АППАРАТ ДЛЯ ПОДОГРЕВА НАКИПЕОБРАЗУЮЩИХ РАСТВОРОВ

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована в химической, металлургической, энергетической и пищевой отраслей промышленности для подогрева накипеобразующих растворов.
Одной из важнейших проблем, возникающих при переработке накипеобразующих растворов, является обеспечение их высокоэффективного подогрева с минимальным образованием накипи на теплообменных поверхностях. Выделение накипеобразующих солей из этих растворов, обусловленное их химическим составом и условиями переработки, приводит к быстрому снижению интенсивности теплообмена. При этом, как правило, накипеобразующие растворы имеют обратную зависимость растворимости от температуры, т.е. с повышением температуры подогретого раствора происходит увеличение выделения накипеобразующих солей за счет уменьшения их растворимости. В результате снижается эффективность и производительность переработки растворов, возникает необходимость дополнительных энергозатрат для компенсации недополученного в теплообменниках тепла. Для исключения отмеченных недостатков в работе теплообменников их приходится резервировать, что ведет к увеличению капитальных затрат. Кроме того, их необходимо подвергать химической или механической очистке накипи, что трудоемко, усложняет эксплуатацию, приводит к образованию большого количества химически загрязненных стоков, требующих нейтрализации.
Известен многоходовой кожухотрубчатый подогреватель (см. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.: Химия, 1971. -С.345-346, рис.VIII-11б).
Многоходовой кожухотрубчатый подогреватель, состоит из верхней и нижней растворных камер, разделенных внутренними вертикальными перегородками на отдельные отсеки. Штуцера входа исходного раствора и выхода подогретого раствора размещены на верхней растворной камере. Теплообменная камера имеет трубные решетки, теплообменные трубки, кожух и штуцера входа и выхода теплоносителя. При этом расположение внутренних перегородок в верхней и нижней растворных камерах обеспечивает последовательное прохождение раствора по всем ходам подогревателя.
Исходный раствор поступает в первый отсек верхней растворной камеры подогревателя, распределяется по трубкам этого отсека (одного хода), проходит по ним, выходя в противоположном отсеке нижней растворной камеры, в котором поток раствора поворачивается на 180° и входит в трубки следующего отсека. Таким образом, раствор последовательно проходит все ходы подогревателя, подогреваясь за счет тепловой энергии теплоносителя, подаваемого в межтрубное пространство теплообменной камеры. Подогретый раствор выводится из последнего отсека верхней растворной камеры.
Основным недостатком известного подогревателя является быстрое зарастание теплообменных трубок накипью. При этом наиболее сильно отлагается накипь на трубках с нисходящим движением раствора. В результате снижается интенсивность теплопередачи в аппарате.
Другим недостатком известного устройства является неудовлетворительное отделение отсеков друг от друга в растворных камерах перегородками, приводящее к просачиванию холодного раствора к горячему из одного отсека в другой, минуя трубки. В результате происходит снижение температуры раствора на выходе из теплообменника и интенсивность его работы.
Известен полочный подогреватель для подогрева накипеобразующих растворов (см. Еремин Н.И., Наумчик А.Н., Казаков В.Г., «Процессы и аппараты глиноземного производства», - М., Металлургия, 1980. - с.148-149, рис.4.9).
Полочный подогреватель, имеет корпус со штуцерами входа исходного и выхода подогретого раствора, входа пара и выхода парогазовой смеси. Внутри корпуса размещены полки, представляющие собой горизонтальные сегментные перегородки с отверстиями в них, через которые сверху вниз последовательно перетекает раствор, а пар поднимается снизу вверх, проходя через струи раствора, конденсируясь на них и подогревая раствор. При этом подогретый раствор сливается из подогревателя через штуцер, расположенный в самой нижней его части, а несконденсировавшаяся парогазовая смесь отводится через штуцер, размещаемый в самом верху корпуса.
Работоспособность полочного подогревателя по сравнению с кожухотрубчатыми аппаратами в гораздо меньшей степени зависит от накипеобразования. Поэтому рассматриваемый аппарат может работать гораздо дольше, чем кожухотрубчатые подогреватели.
Основной недостаток известного аппарата состоит в том, что вместе с подогревом раствора происходит его разбавление за счет поглощения конденсируемого пара. При этом разбавление раствора снижает эффективность процессов его дальнейшей переработки, приводит к увеличению подвода энергии на неизбежное концентрирование для компенсации указанного разбавления.
