DE3331930A1

DE3331930A1 - Verfahren und einrichtung fuer die verbesserte verteilung des beschickungsmateriales bei vertikalroehrenverdampfung

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Publication number: DE3331930A1
Application number: DE19833331930
Authority: DE
Inventors: Hugo Henry 94708 Kensington Calif. Sephton
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-09-07
Filing date: 1983-09-05
Publication date: 1984-03-08
Also published as: GB2126116A; US4511432A; FR2536670B1; FR2536670A1; GB8323711D0; JPS5966301A; GB2126116B

Description

GRÜNECKER, KINKELDEY, STOCKMAIR & PARTNER PATENTANWÄLTE

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Verfahren und Einrichtung für die verbesserte Ver-,g teilung des Beschickungsmaterials bei Vertikalröh-

renverdampfung

2Q Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Einrichtung zum Durchführen der Vertikalröhrenverdampfung im Aufwärtsstrom, und insbesondere betrifft sie eine verbesserte Einrichtung zum Verteilen einer Beschickungsflüssigkeit auf eine Vielzahl von vertikalen Röhren.

Herkömmliche Vertikalröhrenverdampfer umfassen in typischer Weise eine Vielzahl oder ein Bündel paralleler Wärmeübertragungsröhren, die sich durch einen Heizbehalter hindurch erstrecken, etwa einen Dampfmantel. Solche Vertikalröhrenverdampfer können entweder im Abwärtstrom oder im Aufwärtsstrom betrieben werden, wobei die letztgenannte Betriebsweise Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Bei der Ausbildung für den Aufwärtsstrom tritt die zu verdampfende Flüssigkeit, die hier als Beschickungsflüssigkeit (Destilland) bezeichnet wird, in den Verdampfer durch eine Sammelkammer ein, die unterhalb der offenen Wärmeüb'ertra-

gu; ,sröhren gebildet ist. Wärme wird der Flüssigkeit durch Dampfkondensation an den Außenoberflächen der Rohre zugeführt, und ein Aufwärtsstrom der Beschickungsflüssigkeit wird durch die Dampfströmung eingeleitet, die durch die Verdampfung erzeugt wird. Das verbleibende, flüssige Beschickungsmaterial, das die Oberseite des Verdampfers erreicht, wird in einem Auslaß-Sammelraum gesammelt und entweder in den Eingangs-Sammelraum zurückgeführt oder zu einem Verdampfer einer zweiten Stufe überführt. Der Dampf trennt sich von der Flüssigkeit im Äuslaß-Sammelraum und wird nachfolgend entweder kondensiert oder als Heizmedium in einer nachfolgenden Stufe oder einer nachfolgenden Behandlung benutzt.

■

Der Wärmeübertragungskoeffizient, der mit den Verdampfern des soeben beschriebenen Typs erreicht wird, liegt typisch in der Größenordnung von 20 425 kJ/m²hK (1 000 Btu/(hr) (ft² ) (⁰F)). Der Wärmeübertragungskoeffizient kann allerdings dadurch erhöht werden, daß man der Beschickungsflüssigkeit ein schaumerzeugendes Tensid hinzufügt und den Druck auf die Beschik-

kungsflüssigkeit verringert, wenn sie in das Einlaßende der Wärmeübertragungsröhren eintritt. Der sich ergebende Schaum erhöht das Maß der Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit um 100 bis 200%. Die ringförmige, schaumige Schicht strömt über die Innenwand der Röhre,, während ein Dampfphasenkern sich längs der Achse der Rg..re abtrennt und im Stande ist, ungehindert von der Strömung der flüssigen Phase zum Auslaß zu strömen.

Ein solches strömungsmechanisches Verhalten verringert den Druckabfall durch das Röhrenbündel, so daß es möglich ist, mit niedrigeren Drücken zu arbeiten* was die Verdampfung fördert. Außerdem verringert die

^⁵ schaumige Beschaffenheit der Flüssigkeitsschicht ihre Wärmebeständigkeit, was noch weiter die Verdampfung fördert.

Die hydrodynamische Instabilität uar 2-phasigen Strömung durch die vertikalen Röhren des Verdampfers ist sowohl bei einer herkömmlichen Strömung als auch bei einer Schaumströmuig problematisch. Eine solche Strömungsunstabilität erhöht den Druckabfall über die Verdampferröhren hinweg, was die Verdampfung erschwert. Außerdem kann die hydrodynamische Unstabilität zu einer übermäßigen mechanischen Schwingung führen, welche sowohl den Verdampfer als auch die angebrachte Verrohrung beschädigen kann.

Die hydrodynamische Instabilität kann von einer Anzahl von Gründen herrühren und ist besonders während des Anlaufens eines kalten Verdampfers problematisch. Im idealen Fall sollte jede Röhre im Verdampferröhrenbündel mit der gleichen Strömung unter näherungsweise gleichem röhrenseitige:m Druckabfall arbeiten. Die Instabilität tritt allerdings dann auf, wenn einzelne Röhren oder Röhrengruppen im Bündel eine

^^u sprunghaft ansteigende oder pulsierende Strömung erfahren, die von einer Vielzahl von Störungen herrühren kann. Meistens·: sammelt sich überschüssige Flüssigkeit in einer Röhre, und die schlagartige Verdampfung der Flüssigkeit veranlaßt weitere Flüssigkeit, abwärts zu strömen. Die Flüssigkeit, die in den Einlaß-Sammelraum ausgestoßen wird, erhöht den hydrostatischen Druck in diesem Sammelraum, was wiederum zu Flüssigkeitsstöfßen in den Röhren führt, in denen nicht gerade schlagartige Verdampfung auftritt. Die überschüssige Flüssig-

keit sammelt sich dann in den Röhren ohne solche schnelle Verdampfung an, was zu weiterer, stoßartiger Verdampfung führen kann, was schließlich zu einer oszillierenden Querströmung zwischen den Röhren an den Einlaßenden der Röhren führt. Dieses Problem ist während des Anlaufs des Verdampfers am brennensten, wenn die Röhren nur mit Flüssigkeit gefüllt sind und mit unterschiedlicher Rate erwärmt werden können. Die Dampf explosion·.

