AT515109B1 - Fallfilmverdampfer - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fallfilmverdampfer (1) mit zumindest einem Verdampferrohr (3), dessen Innenwand dazu vorgesehen ist, um eine in das Verdampferrohr (1) eingebrachte Flüssigkeit als Film zu leiten, und mit einer Vorrichtung zum Erhitzen des Verdampferrohres. Um eine gleichmäßige und zuverlässig steuerbare Temperaturregelung zu erreichen, umfasst die Vorrichtung zum Erhitzen des Verdampferrohres eine außen an dem Verdampferrohr (3) angebrachte elektrische Heizeinrichtung (5).

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Fallfilmverdampfer mit zumindest einem Verdampferrohr, dessen Innenwand dazu vorgesehen ist, um eine in das Verdampferrohr eingebrachte Flüssigkeit als Film zu leiten, und mit einer Vorrichtung zum Erhitzen des Verdampferrohres.

[0002] Die CN1657128A offenbart einen Fallfilmverdampfer, bei dem ein elektrisches Heizrohr zum Einsatz kommt. Das elektrische Heizrohr verläuft innerhalb des Verdampferrohres. Der Fallfilm oder Steigfilm verläuft in einem Bereich außerhalb des elektrischen Heizrohres.

[0003] Ätz-Natron- und Ätz-Kali-Lösungen werden heutzutage durch Elektrolyse unter Verwendung einer lonenaustauschmembran als 30-33%-ige wässrige Lösung erhalten. Es ist bekannt, solche Lösungen in Fallfilmverdampfern zu einer praktisch anhydriden Substanz zu konzentrieren, um für die weitere Verarbeitung zu Schuppen oder Prills oder Pellets gegebenenfalls in Fässern bereitzustehen. Es ist jedoch sehr schwer, eine ausreichende Lebensdauer für derartige Vorrichtungen zu gewährleisten, insbesondere wenn die Vorrichtung aus mehreren, zu einem Bündel zusammengefassten Fallfilmelementen besteht. Diese Art von Fallfilmverdampfern besitzt nämlich eine zu geringe Wärmeübertragung und erfordert daher eine höhere Wärmeübertragungsfläche. Dies führt jedoch zu einem sehr dünnen Fallfilm der alkalinen Lösung und in weiterer Folge zur Formation von Unterbrechungen (Rissen) im Film insbesondere im unteren Bereich der Fallfilmrohre, was zu hohen thermischen Spannungen und Spannungskorrosion im unteren Bereich der Rohre führt.

[0004] Daher werden für solche Zwecke auf dem Gegenstromprinzip basierende Fallfilmver-dampfer verwendet. Diese bestehen aus einem Konzentratorrohr, das von einem eng anliegenden Heizmantel umgeben ist. Innerhalb des (vertikal) stehenden Konzentratorrohres fließt alkaline Lösung gleichmäßig an der Innenwand verteilt als Film von oben nach unten. Dabei wird Wasser durch Verdampfung entfernt. An der Unterseite des Konzentratorrohres tritt eine praktisch wasserfreie alkaline Lösung (Schmelze) zusammen mit dem erzeugten Dampf hervor. In dem das Konzentratorrohr umgebenden Heizmantel wird eine Heizflüssigkeit, z.B. eine anorganische Salzschmelze, im Gegenstrom zum Fallfilm gefördert. Die erhitze Heizflüssigkeit wird im unteren Bereich des Heizmantels eingespeist und verlässt den Heizmantel - nun mit geringerer Temperatur - in seinem oberen Bereich.

[0005] Die Verwendung solcher anorganischer Salzschmelzen hat einige Nachteile, wie: [0006] - Eine Einstellung des Temperaturprofils entlang des Konzentratorrohres ist nicht mög lich.

[0007] - Salzschmelzen besitzen Schmelzpunkte oberhalb der Raumtemperatur, wodurch ständig die Gefahr eines Verfestigens in kalten Teilen des Salzsystems insbesondere während des Startens und/oder Herunterfahrens der Anlage.

[0008] - Salzschmelzen sind normalerweise gefährliche Verbindungen, wodurch das Handling und die Entsorgung mit hohem Aufwand verbunden sind.

[0009] Das Ziel der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu beseitigen und einen Fallfilmverdampfer bereitzustellen, der sich durch eine effiziente Wärmeübertragung und geringe Wärmeverluste an die Umgebung auszeichnet. Die Temperatur des Verdampferrohres soll auf einfache und zuverlässige Weise regelbar sein. Die Einstellung und Veränderung eines Temperaturprofils entlang des Verdampferrohres soll ebenfalls möglich sein. Die Verwendung von stofflichen Heizmedien, insbesondere Salzschmelzen, soll vermieden werden. Die Konstruktion soll einfach, platzsparend und kostengünstig sein.

