Verfahren und Vorrichtung zur gleichmässigen Verteilung der einzudampfenden Flüssigkeit auf die Heizrohre eines Fallstromverdampfers
Bei Fallstromverdampfern fliesst die einzudampfende Flüssigkeit in der Regel auf den Innenflächen der Rohre eines senkrecht stehenden, dampfbeheizten Röhrenbündels in dünner Schicht siedend abwärts, wobei der erzeugte Brüden ebenfalls von oben nach unten strömt und somit die durch die Schwerkraft bewirkte Abwärtsbewegung des Flüssigkeitsfilmes unterstützt.
Wenn empfindliche Flüssigkeiten einzudampfen sind, ist es erwünscht, mit nur einmaligem Durchgang durch die Rohre den geforderten Grad der Konzentration zu erreichen, um die Zeitdauer der Wärmeeinwirkung möglichst kurz und für alle Flüssigkeitsteilchen gleich lang zu erhalten. Je höher dabei das Eindampfungsverhältnis ist, um so mehr kommt es darauf an, in jedes Rohr möglichst genau dieselbe Flüssigkeitsmenge hineinzubringen. Es ist sonst nicht zu vermeiden, dass die Rohre mit zu geringer Flüssigkeitszufuhr ein übermässig konzentriertes Produkt liefern, welches antrocknen oder festbrennen kann, so dass die betreffenden Rohre sich verstopfen, während die Rohre mit zu starker Flüssigkeitszufuhr die verlangte Konzentration nicht erreichen.
Es genügt aber nicht, die Flüssigkeit gleichmässig auf die Rohre zu verteilen, sondern diese Flüssigkeitsmenge muss auch sofort beim Eintritt in das Rohr auf dessen Innenwand in dünner Schicht ausgebreitet werden. Weder darf Flüssigkeit durch das Rohr hindurchfallen noch darf sie sich auf der Rohrwand in Rinnsalen zusammenziehen, vielmehr muss sie einen gleichmässigen, in starker Bewegung gehaltenen Film bilden, welcher die gesamte verfügbare Heizfläche benetzt. Zu dem Hauptproblem der Verteilung kommt also das Problem der Benetzung noch hinzu.
Es sind bereits zahlreiche Vorrichtungen bekannt, um die Füssigkeit mittels Düsen, Brausen, Lochplatten, Staurändern und dergleichen gleichmässig über der oberen Rohrplatte zu verteilen. Das Problem der Benetzung ist jedoch bei den meisten dieser bekannten Vorrichtungen nicht berücksichtigt oder doch nicht gelöst, und überdies genügt die Gleichmässigkeit der Verteilung meist nur geringen Anforderungen.
Es ist auch bereits bekannt, den Heizrohren eine Entspannungskammer vorzuschalten und dieser die einzudampfende Flüssigkeit überhitzt zuzuführen. Bei der Entspannung entwickelt die Flüssigkeit Brüden, so dass in die Rohre zugleich mit der dabei in Tropfen zerlegten Flüssigkeit Dampf eintritt. Dieser bewirkt die sofortige Entstehung eines gleichmässigen, turbulenten Films, weil die Dampfströmung beim Eintritt in die Rohre einen Wirbel bildet, welcher die Flüssigkeit an die Rohrinnenwand wirft bzw. dort ausbreitet und in Bewegung hält.
Es ist ferner bekannt, in Ergänzung oder an Stelle der Überhitzung der einzudampfenden Flüssigkeit vor ihrem Eintritt in die Rohre Dampf oder Gas beizumischen.
Schliesslich ist auch bekannt, bei überhitzter Zuführung der einzudampfenden Flüssigkeit in die den Rohren vorgeschaltete Entspannungskammer übereinander angeordüete Lochplatten einzubauen, um sowohl eine gleichmässige Verteilung als auch eine gute Benetzung zu erzielen. Nach einem bekannten Verfahren durchströmt z. B. die überhitzt zugeführte Flüssigkeit wenigstens zwei übereinander angeord nete Lochplatten, wobei die Zahl der Löcher von Platte zu Platte zunimmt, so dass die Entspannung auf den Druck in den Heizrohren und die damit verbundene Ausdampfung stufenweise erfolgt, was die Verteilung des so entstehenden Dampf-Flüssigkeits-Gemisches auf die ganze Fläche der oberen Rohrplatte bewirkt.
