DE3101857A1

DE3101857A1 - "verfahren zur regenerativen nutzung des waermeinhaltes armer loesungen"

Info

Publication number: DE3101857A1
Application number: DE19813101857
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. DDR 3031 Magdeburg Förster
Original assignee: SCHWERMASCH LIEBKNECHT VEB K
Current assignee: SCHWERMASCH LIEBKNECHT VEB K
Priority date: 1980-04-08
Filing date: 1981-01-21
Publication date: 1982-01-14
Also published as: FR2479701A1; RO85236A; DD161076A3; SU1255827A1; FR2479701B1; CS237415B1; RO85236B; CS182781A1

Description

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I nachqerboht|

(Eitel der Erfindung

Verfahren zur regenerativen Nutzung des Wärmeinhaltes armer Lösungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen regenerativen Nutzung des Wärmeinhaltes armer Lösungen oder von Sumpfprodukten bei der Desorption eines Arbeitsmittels bzw. bei der thermischen Trennung, insbesondere bei Absorptions- bzw· Desorptionsprozessen mit Arbeitsstoffpaaren für die Kältetechnik sowie für Prozesse der Energieerzeugung und Energiewirtschaft zur Abwärmenutzung·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die konventionelle regenerative Nutzung des Wärmeinhaltes einer armen Lösung, die bei der thermischen Desorption eines Arbeitsmittels, z. B. aus einem Zweistoffgemisch im Sumpf eines Desorbers heiß anfällt, erfolgt durch Wärmetausch mit der kälteren reichen Lösung* Dieser Wärmetausch wird um so verlustreicher, je größer der Mengenunterschied zwischen armer und reicher Lösung ist· Da aber große Konzentrationsunter schiede zwischen armer und reicher Lösung anzustreben sind, hat diese konventionelle Methode zunehmend Nachteile· Diese Nachteile werden noch dadurch erhöht, daß die kalte, reiche Lösung häufig als Kühlmedium benutzt wird und noch vor dem Wärmetausch mit der armen Lösung Wärme im Rücklauferzeuger oder Dephlegmator oder im Absorber aufnimmt. Der reichen Lösung wird dann so viel Wärme zugeführt, daß das Arbeitsmittel bereits vor Eintritt in den Desorber teilweise

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auBgast (Teilverdampfung) und im gleichen Maße die Konzentration der verbleibenden flüssigen Phase abnimmt. Das bedeutet Verminderung der Arbeitsmittelkonzentration am Kopf des Desorbers, erhöhte Kühlleistung des Dephlegmators, Erhöhung der Desorptionsanfangstemperatur, höhere Heizmitteltetnperatur und höherer Wärme verbrauch. Eine teilweise Umfahrung des Wärmetauschers zwischen armer und reicher Lösung erhöht auch die Austrittstemperatur der armen Lösung am kalten Ende, also die Wärmeverluste des Prozesses und stellt somit keine befriedigende Lösung des Problems dar·

Eine andere regenerative Nutzung des Wärmeinhaltes der armen Lösung ist unter dem Begriff ^MLösungsrückführung" bei thermischen Verdichtern für das Kältemittel bei Absorptionskälteanlagen bekannt und ausgeführt worden· (Zeitschrift gesamte Kälteindustrie - Bd, 21 (1914), S. 7-14, 21 - 24) Durch "Lösungsrückführung", also durch Wärmeabgabe der heißen, armen Lösung an das zu trennende Gemisch im Desorber selbst, d.h. in einer Austreibersäule ist eine Verbesserung möglich,

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ohne daß dabei eine ermischung zwischen der armen Lösung und dem zu trennenden Gemisch auftritt. Durch "Löeungerückführung" in den Deeorber selbst kann der Wärmeüberechuß und die Vorverdampfung in der reichen Lösung vermieden werden.

Dieser theoretisch klare Vorteil der "Lösungsrückführung" hat trotzdem zu keinem Durchbruch in der praktischen Anwendung «lieeto Prinsipe geführt, weil ea apparativ nur mit epiralförmig gewickelten Rohren verwirklicht werden kann. Die Zuverlässigkeit solcher Rohrsysteme ist nicht befriedigend, ebensowenig die Produktivität für ihre Herstellung, die Heizflächendichte und die Reparaturmöglichkeiten. Sie wurden daher nur im oberen Bereich der Desorberbeheizung verwendet und wurden bisher nur mit einem thermodynamisch geringen Effekt eingesetzt.

