DE2725890A1 - Zweistufige, waermebetriebene anlage mit indirekter waermeuebertragung - Google Patents

Zweistufige, waermebetriebene anlage mit indirekter waermeuebertragung

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Description

Hch. Bertrams Aktiengesellschaft
Bayer Aktiengesellschaft
Leverkusen, Je-by-kl
Zweistufige, wärmebetriebene Anlage mit indirekter Wärmeübertragung
Gegenstand der Erfindung ist eine wärmebetriebene Anlage mit indirekter Wärmeübertragung, die wenigstens zwei in unterschiedlichen Temperaturbereichen arbeitende Arbeitsstufen besitzt. Besondere Probleme in solchen Anlagen verursachen die in höheren Temperaturbereichen arbeitenden Wärmeabgabestufen.
Für die indirekte Wärmeübertragung in höheren Temperaturbereichen werden bis zu etwa 40O0C organische Wärmeträger verwendet, während für Temperaturen bis ca. 55O°C geschmolzene Salze in eutektischen Gemischen als Wärmeträger bekannt sind. In noch höheren Temperaturbereichen bis etwa 65O°C werden oft flüssige Metalle als Wärmeträger eingesetzt. Bereits das Anwenden von flüssigen Metallen bringt hohe Aufwendungen mit sich, wie sie etwa in der Kerntechnik für das Kühlen von Plutonium-Reaktoren vorgesehen sind. Für die Anwendung in der Verfahrenstechnik ist diese aufwendige Technologie, welche für flüssige
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Metalle notwendig ist, kaum mehr tragbar. Praktisch werden deshalb in diesen hohen Temperaturbereichen elektrische Strahlungsheizungen eingesetzt, deren Energiekosten aber hoch sind. Oft wird bei größeren Leistungen auch direkt mit Feuergasstrahlung beheizt, wie etwa bei dem bekannten Pauling-Verfahren zum Hochkonzentrieren von Schwefelsäuren im Konzentrationsbereich von 70 auf 96 % H3SO4. Die direkten Feuergasbeheizungen haben meistens den Nachteil der ungleichmäßigen Wärmeübertragung, der Uberhitzungsgefahr durch direkte Flammenstrahlung sowie einen schlechten feuerungstechnischen Wirkungsgrad, weil die Rauchgase das System bei hohen Temperaturen verlassen und ihr Heizwert nicht voll ausgenützt werden kann.
Die vorliegende Erfindung bezweckt deshalb, eine Anlage der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits eine aufwendige Technologie im Hochtemperaturbereich vermeidet und andererseits einen besonders großen wärmetechnischen Wirkungsgrad der Anlage erreichen läßt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine zweistufige, wärmebetriebene Vorrichtung mit indirekter Wärmeübertragung, die wenigstens zwei in unterschiedlichen Temperaturbereichen arbeitende Arbeitsstufen besitzt, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Wärmeübertragungsflächen der Hochtemperaturstufe die eine Begrenzungswand eines Rauchgaskanals bilden, dessen Einlaß an eine Verbrennungsvorrichtung angeschlossen ist, während der Rauchgaskanalauslaß an den einen Strömungsweg eines Wärmetauschers angeschlossen ist, dessen anderer Strömungsweg einen flüssigen Wärmeträger zur Beheizung der Wärmeübertragungsflächen der Niedertemperaturstufe enthält.
Das zur Beheizung der Hochtemperaturstufe verwendete Rauchgas kann einen Großteil seiner bei Verlassen dieser Stufe
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noch vorhandenen Wärmemenge im Wärmetauscher an den flüssigen Wärmeträger abgeben, der seinerseits die Stufe geringerer Temperatur beheizt. Der bauliche Aufwand für die rauchgasbeheizte Hochtemperaturstufe ist wesentlich niedriger als bei den herkömmlich verwendeten flüssigen Wärmeträgern, während andererseits, dank dem nachgeschalteten Wärmetausch mit einem flüssigen Wärmeträger, ein hoher Gesamtwirkungsgrad für die Ausnützung des der Verbrennungsvorrichtung zugeführten Brennstoffs erreichbar ist. Vorzugsweise sind die Wärmeübertragungsflächen der Hochtemperaturstufe Wärmestrahlungsflächen.
Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung, die das Schema einer Anlage zur Aufkonzentrierung von Schwefelsäure, deren Anfangskonzentration zwischen 30 und 70 % liegen kann, bis zum azeotropen Punkt von über 98 % H3SO4 zeigt, näher erläutert.
In der Zeichnung ist 1 ein Erhitzer mit Brennkammer 2 und Mischkammer 3. Dem Erhitzer 1 wird über Leitung 4 Heizöl oder Heizgas und über Leitung 5 Luft zugeführt. Dem Erhitzer können ferner durch Leitung 6 aus dem Konzentrierungsprozeß stammende, unkondensierbare Gase zugeführt werden, oder es kann der Mischkammer 3 durch Leitung 7 vorgewärmte Luft beigemischt werden, um die Temperatur der heißen Rauchgase aus dem Erhitzer auf einen gewünschten Wert einzustellen. Die rauchgasführende Leitung 8 ist an den Einlaß eines Heizmantels 9 angeschlossen, der ein Verdampferrohr 10 der hier als Fallfilmverdampfer dargestellten Hochtemperatur-Prozeßstufe koaxial umschließt. Zur Erzeugung der notwendigen hohen Strömungsgeschwindigkeit der Rauchgase durch den Heizmantel 9 kann das Gebläse zur Förderung
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der Verbrennungsluft zum Erhitzer 1 dienen. Es ist aber auch möglich, Rauchgase aus der Auslaßleitung 11 des Heizmantels 9 abzuzweigen und über ein Gebläse 12 zur Erzeugung hoher Geschwindigkeiten im Kreislauf zu führen.
