DE4015057A1 - Fluessigkeits-zwischenerhitzer fuer einen plattenwaermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit fallendem Flüssigkeits­ film arbeitenden Plattenverdampfer und insbesondere auf eine Anordnung zum Vorheizen der zugeführten Flüssigkeit beim Kühlen von Abgasen.

Mit fallendem Film arbeitende Verdampfer, in denen eine Flüssig­ keit die Oberflächen von Heizelementen hinabfließt, die aus jeweils zwei Platten bestehen, die an ihren Rändern miteinander verbunden sind, haben in der Technik große Verbreitung gefunden. Ein solcher Verdampfer ist beispielsweise in der US-PS 33 66 158 beschrieben. Ein selektiver Kondensor, der plattenförmige Wärme­ tauscherelemente verwendet, ist in der US-PS 42 16 002 beschrie­ ben.

Plattenverdampfer und Verdampfersysteme allgemein sind Abstrah­ lungs- und Entlüftungsverlusten unterworfen. Die Abstrahlungsver­ luste können durch geeignete Isolation herabgesetzt werden. Die Entlüftungsverluste können durch Unterkühlung der Abgase vor dem Verlassen des Verdampfers vermindert werden.

Bei manchen Verdampfern wurde die Unterkühlung bis zu einem gewis­ sen Ausmaß durch die Verwendung einer bestimmten inneren Flüssig­ keitsvorheiz-/Abgaskühl-Anordnung und/oder durch die Verwendung äußerer Heizer erzielt, jedoch sind solche Anordnungen in Platten­ verdampfern, die mit fallendem Film arbeiten, noch nicht erfolg­ reich verwendet worden, weil zwischen der zugeführten Flüssigkeit und dem im Verdampfer erzeugten Dampf ein direkter Wärmetausch stattfindet, der wirksamer ist, als der indirekte Wärmeübergang auf das Heizmedium innerhalb der Plattenelemente. Dieser Vorgang vergeudet die verfügbare Temperaturdifferenz und Antriebskraft.

Eine Flüssigkeitsvorheizung und eine Abgaskühlung in einem mit fallendem Flüssigkeitsfilm arbeitenden Plattenverdampfer wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dadurch erzielt, daß die oberen Abschnitte einiger Plattenelemente in einem Verdam­ pfer von einer Haube umgeben sind, unter der sich nicht-konden­ sierbare Gase im Betrieb des Verdampfers sammeln. Die Anwesenheit der nicht-kondensierbaren Gase verhindert, daß die zugeführte Flüssigkeit mit heißem Dampf in Berührung gelangt, der im Verdam­ pfer erzeugt wird, und Wärme mit diesem durch direkte Berührung austauscht.

Die zugeführte Flüssigkeit wird bis zu ihrem Siedepunkt durch den Wärmetausch mit dem heizenden Dampf erhitzt, der sich innerhalb der Plattenelemente befindet, wenn die Flüssigkeit die Elementen­ oberflächen innerhalb der Haube hinabfließt. Dieses Sieden erzeugt sowohl kondensierbare als auch nicht-kondensierbare Gase, die nur durch Strömung nach unten und unter den Rand der Haube entweichen können.

Nicht verdampfte Flüssigkeit strömt weiter nach unten über die Heizelemente, um verdampft oder am Boden des Verdampfers aufgefan­ gen zu werden.

Der Heizdampf, der den Plattenelementen zugeführt wird, deren obere Abschnitte sich innerhalb der Haube befinden, kommt von den oberen Abschnitten anderer Heizelemente, die nicht unter der Haube angeordnet sind, und tritt in die Plattenelemente des Unterkühl­ abschnitts ein, d.h. der Elemente unter der Haube nahe den unteren Enden jener Elemente.

Verdampfer, die mit Unterkühlungs- und Vorheizabschnitten in Über­ einstimmung mit der Erfindung versehen sind, können vorteilhafter­ weise als Abschnitte oder Stufen eines Mehrwirkungs-Verdampfer­ systems verwendet werden, durch das Heizdampf und zu verdampfende, zugeführte Flüssigkeit im Gegenstrom aneinander vorbeigeführt werden.

Die Erfindung vermeidet die Verwendung von komplexen und teuren äußeren Heizanordnungen. Andere Vorteile der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden detailierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ins­ besondere unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher hervor. Es zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung, wobei Rohrleitungen und Gehäuse weggelassen sind, einer Verdampfereinheit nach der Erfindung, und

Fig. 2 ein Mehrstufenverdampfersystem nach der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt die inneren Teile eines mit fallendem Flüssig­ keitsfilm arbeitenden Verdampfers nach der vorliegenden Erfindung. Bei einem Verdampfer sind die in Fig. 1 dargestellten Teile in einem Gehäuse angeordnet, wie in Fig. 2 oder in den vorgenannten US-Patentschriften gezeigt, eingeschlossen.

