DE2307784A1

DE2307784A1 - Mehrstufen-fallfilmverdampfer

Info

Publication number: DE2307784A1
Application number: DE19732307784
Authority: DE
Inventors: Shunichi Machida; Shintvro Nakaya; Masaharu Tsujita; Ryoji Ueno
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1972-02-16
Filing date: 1973-02-16
Publication date: 1973-08-30
Also published as: JPS5237990B2; GB1381842A; JPS4884778A; US3820581A

Description

1A-449 16. Februar 1973

EBARA MANUFACTURING CO., LTD., Tokyo, Japan

Mehrstufen-Fallfilmverdampfer

Die Erfindung betrifft einen Mehrstufen-Fallfilmverdampfer mit einer Vielzahl von Verdampferkammern, mit einer Vielzahl von vertikalen Wärmeaustauschrohren, deren untere Enden durch eine untere Trennwand der jeweiligen Verdampferkammer geführt sind und deren oberen Enden mit einer Fliissigkeitswanne verbunden sind.

Die herkömmlichen Mehrstufen-Fallfilmverdampfer weisen eine Vielzahl vertikal ausgerichteter Wärmeaustauschrohre in zwei oder mehr Verdampferkammern auf, sowie einen Behälter zur Aufnahme einer Lösung. Die oberen Enden und die unteren Enden der Wärmeaustauschrohre sind mit jeweils zwei Platten in den Kammern verbunden. Die Druckdifferenz zwischen der oberen Verdampferkammer und der unteren Verdampferkammer bildet die treibende Kraft für die Strömung der Lösung durch die jeweiligen Druckregeleinrichtungen oder Druckverminderungseinrichtungen in den Kammern.

Die Druckverminderungsfunktion der Einrichtung zur Steuerung der Druckdifferenz bewirkt eine Druckdifferenz zwischen den einzelnen Kammern. Hierdurch erhält man eine wirksame vielstufige Verdampfung im Normalbetrieb. Zu Beginn des Betriebs (Inbetriebnahme) ist jedoch die Temperatur der Lösung gering,

309835/0946

so daß der Dampfdruck der zugefiihrten Lösung im wesentlichen der gleiche ist wie der Dampfdruck in der Lösung bei der Kühltemperatur in der untersten Kammer. In diesem Fall kommt jedoch keine Druckdifferenz in den Verdampferkammern zustande und die Druckverminderungsfunktion der Einrichtung zur Regelung einer Druckdifferenz verhindert dabei, daß Lösung durch die Wärmeaustauschrohre abfließt.

Wenn die Beheizung der Kammern begonnen wird, bevor die Menge der abfließenden Lösung ausreicht, die Innenwandungen der Wärmeaustauschrohre zu benetzen, so werden die Wärmeaustauschrohre durch die Erhitzung beschädigt. Somit wird durch die Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz der Betrieb unterbrochen.

Bei einem herkömmlichen Verdampfer mit einer Vielzahl von Verdampfungseffekten wird die erforderliche Menge der Lösung den Wärmeaustauschrohren aufgrund des Flüssigkeitsdrucks zugeführt. Diese Menge kann dadurch gesteigert werden, daß die Höhe des Fllissigkeitsspiegels in der Wanne oder dem Gefäß für die Flüssigkeit vergrößert wird. Es wurde jedoch gefunden, daß die Höhe des Flüssigkeitsspiegels in dem Gefäß mehr als 3 m betragen muß wenn die maximale Temperatur der Lösung bei 120 ⁰C liegt und wenn 10 wirksame Stufen vorliegen. Die Länge der Wärmeaustauschrohre beträgt jedoch gewöhnlich etwa 3 m. Demgemäß ist die Tiefe der Gefäße im wesentlichen gleich der Länge der Wärmeaustauschrohre und bedarf somit eines ähnlich großen Raums. Durch den hohen Raumbedarf und aufgrund der teuren Konstruktion der Apparatur ist ein derartiger Verdampfer unwirtschaftlich.