beginnt nahezu st^is in Einzelröhren oder Gruppen von Röhren, bevor sie in anderen ausgelöst wird, was dazu führt, daß der Anlauf des Verdampfers schwierig oder unmöglich ist. Das Problem ist besonders brennend in großen Verdampfern (d.h. solchen, die mehr als 20 Röhren aufweisen), da eine unterschiedliche Erwärmung der Röhren praktisch unvermeidlich ist.

Schaumverdampfer mit vertikalen Röhren neigen etwas weniger zu den StrömungsStörungen, die gerade beschrieben wurden, als dies bei Verdampfern mit schaumfreier Strömung der Fall ist, aber eine solche Instabilität bleibt noch immer ein ernstes Problem. Solche Verdampfer verwenden in typischer Weise eine Verteilerplatte, die mit Abstand unterhalb der Einlasse zu den Wärmeübertragung sr öhr en angeordnet ist. Die Verteilerplatte umfaßt eine Anzahl von kleinen Öffnungen oder Blenden, die das Aufschäumen auslösen, wenn die Beschickungsflüssigkeit hindurchtritt. Die Anordnung der Verteiler-2Ό platte in einem Abstand erzeugt allerdings einen Verteilerraum , der Strömungsstörungen von einer Röhre einer Röhrengruppe zu einer anderen übertragen kann, was das soeben beschriebene Problem noch verstärkt.

Es ist deshalb erwünscht, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betreiben von Vertikalröhrenverdampfern vorzusehen, und insbesondere von Vertikalröhren-Schaumverdampfern, wobei wirksam solche unerwünschten Strömungseigenschaften am Entstehen gehindert werden sollen und wo eine solche Strömung, wenn sie erst einmal aufgetreten ist, abgedämpft werden kann.

US-PS 3 846 25 4 (Sephton) beschreibt den Aufbau und die Verwendung eines Vertikalröhrenverdampfers für den Aufwärts- und Abwärtsstrom sowie die Praxis der Schaumverdampfung in der vertikalen Röhre. Der Abstand oder Spalt zwischen der Veiteilerplatte und den Einsatzenden der Röhren beträgt ger.säß der Lehre dieser Druckschrift

mehrere Zentimeter bzw. Zoll, um maximale Turb lenz und Schaumbildung unmittelbar stromaufwärts von den Röhreneinlassen vorzusehen. In Sephton-, "Desalination" (1975), Bd. 16, S. 1-13, ist ein Vertikalröhrenverdampfer für die Aufwärtsströrnung offenbart, mit einer Verteilerplatte mit einem Spalt von 76,2 mm zwischen der Verteilerplatte und den Röhreneinlässen. Sephton, Berichte des 4. Internationalen Symposiums über Süßwasser aus dem Meer (1973), Bd. 1, S. 471-480, erörtert das Problem der hydrodynamischen Instabilität in einem Vertikalröhrenverdampfer für die Aufwärtsströmung unter Schaumentwicklung, der ein 18-Röhren-Bündel aufweist. Die Veröffentlichung (NTIS) PB-271 022 des U.S. Department of Commerce "Erneuerung der Einrichtung zum Dampfablassen für einen Kraftwerk-Kühlturm, für die Wiedergewinnung durch Verdampfungskristallisation mit übergangsflächenverbesserung", Juni 1977, offenbart .die Verwendung eines Vertikalröhrenverdampfers mit Aufwärtsströmung, der eine Verteilerplatte aufweist, die einen experimentell veränderlichen Spalt zwischen ihrer oberen Oberfläche und einem unteren Röhrenblech aufweist, welches die Röhreneinlässe begrenzt. Ein herkömmlicher Verdampfer für die Aufwärtsströmung, der mehrere Düsen in einer festen Platte verwendet, die unterhalb der Röhreneinlässe angeordnet ist, ist in CH-PS 188 608 beschrieben.

Die vorliegende Erfindung ist ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Einrichtung zum Betreiben eines

Vertikalröhrenverdampfers im Aufwärtsstrom. Die Verbindung beruht auf zwei Erkenntnissen: Zunächst wurde beobachtet, daß Strömungsunstabilitäten in einem Verdampfer mit mehreren Röhren verringert oder gänzlich ausgeräumt werden können, indem man die Querströmung dämpft, die zwischen den Wärmeübertragungsröhren in dem Verteilerraum stattfindet, der zwischen der Verteilerplatte und den Röhreneinlässen gebildet ist. Es wurde zweitens beobachtet, daß der Gesamtdruckabfall

durch die Röhrenseite ein*- solchen Verdampfers eine Funktion vom Dämpfungsgrad der Querströmung zwischen den Röhreneinlässen ist. Wie oben beschrieben, steht der Druckabfall in umgekehrter Relation zum erreichten Wärmeübertragungskoeffizienten. Auf der Grundlage dieser Beobachtungen wurde eine neuartige Anordnung und ein neuartiges Verfahren zum Betreiben eines Vertikalröhrenverdaiapfers entwickelt.

