DE2847103A1

DE2847103A1 - Mischzufuhrverdampfer

Info

Publication number: DE2847103A1
Application number: DE19782847103
Authority: DE
Inventors: Philip George Kosky; Himanshu Bachubhai Vakil
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-11-02
Filing date: 1978-10-30
Publication date: 1979-05-03
Also published as: FR2407744A1; IT1099889B; US4345915A; GB1603950A; JPS5477283A; IT7829265A0

Description

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Misctizuf uhrverdampf er

Die Erfindung bezieht sich auf das Durchführen einer chemischen Reaktion, bei der eine gasförmige Reaktionsmittelbeschickung und Dampf erforderlich sind.

beim
Bisher werden/ Durchführen einer chemischen Reaktion, bei der eine Zufuhr eines gasförmigen Reaktionsmittels und Dampf erforderlich sind, diese Komponenten ge- .

mischt, wobei sich der Dampf schon in dem verdampften Zustand befindet.

Dies ist in einer für das Verfahren zum Transportieren chemisch gebundener Energie aufgezeigten Einrichtung versinnbildlicht, die in dem Artikel 'Transport of Nuclear Heat by Means of Chemical Energy¹ von Kugeler etc., Nuclear Engineering and Design, Band 34, Nr. 1 , Seite 65 (1975) , beschrieben ist.

Das US-Patent 3 958 625, das sich mit demselben allgemeinen Gegenstand wie der Artikel von Kugeler etc. befaßt, offenbart das Vormischen von Wasser und gasförmigen Reaktionsmitteln in einem Wärmeaustauscher, wobei die Wasser- und Gasmischung auf etwa 350° C erhitzt wird, um eine erhitzte, unter Druck gesetzte Gas- und Dampfmischung zum Einführen in einen Reaktor zwecks Herstellung von Methan zu erzeugen. Offenbar befindet sich das zum Durchführen des Verdampfens von Wasser benutzte Heizfluid auf einer Temperatur, die weit über dem Siedepunkt des Wassers bei den angewendeten Drücken entspricht.

Eine Flüssigkeit wird als "siedend¹ bezeichnet, wenn sie auf eine solche Temperatur erhitzt wird, daß der Dampfdruck der Flüssigkeit dem angewendeten Druck entspricht. So beträgt der Dampfdruck von Wasser bei 100° G eine Atmosphäre.

Bei der Zubereitung der gasförmigen Reaktionsmittelbeschickung, die einer chemischen Reaktion zu unterwerfen ist, welche die Anwesenheit eines spezifischen Dampfes erforderlich macht, wird der Wirkungsgrad der Gesamtleistungsausnutzung durch Vormischen des Zuflusses von gasförmigem Reaktionsmittel mit der Flüssigkeit, von der der spezifische Dampf erzeugt wird, und durch

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dann erfolgendes Erhitzen der Mischung verbessert, wobei sich die Gas- sowie Flüssigkeitsphasen in innigem Kontakt befinden und wobei das Erhitzen durch Benutzen eines Heizfluids erfolgt, das in die Wärmeaustauschbeziehung bei einer Temperatur eintritt, die unterhalb des Siedepunkts der Flüssigkeit bei dem Gesamtdruck in dem Volumen, wo die Verdampfung stattfindet, liegt.

Bei der üblichsten Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die Flüssigkeit Wasser.

Vorzugsweise wird die Verdampfung in einem Rohr- und Umhüllung-Wärmeaustauscher durchgeführt, in dem Mittel vorgesehen sind, die dafür sorgen, daß die Beladungen von Flüssigkeit und Gas in gleicher Weise auf jedes der Wärmeaustauscherrohre verteilt werden. Ferner sollten die Komponenten der gasförmigen Reaktionsmittelzufuhr nicht in einem bedeutenden Ausmaß in der Flüssigkeit lösbar sein.