[0010] Dieses Ziel wird mit einem Fallfilmverdampfer der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zum Erhitzen des Verdampferrohres eine außen an dem Verdampferrohr angebrachte elektrische Heizeinrichtung umfasst.

[0011] Unter elektrischer Heizeinrichtung ist eine Heizeinrichtung zu verstehen, bei der elektrische Leistung in Wärme umgewandelt wird. Bei der Erfindung kann diese Umwandlung von elektrischer in thermische Energie in unmittelbarer Nähe zum Verdampferrohr, insbesondere im unmittelbaren Mantelbereich des Verdampferrohres, erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform bildet die elektrische Heizeinrichtung die Ummantelung des Verdampferrohres. D.h. jene Teile der elektrischen Heizeinrichtung, in denen die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie erfolgt, befinden sich in unmittelbarer Nähe zum Verdampferrohr. Wie im Folgenden beschrieben ist das Vorsehen einer elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Zwischenschicht bzw. Zwischenlage möglich.

[0012] Als elektrische Heizeinrichtung kommt bevorzugt eine Widerstandsheizung zur Anwendung, d.h. der elektrische Widerstand eines stromdurchflossenen Leiters bedingt die Wärmeentwicklung. Denkbar wären jedoch auch Infrarot(IR)-Strahler, z.B. in Form von Heizstäben, die entlang des Verdampferrohres angeordnet werden. Systeme, die auf Induktion beruhen, wären ebenfalls denkbar. In allen Varianten wird elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt.

[0013] Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine elektrische Heizeinrichtung, bei der elektrische Energie z.B. in einem von Strom durchflossenen elektrischen Widerstand in Wärmeenergie umgewandelt wird, leicht regelbar ist, wodurch eine gleichmäßige Erhitzung des Verdampferrohres und die Einstellung von Temperaturprofilen möglich wird. Stoffliche Wärmeträger, wie Salzschmelzen können damit vermieden werden.

[0014] Ein Fallfilmverdampfer umfasst in der Regel eine Zufuhr, über die eine zu konzentrierende Lösung in das Innere des Verdampferrohres gelangt, und über einen Ablauf, über den die im Verdampferrohr konzentrierte Substanz entnommen werden kann. Die Zuführung erfolgt dabei derart, dass die zu konzentrierende Flüssigkeit als Film entlang der Innenwand des im Wesentlichen vertikal ausgerichteten Verdampferrohres nach unten fließt.

[0015] Im Verdampferrohr wird der unter den gegebenen Bedingungen flüchtige Anteil der Flüssigkeit verdampft, wodurch der Anteil mit höherer Verdampfungstemperatur während des Filmfalls aufkonzentriert wird. Das Verdampferrohr stellt daher ein Konzentratorrohr bzw. ein Konzentratorelement dar.

[0016] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Heizeinrichtung in Form eines das Verdampferrohr umgebenden Heizmantels ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme können besonders gleichmäßige Temperaturverteilungen entlang des Umfanges des Verdampferrohres erreicht werden.

[0017] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Heizeinrichtung aus Heizabschnitten gebildet wird, die in axialer Richtung aufeinander folgend angeordnet und unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Dies ermöglicht die Einstellung eines Temperaturprofils entlang des Verdampferrohres. Durch unterschiedlich starke Bestromung der einzelnen Heizabschnitte können Temperaturgradienten verwirklicht werden. Beispielsweise können weiter unten liegende Bereiche des (aufrecht stehenden) Verdampferrohres stärker beheizt werden. Hier werden gegebenenfalls höhere Temperaturen benötigt, weil die Siedetemperatur der Lauge mit Zunahme der Konzentration steigt. Die Zunahme der Temperatur in weiter unten liegenden Bereichen des Verdampferrohres ermöglicht, dass auch hier noch weiter konzentriert werden kann.

[0018] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Länge der Heizabschnitte jeweils zwischen 0,4m und 2,5m beträgt. Dies erlaubt eine ausreichend feine Abstimmung des Temperaturverlaufs.

[0019] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Anzahl der Heizabschnitte zumindest drei, vorzugsweise zumindest fünf, beträgt. Diese Anzahl der Heizabschnitte hat sich insbesondere bei Gesamtlängen des Verdampferrohres von maximal 10 m bewährt. Je nach Länge des Verdampferrohres können mehr oder weniger viele Heizabschnitte realisiert sein. Bevorzugt ist auch, wenn das Verhältnis der Gesamtlänge zur Heizabschnittlänge zwischen 0,5 und 1,5 beträgt. Z.B. kann ein 6m langes Konzentartorrohr über 6 unabhängigen Heizabschnitten beheizt werden. Bevorzugt (aber nicht zwingend) ist, wenn die Anzahl von 20 Heizabschnitten nicht überschritten wird.

