DE3441860A1 - Als rieselfilmbefeuchter ausgebildete befeuchtungsanlage - Google Patents
Als rieselfilmbefeuchter ausgebildete befeuchtungsanlageInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungsanlage, und insbesondere eine derartige weiterentwickelte Anlage,
in der ein Gas und eine Flüssigkeit unmittelbar miteinander in Kontakt gebracht werden, wobei
aber auch die Flüssigkeit mittelbar mit einem dritten Strömungsmittel in Kontakt gebracht wird,
sodaQ die im dritten Strömungsmittel enthaltene Wärme dazu verwendet wird, die Flüssigkeit verdampfen
und die im Gas enthaltene Feuchtigkeit anwachsen zu lassen.
Allgemein wurde eine derartig Befeuchtungsanlage
bisher als ein Mittel verwendet, Dampf in Kohlenwasserstoff
gas in einem Verfahren zur Mischung zu bringen, in dem Kohlenwasserstoffgas und Dampf
in einem- vorherbestimmten Verhältnis gemischt und mit einem Katalysator erhitzt wird mit dem Ziel,
ihn auf der Grundlage eines Dampf-Reforming-Verfahrens
zu reformieren, so daß Gas als Rohstoff für die Synthese von Ammoniak oder Methanol
hergestellt wird.
Als ein Beispiel der Befeuchtungsanlagen, wie sie
bisher verwandt ,wurden, kennt man eine Rieselfilm-Befeuchtungsanlage,
in der Gas und Wasser unmittelbar miteinander in Kontakt gebracht werden, indem
eine benetzte oder berieselte Wand verwendet wird, um die Feuchtigkeit im Gas anwachsen zu lassen.
Die Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer derartigen RieselfiIm-Befeuchtuηgsan.lage.
EPO COPY
In der Fig. 1 wird Wasser 102 aus einer Sprüdüse
105 zugeführt und strömt über den oberen Abschnitt
eines wärmeleitenden Rohres 104 hinunter, um an seiner inneren Oberfläche einen Flüssigkeitsfilm
zu bilden. Wenn das Wasser am inneren Abschnitt des Rohrs 1OA hinunter strömt, wird das Wasser durch
die Wärme aufgeheizt, die von einem Wärmeträger durch eine Wand des Rohrs zugeführt wird, und verdampft
.
Gas 101 wird aus einem KanaleinlaG 106 eingespeist. Das Gas wird aufgeheizt und die Feuchtigkeit, die
in dem im Rohr 104 befindlichen Gas enthalten ist nimmt zu, wonach das Gas von einem Kanalausgang
eingesammelt wird.
Der Wärmeträger 103 wird von dem körperseitigen
Strömungsmitteleinlaß 108 zugeführt und strömt in einem Raum außerhalb vom Rohr weiter, um das im Rohr
fließende Strömungsmittel zu erwärmen, wobei der Wärmeträger selbst abkühlt. Hiernach wird der
Wärmeträger 103 über einen körperseitigen Strömungsmittelausgang 109 abgezogen. Das Bezugszeichen
kennzeichnet eine Pufferplatte und das Bezugszeichen 111 zeig't eine Rohrplatte an. Während in Fig. 1
nur das Einzelrohr 104 dargestellt ist, bedarf es keines besonderen Hinweises, daß mehrere
Rohre zum wirksamen Einsatz erforderlich sind.
Fig. 2 zeigt im Längsschnitt einen Abschnitt des Wärmeübertragungsrohrs 104 der Fig. 1. Hierbei
stehen dieselben Bezugszeichen 101 - 104 für dieselben Bauteile der Fig. 1. Das Bezugszeichen
202 bezeichnet einen Wasserfilm.
