DE3123367C2 - "Verfahren und Vorrichtung zum Konzentrieren von Alkalilauge" - Google Patents

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'-

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)

Patentansprüche:

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 (5_t 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.