DE3110520A1 - Verfahren zur erzeugung von dampf - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von dampf

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Siegfried Dipl.-Ing. 6093 Flörsheim-Wicker Jung
Gerhard Dipl.-Ing. 6500 Mainz Link
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Uhde GmbH
Ticona Polymerwerke GmbH
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Description

Verfahren zur Erzeugung von Dampf
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf von 3,0 bis 6,0 bar und von 140 oC bis 165 oC aus flüssigen Wärmeträgern von niedrigem Temperaturniveau durch Verdampfung und Verdichtung.
Unter ''bar'' soll im folgenden immer ''bar absolut'' verstanden werden. Flüssige Wärmeträger erhalten in der Regel ihren Wärmeinhalt aus Wärmetönungen von chemischen Prozessen, bzw. sind anfallende Kondensate aus Dämpfen.
Um chemische Reaktions- oder Trenn-Prozesse durchführen zu können, ist oft die Zufuhr von Heizwärme erforderlich, da bestimmte Reaktionen nur bei bestimmten Temperaturen und/oder unter Wärmezufuhr ablaufen. Die Reaktionsprodukte müssen in der Regel anschließend bis auf nahezu Umgebungstemperatur abgekühlt und kondensiert werden. Während ihre Wärmeinhalte im hohen Temperaturbereich über 150 oC wegen der noch vorhandenen hohen thermodynamisehen Qualität leicht durch Wärmeaustausch übertragbar sind, sind sie im Bereich von etwa 100 oC kaum noch ausnutzbar und werden daher meist durch Wärmetausch an Luft oder Kühlwasser abcjefühit.
Chemische Prozeßanlagen arbeiten oft im Wärmeverbund und sind in der Regel integrierte Anlagen d. h. sie sind wärmetechnisch weitgehend gekoppelt. Wärmequellen wie z. B. abzukühlende Produktströme und Hilfsstoffe oder zu kondensierende Produktbrüdendämpfe werden von Kesselspeisewasser in Wärmetauscherrohren parallel oder nacheinander zur Dampferzeugung durchströmt. Dampf von verschiedenen Druckstufen wird teilweise als Antriebsdampf für Turbinen und Kraftmaschinen, teilweise meist als Heizdampf eingesetzt. Dabei fallen Kondensate unter verschiedenen Drücken und Temperaturen an. Da die chemischen
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Teilanlagen nicht stetig auf Auslegungslast gefahren werden und damit Teillastbetrieb, wenn nicht sogar kurzzeitig Stillsetzung stattfindet, werden verschiedene Druckstufen im Dampfnetz gewählt, die noch eine sichere DampfVersorgung über weite Entfernungen und bei ausreichender Temperatur gewährleisten. So gibt es in der Regel eine Mitteldruckstufe von ca. 15 bis 25 bar und eine Niederdruckstufe von 3 bis 6 bar. Dampf aus der Mitteldruckstufe kann unter anderem als Heizdampf für den Temperaturbereich um 200 oC, als Treibdampf für Dampfstrahlverdichter oder als Antriebsdampf für Prozeßdampfturbinen eingesetzt werden. Dampf der Niederdruckstufe wird in der Regel nur als Heizdampf eingesetzt. Sein Druck von 3 bis 6 bar und seine Temperatur erlauben noca den Transport und Einsatz über weite Strecken. Steht aus irgendwelchen Gründen nicht genügend Niederdruckdampf zur Verfügung, ist man gezwungen, Dampf aus dem Mitteldrucknetz mittels Drosssleinrichtungen auf den Druck des Niederdruckdampfnetzes zu reduzieren und evtl. Kondensat zur Dampfkühlung bzw. zur AbSättigung einzuspritzen. Auf diese Weise wird zwangsläufig hochwertige Energie d. h. Dampf mit hoher thermodynamischer Qualität unwirtschaftlich reduziert bzw. vernichtet.
Eine weitere Sonderheit in chemischen Prozeßanlagen ist, daß heiße Kondensate anfallen bei unterschiedlichen Drücken und ihren entsprechenden Kondensationstemperaturen. Handelt es sich um Dampfkondensate, werden sie bei gleichzeitiger Nachverdampfung entspannt und der Kesselspeisewasseraufbereitung zugeführt. Sind die Kondensate auf niedrigem Druck- und Teirperaturniveau nicht mehr verwendbar, kann die Ableitung in das Abwassersystem nur unter Atmosphärendruck und annährernder Urneebungstemperatur erfolgen, d. h. sie sind zum einen zu entspannen und zum anderen zu kühlen mittels Luft oder Kühlwasser. Ihi Wärmeinhalt geht dadurch vollständig verloren.