EPO COPY J|f
Die bekannte Anlage nach Fig. 1 weist deshalb Nachteile auf, weil der Wasserfilm 202 zerbricht
und die Wandoberfläche bei geringerer Wassermenge trocken wird. Ein solcher Vorgang wird nachstehend
als das'"Auftreten von Trockenflecken" bezeichnet. Das Auftreten derartiger Flecken geht
auf eine örtliche Oberflächenspannungsverteilung
des Flüssigkeitsfilm oder die Erzeugung von Luftblasen
zurück, wobei der Film im Zustand des Nichterwärmtwerdens siedet, und tritt in dem Bereich
auf, in dem aufgrund der VerdaTipfung die Wassermenge geringer ist. Durch das Auftreten
von Trockenflecken ergeben sich folgende Nachteile:
(1) Die Kondensation von Cl~Ionen im Wasser kommt zustande, wenn Trockenflecken auftreten, und die
Spannungskorrosionrißbildung (stress-corrosion chracking = SCC) kann im wärmeleitenden Rohr auftreten,
wenn ein aus austenitisch rostsicherem Stahl gefertigtes Rohr verwendet wird. (Da der gewöhnliche
Kohlenstoffstahl aufgrund von Kohlensäure zur Korrosion führt, wird hierfür oft rostsicherer
Stahl verwendet).
(2) Örtliche Wärmespannung tritt aufgrund von Temperaturschwankungen dadurch wiederholt auf, daß
die Wandoberfläche unregelmäßig getrocknet und benetzt
wird und daß im wärmeleitenden Rohr Wärmeermüdung
auftreten kann. .
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die in den bekannten Anlagen auftretenden Nachteile zu
beseitigen und eine neuartige Befeuchtungsanlage
zu schaffen, in der das wärmeleitende Rohr durch das Auftreten von Trockenflecken nicht zerbricht.
EPO COPY
Nach intensiver Forschung und Entwicklung hat sich gezeigt, daß die Nachteile beseitigt werden können,
indem Wasser soweit in Umlauf gebracht wird, daß Trockenflecken nicht Zustandekommen,' und indem die
Wassermenge auf der inneren Oberfläche des Rohr pro Breitenmaßeinheit vergrößert wird.
Es ist demnach Zielsetzung der Erfindung, die bei den bekannten Anlagen auftretenden Nachteile auszuräumen
und eine Befeuchtungsanlage mit höherem Wirkungsgrad bei erhöhter Feuchtigkeit zu schaffen.
Die Entwicklungs- und Forschungsarbeiten haben zu der erfindungsgemäßen Befeuchtungsanlage geführt,
in der ein mit Füllkörpern gefülltes Rohr anstelle des bekannten, die Benetzungswand bildende Rohr
verwendet wird und in der im mit den Füllkörpern gefülltem Rohr gas und Flüssigkeit gleichzeitig fle^ißen,
so daß ein dünner, mit der Rohrwand in Kontakt stehender Flüssigkeitsfilm gebildet wird, wobei
die unmittelbare Kontaktfläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit vergrößert wird, um die im Gas
enthaltene Feuchtigkeit anwachsen zu lassen.
Nach der erfindungsgemäßen Anlage läßt sich die benetzte" Wand unter weiterreichenden Bedingungen
als die nach den bekannten Anlagen bilden und die effektive Schnittfläche zwischen dem Gas und
der Flüssigkeit vergrößern, um ein Verdunsten der flüssigkeit zu erleichtera. Die Anlage nach der
Erfindung läßt'sich weitgehend als Befeuchter oder Sättiger für Erdgas in einer Methanol-Reformieranlage
oder einem sonstigen herkömmlichen Befeuchter verwenden.
EPO COPT A
In der Hauptsache wird durch die Erfindung
ein Rieselfilmbefeuchter geschaffen, bei dem eine
aus Wasser bestehende oder hauptsächlich aus Wasser bestehende Flüssigkeit eine vertikale Wand eines
Rohrs veiner Röhre für einen Röhrenwärmeaustauscher
mit Mantel hinunterläuft, um eine benetzte Wand zu
bilden, und bei der Gas im Rohr und ein Wärmemedium in einer Körperseite fließt, um die Feuchtigkeit
anwachsen zu lassen, die im Gas enthalten ist, das mit der benetzten Wand in Kontakt ist, wobei dieser
Rieselfilmbefeuchter dadurch gekennzeichnet ist,
daß Mittel für die Zuführung einer größeren Menge Flüssigkeit, die aus Wasser oder hauptsächlich aus
Wasser besteht, als die Flüssigkeitsmenge , die im Rohr verdunstet, vorgesehen sind und daß die Flüssigkeit^
die in einem Ausgang der benetzten Wand nicht
verdunstet ist, an den Flüssigkeitszufuhrabschnitt
■
rezirkuliert wird.
