DE3441860C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reiselfilmbefeuchter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 5 79 222 ist ein derartiger Rieselfilmbefeuchter bekannt, wobei in den vertikal angeordneten Rohren noch Füllkörper angeordnet sind, um die Absorptionsflüssigkeit in sehr feine Schichten aufzulösen. Dies ist auch nach der GB-PS 9 49 378 vorgesehen.

Darüber hinaus sind Rieselfilmbefeuchter bekannt, bei denen die Flüssigkeit in einem dünnen Film an der Wand der vertikalen Rohre herabläuft. Eine derartige aus der Praxis bekannte Einrichtung ist schematisch in der Fig. 1 dargestellt.

In der Fig. 1 wird Wasser 102 aus einer Sprühdüse 105 zugeführt und strömt über den oberen Abschnitt eines wärmeleitenden Rohres 104 hinunter, um an seiner inneren Oberfläche einen Flüssigkeitsfilm zu bilden. Wenn das Wasser am inneren Abschnitt des Rohrs 104 hinunter strömt, wird das Wasser durch die Wärme aufgeheizt, die von einem Wärmeträger 103 durch eine Wand des Rohrs zugeführt wird, und verdampft.

Gas 101 wird aus einem Kanaleinlaß 106 eingespeist. Das Gas wird aufgeheizt und die Feuchtigkeit, die in dem im Rohr 104 befindlichen Gas enthalten ist nimmt zu, wonach das Gas von einem Kanalausgang 107 eingesammelt wird.

Der Wärmeträger 103 wird von dem körperseitigen Strömungsmitteleinlaß 108 zugeführt und strömt in einem Raum außerhalb vom Rohr weiter, um das im Rohr fließende Störmungsmittel zu erwärmen, wobei der Wärmeträger selbst abkühlt. Hiernach wird der Wärmeträger 103 über einen körperseitigen Strömungsmittelausgang 109 abgezogen. Das Bezugszeichen 110 kennzeichnet eine Pufferplatte und das Bezugszeichen 111 zeigt eine Rohrplatte an. Während in Fig. 1 nur das Einzelrohr 104 dargestellt ist, bedarf es keines besonderen Hinweises, daß mehrere Rohre zum wirksamen Einsatz erforderlich sind.

Fig. 2 zeigt im Längsschnitt einen Abschnitt des Wärmeübertragungsrohrs 104 der Fig. 1. Hierbei stehen dieselben Bezugszeichen 101-104 für dieselben Bauteile der Fig. 1. Das Bezugszeichen 202 bezeichnet einen Wasserfilm.

Die bekannte Anlage nach Fig. 1 weist deshalb Nachteile auf, weil der Wasserfilm 202 zerbricht und die Wandoberfläche bei geringerer Wassermenge trocken wird. Ein solcher Vorgang wird nachstehend als das "Auftreten von Trockenflecken" bezeichnet. Das Auftreten derartiger Flecken geht auf eine örtliche Oberflächenspannungsverteilung des Flüssigkeitsfilms oder die Erzeugung von Luftblasen zurück, wobei der Film im Zustand des Nichterwärmtwerdens siedet, und tritt in dem Bereich auf, in dem aufgrund der Verdampfung die Wassermenge geringer ist. Durch das Auftreten von Trockenflecken ergeben sich folgende Nachteile:

• (1) Die Kondensation von Cl-Ionen im Wasser kommt zustande, wenn Trockenflecken auftreten, und die Spannungskorrosionsrißbildung (stress-corrosion chracking=SCC) kann im wärmeleitenden Rohr auftreten, wenn ein aus austenitisch rostsicherem Stahl gefertigtes Rohr verwendet wird. Da der gewöhnliche Kohlenstoffstrahl aufgrund von Kohlensäure zur Korrosion führt, wird hierfür oft rostsicherer Stahl verwendet.
• (2) Örtliche Wärmespannung tritt aufgrund von Temperaturschwankungen dadurch wiederholt auf, daß die Wandoberfläche unregelmäßig getrocknet und benetzt wird und daß im wärmeleitenden Rohr Wärmeermüdung auftreten kann.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die in den bekannten Anlagen auftretenden Nachteile zu beseitigen und eine neuartige Befeuchtungsanlage zu schaffen, in der das wärmeleitende Rohr durch das Auftreten von Trockenflecken nicht zerbricht.