Im I_nteresse geringster Druckverluste und der Verwirklichung des Gegenstromprinzips in der Rieselphase wird eine definierte Filmströmung angestrebt, die zur Bauweise der Desorber

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in Form von Rohrkolonnen geführt hat (Hütte, II B, 28. Auflage, Seite 244). Diese Rohrkolonnen arbeiten mit senkrechten Rohrbündeln, in denen meistens das zu trennende Gemisch an den Rohrinnenflächen als Film abfließt und die Beheizung von außen im Mantelraunj erfolgt. Bei verschmutzenden Heizmedien erfolgt die Medienführung umgekehrt. Jedoch ist die Realisierung einer "Lösungsrückführung" dabei nicht befriedigend. Einerseits besitzt der Mantelraun eines derartigen Heizregisters ein sehr großes Volumen, während der Mengenstrom der als Filmströmung in den Rohren bis zum Sumpf der Kolonne gelangenden armen Lösung nur sehr gering ist. Eine hinreichend hohe Geschwindigkeit der armen Lösung als Heizmedium kann daher auch bei der Verwendung zusätzlicher Einbauten nicht erreicht werden, oder es ist zur Erreichung dieser hohen Geschwindigkeit eine sehr komplizierte technische Lösung erforderlich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Heizregister zur Erreichung einer Fallfilmströraung für das zu trennende Gemisch übereinander gebaut werden müssen. Das führt einerseits zu einer unerwünschten Erhöhung der Anzahl der Heizregister und andererseits zu einer Einschränkung der nutzbaren Temperaturdifferenz der armen Lösung als Heizmedium, z. B. wenn die Lösungsrückführung als mittleres von drei Heizregistern angeordnet wird. (DD-PS 124 936) Weiterhin führt das auch zu einer Einschränkung der Abkühlung der Wärmeträger und zu unterwünscht großen Temperaturdifferenzen zwischen der armen Lösung und der zu trennenden Lösung an der "heißen" Seite des Heizregisters, wenn die Lösungsrückführung als oberstes Heiregister ausgeführt wird.

Wegen dieser Schwierigkeiten und wegen der bisher nur klein ausgeführten Entgasungsbreiten (Konzentrationeunterschied zwischen reicher und armer Lösung) wird praktisch in allen Fällen auf die Lösungsrückführung verzichtet.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, das bekannte und bisher nur unvollkommen genutzte Verfahren der Lösungsrückführung zur

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3 1 Π "1 R ¹^ 7 regenerativen Nutzung des Wärmeinhaltes der armen Lösung von Desorbern bei Sorptionsprozessen durch ein effektiveres und realisierbares Verfahren zu ersetzen, wobei die arme Lösung, also das Sumpfprodukt des Desorbers in einem breiten Temperaturbereich abgekühlt wird und durch Gewährleistung einer Unterkühlung für den Zulauf der reichen Lösung eine Voraussetzung für eine stärkere Abkühlung der Abwärmeträger erfüllt.

Gleichzeitig soll damit der Wärmeaufwand für die Rücklauferzeugung vermindert und gegebenenfalls auf die Anwendung einer Verstärkersäule zur Erhöhung der Dampfkonzentration der Arbeitsmitteldämpfe verzichtet werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem fühlbare Wärme der im Sumpf von Desorbern heiß anfallenden armen Lösung eines Arbeitsmittels durch Gegenstromführung zu einem Teilstrom der zu entgasenden reichen Lösung außerhalb des eigentlichen Desorbers benutzt wird, wobei sich die arme Lösung abkühlt und das Arbeitsmittel, das ist die leichte Komponente, aus dem Teilstrom der reichen Lösung desorbiert wird und durch Anpassung der Teilstrommenge geringe Temperaturdifferenzen zwischen Heizmedium und Entgasen der Lösung verwirklicht werden und damit die Umwandlungsverluste bei der Wärmeübertragung an den Teilstrom minimal sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Zufluß der reichen Lösung zur thermischen Trennung auf einen fremdbeheizten Desorber und einen nur regenerativ beheizten oder regenerativ und fremdbeheizten Teilstroradesorber aufgeteilt wird. Dabei wird die Aufteilung der Menge der reichen Lösung in zwei Teilströme durch den nutzbaren Wärmeinhalt der Gesamtmenge der armen Lösung im Verhältnis zum Wänneverbrauch des fremd beheizten Desorbers bestimmt. Die Teilströme der reichen Lösung durchströmen parallel zueinander im Rieselstrom im Desorber fremdbeheizte Heizbün-

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NACHQEREJOHT

del und im Teilstromdesorber nur ein regenerativ beheiztes oder ein regenerativ und ein fremdbeheiztes Rohrbündel und werden als arme Lösung jeweils in den Sümpfen des Desorbers bzw· des Teilstromdesorbers gesammelt. Anschließend werden beide Teilströme wieder zusammengeführt und der Gesamtstrom der armen Lösung wird als regenerativer Wärmeträger durch den Mantelraum des regenerativ beheizten Heizbündels, im Gegenstrom zum Teilstrom der reichen Lösung, geführt.