Darüber hinaus liegt das Hauptgewicht der Erfindung darin, daß der Befeuchter dadurch gekennzeichnet ist, daß die
Menge der im Rohr zugeführten strömenden Flüssigkeit so beschaffen ist, daß sie der folgenden Gleichung
genügt:
q < 5.99x 1ΙΓ Γ * (1)
wobei q der Wärmefluß in W/m K, worin W : Watt und
K: Kelvin und P die Menge fließenden Wassers in
Bezug auf die Wassermasse pro Einheit benetzter Breite in Kg/ms ist·
Des Weiteren liegt ein weiteres hauptsächliches Merkmal der Erfindung darin, daß das Rohr mit Füllkörpern
angefüllt ist.
copy ft
Die Erfindung wird anhand der nächstfolgenden Beschreibung
einer in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten
Ausführungsform eines Rieselfilmbefeuchters,
Fig. 2 ein teilweise vergrößerter Längsschnitt eines
Rohrs in dem bekannten Rieselfilmbefeuchters
der Fig. 1
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Befeuchters nach der Erfindung,
Fig. 4 ein Kurvendiagramm, aus der die allgemeine Beziehung von Wärmefluß q und der Menge
strömenden Wassers in Bezug auf die Wassermasse
pro Einheit benetzter Breite hervorgeht,
Fig. 5 ein Darstellung, die den Betriebsablauf der
der Erfindung zeigt,
Fig. 6 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung und
Fig. 7 ein teilweise vergrößerter Längsschnitt eines
Rohrs mit im Befeuchter der Fig. 6 verwendeten Füllkörpern.
Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung.
Hierin bedeuten die Bezugszeichen 301 Gas, 302 Wasserspeisung,
303 Heizmedium, 304 wärmeleitendes Rohr, 305 eine Sprühdüse, 306 einen Kanaleinlaß, 307
einen Kanaläuslaß, 308 Stfömungsmitteleinlaß in
eine Körperseite, 309 Strömungsmittelauslaß in eine Körperseite und 310 eine Umwälzpumpe.
Auch wenn in der Fig. 3 nur ein einziges Rohr 304 zur erleichterten Darstellung gezeigt wird, bedarf
es jedoch keines besonderen Hinweises darauf, daß ein Vielzahl von derartigen Rohren erforderlich
EPO COPY
sind, um beim Einsatz eine ausreichende Wirkung zu erzielen.
Das Heizmedium 303 wird vom Einlaß 308 her zugeführt
und strömt längs des Aussenraumes des Rohrs 304, um das Strömungsmittel im Rohr zu erwärmen.
Das Medium wird gekühlt und vom Auslaß 309 abgezogen .
Das Gas 301 wird vom Kanaleinlaß 306 hergeführt und im Rohr 304 zur Erhöhung der Feuchtigkeit angeheizt.
Das Gas wird vom Auslaß 307 wieder eingesammelt. Die jeweiligen Strömungen des Heizmediums 303 und
des Gases 301 werden auf der Grundlage der Prozeßbedingung
bestimmt.
Wasser 302 wird aus der Sprühdüse 305 eingespeist und strömt die innere Oberfäche des Rohrs 304
herunter, um einen Flüssigkeitsfilm zu bilden, während es verdunstet. Das Wasser, das nicht verdunstet
ist, wird über die Leitung 313 mittels der Pumpe 310 an die obere Sprühdüse umgewälzt.
Die Wasserversorgung 305 erfolgt mit der Menge Wassers, das von der Sprühdüse 305 nicht verdunstet
worden ist.