Zur Steigerung des Wärmetransports und der Wärmeübergangszahlen ist es auch möglich, das gesamte Rauchgassystem unter Druck zu betreiben, indem die Verbrennung des Heizmediums in einer entsprechenden Druckkammer vorgenommen wird. Der überdruck wird dann beim Austritt der abgekühlten Gase in den Rauchgaskamin mittels einer Drossel auf Atmosphärendruck abgesenkt.
Die Rauchgasleitung 11 führt über einen Wärmetauscher 13 und anschließend über einen Luftvorwärmer 14 (Leitung 7) zum Rauchgaskamin. Im Wärmetauscher 13 können die Rauchgase Wärme an einen flüssigen Wärmeträger, z.B. ein organisches Wärmeträgeröl, abgeben; die Wärmeträgerleitungen 15, 16 verbinden den Wärmetauscher 13 mit der ebenfalls als Wärmetauscher 17 ausgebildeten Niedertemperatur-Prozeßstufe. Der Kreislaufförderung des Wärmeträgeröls dient eine Pumpe 18 in der Rücklaufleitung 16.
Die Rohsäure wird dem Prozeß durch eine Leitung 19 zugeführt, gelangt über einen zur Vorwärmung dienenden Kondensator 20 zu einer Abtriebskolonne 21, der ein Abscheidegefäß 22 nachgeordnet ist, in welchem die im Wärmetauscher 17 erwärmte und mittels einer Pumpe 23 im Zwangsumlauf gehaltene Säure entspannt wird; der aus dieser Vorkonzentrierung stammende Wasserdampf wird in einem Kondensator 24 niedergeschlagen und abgeführt. Der Hochtemperatur-Prozeßstufe ist eine Abtriebskolonne 25 vorgeschaltet, in welche
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aus der Leitung 26 kommende vorkonzentrierte Schwefelsäure mit beispielsweise 70 bis 85 % zugeführt wird. Um das Entweichen von Schwefelsäuredämpfen zu verhüten, ist eine Waschkolonne 27 vorgeschaltet, welche mit Kondensat berieselt wird. Anschließend werden die Brüdendämpfe im Kondensator 20 niedergeschlagen. Die dem System entweichenden unkondensierbaren Gase werden,wie eingangs beschrieben, dem Erhitzer 1 zur Verbrennung zugeführt, und das kondensierte, von der Säure getrennte Wasser kann als Kondensat abgeführt werden. Der Kondensator wird, wie erwähnt, gleichzeitig als Vorwärmer für die Rohsäure ausgenützt, die z.B. mit Konzentrationen von 30 bis 70 % dem System zufließen kann und zunächst in der Vorkonzentrierstufe unter Vakuum auf die gewünschte Zulaufkonzentration der Endstufe gebracht wird. Aus Materialgründen ist beim Betrieb mit Schwefelsäure vorzugsweise eine Vorkonzentrierung auf 85 % vorgesehen, welche z.B. bei 80 Torr bei einer Siedetemperatur von 161 C durchgeführt werden kann. Bei diesem Temperaturniveau können beispielsweise Emailapparate eingesetzt werden, so daß der Wärmetauscher 17 mit dem vorgesehenen Niedertemperaturwärmeträger z.B. bei 2 50 C schonend beheizt werden kann. Da bereits in dieser Vorkonzentrierstufe Verunreinigungen meist ausfallen, ist der Zwangsumlauf über die Pumpe 23 vorgesehen. Die Verdampfung geschieht durch Entspannung im Abscheidegefaß 22, auf welchem ebenfalls eine Abtriebskolonne 21 angeordnet ist, welcher die Rohsäure vorgewärmt zugeführt wird.
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Beim Betrieb der beschriebenen Anlage können in der Hochtemperatur-Prozeßstufe mittlere Temperaturen von 800 C und mehr gefahren werden, indem die Rauchgase z.B. dem Heizmantel 9 mit 900°C zugeführt und mit 700°C entnommen werden. Durch eine Umwälzung der Rauchgase können diese Temperaturen beliebig gewählt werden. Nach dem Verlassen der Hochtemperaturstufe werden die Rauchgase im Wärmetauscher 13 von z.B. 7000C auf 300°C gesenkt, je nachdem, bei welchem Temperaturniveau der zweite Heizkreislauf zu arbeiten hat. Im beschriebenen Beispiel wird im zweiten Kreislauf das organische Wärmeträgeröl für die Beheizung bei einem Temperaturniveau von z.B. 250 C eingesetzt. Zur Erreichung eines sehr hohen feuerungstechnischen Wirkungsgrades werden die Rauchgase anschließend im Luftvorwärmer 14 bis auf 150°C, je nachdem, welche Abkühlungstemperatur wegen des Taupunktes von Verunreinigungen zulässig ist, abgekühlt. Der Luftvorwärmer 14 kann Umgebungsluft z.B. auf 28O°C aufheizen, und diese Wärmemenge wird wiederum voll dem Erhitzer 1 zugeführt. Das beschriebene Heizsystem wird z.B. bei der Hochkonzentrierung von Schwefelsäure in dem Sinne angewendet, als die Endstufe, das Hochkonzentrieren bis auf 98 %, unter höchstmöglichen Temperaturen zu betreiben ist, weil dadurch die Oxydation von beispielsweise organischen Verunreinigungen in aufzuarbeitenden Schwefelsäurelösungen durchgeführt werden kann. Die sogenannte Hochkonzentrierungsstufe arbeitet zweckmäßig mit einem Quarzfallfilmverdampferrohr 10, welches mittels eines durch einen luftgefüllten Strahlungsraum von ihm getrennten Metallstrahlungsmantels 9 beheizt wird. Dieser Metallstrahlungsmantel kann dank der heißen Rauchgase zur Erreichung der notwendigen Betriebstemperaturen auf einem Temperaturniveau von 800°C und mehr beheizt werden.
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Die beschriebene zweistufige Anlage ermöglicht gegebenenfalls eine fraktionierte Schadstoffaustreibung z.B. aus einer gemischt verunreinigten Säure. Die Anlage kann dabei so angelegt sein, daß in der Vorkonzentrierungsstufe der größere Teil der Schadstoffe ausgetrieben wird, was natürlich vom Siedeverhalten der Verunreinigungen abhängt.
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Claims (5)

