NO149293B - Apparat for selektiv kondensasjon av damper forurenset med flyktige stoffer. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et apparat for selektiv kondensasjon av damper forurenset med flyktige stoffer for dannelse av en første relativt ren strøm av kondensat og minst en andre kondensatstrøm som bærer flere forurensede stoffer enn den første strøm. Et apparat av denne type er angitt i innlednin-gen til krav 1.

Ved mange industrielle anvendelser blir vanndamp eller damp som dannes i en fordampningsenhet senere kondensert for fjerning fra systemet, gjentatt bruk av vannet eller av andre grunner. F. eks. kan det tas overflatekondensatorer som benyttes i fordampningssystemer i papir- og tremasseindustrien for å tillate gjentatt bruk av varmt kondensorvann som gjenvinnes fra vanndampen. . Når vanndamp eller andre damper som skal kondenseres bærer komponenter i dampfasen som er mer flyktige enn vannet eller andre substanser som omfatter hovedbestanddeler som skal gjenvinnes ved kondensering, er en måte å behandle dampen på å kondensere den fullstendig innbefattende de mer høyflyktige materialer, ofte ved underkjøling i betydelig grad.

Fordamper- og kondenseringssystemer av forskjellige typer er vist på fig. 11 - 17 på sidé 11 - 25 i "Perry's Chemical Engineer's Handbook", fjerde utgave, 1963.

US patent nr. 3788954 vedrører en destillasjons-prosess og viser en kondenseringsseksjon med øvre og nedre kon-denser ingskamre som er adskilt av en horisontal vegg eller ledeplate som er beregnet på å separere mindre flyktige komponenter fra mer flyktige komponenter av den damp som kondenseres. US patent nr. 3261392 viser en fordamper med en vertikalt plassert ledeplate som oppdeler et oppvarmingsrom, og varmevekslere av platetypen er beskrevet i US patent nr. 3332469.

Det foreligger en betydelig erfaring og publisert informasjon med hensyn til industriell varmevekslingsteknologi generelt, og mer spesielt til overflatekondensatorer av forskjellige typer.

Man har imidlertid ikke funnet noe fullt ut til-fredsstillende system for effektiv separasjon av kondensat i en varmeveksler av platetypen for å konsentrere mer flyktige komponenter av vanndamp•eller andre damper som kondenseres fra de komponenter som er mindre flyktige.

Foreliggende oppfinnelse har tilhensikt å tilveiebringe vanskelighetene ved de tidligere kjente systemer og til-veiebringer et effektivt apparat for selektiv kondensasjon.

Dette oppnås ved et apparat som er kjennetegnet ved

det som fremgår av kravene.

Kondensatoren ifølge oppfinnelsen omfatter et hus som omslutter flere varmevekslerelementer utenfor hvilke et kjølende fluidum passerer for å kondensere dampen i elementene. Fortrinnsvis er varmevekslerelementene utformet som par av brede plater som er festet til hverandre rundt omkretsene med en åp-ning til det indre av hvert element ved toppen og bunnen av hvert element. En hodedel står i forbindelse med alle elementer ved deres øvre ende, slik at damp fritt kan passere fra ett element til et annet for kondensering i elementene. En bunnsamledel er åpen til hvert element, men det er en barriére som av-stenger en endedel på bunnsamledelen fra den andre del.

Damp som skal kondenseres mates til det indre av alle disse varmevekslerelementer ved en side av endedelbarriéren. Damp stiger inne i disse elementer og blir delvis kondensert i disse. Kondensatet som dannes omfatter de mer lett kondenserte bestanddeler av dampen.

De mer flyktige komponenter av dampen blir ikke så lett kondensert og passerer videre gjennom den øvre hodedel eller samledel til varmevekslerelementene hvis bunner er åpne til den nedre samledel på den andre side av barriéren i forhold til dampinngangsområdeti Ytterligere kjøling kondenserer de mer flyktige komponenter, og kondensatet som inneholder disse for-urensningssubstanser samles ved bunnen av kondensatoren på den andre side av barriéren adskilt fra det renere kondensat, og det forurensede kondensat trekkes ut som en separat strøm fra den rene,væske. Ikke kondenserbare gasser og ventilasjonsgasser strømmer ut fra den samme side av barriéren som det forurensede kondensat.