Eine gleichmässige Verteilung ist auf diese Weise aber nur in beschränktem Masse zu erreichen, weil die Flüssigkeit immer die Tendenz hat, bevorzugt nach aussen zu gehen (analog der Randgängigkeit von Füllkörpersäulen), und weil die Strömungsvorgänge und damit die Verteilung sehr stark vom Grad der Überhitzung abhängen.
Eine bekannte Vorrichtung benutzt eine obere perforierte Platte, durch welche die Flüssigkeit in feinen Strahlen auf eine geschlossene untere Platte fällt, welche von parallel zueinander angeordneten, perforierten Rohren durchsetzt ist, die einzeln in je ein Verdampferrohr münden. Mit dieser Vorrichtung ist eine gleichmässige Verteilung nur zu erreichen, wenn sich trotz der Druckdifferenz zwischen den durch die beiden Platten gebildeten drei Räumen ein Flüssigkeitsstand auf den Platten ausbilden kann.
Dies bedingt aber sehr enge Löcher, die zum Verstopfen neigen. Ausserdem können die Druckverhältnisse je nach der Temperatur der zugeführten Flüssigkeit und dem im Verdampfer herrschenden Vakuum sehr verschieden sein, wodurch die Wirkung der Vorrichtung beeinflusst wird.
Die vorliegende Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen hauptsächlich dadurch, dass die Vorgänge der Entspannung, Verteilung und Benetzung voneinander getrennt statffinden.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird die Flüssigkeit auf die Heizrohre eines Fallstromverdampfers mittels zweier übereinanderliegender Lochplatten dadurch gleichmässig verteilt, dass die zugeführte Flüssigkeit nach Abscheidung von dabei entstehendem Entspannungsdampf auf der oberen Platte in geringer Höhe gestaut wird und aus deren Löchern nur unter dem Einfluss ihres statischen Druckes ausfliesst, und dass sie durch die Löcher der unteren Platte gleichzeitig mit Entspannungsdampf oder, und von aussen herangeführtem Fülldampf oder Füllgas unter der Wirkung eines Druckunterschiedes hindurchgetrieben wird, welcher sich zwischen dem Raum über der unteren Lochplatte und dem unter ihr liegenden Raum ausbildet.
Vorzugsweise erfolgt dabei die Aufteilung der gesamten dem Fallstromverdampfer zugeführten Flüssigkeit in eine der Anzahl der Heizrohre gleiche Anzahl von Teilmengen bereits beim Austritt aus den Löchern der oberen Platte. Die Erfindung besteht ferner aus einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Anhand der Zeichnung wird anschliessend die Erfindung beispielsweise erläutert.
Die Figuren zeigen den Oberteil eines Fallstromverdampfers in zwei voneinander etwas abweichenden Bauarten im Längsschnitt. Vom Heizkörper des Fallstromverdampfers ist jeweils nur die obere Rohrplatte 1 mit einem Stück des abgebrochen gezeichneten Heizkörpermantels 2 und den in die Rohrplatte z. B. eingewalzten, ebenfalls abgebrochen gezeichneten Heizrohren 3 dargestellt. Auf dem Heizkörper aufgesetzt befindet sich die abnehmbare Haube 4 mit dem Eintrittsstutzen 5 für die einzudampfende Flüssigkeit. Diese wird bei Fallstromverdampfern meistens mittels einer Pumpe zugeführt, entweder über einen Vorwärmer, oder bei mehrstufigen Anlagen - von einem vorgeschalteten, bei höherem Druck und höherer Temperatur arbeitenden Verdampfkörper. Sie ist daher in der Regel überhitzt in bezug auf den Druck, der in dem betreffenden Fallstromverdampfer herrscht.