Plattenförmige Heizelemente 10 und 11 sind, wie sich aus Fig. 1 ergibt, im wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wobei die sich einander gegenüberstehenden Oberflächen benachbarter Elemente vertikale Kanäle begrenzen, die das Strömen eines flüssigen Kühl­ mittels die Oberflächen der Elemente 10 und 11 als fallender Film hinab ermöglichen. Die Elemente 10 sind eine Gruppe von Elementen, die sich unter einer Haube befinden, die allgemein mit dem Bezugs­ zeichen 12 versehen ist und die die Gestalt eines Kastens hat, der eine Oberseite 13 und Seitenwände 14 aufweist. Die oberen Enden der Plattenelemente 10 sind von den Seitenwänden 14 der Haube 12 umgeben, die unten offen ist, was den freien Durchgang von Dampf aus der Haube 12 in den Innenraum des Verdampfergehäuses ermög­ licht, das in Fig. 1 dargestellt ist, um die anderen Teile klarer zu zeigen. Die Plattenelemente 11 bilden eine weitere Gruppe, die sich nicht unter einer Haube befinden.

Direkt über den Elementen 10 befindet sich innerhalb der Haube 12 eine Flüssigkeitsverteilerwanne 15, die einen im wesentlichen horizontalen Boden und hochstehende Seiten aufweist. Der Boden der Wanne 15 hat Löcher (nicht dargestellt), die es der Flüssigkeit erlauben, von der Wanne 15 auf die Oberflächen der Plattenelemente 10 unter der Wanne 15 zu gelangen. Die Flüssigkeitszuführung zur Wanne 15 erfolgt von außerhalb des Verdampfergehäuses mittels einer Leitung (in Fig. 1 nicht dargestellt), die durch eine Öffnung 16 in einer Seitenwand der Haube 12 verläuft, wie durch den Pfeil in Fig. 1 angedeutet.

Die Plattenelemente 10 der Vorheizsektion des Verdampfers, d.h. die Elemente unterhalb der Haube 12, stehen sämtlich mit einem oberen Sammler 17 in Verbindung, über den Abgase von den Elementen 10 durch eine Leitung (nicht dargestellt) entweichen, wie durch einen Pfeil in Fig. 1 dargetellt, die durch eine Wand 14 der Haube 12 und durch das äußere Gehäuse des Verdampfers verläuft.

Die Elemente 10 der Vorheizsektion stehen sämtlich auch mit einem unteren Verteiler für die Einleitung von Heizdampf in die Elemente 10 durch eine Dampfeintrittsöffnung 19 in Verbindung.

Die Elemente 11, die nicht unter der Haube 12 angeordnet sind, sind mittels eines oberen Sammlers 27 und eines unteren Verteilers 28 miteinander verbunden und sind mit einer Strömung von Kühlflüs­ sigkeit versorgt, die mittels einer Flüssigkeitsverteilerwanne 25 auf sie verteilt wird, die, wie die Wanne 15, einen perforierten flachen Boden und hochstehende Seitenwände aufweist.

Dampf tritt in den unteren Verteiler 28 durch eine Öffnung 29 ein, wie durch einen Pfeil gezeigt, strömt durch die Elemente 11 nach oben und verläßt den oberen Sammler 27, von wo aus er, wie in Fig. 1 gezeigt, zum unteren Verteiler 19 der Elemente 10 unter der Haube 12 geführt wird.

Der Flüssigkeitsstrom durch ein mehrstufiges Verdampfersystem ist in Fig. 2 gezeigt, die zeigt, wie eine Flüssigkeit der Verteiler­ wanne 25 zugeführt werden kann, indem ein Teil der an der Unter­ seite der Verdampferstufe aufgefangenen Flüssigkeit zu der Wanne 25 mittels einer geeigneten Leitung und einer Pumpe zurückgeführt wird. Vier Verdampferstufen A, B, C und D sind dargestellt. Fig. 2 zeigt, daß die Flüssigkeit oben in der Verdampferstufe D, die in der Zeichnung ganz rechts gezeigt ist, eingeleitet wird und das kondensierte Produkt unten an der Verdampferstufe A ganz links in der Zeichnung austritt.