[0020] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Heizeinrichtung aus zumindest einem, vorzugsweise flächige Form aufweisenden Widerstandsdraht gebildet wird. Der Widerstandsdraht kann gleichmäßig und in gewünschtem Verlauf verlegt werden. Vorzugsweise verläuft der Widerstandsdraht bzw. verlaufen die einzelnen Widerstandsdrähte im Wesentlichen auf einer gedachten Zylindermantelfläche, die konzentrisch zum Verdampferrohr ist. Eine flächige Ausbildung des Drahtes in Form eines Heizbandes wird bevorzugt, da so neben einer platzsparenden Konstruktion die Wärmeübertragung besonders effizient gestaltet werden kann. Der Widerstandsdraht kann z.B. auf eine außerhalb des Verdampferrohres aufgebrachte Zwischenschicht aufgeklebt werden.

[0021] Die elektrische Heizeinrichtung kann auch aus einzelnen Heizelementen aufgebaut sein und stromdurchflossene bzw. mit Strom beaufschlagbare Leiter (Stäbe, Bänder, Leisten, etc.) entsprechenden Querschnitts aufweisen.

[0022] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Widerstands-draht einlagig verlegt ist. Dadurch kann die Dicke der elektrischen Heizeinrichtung um das Verdampferrohr gering gehalten, ohne auf die erforderliche Leistung verzichten zu müssen.

[0023] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Widerstands-draht zu überwiegendem Teil parallel zur Längsachse des Verdampferrohres verläuft. Dies ermöglicht nicht nur eine einfache Verlegung, sondern ermöglicht die Zusammenfassung zu Heizelementen, die entlang des Umfanges des Verdampferrohres nebeneinander angeordnet sind. Diese Heizelemente können z.B. durch unterschiedliche Phasen eines Wechselstromes gespeist werden. Die elektrische Heizeinrichtung könnte z.B. mit 3-Phasen und 400V Wechselstrom betrieben werden.

[0024] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Dicke des Widerstandsdrahtes in radialer Richtung höchstens 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 1 mm, beträgt. Durch entsprechend flachen Querschnitt des Widerstandsdrahtes kann die Wärmeerzeugung in ausreichendem Maße erfolgen. Jedenfalls ermöglicht diese Variante eine besonders platzsparende Lösung und eine homogene Wärmeerzeugung.

[0025] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Heizeinrichtung von der Mantelaußenseite des Verdampferrohres durch elektrisch isolierendes Material beabstandet ist. Das Verdampferrohr ist üblicherweise aus Metall, vorzugsweise Nickel, gebildet und geerdet. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, sind die elektrische Heizeinrichtung und das Verdampferrohr voneinander galvanisch getrennt. Auch Auswirkungen eines andernfalls stromdurchflossenen Verdampferrohrmantels auf den unmittelbar anliegenden Fallfilm werden dadurch verhindert.

[0026] Das Material der Zwischenschicht sollte bis zu Temperaturen von über 1000°C beständig sein. Das gleiche wird für das Heizbandmaterial und den Abstandshalter(faden) bevorzugt. Zwischenschicht und Abstandshalter(faden) sind bevorzugt in laugenhaltigen Umgebungen inert.

[0027] Vorzugsweise ist die Mantelaußenseite des metallischen Verdampferrohres mit elektrisch isolierendem Material beschichtet, wobei diese Schicht eine Dicke von 0,1 bis 1mm, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,6 mm aufweist.

[0028] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch isolierenden Materials zumindest 1.000 Qcm beträgt. Dadurch wird eine ausreichende Isolation gewährleistet.

[0029] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die thermische Leitfähigkeit des elektrisch isolierenden Materials zumindest 1 W/mK beträgt. Dies gewährleistet einen guten Wärmeübergang von den Widerstandsdrähten bzw. einzelnen Heizelementen auf das Verdampferrohr.

[0030] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das elektrisch isolierende Material eine Keramik umfasst. Es gibt Keramiken, die gleichzeitig einen hohen elektri- sehen Widerstand und hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen.

[0031] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das elektrisch isolierende Material Bornitrit umfasst. Bornitrit hat sich als besonders effektives Material herausgestellt, da es optimale Werte für die ansonsten ,im Widerstreit“ stehenden physikalischen Eigenschaften elektrischer Widerstand und Wärmeleitfähigkeit aufweist. Außerdem ist Bornitrit in hohem Maße hochtemperaturbeständig und inert.

[0032] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der elektrischen Heizeinrichtung und der Mantelaußenseite des Verdampferrohres eine abstandhaltende Struktur angeordnet ist, wobei ein durch die abstandshaltende Struktur gebildeter Zwischenraum mit elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise mit einer Bornitrit-Beschichtung, gefüllt ist. Diese Ausführungsform gewährleistet, dass der Abstand zwischen den stromführenden Teilen der Heizeinrichtung (Widerstandsdraht bzw. Heizelemente) während der gesamten Lebensdauer eines Verdampferrohres erhalten bleibt.