Die folgende Beschreibung beinhaltet die Art und Weise der Durchführung sowie Anwendung der vorliegenden Erfindung, und die anliegenden Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung zum schematischen Darstellen der Erfindung in der besten Betriebsart. Es zeigen:
Figur 1 - in einer schematischen Ansicht eine Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 - in einer Schnittansicht eine bevorzugte Vorrichtung zum praktischen Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ,
Figur 3 - in einer vergrößerten Ansicht die bevorzugten Strömungs-

bedingungen zum Durchführen des Verdampfungsschritts, Figur 4 - ein Temperatur-Histogramm, das die Heiz- und Kühlbetriebsarten in einem Methanator (methanator) zeigt, in dem ein separater Boiler zum Bilden von Dampf für die Methanationsreaktion (methanation reaction) angewendet wird, und
Figur 5 - ein zweites Temperatur-Histogramm, das die Heiz- und Kühlbetriebsarten bei Anwendung einerMischzufuhrverdampfung nach der vorliegenden Erfindung zeigt.

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Wenn beispielsweise Wasser bei 100° C in einem isolierten Behälter untergebracht sowie Luft oder ein anderes unlösliches permanentes Gas in den Behälter eingeführt werden, bis der Gesamtdruck in dem Behälter 2 Atmosphären beträgt, und wenn* dem · System Wärme zugeführt wird, um das Wasser bei 100° C zu halten, übt das Wasser"einen Dampfdruck von im wesentlichen einer Atmosphäre aus. Somit tragen bei einem Gesamtsystemdruck von 2 Atmosphären das Wasser durch seinen Dampfdruck eine Atmosphäre und das Gas seinen Partialdruck von einer Atmosphäre bei.

Wenn dann dafür gesorgt wird, daß Luft in dasselbe System strömt, wenn Luft sowie Wasserdampf in dem passenden Maß

aus r dem System entfernt werden und wenn Wärme zugeführt

wird, um das System auf 100° C zu halten, hat das das System verlassende Luft/Dampf-Gemisch das molare Verhältnis der Partialdrücke der Luft und des Wassers. In dem dargestellten Fall beträgt das Molverhältnis 1:1. Das unter einem Druck von 2 Atmosphären (Gesamtdruck) in Dampf umgesetzte Wasser kann nicht sieden, obwohl es auf der Temperatur von 100° C gehalten wird, da der Siedepunkt von Wasser bei einem absoluten Druck von 2 Atmosphären über 120° C liegt.

Um das gesamte Arbeitsprinzip aufzuzeigen, ist in Figur 1 der durch ein Meßgerät 11 bezeichnete Druck in dem Mischzufuhr-Verdampfer (mixed feed evaporator) 10 dergestalt, daß der Siedepunkt der Flüssigkeit in dem ankommenden Zuflußstrom größer als die Temperatur des erwärmenden bzw. erhitzenden Fluids (T ,, ) ist. Gemäß der Darstellung ist der ankommende Zufluß eine Mischung aus Flüssigkeit und gasförmigem Reaktionsmittel, wobei der Zufluß über eine Leitung 12 eintritt und wobei der über eine Leitung 13 austretende Strom hauptsächlich eine Mischung von gasförmigem Reaktionsmittelzufluß und Dampf bei einer Temperatur ist, die gleich oder kleiner als ^T _Ouelle ^ist>
Die Temperatur (^T^_usstoß^ ^{des den} Wärmeaustauscher verlassenden Heizfluids ist vorzugsweise beträchtlich kleiner als T₀ -- .

Da notwendigerweise sichergestellt werden muß, daß die Flussigkeits- und Gasphasen während der Verdampfung in innigem Kontakt gehalten werden, bildet ein Aufbau, wie er in Figur 2 dargestellt ist, eine bevorzugte Ausführungeform der vorliegenden Er-

