DE2302133C3 - Verfahren zur Dampferzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dampferzeugung, bei dem die zu verdampfende Flüssigkeit durch einen Wärmetauscher strömt, der durch Heizdampf beheizt wird, wobei mindestens ein Teil des Heizdampfes kondensiert.

Bei einem weitverbreiteten bekannten Verfahren der eingangs genannten Art, das insbesondere in Großanlagen wie Benzin- und Ölraffinerien sowie anderen chemischer Anlagen eingesetzt wird, wird ein zu verdampfender Flüssigkeitsstrom im Wärmeaustausch mit einem Heizdampf durch einen Wärmetauscher geleitet. Da in den meisten der erwähnten Anlagen Wasserdampf als Energiequelle sowohl zum Betrieb von durch Turbinen angetriebenen Pumpen, Gebläsen u. dgl. als auch als Wärmequelle verwendet wird, erfolgt auch die Verdampfung der verschiedensten Flüssigkeitsströme zum Zweck der Dampferzeugung durch Jen Wärmeaustausch mit Wasserdampf.

Wenn einer siedenden Flüssigkeit, die sich beispielsweise in Heizrohren befindet, ein zu großer Wärmefluß (Wärmemenge je Zeiteinheit) zugeführt wird, dann bildet sich eine Dampfschicht der siedenden Flüssigkeit unmittelbar an und über der ganzen Innenwand der Rohre, die eine Isolierschicht zwischen den Rohrwandungen und der darin befindlichen Flüssigkeit darstellt. Dieser Zustand, der in der einschlägigen Technik als Filmsieden bezeichnet wird, führt zu einer Herabsetzung des Wärmeüberganges an die Flüssigkeit. Die Folge davon ist, daß der Siedeprozeß in den Rohren instabil und ungleichmäßig wird- Aufgrund des sehr hohen Wärmeflusses zwischen kondensierendem Dampf an der Außenseite von Heizrohren und darin befindlicher siedender Flüssigkeit tritt ein Filmsieden sehr leicht auf.

Um den Betrieb von Wärmetauschern der hier angesprochenen Art auch unter Berücksichtigung des Auftretens von Filmsieden zu ermöglichen, sind derartige Wärmetauscher bisher mit zusätzlicher Heizrohroberfläche ausgestattet worden. Das macht diese Wärmetauscher jedoch teuer und es ist darüber hinaus trotz der vergrößerten Heizrohroberfläche schwierig, stabile Betriebsbedingungen im Wärmetauscher einzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Wärmezufuhr an die zu verdampfende Flüssigkeit auf einfache Weise so zu steuern, daß ein Filmsieden verhindert wird.

ErfindungsgemäO· wird diese Autgabe dadurch gelöst, daß dem Heizdampf in gesteuerter Menge ein inertes Gas beigemischt wird, um den Wärmefluß von dem kondensierenden Heizdampf zu der zu verdampfenden Flüssigkeit zu steuern und unterhalb des Wertes zu halten, bei dem ein Filmsieden der Flüssigkeit auftritt.

Es ist zwar bei einem Verfahren anderer Art schon bekannt, ein inertes Gas .ils Puffer für als Kühlmittel vor elektrischen Einrichtungen verwendete Dämpfe einzusetzen (US-PS 29 24 635). Dort sind jedoch das inerte Gas und die Kühlmitteldämpfe deutlich gegeneinander abgegrenzt und die Grenze verschiebt sich in Abhängigkeit von den Lastbedingungen der elektrischen Einrichtung, um für die Kühlmitteldämpfe lastabhängig eine mehr oder weniger große Wärmetauscherfläche zur Verfügung zu stellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in relativ billigen Wärmeausiauscheinrichtungen durchführen und führt zu deren stabiler Betriebsweise. Unter einem »inerten Gas« ist jegliches Gas zu verstehen, das mit dem Heizdampf nicht chemisch reagiert. Am häufigsten ist der Heizdampf Wasserdampf und das inerte Gas beispielsweise Luft oder Stickstoff.