Es wird also beim Eintritt der Flüssigkeit in die Haube 4 eine gewisse Entspannung eintreten, welche mit Dampfentwicklung verbunden ist. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird nun dieser Dampf zunächst von der Flüssigkeit getrennt. Zu diesem Zweck kann man die Flüssigkeit nach Verlassen des Eintrittsstutzens 5 auf passend angeordnete Prallplatten 6 und 7 stossen lassen. Dabei findet eine Abscheidung nach dem Prinzip des Stosskraftabscheiders statt; es würde das Wesen der Erfindung aber nicht berühren, wenn man die Trennung mit Hilfe einer Zentrifugalabscheidung bewerkstelligte.
Die Flüssigkeit sammelt sich sodann auf der Lochplatte 8. Der Querschnitt der Löcher ist so bemessen, dass sich eine geringe Stauhöhe von wenigstens etwa 3 cm einstellt. Es ist ferner ein Durchlass 9 für den oberhalb von der Platte 8 gebildeten erwähnten Entspannungsdampf vorhanden. Ein erhöhter Rand 10 verhindert, dass Flüssigkeit von der Platte 8 abfliessen kann. Bei der Ausführung der Fig. 1 bildet die Platte 8 mit dem Rand 10 eine Wanne, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Haube 4. Der Durchlass 9 hat daher die Gestalt eines Ringspaltes. Bei der Ausführung nach Fig. 2 bildet ein Stück Rohr den erhöhten Rand 10, das Innere dieses Rohres dagegen den Durchlass 9. Der Querschnitt der Durchlässe 9 wird so gross gewählt, dass beim Durchströmen des Entspannungsdampfes kein messbarer Druckabfall entsteht.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die Flüssigkeit nur unter dem statischen Druck durch die Löcher der Platte 8 ausfliesst, welcher sich aus ihrer Stauhöhe ergibt. Da diese Stauhöhe nur wenige Zentimeter betragen muss - nur so viel nämlich, wie nötig ist, um für jedes Loch gleiche Zulaufbedingungen zu gewährleisten -, ist die Ausströmgeschwindigkeit klein, und der Durchmesser der Löcher wird verhältnismässig gross. Für die Unempfindlichkeit und Genauigkeit der Verteilung ist dieser Umstand von wesentlicher Bedeutung.
Vorzugsweise ist die Anzahl der Löcher in der Platte 8 gleich der Anzahl der Heizrohre 3, so dass die vollständige Aufteilung der zugeführten Flüs sigkeit in die erforderliche Anzahl gleicher Teilmengen beim Austritt aus diesen Löchern bereits erreicht wird. Bei geringeren Ansprüchen an die Genauigkeit der Verteilung könnte die Anzahl der Löcher in der Platte 8 auch geringer sein und z. B.
1 j. der Anzahl der Heizrohre betragen. Die restliche Verteilung der Flüssigkeit auf jeweils drei Heizrohre wäre durch eine solche Anordnung der Löcher zu erreichen, dass ss die seitlichen Entfernungen zu den zugeordneten drei Heizrohren einander gleich wären.
Unterhalb der Lochplatte 8 befindet sich eine zweite Lochplatte 11. Der senkrechte Abstand der beiden Platten ergibt sich allein aus der Bedingung, dass der durch die Durchlässe 9 nach unten srömende Entspannungsdampf genügend Raum finden muss, um ohne Druckverlust jedes Loch der Platte 11 erreichen zu können.
Durch diese Löcher soll nämlich der zuvor abgeschiedene Entspannungsdampf nach dem erfindungsgemässen Verfahren gemeinsam mit der Flüssigkeit hindurchströmen, um sie zu beschleunigen, in Tropfen aufzulösen und die Benetzung der Heizrohre herbeizuführen.