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findung. Gemäß der Darstellung treten Gas und Flüssigkeit über entsprechende Leitungen 21 , 22 in einen Mischabschnitt 20 ein, um dann in einen Mischzufuhr- bzw. Mischzufluß-Verdampfer 23 zu gelangen, einem in der vertikalen Position angebrachten Rohr- und Mantel— -Wärmeaustauscher, wobei Mittel zum Einführen von im wesentlichen denselben Beladungen bzw. Beschickungen von Flüssigkeit und Gas in jedes der Rohre 24 sorgen. Die Mittel zum Vergleichmässigen der Flüssigkeits- und Gasbeschickungen sind als ein Paar von unter Abstand angeordneten perforierten Verteilerplatten 26, 27 dargestellt, die in einem Verteilerbereich 28 angebracht sind. Das Heizfluid tritt über ein Rohr 29 ein, um dann nach unten sowie um die Außenseite der Rohre 24 zu strömen und schließlich aus einem Rohr 31 auszutreten. Die einen Verteilungskopf 32 am oberen Ende des Mischzuflußverdampfers 23 über eine Leitung 33 verlassende Mischung ist vorzugsweise hauptsächlich erhitztes gasförmiges Beschickungsreaktionsmittel und Dampf, wobei jedoch in Abhängigkeit von den Verfahrensbedingungen bedeutende oder kleinere Mengen an unverdampfter Flüssigkeit ebenfalls in der abgehenden Mischung vorhanden sein können (beispielsweise darin mitgerissene Tröpfchen) .

Eine erfolgreiche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens macht es erforderlich, daß sich die Flüssigkeit und der Dampf beim Durchgang durch die Rohre 24 während der Wärmeübertragung in innigem Kontakt befinden, entweder in Form einer homogenen Mischung von Flüssigkeit und gasförmigen Reaktionsmittel-Beschikkungsbläschen oder in Abhängigkeit von den thermodynamischen sowie Strömungsbedingungen in folgendem bevorzugten Strömungszustand: In den Rohren besteht ein getrennter Strom, wobei eine dünne Flüssigkeitsschicht über die innere Oberfläche der Rohre 24 verteilt ist, und zwar durch die Bewegung von Gas und Dampf in einem zentral angeordneten, stopfenähnlichen Strom.

Es wurde kein Versuch unternommen, um einen realistischen Satz der natürlich auftretenden Strömungsbetriebsbedingungen in den Rohren 24 aus Figur 2 darzustellen, da es zum Durchführen des Verfahrens lediglich erforderlich ist, ein Übergewicht der erwünschten Strömungsbetriebsbedingung zu erreichen.

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In einem solchen Fall/ bei dem der Mischzufuhrverdampfer aus Figur 2 horizontal anzuordnen ist, wird ein Gebilde benötigt, das dafür sorgt, daß eine Trennung der Gas- und Flüssigkeitsphasen durch das schwerkraftbedingte Absetzen der Flüssigkeit vermieden wird. Auch könnten die Verdampfungsprozeßströme zu einem vertikal nach unten erfolgenden Strömen veranlaßt werden.

Die vergrößerte Ansicht aus Figur 3 zeigt den bevorzugten Strömungszustand, bei dem Flüssigkeit in einer dünnen Schicht über einen großen Teil der inneren Oberfläche eines jeden Rohrs verteilt wird, und zwar durch die Bewegung des zentral angeordneten Gases und Dampfes bei einer zum Hersteilen dieses Zustandes vorgewählten Geschwindigkeit und Menge des Gasstroms. Die in Verbindung mit irgendeinem gegebenen Mischzufuhr-Verdampfer-Aufbau zu benutzenden einzelnen Strömungsbedingungen können leicht durch Routine- bzw. Reihenexperimente bestimmt werden. Eine Vielzahl von Strömungsbetriebsbedingungen (das heißt ringförmiger Strom) und die Erfordernisse zum Herstellen dieser Betriebsbedingungen sind in der Veröffentlichung 'One-dimensional Two-phase Flow" von G.B. Wallis, McGraw-Hill, Inc. Seiten 8, 9, 316, erste Ausgabe (1969) beschrieben, worauf hiermit Bezug genommen wird.