Darüberhinaus ist es schwierig, die Verdampferkapazitäten der einzelnen Kammern zu regeln, so daß die Lösung leicht über die Wanne überfließt und in daa kondensierte Wasser

309835/0946

gelangt, wenn eine Störung in der Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit auftritt, wodurch die Betriebssicherheit herabgesetzt ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Mehrstufen-Fallfilmverdampfer zu schaffen, welcher auch zu Beginn des Betriebs mit großer Betriebssicherheit und großer Verdampfungsleistung arbeitet und welcher kompakt und wirtschaftlich ist und eine Steuerung der Verdampfungsmenge in weitem Bereich erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Mehrstufen-Fallfilmverdampfer der genannten Art gelöst, welcher ein U-förmiges Überlaufrohr umfaßt, dessen oberes Ende mit der Flüssigkeitswanne oberhalb der Einrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz und dessen unteres Ende mit einer Zone niederen Drucks unterhalb der Einrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz verbunden ist.

Der erfindungsgemäße Verdampfer eignet sich zum Verdampfen oder Einengen einer Lösung und kann mit einer chemischen Anlage oder einer anderen Anlage verbunden sein. In jeder Phase des Betriebs wird eine Druckdifferenz wirksam aufrecht erhalten und der Verdampfungskoeffizient ist gegenüber herkömmlichen Verdampfern verbessert. Die Verdampfungseffekte können leicht geregelt werden und der Bereich in welchem die Verdampfungsmenge geregelt werden kann ist sehr groß. Die Tiefe der Flüssigkeitswanne kann verringert werden, wodurch das Gerät sehr kompakt aufgebaut ist.

Das Überlaufrohr regelt die Tiefe des Flüssigkeitsstandes in der FlUssigkeitswanne. Ein Überlaufen der Flüssigkeit aus der Wanne auf die Bodenplatte und eine damit verbundene

309835/0946

Verunreinigung des Kondensats mit Lösung wird wirksam vermieden. Überschüssige Flüssigkeit fließt jederzeit über das U-förmige Überlaufrohr über, unabhängig von der Druckdifferenz zwischen den Kammern.

Bei dem erfindungsgemäßen Verdampfer fließt eine überschüssige Flüssigkeit in die nächste Verdampferkammer ab, und zwar über das U-förmige Überlaufrohr, so daß ein Überlauf in der Lösung aus der Wanne auf den Boden der Verdampf erkammer 4 wirksam vermieden wird, und so daß die Druckdifferenzzwischen der oberen Kammer und der unteren Kammer durch die U-förmige Flüssigkeitssäule wirksam vermieden wird. Das U-förmige Überlaufrohr kann jede beliebige Form haben. Es kann eine U-Gestalt oder eine V-Gestalt haben, oder eine beliebige andere Gestalt, solange nur zwischen den beiden Enden eine Druckdifferenz bestehen kann. Demgemäß kann das Überlaufrohr etwa eine der folgenden Formen haben:

^oder

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Eb zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdampfers und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdampfers.

Gemäß Fig. 1 sind eine Vielzahl von Verdampferkammern 4 ein zeln übereinander vorgesehen, welche dadurch gebildet sind, daß ein Mantel 11 mit Platten 10 unterteilt ist. Auf diese Weise wird ein Mehrstufenverdampfer gebildet. Eine Vielzahl von Wärmeaustauschrohren 3 sind vertikal angeordnet und in die Platten 10 eingesetzt. Über den Wärmeaustauschrohren 3

309836/0946

ist eine Wanne 1 vorgesehen, welche zur Aufnahme der Lösung dient und über eine Plä±e 10' an den Wärmeaustauschrohren "befestigt ist. Die Wanne 1 ist mit einer Einrichtung 8 zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz versehen, sov/ie mit einer Einrichtung 9 für die Lösungsverteilung. Ein Überlaufauslaß 5 ist an der Wanne 1 an einer derartigen Stelle vorgesehen, daß die Tiefe der Lösung zur Aufrechterhaltung des oberen Kammerdrucks eingestellt ist. Mit dem Überlaufauslaß 5 ist ein Überlaufrohr 2 verbunden, welches eine U-förmige Gestalt hat, εο daß die Lösung in diesem Rohr in Form einer U-förmigen Flüssigkeitssäule 7 steht. Der Überlaufauslaß 6 des Überlaufrohrs 2 ist mit der unteren Platte 10' oder der Wanne 1 verbunden, so daß der Druck der unteren Kammer aufrechterhalten wird.