In der breitesten Form ist die Anordnung dadurch gekennzeichnet, daß man die Verteilerplatte innerhalb eines gewissen kritischen Abstands gegenüber den Röhreneinlässen. anordnet, um eine ausreichende Dämpfung der Querströmung sicherzustellen, um einen stabilen Betrieb des Verdampfers zu erzielen. Daß dieser Parameter kritisch ist, wurde bisher noch nicht erkannt, und es ist praktisch unmöglich, Verdampfer mit großen Bündeln (d.h. solche, die etwa 100 Röhren überschreiten) dann in Gang zu setzen, wenn der Zwischenraum größer ist als die hier vorgesehene obere Grenze.

Bei dem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Verteilerplatte relativ zu den Röhreneinlässen beweglich, um eine variable Dämpfung der Querströmung oder einen variablen Widerstand gegenüber dieser zu erzielen. Auf diese Weise kann während Perioden unstabiler Strömung die Querströmung zwischen den Einlaßenden abgedämpft werden, bis die Strömung wieder einen Normalzustand einnimmt. Außerdem kann die Wärmeübertragung dadurch optimiert werden, daß man ständig die Lage der Verteilerplatte einstellt, um den röhrenseitigen Druckabfall auf ein Mindestmaß zu reduzieren.

Es werden nun spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben und hierbei wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen; ein Vertikalröhrenverdampfer 10 umfaßt eine Vielzahl vertikaler Wärmeübertragungsröhren 12, die innerhalb eines Wärmemantels 14, typischerweise eines Dampf-

mantels, mgeoi aet sind. Der Dampfmantel 14 umfaßt einen Dampfeinlaß 34, einen Kondensatauslaß 36 und einen Auslaß 38 für den Sumpf bzw. nicht kondensierte bzw. nicht kondensierbare Anteile. Die Röhren 12 enden mit ihren unteren Enden in einem Einlaßröhrenblech 16 und durchdringen ein Auslaßröhrenblech 18 an ihren oberen Enden. Ein unterer Dom bzw. eine untere Haube 20 mit einem Flüssigkeitseinlaß 22 ist gegenüber dem Röhreneinlaßblech 16 abgedichtet, um einen Einlaß-Sammelraum 24 zu bilden. Ein oberer Dom bzw. eine obere Haube 26 schließt in ähnlicher Weise das Röhren-Oberblech 18 ab und ist mit dem Verdampfer TO um einen kurzen Abstand unterhalb der Oberseite des Wärmemantels 14 zusammengefügt, um einen Auslaß-Überlauf 28 zu bilden. Die obere Haube 26 umfaßt einen Dampfauslaß 3 0 an ihrem oberen Ende sowie einen Flüssigkeitsauslaß 32,- der in Flüssigkeitsverbindung mit dem Überlauf 28 steht.

Der detaillierte Aufbau des Verdampfers kann in Abhängigkeit von den speziellen Prozeßbedingungen geändert werden. Im einzelnen werden die Baumaterialien derart gewählt, daß sie mit den Prozeßströmungsmitteln und -temperatüren kompatibel sind. Ausbildung und Abmessungen des Verdampfers können ebenfalls innerhalb weiter Grenzen variieren. Die Wärmeübertragungsröhren werden in üblicher Weise zylindrisch sein, obwohl auch andere Querschnitte ebenso gut funktionieren können. In ähnlicher Weise wird der Prozeßbehälter,, der den Ver-

^O dämpfer begrenzt, üblicherweise , jedoch nicht notwendigerweise , zylindrisch sein. Die Anzahl von Röhren hängt sowohl vom erwünschten Durchsatz als auch von der Größe der einzelnen Röhren ab. Die Röhren werden in üblicher Weise gleiche Abmessungen haben, um eine gleiche Strömung durch jede Röhre zu liefern, wobei in typischer Weise die Durchmesser im Bereich von 50,8 bis 76,2 mm liegen.

Zu diesem Zweck ist die Beschreibung des Verdampfers 10 typisch für Verdampfer, die sowohl für die herkömmliche vertikale Röhrenverdampfung als auch für die Vertikalröhrenverdampfung unter Schaumbildung verwendet werden. Wenn er als Schaumverdampfer verwendet wird, dann wird der Vertikalröhrenverdampfer 10 üblicherweise auch eine Verteilerplatte 40 (Fig. 2) umfassen, in welcher eine Vielzahl von Blendenöffnungen 42 ausgebildet ist. Die spezielle Verteilerplatte 40, die dargestellt ist, ist kreisförmig und zur Verwendung in Verdampfern bestimmt, die kreisförmige Querschnitte aufweisen. Es können auch andere Querschnitte verwendet werden. Das Anordnungsmuster der Blendenöffnungen 42 in der Platte 40 paßt zum Anordnungsmuster der Röhren 12 im Röhren-Einlaßblech 16. Normalerweise wird die Platte 40 so angebracht, daß die Blendenöffnungen 4 2 auf die Röhren 12 ausgerichtet sind, jedoch nicht stets, wie nachfolgend noch erörtert wird. Die Blendenöffnungsdurchmesser sind wesentlich kleiner als die Röhrendurchmesser, wobei Durchmesser im Bereich von 3,175 bis 19,05 mm am nützlichsten sind.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Verteilerplatte an einem Ring 44 angebracht, der sie um einen Abstand gegenüber dem Röhren-Einlaßblech 16 getrennt hält.

Somit bilden der Ring 44, die Platte 40 und das Blech 16 gemeinsam einen Verteilerraum 46, der, wie noch detaillierter nachfolgend beschrieben wird, es ständig Flüssigkeit, die von einer der Blendenöffnung 4 2 her eintritt, gestattet, zu jeder einzelnen Röhre 12 zu strömen. Die Verwendung des Rings 44 zur Anbringung der Platte 40 ist bequem, aber nicht unbedingt erforderlich. Die Platte 4 0a könnte unmittelbar an der Innenwand der unteren Haube 20 angebracht sein (s.

