DE3123367C2 - "Verfahren und Vorrichtung zum Konzentrieren von Alkalilauge" - Google Patents
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Abstract
Der in Fallfilm-Verdampferrohren (1) von oben nach unten fließende Alkalilaugenfilm wird durch eine Wärmeträgerflüssigkeit, die in einem engen Heizmantel (5) von unten nach oben strömt, beheizt. Da im oberen beheizten Teil des Verdampferrohres (1) im Gegensatz zum unteren Teil, besonders bei der in einem engen Heizmantel (5) auftretenden großen Strömungsgeschwindigkeit, große Temperaturdifferenzen zwischen Wärmeträgerflüssigkeit und Laugenfilm auftreten, kann dort die Wärmestromdichte zu einer Entnetzung des Verdampferrohres führen. Um solch kritische Wärmestromdichten zu vermeiden, wird der obere Abschnitt (5a) des Heizmantels (5) konisch erweitert und damit die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Abschnitt derart herabgesetzt, daß dort keine kritische Wärmestromdichte erreicht wird.
Description
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konzentrieren von Alkalilauge, bei welchem ein an der Innenseite
mindestens eines Verdampferrohres nach unten fallender Laugenfilm durch eine an der Rohraußenseite
hochgeführte Wärmeträgerflüssigkeit beheizt wird.
Zur Konzentrierung von Alkalilaugen, die üblicherweise als 50%ige Lösung anfallen und zu praktisch
wasserfreier Schmelze aufkonzentriert werden sollen, sind relativ hohe Temperaturen erforderlich. Als
Wärmeträgerflüssigkeit hat sich deshalb eine Salzschmelze als besonders zweckmäßig erwiesen, die mit
z. B. elwa 4500C der unteren Partie des das Verdampferrohr
umschließenden Heizmantels zugeführt wird und dort bei einer Siedetemperatur der Lauge von
4300C eine etwa 99% betragende Konzentration erreichen läßt. Wird die z. B. 50%ige Lauge mit etwa
C der oberen Verdampferpartie zugefünrt und verlaß! dort die Salzschmelze den Heizmantel mit z. 13.
etwa 3800C, so ergibt sich, daß im unteren Teil des
Fallfilmverdampferrohres zwischen siedender Flüssigkeit und Salzschmelze eine Temperaturdifferenz von
z. B. 200C, im Oberteil des Verdampferrohres hingegen
eine Temperaturdifferenz von 240°C besteht Diese große Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgerflüssigkeit
und siedender Alkalilösung im Rohroberteil führt nun zwangsläufig zu einer sehr hohen Wärmestromdichte und dabei entsteht stellenweise eine vollständige
Entnetzung an der Verdampferfläche. Es handelt sich hier um eine bekannte Erscheinung, (Leidenfrost'scher
Effekt) wenn die Wärmestromdichte an Verdampferflächen eine bestimmte Größe überschreitet.
Unter der oben geschilderten Betriebsbedingung --rgibt sich eine Wärmestromdichte von mehr als
250 000 kcal/hm2, und unter diesen Umständen ist es nicht zu vermeiden, daß die Verdampferfläche stellenweise
»trocken läuft«.
Es ist bekannt, daß sich für das Konzentrieren von Alkalilaugen zu praktisch wasserfreier Schmelze Verdampferrohre
aus Reinnicke!- oder I lochniekeilegierungen
als recht gut korrosionsbeständig erweisen. Voraussetzung ist jedoch, daß sich auf allen von der
Lösung beaufschlagten Flächen ein geschlossener Nickel-Oxyd-Film ausbilden kann. Es wurde gefunden,
daß dies in einem Fallfilmverdampferrehr der Fall ist,
solange der Flüssigkeitsfilm die Verdampferfläche gleichmäßig bedeckt. Die oben erwähnten hohen und
damit für die Entnetzung der Verdampferoberfläche kritischen Wärmestromdichten führen jedoch nicht nur
zur Zerstörung des Nickeloxydfilms, sondern gleichzeitig zu intermittierenden thermischen Spannungen in der
Verdampferrohrwand. Dies in Kombination kann zur raschen Zerstörung der Verdampferrohre führen.
