ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ПРЯМОТРУБНЫЙ ПРОТИВОТОЧНЫЙ КОНДЕНСАТОР
VERTICAL STRAIGHT-TUBE COUNTERCURRENT CONDENSER

Предметом изобретения является вертикальный кожухотрубный прямотрубный противоточный конденсатор для работы при давлениях ниже атмосферного, в котором конденсирующийся пар протекает по межтрубному пространству конденсатора, а охлаждающая вода протекает в трубном пространстве.
Используемые в настоящее время конденсаторы трубчатого типа обычно содержат отдельные основной и вторичный конденсаторы, соединенные последовательно. Конденсаторы бывают горизонтальной или вертикальной конструкции, причем пар протекает по межтрубному пространству, а охлаждающая вода протекает в трубном пространстве. Межтрубное пространство конденсаторов обычно является одноходовым, а трубное пространство бывает, начиная с 3-ходового, до 6-ходового. Потоки вентиляционного пара, которые содержат самые неконденсирующиеся компоненты, обычно направляются непосредственно к вторичному конденсатору. Основной конденсатор конденсирует примерно 80% конденсирующегося пара, а вторичный конденсатор около 20%. Конденсат, полученный из основного конденсатора, обычно может быть повторно использован в процессе, например в качестве промывочной воды. «Грязный конденсат» из вторичного конденсатора должен быть дополнительно очищен посредством отгонки паром.
Одной из задач для конденсатора согласно настоящему изобретению является получение из конденсатора максимального количества конденсата, который свободен от метанола и органических соединений серы до такой степени, что он может быть использован повторно без отдельной стадии отгонки паром.
Данная задача решена посредством использования противоточного конденсатора, который отличается тем, противоточный конденсатор является двухходовым как в межтрубном пространстве, так и в трубном пространстве, за счет чего поверхность нагрева первого хода в межтрубном пространстве образована из труб поверхности нагрева, прикрепленных своими верхними концами к верхней трубной доске и нижними концами к нижней трубной доске; при этом поверхность нагрева второго хода межтрубного пространства образована из труб поверхности нагрева, прикрепленных своими верхними концами к верхней трубной доске и нижними концами к другой нижней трубной доске, за счет этого паровые пространства первого и второго ходов соединены посредством отверстия между верхним концом разделительной стенки, разделяющей межтрубное пространство, и верхней трубной доской; при этом направление потока пара в паровом пространстве первого хода, в пространстве, в котором происходит основная конденсация пара, направлено вверх, отпаривая направленный вниз поток протекающего противотоком конденсата, который образовался из пара; и является противоточным относительно потоку охлаждающей воды, протекающей по второму ходу трубного пространства, который возникает в виде опускающаяся пленка на внутренней труб поверхности нагрева при по существу нормальном давлении; при этом в паровом пространстве второго хода межтрубного пространства поток пара направлен вниз, противотоком к потоку охлаждающей воды первого хода, который направлен вверх внутри труб.
Конденсатор, который является предметом настоящего изобретения, разработан как конечный конденсатор для серийных испарителей в целлюлозно-бумажной промышленности, но он может быть также применен для других промышленных задач. Конечные конденсаторы всегда работают при давлении ниже атмосферного и служат для конденсации, в дополнение к основному потоку пара, получаемому от конечного испаряющего эффекта, паровых потоков от различных операций испарения и вентиляции. В дополнение к водяному пару паровые потоки содержат изменяющиеся количества метанола, органических соединений серы, газов, которые были растворены в испарившихся черных щелочных растворах и высвобождены: а также воздух, который просочился в оборудование.
В первом ходе межтрубного пространства конденсатора пар протекает вверх - противотоком к опускающейся пленке охлаждающей воды в трубном пространстве - и конденсируется на наружной поверхности труб поверхности нагрева. Конденсат стекает вниз противотоком к потоку пара. Стекающий вниз конденсат эффективно устраняет любой перегрев пара, очищает поверхность нагрева и предупреждает прилипание к поверхности нагрева загрязняющих поверхность нагрева частиц. Пар предотвращает переохлаждение конденсата и эффективно очищает конденсат посредством отгонки. Благодаря большой поверхности контакта и эффективному смешиванию равномерно распределенного потока пара и конденсата, состав выходящего конденсата находится почти в равновесии с составом входящего пара – чем чище пар, тем чище конденсат.