Fig. 3).

Obwo,'.,. die Verteilerpiatten wie etwa die Platte 40, die in Fig. 1 dargestellt ist, in erster Linie im Zusammenhang mit Vertikalröhrenverdampfern im Schaumverfahren verwendet wurden, wird die Schnellverdampfungs ° wirkung,- die durch solche Platten geliefert wird, wie im einzelnen nachfolgend beschrieben wird, auch den Betrieb von Verdampfern fördern, die nicht im Schaumverfahren betrieben werden, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verdampfung im Schaumverfahren ¹^ begrenzt.

Bei der Verdampfung im Schaumverfahren wird eine kleine Menge eines oberflächenaktiven Mittels bzw. eines Tensides der zu verdampfenden Flüssigkeit zugesetzt

(der Destillations-Beschickungsflüssigkeit) _f welche in den Verdampfer durch den Einlaß 22 in den Einlaß-Samrnelraum 24 eintritt. Durch überhitzen der Be- ^.-schickungsflüssigkeit in typischer Weise um . etwa 0,9 bis 9k relativ zur Sättigungstemperatur im Verteiler-

raum 46 wird ein Teil der Beschickunsgflüssigkeit, die durch jede Blendenöffnung hindurchströmt, schnell verdampfen, wenn sie durch die Blendenöffnungen 42 hindurchtritt. Eine solche Schnellverdampfung bzw. explosionsartige Verdampfung ist erwünscht, da sie die

2-phasige Strömung in der Flüssigkeit auslöst, bevor sie in die Wärmeübertragungsröhren 12 eintritt. Außerdem setzt die Schnellverdampfung das Aufschäumen der Flüssigkeit in Gang, was für den ordnungsgemäßen

Betrieb wesentlich ist. Für eine vollständige Be-30

Schreibung der Verdampfung unter Schaumbildung wird auf US-PS 3- 846 254 verwiesen, deren Offenbarung hier durch die Bezugnahme ausdrücklich mit aufgenommen wird.

Allgemein ist es erwünscht, einen verhältnismäßig großen Spalt zwischen der Verteilerplatte 40 und dem Röhrenblech 16 vorzusehen. Ein solcher Spalt ist von Vorteil, da er die im wesentlichen unbehinderte Quer-

strömung zwischen den verschiedenartigen Blendenöffnungen und jeder der Wärmeübertragungsplatten ermöglicht. Auf diese Weise ist der Einlaßdruck bei jeder Röhre 12 im wesentlichen gleich dem für alle anderen Röhren, und die Strömung durch jede der Röhren ist ausgeglichen. Dadurch, daß man demnach eine parallele, gleichförmige Strömung durch das gesamte Röhrenbündel hindurch aufrechterhält, wird die wirksame. Temperaturdifferenz, die die Wärmeübertragung betreibt/-Eiit dem größten Wirkungsgrad benutzt. In-. Stabilitäten in der Strömung können allerdings das gleichförmige Strömungsmuster durch die Röhre unterbrechen, was den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung absenkt. Drei besonders problematische und den Strö-¹^ inungsabriß fördernde Bedingungen wurden beobachtet.

1.) Es können Schwingungen zwischen 2 oder mehr größeren Röhrengruppen während des Betriebsbeginns oder dann auftreten, wenn die Strömung in irgendeiner der

beiden Gruppen gestört wurde. on

2.) Abgabemuster bzw. Verteilungsmuster in Form von Kreiswellen wurden bei zylindrischen Röhrenbündeln beobachtet.

3.) Das dritte Unstabilitätsmuster ist gekennzeichnet durch die Verteilung von Dampf ■ und Flüssigkeit= · aus verschiedenen Röhren in einem zufälligen Muster. Ein unterscheidbares Muster oder eine Schwingungsfolge wurden nicht beobachtet. In jedem Fall wird die Instabilität von einem verhältnismäßig hohen röhrenseitigen Druckabfall und einem

verhältnismäßig niedrigen Maß der Wärmeübertragung auf die zu destillierende Flüssigkeit begleitet. Zusätzlich zur Verringerung der wirksamen Wärmeübertragung auf die zu destillierende Flüssigkeit kann eine solche Instabilität wesentliche

hydrodynamische Kräfte auf den Verdampfer aufbringen, was Schwingungen oder Vibrationen verursacht, die den Verdampfer beschädigen können.

Diese Probleme nehmen proportional mit der Anzahl von Röhren zu, ganz einfach weil die Wahrscheinlichkeit, daß mindestens eine Röhre eine Störung erleidet und die unstabile Strömung auslöst, größer ist. 5