Es ist nun Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der genannten Art und eine Vorrichtung zu
dessen Durchführung zu schaffen, welche die oben geschilderten Nachteile nicht mehr aufweisen. Zu
diesem Zweck ist das erfindungs^imäße Verfahren
dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung kritischer Wärmestromdichten an der Verdampferfläche die
Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeträgerflüssigkeit in einem oberen Heizabschnitt niedriger gewählt wird
als in den darunterliegenden Abschnitten. Die zur Durchführung dieses Verfahrens dienende Vorrichtung
ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der das zylindrische Verdampferrohr koaxial umgebende,
enge Heizmantel für die Wärmeträgerflüssigkeit in einem oberen, zum Flüssigkeitsauslaß führenden Abschnitt
radial erweitert ist. Der erweiterte Heizmantelabschnitt kann konisch oder zylindrisch sein; es können
au-h mehrere nach oben hin zunehmend erweiterte Zylinderabschnitte oder ein an eine konische Partie sich
anschließender Zylinderabschnitt vorgesehen sein. In jedem Fall führt die Erweiterung zu einer Herabsetzung
der Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeträgerflüssigkeit, so daß man es durch geeignete Wahl der Größe
dieser Erweiterung ohne weiteres in der Hand hat, die Durchflußgeschwindigkeit im oberen, eine hohe Temperaturdifferenz
zwischen Wärmeträgerflüssigkeit und Alkalilauge aufweisenden Bereich, ohne unerwünschte
Beeinflussung der Verhältnisse im unteren, nur geringe Temperaturdifferenzen zeigenden Bereich derart niedrig
zu halten, daß bei entsprechend vermindertem Wärmeübertragungskoeffizienten eine unterkritische
(also nicht zur Entnetzung führende) Wärmestromdichte resultiert.
Die Zeichnung zeigt schematisch Ausführungsbe'-
Die Zeichnung zeigt schematisch Ausführungsbe'-
spiele der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
das im folgenden beispielsweise erläutert ist. In der
Zeichnung zeigt
Fig. I im Axialschnitt ein erstes Beispiel einer Konzentriervorrichtung nach der Erfindung, und
Fig.2 in analogem Schnitt einen Teil eines zweiten
Beispiels.
Beim Beispiel nach F i g. ί sind zwei Fallfilm-Verdampferrohre
1 vorgesehen, die mit ihrem als Oberlaufkante dienenden gezackten oberen Rand la je
in einen Verteiler 2 ragen; die Verteiler 2 sind an eine gemeinsame Laugen-Zulaufleitung 3 angeschlossen. Es
versteht sich, daß die Vorrichtung auch nur ein einziges oder mehr als zwei Verdampferrohre 1 aufweisen
könnte. Die Verdampferrohre 1 sind unten an eine gemeinsame Sammelkammer 4 angeschlossen, die mit
einem Auslaßtrichter 4a für die konzentrierte Alkalischmelze uiid einem Brüden-Auslaß 46 versehen ist.
Jedes der beiden zylindrischen Verdampferrohre 1 ist von einem koaxialen Heizmantel 5 umschlossen. Unten
sind die Heizmäntel 5 über Verbindungsrohre 6 an eine gemeinsame Zulaufleitung 7 für die über eine nich*
gezeigte Heizvorrichtung zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit angeschlossen, während sie oben über
Verbindungsrohre 8 mit einer gemeinsamen Rücklaufleitung 9 verbunden sind. Der obere Abschnitt 5a jedes
Heizmantels 5 ist gegenüber dem relativ engen, zylindrischen Hauptteil des Heizmantels 5 konisch
erweitert
Durch die beschriebene Erweiterung 5a des Heizmantels 5 im Oberteil wird nun erreicht, daß an dieser Stelle
die Durchflußgeschwindigkeit der Wärmeträgerflüssigkeit zunehmend gesenkt wird. Damit wird nach den
bekannten Regeln des Wärmeübertrages von strömenden Flüssigkeiten an eine Wand erreicht, daß der
Wärmeübertragungskoeffizient ebenfalls entsprechend nach oben hin verringert wird, was schließlich in einer
verringerten Wärmestromdichte resultiert, bzw. in einer, trotz nach oben zunehmender Temperaturdifferenz,
»unterkritischen« Wärmestromdichte.