Der Heißdampf, üblicherweise Wasserdampf, wird im Gegenstrom zur Flüssigkeit umgewälzt, er läuft von der oberen Zone einer jeden Stufe zu einem Dampfeintritt an der Unterseite der nächsten Stufe in ähnlicher Weise, wie für den inneren Dampfkreislauf vom oberen Ende der Elemente 11 zur Unterseite der Elemente 10 in Fig. 1 gezeigt. Der Einfachheit halber ist die Dampfzirkulation in Fig. 2 nicht gezeigt, jedoch kann jede der Stufen A und B eine Dampffüh­ rung haben, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist und zuvor beschrie­ ben wurde.

Die Verwendung mehrstufiger Verdampfer, die im Gegenstrom arbei­ ten, ist in der Technik allgemein bekannt, sodaß es nicht notwen­ dig ist, die Rohrverbindungen, die Pumpen, usw. im Detail zu beschreiben. Was indessen bislang nicht bekannt war, ist die Ver­ wendung einer Flüssigkeitsvorheiz- und Dampfunterkühlungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung in einem Verdampfer vom Plattentyp oder innerhalb von Verdampferstufen eines mehrstufigen Verdam­ pfers.

Im Betrieb des Verdampfers nach Fig. 1 wird die zu verdampfende Flüssigkeit der Verteilerwanne 15 mit einer Temperatur von bei­ spielsweise etwa 74°C zugeführt. Diese Flüssigkeit wird durch Wärmetausch mit Dampf, der in den Elementen 10 strömt, zum Sieden gebracht, und Flüssigkeit, die nicht verdampft wurde, sammelt sich am Boden des Verdampfers.

Der durch die siedende Flüssigkeit erzeugte Dampf, der sowohl kon­ densierbare als auch nicht-kondensierbare Gase enthält, steigt innerhalb des Verdampfergehäuses nach oben, und der Raum innerhalb der Haube 12 sammelt die nicht-kondensierbaren Gase und füllt sich mit diesen allmählich während des Verdampferbetriebs. Diese nicht- kondensierbaren Gase können nur aus der Haube entweichen, wenn sie diese vollständig gefüllt haben, und sie können von den unteren Rändern der Haubenwände 14 nach außen entweichen. Das Ergebnis davon ist, daß kondensierbare Gase nicht in die Haube eintreten und die Flüssigkeit darüber oder nahe den oberen Elementen 10 direkt berühren können. Die nicht-kondensierbaren Gase, die unter der Haube 12 aufgefangen wurden, können die Flüssigkeit nicht in merklichem Umfang erwärmen, sodaß die Flüssigkeit durch das Heiz­ medium innerhalb der Elemente 10 indirekt erwärmt wird und zu sie­ den beginnt, bevor sie aus der von der Haube umgebenen Zone ent­ weicht. Dies führt zu einem Betriebszustand, in welchem die Flüs­ sigkeit innerhalb der Haube vorgeheizt wird und der abgehende Dampf, der die Elemente 10 über den Sammler 17 verläßt unterkühlt wird, beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 80°C. Die am Boden des Verdampfers aufgefangene Flüssigkeit hat dann eine Temperatur von beispielsweise etwa 85°C.

Es sei angenommen, daß der soeben beschriebene Verdampfer die Ver­ dampferstufe D des vierstufigen Verdampfers nach Fig. 2 bildet. Ein Teil der am Boden des Verdampfers aufgefangenen Flüssigkeit wird zur Verteilerwanne 25 geführt, um die Elemente 11 hinabzu­ strömen, und ein Teil der aufgefangenen Flüssigkeit geht zum Ver­ dampfer der Stufe C, der ebenfalls eine unter einer Haube angeord­ nete Gruppe von Plattenelementen aufweist. Die Flüssigkeit ist wärmer als die vorgenannte Temperatur von etwa 74°C, unter der sie ursprünglich in die Stufe D eingeleitet worden ist und sie wird wieder innerhalb der Haube 12 des Verdampfers der Stufe C durch indirekten Wärmetausch mit dem Dampf in den Plattenelementen 10 der Stufe C erwärmt.

Der Prozeß wiederholt sich in den Stufen B und A, bis ein konden­ siertes flüssiges Produkt vom Boden der Stufe A abgezogen wird. Die Wirksamkeit des Betriebs verbessert sich in jeder Stufe. Abluftverluste sind vermindert.

Claims (13)

1. Mit fallendem Film arbeitender Verdampfer mit einer Mehrzahl von Heizelementen (10, 11) und Einrichtungen zum Durchleiten eines Heizmediums durch die Elemente (10, 11), wobei einige Elemente (10) an ihren oberen Abschnitten gemeinsam von einer nach unten offenen Haube (12) umgeben sind, mit Einrichtungen (15, 25) zum Verteilen der zu verdampfenden Flüssigkeit auf die Oberflächen der Heiz­ elemente (10, 11), wobei die Haube (12) dazu dient, einen Wärme­ tausch mit direkter Berührung zwischen der zu verdampfenden Flüs­ sigkeit und durch die Verdampfung der Flüssigkeit erzeugten, kon­ densierbaren Dampf zu vermeiden.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, bei dem die Heizelemente (10, 11) aus im wesentlichen flachen Platten bestehen, die an ihren Rändern miteinander verbunden sind.