Die einfachste Lösung für das Problem der Strömungsunstabilität in dem Röhrenbündel ist in Fig. 1 dargestellt. Dadurch, daß man die Verteilerplatte 40 innerhalb eines bestimmten kritischen Abstands (Abmessung G) zum Röhren-Einlaßblech 16 anordnet, kann die Querströmung zwischen den beiden Einlassen gedämpft werden. Dies ist deshalb erwünscht, weil die Rückwärtsströmung, die von einer Schnellverdampfung in den Röhren herrührt, weniger in der Lage ist, eine störende Einwirkung auf benachbarte Röhren im Bündel auszuüben. Der kritische Spalt zwischen den Einlassen der Röhren 12 und der Verteilerplatte 40 liegt, wie sich herausgestellt hat, im Bereich von dem 0,01-bis 0,2-fachen der mittleren Röhrenweite, bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 0,1 der mittleren Röhrenweite.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Verteilerplatte im wesentlichen parallel zum Röhreneinlaßblech 16. Obwohl dies üblicherweise der Fall sein wird, kann eine gexvisse Änderung im Abstand zugelassen werden, solange der Abstand an keinem Punkt von dem kritischen Bereich abweicht. Auch die Röhren 12 weisen gemäß der Darstellung gleiche Durchmesser auf. Dies ist wiederum das bequemste Verfahren zum Herstellen des Verdampfers, aber die Röhren können auch andere Querschnitte aufweisen, und die Röhrenweite kann sich auch in gewisser Weise verändern. Abweichungen in der Röhrenweite sind allerdings begrenzt, da Röhren mit unterschiedlichen Durchmessern üblicherweise unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten aufweisen (bei gleichem Differenzdruck), so daß die gleichartige Strömungsgeschwindigkeit durch das Bündel hindurch gestört ist, was zu Instabilitäten führt.

Fig. 3 stellt die unteren Abschnitt eines Verdampfers 10 dar, mit einer abgewandelten Verteilerplatte 40a, die sowohl Blendenöffnungen 42a umfaßt, die im wesentlichen zu den Röhren 12 koaxial sind, als auch Zwischen Blendenöffnungen 42b, welche zwischen den Blendenöffnungen 42a angeordnet sind. Die Zwischen-Blendenöffnungen ermöglichen es, daß ein Teil der zugeführten Flüssigkeit gegen das Röhren-Einlaßblech 16 prallt, was sicherstellt, daß das Verteilerraumvolumen 46 voll Flüssigkeit bleibt. Ein solcher "gefluteter" Zustand ist erwünscht, um die gleichförmige Strömung zu allen Röhren zu fördern (z.B. wenn eine oder mehrere der Blendenöffnungen 42a oder 42b verstopft sind), und um den Trockenbetrieb oder stagnierenden. Betrieb im Verteilerraum zu verhindern, was zum Abblättern bzw. Ausfallen von Salzen führen kann, die in der Beschickungsflüssigkeit vorliegen.

Die Zv/ischen-Blendenöf fnungen 4 2b sind üblicherweise kleiner als die koaxialen Blendungen 42a, und zwar typischerweise·, im Bereich von 1,27 bis 5,08 mm, und sie werden üblicherweise von einem kleineren Teil der Gesamtströmung passiert. Anzahl, Größe und Anbringungsstellen sowohl der koaxialen Blendenöffnungen 42a als auch der Zwischen-Blendenöffnungen 42b hängt von den Prozeßbedingungen ab, die Verdampfungstemperatür, Viskosität der Beschickungsflüssigkeit, Anwesenheit von Partikeln, Schäumungsfähigkeit der Beschickungsflüssigkeit, Röhrenabmessungen und vom festen Blendenabstand gegenüber den Röhreneinlässen umfassen .

Bei einer dritten Alternativlösung (nicht dargestellt) hat die Verteilerplatte Zwischen-Blendenöffnungen, wobei nur wenige oder gar keine Blendenöffnungen zu einer Wärmeübertragungsröhre koaxial sind. Diese Anordnung stellt sicher, daß der Verteilerraum jederzeit mit einem 2-phawigen, zu destillierenden Medium gefüllt ist, leidet aber unter einem etwa höheren Druck

verlust.

Die Verwendung der Verteilerplatte 40 (oder 4 0a) mit einem feststehenden Spalt G ist dahingehend erwünscht, daß sie die billigste Lösung für das Problem der Strömungs-Instabilität bildet. Allerdings ist es, wie ober, beschrieben, während des stabilen Betriebes erwünscht, einen größeren Spalt vorzusehen, und zwar typischerweise in der Größenordnung von 25,4 bis 101,6 mm und in noch typischerer Weise im Bereich von 50,8 bis 76,2 mm. Die Anordnung einer festen Verteilerplatte ermöglicht es jedoch nicht, daß der Spalt während der Perioden stabiler Strömung vergrößert wird.

Aus diesem Grund ist es erwünscht, eine Verteilerplatte 40 vorzusehen, in welcher der Spalt zwischen der Verteiierplatte 40 und dem Röhreneinlaßblech 16 während des Betriebs des Verdampfers verändert werden kann. Es wird nun auf die Fig. 4 und 5 Bezug genommen; zwei spezielle Ausführungsbeispiele werden beschrieben, die eine solche Einstellfähigkeit vorsehen. In beiden Ausführungsbeispielen ist die Verteilerplatte 40 mit koaxialen Blendenöffnungen 42 dargestellt, wie in Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Die Ausführungsbeispiele würden jedoch in gleicher Weise gut mit Verteilerplatten funktionieren, die die oben beschriebenen Zwischen-Blendenöffnungen aufweisen.