Die Menge umgewälzten Wassers wird von der Bedingung
bestimmt, bei der die Trockenflecken nicht auftreten. Dies besagt mit anderen Worten, daß der Flüssigkeitsfilm unter der adiabatischen, der (im nichtsiedenden Bereich) heizenden und der filmsiedenden
Bedingung stabil gebildet sein muß. Beispielshalber sind jeweils die folgenden Bedingungen zu
erfüllen:
EPO COPY Jj
(1) Die adiabatische Bedingung: Die Reynoldssche Zahl
des Flüssigkeitsfilm Re1 > Re .' muß erfüllt
3 L mm
werden.
ReL = 4 GL / ΝτΤαμ[_ (■-)
worin G;: Gesamtmenge des umwälzenden Wassers in
Bezug zur Masse (Kg/s) N : Anzahl der Rohre 304 (-)
d : Innendurchmesser des Rohrs 304 (m) μ. : Viskositätskoeffizient des umwälzenden
Wassers (Pas)
6. : Oberflächenspannung des umwälzenden Wassers (N/m)
6. : Oberflächenspannung des umwälzenden Wassers (N/m)
p. : Dichte des umwälzenden Wassers (Kg/ m3)
g : Gravitationsbeschleunigung (m/s2)
Re min wird beispielshalber ausgedrückt durch:
_ 1/5
= 3·4
μ L
(2) Die Heizbedingung (im nichtsiedenden Bereich) Der Wärmefluß q<
q min muß erfüllt werden, der gegeben.ist durch:
Im Falle von Re. < 2ΠΠΠ
q . = 5.6x10'
M min
Im Falle von ReL > 2000
2.12 ^min
Copt m
3Α41860
worin K. : Wärmeleitfähigkeit des umwälzenden Wassers
W/mk ( W : Watt, K: Kelvin) ·
Pr: Prandtlsche Zahl des umwälzenden Wassers (-) T: Temperatur (° C)
(3) Filmsiedebedingung: die Bedingung, bei der die Trocken flecken nicht auftreten, kommt unter Verwendung
der Fig. 4 zustande, was in der Schriftsammlung
des Japanischen Mechanischen Instituts, Band 43, Nr. 373 (September 1977) Seite 3389 - 3398, von Fujita
und Ueda beschrieben wurde. Die Fig 4 zeigt eine graphische Darstellung im Abwärtsdampfstrom mit einer
Länge von 600 mm, einem Durchmesser von 25m und P_ .
fin
von 95,5° C. In Fig. 4 bedeutet " β "das Auftreten von Trockenflecken, die verschwinden, und "D "
das Auftreten von Trockenflecken, die nicht verschwinden. In Fig. 4 bedeutet Pf Pf= G. /Nxd und
ein Suffix "in" weist auf den Einlaß und das Suffix "out" auf den Auslaß hin. Demzufolge treten
auf das Filmsieden zurückzuführende Trockenflecken
nicht auf, wenn nc , . n πο ,,, ,, ,. ν , .,..,.,,
if out ^ 0,02 (Kgf/ms) bei beispielshalber eine
Wärmefluß gleich oder niedriger als 2x 10 (Kcal/m2h).
Unter eigentlichen Betriebsbedingungen ist, da die Temperatur des Flüssigkeitsfilm 230° C und Re.
> 2000 beträgt, die bedeutendste Gleichung die folgende, unter Punkt (2) beschriebene Gleichung:
^2 V1/3 p 0.3^/_ _2ΟΛ-Ιτ,β 2.12
PL 2g/ r \ 2T J L
Wenn die physikalischen Eigenschaftskennwerte des Flüssigkeitsfilm bei 230° C (Viskositätskoeffizient μ. ,
Dichte o, , Prandtlsche Zahl Pr, Oberflächenspannung ^.
EPO COPY
Wärmeleitfähigkeit K-. , usw) eingesetzt werden, ergibt
sich folgende Gleichung
q < 5,99 χ 10Γ2'12 (D
Die Graphen der Fig. 5 sind von der vorstehenden
Gleichung (1) abgeleitet. Bei Betrieb im gestrichelt dargestelten Bereich der Fig. 5 läßt sich die von
der Erfindung gestellte Aufgabe lösen.
