DE2826572A1

DE2826572A1 - Anordnung zur waermebehandlung insbesondere eines in duenner schicht aufsteigenden mediums

Info

Publication number: DE2826572A1
Application number: DE19782826572
Authority: DE
Inventors: Floyd Cresswell Haley
Original assignee: International Refining Equipment
Current assignee: International Refining Equipment
Priority date: 1977-06-17
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1979-01-04
Also published as: JPS5435167A; GB2000037A; FR2394671A1; US4313784A

Description

Anordnung zur Wärmebehandlung insbesonderes eines in dünner Schicht aufsteigenden Mediums

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Wärmebehandlung insbesondere eines in dünner Schicht aufsteigenden Mediums mit einer Kammer, die einen unteren Einlaß für das zu behandelnde Medium sowie einen oberen Auslaß für Dämpfe hat, ferner mit einer in der Kammer drehbaren, in kurzem Abstand von der Innenwand der Kammer Schaufeln aufweisenden Welle, außerdem mit Mitteln, die ein Drehen der Welle um ihre Achse ermöglichen.

In der US-PS 2 866 499 ist bereits ein Apparat beschrieben worden, der für Prozesse anwendbar ist, bei welchen eine Flüssigkeit vollständig oder auch teilweise verdampft wird und ein Wärmeaustausch erfolgt. Die bekannte Einrichtung ist zwar durchaus brauchbar und kann für Wärmetauseheraufgaben bei Flüssigkeiten eingesetzt werden, insbesondere bei solchen Flüssigkeiten, die sich in herkömmlichen Wärmetauschern schwer verarbeiten lassen. Hier handelt es sich beispielsweise um viskose Flüssigkeiten bzw. Suspensionen.

Der bekannte Apparat beinhaltet eine Kammer mit einem mittig in diesem angeordneten Rotor, der von einem außerhalb angeordneten Motor angetrieben wird* Deshalb ist es erforderlich, an den Durchtrittsstellen der Welle hinreichend wir-

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kungsvolle Dichtungen vorzusehen. Sofern der bekannte Apparat in erster Linie als Verdampfer dienen soll, ist es erforderlich, eine beträchtliche Wärmemenge zuzuführen. Dies geschieht üblicherweise mittels eines Wärmetauschermantels, der die Kammer so umgibt, daß eine innerhalb der Kammerwand hochgeführte Flüssigkeit verdampft. Es ist indessen häufig schwierig, eine genügend große Wärmemenge zuzuführen, um das gesteckte Ziel zu erreichen»

Demnach ist es Aufgabe der Erfindung, die bekannten Anordnungen zur Wärmebehandlung von in dünnen Schichten aufsteigenden flüssigen Medien weiterzuentwickeln, wobei zunächst den Dichtproblemen bei bewegten Teilen besondere Beachtung geschenkt werden soll. Auch soll die dem Medium zuführbare Wärmemenge hinreichend groß sein. Ein weiteres Ziel ist eine leichte und vielfältige Abwandelbarkeit der weiterentwickelten Einrichtung.

Die Lösung besteht bei einer Anordnung zur Wärmebehandlung der eingangs beschriebenen Art darin, daß die Mittel zum Drehen der Welle eine auf der Welle angebrachte Turbine beinhalten und daß Mittel zum Bewirken des Fließens von Flüssigkeit über/durch die Turbine unter Verursachen des Drehens der Welle eingebaut sind.

In vorteilhafter Weise weist erfindungsgemäß ein Apparat

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zur Wärmebehandlung von in dünner Schicht aufsteigender Flüssigkeit eine Kammer mit einem Einlaß für die zu behandelnde Flüssigkeit und mit einem oberen Auslaß für Dämpfe bzw. Gase auf. In der Kammer ist eine Welle mit Schaufeln drehbar angebracht, die um eine kleine radiale Distanz von der inneren Kammerwand entfernt sind. An der Welle ist ferner eine Turbine angebrachte Außerdem sind Mittel vorgesehen, um Flüssigkeit über die Turbine strömen zu lassen, wodurch eine Drehung der Welle um ihre Achse bewirkt wird.

Beim Erfindungsgegenstand befindet sich der Antrieb in vorteilhafter Weise im Innern des Apparates, so daß an der Welle keine Flüssigkeitsdichtungen vorgesehen werden müssen; dies vereinfacht die Einrichtung in wesentlichem Maße.