Другим недостатком известного решения является зарастание отверстий на полках подогревателя. В результате нарушается равномерность протекания обменивающихся теплом сред внутри аппарата. Это приводит к снижению эффективности работы, т.е. к меньшему подогреву раствора и к увеличению расхода отводимой парогазовой смеси, за счет повышения в ней содержания пара.
Наиболее близким к заявленному решению по технической сущности и по конструктивному устройству является аппарат для подогрева накипеобразующих растворов, описанный в книге Касаткина А.Г. «Основные процессы и аппараты химической технологии», - М., Химия, 1971, - с.344-346, рис.VIII-11а.
Одноходовой кожухотрубчатый подогреватель содержит теплообменную камеру, нижнюю и верхнюю растворные камеры со штуцерами входа исходного раствора и выхода подогретого раствора, размещенными на верхней растворной камере. Теплообменная камера имеет трубные решетки, теплообменные трубки, кожух и штуцера входа и выхода теплоносителя (устройство принято за прототип).
Подогрев включает подачу раствора в нижнюю растворную камеру подогревателя, распределение раствора по теплообменным трубкам и подъем по ним с подогревом за счет тепла теплоносителя, подаваемого в межтрубное пространство теплообменной камеры, и выход подогретого раствора из верхней растворной камеры.
В известном аппарате исключено контактирование подогреваемого раствора и теплоносителя. Поэтому разбавление нагреваемого раствора происходить не будет. В известных решениях позитивным фактором является то, что раствор по теплообменным трубкам движется снизу вверх. Благодаря этому обеспечивается более равномерное течение нагреваемого раствора, чем при нисходящем движении. Вследствие этого, при тех же скоростях раствора также как в многоходовом подогревателе снижается накипевыделение, одной из причин которого является неравномерность течения раствора по трубкам.
Основной недостаток известного аппарата состоит в низкой интенсивности теплообмена вследствие малой скорости раствора в теплообменных трубках, обусловленной распределением общего потока раствора на большое количество трубок. В результате малой скорости раствора в трубках, в них происходит повышенное накипеобразование, еще более снижающее интенсивность теплообмена и приводящее к быстрому отключению теплообменника для очистки от накипи.
Другим недостатком известного аппарата является высокое значение величины подогрева раствора в трубках, составляющее 20-40°С. При таком увеличении температуры раствора растворимость в нем накипеобразующего компонента в значительной степени снижается и последний выделяется на внутренней поверхности трубок. Это снижает интенсивность теплообмена в подогревателе и вызывает необходимость очистки трубок, т.е. уменьшает эксплуатационную надежность его работы.
Кроме того, недостатком известного аппарата является то, что большую часть времени (90-95%) нахождения подогретого раствора в подогревателе он находится в теплообменных трубках. В результате этого пересыщение раствора по накипеобразующему компоненту, возникающее при подогреве, снимается путем осаждения накипи на внутренней поверхности трубок. При этом конструкция известного подогревателя не предусматривает других мест для снятия пересыщения раствора.
Указанные недостатки известных устройств в этой области техники стимулировали поиск новых технических решений.
Предложенное техническое решение направлено на решение задачи снижения пересыщения раствора при нагреве его в теплообменных трубках и обеспечение выноса зоны снятия пересыщения из трубок.
Для решения поставленной задачи заявляется:
Аппарат для подогрева накипеобразующих растворов, содержащий нижнюю и верхнюю растворные камеры, штуцера входа исходного и выхода подогретого раствора, а также теплообменную камеру с трубными решетками и теплообменными трубками, размещенными в кожухе со штуцерами для входа и выхода теплоносителя. Новым в аппарате является то, что верхняя и нижняя растворные камеры соединены циркуляционной трубой, в которую встроен циркуляционный насос, при этом штуцера входа исходного раствора и выхода подогретого раствора размещены на циркуляционной трубе, причем штуцер входа находится на расстоянии 5-15 диаметров циркуляционной трубы ниже штуцера выхода, расположенного на верхней отметке аппарата. Предлагаемый аппарат может иметь встроенную в циркуляционную трубу емкость, на которой установлены штуцера входа исходного раствора и выхода подогретого раствора. Причем, штуцер входа исходного раствора установлен на указанной емкости на расстоянии 5-15 диаметров циркуляционной трубы ниже штуцера выхода подогретого раствора, расположенного на уровне верхней отметки корпуса аппарата.