  1. Patentansprüche
    ■1. Zweistufige, wärmebetriebene Vorrichtung mit indirekter Wärmeübertragung, die wenigstens zwei in unterschiedlichen Temperaturbereichen arbeitende Arbeitsstufen besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsflächen der Hochtemperaturstufe die eine Begrenzungswand eines Rauchgaskanals bilden, dessen Einlaß an eine Verbrennungsvorrichtung angeschlossen ist, während der Rauchgaskanalauslaß an den einen Strömungsweg eines Wärmetauschers angeschlossen ist, dessen anderer Strömungsweg einen flüssigen Wärmeträger zur Beheizung der Wärmeübertragungsflächen der Niedertemperaturstufe enthält.
  2. 2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsflächen der Hochtemperaturstufe Warmestrahlungsflächen sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, insbesondere zur zweistufigen Aufkonzentrierung von Schwefelsäure, dadurch gekennzeichnet, daß die rauchgasbeheizten Strahlungsflächen der Hochtemperaturstufe durch einen luftgefüllten Strahlungsraum von einem Fallfilm-Verdampferrohr aus Quarz getrennt sind.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsvorrichtung mit einem Luftvorwärmer verbunden ist, der an den den Wärmetauscher zur Beheizung des flüssigen Wärmeträgers verlassenden Rauchgasstrom angeschlossen ist.
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  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das rauchgasführende Leitungssystem unter überdruck steht und die Verbrennungsvorrichtung eine Druckbrennkammer aufweist.
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DE19772725890 1976-06-18 1977-06-08 Zweistufige, waermebetriebene anlage mit indirekter waermeuebertragung Withdrawn DE2725890A1 (de)

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