird und die vier Einschübe 12 bis 15 mit einem großen Autokran aus dem Verdampfer-Grundkörper gehoben werden. Die Rohre 6 müssen dann manuell von Ablagerungen befreit werden. Mit neuen Dichtungen werden die vier Einschübe anschließend wieder montiert. Der Zeitraum einer Revision dauert typischerweise drei bis vier Wochen und kostet ca. 250.000 DM.

Diese beim Stand der Technik in den genannten Abständen erforderlichen, aufwendigen und teueren Reinigungen werden durch die erfindungsgemäße Abwandlung eines Rohrbündel-Verdampfers vermieden bzw. weitaus seltener erforderlich (Spülung nur alle zwei bis drei Monate und Revision nach ca. fünf Jahren).

Erfindungsgemäß ist etwa jedes zehnte Rohr 6 der Einschübe 12-15 rundherum mit Spritzdüsen versehen und an einen separaten Spülanschluß angeschlossen. Mit einer hohen Druckspülung können daher die restlichen Verdampfungsrohre 2 von Schmutz und Belegung befreit werden.

Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß mit geringem Aufwand existierende Rohrbündel-Verdampfer in der erfindungsgemäßen Weise nachgerüstet werden können. Zu diesem Zweck muß lediglich ein Teil der Rohre entnommen und mit Öffnungen bzw. Düsen 4 versehen werden. Weiterhin werden diese der Spülung dienenden Rohre vom Heizmittelkreislauf abgekoppelt und mit einer Zufuhr von Spülmittel verbunden. Bei dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Verdampfer wurde jedes zehnte Rohr in der genannten Weise in ein Spülrohr 6 umfunktioniert. Die Anordnung dieser Spülrohre ist in Fig. 3 durch einen Linienzug 11 angedeutet. Durch die 57 × 4 = 228 zu Spülrohren umfunktionierten Verdampfungsrohre geht zwar die Leistung des Verdampfers zurück, durch die damit mögliche regelmäßige Spülung kann der dann saubere Rohrbündel-Verdampfer jedoch immer maximale Leistung erbringen. Hierdurch wird der Rückgang der Leistung durch Verzicht auf Verdampfungsrohre mehr als kompensiert.

Bei einem Betrieb des in den Fig. 2 und 3 dargestellten Verdampfers findet eine Vorreinigung des zu verdampfenden Abwassers über einen Magnetabscheider und einen Vakuumfilter statt. Das vorgereinigte Gemisch wird in zwei Sammelbehältern à 250 m³ aufgenommen und durch Rührwerke homogenisiert. Das zu verdampfende Medium wird dann über einen 33µ Kerzenfilter mit einer Rate von ca. 10 bis 12 m³/h in den Verdampfer gegeben. Der Verdampfer wird mit ca. 150 mbar Unterdruck und bei einer Temperatur von ca. 55 bis 57°C gefahren. Der Auskondensierungsdruck beträgt +50 mbar. Zum Anfahren des Verdampfers (nach Stillstand) auf 55°C wird ein Umwälzkreislauf von ca. 4 m³ mittels technischer Wärme aufgeheizt. Gleichzeitig werden die Verdichter auf 200 U/min angefahren.

Wenn die Aufheiztemperatur erreicht ist, werden die Verdichter auf ca. 400 U/min hochgefahren. Gleichzeitig wird Einspritzwasser auf die Lauffläche gespritzt. Dabei wird außerhalb des Verdampferrohrbündels Dampf erzeugt. Dieser Dampf wird über die Verdichter angesaugt, wodurch eine Temperaturerhöhung um 2°C entsteht.

Dieser Dampf wird dann in die Rohre des Verdampfers geleitet, wodurch die Auskondensierung beim Ansprühen des Umwälzkreislaufes (Abwassergemisch) entsteht. Gleichzeitig wird ein Konzentratstrom in die Seperatorenvorlage geleitet (Menge ca. 3 bis 4 m³). Hierbei wird die Trennung von Schmutz, Wasser und Öl erreicht. Das Wasser wird wieder zurück in den Verdampferkreislauf geleitet.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Rohrbündel-Verdampfer

2

Heizrohr

3

Dampfabzug

4

Öffnung

5

Verdampfungsraum

6

Spülrohr

7

Abwasserzuleitung

8

Spülmittelzuleitung

9

Heizmittelzuleitung

10

Heizmittelableitung

11

Spülrohrverteilung

12

,

13

,

14

,

15

Einschübe

Claims

1. Rohrbündel-Verdampfer mit einem Verdampfungsraum und mit durch den Verdampfungsraum verlaufenden Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Rohre ein Spülrohr (6) ist, das eine oder mehrere Öffnungen (4) zum Verdampfungsraum (5) aufweist und mit einer Zuleitung (8) für ein Spülmittel verbunden ist.

2. Rohrbündel-Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 5 bis 15%, vorzugsweise ca. 10%, der Rohre (2, 6) Spülrohre (6) sind.

3. Rohrbündel-Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Öffnungen (4) gleichmäßig über die Oberfläche des Spülrohres (6) verteilt angeordnet sind.

4. Rohrbündel-Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (4) der Spülrohre (6) düsenförmig sind.

5. Verfahren zum Betrieb eines Rohrbündel-Verdampfers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Verdampfung kontinuierlich oder diskontinuierlich die der Heizung dienenden Rohre (2) durch Versprühen von Spülmittel aus den Öffnungen (4) der Spülrohre (6) gereinigt werden.