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Es ist bekannt, der Wärmeinhalt von flüssigen Wärmeträgern mit Temperaturen von ca. 100 oC dadurch auszunutzen, daß man diese Wärmeträger, in der Regel Wasser, bei einem Druck von unterhalb Atmosphärendruck, c.. h. weniger als 1,0 bar ausdampfen läßt. Die entstehenden Brüder werden mittels eines DampfStrahlverdichters unter Einsatz von Treibdampf laufend abgesaugt, d. h. der Unterdruck im Syste-m wird aufrechterhalten. Im Diffusor des DampfStrahlverdichters wird das Gemisch bis auf überatmosphärischer- Druck von z. B. 2,0 bar verdichtet. Auf diese Weise kann unter wirtschaftlichem Einsatz von Treibdampf höheren Druckes, in der Regel 16 bar und mehr, eine Teilmenge an Wärme niedrigeren 1'emperaturniveaus um ca. 25 oC angehoben werden.
Wenn der Dampf bei Unterdruck anfällt, reicht diese Temperaturerhöhung in der Regel nicht aus, da das Temperaturniveau auf ca. 110 bis 115 oC angehoben wird. Es ist dann nur eine Verwendung in allernächster Nähe der Dampferzeugung möglich, da der so produzierte Dampf kaum über weite Entfernungen geführt und wirklich als Heizdampf verwendet werden kann. Durch Druck- und Temperaturverlust steht dann nur noch heißes Kondensat zur Verfügung. Außerdem ist das so erreichte Temperaturniveau meist nicht ausreichend hoch. Darüberhinaus müssen bei gleichzeitigem Vorhandensein von flüssigen Wärmeträgern unterschiedlichen !Druckes mehrere unterschiedliche Dampfstrahlverdich-er eingeplant werden, da DampfStrahlverdichter nur für ein spezielles Druckverhältnis ausgelegt werden können. Ändert sich darüberhinaus das Druckverhältnis durch Absinken oder Ansteigen des Saugdruckes wird der DampfStrahlverdichter instabil und unwirtschaftlich.
Der Einsatz von DampfStrahlverdichtern spezieller Bauweise zur Druckerhöhung· bis auf über 2 bar hat sich als unwirtschaftlich erwiesen, da die erforderliche Treibdampfmenge ein vielfaches der
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Saugstrommenge wird, so daß letzten Endes ein Überangebot an Niederdruckheizdampf eintritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bestehenden Nachteile der Erzeugung von Dampf von 3,0 bis 6,0 bar in chemischen Prozeßanlagen zu beseitigen und gleichzeitig anfallenden Brüdendampf von niedriger thermodynamischer Qualität auf ein höheres Energieniveau zu bringen.
Die gestellte Aufgabe wird überraschenderweise durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebenen Verfahrensmaßnahmen und durch die Ausgestaltung gemäß den Unteransprüchen gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile be-atehen insbesondere darin, daß der Wärmeinhalt flüssiger Wärmeträger im Temperaturniveau bis herunter zu 80 oC zur Erzeugung von Dampf von 3,0 bis 6,0 bar mit einfachen und sehr wirkungsvollen Mitteln erreicht wird. Dabei wird eine Temperaturerhöhung um ca. 50 oC erreicht. Der Einsatz von Antriebsenergie und Treibdampf erreicht einen minimalen Wert. Darüberhinaus ist die Kombination von mechanischem Verdichter und DampfStrahlverdichter besonders flexibel. Mit Hilfe einer Ansaugdrossel am mechanischen Verdichter kann sein Enddruck bei wechselnden Dampfmengen konstant gehalten werden. Damit bleibt auch der Saugdruck des DampfStrahlverdichters konstant und ein Mehrbedarf an Treibdampf wird nicht erforderlich, weil das Druckverhältnis ebenfalls konstant bleibt. Infolge einer Überhitzung von ca. 25 oC des, die letzte Stufe des mechanischen Verdichters verlassenden Dampfes, ergeben sich für den DampfStrahlverdichter günstigere Bedingungen.
Unter niedrigem Temperaturniveau ist ein Temperturbereich von 80 bis 115 oC, vorzugsweise von 90 bis 105 oC zu verstehen. Die Verdampfung der flüssigen Wärmeträger erfolgt vorzugsweise bei
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niedrigem Temperaturniveau und niedrigem Druck, im Falle von Wasser als Wärmeträger bei einem unteratmosphärischen Druck bis zu 0,5 bar, vorzugsweise bis 0,7 bar. Vorzugsweise beträgt die Druckerhöhung mittels des Dampfstrahverdichters das 1,5 bis 1,8fache.