Далее рассмотрим подробнее необходимость и достаточность как каждого из отличительных признаков заявленных технических решений, так и всей их совокупности на достижение технического результата.
Заявленная совокупность признаков предлагаемого технического решения позволяет создать циркуляцию подогретого раствора в аппарате для подогрева накипеобразующих растворов.
В конструкции аппарата для подогрева накипеобразующих растворов соединение верхней и нижней растворных камер циркуляционной трубой, в которую встроен циркуляционный насос, позволяет обеспечить циркуляцию подогретого в теплообменной камере циркулирующего раствора через теплообменные трубки. Размещение штуцера выхода подогретого раствора на верхней отметке аппарата позволяет избежать в нем разрыва циркулирующего потока и сопряженной с этим опасности вскипания раствора, вызывающего усиленное выделение накипи.
Размещение штуцера входа исходного раствора в аппарат ниже места расположения штуцера выхода подогретого раствора на расстоянии 5-15 диаметров циркуляционной трубы позволяет избежать охлаждения отводимого из аппарата раствора вследствие смешения с холодным исходным раствором. Опыт работы предлагаемого аппарата показывает, что заявленного расстояния 5-15 диаметров циркуляционной трубы хватает, чтобы отводить из аппарата раствор с наибольшей температурой. Расположение штуцера входа на меньшем расстоянии ведет к уменьшению температуры отводимого раствора. Если же штуцер входа размещен на большем расстоянии, то возрастает температура раствора, поступающего в теплообменные трубки, что приводит к увеличению выделения накипи в них.
За счет циркуляции происходит смешение одной части исходного раствора с частями циркулирующего раствора. Благодаря такому смешению основная доля тепла, получаемого исходным раствором, передается ему не в теплообменных трубках, а в объеме циркулирующего по аппарату раствора. То есть основной подогрев раствора протекает в объеме аппарата, а не в трубках. Вследствие этого, во-первых, пересыщение исходного раствора по накипеобразующему компоненту снижается пропорционально степени смешения его с циркулирующим раствором, а во-вторых, выделение накипи происходит не в теплообменных трубках, а в объеме аппарата, создаваемым циркуляционным контуром, который образован соединением верхней и нижней растворных камер циркуляционной трубой. Благодаря этому происходит снижение накипевыделения на трубках и аппарат сохраняет постоянную интенсивность теплообмена.
В заявленном аппарате для подогрева циркуляция раствора приводит к выносу основной зоны нагрева из теплообменной камеры в объем раствора аппарата. При этом благодаря циркуляции происходит подогрев раствора, тогда как при выпаривании происходит его охлаждение (вследствие испарения пара). Кроме того, циркуляция раствора позволяет снизить величину подогрева раствора в теплообменных трубках и время пребывания раствора в них, а также интенсифицировать работу аппарата для подогрева раствора в результате повышения температуры участвующего в теплообмене раствора за счет снижения вязкости раствора при повышении температуры.
Применение циркуляции раствора и смешения исходного раствора с циркулирующим приводит к некоторому снижению температуры нагретого раствора, что препятствует простому применению этого приема при подогреве растворов.
Применение циркуляционной трубы, соединяющей верхнюю и нижнюю растворные камеры, позволяет увеличить объем раствора аппарата и создать условия для того, чтобы основная доля тепла передавалась исходному раствору именно в этом объеме. При этом, если, исходя из свойств подогреваемого раствора, необходимо увеличить объем аппарата, тем самым снизив время пребывания раствора в трубках, в циркуляционную трубу встраивается емкость, на которой размещаются штуцера входа и выхода раствора из аппарата. За счет применения циркуляционной трубы и емкости создается возможность для снижения степени подогрева циркулирующего раствора в трубках до 10-25% вместо 100%, как в прототипе.
Технический результат применения заявленного технического решения заключается в существенном снижении накипевыделения на трубках, в увеличении интенсивности теплообмена и обеспечении постоянства температуры подогретого раствора в течение длительного периода времени эксплуатации.
Поиск, проведенный в источниках научно-технической и патентной информации, не выявил технических решений, совпадающих с заявленной совокупностью отличительных признаков. Это в сочетании с получением ожидаемого технического результата, позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «новизна».