[0033] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die abstandhaltende Struktur durch um das Verdampferrohr laufende Windungen (spiralförmiger Verlauf) gebildet ist, wobei vorzugsweise die Windungen durch einen Strang aus Glas- und/oder Mineralfasern gebildet sind. Diese ist eine besonders zuverlässige und kostengünstig zu realisierende Ausführungsform, da mit einem Strang oder Faden konstanter Dicke gleichmäßiger Abstand (sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung) gewährleistet wird.

[0034] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das elektrisch isolierende Material in Form von um den Umfang des Verdampferrohres verteilte Plättchen, vorzugsweise Bornitrit-Plättchen, gebildet ist. Die Plättchen besitzen neben der Abstandshalterfunktion auch die Funktionen der Wärmeleitung und der elektrischen Isolation. Die Verlegung von gebogenen (d.h. entsprechend der Außenkontur des Verdampferrohres angepassten) Plättchen ist ohne großen Aufwand zu bewerkstelligen. Außerdem ist die Abstandshalterfunktion von vornherein gegeben und während der gesamten Lebensdauer des Verdampferrohres gesichert.

[0035] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromversorgung der elektrischen Heizeinrichtung mehrphasig, vorzugsweise dreiphasig, ist und dass die elektrische Heizeinrichtung in zumindest einem Abschnitt entlang der Längsachse des Verdampferrohres durch vorzugsweise gleichgroße, um den Umfang des Verdampferrohres verteilte Heizsegmente gebildet wird, wobei die Heizsegmente jeweils an unterschiedliche Phasen der Stromversorgung angeschlossen sind. Dies garantiert eine in hohem Ausmaß gleichmäßige Temperaturverteilung entlang des Umfanges des Verdampferrohres, wodurch ein Aufreißen des Fallfilmes durch Temperaturgradienten effizient unterdrückt wird. Bei drei Phasen umschließen die einzelnen gleich großen Heizsegmente jeweils etwa 120° entlang des Verdampferrohr-Umfanges.

[0036] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der radiale Abstand zwischen der elektrischen Heizeinrichtung und der Mantelaußenseite des Verdampferrohres zwischen 0,2mm und 10mm, vorzugsweise zwischen 0,5mm und 2mm, beträgt, wodurch eine ausreichende räumliche Trennung erreicht wird.

[0037] Der Abstand zwischen dem Verdampferrohr und den stromführenden Teilen der Heizeinrichtung (Widerstandsdraht bzw. Heizelementen) ist im Bereich zwischen 2mm und 10mm, vorzugsweise etwa 1 mm mit dem Spritzdesign (Beschichtung und abstandhaltende Struktur) und etwa 5 mm mit den Plättchen als Zwischenmaterial.

[0038] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Heizeinrichtung außen durch zumindest ein umlaufendes Band (vorzugsweise ein Klebeband) oder eine umlaufende Schnur fixiert ist. Die Widerstandsdrähte oder Heizelemente werden dadurch zuverlässig am Verdampferrohr bzw. auf dem elektrisch isolierenden Zwischenmaterial fixiert. Das Befestigungsband hat zwei Funktionen: [0039] - Gewährleistung der mechanischen Stabilität des Systems.

[0040] - Aus elektrisch isolierendem Material gebildet schützt das Band die Heizelemente von der Umgebung, wodurch ein Kurzschluss zwischen einem Heizelement und einem leitenden Teil außerhalb des Systems vermieden wird.

[0041] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Verdampferrohr von einer thermischen Isolation umgeben ist, wobei die elektrische Heizeinrichtung zwischen der Mantelaußenseite des Verdampferrohres und der Isolation angeordnet ist. Dies verhindert, dass Wärme an die Umgebung abgegeben wird, wodurch die Effizienz der Beheizung gesteigert wird.

[0042] Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Fallfilmverdampfer mehrere, insbesondere entlang zumindest einer Linie (z.B. 1- linienförmig oder 2-linienför-mig) oder in zumindest einer Reihe oder bündelförmig angeordnete Verdampferrohre umfasst, wobei jedes Verdampferrohr von einer elektrischen Heizeinrichtung umgeben ist. So können mehrere parallel ablaufende Konzentrationsvorgänge durchgeführt werden. Die Anordnung der Verdampferrohre (Linie, Reihe oder Bündel) besitzt einen gemeinsamen Zulauf für die zu konzentrierende Substanz und einen gemeinsamen Ablauf für die aufkonzentrierte Substanz und die erzeugten Brüden.