Unter mechanischer Verdichtung ist bevorzugt diejenige durch Verdichtung mittels eines mehrstufigen Turboverdichters zu verstehen. Daneben können auch noch bekannte Verdichterbauarten, wie z. B. Schraubenverdichter, verwendet werden.
Um die Dampftemperstür im mechanischen Verdichter auf das zulässige Maß zu begrenzen, wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der vom mehrstufigen mechanischen Verdichter angesauqrte Dampf stufenweise durch Kondensateinspritzung gekühlt. Hierdurch wird die Verdichtungsarbeit sofort in Dampf verwandelt und kann nutzbringend umgesetzt werden. Nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind die flüssigen Wärmeträger heißes Kondensat, mittels Brüden oder anderer Wärmequellen, wie z. B. Abgase oder Dämpfe aufgeheiztes Speisewasser und/oder eine Mischung von beiden. Diese Ausgestaltungen ermöglichen den gleichzeitigen Einsatz von heißen Kondensaten aus verschiedenen Kondensatordruckbereichen und/oder von indirekten Heizmitteln verschiedener Art wie z. B. Kopfbrüden von Rektifizierkolonnen zur Verdampfung von Speisewasser.
Flüssige Wärmeträger sind in der Regel Wasser, womit gemäß der Erfindung der Dampf in der Regel Wasserdampf ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Wasserdampf beschränkt, allerdings sollten Saugdampf und Treibdampf von gleicher Basis-Flüssigkeit sein. Das Wesen der Erfindung wird nicht abgeändert, wenn als Wärmeträger ein anderes Fluid als Wasser gewählt wird bzw. eingesetzt werden
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kann. Indirektes Heizmittel für Speisewasser kann jeder andere Stoff mit ausreichendem Temperaturniveau sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dem mechanisch verdichteten Dampf Entspannungsdampf gleichen oder höheren Druckes beigemischt. Der Entspannungsdampf wird z. B. durch Entspannung von unter höherem Druck stehendem Kondensat gewonnen. Will man die Überhitzung des Dampfes aus dem DampfStrahlverdichter vermindern, wird in bekannter Weise dem Dampf von 3,0 bis 6,0 bar eine entsprechende Menge Kondensat zugeführt.
Die folgenden Ausführungsbeispiele zeigen einmal den überraschendn technischen Effekt und erläutern den Erfindungsgegenstand näher.
Vergleichs-Beispiel 1:
12.500 kg Sattdampf/h von 0,86 bar sollen mittels eines DampfStrahlverdichters von dem Saugdruck vom 0,86 bar auf einen Gegendruck von 3,8 bar absolut verdichtet werden. Für diese Verdichterarbeit sind dem DampfstrahlverdicLiter als Treibdampf 85.650 kg/h mit einem Druck von 16 bar und 200 oC zuzuführen. Hieraus errechnet sich ein Treibdampf zu Saugdampf-Verhältnis von 6,85. Die gesamte erhaltene Dampfmenge beträgt dabei 98.150 kg/h.
Da dieses Verhältnis und die erforderliche Treibdampfmenge viel zu groß sind, wird solch eine Lösung aus wirtschaftlichen Gründen abgelehnt.
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Beispiel 2:
Mit Brüden von 103 oC aus einer Rektifizierkolonne wird Speisewasser bei einem Unterdruck von 0,84 bar und 94 oC verdampft. Zusätzlich wird Dampf aus mehreren Kondensatsammelbehältern, die unter Drücken bis zu 2,9 bar stehen, durch Entspannen auf 0,84 bar erzeugt. Insgesamt fallen durch die Brüdenverdampfung und die Entspannung 12.500 kg/h Sattdampf an.
Dieser Gesamt-Dampf in der Menge von 12.500 kg/h wird von einem mehrstufigen Turboverdichter bis auf 2,45 bar verdichtet. Der Antrieb des Turboverdichters erfolgt dabei durch eine Gegendruckdampfturbine deren Abdampf bei 16 bar anfällt. Um eine annähernd isotherme Verdichtung zu erreichen, wird der durch die jeweilige Verdichtung in den einzelnen Stufen überhitzte Dampf zwischen den Stufen durch Kondensateinspritzung gekühlt. So erfolgt eine direkte Umsetzung der Antriebsenergie zusätzlich in Dampf. Durch diese Kondensateinspritzung erhöht sich die Dampfmenge um weitere 735 kg/h auf insgesamt 13.235 kg/h. Nach der letzten Verdichterstufe beträgt die Überhitzung des komprimierten Dampfes 22 oC. Aus einem vorhandenen Kondensatsammelbehi.lter, der unter einem Betriebsdruck von 7,4 bar steht werden durch Entspannen auf 2,55 bar zusätzlich 1100 kg/h Sattdampf gewonnen und dem überhitzten, komprimierten Dampf zugeführt. Die Gesamtdampfmenge hat sich auf 14.335 kg/h erhöht. Diese Dampfmenge wird einer mehrteiligen DampfStrahlverdichteranlage zugeführt wo sie mittels 17.720 kg/h Treibdampf aus einem Mitteldruckdampfnetz von 16 bar und 200 oC weiter verdichtet wird.
