DE2302133A1 - Verfahren zum verdampfen einer stroemenden fluessigkeit - Google Patents

Description

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BLACK, SIVALLS & BRYSON, INC., Oklahoma City, Oklahoma United States of America

Verfahren zum Verdampfen einer strömenden Flüssigkeit ■

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen einer strömenden Flüssigkeit, bei dem die Flüssigkeit durch einen Wärmetauscher im Wärmeaustausch mit einem dampfförmigen Heizmedium geführt und dadurch mindestens ein Teil des Dampfes kondensiert wird.

Es sind bereits zahlreiche und verschiedene Verfahren zum Verdampfen von Flüssigkeitsströmen entwickelt worden und zur Anwendung gekommen. Ein sehr verbreitetes Verfahren, das insbesondere in relativ grossen Anlagen^wie Benzin- und Ölraffinerien und chemischen Anlagen,eingesetzt wird, ist das vors behend geschilderte, bei dem ein zu verdampfender Flüssigkeitsstrom ia Wärmeaustausch mit dem Dampf eines Heiz-

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mediums durch, einen Wärmetauscher geleitet wird. Die meisten Verfahrensanlagen der erwähnten Art verwenden Dampf als Energiequelle sowohl zum Betrieb von durch. Turbinen angetriebenen Pumpen, Gebläsen und dergleichen als auch als Wärmequelle. Folglich vollzieht sich, die Verdampfung der verschiedensten Flüssigkeitsströme in solchen Anlagen durch Wärmeaustausch zwischen dem Dampf und den Strömen.

Wenn einer siedenden Flüssigkeit, die sich innerhalb von Heizrohren befindet, Wärme mit zu grosser Geschwindigkeit übertragen wird, dann bildet sich eine Dampfschicht der zu erhitzenden Flüssigkeit unmittelbar an und über der ganzen Innenwand der Rohre, die eine Isolierschicht, zwischen den Rohrwandungen und. der hindurchströmenden Flüssigkeit darstellt. Dieser Zustand, der in der einschlägigen Technik als Dampfbildung bezeichnet wird, führt zu einer Herabsetzung des Wärmeüberganges an die Flüssigkeit. Die Folge davon ist, daß der Siedeprozess in den Rohren instabil und ungleichmässig wird. Aufgrund des sehr hohen Wärmeflusses zwischen kondensierendem Dampf an der Aussenseite der Heizrohre und siedender Flüssigkeit innerhalb der Rohre tritt eine Dampfbildung sehr leicht auf.

Um das Auftreten von Dampfbildung in Wärmetauschern, die zum Verdampfen flüssiger Ströme mit einem kondensierenden Dampf eines Heizmediums eingesetzt werden, zuzulassen, sind bisher

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Wärmetauschereinrichtungen mit zusätzlichen Heizrohroberflächen verwendet worden. Diese machen aber die Wärmetauschereinrichtungen unzweckmässig teuer und es ist darüberhinaus trotz zusätzlicher und vergrösserter Heizrohrfläche schwierig, stabile Betriebsbedingungen im Wärmetauscher einzustellen.

Erfindungsgemäss wird eine Verbesserung des eingangs geschilderten Verfahrens dergestalt vorgeschlagen, dass dem Dampf in gesteuerter Menge ein inertes Gas beigemischt wird, um den Wärmefluss von dem kondensierenden Dampf zu der verdampfenden Flüssigkeit zu steuern und unterhalb des Wertes zu halten, bei dem eine Dampfbildung der Flüssigkeit auftritt« (Unter "Wärmefluss" ist die übergehende Wärmemenge je Zeiteinheit zu verstehen.)

Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich in relativ billigen Wärmeaustauscheinrichtunge» durchführen und führt zu einer stabilen Betriebsweise.

Unter einem "inerten Gas" ist jegliches Gas zu verstehen, das mit dem Dampf des Heizmediums nicht chemisch reagiert. Am häufigsten ist das Heizmedium Wasser und das inerte Gas beispielsweise Luft oder Stickstoff. Vorzugsweise wird die je Zeiteinheit zugeführte Menge, in der das inerte Gas mit dem Dampf kombiniert wird, proportional zum Zusetzen des Wärmetauschers reduziert.