Ein weiterer Vorteil vorliegender Erfindung wird darin gesehen, daß das Gas, welches die Turbine antreibt, gewöhnlich heiß ist, so daß bei einigen Anwendungen der Erfindung die Wärme aus der treibenden Flüssigkeit zugleich zum Erwärmen des zu behandelnden Materials dient; hierdurch wird die zur Behandlung erforderliche Wärme entweder zur Gänze oder mindestens zu einem großen Teil zugeführt. Damit ist die Notwendigkeit, Wärme von einer außerhalb befindlichen Quelle zuzuführen, um den Wärmetauschermantel zu erwärmen, erheblich reduziert; in vielen Fällen läßt sich die erforderliche Wärme zur Gänze durch die treibende Flüssigkeit zuführenο

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Nach einer anderen Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes verdampft durch den Mantel zugeführte Wärme einen Teil der zu behandelnden Flüssigkeit; der so erhaltene Dampf treibt die Turbine an.

Die Anordnung nach vorliegender Erfindung ist wirkungsvoller als bisher bekannte Anlagen und schafft den gleichen Durchsatz wie vielfach größere Einrichtungen. In vorteilhafter Weise werden von der Einrichtung verschiedenartige Größen gebaut, so daß größenmäßig der gesamte Bereich zwischen kleinen Haushalteinheiten bis zu großen Industrieeinheiten überdeckt ist.

Da sich auch kleine Einheiten herstellen lassen, ist es durchaus zweckmäßig, Einheiten vorzusehen, von denen eine oder mehrere im Haushalt zum Reinigen von Wasser für den Wiedergebrauch als auch zum Liefern von warmen Wasser dienen können= Nach einer ins Auge gefaßten Anwendung kann aus einem Haushalt stammendes Abwasser nach zwei oder mehreren Kategorien mittels je einer separaten Einheit getrennt werden, deren jede dazu dient, die einzelnen individuellen Wasserquellen für den Wiedergebrauch zu reinigen.

Für industrielle Anwendung läßt sich die Einrichtung in Modulform bauen, so daß mehrere kleine Einheiten im Verbund arbeiten, wodurch die Notwendigkeit entfällt, immer die

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volle oder nahezu die volle Maschinenkapazität laufen zu lassen. Mit anderen Worten laufen bei geringer Kapazität lediglich wenige der Einheiten, während für Höchstkapazität alle Einheiten in den Strom eingeschaltet werden.

Für vorliegenden Erfindungsgegenstand ist jede beliebige Energiequelle geeignet,. Beispielsweise Abdampf aus Nuklearstromerzeugungsanlagen oder kohlenwasserstoffhaltiger Kraftstoff (hydrocarbon fuel).

Der Apparat nach vorliegender Erfindung läßt sich mit einer großen Vielzahl einzuspeisender Flüssigkeiten (feed stocks) betreiben, die zudem nicht unbedingt vorbehandelt sein müssen. Ein spezielles Anwendungsgebiet ist das Entsalzen von SoIe₀ Hierbei wird der Sole ein Großteil des Wassers entzogen, wodurch die Sole derart hoch konzentriert anfällt, daß sie für die Weiterverarbeitung in der chemischen Industrie geeignet ist. Da die Mannigfaltigkeit der einzuspeisenden Flüssigkeiten so groß ist, ergeben sich beispielsweise auch wesentliche Vorteile bei der Anwendung des Erfindungsgegenstandes zur Entsalzung, welche hiermit günstiger durchgeführt wird, als mit so bekannten Techniken wie Destillieren unter Vakuum, umgekehrte Osmose o.dgl_o Bei einer derartigen Anwendung ist der Erfindungsgegenstand besonders vorteilhaft als Frischwasserquelle für Schiffe oder sonstige isolierte Einheiten.

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Nach anderen Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ist der entsprechende Apparat bei niederen Temperaturen einsetzbar, so daß empfindliche Stoffe, wie z_oB. Milch ohne Gefahr des Anbrennens pasteurisiert werden können. Ein anderes Anwendungsbeispiel ist natürliches Wasser, das ohne Zerstörung des Planktons oder anderen organischen Lebens in dem Wasser behandelbar ist.

Andererseits läßt sich der Apparat auch für das Separieren schädlicher Fest-Stoffe aus verschiedenartigen Flüssigkeiten, ferner für eine gute Klärung von Abwässern zur industriellen Verwendung einsetzen.

Verschiedentlich wird der Apparat auch für das Entsalzen von Wasser in der Art eingesetzt, daß das gewünschte Produkt das Wasser an sich ist„ In solchen Fällen kann man Kohlenwasserstoff-Brennstoffe für den Betrieb der Einrichtung dazu gebrauchen, um Wärme zuzuführen; das beim Verbrennen genannter Brennstoffe anfallende Wasser wird dann dem zu gewinnenden Wasser hinzugefügt.

Andererseits läßt sich die erfindungsgemäße Anlage mit überhitztem Wasser anwenden, das hierbei schnell verdampft; dadurch ermöglicht die Anlage eine genaue Steuerung und ist somit wirkungsvoller als herkömmliche Entspannungsverdampfer.

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Vielfach lassen sich mit der Einrichtung auch wertvolle anorganische Stoffe rückgewinnen wie z.B. Chloride, Sulfate sowie die Carbonate verschiedener Metalle.

Vorstehend wurden nur einige Anwendungsmöglichkeiten des Erfindungsgegenstandes angedeutet; das Anwendungsspektrum ist jedoch erheblich breiter.

Weitere erzielbare Vorteile sowie Einzelheiten des Gegenstandes der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles samt Ausgestaltungen sowie der zugehörigen rein schematischen Zeichnung hervor; in dieser zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht eines Apparates zum Erfindungsgegenstand, im Schnitt,

Fig. 2 eine erste Ausgestaltung des Apparates gemäß Fig. 1, als Teilschnitt,

Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung, im Schnitt und Fig. 4 noch eine andere Ausgestaltung, als Teilschnitt.

Gemäß Fig. 1 beinhaltet die Anordnung bzw. der Apparat eine zylindrische Kammer 5, in deren Mitte eine Welle 7 in einem oberen Lager 9 sowie in einem unteren Lager 11 drehbar angeordnet ist. An Welle 7 sind unperforierte Rotorplatten 13 angebracht, zwischen denen und der Wand zur Kammer 5 nur

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ein schmaler Zwischenraum bleibt. Außerhalb der Kammer ist ein Wärmetauschermantel 15 mit einem Einlaß 17 und einem Auslaß 19 für die Wärmetauschflüssigkeit vorgesehen=, Der hier dargestellte Mantel ist mittels einer Trennwand 21 in zwei Abschnitte aufgeteilt, obwohl auch ein einteiliger Mantel oder ein in mehr als zwei Abschnitte aufgeteilter Mantel möglich sind. Wenn der Mantel mehr als einteilig ist, sind offensichtlich zusätzliche Einlasse und Auslässe wie z.B. 23 für die Wärmetauschflüssigkeit erforderlich» Allgemein wird dem Mantel Wärme in Form einer erwärmten Flüssigkeit, üblicherweise eine Flüssigkeit mit hohem Siedepunkt, zugeführt.

In Nähe des Bodens der Kammer befindet sich ein Einlaß 25 für die zu behandelnde Flüssigkeit; in Nähe des Kammerkopfes befindet sich ein Ringraum 27 zum Sammeln der behandelten Flüssigkeit. Dieser Ringraum mündet in eine Ableitung 29. Bei dem Verfahren anfallender Dampf entweicht nach oben durch einen Auslaß-Kopf 31. Da die bis jetzt beschriebenen Teile ähnlich sind wie die gemäß der US-PS 2 866 499, erübrigt sich die Beschreibung weiterer konstruktiver Einzelheiten»

Die Welle 7 trägt außerdem Turbinenschaufeln 33, die sich in einer entsprechend ausgeformten Kammer 35 oberhalb des Auslaß-Kopfes 31 befinden,, Dadurch kann Dampf nach Passieren

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des Auslaß-Kopfes 31 die Turbinenschaufeln beaufschlagen, welche die Welle 7 in Drehbewegung versetzen _o Der entspannte Dampf entweicht durch eine Auslaßmündung 37_o

Nach diesem Ausführungsbeispiel dient die Wärme im Mantel 15 nicht nur zum Zuführen der erforderlichen Wärme zum Verdampfen des Teiles der Flüssigkeit, welche durch den Einlaß 25 eintritt, sondern es dient auch der so ausgetriebene Dampf zum Antrieb der Turbine 33 bzw. der Welle 7. Damit ist es nicht erforderlich, eine gesonderte Kraftquelle für die Welle 7 vorzusehen, was die Anlage erheblich vereinfacht. Insbesondere entfällt gänzlich eine dampfdichte Abdichtung am unteren Ende der Welle 7.

Vielfach kann heißes Verbrennungsgas, das zum Antrieb der Turbine dient, in direkten Kontakt mit der zu behandelnden Flüssigkeit gebracht werden, ohne daß diese kontaminiert wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da der direkte Kontakt zwischen der zu behandelnden Flüssigkeit und dem heißen Verbrennungsgas eine wirkungsvolle Wärmeübertragung bewirkt. Eine hierfür geeignete Ausgestaltung ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

Gemäß Fig. 2 ist eine Welle 41 drehbar in einem unteren Lager 3 gelagert und es trägt die Welle 41 die Schaufeln 45, welche in einer zylindrischen Kammer angeordnet sind,

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welche einen Einlaß 47 für die zu behandelnde Flüssigkeit aufweist. Der Boden des Apparates ist mit Lufteinlässen 49 versehen; die Welle 41 trägt einen Axialverdichter 51 und in einem gewissen Abstand von diesem Turbinenschaufeln 53_O Zwischen dem Verdichter und der Turbine ist ein Brenner 55 vorgesehen, dem ein geeigneter Brennstoff wie z_oB. Gas oder öl aus einer Leitung 57 zugeführt wird. Der Kraftstoff gelangt in eine Innenverbrennungszone unterhalb der Turbine Der Betrieb erfolgt in gleicher Weise wie zuvor beschrieben, jedoch mit der Ausnahme, daß in diesem Fall das heiße Brenngas die Turbine 53 antreibt, nach Verlassen der Turbine um Leitflächen 59 herumgeleitet wird und danach die Kammer 61 passiert, wo es in direkte Berührung mit der zu behandelnden Flüssigkeit gelangt«, Ein Wärmetauschermantel 63 kann erforderlich sein oder auch nicht, je nachdem ob die zu behandelnde Flüssigkeit mehr Wärme benötigt als vom Brenner 55 zur Verfügung gestellt wird. Für manche Anwendungsflalle kann der Wärmetauschermantel 63 auch dazu dienen, eine Kühlflüssigkeit durchzuleiten, sofern nämlich weniger Wärme für die Verdampfung benötigt wird als zum Antrieb der Turbine erforderlich ist.

Die Ausgestaltung nach Fig. 3 ist derjenigen gemäß Fig. 2 sehr ähnlich jedoch mit der Ausnahme, daß hier die Welle drehbar in dem unteren Lager 73 sowie dem oberen Lager 75 gelagert ist und die üblichen Schaufeln 77 innerhalb der

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Kammer 79 drehbar trägt_o In diesem Falle sind die Verdichterschaufeln 81 am unteren Ende der Welle 71 montiert, während die Turbinenschaufeln 83 sich am oberen Ende der Welle befinden. Der Brenner 85 ist hier oberhalb des Verdichters 81 angeordnet. Die übrigen Teile sind wie zuvor beschrieben ausgebildet. Beim Betrieb wird Luft aus dem Verdichter im Brenner 85 verbrannt und es treibt das Verbrennungsgas nach Durchströmen der Schaufeln 77 die Turbine 83 an.

In manchen Fällen ist es zwar wünschenswert, Innenverbrennung für den Antrieb der Welle vorzusehen sowie die Wärme dem Verdampfungsprozeß zuzuführen, aber es ist durchaus nicht wünschenswert, daß das heiße Gas in direkten Kontakt mit der zu behandelnden Flüssigkeit kommt. Außerdem bildet manchmal die Passage um den mittigen Rotor bzw. die Schaufeln für das durchzuführende Gas eine gewisse Drosselstelle. Daher ist es wünschenswert, daß wenigstens ein Teil des Gases von der Kammer abgelenkt wird, in welcher die Flüssigkeit behandelt werden soll. Aus Fig. 4 ist daher eine Einrichtung zur Innenverbrennung ersichtlich, welche Vorkehrungen für die Verminderung oder sogar völlige Beseitigung des Kontaktes zwischen dem Verbrennungsgas und der zu behandelnden Flüssigkeit aufweist. Die Einrichtung ist im wesentlichen ähnlich der in Fig. 2 dargestellten, jedoch für eine andere Gasführung nach Verlassen der Turbine_β In diesem Fall sind der Kompressor 81 und die Turbine 87 auf

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einer Welle 89 montiert, wobei sich der Brenner 91 zwischen dem Verdichter und der Turbine befindet. Ein Abgas-Kanal 96 am Umfang der zylindrischen Kammer 9 3 beinhaltet einen Außenmantel 95 mit einer Anzal von Prallblechen 97_a Beim Ausgang aus der Turbine ermöglichen es Durchlässe 99, die von der Turbine zum Wärmertauscher führen, daß Gas aus der Turbine aus- und in den Kanal 96 eintritt, während Durchlässe 101 am oberen Ende des Wärmetauschers als Auslässe für das heiße Gas dienen. Nach dieser Ausgestaltung kommt der größte Teil des heißen Verbrennungsgases nicht in direkten Kontakt mit der zu behandelnden Flüssigkeit sondern passiert stattdessen durch den Kanal 96 und dient zum Erwärmen der Kammerwand 93, an der die Flüssigkeit hochströmt, ohne daß das Gas in direkte Berührung mit der Flüssigkeit kommt. Sofern es wichtig ist, daß das Verbrennungsgas überhaupt nicht in Kontakt mit der zu behandelnden Flüssigkeit kommt, kann die Welle 89 direkt oberhalb der Turbine 87 mit einer Drehdichtung versehen sein, so daß alles Gas durch den Kanal 96 strömt ohne in Kontakt mit der Flüssigkeit zu kommen. Entsprechende Regelung der Drücke in den gas- bzw. flüssigkeitführenden Teilen kann hier zweckmäßig sein.

Obwohl die erfindungsgemäße Anordnung hier zunächst als Verdampfer beschrieben wurde, kann sie auch für andere Zwecke dienen, beispielsweise zum verdampfungsfreien Erwärmen ohne Beeinflussung bzw» Verdünnung der Flüssigkeit. Dies ist durch einfaches Regeln der zugeführten Mengen bzw. der Wärmebilanz

möglich. 809881/0967

Leerseife

Claims

INTERNATIONAL REFINING EQUIPMENT, California 94596 (USA) Patentansprüche

1. Anordnung zur Wärmebehandlung insbesondere eines in dünner Schicht aufsteigenden Mediums mit einer Kammer, die einen unteren Einlaß für das zu behandelnde Medium sowie einen oberen Auslaß für Dämpfe hat, ferner mit einer in der Kammer drehbaren, in kurzem Abstand von der Innenwand der Kammer Schaufeln aufweisenden Welle, außerdem mit Mitteln, die ein Drehen der Welle um ihre Achse ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Drehen der Welle eine auf der Welle angebrachte Turbine (33,53,83,87) beinhalten und daß Mittel zum Bewirken des Fließens von Flüssigkeit über/durch die Turbine unter Verursachen des Drehens der Welle eingebaut sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (33) in Nähe eines Auslasses (31) der Kammer (5) angeordnet ist und daß ein Mantel (15) die Kammer (5) derart umgibt, daß zu behandelnde, durch den Mantel (15) erwärmte Flüssigkeit verdampfbar sowie durch die Dämpfe die Turbine in Drehung versetzbar ist_o

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Hefnersplatz 3 Telefon (09 It) Telex Telegramme Bayer. Vereinsbank Stadtsparkasse Postscheckkonto

ORIGINAL INSPECTED

3. Anordnung nach einem oder beiden Ansprüchen 1 bzv/-. 2,
dadurch gekennzeichnet, daß unter der Kammer ein Innenverbrennungs-Bereich eingeordnet ist und daß Mittel (55,57,85, 91) zum Zuführen und Verbrennen von Brennstoff in dem Bereich eingebaut sind_ü

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Kammer ein Innenverbrennungs-Bereich angeordnet ist, daß in der Nähe des Auslasses aus dem Innenverbrennungs-Bereich die Turbine (87) eingebaut ist und daß ein Abgas-Kanal (95,95) die Kammer (93) umgibt,

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgas-Kanal (95,96) mit Prallblechen (97) versehen ist.

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