In einer besonderen Ausbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß zur Gewährleistung einer gleichen Desorptionsendtemperatur und einer gleichen Konzentration der armen Lösung von Desorber und Teilstromdesorber der Rieselstrom im Teilstromdesorber am heißen Ende zusätzlich durch ein fremdbeheiztes Heizbündel geführt wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden· Dabei werden die einzelnen Verfahrensschritte anhand der Prinzipschaltung von Anlagen dargestellt:

Pig. 1: zeigt eine erfindungsgemäße Anlage mit einem Desorber mit Verstärkungssäule und Dephlegmator, einem parallelgeschalteten Teilstromdesorber in stehender Ausführung bei Aufteilung der reichen Lösung durch Regelung.

Pig. 2: zeigt eine erfindungsgemäße Anlage ähnlich Pig. 1, aber mit liegenden ^Heizrohrbündeln für den fremdbeheizten Desorber und einer Aufteilung der reichen Lösung nach unterschiedlichen Querschnittsflächen, wobei alle Stoffaustauscheinrichtungen in einer gemeinsamen Rektifiziersäule angeordnet sind·

Fig. 3: zeigt eine erfindungsgemäße Anlage ähnBch Pig. 1, jedoch mit Dampf als Wärmeträger zur Beheizung des Desorbers bei selbsttätiger Aufteilung der reichen Lösung mittels verbundener, gleichhoch angeordneter Einströmquerschnitte.

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Die Ausführung des beheizten Teils des Desorbers 1 kann sowohl stehend als auch liegend erfolgen· Dabei wird das H_eizraedium, wenn mit Verschmutzungen zu rechnen ist, durch die Rohre des Heizbtindels 4 geführt. Die allgemein bekannte Bedingung geringer Temperaturdifferenzen zwischen der ausgasenden reichen lösung 12 und dem Heizmedium wird am besten mit solchen Wärmeträgern erfüllt, die keine latente Wärme besitzen und sich durch Gegenstromführung des Heizmediums auszeichnen, z. B. bei stehenden Desorbern 1 (Pig. 1)

Bei liegenden Heizbündeln 4, die auch für strömende Wärmeträger ohne latente Wärme eingesetzt werden, ist das Gegenstromprinzip nur durch eine höhere Anzahl von Heizbündeln 4 näherungsweise erfüllbar. (Pig. 2)

Der Teilstromdesorber 2 arbeitet ebenfalls ohne latente Heizwärme. Dabei sind gleichfalls stehende und liegende Ausführungen realisierbar, wobei aber stehenden Teilstroradesorbern wegen der besseren Realisierbarkeit eines Gegenstromes und dem Wegfall der Verschmutzungsgefahr der Vorzug zu geben ist. Wird Dampf als Heizmedium für eine Freradbeheizung vorgesehen, so kann das Gegenstromprinzip durch die Verwendung mehrerer Druckstufen für den Heizdampf angenähert werden. Dabei ist der Heizdampfdruck so zu staffeln, daß er in den unteren Heizbündeln höher als in den oberen ist. (Pig. 3)

Der Produktweg und damit der Verfahrensablauf für die Anlagen nach Pig. 1 bis 3 ist wie folgt:

Die reiche Lösung 12 wird über eine Zuführung 14 auf den Desorber 1 und auf den parallelgeschalteten Teilstromdesorber 2 aufgeteilt. Die Aufteilung erfolgt entsprechend dem Wärmeinhalt der an den Sümpfen von Desorber 1 und Teilstromdesorber 2 anfallenden armen Lösung oder Sumpfprodukte und nach Maßgabe geringer und wirtschaftlich vertretbarer Temperaturdifferenzen zwischen dem Gesamtstrom der armen Lösung 11 als Heizmedium für das Heizbündel 7 des Teilstromdesorbers 2 und der hierin zu entgasenden Teilstrommenge nach der Wärmebilanz. Danach wird die reiche Lösung 12 über Verteileinrichtungen 5 auf den Kolonnenquerschnitt von Desorber 1 und

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JNACHeERBOHTf :"::": Teilstromdesorber 2 verteilt.