Gemäß der Befeuchtungsanlage nach der vorstehend
dargestellten Erfindung konzentrieren sich, da die Trockenflecken nicht auftreten, die Chlorionen Cl
Ionen nicht auf der Rohrwand, so daß es zu keiner Spannungskorrosionrißbildung kommen kann, weshalb
das wärmeleitende Rohr dann aus rostsicherem Stahl gefertigt werden kann. Da es darüber hinaus
verhindert wird, die Wand des Rohres trocken oder naß werden zu lassen, kann das Rohr auch nicht
aufgrund von Wärmeermüdung zerbrechen. Um die Trockenflecken zu verhindern, ist es notwendig, daß
die Menge Wassers, die an die innere Oberfläche des Rohrs gegeben wird, gleich oder größer ist als die
Wassermenge, die verdampft ist. Dementsprechend wird auch das nicht verdampfte Wasser rezirkuliert
und die 'Wärmemenge, die vom umwälzenden Wasser aufgenommen
wird, kann dann wirksam eingesetzt werden.
Die Befeuchtungsanlage nach der Erfindung kann
beispielshalber als Erdgasbefeuchter oder -sättiger
in einer Methanolreformieranlage oder anderen Befeuchtern verwendet werde/i.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäOen Befeuchters. In der Zeichnung weisen
die Bezugszeichen 301 - 313 auf dieselben Bauteile wie in der Anlage der Fig. 3 hin.
EPO COPY
- ' 12
Während in Fig. 6 nur ein Einzelrohr 304 zur Ausbildung
des Flüssigkeitsfilms dargestellt ist,
ist es selbstverständlich, daß beim wirksamen Einsatz der Erfindung Gruppierungen aus mehreren Rohren
verwendet werden.
Die Fig. 7 zeigt einen vergrößerten teilweisen Längsschnitt von Rohr 304, das mit Füllkörpern 314
gefüllt ist. Somit bildet sich der Flüssigkeitsfilm
315 auf der inneren Oberfläche des Rohrs 304 und der Oberfläche der Füllkörper 314. Demgemäß wird der
unmittelbare Kontaktbereich zwischen dem Flüssigkeitsfilm 315 und dem Gas 301 durch den
auf der Oberfläche der Füllkörper 314 gebildeten Flüssigkeitsfilm 315 im Vergleich mit den bekannten Rieselfilmbefeuchtern
wesentlich vergrößert.
Da zusätzlich die Flüssigkeit, die längs der Füllkörper 314 nach unten strömt, abzweigt und sich mehrmals
verbindet, ist es nicht notwendig, am oberen Ende des Rohrs einen Rieselfilmbildungsmechanismus
und auch keine etreng einzuhaltende Vertikalität vorzusehen,
wie dies bei den bekannten Anlagen erforderlich ist .
Darüber hinaus wird die Flüssigkeit erhitzt, wenn sie das Rohr hinabströmt, während sie mit der Wand
des Rohrs in Kontakt ist, wobei die Flüssigkeit durch den Kontakt mit dem-Gas verdunstet,
wenn sie längs der Oberfläche der Füllkörper abwärts strömt. Die Füllkörper erhöhen die Fließgeschwindigkeit
des Gases 301, wobei die Reduktion der repräsentativen Länge der Nusseltschen und der
Sherwoodschen Zahl die Wärme- und Massenleitfähigkeit
zwischen dem Gas 301 und der Flüssigkeit erhöhen .
EPO COPY t
Die Vergrößerung der Schnitt- oder Grenzfläche zwischen
dem Gas und der Flüssigkeit und die Erhöhung des Bewegungskoeffizienten in Bezug zur Wärmebewegung und
der Massebewegung sowie die Steigerung der Vortriebskraft
der Bewegung durch fortlaufend erneuerte Heizungsund Verdampfungsfläche wirken sich multiplikativ aus,
und somit kann der Befeuchter nach der Erfindung eine Steigerung des Wirkungsgrades gegenüber den
bekannten Befeuchtern erzielen.