De fleste av varmevekslerelementene står i forbindelse med dampinngangssiden til den nedre samledel, og mestepar-ten av kondensatet trekkes ut fra denne side. Dampen passerer oppover gjennom hoveddelen av disse varmevekslerelementer.

Det lille antall varmevekslerelementer i hvilke mer flyktige substanser kondenseres fører dampen nedover, slik at lufting og ikke kondenserbare gasser kan gå ut ved disse ele-menters nedre ende. Luftegassene kan deretter kondenseres og deres varme gjenvinnes ved en etterfølgende behandling.

Den foranstående beskrivelse har fulgt den damp som kondenseres, men kjølemiddelstrømmen bør også beskrives. Kjø-lemediuiti kan være en kontinuerlig tilførsel av kjølevann som oppvarmes mens dampen kondenseres. Kjølemiddel kan også resirkuleres ved hjelp av en sirkulasjonspumpe og kjøles ved hjelp av fordampbart kjølemiddel på utsiden av systemet før tilbake-gang til kondensatoren som kjølemiddel, eller det kan være væske som skal fordampes. I sistnevnte tilfelle, hvor vann eller annen væske som skal fordampes benyttes som kjølemedium for kondensering av damp inne i varmevekslerelementene, vil strømmen av væske som en tynn film ned de ytre overflater av varmevekslerelementene resultere i en fordampning i betydelig grad av kjølevæsken. Mens således de indre rom i varmevekslerelementene arbeider som en kondensator, vil det ytre rom på utsiden av varmevekslerelementene og i huset virke som en fordamper .

Pilotanleggsforsøk er blitt gjennomført ved å- kondensere damp som er forurenset med substanser som er illeluktende og har et høyt biokjmemisk oksygenbehov (BOD). Omtrent 90 % av kondensatet dannes under den oppadgående passering av damp gjennom varmevekslerelementene på dampinngangssiden av barriéren, men en kondensator som frembringes ved denne gjennomgang og som tas ut fra bunnsamledelen medfører mindre enn 20 % av forurens-ningene. De gjenværende 80 % av forurensende stoffer går over til den nedoverrettede strøm i elementene hvis bunn står i forbindelse med den nedre samledel på den andre side av barriéren. De 20 % av det totale kondensat som tilveiebringes og samles på den side av barriéren og luftegassene som tømmes ut på siden for skiddent kondensat bærer sammen over 80 % av den totale for-urensning .

Den relativt klare kondensatstrøm fra hoveddelen av ~ elementene er i det vesentlige luktfri og kan resirkuleres til anlegget uten ytterligere behandling.

Den separerte strøm av forurenset vann kan føres videre for ytterligere behandling i en destillasjonskolonne eller lignende.

Disse og andre hensikter og fordeler med det selek-rive kondensasjonssystem ifølge oppfinnelsen skal i det følgende nærmere forklares ved hjelp av utførelseseksempler som er frem-stilt på tegningene, som viser: fig. 1 et snitt gjennom et apparat ifølge oppfinnelsen ,

fig. 2 et snitt langs linjen 2-2 på fig. 1, sett vinkelrett til risset på fig. 1 i retning av pilene og viser den rene kondensatside av apparatet,

fig. 3 et riss svarende til fig. 2, men visende siden med urent kondensat av apparatet,

fig. 4 et riss langs linjen 4 - 4 på fig. 1, sett nedover, idet det er vist strømningsbanen gjennom den øvre del av apparatet,

fig. 5 et snitt langs linjen 5 - 5 på fig. 1 som viser strømmen ved den nedre del av apparatet,

fig. 6 et perspektivriss av apparatet på fig. 1-5 med noen detaljer fjernet og noen deler illustrert med stiplede linjer, og

fig. 7 et snitt av et apparat ifølge oppfinnelsen for

tilveiebringelse av flere separate kondensatstrømmer.

På tegningene er kondensatoren generelt betegnet med 10 og har et hus 11 med i det vesentlige vertikalt anordnet

frontvegg og bakvegg, henholdsvis 12 og 13 og sidevegger 14.