Wie bei jedem Wärmeaustauschvorgang zum übertragen von Wärme auf ein Fluid sollte die in den Rohren 24 herzustellende Strömungsbetriebsbedingung auch für einen guten Wärmekontakt mit der Wandung sorgen. /wird die Gasmischung

Es wird angenommen, daß die Hauptanwendung für das erfindungsgemäße Verfahren auf dem Gebiet der Wärmeenergieübertragungsspeicherung über chemische Wärmerohre liegt. In einem typischen derartigen System wird eine Methan-Umformung (reforming) an einer Wärmequelle, wie einem Kernreaktor, bei Temperaturen durchgeführt, die in typischer Weise in dem Bereich von 800 - 900° C liegen, um eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu bilden. Diese Mischung von Gasen wird durch einen Wärmeaustauschvorgang mit ankommenden Reaktionsmitteln für den Methan-Umformungsschritt gekühlt und dann bei Umgebungstemperatur durch eine erste Leitung zu einem abgelegenen Energieverwendungsbereich gepumpt. An dem Energiebenutzungsende der ersten Leitung/in Anwesenheit von Dampf und einem Katalysator auf etwa 300 - 500° C erhitzt, um den

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Methan anation«schritt (methanation step) durchzuführen. Das sich ergebende Methan wird über eine zweite Leitung zu dem Wärmequellenende zurückgeführt, und zwar für eine Wiederholung des in einer im wesentlichen geschlossenen Schleife erfolgenden Vorgangs.

Wie es nunmehr in der Literatur (das heißt in dem Artikel von Kugeler etc.) beschrieben ist, werden die Beschickungsströme von gasförmigem Reaktionsmittel und Dampf gemischt. Der thermodynamische Nachteil bzw. ungünstige Einfluß für die resultierende irreversible Entropie des Mischens kann durch die Praxis der vorliegenden Erfindung eliminiert werden.

Wenn die gasförmige Reaktionsmittelbeschickung mit Wasser gemischt und auf ihrem Weg durch den Mischzufuhrverdampfer allmählich erwärmt wird, wird Wasserdampf erzeugt, und die Menge des Wasserdampfes in dem Gasstrom an irgendeiner gegebenen Station entspricht grob dem Gleichgewichtsdampfdruck bei der vorherrschenden Temperatur an der jeweiligen Station.

Der Vorteil der Anwendung einer Mischzufuhrverdampfung ergibt sich aus einem Vergleich der Temperaturhistogramme in den Figuren 4 und 5. Figur 4 zeigt die Heiz- und Kühlbetriebsarten für den Methanator (methanator) an dem Energiebenutzungsende der Leitung, wenn die Dampfzufuhr dadurch vorgesehen wird, daß Wasser als eine separate Komponente verdampft und dann der entstehende Dampf mit den Reaktionsmittelgasen (CO und H₂) gemischt wird, die selbst in einem separaten Gasheizer auf die chemischen Reaktorbedingungen erwärmt werden. Aus dem Histogramm ist es ersichtlich, daß bei Temperaturen zwischen etwa 520° K und 540° K eine Wärmeenergie von 550,6 MW (für dem Umformer zugeführte 1000 MW) erforderlich ist, um die separate Verdampfung des Wassers und das Erhitzen der Gasreaktionsmittel durchzuführen. Ferner ist es ersichtlich, daß die Heizbetriebsart ein Heizfluid höherer Temperatur erforderlich macht, als sie in der Methanator-Kühlbetriebsart verfügbar gemacht wird, um eine partielle Kondensation von Wasser in dem Ausfluß zu bewirken. Dieses bedeutet, daß die Wärmeenergie für die Heizbetriebsart von irgendeiner anderen Quelle kommen muß, wodurch der Wirkungsgrad des Methanationsvorgangs (methanation process) reduziert wird.