In einer bevorzugten Verfahrensausgestaltung wird die dem Heizdampf beigegebene Menge inerten Gases proportional mit der zunehmenden Verschmutzung des Wärmetauschers verringert. Hierdurch wird der Wärmefluß in die zu verdampfende Flüssigkeit trotz Verschmutzung des Wärmetauschers konstant gehalten.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird der Heizdampf kontinuierlich in einem geschlossenen Behälter aus einem ' leizmedium erzeugt und die zu verdampfende Flüssigkeit durch Wärmetauscherrohre geleitet, die über dem Spiegel des Heizmediums liegen. Dabei wird eine bestimmte Menge des inerten Gases von vornherein in den geschlossenen Behälter eingebracht.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform, bei der der Heizdampf kontinuierlich durch einen Raum, z. B. den Mantelraum eines Wärmetauschers geführt wird, dessen anderer Raum von der zu verdampfenden Flüssigkeit durchströmt wird, wird erfindungsgemäß dem Heizdampf vor Eintritt in den Wärmetauscher eine bestimmte Menge inerten Gases pro Zeiteinheit beigemischt.

Ausführungsbeispiele zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung, die einen teilweise im Querschnitt gezeigten Dampfgeneratc7 enthält,

F i g. 2 eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung, die einen teilweise im Schnitt gezeigten Wärmetauscher umfaßt, und

F i g. 3 eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Menge an inertem Gas, die in einem zur Verdampfung flüssigen Propans verwendeten Heizdampf enthalten ist, und dem Wärmefluß in das flüssige Propan veranschaulicht.

Die in Fig. 1 gezeigte Anlage umfaßt einen Dampferzeuger 12, in dem eine Heizschlange 16 montiert ist Der Heizschlange 16 wird ein Strom zu verdampfender Flüssigkeit durch eine Leitung 14 zugeführt Beim Durchströmen der Heizschlange 16 wird die Flüssigkeit erhitzt und verdampft und der entstehende Dampf wird durch eine Leitung 18 einem Verbraucher zugeführt Der Dampferzeuger 12 enthält weiterhin einen Gasbrenner 36, dem über eine Leitung 22 mit einem Brenngas-Steuerventil 24 Brenngas zugeführt wird. Das Brenngas-Steuerventil 24 ist durch ein Temperaturüberwachungsgerät 26 gesteuert, das den Zustrom an Brenngas überwacht, um den Dampf in der Leitung 18 auf einer gewünschten Temperatur zu halten. Der Gasbrenner 36 ist an eine Brennkammer 38 in Form eines U-Rohres angebaut, die sich in einem geschlossenen Behälter 28 befindet und einen Rauchabzug 40 aufweist Der Behälter 28 besitzt einen Wasseranschluß 30 und ein Belüftungsventil 32 an der Oberseite sowie ein Wasserauslaßventil 34.

Die Heizschlange 16 besteht aus einer Mehrzahl von hintereinander angeschlossenen Heizrohren 42 und ist im oberen Teil des Behälters 28 angeordnet. Die Enden der Heizschlange 16 durchsetzen eine Stirnseite des Behälters 28 und sind dort dicht verschweißt.

In dem Behälter 28 befindet sich Wasser 48 unter den Heizrohren 42 der Heizschlange 16, das die Brennkammer 38 vollständig bedeckt. Eine Leitung 50, die an eine Quelle für inertes Gas, z. B. Stickstoff, angeschlossen ist. führt in den oberen Teil des Behälters 28 und enthält ein Ventil 52

Im Betrieb wird ein Teil des Wasser? 48 durch das im Brenner 36 verbrannte Brenngas erhitzt und verdampft, so daß der Oampf um die Heizrohre 42 aufsteigt. Nach dem Inbetriebsetzen der Anlage 12 wird aus dem Behälter 28 Luft durch öffnen aes Belüftungsventiles 32 entfernt. Sobald alle Luft aus dem Behälter 28 abgelassen ist, wird das Belüftungsventil 32 wieder geschlossen.