Die Aufteilung der reichen Lösung 12 auf den Desorber 1 und den Teilstromdesorber 2 kann auch erst nach der Verteilung im Säulenquerechnitt im Anschluß an das Durchströmen der Stoffaustauscheinrichtung 6 erfolgen· (Fig. 2 u. 3)

Die reiche Lösung rieselt als Film durch die Stoffaustauscheinrichtung 6 und ein Heizbündel 4 im Desorber 1 bzw· durch eine Stoffauetauscheinrichtung 6 und Heizbündel 7 bzw· 7 und 8 im Teilstromdesorber 2· Dabei werden die leichten Komponenten thermisch abgetrennt (Entgasung bzw« Desorption)· Die in den Sümpfen des Desorbers 1 und des Teilstromdesorbers 2 anfallende arme Lösung wird, gegebenenfalls über einen Lösungssammler 22, zusammengeführt und anschließend als Heizmedium durch das Heizbündel 7 des Teilstromdesorbers 2 im Gegenstrom zum Rieselstrom des zu trennenden Gemisches geführt und dabei abgekühlt. Die arme Lösung 11 veranlaßt anschließend die Desorptionseinrichtung·

Die ausgetriebene Komponente wird ebenfalls im Gegenstrom zu dem zu trennenden Gemisch, aber im Direktkontakt zu diesem von unten nach oben durch den Desorber 1 und dem Teilstromdesorber 2 geführt, sättigt dabei in der Stoffaustauecheinrichtung 6 die zuströmende reiche Lösung 12 auf, wobei die Konzentration des Dampfes des Arbeitsmittels oder der leichten Fraktion von unter nach oben zunimmt· Je nach Konzentration der zugeführten reichen Lösung 12 bzw. der geforderten Reinheit des Arbeitsmitteldampfes 13 ist eine Verstärkungssäule 3 oberhalb des Zulaufes der reichen Lösung 12 erforderlich· Bei den in Fig· 1 bis 3 dargestellten Anlagen wurde diese Notwendigkeit vorausgesetzt und als Rücklauferzeuger ein Dephlegmator 17 mit einem Kühlmittelzulauf 15 und einem Kühlmittelaustritt 16 gezeigt· Das Heizmedium der Heizbündel 4 des Desorbers 1 bzw· für das Heizbündel 9 des Teilstroradesorbers 2 hat einen Eintritt 9 und einen Austritt 10. Wird Dampf als Heizmedium benutzt, so ist für die angestrebte hohe Entgasungsbreite die Anordnung einer zweiten Dampfdruckstufe im Desorber 1

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sinnvoll, in der auch der Ebtspannungsdarapt aus dem Kondensat der höheren Druckstufe genutzt werden kann (Fig· 3)· Siederdruckdampf tritt am Eintritt 18 in das Heizbündel 4 des Desorbers 1 ein, verläßt dieses als Kondensat am Austritt 19 und wird in den Kondensatentspanner und -sammler 20 geführt. Aus dem Kondensatsammler 20 wird das Kondensat zusammen mit den anderen Kondensaten 10 über einen Kondensataustritt 21 aus der Anlage abgeführt·

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Claims

Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur regenerativen Nutzung des Wärmeinhaltes von als Sumpfprodukt anfallenden armen Lösungen einer thermischen Desorption oder Destillation mit geringen Umwandlungsverlusten bei der regenerativen Wärmeübertragung, wobei bei der thermischen Trennung als Kopfprodukt ein niedrigsiedendes Arbeitsmittel anfällt und zwischen dem zu trennenden Gemisch reicher Lösung und der armen Lösung ein großer Konzetrationsunterschied besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufluß der reichen Lösung(I2)zur thermischen Trennung auf einen fremdbeheizten Desorber (1) und einen nur regenerativ beheizten oder regenerativ und fremdbeheizten Teilstromdesorber (2) aufgeteilt wird, wobei die Aufteilung der Menge der reichen Lösung (12) in zwei Teilströme durch den nutzbaren Wärmeinhalt der Gesamtmenge der armen Lösung (11) im Verhältnis zum Wärmeverbrauch des fremdbeheizten Desorbers (1) bestimmt wird und daß die Teilströme der reichen Lösung parallel zueinander im Rieselstrora im Desorber (1) Heizbündel (4) bzw. im Teilstromdesorber (2) ein oder mehrere Heizbündel (7 oder 7 und 8) durchströmen und als arme Lösung jeweils in den Sümpfen des Desorbers (1) bzw. des Teilstromdesorbers (2) gesammelt und anschließend beide Teilströme wieder zusammengeführt werden,und der Gesamtstrom der armen Lösung (11) als regenerativer Wärmeträger durch den Mantelraum des Heizbündels (7) des Teilstromdesorbers (2), im Gegenstrom zum Teilstrom der reichen Lösung, geführt wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewährleistung einer gleichen Desorptionsendtemperatur und einer gleichen Konzentration der armen Lösung von Desorber (1) und Teilstromdesorber (2) der Rieselstrom im Teilstromdesorber (2) am heißen Ende zusätzlich durch ein fremdbeheiztes Heizbündel (8) geführt wird.

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