Bei Fig. 4 ist die Verteilerplatte 40 verschieblich ³^ innerhalb des Rings 44 angebracht, der seinerseits am Röhrenblech 16 befestigt ist. Der Ring 44 erstreckt sich in typischer Weise über einen Abstand von etwa 127 mm unterhalb des Röhrenblechs 16, um einen Verteilerraum 46 zu bilden, der von etwa 0 bis zu den vollen 127 mm veränderlich ist. Dadurch, daß man dann die Verteilerplatte 40 an einer Kurbelwelle 50 anbringt, welche die Haube 20 durch eine Vakuumdichtung 51 durchdringt, ermöglicht es die Drehung der Welle durch einen

Handgriff 52, daß der Spalt G enger oder weiter gemacht wird, und zwar in Abhängigkeit von den Strömungsbedingungen. Wie dargestellt, ist die Lage der Verteilerplatte 40 von Hand einstellbar, und in typischer Weise wird der Spalt während des Betriebsbeginnes verengt

und dann wieder erweitert, wenn eine stabile Strömung erreicht wurde. Danach wird nur dann, wenn die Bedienungsperson Strömungsinstabilitäten beobachtet, der Spalt überhaupt noch geändert.
10

Ein zweites Ausführungsbeispiel der einstellbaren Verteilerplatte ist in Fig. 5 dargestellt. Eine Schlittenanordnung 54 ist an einer horizontalen Stange oder <>. Bahn 56 angebracht/ welche am Ring 44 durch Aufhänger 57 aufgehängt ist, wie dargestellt. Zwei oder mehrere Verbindungsstangen 58 sind schwenkbar mit ihren oberen Enden an der Verteilerplatte 4 0 angebracht, sowie mit ihren unteren Enden an der Schlittenanordnung 54. Eine hin- und herbewegliche Stange 60 durchdringt die

*® Haube 20 durch eine Vakuumdichtung 62 derart, daß die Rückwärts- und Vorwärtsbewegung der Stange 60 die Verteilerplatte 40 veranlaßt, sich nach oben und unten zu verlagern. Wie dargestellt, ist die Stange 60 durch Lenkerarme 64 mit einem Antriebsrad 66 verbunden. Das Antriebsrad 66 kann von einem Schrittschaltmotor (nicht gezeigt) angetrieben werden, um die Fernbetätigung der Verteilerplatte 40 zu ermöglichen.

Viele andere Mechanismen können konstruiert werden,

um die Höhenlage der Verteilerplatte 40 einzustellen.

Die beiden oben erwähnten Ausführungsbeispiele erläutern lediglich mögliche Mechanismen und sollen nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung beschränken.

Außerdem soll die vorliegende Erfindung nicht auf die Einstellung des Spalts zwischen der Verteilerplatte und dem Röhreneinlaßblech als einzige Maßnahme zum Ein stellen des Widerstandes gegenüber der Querströmung

beschränkt s = . ι. Andere Mechanismen könnten konstruiert werden, um lediglich Teile der Verteilerplatte anzuheben, flügelartige Ventilelemente an verschiedenartigen Plätzen zum Behindern der Querströmung anzubringen,

δ oder dergleichen. Die Verwendung des Mechanismus zum Anheben der Verteilerplatte 40 ist jedoch bevorzugt und zu Zwecken der beispielhaften Darstellung benutzt.

Es wird nun auf Fig. 6 Bezug genommen; der Betrieb der Vertikalröhrenverdampfer der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf einen 2-stufigen Verdampfer (two-effect evaporator) beschrieben. Ein Verdampfer der ersten Stufe ist in Reihe mit einem Verdampfer 72 der zweiten Stufe geschaltet, wobei beide Verdampfer im wesentlichen gleich sind. Eine vorerhitzte Beschickungsflüssigkeit tritt in den Verdampfer 70 der ersten Stufe durch eine Leitung 74 am Boden ein und strömt durch eine Verteilerplatte 75 nach oben. Die Beschickungsflüssigkeit wird bis ein wenig über die Sättigungstem- peratur der zu destillierenden Fraktion bei dem stromabwärts von der Verteilerplatte 75 vorliegenden Druck vorerwärmt, so daß ein Teil der zu destillierenden Fraktion schlagartig verdampft, wenn sie in den Verteilerraum 76 eintritt. Die resultierende, 2-phasige, schaumige Flüssigkeit strömt nach oben durch Wärmeübertragungsröhren 77 und wird dann auf die in US-PS 3 846 254 beschriebene Weise verdampft. Wärme wird dem Verdampfer 70 durch Dampf zugeführt, der durch die Leitung 78 eingespeist wird. Das Kondensat kehrt zum Erhitzer 80 durch die Rückführleitung 82 zurück.·

Das 2-phasige Gemisch, das von der Oberseite der Wärmeübertragungsröhren 77 abgegeben wird, trennt sich in eine Dampfphase und eine Flüssigkeitsphase im obecen Sammelraum 83. Die Dampfphase wird durch eine Leitung 84 zum Wärmemantel des Verdampfers 72 geleitet, wo sie als Beheizungsmittel dient. Die konzentrierte, zu destillierende Fraktion läuft demzufolge weiter

zum Verdampfer 72 der zweiten Stufe, und zwar durch die Leitung 86, und dient als die Beschickungsflüssigkeit für die nächste Stufe. Der im Kopfraum angesammelte Dampf aus dem Verdampfer 72 der zweiten Stufe wird durch eine Leitung 88 abgegeben und in einem

Kondensator 90 kondensiert. Das Kondensat 91 wird mit dem Kondensat 9 2 aus dem Dampfmantel des Verdampfers 1 ■vereint und beide werden als Destillat durch eine Leitung 93 abgegeben.
10

Beide Verdampfer 70 und 72 sind mit einstellbaren Verteiierplatten 75 versehen, wie dies bereits vorher unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben wurde. Schrittschaltmotoren 94 sind über Stangen 6 0 mit geeigneten Hebelgetrieben verbunden. Motorregler 96 sind vorgesehenj um die Motoren derart zu betätigen, daß der Spalt zwischen dem Verteiler und den Rohreneinlässen kontinuierlich während des Betriebs der Verdampfer geregelt werden kann

Es hat sich herausgestellt, daß Strömungs-instabilitäten stets zu einem höheren röhrenseitigen Druckabfall führen, und das bevorzugte Steuer- bzw. Regelungsprinzip beruht auf dieser Beobachtung. Ein Differenzdruckmeßfühler 98 mißt den röhrenseitigen Druckabfall von einem Punkt nahe den Einlassen der Röhren 77 bis zu einem zweiten Punkt im oberen Sammelraum 83 des Verdampfers. Das Differenzdrucksiganl wird dann einer Druck-Überwachungseinrichtung 100 zugeführt, die die Höhenlage der Verteilerplatte 75 optimiert, um einen

minimalen Differenzdruck über die Röhren hinweg vorzusehen. Wie bereits vorher erörtert, steht ein solcher kleinster Druckabfall in unmittelbarer Relation zur maximalen, wirksamen Wärmeübertragung und dem wirksamsten Betrieb des Verdampfers.