I huset 11 er det anordnet avstandsplasserte, parallelt liggende filmvarmevekslerelementer 15. Varmevekslerelementene 15 er av den type som dannes av par av avstandsplasserte parallelle brede flate plater som er festet til hverandre rundt omkretskantene for å tilveiebringe et lukket rom i elementene 15. En foretrukket metode for fremstilling av platevarmevekslerelementer er beskrevet i US patent nr. 3512239. For fagmannen vil det være klart at elementene 15 kan benyttes for å kondensere vanndamp

eller andre damper som passerer gjennom elementene 15 ved in-

I direkte varmeveksling med et kjølemedium, såsom vann, som strøm-mer som en tynn film ned langs de ytre flater på elementene 15.

Innretninger for innføring av kjølevæske i huset 11 og fordeling av væsken jevnt over flatene til varmevekslerelementene 11 er vist på fig. 1, 2 og 3. En perforert i det vesentlige horisontalt plasert renne 16 er montert over det indre av huset 11, over og i avstand fra varmevekslerelementene 15. Vann eller annen kjølevæske strømmer gjennom perforeringene i rennen 16 og renner nedover de ytre flater av varmevekslerelementene 16, som vist i flere av tegningsfigurene. Fortrinnsvis helles ikke kjølevæsken direkte i rennen 16, men mates til en oppover åpen beholder 17 som er avstandsplasert over rennen 16 for å strømme over kantene til beholderen 17 og således fordele væsken mer jevnt. Når store mengder av flytende kjølemiddel benyttes, er beholderen 17 ikke nødvendig. På fig. 2 og 3 er det vist et rør 18 som fører til beholderen 17 for tilførsel av kjølevæske til denne.

Vann eller annen kjølevæske som har passert over den vertikale lengde av varmevekslerelementene 15 er vist på fig. 1, 2, 3 og 6 og samles opp ved bunnen av huset 11 hvor innover kon-vergerende bunndeler 22 og 23 på frontplaten og bakplaten 12

og 13 danner et kar 24. Væske tømmes ut fra karet 24 gjennom en utløpsledning 25. Innløpsrøret 18 kan tilføre ekstra frisk kjølevæske som er nødvendig til rennen 16. Ved resirkulasjon av kjølemiddel benyttes en pumpe og innretninger for kjøling av væsken før resirkulering.

Den foretrukkede konstruksjon med hensyn til strøm-men av væske på utsiden av varmevekslerelementene har som et resultat tilveiebringelsen av en jevn og effektiv strøm av kjø-lemiddel langs de ytr,e flater på varmevekslerelementene 15 for å kondensere vanndamp eller annen damp i elementene 15.

Vanndamp eller annen damp som skal kondenseres går inn gjennom frontveggen 12 på huset 11 via en ledning 26, som best vist på fig. 2, 5 og 6. En ledeplate (ikke vist) kan være anordnet for å fremme en bedre fordeling av dampen. Ledningen 26 er plasert ved den nedre ende av kondensatoren 10 nær de nedre ender av varmevekslerelementene 15. Det fremgår at det nedre fronthjørne av hvert varmevekslerelement 15 har et ut-skåret område, som' vist ved 27 på fig. 2, 5 og 6, dvs. at omkretsen til platene som danner platevarmevekslerelementene 15

er ikke avtettet ved elementenes nedre fronthjørne. Alternativt

kan innløps- og utløpskasser sveises til elementene 15 eller en annen metode eller fremstilling kan benyttes. Utskjæringene eller åpningene 27 står alle i forbindelse med en bunnsamledel B som utstrekker seg på tvers av fronthuset 11 som vist på fig. 1. Bunnsamledelen B har en toppvegg 28 og en bunnvegg 29, og frontveggen 12 til huset danner en frontvegg på samledelen B hvorved med unntak av åpningen 27 til det indre av varmevekslerelementene 15 samledelen B er lukket ved sin bakre ende med en bakvegg 30. Således kan ingenting føres til eller fra bunnsamledelen B til rommet i huset 11 hvor kjølevæsken sirkulerer og samledelen B står i forbindelse med de indre rom i varmevekslerelementene 15 gjennom åpningene 27.