Gemäß Fig. 1 ist die Einrichtung 8 zur Aufrechterhaltung der Druckdifferenz durch die Wandung der Wanne und eine einen Widerstand darstellenden Öffnung 18 in der Wandung gebildet. Ein Teil der Lösung Q in der Wanne fließt durch die Öffnung 18 in die untere Kammer und erfährt eine Druckverminderung wenn sie durch die einen Strömungswiderstand darstellende Öffnung fließt. Auf diese Weise wird eine Druckdifferenz aufgebaut. Die gesamte verbleibende Lösung Q in der Wandung fließt über das Überlaufrohr 2, welches sich über das U-förmige Rohre 7 vom oberen Bereich zum unteren Bereich der Einrichtung θ zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz erstreckt.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdampfers. Hierbei ist eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz mit einer Einrichtung zur Lösungsverteilung einstückig verbunden, so daß sowohl die Einrichtung zur Druckverminderung als auch die Einrichtung zur Lösungsverteilung am Einlaß der Wärmeaustauschrohre ge-

309835/0946

bildet sind. Der Auslaß 6 des Überlaufrohrs 2 mündet oberhalb der Wanne 1 der nächst unteren Verdampfungskammer 4 aus.

Bei dieser Ausfiihrungsform fließt der größte Teil der Lösung Q durch die Einrichtung 9 zur Druckverminderung und zur Lösungsverteilung in die Wärmeaustauschrohre 3, wenn der Betrieb normal verläuft. Lediglich eine gewisse Menge dieser Lösung, welche erforderlich ist, um eine genügende Menge der Lösung in dem U-förmigen Rohr 7 zu halten, wird durch ein Kapillarrohr 12 abgeführt. Die in dem U-förmigen Rohr 7 stehende Lösung dient dem Druckverschluß.

Bei dieser Ausführungsform hat das Überlaufrohr 2 eine Sicherheitsfunktion, wenn der Lösungsspiegel aufgrund einer Störung in der Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit der Lösung Q zu Beginn des Betriebs zu hoch steigt. Hierdurch wird im Vergleich zu herkömmlichen vertikalen Verdampfern die Betriebssicherheit wesentlich erhöht.

In den Figuren bedeutet das Bezugszeichen 13 einen Auslaß für Kondenswasser, das Bezugszeichen Q die Originallösung, das Bezugszeichen S Dampf und die Bezugszeichen P und P¹ den Druck in den Dampf kammern, h und h¹ bedeuten die Flüssigkeitssäule in dem U-förmigen Rohr, entsprechend der Druckd i fferenz.

Zur Regelung des Dampfdrucks in jeder Verdampfungskammer und zur Erhöhung des Wärmeaustauschkoeffizienten der Wärmeaustauachrohre kann man einen Durchgang für nicht kondensiertes Gas zwischen der oberen Verdampferkammer und der unteren Verdampferkammer vorsehen. Dieser Durchgang fur das nicht kondensierte Gas kann in Form einer Vielzahl feiner Löcher vorgesehen sein, und zwar vorzugsweise in der Mitte der Kammer oder an einer Seite der Kammer, welche dem oberen Dampf-

309835/0946

durchgang von den unteren Enden der Wärmeaustauschrohre der oberen Kammer gegenüberliegt, wobei ein Teil des Dampfes gleichförmig mit den Wärmeaustauschrohren in der Verdampfungskammer in Berührung kommt. Hierdurch wird ein Stau nicht kondensierten Gases rund um die Wärmeaustauschrohre entfernt.

Bei dem erfindungsgemäßen vertikalen Verdampfer gemäß Fig. strömt der in der oberen Kammer verdampfte Dampf S in die untere Verdampfungskammer 4 rund um die Wärmeaustauschrohre 3 und dient als Wärmequelle für die untere Verdampfungskammer. Die nicht verdampfte Lösung Q fließt in die Wanne der unteren Verdampfungskammer und von ihr durch die Einrichtung 8 zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz und durch die Einrichtung zur Lösungsverteilung 9 in die Wärmeaustauschrohre 3 ab. Wenn die Lösung Q durch die Einrichtung 8 zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz fließt, so wird der Druck der Lösung reduziert, so daß die Lösung in der unteren Verdampferkammer bei einer niederen Temperatur verdampft und kondensiert als die Lösung in der oberen Verdampferkammer. Im normalen Betrieb wird die Lösung Q in der obersten Verdampfungskammer erhitzt und verdampft bis der Sättigungsdampfdruck bei der entsprechenden Temperatur erreicht ist. Auf diese Weise wird der Druck aufrechterhalten.