Man hat es damit in der Hand, die Abmessungen des Wärmeträgermantels 5 in Abhängigkeit von der
Wärmeträgerdurchflußmenge so zu wählen, daß an keiner Stelle eine unzulässig hohe Wärmestromdichte
auftritt Dies ist insofern von wirtschaftlicher Bedeutung, weil für die Konstruktion von Alkililaugekonzentratoren
sehr teure Materialien verwendet werden müssen. Um so mehr ist man darauf angewiesen,
insgesamt gesehen pro m2 beheizte Fläche im Mittel möglichst viel Wärme übertragen zu können und
gleichzeitig eine hohe Lebensdauer zu gewährleisten.
Die beschriebene Vorrichtung gestattet nun, diese Ziele zu erreichen, indem im unteren Abschnitt der
Verdampferrohre 1, wo eine geringe Temperaturdifferenz zwischen siedender Alkalilösung und Wärmeträgerflüssigkeit
gegeben ist, dennoch eine recht hohe Verdampferleistung erzielt werden kann, indem der
Spalt zwischen Verdampferrohr 1 und Heizmantel 5 so eng gehalten wird, daß dort eine hohe Wärnieträgergeschwindigkeit
und ein entsprechend hoher Wärmeübertragungskoeffizient herrscht. Dies sei an einem konkreten
Beispiel erläutert:
Das Verdampferrohr 1 besitze einen Außendurchmesser von 112 mm, der Heizmantel 5 einen Innendurchmesser
von 127 mm und sei im Oberteil 5a auf 200 mm erweitert. Bei einer Wärmeträgerzirkulationsmenge
von beispielsweise 10m3/h ergibt sich so im
unteren Teil des Heizmantds 5 eine Geschwindigkeit von 8 m/sec, im oberen Teil 5a eine kleinste
Geschwindigkeit von 13 m/sec. Unter Berücksichtigung
der jeweiliger. Temperaturdifferenzen zwischen siedender Flüssigkeit und Wärmeträger ergibt sich im unteren
und mittleren Teil des Heizmantels 5 eine mittlere Wärmestromdichte von 40 000 kcal/hm2 und im oberen
Teil 5a eine mittlere Wärmestromdichte von 35 000 kcal/hm2, womit beobachtungsgemäß keine Entnetzungsgefahr
beim Konzentrieren von Alkalilauge ίο besteht
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten.
Ihr liegt vor allem der Gedanke zugrunde, daß durch Verändern des Durchflußquerschnittes im Wärmeträgermantel
die Wärmeträgergeschwindigkeit in zweckmäßiger Weise angepaßt und damit die Wärmestromdichte
beeinflußt werden kann.
Eine weitere verfeinerte Technik zur Erreichung desselben Zieles besteht darin, nicht nur die Wärmeträgergeschwindigkeit
gezielt zu vermindern, sondern gleichzeitig die Wärmefägermenge, ν-..iiche am Wärmeübergang
teilhat, zu /erringern. Damit besteht die Möglichkeit, den Wärmedurchgang nicht nur durch
Verminderung des Wärmeübertragungskoeffizienten zu vermindern, sondern zusätzlich durch Verminderung
der Tempsraturdifferenz zwischen siedender Alkalilösung
und Wärmeträgerflüssigkeit Dies kann dadurch geschehen, daß die Wärmeträgerflüssigkeit entlang
ihrem Fließweg am Verdampferrohr im oberen Abschnitt schneller abgekühlt wird, z. B. dadurch, daß
nicht mehr die ganze Wärmeträgermenge am Wärmeübertragungsvorgang in diesem Abschnitt teilnimmt.