Die DampfStrahlverdichter liefern insgesamt 32 055 kg/h leicht überhitzten Dampf von 3,8 bar und 154 oC. Da im vorliegenden Fall eine geringe Temperaturreduzierung noch möglich ist, werden
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zusätzlich 500 kg/h Kondensat von 95 oC in den überhitzten Dampf eingespritzt und dadurch nochmals in Dampf umgewandelt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden insgesamt 32.555 kg/h Heizdampf von 3,8 bar und 145 oC gewonnen. Die Temperaturanhebung beträgt im vorliegenden Beispiel 145 oC-94 oC = 51 oC. Druck und Überhitzungstemperatur liegen so günstig, daß dieser Dampf vielerorts als Heizdampf eingesetzt werden kann.
Eine weitere Vergleichsrechnung zeigt überraschend, daß 16 bar Dampf aus dem Mitteldruckdampfnetz wärmetechnisch vorteilhafter in einem Dampfstrahlverdichter nach einem Turboverdichter eingesetzt werden kann, als daß er als Antriebsdampf für einen weiteren Turboverdichter zur Erhöhung des Heizdampfdruckes von 2,3 auf 3,8 bar dienen kann.
Als Antriebsdampf in einer Turbine für einen weiteren Turboverdichter können die 17.720 kg/h Mitteldruckdampf von 16 bar und mit leichter Überhitzung bei adiabater Entspannung eine Arbeitsleistung von
17.720 χ 31 χ 0,6
N = = 383 kW
ad 860
erbringen. Es wurde ein Turbinenwirkungsgrad von 60 % und ein Sättigungszustand von 96 % am Turbinenaustritt angenommen.
Die so gewonnene Antriebsleistung reicht jedoch nicht aus, um die 14.335 kg/h Dampf von 2,4 bar verdichtet iir ersten Turboverdichter mittels eines zweiten Turboverdichters auf 3,8 bar zu verdichten. Für diese Druckerhöhung ist eine Arbeitsleistung erforderlich von
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14. 335 χ 20
N = = 476 kW
Verd. 860 χ 0,7
die also erheblich löher ist, als die zuvor errechnete gewinnbare Arbeitsleistung.
Das erfindungsgemäß β Verfahren ermöglicht eine vorteilhafte Ausnutzung von Abfallwärme von niedrigem Temperaturniveau in ' Verbindung mit wärtnatechnisch vorteilhaftem Einsatz von Mitteldruckdampf. Die Kombination von Turboverdichter und Dampfstrahler für die Gewinnung von überhitztem Niederdruckdampf erweist sich dabei energetisch und investitionsmäßig besser als jede bisher bekannte andere Kombination.
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Claims (7)

  1. UHDE GmbH, Dortmund
    eig. Zeichen: 10 090
    PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zur Erzeugung von Dampf von 3,0 bis 6,0 bar, vorzugsweise 3,5 bis 4,5 bar und 140 bis 165 oC aus flüssigen Wermeträgern von niedrigem Temperaturniveau durch Verdampfung und Verdichtung,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    a) die Verdampfung der flüssigen Wärmeträger bei niedrigem Temperaturniveau unteratmosphärisch erfolgt
    b) der erzeugte Dampf mittels mechanischer Verdichtung ejne 2,0 bis 3,Ofache Druckerhöhung erfährt
    c) der nach b) verdichtete Dampf mittels Dampfstrahlpumpe anschließend eine mindestens l,4fache Druckerhöhung erfährt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die mechanisch verdichteten Dämpfe stufenwiese durch Kondensateinspritzung gekühlt werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen Wärmeträger Kondensat sind.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen Wärmeträger beheiztes Speisewasser sind.
    RVPP01001430381
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen Wärmeträger teilweise Kondensat und teilweise beheiztes Speisewasser sind.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß dem mechanisch verdichteten Dampf Entspannungsdampf gleichen oder höheren Druckes beigemischt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6
    dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf von 3,0 bis 6,0 bar abschließend durch Kondensatzugabe eine Reduzierung seiner Überhitzung erfährt.
    RVPP01001430381
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