Ein Strom von zu verdampfender Flüssigkeit wird durch die Leitung 14 den Heizrohren 42 zugeführt, uort erhitzt und verdampft. Der entstehende Dampf verläßt die Heizschlange 16 und gelangt in die Leitung 18, aus der er zu einem Verbraucher abgeführt wird. Gleichzeitig wird kontinuierlich aus dem Wasser 48 Heizdampf erzeugt, der an der Heizschlange 16 kondensiert und wieder in das Wasser 48 zurückfließt. Aufgrund dessen, daß der Wärmeübergang zwischen dem kondensierenden Heizdampf ander Außenseite dei Heizrohre 42 und der siedenden Flüssigkeit innerhalb der Heizrohre 42 erfolgt, ist der Widerstand gegen den Wärmostrom sehr niedrig und es wird eine hohe Wärmemenge je Zeiteinheit in die zu verdampfende Flüssigkeit übertragen. Z. B. ist der Wärmefluß von kondensierendem Dampf zu siedendem Propan sehr hoch, so daß sehr leicht ein Filmsieden in der siedenden Flüssigkeit auftritt

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Wärmefluß in die siedende Flüssigkeit reduziert und auf einen Wert eingesteuert, der gerade unterhalb des Wertes liegt, bei dem das Filmsieden auftritt. Dies erfolgt durch Verdünnung des Heizdampfes mit einem inerten Gas, durch die der Widerstand gegen den Wärmeübergang an der Außenseite der Heizrohre erhöht wird. In anderer Weise formuliert besagt dies, daß der Wärmefluß von dem kondensierenden Heizdampf durch die Gegenwart einer bestimmten Menge an inertem Gas um die Heizrohre reduziert wird.

In der Anordnung gemäß Fig. 1 wird nach der Inbetriebnahme der Anlage 10 das Ventil 52 geöffnet, so daß eine ausreichende Menge an inertem Gas in den geschlossenen Behälter 28 eingeblasen wird, um den Wärmeübergang von dem kondensierenden Dampf an die siedende Flüssigkeit auf einen Wert einzustellen, der gerade unter dem Wert liegt, bei dem ein Filmsieden auftritt. Dann wird das Ventil 52 wieder geschlossen.

Eine bevorzugte Technik zur Bestimmung der richtigen Menge an inertem Gas, die in den Behälter 28 eingcblasen werden muß, besteht in folgendem: Nachdem die Luft aus dem Behältei 28 der Anlage 12 entzogen worden ist, wird eine geringe Menge an inertem Gas in den Behälter 28 eingeblasen. Dann wird die Anlage in Betrieb gesetzt, so daß der die Anlage 12 durchsetzende Flüssigkeitsstrom verdampft und auf eine gewünschte Temperatur überhitzt wird. Die? bedeutet, daß das Temperaturüberwachungsgerät 26 auf eine Temperatur eingestellt wird, die mindestens mehrere Grad über der Sattdampftemperatur der zu verdampfenden Flüssigkeit bei dt.n in der Anlage herrschenden Druck liegt. Daraufhin wird die Stabilität des Verdampfungsvorganges beobachtet. Wenn die Temperatur des die Leitung 18 durchströmenden Dampfes merklich schwankt oder wenn der Flüssigkeitsstrom nicht vollständig verdampft wird, steht fest, daß ein Filmsieden vorliegt. 1st dies Jer Fall, wird weiteres inertes Gas in den Behälter 28 »ingeleitet und die Beobachtung erneut aufgenommen. Inertes Gas wird dann so lange eingeblasen, bis der Be'.rieb stabil wird und der Flüssigkeitsstrom vollständig verdampft und auf die gewünschte Temperatur überhitzt wird.