3. Verdampfer nach Anspruch 1, bei dem die Heizelemente (10, 11) Hüllen sind, die aus flachen Platten bestehen, die an ihren Rän­ dern miteinander verbunden sind, und daß die Einrichtung zum Durchleiten eines Heizmediums umfassen: einen unteren Verteiler (18; 28), der die Hüllen nahe ihrer unteren Enden miteinander ver­ bindet, und einen oberen Sammler (17; 27), der die oberen Enden der Hüllen miteinander verbindet, um die Hüllen zu entlüften.

4. Verdampfer nach Anspruch 1, bei dem die Haube (12) eine Abgas­ abzugsöffnung aufweist.

5. Verfahren zum Unterkühlen von Abdampf in einem mit fallendem Film arbeitenden Verdampfer, mit folgenden Schritten: umgeben der oberen Enden von Heizelementen des Verdampfers mit nicht-konden­ sierbaren Gasen, die keinen wirksamen direkten Wärmetausch mit der dem Verdampfer zur Verdampfung zugeführten Flüssigkeit ausführt, wodurch ein Heizmedium, das durch die Heizelemente zirkuliert, durch indirekten Wärmetausch der Flüssigkeit gekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Heizmedium in die Heiz­ elemente nahe ihren unteren Enden eingegeben wird.

7. Mit fallendem Film arbeitender Verdampfer, enthaltend mehrere Heizelemente (10, 11) in einem Gehäuse, eine Einrichtung (18, 28) zum Einleiten von Dampf in die Heizelemente (10, 11) und eine Ein­ richtung (17, 27) zum Entlüften der Heizelemente, wobei einige Heizelemente (10) obere Abschnitte aufweisen, die von einer Haube (12) innerhalb des Gehäuses umgeben sind, um nicht-kondensierbare Gase aufzufangen, um einen direkten Kontakt zwischen der zu ver­ dampfenden Flüssigkeit und kondensierbarem Dampf innerhalb der Haube zu vermeiden.

8. Verdampfer nach Anspruch 7, bei dem die Heizelemente platten­ förmige Heizelemente sind.

9. Verdampfer nach Anspruch 7, bei dem eine Flüssigkeitsverteiler­ wanne (15) innerhalb der Haube (12) über den Heizelementen (10) angeordnet ist.

10. Verdampfer nach Anspruch 7, bei dem der Dampf, der die Heiz­ elemente (11) verläßt, deren obere Abschnitte nicht von einer Haube umgeben sind, den Heizelementen (10) zugeführt wird, deren obere Abschnitte von der Haube (12) umgeben sind.

11. Verdampfer nach Anspruch 7, enthaltend eine Einrichtung zum Umwälzen der am Boden des Gehäuses aufgefangenen Flüssigkeit zu einer Flüssigkeitsverteileinrichtung (25), die außerhalb der Haube (12) angeordnet ist, um die Flüssigkeit auf Heizelemente (11) zu verteilen, deren obere Abschnitte sich nicht innerhalb der Haube (12) befinden.

12. Verdampfer nach Anspruch 7, bei dem jedes Heizelement (10, 11) aus zwei im wesentlichen flachen Platten besteht, die an ihren Rändern miteinander vereinigt sind, und wobei die Heizelemente durch obere Sammler (17, 27) und untere Verteiler (18; 28) miteinan­ der verbunden sind.

13. Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit, umfassend: Einlei­ ten der zu verdampfenden Flüssigkeit in einen Raum innerhalb eines Verdampfers, in welchem die Flüssigkeit als dünner Film den Ober­ flächen von Heizelementen entlang zur Verdampfung durch indirekten Wärmetausch nach unten strömt, wobei ein Heizmedium innerhalb der Heizelemente strömt und ein direkter Wärmetausch mit kondensier­ barem Dampf, der durch Verdampfung der Flüssigkeit erzeugt worden ist, durch solchen indirekten Wärmetausch nahe den oberen Abschnitten der Heizelemente verhindert wird, indem nicht-konden­ sierbarer Dampf in einer Haube aufgefangen wird, die die oberen Abschnitte der Heizelemente umgibt und dadurch den Dampf innerhalb der oberen Abschnitte durch solchen indirekten Wärmetausch kühlt.