In F i g. 2 ist eine solche Vorrichtung dargestellt (der
Einfachheit halber ist nur ein Verdampferrohr 1 gezeigt). Das zylindrische Verdampferrohr 1, das mit
seinem oberen gezackten Rand la analog dem ersten Beispiel in den Verteiler 2 ragt, der an die Zuiaufleitung
3 für die Alkalilauge angeschlossen ist, ist von einem koaxialen Heizmantel 15 umschlossen. Der obere
■Ό Endteil 156 dieses zylindrischen, relativ engen Heizmantels
15 ist, wie bei 16 angedeutet, gelocht und von einem radial erweiterten zylindrischen Mantelabschnitt 15a
(dieser könnte auch konisch sein) umgeben, der über den gelochten Endteil 156 hinausragt und dort an das zur
Rücklaufleitung für die Wärmeträgerflüssigkeit führende Verbindungsrohr 8 angeschlossen ist. Der gelochte
Endteil 156 des Heizmantels 15 ist innen mit gleichmäßig über den Umfang verteilten Vorsprüngen,
sogenannten Noppen 17, versehen, die im Spalt zwischen Mantelendteil 150 und Verdampferrohr 1 als
Strömungswiderstand wirken und eine gleichmäßige Verteilung der Wärmeträgerflüssigkeit rund um das
Verdampferrohr 1 gewährleisten.
D'e Vävmeträgerflüssigkeit fließt über das Verbindungsrohr
6 in den zylindrischen Wärmeträgermantel 15; durch die in seinem oberen Teil vornandenen
Öffnungen 16 gelangt ein Teil der Wärmeträgerflüssigkeit sukzessive in den erweiterten Mantelabschnitt 15a,
während nur noch ein geringer TeU der Wärmeträgerflüssigkeit unmittelbar am Verdampferrohr 1 vorbei
strömt. Über dem Endteil 156 verbinden sich die beiden
Ströme wieder und verlassen die Vorrichtung über das Verbindungsrohr 8. Die Erweiterung im Abschnitt 15a
bewirkt auch hier eine merkbare Herabsetzung der Durchströmgeschwindigkeit, während der gelochte
Endteil 156 als Abtrennwand wirkt, welche die an der Wärmeübertragung an das Verdampferrohr 1 teilnehmende
Menge der Wärmeträgerflüssigkeit entspre-
chend herabsetzt. Dank der Noppen 17 bleibt aber eine
gleichmäßige Verteilung der Wärmeträgerflüssigkeit über den Rohrumfang erhalten, was entsprechend
gleichmäßigen Wärmeträgerfluß und Vermeidung von Rohrdeformationen bzw, Beschädigungen bedeutet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zum Konzentrieren von Alkalilauge, bei welchem ein an der Innenseite mindestens eines
Verdampferrohres nach unten fallender Laugenfilm durch eine an der Rohraußenseite huchgeführte
Wärmeträgerflüssigkeit beheizt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Vermeidung kritischer Wärmestromdichten an der Verdampferfläche
die Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeträgerflüssigkeit in einem oberen Heizabschnitt niedriger
gewählt wird als in den darunter liegenden Abschnitten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß im genannten oberen Abschnitt die Strömungsgeschwindigkeit kontinuierlich vermindert
wird.
3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im genannten oberen Abschnitt
die an der Wärmeübertragung an den Laugenfilm teilnehmende Menge der V/ärnieträgerflüssigkeit
vermindert wird
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
das zylindrische Fallfilm-Verdampferrohr (1) koaxial umschließende Heizmantel (5t 15), ausgehend von
einem unteren an den Wärmeträgereinlaß (6) angeschlossenen zylindrischen engen Teil, in einem
oberen zum Wärmeträgerauslaß (8) hin führenden Abschnitt (5a, 15a^radial erweitert ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der erweiterte Abschnitt (5a, 15ajdes Heizmantels mindestens teilweise zylindrisch oder
konisch verläuft.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den erweiterten Abschnitt (15a,} des
Heizmantels (15) ein die Verlängerung des unteren zylindrischen Teils des Heizmantels bildender,
gelochter (16) Mantelendteil (156^ hineinragt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- *o
zeichnet, daß die Innenseite des gelochten Mantelendteils (i5b) mit über den Umfang gleichmäßig
verteilten Noppen (17) versehen ist.
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