Если пары различного состава перемешиваются перед тем как попадают в конденсатор, качество основного потока пара из первого хода межтрубного пространства снижается.
Для устранения этой проблемы каждый поток пара может быть отдельно введен в конденсатор согласно настоящему изобретению и на разных уровнях высоты первого хода межтрубного пространства так, что самый чистый пар вводится на самом низком уровне, а другие пары на уровне, где состав конденсирующегося пара соответствует составу пара, введенного в конденсатор на более высоком уровне.
Путем использования в первом ходе межтрубного пространства охлаждения, в котором охлаждающая вода протекает в трубном пространстве только как пленка на внутренней поверхности труб, получают значительные преимущества, такие как:
- трубное пространство может работать при нормальном атмосферном давлении;
- требуется только единственный трубный ход;
- прямой противоточный поток между нагревающим и охлаждающим потоками;
- максимальная разница температур между потоками;
- хорошая теплопередача;
- незначительная потеря напора в трубном пространстве;
- могут быть использованы трубы поверхности нагрева, имеющие больший диаметр и длину;
- более легкая и экономичная конструкция.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения трубы поверхности нагрева второго хода межтрубного пространства расположены в центре конденсатора и окружены промежуточной стенкой в виде оболочки. В частности, в больших конденсаторах является предпочтительным прикреплять верхний конец внутренней оболочки к верхней трубной доске. При такой конструкции есть возможность сделать верхнюю и нижнюю трубные доски более тонкими, усилить большой пучок труб и сделать его сборку проще. Таким образом, отверстия для потока пара могут быть вырезаны в верхнем конце внутренней цилиндрической оболочки, причем отверстия равномерно распределены по свободной периферии. В альтернативном варианте крепление внутренней цилиндрической оболочки может быть осуществлено с использованием промежуточных сварных стержней.
Трубы поверхности нагрева предпочтительно удерживаются посредством опор и защитных решеток, обеспечивая осевой поток, как описано в международной патентной заявке WO2012/085337.
Для того чтобы увеличить теплопередачу второго трубного хода, в верхней части конденсатора выполнен вентилятор, причем упомянутый вентилятор выполнен возможностью продувки воздуха через трубы поверхности нагрева второго хода трубного пространства в направлении потока охлаждающей воды.
Трубы поверхности нагрева первого хода трубного пространства длиннее, чем трубы поверхности нагрева второго хода трубного пространства, при этом их нижняя трубная доска расположена ниже, чем нижняя трубная доска второго хода трубного пространства, и в промежуточной стенке, окружающей трубы поверхности нагрева первого хода трубного пространства, имеется сильфонная мембрана в секции между этими нижними трубными досками, эта сильфонная мембрана компенсирует разницу в тепловом расширении, которая обусловлена разницей как в длине, так и в температуре между трубами поверхности нагрева первого и второго ходов.
Охлаждающая воды также может быть повторно направлена как в первый, так и во второй ходы трубного пространства или только в любой из них. В частности, в условиях Скандинавии, где температура используемых для охлаждения природных вод значительно изменяется в зимний и летний периоды, часто является предпочтительным стандартизировать условия путем рециркуляции охлаждающей воды, имеющей более высокую температуру со стороны выхода, чтобы нагреть входящий поток более холодной охлаждающей воды.
Между наружной оболочкой, окружающей паровое пространство первого хода межтрубного пространства, и второй внутренней оболочкой, продолжающейся в него, имеется кольцевое пространство, через которое по меньшей мере основной поток пара может быть направлен к нижней части парового пространства первого хода межтрубного пространства, над нижней трубной доской, по существу со всей свободной периферии парового пространства.
В наружных оболочках конденсатора имеются подающие пар сопла и кольца по меньшей мере на двух разных уровнях для подачи пара разной степени чистоты.