[0043] Im Folgenden wird eine besonders bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Das elektrisch beheizbare Verdampferrohr (Konzentratorrohr) ist von einer dünnen Beschichtung eines speziellen Materials (temperaturbeständig, elektrisch isolierend und thermisch leitend) umgeben (vorzugsweise von weniger als 500 pm Dicke). Über dieser Beschichtung wird - wie bereits oben erwähnt - ein abstandshaltender Faden bzw. Strang gewunden. Die einzelnen Windungen sind voneinander beabstandet, wobei die Räume zwischen den einzelnen Windungen ebenfalls mit einem speziellen Material (elektrisch isolierend und thermisch leitend) gefüllt sind. Der Faden bzw. Strang wird vorzugsweise nach außen hin wiederum durch ein spezielles Material (elektrisch isolierend und thermisch leitend) bedeckt. Auf dieser durch das spezielle Material gebildeten Oberfläche liegen die Widerstandsdrähte bzw. Heizelemente auf. Das spezielle Material ist vorzugsweise eine Keramik, insbesondere ein Bornitrit(pulver).

[0044] Um den Widerstandsdraht bzw. die Heizelemente ist vorzugsweise ein Fixierband um das gesamte System gewunden.

[0045] Das Verdampferrohr bzw. Konzentratorrohr ist vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Material gebildet, z.B. Nickel. Nur als Beispiel könnte das Konzentratorrohr einen Durchmesser von 112x3.5 mm und eine Länge von 6m aufweisen.

[0046] Ein erfindungsgemäßer Fallfilmverdampfer kann insbesondere für ein Verfahren zur Konzentrierung einer wässrigen alkalischen Lösung verwendet werden, vorzugsweise zur Erzielung von Konzentrationen von 45 % bis zu 99 % oder höher. Dies kann bei atmosphärischem Druck oder leichtem Überdruck (z.B. bis zu 0,5 bar) erfolgen. Die Temperatur der eingebrachten Lösung am oberen Verdampferrohrende beträgt - abhängig von der stromaufwärtigen Zuleitung - vorzugsweise zwischen 90 °C und 250 °C. Die Temperatur der am unteren Ende des Verdampferrohres austretenden Lösung beträgt vorzugsweise zwischen 370 °C und 420 °C, wobei die erzeugten Brüden etwas kühler sind (320 °C bis 370 °C). Die Temperatur der Heizelemente beträgt während des Konzentrationsvorganges vorzugsweise zwischen 500 °C und 900 °C. Damit können vorzugsweise und bei entsprechender Auslegung der Zwischenschicht und der Verdampferrohrdicke Temperaturen an der Innenwand des Verdampferrohres zwischen 100 °C und 450 °C erreicht werden.

[0047] Die Leistung eines z.B. 6 m langen Konzentratorrohres mit etwa 2m2 Wärmeübertragungsfläche kann z.B. 700 kW erreichen. Der maximale Wärmefluss, der durch die elektrische Heizeinrichtung erzeugt und von der alkalischen Lösung aufgenommen wird, kann dann z.B. 750 kW/m2 betragen.

[0048] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0049] Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung: [0050] Fig. 1 einen Fallfilmverdampfer im Querschnitt; [0051] Fig. 2 einen Fallfilmverdampfer in verschieden großen Ausschnitten; [0052] Fig. 3 eine alternative Ausführungsform im Querschnitt parallel zur Längsachse des

Verdampferrohres; [0053] Fig. 4 einen an eine Stromversorgung angeschlossenen Fallfilmverdampfer; [0054] Fig. 5 einen aus mehreren Verdampferrohren zusammengesetzten Fallfilmverdampfer in schematischer Darstellung.

[0055] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0056] Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Fallfilmverdampfers bzw. seiner Teile, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist.

[0057] Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.

[0058] Vor allem können die einzelnen in den Figuren gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.

[0059] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Fallfilmverdampfers diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt sein können.

[0060] Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Fallfilmverdampfer 1 mit einem Verdampferrohr 3, an dessen Innenwand eine in das Verdampferrohr 1 eingebrachte Flüssigkeit, z.B. eine basische Lösung, als Film durch die Schwerkraft nach unten rinnt. Der Fallfimverdampfer 1 umfasst eine Vorrichtung zum Erhitzen des Verdampferrohres 3 in Form einer außen an dem Verdampferrohr 3 angebrachten elektrischen Heizeinrichtung 5.

[0061] Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist die Heizeinrichtung 5 in Form eines das Verdampferrohr 3 umgebenden Heizmantels ausgebildet. In der dargestellten Ausführungsform ist die elektrische Heizeinrichtung 5 aus zumindest einem, vorzugsweise flächige Form aufweisenden Widerstandsdraht 6 gebildet. Der Widerstandsdraht 6 kann - wie dargestellt - nur einlagig verlegt sein und zu überwiegendem Teil parallel zur Längsachse des Verdampferrohres 3 verlaufen (Fig. 2). Die Dicke des Widerstandsdrahtes 6 beträgt in radialer Richtung bevorzugt höchstens 5 mm, besonders vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 1 mm.