Vanndamp eller damp som skal kondenseres går inn i bunnsamledelen B gjennom ledningen 26 og går så til varmevekslerelementene 15 via åpningene 27 og skal kondenseres når den føres oppover, som vist på fig. 2.

Samledelen B er ikke åpen og kontinuerlig langs hele sin lengde av fronten til huset 11, men er avbrutt av en barri-ere 31, som vist på fig. 1, 5 og 6. Damper som går inn i samledelen B gjennom ledningen 26 kan bare passere direkte til noen av varmevekslerelementene 15, idet åpningene 27 til de andre elementer 15 er adskilt fra ledningen 26 av barriéren 31.

Man har funnet at barriéren 31 fortrinnsvis bør

være plasert slik at den deler bunnsamledelen B i en relativt lengre del 32 og en relativt kortere del 33. Dette tillater en direkte forbindelse for de fleste varmevekslerelementer 15 med dampen som kommer inn gjennom ledningen 26 over den lengre samledel 32, slik som vist på fig. 5 og 6.

Det vises nå til det øvre frontområde av varmevekslerelementene hvor en øvre samledel H er vist utstrakt i huset 11 for å forbinde de øvre frontender på alle varmevekslerelementer 15. Den øvre samledel H utstrekker seg uavbrutt over hele området av varmevekslerelementer 15, hvilke elementer 15 alle har utskjæringer eller uforbundede områder ved 37 med åp-ning til den øvre samledel H. Med unntak av åpningene 37 som danner forbindelse med det indre av alle varmevekslerelementer 15, er den øvre samledel omsluttet av en toppvegg 38, bunnvegg 39, bakvegg 40 og av husets frontvegg 12.

Konstruksjonen av samledelene B og H og anordningen av varmevekslerelementene 15 som har åpninger bare ved 27 og 37 begrenser således dampen til å strømme oppover gjennom disse elementer 15 som står i forbindelse med samledelen B ved delen 32 og til å strømme nedover gjennom de elementer 15 som står i forbindelse med området 33 ved bunnsamledelen B på den andre side av barriéren 31. Disse strømningsbaner fremgår best av fig. 4, 5 og 6.

Kondensat som dannes i varmevekslerelementene 15 fø-res ut ved hjelp av to kondensatutløp 41 og 42, vist på fig. 2, 3 og 6. Kondensatutløpét 41 går ut fra delen 32 i bunnsamledelen B og kondensatutløpét 4 2 tjener til tømming av den kortere del 33 i bunnsamledelen B. Således er utløpet 41 plasert under dampinnløpsledningen 26 og utløpet 4 2 plasert under utløpsledningen 36 for lufting og ikke kondenserbare stoffer. Som vist på fig. 6 kan den nedre vegg til bunnsamledelen B ut-formes for å lette kondensatuttømmingen.

Barriéren 31 deler opp bunnsamledelen B i to ulike deler 32 og 33, som anført ovenfor. Således vil damp, som vanndamp som skal kondenseres, føres oppover gjennom de fleste av varmevekslerelementene 15. Forholdet mellom størrelsen for opp-varmingsflaten som tilveiebringes av seksjonene 32 og 33 av-henger av det fluidum som skal kondenseres. Som et eksempel for en for-f ordamper for brukt væske fra kraftmassekokingspro-sessen er det for tiden foretrukket at ca. 90 % av varmevekslerelementene 15 er i forbindelse med dampinngangsdelen 32 til bunnsamledelen B, mens de gjenblivende elementer 15 står i forbindelse med lufteutløpsområdet 33 til samledelen B. Til andre formål kan et annet forhold enn 9-1 være fordelaktig.

I det typiske tilfelle ved for-fordampning av brukt kraftmassekokingsvæske hvor vanndamp skal kondenseres, blir ca. 90 % av dampen kondensert under den oppoverrettede vei gjennom hoveddelen av varmevekslerelementene 15 og etterlater bare ca. 10 % av dampen til å gå langs den øvre samledel H for nedover-føring gjennom varmevekslerelementene 15 som står i forbindelse med utløpet 36. Imidlertid er disse 10 % av damp meget rike på forurensende stoffer med lavt kokepunkt eller flyktige stoffer. Kondensatet som dannes under nedoverføringen og uttømmingen gjennom utløpet 4 2 er meget rikere på luktende forbindelser og BOD-dannende komponenter enn kondensatet som tømmes ut ved vanndamp- inngangssiden gjennom utløpsrøret 41. Pilotanleggsforsøk har gitt et utbytte på mindre enn 20 % for BOD og luktende kondensat i 90 % av kondensatet som dannes under passasjen oppover for dampen og over 80 % av BOD og dårligluktende komponenter fremkom i kondensatet og luftegassene som kom ut ved luftingen 3 6 og kondensatutløpét 42.