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In einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird das Heizmedium in einem geschlossenen Behälter kontinuierlich verdampft und der Flüssigkeitsstrom durch Wärmetauscherrohre geleitet, die in dem über dem Flüssigkeitsspiegel des im Kessel befindlichen flüssigen Heizmediums vorhandenen Raum angeordnet sind. Dabei wird eine gesteuerte Menge an inertem Gas von vornherein in den geschlossenen Behälter eingebracht.

In einer anderen Anordnung wird ein Dampfstrom des Heizmediums von einer äusseren Quelle her kontinuierlich durch einen Wärmetauscher geführt, der auch von dem Flüssigkeitssirom durchströmt wird, und es wird ein Strom des inerten Gases mit dem Dampfstrom des Heizmediums kombiniert, bevor dieser in den Wärmetauscher eintritt.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren Unteransprüchen. Es zeigt:

Figur 1 eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in schematischer Darstellung, die einen teilweise im Querschnitt gezeigten Dampfgenerator enthält;

Figur 2 eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemässen " Verfahrens in schematischer Darstellung, die einen teilweise im Schnitt gezeigten Wärmetauscher umfasst

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und

Figur 3 eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Menge an inertem Gas, die in einem zur Verdampfung flüssigen Propans verwendeten Dampf enthalten is^ und dem. Wärmefluss in das flüssige Propan veranschaulicht.

Die in Figur 1 gezeigte Anlage umfasst einen Dampfgenerator 12, in dem eine Heizschlange 16 montiert ist. Der Heizschlange wird ein Strom zu verdampfender Flüssigkeit durch eine Leitung 14 zugeführt. Beim Durchströmen der Heizschlange 16 wird die Flüssigkeit erhitzt und verdampft und der entstehende Dampf wird durch eine Leitung 18 einem Verbraucher zugeführt. Der Dampfgenerator 12 enthält weiterhin einen Gasbrenner 36, dem über eine Leitung 22 mit einem Brenngas-Steuerventil 24 Brenngas zugeführt wird. Das Brenngas-Steuerventil 24 ist durch ein Temperaturüberwachungsgerät 26 gesteuert, das den Zustrom an Brenngas überwacht, um den Dampf in der Leitung 18 auf einer gewünschten Temperatur zu halten. Der Gasbrenner 36 ist an eine Brennkammer 38 in Form eines U-Rohres angebaut, die sich in einem geschlossenen Behälter 28 befindet und einen Rauchabzug 40 aufweist. Der Behälter 28 besitzt einen Wasseranschluss 30 und ein Belüftungsventil 32 an der Oberseite sowie ein V/asserauslassventil 34.

Die Heizschlange 16 besteht aus einer Mehrzahl von hintereinander angeschlossenen Heizrohren 4<£ und ist im oberen Teil

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des Behälters 28 angeordnet. Die Enden der Heizschlange durchsetzen eine Stirnseite des Behälters 28 und sind dort dicht verschweisst.

In dein. Behälter 28 befindet sich Wasser 48 unter den Heizrohren 42 der Heizschlange 16, das die Brennkammer 38 vollständig "bedeckt. Eine Leitung 50, die an eine Quelle für inertes Gas, zum Beispiel Stickstoff, angeschlossen ist, führt in den oberen Teil des Behälters 28 und enthält ein Ventil 52.

Im Betrieb wird ein Teil' des Wassers 48 durch das im Brenner 36 verbrannte Brenngas erhitzt und verdampft, so dass der Dampf um die Heizrohre 42 aufsteigt. Kach dem'Inbetriebsetzen der Anlage 12 wird aus dem Behälter 28 Luft durch öffnen des Beluftungsventiles 32 entfernt. Sobald alle Luft aus dem Behälter 28 abgelassen ist, wird das Belüftungsventil 32 wieder geschlossen.