Wird die Wärmetauscheranlage eine gewisse Zeit betrieben, so setzen sich die Wandungen der Heizrohre mit Schmutz und sonstigen Verunreinigungen zu. Dieses Zusetzen erfolgt durch Ablagerung sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite der Rohrwandungen, und es entsteht ein Schmutzfilm, der dem Wärmedurchgang einen Widerstand entgegensetzt. Erfindungsgemäß wird mit zunehmendem Zusetzen der Heizrohre 42 in der Anlage 12 die Menge an inertem Gas, das in dem Behälter 28 vorhanden ist, herabgesetzt, um den durch das Zusetzen bedingten Effekt auszugleichen und den Wärmefluß in die zu verdampfende Flüssigkeit konstant zu halten. Dies erfolgt durch öffnen des Belüftungsventiles 32, so daß ein Teil des inerten Gases in die Atmosphäre entweicht.

Fig. 2 zeigt eine andere Anlage mit einem Mantel-Röhren-Wärmetauscher 62, in dem der zu verdampfende Flüssigkeitsstrom die Röhren und Heizdampf, den Mantel durchströmt. Der Wärmetauscher 62 besteht folglich aus einem geschlossenen Mantel 63, in dem

Heizröhren 64 angeordnet sind. Die zu verdampfende Flüssigkeit strömt innerhalb der Heizrohre, die von außen durch Heizdampf beaufschlagt sind. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, können beispielsweise die Heizrohren zueinander parallel geschaltet zwischen einem Paar von Röhreüböden 66 und 68 angeordnet sein. Die Röhren 64 durchsetzen die Röhrenböden 66 und 68 und sind mit diesen dicht verschweißt. Die Röhrenböden sind ihrerseits mit der Innenseite des Mantels 63 dampfdicht verschweißt. An einer Stirnseite des Mantels 63 ist eine Anschlußleitung 72 für den Flüssigkeitsstrom und an der gegenüberliegenden Seite eine Dampfauslaßleitung 76 vorgesehen. Für den Heizdampf sind ein Einlaß 80 und ein Auslaß 84 vorgesehen, so daß der Dampf die Röhren 64 umströmt. wobei Umlenkbleche 65 dazu dienen, den Dampf in innigen Kontakt mit den Außenwandungen der Heizrohren 64 zu bringen. An cien Anschluß 80 schließt eine Leitung 86 an, die eine Verbindung zu einer Quelle für inertes Gas herstellt und ein Ventil 87 enthält.

Im Betrieb dieser Anlage wird ein Heizdampfstrom. z. B. gesättigter Dampf, über den Anschluß 80 in den Mantelraum des Wärmetauschers 62 eingeleitet und durch den Auslaß 84 wieder abgezogen. Der Flüssigkeitsstrom tritt in den Wärmetauscher bei 72 ein und wird durch die latente Wärme verdampft, die beim Kondensieren eines Teiles des Heizdampfes auf den Röhren frei wird. Das Kondensat verläßt den Wärmetauscher ebenfalls über die Leitung 84.

Um ein Filmsieden der siedenden, die Röhren 64 durchströmenden Flüssigkeit zu vermeiden, wird mit dem Heizdampf über den Anschluß 86 ein Strom inerten Gases eingeleitet. Wie zuvor schon erläutert, bewirkt die Gegenwart des mit dem Heizdampf vermischten inerten Gases eine Reduzierung des Wärmeflusses in die Flüssigkeit. Im vorliegenden Fall muß ein kontinuierlicher Strom des inerten Gases mit dem den Wärmetauscher 62 durchströmenden Heizdampf vermischt werden. Die erforderliche Zumischmenge an inertem Gas wird auf gleiche Weise wie vorstehend erläutert bestimmt Das heißt, der Durchsatz an inertem Gas wird so lange erhöht, bis die erkennbaren Anzeichen eines Filmsiedens im Wärmetauscher 62 verschwinden. Wenn einmal die korrekte Durchsatzmenge bestimmt ist, wird ein kontinuierlicher Strom des inerten Gases eingestellt und mit dem Heizdampfstrom gemischt, so daß kein Filmsieden mehr auftritt.