Nach intensiver Forschung und Entwicklung hat sich gezeigt, daß die Nachteile beseitigt werden können, indem Wasser soweit in Umlauf gebracht wird, daß Trockenflecken nicht zustandekommen, und indem die Wassermenge auf der inneren Oberfläche des Rohres pro Breitenmaßeinheit vergrößert wird.

Es ist demnach Zielsetzung der Erfindung, die bei den bekannten Anlagen auftretenden Nachteile auszuräumen und eine Befeuchtungsanlage mit höherem Wirkungsgrad bei erhöhter Feuchtigkeit zu schaffen. Die Entwicklungs- und Forschungsarbeiten haben zu der erfindungsgemäßen Befeuchtungsanlage geführt, in der ein mit Füllkörpern gefülltes Rohr anstelle des bekannten, die Benetzungswand bildende Rohr verwendet wird und in der im mit den Füllkörpern gefülltem Rohr Gas und Flüssigkeit gleichzeitig fließen, so daß ein dünner, mit der Rohrwand in Kontakt stehender Flüssigkeitsfilm gebildet wird, wobei die unmittelbare Kontaktfläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit vergrößert wird, um die im Gas enthaltene Feuchtigkeit anwachsen zu lassen.

Nach der erfindungsgemäßen Anlage läßt sich die benetzte Wand unter weiterreichenden Bedingungen als die nach den bekannten Anlagen bilden und die effektive Schnittfläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit vergrößern, um ein Verdunsten der Flüssigkeit zu erleichtern. Die Anlage nach der Erfindung läßt sich weitgehend als Befeuchter oder Sättiger für Erdgas in einer Methanol-Reformieranlage oder einem sonstigen herkömmlichen Befeuchter verwenden.

In der Hauptsache wird durch die Erfindung ein Rieselfilmbefeuchter geschaffen, bei dem eine aus Wasser bestehende oder hauptsächlich aus Wasser bestehende Flüssigkeit eine vertikale Wand eines Rohrs oder einer Röhre für einen Röhrenwärmeaustauscher mit Mantel hinunterläuft, um eine benetzte Wand zu bilden, und bei der Gas im Rohr und ein Wärmemedium in einer Körperseite fließt, um die Feuchtigkeit anwachsen zu lassen, die im Gas enthalten ist, das mit der benetzten Wand in Kontakt ist, wobei dieser Rieselfilmbefeuchter dadurch gekennzeichnet ist, daß mehr Flüssigkeit durch die Zugabeeinrichtung zugegeben wird, als notwendig ist, um die gesamte innere Oberfläche des Rohres (304) zu benetzen, und daß eine Pumpe (310) vorgesehen ist, welche die aus dem Rohr unten austretende Flüssigkeit in den oberen Bereich des Gehäuses fördert, so daß die Flüssigkeit erneut an der inneren Oberfläche des Rohres herabläuft.

Darüber hinaus ergeben sich günstige Verhältnisse dann, wenn die Menge der im Rohr zugeführten strömenden Flüssigkeit so beschaffen ist, daß sie der folgenden Gleichung genügt:

q < 5,99 × 10⁵ × Γ ^2,12, (1)

wobei q der Wärmefluß in W/m² K, worin W: Watt und K: Kelvin und Γ die Menge fließenden Wassers in bezug auf die Wassermasse pro Einheit benetzter Breite in kg/ms ist.

Des weiteren ergeben sich günstige Verhältnisse, wenn das Rohr mit Füllkörpern angefüllt ist.

Die Erfindung wird anhand der nächstfolgenden Beschreibung einer in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Ausführungsform eines Rieselfilmbefeuchters,

Fig. 2 ein teilweise vergrößerter Längsschnitt eines Rohrs in dem bekannten Rieselfilmbefeuchters der Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Befeuchters nach der Erfindung,

Fig. 4 ein Kurvendiagramm, aus der die allgemeine Beziehung von Wärmefluß q und der Menge strömenden Wassers in bezug auf die Wassermasse pro Einheit benetzter Breite hervorgeht,

Fig. 5 eine Darstellung, die den Betriebsablauf der Erfindung zeigt,

Fig. 6 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung und

Fig. 7 ein teilweise vergrößerter Längsschnitt eines Rohrs mit im Befeuchter der Fig. 6 verwendeten Füllkörpern.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Hierin bedeuten die Bezugszeichen 301 Gas, 302 Wasserspeisung, 303 Heizmedium, 304 wärmeleitendes Rohr, 305 eine Sprühdüse, 306 einen Kanaleinlaß, 307 einen Kanalauslaß, 308 Strömungsmitteleinlaß in eine Körperseite, 309 Strömungsmittelauslaß in eine Körperseite und 310 eine Umwälzpumpe.