Ein Strom von zu verdampfender Flüssigkeit wird durch die Leitung 14 den Heizrohren 42 zugeführt, dort erhitzt und verdampft. Der entstehende Dampf verlässt die Heizschlange und gelangt in die Leitung 18, aus der er zu einem Verbraucher abgeführt wird. Gleichzeitig wird kontinuierlich aus dem V/asser 48 Dampf erzeugt, der an der Heizschlange 16 kondensiert und wieder in das Wasser 48 zurückfliesct. Aufgrund dessen,, dass der Wärmeübergang zwischen dem kondensierenden

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Dampf an der Aussenseite der Heizrohre 42 und der siedenden Flüssigkeit innerhalb der Heizrohre 42 erfolgt, ist der Widerstand gegen den Wärmestrom sehr niedrig und es wird eine hohe Wärmemenge in der Zeiteinheit in die zu verdampfende Flüssigkeit übertragen. Zum Beispiel ist der Wärmefluss von kondensierendem Dampf zu siedendem Propan sehr hoch, so dass sehr leicht eine Dampfbildung in,der siedenden Flüssigkeit auftritt.

Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird der Wännefluss in die siedende Flüssigkeit reduziert und auf einen Wert eingesteuert, der gerade unterhalb des Wertes liegt, bei dem die Dampfbildung auftritt. Dies erfolgt durch Verdünnung des Heizmediumdampfes mit einem inerten Gas, durch die der Widerstand gegen den Wärmeübergang an der Aussenseite der Heizrohre erhöht wird. In anderer Weise formuliert besagt dies, dass der"Wärmefluss von dem kondensierenden Heizmedium Dampf durch die Gegenwart einer gesteuerten Menge an inertem Gas um die Heizrohre reduziert wird.

In der Anordnung gemäss Figur 1 wird nach der Inbetriebnahme der Anlage 10 das Ventil 42 geöffnet, so dass eine ausreichende Menge an inertem Gas in den geschlossenen Behälter 28 eingeblasen wird, um den Wärmeübergang von dem kondensierenden Dampf an die siedende Flüssigkeit auf einen Wert einzustellen, der gerade unter dem Wert liegt, bei dem eine Dampfbildung auftritt. Dann wird das Ventil 52 wieder geschlossen.

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Eine bevorzugte Technik zur Bestimmung der richtigen Menge an inertem Gas, die in den Behälter 28 eingeblasen werden muss, "besteht in folgendem: Nachdem die Luft aus dem Behälter 28 der Anlage 12 entzogen worden ist, wird eine geringe Menge an inertem Gas in den Behälter 28 eingeblasen. Dann wird die Anlage in Betrieb gesetzt, so dass der die Anlage 12 durchsetzende Flüssigkeitsstrom verdampft und auf eine gewünschte Temperatur überhitzt wird. Dies bedeutet, dass das Temperaturüberwachungsgerät 26 auf eine Temperatur eingestellt wird, die mindestens mehrere Grad über der Sättigungsdampftemperatur der zu verdampfenden Flüssigkeit bei dem in der Anlage herrschenden Druck liegt. Daraufhin wird die Stabilität des Verdampfungsvorganges beobachtet. Wenn die Temperatur des die Leitung 18 durchströmenden Dampfes merklich schwankt oder wenn der Flüssigkeitsstrom nicht vollständig verdampft wird, steht fest, dass eine Dampfbildung vorliegt. Ist dies der Fall, wird weiteres inertes Gas in den Behälter 28 eingeleitet und die Beobachtung erneut aufgenommen. Inertes Gas wird dann so lange, eingeblasen, bis der Betrieb stabil wird und der Flüssigkeitsstrom vollständig verdampft und auf die gewünschte Temperatur überhitzt wird.