[0062] Die elektrische Heizeinrichtung 5 ist von der Mantelaußenseite des Verdampferrohres 3 durch elektrisch isolierendes Material 17 beabstandet. Bevorzugt beträgt der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch isolierenden Materials 17 zumindest 1.000 Qcm, während die thermische Leitfähigkeit des elektrisch isolierenden Materials 17 zumindest 1 W/mK beträgt.

Das elektrisch isolierende Material 17 kann z.B. eine Keramik, insbesondere Bornitrit umfassen.

[0063] Der radiale Abstand zwischen der elektrischen Heizeinrichtung 5 und der Mantelaußenseite des Verdampferrohres 3 beträgt bevorzugt zwischen 0,2mm und 10mm, besonders bevorzugt zwischen 0,5mm und 2mm.

[0064] In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist das elektrisch isolierende Material 17 in Form von um den Umfang des Verdampferrohres 3 verteilte Plättchen 18, vorzugsweise Bornitrit-Plättchen, gebildet. Die Plättchen haben eine entsprechend der Außenkontur des Verdampferrohres 3 gebogene bzw. gewölbte Form, um ein flächiges Anliegen und damit einen guten Wärmeübergang zu ermöglichen. Die Plättchen können z.B. mittels eine Klebers an der Mantelaußenseite des Verdampferrohres 3 angebracht werden. In Fig. 1 sind neuen Plättchen entlang des Umfanges verteilt angeordnet. Größe und Anzahl können jedoch variieren.

[0065] Die elektrische Heizeinrichtung 5 in Form der Widerstandsdrähte ist außen durch zumindest ein mehrfach umlaufendes (Klebe)Band 19 fixiert.

[0066] Um Wärmeverluste an die Umgebung möglichst gering zu halten, ist das Verdampferrohr 3 von einer thermischen Isolation 22 umgeben, wobei die elektrische Heizeinrichtung 5 zwischen der Mantelaußenseite des Verdampferrohres 3 und der Isolation 22 angeordnet ist. Die gesamte Konstruktion bestehend aus Verdampferrohr 3, elektrisch isolierendem Material 17, Heizeinrichtung 5 (Heizmantel) und Isolation 22 ist im Wesentlichen konzentrisch (bzw. im Querschnitt im Wesentlichen kreissymmetrisch), wodurch der Platzbedarf gering gehalten werden kann.

[0067] Fig. 3 zeigt eine Variante der Erfindung, die sich im Wesentlichen durch die Zwischenschicht aus elektrisch isolierendem Material 17 unterscheidet. Zwischen der elektrischen Heizeinrichtung 5 und der Mantelaußenseite des Verdampferrohres 3 ist hier eine abstandhaltende Struktur 20 vorgesehen. Dabei ist ein durch die abstandshaltende Struktur gebildeter Zwischenraum mit elektrisch isolierendem Material 17, vorzugsweise mit einer Bornitrit-Beschichtung 21, gefüllt.

[0068] Die abstandhaltende Struktur 20 wird hier durch um das Verdampferrohr 3 verlaufende Windungen gebildet, wobei vorzugsweise die Windungen durch einen Strang (bzw. Faden) aus Glas- und/oder Mineralfasern gebildet sind. Alternativ könnte als abstandhaltende Struktur auch ein Netz um das Verdampferrohr 3 gewickelt werden.

[0069] Die Ausführungsform aus Fig. 3 kann weitergebildet werden wie im Folgenden kurz angedeutet wird: [0070] Um das Verdampferrohr 3 kann eine dünne Schicht von z.B. weniger als 500 pm eines speziellen Materials aufgebracht werden. Dieses Material ist temperaturbeständig und weist einen sehr hohen elektrischen Widerstand und eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit auf. Diese Schicht gewährleistet einen optimalen Wärmefluss vom elektrischen Heizdraht (Heizband) zu dem Verdampferrohr 3 und in weiterer Folge zu der alkalischen Lösung, die an der Innenwand des Verdampferrohres 3 als Film fließt. Gleichzeitig isoliert diese Schicht die Heizeinrichtung 5 von dem Verdampferrohr 3 elektrisch.

[0071] Über dieser Beschichtung und um das Verdampferrohr herum ist ein Faden aufgewickelt. Dieser Faden hat zwei Funktionen: [0072] - Aus elektrisch isolierendem Material gebildet gewährleistet der Faden, dass der

Heizdraht (bzw. das Heizband), in dem Strom fließt, von dem Verdampferrohr 3 elektrisch getrennt ist, wodurch Kurzschlüsse vermieden werden.

[0073] - Mit einem Durchmesser z.B. zwischen 0,5 und 2 mm gewährleistet der Faden das immer ein definierter Abstand zwischen der Heizeinrichtung und dem Konzentratorrohr eingehalten ist.

[0074] Die Räume zwischen den einzelnen Windungen werden bis zu einem bestimmten Niveau über dem Faden mit demselben speziellen Material gefüllt, das für die Beschichtung des

Rohres verwendet wird (z.B. Bornitrit). Seine Funktion besteht darin, die Heizelemente von der Konzentrator-Tube zu trennen und gleichzeitig einen optimalen Wärmeübergang zwischen diesen beiden Teilen zu gewährleisten.