Die das Rohr füllenden Füllköper der erfindungsgemäßen
Anlage können kugelartige Füllkörper oder als Raschig- oder Pall-Ringe oder dgl. ausgebildete
Füllkörper sein.
Der Betrieb der Anlage wird nachstehend anhand der folgenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Befeuchters beschrieben.
Der Befeuchter nach der Erfindung (bei Verwendung mehrerer Rohre in Fig. 6) wird genutzt, die
Feuchtigkeit im Erdgas zu steigern. Eine Ausführungsform ist in der Tabelle 1 angegeben. Wasser wird hier
als Flüssigkeit zum Verdampfen und dampfreformiertes
Erdgas, das dem primären Wärmeentzug ausgesetzt wird, als Wärmemedium verwendet. Wasser und Erdgas
strömen in einander entgegengesetzten Richtunge und stehen somit miteinander in Kontakt.
(Rohrzustand) Innendurchmesser : 21,4 mm $
Aussendurchmesser: 25,4 mm tf
Spitzenhöhe (pitch): 32,0 mm Gesamtzahl : 315 Rohre Werkstoff : SUS 304
(Wärmeleitfähigkeit 17,8W/m.°K)
Koeffizient des wärmeleitenden Schmutzes
EPO COPY J
(Füllkörper)
(Heizbedingung) : innere 0,000172 (W/m2 -15K)
(Heizbedingung) : innere 0,000172 (W/m2 -15K)
-1
-1
: äußere 0,000172 (W/m2 - °K)
Porzellan Rasch ing-Ring : 5mm φ χ 5mm H
Heizmedium :dampfreformiertes
Erdgas
Temperatur am Einlaß: 323° C Temperatur am Ausgang : 190° C
Filmkneffizient der Wärmeübertragung des He iziiiediums : 1300 W /mm2 . K
(Flüssigkeit für Verdampfung)
Menge fließenden Wassers Temperatur am Einlaß
Temperatur am Auslaß (Erdgas) FlieOmenge
Temperatur am Einlaß Temperatur am Auslaß Feuchtigkeit am Einlaß Feuchtigkeit am Auslaß
11,2 Kg/5ek
138° C
191° C
3,9 Kg/Sek
138° C
172° C
0 Gew.K-H2O Dam:
49 Gevs.%- H2Of
EPO COPY
Claims (3)
1. Rieselfilmbefeuchter, bei dem eine aus Wasser "
bestehende oder hauptsächlich aus Wasser bestehende Flüssigkeit eine vertikale Wand eines Rohrs in einem
Röhrenwärmeaustauscher mit Mantel herabläuft, um eine benetzte Wand zu bilden, und bei dem Gas im Rohr und
ein Wärmemedium in einer KÜrperseite fließt, um die Feuchtigkeit im Gas anwachsen zu lassen, das mit der
benetzten Wand in Kontakt ist, dadurch qekennzeichnet, daß Mittel für die Zuführung einer größeren
Menge Flüssigkeit als die für die Steigerung der Feuchtigkeit verwendete oder verdunstete Flüssigkeitsmenge
vorgesehen sind, und daß die Flüssigkeit, die nicht verdunstet ist, in einen Auslaß der benetzten
Wand an einen Flüssigkeitszufuhrabschnitt rezirkuliert
wird.
2. Rieselfilmbefeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge der dem Rohr zugeführten Strömungsflüssigkeit so bemessen ist, daß sie der
folgenden Gleichung genügt:
" q < 5,99 χ ΙΟ5 Γ' . 12 (1),
worin q der Wärmefluß in W/m2 K, wobei W: Watt und K: Kelvin und f die Menge fließenden Wassers in
Bezug auf die 'Wassermasse pro Einheit benetzter Breite
in Kg/ms ist. . EPOCOPY
3. Rieselfilmbefeurhter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohr mit Füllkörpern gefüllt ist.
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