Auch wenn in der Fig. 3 nur ein einziges Rohr 304 zur erleichterten Darstellung gezeigt wird, bedarf es jedoch keines besonderen Hinweises darauf, daß eine Vielzahl von derartigen Rohren erforderlich sind, um beim Einsatz eine ausreichende Wirkung zu erzielen.

Das Heizmedium 303 wird vom Einlaß 308 her zugeführt und strömt längs des Außenraumes des Rohrs 304, um das Strömungsmittel im Rohr zu erwärmen. Das Medium wird gekühlt und vom Auslaß 309 abgezogen.

Das Gas 301 wird vom Kanaleinlaß 306 hergeführt und im Rohr 304 zur Erhöhung der Feuchtigkeit angeheizt. Das Gas wird vom Auslaß 307 wieder eingesammelt. Die jeweiligen Strömungen des Heizmediums 303 und des Gases 301 werden auf der Grundlage der Prozeßbedingung bestimmt.

Wasser 302 wird aus der Sprühdüse 305 eingespeist und strömt die innere Oberfläche des Rohrs 304 herunter, um einen Flüssigkeitsfilm zu bilden, während es verdunstet. Das Wasser, das nicht verdunstet ist, wird über die Leitung 313 mittels der Pumpe 310 an die obere Sprühdüse umgewälzt. Die Wasserversorgung 305 erfolgt mit der Menge Wassers, das von der Sprühdüse 305 nicht verdunstet worden ist.

Die Menge umgewälzten Wassers wird von der Bedingung bestimmt, bei der die Trockenflecken nicht auftreten. Dies besagt mit anderen Worten, daß der Flüssigkeitsfilm unter der adiabatischen, der (im nichtsiedenden Bereich) heizenden und der filmsiedenden Bedingung stabil gebildet sein muß. Beispielshalber sind jeweils die folgenden Bedingungen zu erfüllen:

(1) Die adiabatische Bedingung: Die Reynoldssche Zahl des Flüssigkeitsfilm Re _L < Re _min muß erfüllt werden.

Re _L = 4 GL/N π d µ _L (-),

worin

G _L Gesamtmenge des umwälzenden Wassers in bezug zur Masse (kg/s)N:Anzahl der Rohre 304 (-)d:Innendurchmesser des Rohrs 304 (m)µ _L :Viskositätskoeffizient des umwälzenden Wassers (Pas)σ _L :Oberflächenspannung des umwälzenden Wassers (N/m)ρ _L :Dichte des umwälzenden Wassers (kg/m³)g:Gravitationsbeschleunigung (m/s²)

Re _min wird beispielshalber ausgedrückt durch:

(2) Die Heizbedingung (im nichtsiedenden Bereich):
Der Wärmefluß q ≦ q _min muß erfüllt werden, der gegeben ist durch:
Im Falle von Re _L ≦ 2000

Im Falle von Re _L < 2000

worin

K _L :Wärmeleitfähigkeit des umwälzenden Wassers W/mk (W: Watt, K: Kelvin)Pr:Prandtlsche Zahl des umwälzenden Wassers (-)T:Temperatur (°C)

(3) Filmsiedebedingung: die Bedingung, bei der die Trockenflecken nicht auftreten, kommt unter Verwendung der Fig. 3 zustande, was in der Schriftsammlung des Japanischen Mechanischen Instituts, Band 43, Nr. 373 (September 1977) Seite 3389-3398, von Fujita und Ueda beschrieben wurde. Die Fig. 4 zeigt eine graphsiche Darstellung im Abwärtsdampfstrom mit einer Länge von 600 mm, einem Durchmesser von 25 m und Γ _f in von 95,5°C. In Fig. 4 bedeutet "⚫" das Auftreten von Trockenflecken, die verschwinden, und "" das Auftreten von Trockenflecken, die nicht verschwinden. In Fig. 4 bedeutet Γ _f Γ _f = G _L /Nxd und ein Suffix "in" weist auf den Einlaß und das Suffix "out" auf den Auslaß hin. Demzufolge treten auf das Filmsieden zurückzuführende Trockenflecken nicht auf, wenn Γ _{f out} ≧ 0,02 (kgf/ins) bei beispielshalber einem Wärmefluß gleich oder niedriger als 2×10⁵ (kcal/m²h).