[0075] Auf dieser Schicht bzw. Struktur liegen nun die Heizelemente (Widerstandsdrähte, Heizband, etc.). Sie sind aus einer Widerstandsheizlegierung gefertigt und besitzen vorzugsweise eine Dicke von 0,1 mm bis 1 mm. Eine Spannung wird auf die Heizelemente gelegt, was zu einer Umwandlung der elektrischen Energie in Wärmeenergie führt. Sie können vorzugsweise bis zu 750 kW/m2 zu dem Konzentratorrohr liefern.

[0076] Wie aus den Fig. 2 und 4 ersichtlich wird die elektrische Heizeinrichtung 5 aus einzelnen Heizabschnitten 7 gebildet, die in axialer Richtung aufeinander folgend angeordnet und unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Die Länge der Heizabschnitte 7 kann z.B. jeweils zwischen 0,4m und 2,5m betragen. Fig. 4 zeigt eine Stromversorgung 8, die aus einer Steuerung 10 und mehreren unabhängig voneinander regelbaren Stromquellen 9 besteht. Jeder Heizabschnitt 7 ist einer unabhängig regelbaren Stromquelle 9 zugeordnet. Durch diese Maßnahme kann ein bestimmtes Temperaturprofil über die Länge des Verdampferrohres 3 gelegt werden. Außerdem hat dies den Vorteil, dass jeder Abschnitt unabhängig von den anderen Abschnitten an einer erforderlichen Temperatur gehalten werden kann. Dadurch kann ein optimales Temperaturprofil entlang des Verdampferrohres 3 angelegt werden, was zu einem optimalen Wärmeübergang von den stromdurchflossenen Teilen der Heizeinrichtung 5 zu dem Verdampferrohr 3 führt, wodurch die erforderliche Wärmeübertragungsfläche minimiert werden kann.

[0077] In Fig. 1 und 2 ist die Heizeinrichtung 5 in jedem Heizabschnitt 7 in mehrere Heizsegmente 11, 12, 13 unterteilt. Diesen Heizsegmenten 11, 12, 13 sind jeweils Anschlüsse 14, 15, 16 zugeordnet. Die Stromversorgung 8 der elektrischen Heizeinrichtung 5 ist mehrphasig, vorzugsweise dreiphasig. Die elektrische Heizeinrichtung 5 ist in zumindest einem Abschnitt entlang der Längsachse des Verdampferrohres 3 durch vorzugsweise gleichgroße, um den Umfang des Verdampferrohres 3 verteilte Heizsegmente 11, 12, 13 gebildet, wobei die Heizsegmente 11, 12, 13 jeweils an unterschiedliche Phasen der Strom- bzw. Spannungsversorgung 8 angeschlossen sind. Dabei ist ein erstes Heizsegment 11 mit einem Anschluss 14 für die erste Phase, ein zweites Heizsegment 12 mit einem Anschluss 15 für die zweite Phase und ein drittes Heizelement 13 mit einem Anschluss 16 für die dritte Phase der Stromversorgung versehen. Bei drei Phasen ist die Heizeinrichtung in 120° Segmente unterteilt. Die Aufteilung in Segmente und Verknüpfung mit den einzelnen Phasen eines Wechselstromes gewährleistet, dass das Konzentratorrohr um seinen gesamten Umfang mit derselben Intensität beheizt wird.

[0078] Fig. 5 zeigt schließlich, dass der Fallfilmverdampfer 1 nicht nur aus einem Verdampferrohr 3 bestehen kann, sondern mehrere, auf eine, zwei oder mehrere Reihen verteilt angeordnete Verdampferrohre 3 umfassen kann. Dabei ist jedes Verdampferrohr 3 von einer elektrischen Heizeinrichtung 5 umgeben bzw. kann jedes Verdampferrohr nach einem der oben beschriebenen Varianten umhüllt sein. Über einen gemeinsamen Zulauf 2 wird die zu konzentrierende Lösung in das Konzentratorelement eingebracht, über einen gemeinsamen Ablauf 4 kann das Konzentrat abgeführt werden. Das Bezugszeichen 23 stellt einen Brüdenablauf dar. Eine alternative Ausführungsform könnte auch eine bündelförmige Anordnung von Verdampferrohren umfassen.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Fallfilmverdampfer 2 Zulauf 3 Verdampferrohr 4 Ablauf 5 Elektrische Heizeinrichtung 6 Widerstandsdraht 7 Heizabschnitt 8 Stromversorgung 9 Stromquelle 10 Steuerung 11 erstes Heizsegment 12 zweites Heizsegment 13 drittes Heizsegment 14 Anschluss für die erste Phase 15 Anschluss für die zweite Phase 16 Anschluss für die dritte Phase 17 Elektrisch isolierendes Material 18 Plättchen 19 Band 20 Abstandhaltende Struktur 21 Beschichtung 22 Isolation 23 Brüdenablauf