Andererseits wird der Dampf in der unteren Verdampferkammer durch KUhlung mit Kühlwasser kondensiert, so daß hier der Dampfdruck dem Kühleffekt des Kühlwassers entsprechend sich einstellt. Die Druckdifferenz resultiert aus dem Unterschied in dem gesättigten Dampfdruck in der oberen Kammer und in der unteren Kammer und bildet die Energiequelle. Die Lösung fließt in einer vorbestimmten Geschwindigkeit durch jede der Einrichtungen 8 zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz in jeder Kammer, so daß die Druckdifferenzen zwischen den Kammern aufgrund einer Druckverminderungsfunktion Zustandekommen. Die Temperatur der Lösung v;ird durch die Ver-

309836/0946

dampfung herabgesetzt, so daß sich der gesättigte Dampfdruck von Kammer zu Kammer ändert und im Gleichgewicht mit der Druckverminderungsfunktion steht. Auf diese Weise wird ein Normalbetrieb aufrechterhalten. Ein Teil der Lösung Q in der Einrichtung 8 zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz fließt durch die einen Strömungswiderstand darstellenden Öffnungen 18 und der Rest der Lösung Q fließt durch den Überlaufauslaß 5 und das Überlaufrohr 2 und bildet eine U-förmige Lösungssäule 7.

Die Höhe h der Säule in dem U-förmigen Rohr wird jeweils verändert, um die Druckdifferenz zwischen dem oberen Bereich und dem unteren Bereich der Einrichtung 8 zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz zu kompensieren. Hierbei gilt die folgende Gleichtung

ρ - P' = γ xh

wobei P den Druck im oberen Bereich und ?' den Druck im unteren Bereich bedeutet und wobei f das spezifische Gewicht der Lösung bedeutet. Wenn die Lösung dem rechten Ende der U-förmigen Lösungskolonne zugeführt wird, so erhöht sich der rechte Zweig der U-förmigen Fliissigkeitskolonne und der Wert h steigt. Andererseits fließt die Lösung jedoch vom linken Ende in den unteren Bereich der Einrichtung 8 zur Aufrechterhai tung einer Druckdifferenz in gleicher Menge ab. Auf diese Weise wird die Flüssigkeitssäule (h) aufrechterhalten und die Druckdifferenz (P-P¹) wird nicht beeinträchtigt.

Die Lösung Q, welche vom Überlaufrohr 2 abfließt, vereinigt sich mit der Lösung, welche durch die einen Strömungswiderstand darstellenden Öffnungen 18 der Einrichtung 8 zur Aufrechterhai tung einer Druckdifferenz fließt. Die vereinigte Lösung fließt gleichförmig durch die Lösungsverteileinrichtung 9 in die'Wärmeaustauschrohre 3 ab. Die Menge der Lösung,

309835/0946

welche durch die einen Strömungswiderstand darstellenden Öffnungen abfließt, hängt von der Druckdifferenz (P - P ) und der Tiefe der Lösung in der Wanne (1) ab. Die Tiefe der Lösung ist konstant und wird nicht durch Änderungen der Zufuhrgeschwindigkeit der Lösung Q beeinflusst, da das Überlaufrohr 2 sich in einer bestimmten festen Stellung befindet.

Demgemäß hängt die Menge der durch die einen Strömungswiderstand darstellenden Öffnungen der Einrichtung 8 zur Aufrechterhai tung einer Druckdifferenz fließenden Lösung nur -vcn der Druckdifferenz (P - P ) ab. Demgemäß wird diese Lösungsmenge durch den gesättigten Dampfdruck bei der Temperatur der Lösung in der oberen Kammer und durch den gesättigten Dampfdruck bei der Temperatur der Lösung in der unteren Kammer bestimmt. Die Druckdifferenz in dem Verdampfer verteilt sich proportional auf jeden Strömungswiderstand der Einrichtungen 8 zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz in den Kammern. Die Druckdifferenz (P-P') zwischen benachbarten Kammern hängt eng mit dem Verdampfungskoeffizienten in jeder Kammer zusammen.

Die Druckdifferenzen (P - P¹) zwischen benachbarten Kammern und der Verdampfungskoeffizient in jeder Kammer können durch geeignete Wahl der Temperatur der Lösung in der oberen Kammer geregelt werden, so daß das Regelsystem recht einfach ist. Darliber hinaus wird die Geschwindigkeit der Lösung nicht durch die Tiefe der Lösung in der Wanne 1 und durch den Strömungswiderstand der Einrichtung 8 zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz beeinflusst, so daß diese in weitem Bereich verändert werden können. Die Regelung des Verdampfungskoeffizienten in jeder Kammer ist sehr einfach, so daß auch die Verdampfungsgeschwindigkeit in weitem Bereich variiert werden kann.

309835/0946

- ίο -

Erfindungsgemäß fließt die überschüssige Lösung durch das Überlaufrohr ab, so daß ein Überlauf der Lösung von der Wanne zum Boden der Verdampfungskammer verhindert wird. Darüber hinaus kann die Strömungsgeschwindigkeit der Lösung in weitem Umfang variiert werden, ohne daß die Tiefe der Lösung in der Wanne beeinflusst wird und ohne daß der Strömungswiderstand in der Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz beeinflusst wird. Dies ist auf die U-förmige Lösungssäule im Überlaufrohr zurückzuführen, so daß stets eine Druckdifferenz aufrechterhalten wird.

Ferner kann der Verdampfungskoeffizient in jeder Kammer leicht geregelt werden, so daß der Regelbereich der Verdampfungsgeschwindigkeit erhöht werden kann. Die Tiefe der Lösung in den Wannen kann stark verringert werden, so daß die Kosten für die Apparatur gesenkt werden können. Es ist ferner möglich, einen übermäßigen Anstieg des Lösungsspiegels in der Wanne oberhalb der Wärmeaustauscherrohre aufgrund eines Wechsels der Strömungsgeschwindigkeit der Lösung oder der Druckdifferenz zu verhindern, wodurch eine Verunreinigung des kondensierten Wassers mit aus der Wanne aufgrund eines übermäßigen Fliissigkeitsanstiegs überlaufender Lösung verhindert wird. Auf diese Weise wird die Betriebssicherheit aufrechterhalten, auch wenn eine Störung hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit eintritt. Der Verdampfungskoeffizient wird verbessert, ohne daß der Verdampfungsvorgang gestört wird und die Regelung der einzelnen Verdampferkammern ist sehr vereinfacht, wodurch sich die Handhabung des Gerätes vereinfacht.

309835/0946

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Mehrstufen-Fallfilmverdampfer mit einer Vielzahl von Verdampferkammern, mit einer Vielzahl von vertikalen Wärmeaustauschrohren, deren untere Enden durch eine untere Trennwand der jeweiligen Verdampferkammer geführt sind und deren obere Enden mit einer Flüssigkeitswanne verbunden sind, gekennzeichnet durch ein U-förmiges Überlaufrohr (2), dessen oberes Ende mit der Flüssigkeitswanne (1) oberhalb der Einrichtung (9,18) zur Erzeugung einer Druckdifferenz und dessen unteres Ende mit einer Zone niederen Drucks unterhalb der Einrichtung (9,18) zur Erzeugung einer Druckdifferenz verbunden ist.

2. Mehrstufen-Fallfilmverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Überlaufrohrs (2) durch die untere Trennwand (10) der jeweiligen Verdampferkammer (4) geführt ist und oberhalb der nächst unteren Flüssigkeitswanne (1) ausmündet.

3. Mehrstufen-Fallfilmverdampfer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Enden der Wärmeaustauschrohre (3) durch die als Flüssigkeitsverteilplatte wirkende Bodenplatte (9) der Flüssigkeitswanne (1) geführt sind und als Einrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz dienen.

4. Mehrstufen-Fallfilmverdampfer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (8) der Flüssigkeitswanne'(1) die Einrichtung (18) zur Erzeugung einer Druckdifferenz umfaßt und mit Abstand über einer dicht mit der Flüssigkeitswanne (1) verbundenen Platte (10^!) angeordnet ist, durch welche die Enden der Wärmeaustauschrohre (3) geführt sind.

309835/0946

5. Mehrstufen-Fallfilmverdampfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des U-förmigen Überlaufrohrs (2) zwischen der Bodenplatte (8) der FlUssigkeitswanne (1) und der Platte (10·) ausmlindet.

6. Mehrstufen-Fallfilmverdampfer nach einem der Ansprliche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Bodenplatte (8) der Flussigkeitswanne (1) und der Platte (10¹) eine FlUssigkeitsverteileinrichtung (9) angeordnet ist.

7. Mehrstufen-Fallfilmverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Kapillarrohr (12), welches das U-förmige Überlaufrohr (2) mit der Flüssigkeit in der Fllissigkeitswanne (1) verbindet.

8. Mehrstufen-Fallfilmverdampfer nach einem der Ansprliche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Durchlaß für nicht kondensiertes Gas zwischen jeweils zwei benachbarten Verdampferkammern (4).

309835/0946

Leerseite