Auch hier setzen sich die Heizröhren 64 im Wärmetauscher 62 mit der Zeit zu, so daß zweckmäßigerweise der Durchsatz an inertem Gas, das mit dem Heizdampf gemischt wird, herabgesetzt wird, um den Wärmefluß auf einem konstanten Wert zu halten.

Als Folge des erfindungsgemäßen Vorschlages kann die Heizröhrenoberfläche, die in den entsprechenden Einrichtungen benötigt wird, im allgemeinen kleiner gehalten werden als dies erforderlich wäre, um vergleichbare bekannte Verfahren durchzuführen. Von größerer Bedeutung ist aber, daß sich durch das, erfindungsgemäße Verfahren infolge der Ausschaltung des Filmsiedens stabile Betriebsbedingungen erzielen lassen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zwar eine größere Heizröhrenoberfläche zur Verdampfung eines bestimmten Flüssigkeitsstromes als die theoretisch notwendige Oberfläche benötigt, da eine Herabsetzung des Wärmeflusses erfolgt. Da aber die bei den bekannten Verfahren zusätzlich erforderliche Röhrenoberfläche, die vorgesehen wird, um das Filmsieden und das Zusetzen des Wärmetauschers zu berücksichtigen, wegfallen kann, ergibt sich insgesamt eine Verkleinerung der Gesamtfläche gegenüber den Wärmetauschern, die bei bekannten Verfahren eingesetzt werden.

Bei der Ermittlung der für einen besonderen Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Oberfläche lassen sich herkömmliche Berechnungsmethoden zugrunde legen, wobei ein Wert verwendet wird, der in der einschlägigen Technik als »Teilkondensierungs-Wärmeübergangskoeffizient« bezeichnet wird. Dieser Koeffizient läßt sich für ein bestimmtes Wärmetauschermedium, das mit verschiedenen Mengen von inertem Gas kombiniert ist. ebenso wie der Wärmefluß an einen bestimmten zu verdampfenden Flüssigkeitsstrom bestimmen. In dem Schaubild gemäß F i g. 3 ist auf der Abszisse der Wärmefluß beim Verdampfen von Propan und auf der Ordinate das Gewichtsverhältnis von Stickstoff zu gesättigtem Heizdampf im Heizmedium aufgetragen. Aus dieser Fig. 3 läßt sich erkennen, daß der Wärmefluß in das Propan mit zunehmender Verdünnung des Heizdampfe! mittels Stickstoff abnimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   . 1. Verfahren zur Dampferzeugung, bei dem die zu verdampfende Flüssigkeit durch einen Wärmetauscher strömt, der durch Heizdampf beheizt wird, wobei mindestens ein Teil des Heizdampfes kondensiert, dadurch gekennzeichnet, daß dem Heizdampf in gesteuerter Menge ein inertes Gas beigemischt wird, um den Wärmefluß von dem kondensierenden Heizdampf zu der zu verdampfenden Flüssigkeit zu steuern und unterhalb des Wertes zu halten, bei dem ein Filmsieden der Flüssigkeit auftritt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Heizdampf beigegebene Menge inerten Gases proportional mit der zunehmenden Verschmutzung des Wärmetauschers (12, 62) verringert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Heizdampf kontinuierlich in einem geschlossenen Behälter aus einem Heizmedium erzeugt und die zu verdampfende Flüssigkeit durch Wärmetauscherrohre geleitet wird, die über dem Spiegel des Heizmediums liegen, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte Menge des inerten Gases anfänglich in den geschlossenen Behalter (28) eingeleitet wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Heizdampf kontinuierlich durch einen Raum, z. B. den Mantelraum, eines Wärmetauschers geführt wird, dessen anderer Raum von der zu verdampfenden Flüssigkeit durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Heizdampf vor Eintritt in den Wärmetauscher (62) eine bestimmte Menge inerten Gases pro Zeiteinheit beigemischt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß als Heizdampf Wasserdampf verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als inertes Gas Luft oder Stickstoff verwendet wird.