Под подающим пар соплом, в кольцевом пространстве между пучком труб поверхности нагрева первого хода межтрубного пространства и оболочкой, может быть выполнена кольцевая пластина и другое подающее пар сопло для подачи более чистого пара в конденсатор.
В конденсационном пространстве на нижнем конце парового пространства первого хода межтрубного пространства могут быть выполнены устройства массопередачи типа клапанных тарелок, а под ними подающее сопло для более чистого отгоночного пара.
Далее изобретение будет более подробно описано со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
на фиг.1 показан продольный разрез конденсатора согласно настоящему изобретению;
на фиг.2 показан продольный разрез другого варианта осуществления конденсатора согласно настоящему изобретению;
на фиг.3 показаны конструкционные особенности третьего варианта осуществления конденсатора согласно настоящему изобретению;
на фиг.4а и 4b показаны два примера размещения межтрубного/трубного ходов в конденсаторе;
на фиг.5 показаны две альтернативные конструкции для верхней части промежуточной стенки конденсатора.
Двухходовое межтрубное пространство конденсатора образовано наружной цилиндрической оболочкой 1, на верхнем конце которой находится коническая часть 2, соединяющая ее со второй более длинной цилиндрической оболочкой 3, нижний конец которой продолжается в упомянутую наружную цилиндрическую оболочку 1; и цилиндрической оболочкой 4 более маленького диаметра, расположенной центрально внутри этой второй цилиндрической оболочки 3; верхней трубной доской 5, прикрепленной к оболочке 3, и нижней трубной доской 7, прикрепленной к оболочке 1 посредством цилиндрической/конической части 6, и более маленькой трубной доской 8, прикрепленной к нижнему концу меньшей оболочки 4. В альтернативном варианте, как показано на фиг.4b, цилиндрическая оболочка 4 может быть заменена двумя стенками 50, наружные края которых прикреплены к оболочке 3, а внутренние края которой прикреплены друг к другу в форме сектора, тогда как их нижние края могут быть прикреплены к трубной доске 7.
В вариантах осуществления настоящего изобретения по фигурам 1-4а поверхность нагрева первого хода межтрубного пространства конденсатора образована трубами 9 поверхности нагрева, которые расположены в кольцевом паровом пространстве 14 между цилиндрическими оболочками 3 и 4 и прикреплены своими концами к трубным доскам 5 и 7. Поверхность нагрева второго хода межтрубного пространства конденсатора образована трубами 10 поверхности нагрева, расположенными в паровом пространстве 15 внутри цилиндрической оболочки 4 и присоединенными своими концами с трубными досками 5 и 8.
В оболочке 4, в зоне между трубными досками 7 и 8, выполнена сильфонная мембрана 13, чтобы компенсировать разницу в продольном тепловом расширении, которое обусловлено разницей как в длине, так и в температуре между трубами 9 и 10. Между трубной доской 5 и верхней частью 11 оболочки 4 находится отверстие 12, которое обеспечивает открытое сообщение между паровыми пространствами 14 и 15 первого и второго ходов межтрубного пространства. К цилиндрической оболочке 1 присоединено сопло 16 для подачи пара, а на самом нижнем конце парового пространства 14 первого хода межтрубного пространства присоединено сопло 17 для выхода конденсата. Другое сопло 18 для подачи пара присоединено к коробчатому кольцу 19, которое окружает оболочку 3 и сообщается с паровым пространством 14 первого хода межтрубного пространства посредством отверстий 20. Труба 21 вывода конденсата соединена с нижней частью оболочки 4, при этом выводная труба 22 для неконденсируемых газов соединена с оболочкой 4 над трубой 21 вывода конденсата.