Den ovenstående diskusjon har behandlet strømmen av damp gjennom det indre av varmevekslerelementene 15 og har behandlet flytende kjølemiddel som strømmer ned over de ytre flater av varmevekslerelementene bare som et kjølemiddel for den damp som skal kondenseres. Det er imidlertid også viktig å betrakte fordampningen av denne kjølemiddelvæske ved varmeover-føring fra den kondenserende damp. Når vann eller annen kjøle-væske strømmer ned over varmevekslerelementene 15 som en film, vil en betydelig mengde av væsken fordampe. Dette resultat kan fordelaktig benyttes ved å benytte en væske som skal fordampes som kjølemiddel. Mens således de indre rom av varmevekslerelementene 15 arbeider som en kondensator, vil det ytre rom på utsiden av elementene 15 og i huset 11 arbeide som en fordamper.

F. eks. blir væske som resirkuleres til rennen 16 ved hjelp av pumpen P blandet med væsken som skal fordampes som inn-føres gjennom røret 18 og avkokte damper passerer ut fra mellom varmevekslerelementene 15 når væsken blir oppvarmet av den varme damp i elementene 15. Dampen som kokes av stiger til den øvre del av apparatet over rennen 16. Fig. 6 på tegningen viser hvordan husveggen 13 kan bli avstandsplasert fra det nærmeste varmevekslerelement 15 for å tillate en strøm utover og oppover av avkokt damp i huset 11. Denne damp kan tillates å passere oppover enten gjennom rommet som er anordnet langs rennen 16 eller gjennom en ledning til toppen av huset 11, hvor en separator eller lignende (ikke vist på tegningen) kan anordnes for behandling av den damp som dannes ved fordampningen av væskefor-met kjølemiddel. Fig. 1-3 viser at huset 11 er luftet sen-tralt ved sin toppdel ved henvisningstallet 50, men det skal for-stås at en separator kan være anordnet ved det sted som er betegnet med 50 for å oppfange dråper av væske som bæres med av strømmen av damp.

Apparatet for selektiv kondensasjonsseparasjon i hen-hold til oppfinnelsen er ikke begrenset til separasjon av to kondensatstrømmer, men kan benyttes også for separasjon av tre eller flere strømmer av kondensat med forskjellig grad av ren-het. Fig. 7 viser en anordning for selektiv kondensasjon av fire kondensatstrømmer betegnet som kondensator I - IV, hvorav kondensatstrøm I utgjøres av den lettest kondenserbare del av innmatingen, og kondensatstrømmen IV inneholder de mest vanskelig kondenserbare substanser som blir kondensert i apparatet.

Som det fremgår av fig. 7 har apparatet et hus av samme type som ved de tidligere utførelser, med sidevegger 114 svarende i det vesentlige til veggene 14 på fig. 1, en væske-fordelingsrenne 116 svarende til rennen 16, varmevekslerelementer 115 svarende til elementene 15 osv. Apparatet på fig. 7 adskiller seg fra den utførelse som er vist på de andre tegnin-ger ved at den er oppdelt i seksjoner for å separere flere kondensater. De avstandsplaserte parallelle varmevekslerelementer 115 har deres nedre åpninger 127 og øvre åpninger 137 anordnet i fire grupper. Damp som skal kondenseres mates til et kammer 100 som står i forbindelse med et antall (7 er vist) varmevekslerelementer 115 ved deres nedre åpninger 127 for kondensasjon av noe av dampen i disse elementer 115 når dampen stiger oppover i de indre rom av elementene. Damp som ikke kondenseres ved passasje opp gjennom elementene 115 i denne første gruppe går inn i et kammer 101 ved den øvre ende av elementene 115 til den første gruppe. Kondensat som dannes i elementene til den første gruppe er relativt fri for vanskelig kondenserbare substanser og trekkes bort fra bunnen av elementene 115 som kondensat I.