Wird die Wärmetauscheranlage eine gewisse Zeit betrieben, so setzen sich die Wandungen der Heizrohre mit Schmutz und sonstigen Verunreinigungen zu. Dieses Zusetzen erfolgt durch Ablagerung sowohl an der Innen- als auch an der Aussenseite der Rohrwandungen und es entsteht ein Schmutzfilm, der dem

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Wärmedurchgang einen Widerstand entgegensetzt. Erfindungsgemäss wird mit zunehmendem Zusetzen der Heizrohre 42 in der Anlage 12 die Menge an inertem Gas, das in dem Behälter 28 vorhanden ist, herabgesetzt, um den durch das Zusetzen bedingten Effekt auszugleichen und den Wärmefluss in die zu verdampfende Flüssigkeit konstant zu halten. Dies erfolgt durch Öffnen des Lüftungsventiles 32, so dass ein Teil des inerten Gases im Behälter 28 in die Atmosphäre entweicht.

Figur 2 zeigt eine andere Anlage mit einem Mantel-Röhren-Wärmetauscher 62, in dem der zu verdampfende Flüssigkeitsstrom die Röhren und ein Heizmedium, zum Beispiel Dampf, den Mantel durchströmt. Der Wärmetauscher 62 besteht folglich aus einem geschlossenen Mantel 63, in dem Heizrohren 64 in einer von mehreren möglichen Arten angeordnet sind. Die zu verdampfende Flüssigkeit strömt innerhalb der Heizrohre, die von aussen durch Heizdampf beaufschlagt sind. Wie aus Figur 2 hervorgeht, können beispielsweise die Heizrohren zueinander parallel geschaltet zwischen einem Paar von Röhrenböden 66 und 68 angeordnet sein. Die Röhren 64 durchsetzen die Röhrenböden 66 und 68 und sind mit diesen dicht verschweisst. Die Röhrenböden sind ihrerseits mit der Innenseite des Mantels 63 dampfdicht verschweisst. An einer Stirnseite des Mantels 63 ist ein Anschluss für den Flüssigkeitsstrom und an der gegenüberliegenden Seite eine Dampfauslassleitung 76 vorgesehen. Für den Heizdampf sind ein Einlass 80 und ein Auslass 84 vorgesehen, so dass der Dampf die Röhren 64 umströmt, wobei Umlenkbleche 65 dazu die-

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nen, den Dampf in innigen Kontakt mit den Aussenwandungen der Heizrohren 64 zu bringen. An den Anschluss 80 schliesst eine Leitung 86 an, die eine Verbindung zu einer Quelle für inertes Gas herstellt und ein Ventil 8? enthält.

Im Betrieb dieser Anlage wird ein Heizdampfstrom, zum Beispiel gesättigter Dampf, über den Anschluss 80 in den Mantelraum des Wärmetauschers 62 eingeleitet und durch den Auslass 84 wieder abgezogen. Der Flüssigkeitsstrom tritt in den Wärmetauscher bei 72 ein und wird durch die latente Wärme verdampft, die beim Kondensieren eines Teiles des Dampfes auf den Röhren frei wird. Das Kondensat verlässt den Wärmetauscher ebenfalls über die Leitung 84.

Um eine Dampfbildung der siedenden, die Röhren 64 durchströmenden Flüssigkeit zu vermeiden, wird mit dem Heizdampf über den Anschluss 86 ein Strom inerten Gases kombiniert. Wie zuvor schon erläutert, bewirkt die Gegenwart des mit dem Heizdampf kombinierten inerten Gases eine Reduzierung des Wärmeflusses in die Flüssigkeit. Im vorliegenden Fall muss ein kontinuierlicher Strom des inerten Gases mit dem den Wärmetauscher 62 durchströmenden Heizdampf vermischt werden. Die erforderliche Zumischcienge an inertem Gas wird auf gleiche Weise wie vorstehend erläutert bestimmt. Das heisst, der Durchsatz an inertem Gas wird so lange erhöht, bis die erkennbaren Anzeichen einer Dampfbildung im Wärmetauscher 62 verschwinden. Wenn einmal die korrekte Durchsatzmenge bestimmt

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ist, wird ein kontinuierlicher Strom des inerten Gases eingestellt und mit dem Heizdampf kombiniert, so dass keine Dampfbildung mehr auftritt.