Пример конкретного выполнения заявленной полезной модели иллюстрируется на чертежах (фиг.1 и 2), где на фиг.1 показан аппарат для подогрева накипеобразующих растворов, а на фиг.2 - его модификация с размещенной на циркуляционной трубе емкостью.
Заявленный аппарат для подогрева накипеобразующих растворов состоит из нижней 1 и верхней 2 растворных камер, штуцеров входа исходного 3 и выхода подогретого 4 раствора, а также теплообменной камеры 5, имеющей трубные решетки 6, теплообменные трубки 7, кожух 8 и штуцера входа 9 и выхода 10 теплоносителя. Верхняя 2 и нижняя 1 растворные камеры соединены циркуляционной трубой 11, в которую встроен циркуляционный насос 12. При этом штуцера входа исходного 3 и выхода подогретого 4 раствора 11 установлены так, что штуцер входа 3 установлен на расстоянии (5-15) диаметров циркуляционной трубы (d) ниже штуцера выхода 4, который в свою очередь на уровне верхней отметке корпуса аппарата.
На циркуляционной трубе 11 аппарата, показанного на фиг.2, может быть размещена емкость 13, на которой расположены штуцера входа исходного раствора 3 и выхода подогретого раствора 4.
Заявленный аппарат для подогрева накипеобразующих растворов работает следующим образом. Исходный раствор подается в аппарат через штуцер 3 в циркуляционную трубу 11. В ней исходный раствор смешивается с (3-20) частями циркулирующего раствора. Ввиду того, что циркулирующий раствор в циркуляционную трубу 11 входит через верхнюю растворную камеру 2 из теплообменной камеры 5, его температура на (10-30)°С выше, чем у исходного. В результате смешения с циркулирующим, исходный раствор подогревается до температуры близкой к температуре циркулирующего раствора. При этом указанный подогрев раствора происходит не в теплообменных трубках, а в объеме циркулирующего раствора.
По циркуляционной трубе 11 циркулирующий раствор поступает в циркуляционный насос 12, который прокачивает его через нижнюю растворную камеру 1 в теплообменную камеру 5. В нижней растворной камере 1 циркулирующий раствор распределяется по теплообменным трубкам 7 теплообменной камеры 5 и поднимается по ним со скоростью 1,5-2,5 м/с.При прохождении по трубкам 7 циркулирующий раствор подогревается за счет тепла теплоносителя, поступающего в теплообменную камеру 5 через штуцер 9. Охлажденный теплоноситель отводится из теплообменной камеры 5 через штуцер 10. При этом, проходя непосредственно по теплообменным трубкам 7, раствор подогревается всего на 1-3,5°С, что в десятки раз меньше общей величины подогрева раствора в аппарате.
Подогретый в теплообменной камере 5 раствор поступает в верхнюю растворную камеру 2, из которой входит в циркуляционную трубу 11. Часть подогретого раствора отводится из аппарата через штуцер 4. При этом время пребывания подогретого раствора в аппарате составляет 1,5 - 15 минут. Такое время, как показывает опыт, достаточно для снятия пересыщения подогреваемого раствора по большинству накипеобразующих компонентов. В случае недостаточного объема циркуляционной трубы 11 для обеспечения указанного времени пребывания раствора аппарат для подогрева накипеобразующих растворов оснащается емкостью 13, размещаемой на циркуляционной трубе 11.
Применение предлагаемого технического решения позволяет решить поставленную техническую задачу - снизить выделение накипи при подогреве раствора. Это происходит за счет выноса зоны нагрева и накипеобразования из теплообменных трубок, снижения величины подогрева раствора в трубках в 4 - 10 раз и уменьшения времени пребывания раствора в них в 20-50 раз.
2
Заявленный аппарат для подогрева накипеобразующих растворов при испытаниях, связанных с подогревом накипеобразующих алюминатных растворов, показал высокую эффективность работы. Коэффициент теплопередачи подогревателя предлагаемой конструкции составил 2100-2400 Вт/м К, что в несколько раз больше, чем у прототипа. При этом предлагаемый аппарат позволил ему работать с постоянным коэффициентом в течение 60-90 суток, в то время как у прототипа за это время коэффициент теплопередачи снижается в 2-2,5 раза вследствие выделения накипи на трубках.