Unter eigentlichen Betriebsbedingungen ist, da die Temperatur des Flüssigkeitsfilm 230°C und Re _L < 2000 beträgt, die bedeutendste Gleichung die folgende, unter Punkt (2) beschriebene Gleichung:

Wenn die physikalischen Eigenschaftskennwerte des Flüssigkeitsfilm bei 230°C (Viskositätskoeffizient µ _L , Dichte p _L , Prandtlsche Zahl Pr, Oberflächenspannung σ _L , Wärmeleitfähigkeit K _L , usw.) eingesetzt werden, ergibt sich folgende Gleichung

q < 5,99 × 10Γ ^2,12. (1)

Die Graphen der Fig. 5 sind von der vorstehenden Gleichung (1) abgeleitet. Bei Betrieb im gestrichelt dargestellten Bereich der Fig. 5 läßt sich die von der Erfindung gestellte Aufgabe lösen.

Gemäß der Befeuchtungsanlage nach der vorstehend dargestellten Erfindung konzentrieren sich, da die Trockenflecken nicht auftreten, die Chlorionen Cl⁻- Ionen nicht auf der Rohrwand, so daß es zu keiner Spannungskorrosionrißbildung kommen kann, weshalb das wärmeleitende Rohr dann aus rostsicherem Stahl gefertigt werden kann. Da es darüber hinaus verhindert wird, die Wand des Rohres trocken oder naß werden zu lassen, kann das Rohr auch nicht aufgrund von Wärmeermüdung zerbrechen. Um die Trockenflecken zu verhindern, ist es notwendig, daß die Menge Wassers, die an die innere Oberfläche des Rohrs gegeben wird, größer ist als die Wassermenge, die verdampft ist. Dementsprechend wird auch das nicht verdampfte Wasser rezirkuliert und die Wärmemenge, die vom umwälzenden Wasser aufgenommen wird, kann dann wirksam eingesetzt werden.

Die Befeuchtungsanlage nach der Erfindung kann beispielshalber als Erdgasbefeuchter oder -sättiger in einer Methanolreformieranlage oder anderen Befeuchtern verwendet werden.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Befeuchters. In der Zeichnung weisen die Bezugszeichen 301-313 auf dieselben Bauteile wie in der Anlage der Fig. 3 hin.

Während in Fig. 6 nur ein Einzelrohr 304 zur Ausbildung des Flüssigkeitsfilms dargestellt ist, ist es selbstverständlich, daß beim wirksamen Einsatz der Erfindung Gruppierungen aus mehreren Rohren verwendet werden.

Die Fig. 7 zeigt einen vergrößerten teilweisen Längsschnitt von Rohr 304, das mit Füllkörpern 314 gefüllt ist. Somit bildet sich der Flüssigkeitsfilm 315 auf der inneren Oberfläche des Rohrs 304 und der Oberfläche der Füllkörper 314. Demgemäß wird der unmittelbare Kontaktbereich zwischen dem Flüssigkeitsfilm 315 und dem Gas 301 durch den auf der Oberfläche der Füllkörper 314 gebildeten Flüssigkeitsfilm 315 im Vergleich mit den bekannten Rieselfilmbefeuchtern wesentlich vergrößert.

Da zusätzlich die Flüssigkeit, die längs der Füllkörper 314 nach unten strömt, abzweigt und sich mehrmals verbindet, ist es nicht notwendig, am oberen Ende des Rohrs einen Rieselfilmbildungsmechanismus und auch keine streng einzuhaltende Vertikalität vorzusehen, wie dies bei den bekannten Anlagen erforderlich ist.

Darüber hinaus wird die Flüssigkeit erhitzt, wenn sie das Rohr hinabströmt, während sie mit der Wand des Rohrs in Kontakt ist, wobei die Flüssigkeit durch den Kontakt mit dem Gas verdunstet, wenn sie längs der Oberfläche der Füllkörper abwärts strömt. Die Füllkörper erhöhen die Fließgeschwindigkeit des Gases 301, wobei die Reduktion der repräsentativen Länge der Nusseltschen und der Sherwoodschen Zahl die Wärme- und Massenleitfähigkeit zwischen dem Gas 301 und der Flüssigkeit erhöhen.

Die Vergrößerung der Schnitt- oder Grenzfläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit und die Erhöhung des Bewegungskoeffizienten in bezug zur Wärmebewegung und der Massebewegung sowie die Steigerung der Vortriebskraft der Bewegung durch fortlaufend erneuerte Heizungs- und Verdampfungsfläche wirken sich multiplikativ aus, und somit kann der Befeuchter nach der Erfindung eine Steigerung des Wirkungsgrades gegenüber den bekannten Befeuchtern erzielen.