Auch hier setzen sich die Heizrohren 6A- im Wärmetauscher 62 mit der Zeit zu, so dass zweckmässigerweise der Durchsatz an inertem Gas, das mit dem Heizdampf kombiniert wird, herabgesetzt werden kann, um den Wärmefluss auf einem konstanten Vert zu halten.

Als Folge des erfindungsgemässen "Vorschlages kann die Heizröhrenoberfläche, die in den entsprechenden Einrichtungen benötigt wird, im allgemeinen kleiner gehalten werden als dies erforderlich wäre, um vergleichbare bekannte Verfahren durchzuführen. Von grösserer Bedeutung ist noch, dass sich durch das erfindungsgemässe Verfahren infolge der Ausschaltung des Dampfbindungsproblems stabile Betriebsbedingungen erzielen lassen. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird zwar eine grössere Heizröhrenoberfläche zur Verdampfung eines bestimmten Flüssigkeitsstromes als bei bekannten Verfahren benötigt, da eine Herabsetzung des Wärmeflusses erfolgt. Da aber die bei den bekannten Verfahren zusätzlich erforderliche Köhrenoberfläche, die vorgesehen wird, um die Dampfbildung und das Zusetzen des Wärmetauschers zu berücksichtigen, wegfallen kann, ergibt sich insgesamt eine Verkleinerung der Geüüiat fläche.

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Bei del? !rmittlung der für einen besonderen Anwendungsfall
des erfindungsgemässen Verfahrens notwendigen Oberfläche lassen sich herkömmliche Berechnungsmethoden zugrunde legen, wobei ein Wert verwendet wird, der in der einschlägigen Technik als "!Üeiikondensierungs-Wärmeübergangskoeffizient" bezeichnet wird* Dieser Koeffizient lässt sich für ein bestimmtes Wärmetäuschermedium, das mit verschiedenen Mengen von inertem Gas
kombiniert ist, ebenso wie der Wärmefluss an einen bestimmten zu Verdämpfenden Flüssigkeitsstrom bestimmen. In dem Schaubild gemäss Figur 3 ist auf der Abszisse der Wärmefluss beim
Verdampfen, von Propan und auf der Ordinate das Gewichtsverhältnis von Stickstoff zu gesättigtem Dampf im Heizmedium
aufgetragen. Aus dieser Figur 3 lässt sich erkennen, dass der Wärmefluss in das Propan mit zunehmender Verdünnung des Dampfes mittels Stickstoff abnimmt.

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Verdampfen einer strömenden Flüssigkeit, bei dem die !Flüssigkeit durch einen Wärmetauscher im

. Wärmeaustausch mit einem dampfförmigen Heizmedium geführt und dadurch mindestens ein Teil des Dampfes kondensiert wird, dadurch, gekennzeichnet, dass dem Dampf in gesteuerter Menge ein inertes Gas beigemischt wird, um den Wärmefluss von dem kondensierenden Dampf zu der verdampfenden Flüssigkeit zu steuern und unterhalb des Wertes zu halten, bei dem eine Dampfbildung der Flüssigkeit auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge Je Zeiteinheit, in der das inerte Gas mit dem Dampf kombiniert wird, proportional zur Zusetzung des Wärmetauschers verringert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Heizmedium kontinuierlich in einem geschlossenen Behälter verdampft und der Flüssigkeitsstrom durch Wärmetauscherröhren geleitet wird, die über dem Flüssigkeitsspiegel des Heizmediums liegen, dadurch gekennzeichnet, dass eine bestimmte, gesteuerte Menge des inerten Gases anfänglich in den geschlossenen Behälter eingeleitet wird.

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4. Verfahren nach. Anspruch 1 oder 2, "bei dem ein Strom des Heizdampfes von einer äusseren Quelle kontinuierlich durch einen Wärmetauscher geführt wird, der auch von dem flüssigkeitsstrom durchsetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom von inertem Gas vor dem Eintritt in den Wärmetauscher mit dem Heizdampf strom kombiniert wird·

5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Heizmedium Wasser verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch ge-. kennzeichnet, dass als inertes Gas Luft oder Stickstoff verwendet wird.

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