Под трубной доской 8 закреплена цилиндрическая оболочка 24, и к ее нижнему концу прикреплена концевая пластина 26; вместе они образуют концевую камеру 23 входной стороны в первый ход, к этой камере через входную трубу 25 может быть подана охлаждающая камеру вода. Цилиндрическая оболочка 28, которая образует продолжение цилиндрической оболочки 3 над верхней трубной доской 5, вместе с коническим концом конденсатора образует верхнюю концевую камеру 27 трубного пространства, в которой расположен распределительный желоб 30 для жидкости, подлежащей испарению, также как распределительный лоток 31 для жидкости. В варианте осуществления настоящего изобретения согласно фиг.1 концевой конус содержит в себе сопло 32, через которое верхняя концевая камера свободно сообщается с воздухом окружающей среды. Цилиндрическая оболочка 34 под цилиндрической/конической секцией 6, образующей продолжение цилиндрической оболочки 1, вместе с нижней пластиной конденсатора образуют нижнюю концевую камеру 33 трубного пространства, в самой нижней точке которой выполнено сопло 35 для выхода воды.
Основной поток пара, предназначенный для конденсации, вводят в конденсатор через паровое сопло 16. Кольцевое пространство 38 между цилиндрическими оболочками 1 и 3 распределяет пар для равномерного протекания из пространства 40 между нижним краем 39 цилиндрической оболочки 3 и трубной доской 7 к наружной периферии нижней части парового пространства 14 первого хода. Пар, который движется вверх, конденсируется на наружной поверхности труб 9 поверхности нагрева, при этом конденсат стекает вниз, в противоположном направлении к течению пара, устраняя любой перегрев. Пар предотвращает переохлаждение конденсата и выпаривает растворенные в конденсате более легкие компоненты, типа метанола. Конденсат стекает вниз на трубную пластину 7 и затем в пространство 47 для конденсата, образованное оболочкой 1 и цилиндрической/ конической секцией 6, а затем из пространства для конденсата он выводится из устройства через сопло 17 вывода конденсата.
Потоки пара, содержащие больше метанола и органических соединений серы, могут быть направлены через сопла 18, расположенные в более высокой точке в конденсаторе, и соответствующие коробчатые кольца 19 к наружной периферии парового пространства 14. Часть потока пара, которая не сконденсировалась в первом ходе межтрубного пространства, направляется через отверстие 12 между верхним краем 11 цилиндрической оболочки 4 и трубной доской 5 в паровое пространство 15 второго хода межтрубного пространства, в котором пар стекает вниз, охлаждаясь и конденсируясь на наружной поверхности труб 10 нагрева. Образовавшийся конденсат стекает в нижнюю часть оболочки 4 и выводится из конденсатора через трубу 21 вывода конденсата над трубной доской 8. Часть потока пара, которая не сконденсировалась, выводится из конденсатора через трубу 22 вывода над трубой 21 вывода конденсата.
Охлаждающая вода подводится через питающую трубу 25 в концевую камеру 23 первого хода трубного пространства, которая распределяет воду к направленному вверх потоку в трубах 10 поверхности нагрева, противотоком относительно направленному вниз потоку конденсата на наружной поверхности труб. Охлаждающая вода протекает через трубы 10 поверхности нагрева к распределительному желобу 30 над трубной доской 5, этот желоб распределяет охлаждающую воду перетоком к распределительному лотку 31, задача которого заключается в распределении охлаждающей воды в качестве однородного потока по всем трубам 9 поверхности нагрева второго хода трубного пространства, в которых она стекает как опускающаяся пленка противотоком к конденсирующемуся пару, протекающему по межтрубному пространству. Из труб 9 поверхности нагрева вода протекает в нижнюю концевую камеру 33 трубного пространства, откуда она выводится наружу через сопло 35 вывода воды.
Если поверхность нагрева второго хода межтрубного пространства/первого хода трубного пространства/число труб 10 поверхности нагрева имеет небольшие размеры относительно большого потока охлаждающей воды, то есть возможность:
- увеличить диаметр труб 10 поверхности нагрева;
- обеспечить частью потока охлаждающей воды обход труб 10 поверхности нагрева непосредственно в распределительный желоб 30 охлаждающей воды в верхней концевой камере 27.
Соответственно, если требуются большая поверхность нагрева и большее количество труб 10 поверхности нагрева, то можно:
- уменьшить диаметр труб 10 поверхности нагрева,
- использовать трубы с увеличенной поверхностью.