Die das Rohr füllenden Füllkörper der erfindungsgemäßen Anlage können kugelartige Füllkörper oder als Raschig- oder Pall-Ringe oder dgl. ausgebildete Füllkörper sein.

Der Betrieb der Anlage wird nachstehend anhand der folgenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Befeuchters beschrieben.

Der Befeuchter nach der Erfindung (bei Verwendung mehrerer Rohre in Fig. 6) wird genutzt, die Feuchtigkeit im Erdgas zu steigern. Eine Ausführungsform ist in der Tabelle 1 angegeben. Wasser wird hier als Flüssigkeit zum Verdampfen und dampfreformiertes Erdgas, das dem primären Wärmeentzug ausgesetzt wird, als Wärmemedium verwendet. Wasser und Erdgas strömen in einander entgegengesetzten Richtungen und stehen somit miteinander in Kontakt.

Tabelle 1

(Rohrzustand)Innendurchmesser: 21,4 mm ⌀
Außendurchmesser: 25,4 mm ⌀
Spitzenhöhe (pitch): 32,0 mm
Gesamtzahl: 315 Rohre
Werkstoff: SUS 304
(Wärmeleitfähigkeit 17,8 W/m · °K)
Koeffizient des wärmeleitenden Schmutzes
: innere 0,000172 (W/m² · °K)^-1
: äußere 0,000172 (W/m² · °K)^-1

(Füllkörper)Porzellan Raschig-Ring: 5 mm ⌀ × 5 mm H

(Heizbedingung)Heizmedium:
dampfreformiertes Erdgas
Temperatur am Einlaß: 323°C
Temperatur am Ausgang: 190°C
Filmkoeffizient der Wärmeübertragung
des Heizmediums: 1300 W/mm² · K

(Flüssigkeit für Verdampfung)Menge fließenden Wassers: 11,2 kg/Sek
Temperatur am Einlaß: 138°C
Temperatur am Auslaß: 191°C

(Erdgas)Fließmenge: 3,9 kg/Sek
Temperatur am Einlaß: 138°C
Temperatur am Auslaß: 172°C
Feuchtigkeit am Einlaß: 0 Gew.%-H₂O Damp
Feuchtigkeit am Auslaß: 49 Gew.-%-H₂OD

Claims (3)

1. Rieselfilmbefeuchter zum Befeuchten eines Gases mit einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit aus Wasser oder hauptsächlich aus Wasser besteht, mit einem Gehäuse, mit mindestens einem in dem Gehäuse vertikal angeordneten Rohr, mit einer Zugabeeinrichtung für die Flüssigkeit in den oberen Bereich des Gehäuses, wobei die Flüssigkeit nach der Zugabe an der inneren Oberfläche des Rohres diese benetzend herabläuft, mit einem Wärmeträgermedium in dem Gehäuse, das im Außenraum des Rohres strömt, so daß die Flüssigkeit im Rohr verdunstet oder verdampft, und mit einer Zufuhreinrichtung für das Gas an dem einen Ende des Gehäuses, wobei das Gas durch das innere des Rohres strömt, die Flüssigkeit zur Erhöhung seiner Feuchtigkeit aufnimmt und an dem anderen Ende des Gehäuses dieses verläßt, dadurch gekennzeichnet, daß mehr Flüssigkeit durch die Zugabeeinrichtung zugegeben wird, als notwendig ist, um die gesamte innere Oberfläche des Rohres (204) zu benetzen, und daß eine Pumpe (310) vorgesehen ist, welche die aus dem Rohr unten austretende Flüssigkeit in den oberen Bereich des Gehäuses fördert, so daß die Flüssigkeit erneut an der inneren Oberfläche des Rohres herabläuft.

2. Rieselfilmbefeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der dem Rohr zugeführten Strömungsflüssigkeit so gemessen ist, daß sie der folgenden Gleichung genügt: q < 5,99 × 10⁵ × Γ ^2,12, (1)worin q der Wärmefluß in W/m² K, wobei W: Watt und K: Kelvin und Γ die Menge des fließenden Wassers in bezug auf die Wassermasse pro Einheit benetzter Breite in kg/ms ist.

3. Rieselfilmbefeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr mit Füllkörpern gefüllt ist.