Zu diesem Zweck ist die Anzahl der Löcher in der Platte 11 gleich der Anzahl der Heizrohre 3, und sie liegen jeweils genau über den unmittelbar darunter befindlichen oberen Öffnungen der Heizrohre. Ferner ist in weiterer Ausbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung die untere Platte so gestaltet, dass ihre Löcher sich am Boden von Vertiefungen befinden, welche z. B. als trichter- oder becherförmige Mulden eingedrückt oder eingebohrt sind. So gelingt es, die Flüssigkeitsstrahlen aus den Löchern der oberen Platte 8 sicher in die zugehörigen Löcher der Platte 11 zu bringen. Vorteilhaft kann zu diesem Zweck auch der äussere obere Rand der Vertiefungen nach oben gezogen werden, wie es beispielsweise die Ausführung der unteren Platte nach Fig. 2 zeigt.
Bei der bevorzugten Ausführung, bei welcher bereits in der Platte 8 jedem Heizrohr ein Loch zugeordnet ist, liegen die Löcher beider Platten deshalb auch jeweils übereinander und annähernd in der Achse der Heizrohre.
Die Vertiefungen in der unteren Platte sollen aber auch die Bildung der Ausflusswirbel begünstigen, die beim Durchtritt des Entspannungsdampfes durch die Löcher entstehen. Diese Wirbel müssen eine gewisse Mindeststärke erreichen, damit die Flüssigkeit nach dem Austritt aus den Löchern sofort an die Wände der Heizrohre geworfen wird.
Es ist daher zweckmässig, den Querschnitt der Löcher in der unteren Platte nur wenig grösser zu wählen als den Querschnitt der Löcher in der oberen Platte. Seinerseits wird dadurch die erwünschte hohe Ausströmgeschwindigkeit des Entspannungsdampfes aus den Löchern der unteren Platte erzielt. Anderseits wird verhindert, dass bereits beim Eintritt der Flüssigkeit in die Haube 4 eine zu grosse Druckabsenkung und damit eine übermässig starke Bildung von Entspannungsdampf stattfindet, was die Abscheidung und Verteilung der Flüssigkeit stören könnte. Die Verlagerung eines Teiles der Entspannung an den Austritt aus den unteren Löchern ist überdies vorteilhaft, weil dadurch das Zersprühen der Flüssigkeit und somit die Benetzung begünstigt wird.
Es ist einleuchtend, dass bei dem beschriebenen Verfahren die Benetzung der Rohrwände ohne Mitwirkung einer Dampfströmung in den Löchern der unteren Platte nicht möglich ist. In den Fällen, in denen eine zur Bildung der benötigten Menge von Entspannungsdampf ausreichende Überhitzung nicht vorhanden ist bzw. nicht erreicht werden kann, muss daher dem Raum innerhalb der Haube 4 in an sich bekannter Weise sogenannter Fülldampf (bzw. Füllgas) zugeführt werden.
Die Verteilung kann dagegen durch Dampfströmungen in der Haube 4 nur gestört werden. Insbesondere muss die Flüssigkeitsschicht auf der oberen Platte 8 möglichst in Ruhe gehalten werden. Daher kann nach einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung über der oberen Platte 8 ein Abdeckblech 12 angebracht werden, welches den Flüssigkeitsspiegel vor dem Aufprall heftiger Dampfströmungen schützt, den Zufluss der Flüssigkeit jedoch nicht behindert. Zudem sollen zur Vermeidung kreisender Flüssigkeitsbewegungen auf der oberen Platte Drallbrecher angeordnet werden, welche in beispielsweiser Ausführung aus senkrechten Querwänden 13 bestehen können. Diese müssen mit Durchlässen für die Flüssigkeit versehen sein, um einen überall genau gleich hohen Flüssigkeitsstand auf der Platte 8 zu sichern.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung lässt sich insbesondere bei geringer Anzahl der Heizrohre noch in der Weise abwandeln, dass die zweite Lochplatte zugleich die Rohrplatte 1 selbst ist, wobei jedes Heizrohr mit einer besonderen Einlaufdüse versehen wird, welche durch ihre Verengung das richtige Mass der Entspannung und die richtigen Strömungsverhältnisse, wie vorstehend erläutert, beim Eintritt des Dampfflüssigkeitsgemisches in die Heizrohre sicherstellt.