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Im Gegensatz hierzu ist bei dem in Figur 5 dargestellten Temperaturhistogramm mit denselben Betriebsbedingungen für den Methanator wie im Fall von Figur 4, jedoch unter Anwendung der Mischzufuhrverdampfung, die in Figur 4 dargestellte große Spitze in der Heizbetriebsart eliminiert worden. Zusätzlich sind die Heiz- und Kühlbetriebsarten mehr ausgeglichen, und die Kühlbetriebsart erfolgt bei einer allgemein höheren Temperatur als die Heizbetriebsart, was zeigt, daß der Bedarf für eine Wärmeenergie-Hilfsquelle eliminiert und der Verfahrenswirkungsgrad beträchtlich verbessert worden sind.

Ein anderes Verfahren für eine- Verwendung in einem chemischen Wärmerohr, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, ist ein solches, bei dem Wasserstoff als ein gasförmiges Reaktionsmittel benutzt wird und die Flüssigkeit aus einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen besteht (beispielsweise Benzol, Cyclohexan oder einer Mischung hiervon).

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in breitem Umfang bei solchen chemischen Systemen anwendbar, bei denen eine Beschickung eines gasförmigen Reaktionsmittels einer nachfolgenden chemischen Reaktion unterworfen werden muß, die die Anwesenheit eines Dampfes, wie Wasserdampf, erforderlich macht. Zusätzlich zu den hier beschriebenen Wärmetransportverfahren ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei der Schüttschicht- bzw. Festbett-Kohlevergasung von Nutzen, bei der ein oxidierendes Gas, wie Luft, angereicherte Luft oder Sauerstoff, mit Dampf und Kohlenstoff zur Reaktion gebracht wird, um einen gasförmigen Betriebsstoff zu bilden.

Der bevorzugte Aufbau zum Durchführen dieses Verfahrens ist schematisch in Figur 2 dargestellt, wobei die dabei herzustellenden Strömungsbedingungen in Figur 3 gezeigt sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren, bei dem eine vorgewählte Flüssigkeit verdampft wird, bei dem ein gasförmiger ReaktionsmitteIbeschickungsstrom erhitzt wird, bei dem der so erzeugte Dampf und die erhitzte gasförmige Reaktionsmittelbeschickung in eine Reaktionskammer zum Durchführen einer chemischen Reaktion eingeführt werden und bei dem ein Reaktionsproduktstrom von der Reaktionskammer abgelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgewählte Flüssigkeit und der gasförmige Reaktionsmittelbeschickungsstrom in einem gegebenen Molverhältnis gemischt werden, daß die Flüssigkeits- und Gasphasen in innigen Kontakt gebracht werden, daß die sich ergebende Mischung durch Wärmeaustausch mit einem Fluid erwärmt bzw. erhitzt wird, das in die Wärmeaustauschbeziehung bei einer Temperatur eintritt, die unterhalb des Siedepunkts der Flüssigkeit bei dem Gesamtdruck der Mischung liegt, und daß der sich ergebende Fluidstrom, der die erhitzte gasförmige Reaktionsmittelbeschickung und den Dampf aufweist, zum Durchführen der chemischen Reaktion in die Reaktionskammer eingeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgewählte Flüssigkeit Wasser ist.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Reaktionsmittelbeschickung Kohlenmonoxid sowie Wasserstoff aufweist und daß die chemische Reaktion eine Methanation (methanation) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Reaktionsmittelbeschickung bzw. -zufuhr Methan ist und daß die chemische Reaktion eine Methanumformung (methane reforming) ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Reaktionsmittelbeschickung Sauerstoff enthält und daß die Reaktionskammer ein Schüttschicht- bzw. Festbett-Kohlevergaser ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Reaktionsmittelbeschickung Wasserstoff ist und daß die vorgewählte Flüssigkeit zumindest ein Kohlenwasserstoff ist.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeits- und Gasphasen durch Erzeugen einer weitgehend homogenen Mischung in innigen Kontakt gebracht werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeits- und Gasphasen durch Verteilen der Flüssigkeit als eine dünne Schicht, die einen Kern der gasförmigen Reaktionsmittelbeschickung umgibt, in innigen Kontakt gebracht werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Reaktion in Anwesenheit eines Katalysators durchgeführt wird.

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