Kammeret 101 er lukket med unntak av åpningene 137 i den første gruppe av varmevekslerelementer og en ledning C 1 vist med stiplede linjer som C 1 som fører ukondensert damp fra kammeret 101 til et kammer 102 som åpner til en andre gruppe av elementer 115 ved de nedre åpninger 127. Dampen passerer oppover gjennom de indre rom til den andre gruppe av elementer 115 hvor noen damper kondenseres og trekkes ut som kondensat II, mens den ukondenserte gjenblivende del går ut i et kammer 103 ved den øvre ende av elementene. Prosessen gjentas når damp føres nedover gjennom ledningen C 2 til et kammer 102 og deretter oppover gjennom de indre rom til en tredje gruppe av varmevekslerelementer 115 hvor ytterligere kondensasjon opptrer. Damp som kommer ut i det øvre kammer 105 føres ned til det siste nedre kammer 106 ved hjelp av en ledningC3, og den siste opp-overpassasje gjennom flere varmevekslerelementer 115 (tre er vist) kondenserer flyktige komponenter for dannelsen av konden-satstrømmen IV, som inneholder de mest vanskelig kondenserbare av dampene som er kondensert i systemet.Luftegass og gjenblivende ukondenserte damper går ut fra kammeret 107 ved toppen av den siste gruppe av varmevekslerelementer 115, som vist øverst til høyre på fig. 7.

Utførelser som separerer to og fire forskjellige kondensater er blitt vist, men det er klart at tre kondensater og mer enn fire også kan behandles i apparatet ifølge oppfinnelsen.

Claims (3)

1. Apparat for selektiv kondensasjon av damper forurenset med flyktige stoffer for dannelse av en første relativt ren strøm av kondensat og minst en andre kondensatstrøm som bærer flere forurensede stoffer enn den første strøm, med en varmeveksler av typen med fallende film, med flere plateformede varmevekslerelementer (15, 115) hvor damp kondenseres av strøm-men av væske nedover flatene på varmevekslerelementene (15,

115), idet hvert varmevekslerelement (15, 115) omfatter to avstandsplasserte i det vesentlige parallelle plater som er for-seglet til hverandre langs i det vesentlige hele omkretsen, med øvre samleinnretninger (H) som står i forbindelse med alle varmevekslerelementer (15, 115) nær den øvre ende av hvert slikt varmevekslerelement for fri gjennomgang av damp mellom de øvre deler av varmevekslerelementene, en innretning (26, 33) for innføring av damp som skal kondenseres i de lavere deler av en gruppe av varmevekslerelementer for oppovergjennomføring av damp i en gruppe av varmevekslerelementer, første kondensat-utløpsinnretninger (41) for uttømming av den første kondensat-strøm fra elementene i den første gruppe,karakterisert vedminst en andre gruppe varmevekslerelementer (15, 115) hvor damp som skal kondenseres passerer nedover etter oppoverføringen og ytterligere kondensatutløpsinnretninger (42) avstandsplassert bort fra de første kondensatutløpsinnretninger (41) for uttømming av den ytterligere kondensatstrøm og luft-gasser fra varmevekslerelementene (15, 115) i den/de andre grupper.

2. Apparat ifølge krav 1,karakterisertved at antall varmevekslerelementer (15, 115) i den/de andre grupper av elementer er mindre enn antall varmevekslerelementer (15, 115) i den første gruppe.

3. Apparat ifølge krav 1,karakterisertved at det innbefatter en bunnsamleinnretning (B) som står i forbindelse med alle varmevekslerelementer (15, 115) nær bunnen av elementene, hvilken bunnsamleinnretning (B) er blokert av en tversgående barriére (31) som hindrer gjennomgang av damp gjennom bunnsamleinnretningen (B) forbi barriéren (31), at innretningen (26, 33) for innføring av damp som skal kondenseres bare fører til varmevekslerelementene (15, 115) på én side av barriéren (31) og at innretningen for uttømming av den andre kondensatorstrøm (42) og luftegassene (36) fører fra varmevekslerelementene på den andre side av barriéren (31).