In üblicher Weise ist die Überwachungseinrichtung 100 eine Überwachungseinrichtung auf der Grundlage eines Mikroprozessors, welcher einen speziellen Steuer-

Algorithmus bzw. ein Steuerprogramm zum Aufrechterhalten des minimalen Differenzdruckes verwendet. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung kleine Änderungen in der Höhenlage der Platte auslösen und die Wirkung auf den röhrenseitigen Differenzdruck beobachten. Auf diese Weise kann der Mindestdruckabfall bestimmt werden. Andere, ausgeklügeltere Steuerprogramme sind im Handel erhältlich und sind in der Technik durchaus bekannt.

Obwohl die vorangehende Erfindung im einzelnen mittels der Darstellung und mittels Beispielen beschrieben wurde, und zwar aus Gründen der Deutlichkeit des Verständnisses, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, daß bestimmte Änderungen und Abwandlungen im Bereich der Erfindung bzw. der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden können.

-is-

Leerseite

Claims

Verfahren und Einrichtung für die verbesserte Verteilung des Beschickungsmateriales bei Vertikalröhr enver dampf ung

Ansprüche

1. Verdampfer mit mehreren vertikalen Wärmeübertragung s röhren, einem Flüssigkeits-Einlaßsammelraum, der die unteren Enden der Röhren umfaßt, einer Verteilerplatte, die innerhalb des Einlaßsammeiraumes angeordnet ist und mehrere durchgehende Blendenöffnungen aufweist, wobei die Verteilerplatte gegenüber den Einlaßenden der Röhren einen Abstand aufweist, um einen Verteilerraum zu begrenzen, der die Einlasse miteinander verbindet, um die Querströmung hierzwischen zuzulassen, einem Auslaß-Sammelraum, der die oberen Enden der Röhren umfaßt, und einer Einrichtung zum Erwärmen der Außenseiten der Röhren zum Verdampfen der durch diese strömenden Flüssigkeit, geken.n zeichnet durch eine Einrichtung zum Dämpfen der Querströmung zwischen den Röhreneinlässen, wobei eine oszillierende Querströmung zwischen zwei oder mehr -.Röhren (12; 77) verhindert werden kann.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung eine Einrichtung (6 0) zum Einstellen des Maßes der Dämpfung umfaßt, während der Verdampfer (70, 72) in Betrieb ist.

3. Verdampfer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (94, 96, 98, 100) zum Steuern bzw. Regeln des Maßes der Dämpfung in Abhängigkeit von dem röhrenseitigen Druckabfall.

4. Verdampfer nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Regeln des Maßes der Dämpfung eine Einrichtung (60, 94) zum Positionieren der Verteilerplatte (40; 75) relativ zu den Röhreneinlässen umfaßt, um den Strömungswiderstand gegenüber der Querströmung zu verändern.

5. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Dämpfen der Querströmung darin besteht, daß die Verteilerplatte (40; 75) einen festen Abstand gegenüber den Einlassen der Röhren (12; 77) aufweist, welcher im Bereich etwa von dem 0,01- bis 0,2-fachen der mittleren Röhrenweite liegt.

ς. Verdampfer mit einer Vielzahl von vertikalen Wärmeübertragungsröhren, einem Flüssigkeits-Einlaßsammelraum, der die unteren Enden der Röhren umschließt, einer Verteilerplatte, die innerhalb des Einlaßsammeiraumes angeordnet ist und eine Vielzahl von durchgehen-

^QW den Blendenöffnungen aufweist, einem Auslaßsammeiraum , der die oberen Enden der Röhren umschließt, und einer Einrichtung zum Beheizen der Außenseiten der Röhren, um die durch diese strömende Flüssigkeit zu verdampfen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (50-52; 58-66; 60) zur einstellbaren Anbringung der Verteilerplatte (4 0; 75) innerhalb des Einlaßsammelraums (24), um einen variablen Spalt zwischen der Verteilerplatte und den Einlassen der Röhren (12; 77).zu

bilden, wobei die Einrichtung in der Lage ist, den Spalt zu ändern, während der Verdampfer (10; 70, 72) sich in Betrieb befindet.

7. Verdampfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (50-52,· 58-66) zur Anbringung der Verteilerplatte (40) von Hand einstellbar ist.

8. Verdampfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (58-66; 60) zur Anbringung der Verteilerplatte (40; 75) fernsteuerbar ist.

9. Verdampfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, die Einrichtung (6 0) zur einstellbaren Anbringung der Verteilerplatte (75) in der Lage ist, von einem automatischen Regler (100) betätigt zu werden.

10. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlasse der Röhren (12) in einem verhältnismäßig ebenen Röhrenblech (16) enden.

11. Verdampfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur einstellbaren Anbringung der Verteilerplatte (40) eine Kurbelwelle (50) umfaßt, die über Verbindungsstangen bzw. Pleuel an der Verteilerplatte befestigt ist, wobei die Drehung der Kurbelwelle die Verteilerplatte veranlaßt, eine Translationsbewegung relativ zum Röhrenblech in einer allgemein

parallelen Weise und mit Abstand hierzu durchzuführen. 30

12. Verdampfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur einstellbaren Anbringung der Verteilerplatte (40) einen Schlitten (54) umfaßt, der verschieblich an einer horizontalten Bahnspur angebracht ist, sowie Verbindungsstangen (58), die schwenkbar zwischen dem Schlitten und der Verteilerplatte angebracht sind, so daß die Bewegung des Schlittens längs der Bewegungsbahn die Verteilerplatte veranlaßt, relativ

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zum Röhrenblech (16) im allgemeinen parallel und mit Abstand eine Translationsbewegung durchzuführen.

13. Verdampfer nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Röhren (12; 77) kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

14. Verdampfer nach einem der Ansprüche 6 bis 13, gekennzeichnet durch mindestens zwanzig Röhren (12; 77)

15. Verdampfer nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erwärmen der Außenseite der Röhren (12, 77) ein Dampfmantel (14) ist.

16. Verdampfer nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerplatte (40; 75) mindestens mit einer Blendenöffnung (4 2) axial auf jede Wärmeübertragungsröhre (12; 77) ausgerichtet

. .
xst.

17. Verdampfer nach Änsruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerplatte (40; 75) zusätzliche Blendenöffnungen (42) umfaßt, die nicht axial auf die Röhren

(12; 77) ausgerichtet sind.

18. Verdampfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnungen (42) in der Verteilerplatte

(40; 75) Düsen aufweisen, um einen ringförmigen 30

Flüssigkeitsstrom auf die Röhren-Innenwände zu richten.

19. Verdampfer mit mehreren vertikalen Wärmeübertragungsröhren, einem Flüssigkeits-Einlaßsammelraum, der

die unteren Enden der Röhren umschließt, einerVertei-35

lerplatte, die innerhalb des Sammelraums angeordnet ist und eine Vielzahl von durchgehenden Blendenöffnungen aufweist, wobei die Verteilerplatte einen Abstand gegenüber den Einlaßenden der Röhren aufweist, um einen Spalt

zu bilden, der die Einlass ■ miteinander verbindet, um zwischen ihnen eine Querströmung zu ermöglichen, einem Auslaß-Sammelraum, der die oberen Enden der Röhren umschließt, und einer Einrichtung zum Erwärmen der Außen-Seiten der Röhren zum Verdampfen der durch diese strömenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer Einrichtung zur verbesserten Flüssigkeitszuführung der Spalt zwischen der Verteilerplatte (40; 75) und den Einlaßenden der Röhren (12; 77) im Bereich des 0,01-bisO,2-fachen der mittleren Röhrenbreite liegt.

20. Verdampfer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Röhren (12; 77) kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

21. Verdampfer nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch mindestens zwanzig Röhren (20, 77).

22. Verdampfer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich-²Q net, daß die Einrichtung zum Beheizen der Außenseite der Röhren (12, 77) ein Dampfmantel (14) ist.

23. Verdampfer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerplatte (40) mindestens eine Blendenöffnung

(42) aufweist, welche auf jede Wärmeübertragungsröhre (12; 77) axial ausgerichtet ist.

24. Verdampfer nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerplatte (40; 75) zusätzliche

Blendenöffnungen (42) aufweist, die nicht auf die Röhren (12; 77) axial ausgerichtet sind.

25. Verdampfer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnungen (42) in der Verteilerplatte (40; 75) Düsen umfassen, um einen ringförmigen Flüssigkeitsstrom auf die Röhren-Innenwände zu richten.

2 6- Verfahren zum Betreiben eines Verdampfers, der mehrere vertikale Wärmeübertragungsröhren, einen Flüssigkeits-Einlaßsaininelraum, der die unteren Enden der Röhren umschließt, eine Verteilerplatte, die innerhalb des Einlaßsammeiraums angeordnet ist und eine Vielzahl von durchgehenden Blendenöffnungen aufweist, wobei die Verteilerplatte gegenüber den Einlaßenden der Röhren einen Abstand aufweist, um einen Verteilerraum zu begrenzen, der die Einlasse miteinander verbindet, um die Querströmung zwischen ihnen zu ermöglichen, und einen ■Auslaß-Sammelraum aufweist, der die oberen Enden der Röhren umschließt,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Zuführen einer Flüssigkeit, die verdampft werden soll, in den Einlaß-Sammelraum, so daß die Flüssigkeit durch die Blendenöffnungen in der Verteilerplatte in den Verteilerraum und nachfolgend in die Röhren strömt,

- Hessen des röhrenseitigen Druckabfalls durch die vertikalen Röhren hindurch, und

- Qämpfen der Querströmung zwischen den Röhren-Einlaßenden, um den röhrenseitigen Druckabfall durch die Vertikalröhren hindurch auf ein Mindestmaß zu reduzieren.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Querströmung dadurch gedämpft wird, daß man den Abstand zwischen der Verteilerplatte und den Röhreneinlässen einstellt.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Tensid der zu verdampfenden Flüssigkeit zusetzt, wobei das Maß der Wärmeübertragung an die Flüssigkeit erhöht wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit erwärmt wird, bevor man sie durch die Blendenöffnungen hindurch leitet, so daß ein Teil der Flüssigkeit schnell bzw.

explosionsartig vefdampft, wenn sie in den Verteilerraum eintritt, um ein schaumiges Gemisch zu bilden, das in die Röhren eintritt.