Claims (20)

1. Patentansprüche 1. Fallfilmverdampfer (1) mit zumindest einem Verdampferrohr (3), dessen Innenwand dazu vorgesehen ist, um eine in das Verdampferrohr (1) eingebrachte Flüssigkeit als Film zu leiten, und mit einer Vorrichtung zum Erhitzen des Verdampferrohres (3), wobei die Vorrichtung zum Erhitzen des Verdampferrohres (3) eine elektrische Fleizeinrichtung (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (5) außen an dem Verdampferrohr (3) angebracht ist.
2. 2. Fallfilmverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (5) in Form eines das Verdampferrohr (3) umgebenden Heizmantels ausgebildet ist.
3. 3. Fallfilmverdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (5) aus Heizabschnitten (7) gebildet wird, die in axialer Richtung aufeinander folgend angeordnet und unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
4. 4. Fallfilmverdampfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Heizabschnitte (7) jeweils zwischen 0,4m und 2,5m beträgt.
5. 5. Fallfilmverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (5) aus zumindest einem, vorzugsweise flächige Form aufweisenden Widerstandsdraht (6) gebildet wird.
6. 6. Fallfilmverdampfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsdraht (6) einlagig verlegt ist und/oder dass der Widerstandsdraht (6) zu überwiegendem Teil parallel zur Längsachse des Verdampferrohres (3) verläuft.
7. 7. Fallfilmverdampfer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Widerstandsdrahtes (6) in radialer Richtung höchstens 5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 1 mm, beträgt.
8. 8. Fallfilmverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (5) von der Mantelaußenseite des Verdampferrohres (3) durch elektrisch isolierendes Material (17) beabstandet ist.
9. 9. Fallfilmverdampfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische elektrische Widerstand des elektrisch isolierenden Materials (17) zumindest 1.000 Qcm beträgt.
10. 10. Fallfilmverdampfer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Leitfähigkeit des elektrisch isolierenden Materials (17) zumindest 1 W/mK beträgt.
11. 11. Fallfilmverdampfer nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material (17) eine Keramik umfasst.
12. 12. Fallfilmverdampfer nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material (17) Bornitrit umfasst.
13. 13. Fallfilmverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der elektrischen Heizeinrichtung (5) und der Mantelaußenseite des Verdampferrohres (3) eine abstandhaltende Struktur (20) angeordnet ist, wobei ein durch die abstandshaltende Struktur gebildeter Zwischenraum mit elektrisch isolierendem Material (17), vorzugsweise mit einer Bornitrit-Beschichtung (21), gefüllt ist.
14. 14. Fallfilmverdampfer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die abstandhaltende Struktur (20) durch um das Verdampferrohr (3) laufende Windungen gebildet ist, wobei vorzugsweise die Windungen durch einen Strang aus Glas- und/oder Mineralfasern gebildet sind.
15. 15. Fallfilmverdampfer nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material (17) in Form von um den Umfang des Verdampferrohres (3) verteilte Plättchen (18), vorzugsweise Bornitrit- Plättchen, gebildet ist.
16. 16. Fallfilmverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (8) der elektrischen Heizeinrichtung (5) mehrphasig, vorzugsweise dreiphasig, ist und dass die elektrische Heizeinrichtung (5) in zumindest einem Abschnitt entlang der Längsachse des Verdampferrohres (3) durch vorzugsweise gleichgroße, um den Umfang des Verdampferrohres (3) verteilte Heizsegmente (11, 12, 13) gebildet wird, wobei die Heizsegmente (11, 12, 13) jeweils an unterschiedliche Phasen der Stromversorgung (8) angeschlossen sind.
17. 17. Fallfilmverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand zwischen der elektrischen Heizeinrichtung (5) und der Mantelaußenseite des Verdampferrohres (3) zwischen 0,2mm und 10mm, vorzugsweise zwischen 0,5mm und 2mm, beträgt.
18. 18. Fallfilmverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (5) außen durch zumindest ein umlaufendes Band (19) oder eine umlaufende Schnur fixiert ist.
19. 19. Fallfilmverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampferrohr (3) von einer thermischen Isolation (22) umgeben ist, wobei die elektrische Heizeinrichtung (5) zwischen der Mantelaußenseite des Verdampferrohres (3) und der Isolation (22) angeordnet ist.
20. 20. Fallfilmverdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fallfilmverdampfer (1) mehrere, insbesondere entlang zumindest einer Linie oder in zumindest einer Reihe oder bündelförmig angeordnete, Verdampferrohre (3) umfasst, wobei jedes Verdampferrohr (3) von einer elektrischen Heizeinrichtung (5) umgeben ist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen