DE2716808A1

DE2716808A1 - Concentrating solutions by indirect heat exchange - with a cooling medium whose pressure is varied to flex the exchanger walls

Info

Publication number: DE2716808A1
Application number: DE19772716808
Authority: DE
Inventors: Walter Linde
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1977-04-15
Filing date: 1977-04-15
Publication date: 1978-10-19

Abstract

The solution to be concentrated enters a housing via a pipe and leaves via another pipe with the aid of an impeller. The cooling medium enters tubular or plate heat exchangers via a pipe (5) and leaves via another pipe. Movement of the exchanger walls is effected by pulsating the cooling medium with a piston driven by an eccentric. The exchanger walls can be periodically warmed. Used for crystallisation. Solutions of widely differing concentrations can be handled with uniform effect. Cavitation, and crystallisation on the heat exchanger walls are prevented.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Eindicken Method and device for thickening

von Lösungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Eindicken von Lösungen, bei dem aus der zu konzentrierenden Lösung mit Hilfe mindestens eines von einem KUhlmedium durchströmten Wärmetauschers die kristallisierbaren Bestandteile ausgefroren erden, wobei zwischen den Wkrmetauschflachen des Wärmetauschers und der zu konzentrierenden Lösung eine Relativbewegung erzeugt wird. of solutions The invention relates to a method and an apparatus for thickening solutions, with the help of the solution to be concentrated at least one heat exchanger through which a cooling medium flows, the crystallizable Ground constituents frozen out, with between the heat exchanger surfaces and a relative movement is generated in the solution to be concentrated.

Das Eindicken von meist wässrigen Lösungen durch Ausfrieren der kristallislerbaren Bestandteile, die beim Unterschreiten der Gleichgewichtstemperatur in die feste Phase Übergehen und danach von der verbleibenden, aurkonzcntrierten Lösung mechanisch abgetrennt werden können, mit Hilfe eines Wärmetauschers ist bekannt, Um dabei zu verhindern, daß sich eine Schicht aus kristallisierten Bestandteilen auf den Wärmetauschflächen des Wärmetauschers festsetzt die wärme- bzw. kälteisolierend wirkt und nur schwierig wieder von den Wärmetauschflächen zu entfernen ist, wurde vorgeschlagen, die Wärmetauschflächen, beispielsweise Rohre oder Platten, auf Schwingungselemente zu lagern und über Vibrationseinrichtungen in Schwingungen zu versetzen. Durch die auftretenden Massenkräfte wird erreicht, daß eventuell an den Wärmetauschflächen anhaftende kristallisierte Bestandteile der Lösung abgeschert werden. Gleichzeitig stellt sich der Vorteil einer guten Durchmischung und einer für den Ausfriervorgang günstigen gleichmäßigen Konzentrationsverteilung der Lösung ein, so daß ein zu starkes Konzentrationsgefälle in Richtung der Wärmetauschflächen mit ungleichen Ausfriereigenschaften von vornherein verhindert wird. The thickening of mostly aqueous solutions by freezing out the crystallizable ones Components that enter the solid when the temperature falls below the equilibrium Skip phase and then from the remaining, concentrated Solution can be separated mechanically, with the help of a heat exchanger is known In order to prevent a layer of crystallized constituents from forming on the heat exchange surfaces of the heat exchanger fixes the heat or cold insulating acts and is difficult to remove again from the heat exchange surfaces proposed that the heat exchange surfaces, for example tubes or plates, on vibration elements to be stored and to vibrate via vibration devices. Through the occurring mass forces is achieved that possibly on the heat exchange surfaces adhering crystallized components of the solution are sheared off. Simultaneously there is the advantage of good mixing and one for the freezing process favorable uniform concentration distribution of the solution, so that too strong a Concentration gradient in the direction of the heat exchange surfaces with unequal freezing properties is prevented from the outset.

Insbesondere bei höheren Schwingungsfrequenzen der Wärmetauschflächen> die z.B. dann notwendig werden können, wenn Lösungen mit geringeren Konzentrationen ausgefroren werden sollen, besteht bei diesen Verfahren jedoch die Gefahr, daß kältemittelseitig Kavitation und damit ein unkontrollierter Wärmeübergang mit einer Verlangsamung des Ausfriervorganges auftritt. Außerdem sind die mechanischen Beanspruchungen der vibrierenden Teile entsprechend hoch, was zu apparativen Schwierigkeiten ft#ren kann. Beispielsweise können an Wärmetauscherrohren, die in einem Rohrboden zusammengefaßt und notwendigerweise in diesem schwingend verankert sind, durch Reibung am Rohrboden Beschädigungen und Undichtigkeiten entstehen. Especially with higher oscillation frequencies of the heat exchange surfaces> which can be necessary, for example, when solutions with lower concentrations are to be frozen out, there is a risk with these methods that on the refrigerant side Cavitation and thus an uncontrolled transfer of heat with a slowdown the freezing process occurs. In addition, the mechanical stresses of the vibrating parts correspondingly high, which leads to technical difficulties ft # ren can. For example, on heat exchanger tubes that are in a tube sheet are summarized and necessarily anchored in this swinging, by friction Damage and leaks occur on the tube sheet.

Um das Auftreten von Kavitation im Kältemittel zu vermeiden, wurde bereits des weiteren vorgeschlagen, abwechselnd die Wärmetauschflächen und dieeinzudickende Lösung Über getrennte Vibrationseinrichtungen in Schwingungen zu versetzen. Während der Stillstandsperioden der Vibrationseinrichtung für die Wärmetauschflächen können sich dann die Strömungsverhältnisse des durch die die Wärmetauschflächen bildenden Platten oder Rohre geleiteten Kältemittels beruhigen, so daß Kavitation im Kältemittel verhindert wird. Gleichzeitig kann ein Festsetzen kristallisierter Bestandteile der Lösung an den WL-rmetauschfläehen durch die Schwingung der Lösung und die damit vorhandenen Strömungskräfte vermieden werden. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß es mit den beiden Vibrationseinrichtungen, der zum abwechselnden Einschalten der Vibrationseinrichtungen notwendigen Steuereinrichtung und der Abdichtung des die Wärmetauschflächen und die zu konzentrierende Lösung aufnehmenden Geh#uses gegenüber der Vibrationseinrichtung der Lösung einen relativ hohen apparativen Aufwand erfordert. To prevent cavitation from occurring in the refrigerant, already further proposed alternating the heat exchange surfaces and the thickening Solution To set vibrations using separate vibration devices. While the standstill periods of the vibration device for the heat exchange surfaces then the flow conditions of the forming through the heat exchange surfaces Plates or pipes of conducted refrigerant calm down, so that cavitation in the refrigerant is prevented. At the same time, crystallized constituents can settle of the solution at the WL exchange surfaces due to the vibration of the solution and the resulting existing flow forces are avoided. The disadvantage of this procedure is in the fact that it is with the two vibrating devices that switch on alternately the vibration devices necessary control device and the sealing of the the heat exchange surfaces and the housing receiving the solution to be concentrated the vibration device of the solution requires a relatively high outlay in terms of equipment.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren der eingangs beschriebenen Art zum Eindicken von Lösungen zu entwickeln, das für Lösungen mit den unterschidlichsten Konzentrationen mit gleichmäßig guter Wirkung in Bezug auf die Schnelligkeit des Ausfriervorganges und die Menge der ausgefrorenen Bestandteile der Lösung angewendet werden kann. The invention is based on the object of an economical process to develop the type described above for thickening solutions that for Solutions with the most varied concentrations with consistently good effects in terms of the speed of the freezing process and the amount of frozen ones Components of the solution can be applied.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kühlmedium dem Wärmetauscher unter einem Druck zugefUhrt wird, der zeitabhängig gemildert wird. This object is achieved according to the invention in that the cooling medium is fed to the heat exchanger under a pressure that is relieved as a function of time.

Durch die zeitabhängige Xnderung des KUhlmediumdruckes bei der ZufUhrung des Kühlmediums in den Wärmetauscher erfahren die Wärmetauschflächen jeweils eine Formänderung. Diese Formänderung bewirkt, daß die an denwärmetauschflächen anhaftenden kristallisierten Bestandteile der Lösung, die die Formtinderunq nicht mitmachen, abspringen. Aufgrund der Dichteunterschiede der kristallisierten Lösungsbestandteile zur Lösung selbst steigen diese dann entweder zur FlÜssigkeitsoberfläche auf oder sinken zum Gehäuseboden des Wärmetauschers ab, von wo sie leicht abgezogen werden können. Aufwendige Vibrations- und Steuereinrichtungen werden somit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht benötigt, wodurch sich der apparative Aufwand gegenüber bekannten Verfahren zum Eindicken von Lösungen verringert. Da die Wärmetauschflächen außerdem keine hin- und hergehenden Bewegungen ausführen, ist die Gefahr einer Kavitation des Kühlmediums weitgehend ausgeschlossen und der Wärme Übe rgang kann kältemittelseitig in kontrollierter Weise vor sich gehen. Dadurch wird ein guter WärmeÜbergang zwischen Kühlmedium und einzudickender Lösung erzielt. Due to the time-dependent change in the cooling medium pressure during the supply of the cooling medium in the heat exchanger, the heat exchange surfaces each experience one Shape change. This change in shape causes the adhering to the heat exchange surfaces crystallized components of the solution that do not go along with the process, jump off. Due to the differences in density of the crystallized solution components for the solution itself, these then either rise to the surface of the liquid or sink to the bottom of the housing of the heat exchanger, from where they can be easily pulled off can. Complex vibration and control devices are thus in the invention Process not required, which means that the outlay on equipment is higher than that of known ones Process for thickening solutions decreased. Since the heat exchange surfaces also no back and forth movements run is the danger cavitation of the cooling medium is largely excluded and the heat transfer can take place in a controlled manner on the refrigerant side. This becomes a Good heat transfer between the cooling medium and the solution to be thickened is achieved.

Zu Beginn eines Ausfriervorganges einer bestimmten Lösung weist diese eine im Vergleich zum Ende des Ausfriervorganges relativ niedrige Konzentration auf, wodurch die Gefahr des Festfrierens von kristallisierbaren Bestandteilen der Lösung auf den Wärinetauschflächen relativ groß ist. Dieser Gefahr kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch begegnet werden, daß bei gleichbleibender Höhe der Druckänderung die zeitliche Folge der Druckänderung möglichst klein gewählt wird. Andererseits ist gegen Ende des Ausfriervorganges die Lösung durch das Ausfrieren ihrer kristallisierbaren Bestandteile weitgehend aufkonzentriert, wodurch sich die Dauer eines Wärmellbergangs verlänger und die Gefahr des Festsetzens von kristallisierten Bestandteilen der Lösung auf denWärmetauschflächen erniedrigt. At the beginning of a freezing process of a certain solution, this a relatively low concentration compared to the end of the freezing process on, reducing the risk of crystallizable constituents of the Solution on the heat exchange surfaces is relatively large. This danger can arise with the Method according to the invention are countered by the fact that at a constant height of the pressure change, the time sequence of the pressure change is selected to be as small as possible will. On the other hand, towards the end of the freezing process, the solution is through the freezing out their crystallizable constituents largely concentrated, whereby the The duration of a thermal transition is longer and there is a risk of crystallized ones from sticking Constituents of the solution on the heat exchange surfaces.

Demzufolge kann gegen Ende eines Ausfriervorganges die zeitliche Folge der Druckänderung reduziert werden.As a result, towards the end of a freezing process, the chronological sequence the pressure change can be reduced.

Ebenso läßt sich eine Variation der Frequenz der Druckänderungen auch für einen kontinuierlichen Ausfrierbetrieb einsetzen, bei dem laufend einzudickende Lösung in den Wärmetauschor eingeleitet und entstandenes Konzentrat sowie kristallisierte Bestandteile aus dem Wärmetauscher abgezogen werden. Denn beim kontinuierlichen Ausfrierbetrieb sind im Wärmetauscher entsprechend der Strömung der Lösung vom Einlauf zum Auslauf des Wcirmetauschers hin, während der sich die Konzentration der Lösung gemäß der Ausfrierrate kristallisierter Bestandteile der Lösung erhöht, niedrige und hohe Lösungskon zentrationen mit unterschiedlichen Gefrierpunkten und unterschtdlichem Verhalten hinsichtlich eines Wärmeüberganges dauernd gleichzeitig vorhanden. It is also possible to vary the frequency of the pressure changes also use for a continuous freezing operation, in which continuously thickening Solution introduced into the heat exchanger and resulting concentrate as well crystallized Components are withdrawn from the heat exchanger. Because with continuous Freezing operations are in the heat exchanger according to the flow of the solution from the inlet towards the outlet of the heat exchanger, during which the concentration of the solution according to the freezing rate of crystallized constituents of the solution increased, lower and high concentrations of solutions with different freezing points and different things Behavior with regard to a heat transfer continuously present at the same time.

Andererseits ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders dann wirtschaftlich, wenn, wie nach einem weiteren vórteilhaften Erfindungsmerkmal, die Druckänderungen des Kühlmediums pulsierend mit konstanten Frequenzen erfolgen. Werden konstante Frequenzen vorgegeben, erübrigen sich komplizierte Apparaturen, die die Frequenzen der Druckänderungen nach den jeweiligen Konzentrationsbedingungen der verschiedenen Lösungen steuern. On the other hand, the process according to the invention is particularly economical when if, as according to a further advantageous feature of the invention, the pressure changes of the cooling medium are carried out in a pulsating manner with constant frequencies. Be constant If the frequencies are given, there is no need for complicated apparatuses that control the frequencies the pressure changes according to the respective concentration conditions of the various Control solutions.

Trotzdem kann durch Vorgabe beispielsweiser zweier oder auch mehrerer konstanter Frequenzen für die zeitliche Folge der Druckänderungen das Verfahren unterschiedlichen Konzentrationsbedingungen verschiedener Lösungen angepaßt werden.Nevertheless, by specifying, for example, two or more constant frequencies for the time sequence of the pressure changes the process different concentration conditions of different solutions are adapted.

Zur Vermeidung einer Schicht aus festgefrorenen kristallisierten Bestandteilen auf den Wärmetauschflächen und zur Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Ausfrierbetriebes ist es weiterhin besonders vorteilhaft, die Wärmetauschflächen kurzzeitig periodisch, ganz oder teilweise zu erwärmen. Beispielsweise können dazu auf den Wärmetauschflächen in Silikon kautschuk eingebettete Heizwendeln aufgebracht werden. Das periodische Erwärmen der Wärmetauschflächen verhindert ein möglicherweise trotz der Formänderungen der Wärmetauschflächen auftretendes Anfrieren von kristallisierten Bestandteilen der Lösung auf den Wärmetauschflächen. To avoid a layer of frozen solid crystallized Components on the heat exchange surfaces and to maintain a continuous Freezing operation, it is also particularly advantageous to use the heat exchange surfaces briefly to be heated periodically, in whole or in part. For example, you can use the Heating coils embedded in silicone rubber are applied to heat exchange surfaces. The periodic heating of the heat exchange surfaces prevents a possibly despite the changes in shape of the heat exchange surfaces occurring freezing of crystallized Components of the solution on the heat exchange surfaces.

Eine Vorrichtung zur DurchfÜhrung des Verfahrens mit einem RohrbÜndel- oder Plattenwärmetauscher weist vorteilhafterweise in der ZufÜhrungsleitung des Kühlmediums zu dem Wärmetauscher einen Pulsator auf. Als Pulsator kann beispielsweise ein Über einen Exzenter angetriebener Schieber in der ZufWlrungsleitung des Kühlmediums verwendet werden, durch den die z.B. A device for carrying out the process with a tube bundle or plate heat exchanger advantageously has in the supply line of the Cooling medium to the heat exchanger on a pulsator. As a pulsator, for example A slide in the supply line for the cooling medium, driven by an eccentric can be used, by means of which the e.g.

unter dem Druck des Vorratstankes stehende Kühlmediumströmung periodisch unterbrochen wird. Damit ergibt sich ein einfacher Aufbau der Ausfrierapparatur selbst, da diese dann fest montiert werden kann und das Ablösen eventuell anhartender kristallisierter Bestandteile nur durchDruckänderungen des die Wärmetauscher durchströmenden KUhlmediums erfolgt. Auch wird der Austrag kristallisierter Bestandteile nicht durch schwingungsUbertragende Elemente behindert.Periodic cooling medium flow under the pressure of the storage tank is interrupted. This results in a simple construction of the freezing apparatus itself, as this can then be firmly mounted and the detachment may become harder crystallized constituents only due to changes in pressure of the flow through the heat exchanger Cooling medium takes place. The discharge of crystallized components is also not carried out Vibration-transmitting elements obstructed.

Bei einer vorteilhaften Ausführung der Vorrichtung bestehen die Wärmetauschflächen der Wärmetauscher aus einem Material, das auch unter Kälteeinfluß elastisch ist. Dadurch können die Druckänderungen des KUhlmediums besser auf eventuell an den Wärmetauschflächen anhaftende kristallisierte Bestandteile der Lösung Übertragen und ein Abspringen dieser Bestandteile sicher erreicht werden. In an advantageous embodiment of the device, the heat exchange surfaces exist the heat exchanger made of a material that is elastic even under the influence of cold. Through this the pressure changes of the cooling medium can be better at possibly Transferring crystallized components of the solution adhering to the heat exchange surfaces and a jumping off of these components can be achieved safely.

Anhand einer schematischen Darstellung soll ein mögliches AusfÜhrungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert werden. A possible exemplary embodiment should be based on a schematic representation a device for performing the method according to the invention explained in more detail will.

Bei einer Ausfriervorrichtung gemäß der Darstellung sind in einem Gehäuse 1 mehrere Verdampferplatten 2 parallel nebeneinander im gleichen Abstand angeordnet. Im unteren Teil des Gehäuses 1 ist ein Zulauf 3 für die aufzukonzentrierende Lösung angeordnet, während im oberen Teil des Gehäuses 1 ein Ablauf 4 für das entstandene Konzentrat und das gebildete Eis vorgesehen ist. An die Verdampferplatten 2 ist unten eine Zuführungsleitung 5 und oben ein Austrittsstutzen 6 für KÜhlmedium angeschlossen. Uber den Verdampferplatten 2 ist eine in dem Deckel des Gehäuses 1 gelagerte Räumvorrichtung 7 installiert. In a freezing device according to the illustration are in one Housing 1 several evaporator plates 2 parallel next to each other at the same distance arranged. In the lower part of the housing 1 is an inlet 3 for the to be concentrated Solution arranged, while in the upper part of the housing 1, a drain 4 for the resulting Concentrate and the ice formed is provided. To the evaporator plates 2 is a supply line 5 is connected at the bottom and an outlet connection 6 for cooling medium is connected at the top. Above the evaporator plates 2 is a clearing device mounted in the cover of the housing 1 7 installed.

Um dabei das KUhlmedium dem Wärmetauscher mit einem Druck zuführen zu können, der zeitabhängig geändert wird, ist in der Zuführungsleitung 5 für das KUhlmedium ein Über einen Exzenter 9 angetriebener Schieber 8 vorgesehen, wobei der zur Aufrechterhaltung der Strömung in der Zuftlhrungsleitung 5 benötigte Druck beispielsweise der Druck eines an die ZufÜhrungsleitung 5 angeschlossenen, nicht gezeichneten Vorratstanks für flÜssiges Kühlmedium sein kann. Die sich aufgrund der Druckände- rung des KUhlmediums ergebende elastische Formänderung der Wärmetauschflächen ist durch Doppelpfeile angedeutet. In order to supply the cooling medium to the heat exchanger with one pressure to be able to, which is changed as a function of time, is in the supply line 5 for the KUhlmedium a via an eccentric 9 driven slide 8 is provided, wherein the pressure required to maintain the flow in the air supply line 5 for example, the pressure of a connected to the supply line 5, not can be drawn storage tanks for liquid cooling medium. Which are due to the pressure change tion of the cooling medium resulting in elastic deformation the heat exchange surfaces is indicated by double arrows.

Selbstverständlich kann statt des dargestellten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung ebenso ein sinngemäß aufgebauter Rohrbündelwärmetauscher zum Eindicken von Lösungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Of course, instead of the illustrated embodiment the device also has a correspondingly constructed tube bundle heat exchanger for thickening of solutions can be used according to the method according to the invention.

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Claims

Claims 1. A method for thickening solutions from the solution to be concentrated with the aid of at least one of which has a cooling medium flowing through it Heat exchanger, the crystallizable components are frozen out, with between the heat exchange surfaces of the heat exchanger and the solution to be concentrated Relative movement is generated, characterized in that the cooling medium is the heat exchanger is supplied under a pressure which is changed with time.

2. The method according to claim 1, characterized in that the pressure changes of the cooling medium are carried out in a pulsating manner with constant frequencies.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Heat exchange surfaces are briefly periodically fully or partially heated.

4. Device for performing the method according to one of claims: Jc} ze 1 to 3 occurs with a tube bundle or plate heat exchange, characterized in that that in the supply line - (5) of the oil sensing medium to the heat exchanger, a pulsator (8,9) is arranged.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the heat exchange surfaces (2) of the heat exchanger consist of a material that can also be used under the influence of cold is elastic.