Вариант осуществления конденсатора согласно настоящему изобретению, показанный на фиг.2, в котором теплопередача во втором ходе трубного пространства может быть увеличена путем продувания вниз воздуха через трубы 9 поверхности нагрева вместе с охлаждающей водой. Для этой цели выполнен осевой вентилятор в сопле 42 концевого конуса 29, этот вентилятор размещен с возможностью забора окружающего воздуха и продувания его в верхнюю концевую камеру 27, из которой воздух отдельно направляется в трубы 9 поверхности нагрева через трубы 44, соединенные с лотком 31 распределения жидкости.
Воздух, который перемещается быстрее, чем пленка, стекающая вниз по стенке труб 9 поверхности нагрева, также увеличивает скорость течения водной пленки, уменьшает толщину пленки и увеличивает турбулентность, увеличивая посредством этого теплопередачу со стороны охлаждающей воды. Вода и воздух протекают через трубы 9 поверхности нагрева в нижнюю концевую камеру 33, где они разделяются, при этом воздух выгружают через каплеуловитель 46, приспособленный к выходному соплу 45.
Посредством воздушного потока, потребность в охлаждающей воде может быть уменьшена на 15-25%, поскольку воздух охлаждает воду путем испарения, как в охлаждающей колонне. Если количество охлаждающей воды не уменьшается, температура воды соответственно растет меньше за счет воздушного потока, таким образом подходящая для теплопередачи температурная разница увеличивается вместе с конденсирующей способностью конденсатора.
Во время операции конденсации потеря давления в потоке пара снижает температуру конденсации пара и всегда снижает разницу температур подходящую для теплопередачи, увеличивая потребность в зоне теплопередачи. В конденсаторе согласно настоящему изобретению подача пара к конденсатору всегда происходит вдоль всей периферии пучка труб, за счет чего зона потока является большой, и скорость потока может оставаться низкой с точки зрения потери давления. Течение пара в паровых пространствах межтрубного пространства является главным образом осевым, что делает возможным использование отражающих/опорных решеток, как описано, например, в международной патентной заявке №WO2012/085337 для удержания длинных труб поверхности нагрева. Поскольку основной и вторичный конденсаторы соединены в одном и том же устройстве согласно настоящему изобретению, соединительная система труб, вызывающая потерю давления между устройствами, также устранена.
В дополнение к незначительной потере давления размещение потока внутри межтрубного пространства обеспечивает отсутствие в конденсаторе застойных зон с точки зрения теплопередачи.
Конденсатор согласно настоящему изобретению является двухходовым с обеих сторон, при этом конденсирующийся пар и нагревающаяся охлаждающая вода текут противотоком друг к другу, что с точки зрения теплопередачи обеспечивает самую большую разницу температур и делает возможным охлаждение/конденсацию потока пара, содержащего возможные неконденсируемые компоненты, при низкой, насколько это возможно, конечной температуре.
На фиг.3 показаны конструкционные особенности в конденсаторе согласно настоящему изобретению для усиления отгонки конденсата внутри конденсатора. Под соплом 16 для основного пара показанного конденсатора расположено другое сопло 48 для пара, которое размещено под кольцевой пластиной 49, выполненной в пространстве между оболочкой 1 и пучком труб, образованным трубами 9 поверхности нагрева. Через это паровое сопло 48 направляется поток пара, который является более чистым, чем поток пара, входящий через сопло 19 для основного пара, в кольцевое пространство под кольцевой пластиной 49, между оболочкой 1 и пучком труб, из этого кольцевого пространства пар протекает в паровое пространство 14 между трубами 9. Движущийся вверх пар конденсируется, предотвращая охлаждение менее чистого конденсата, который образовался из пара, введенного в конденсатор через сопло 16 и стекающего вниз вдоль наружных поверхностей труб 9, и эффективно очищая конденсат путем выпаривания.
На той же самой фиг.3 также показана конструкция, в которой две клапанные тарелки 51 и питающее сопло 52 для более чистого отгоночного пара были выполнены в верхней части пространства 47 для конденсата, над уровнем конденсата, конденсатора согласно настоящему изобретению для очистки путем отгонки конденсата, образовавшегося из пара, поданного из верхних паровых сопел (16, 18) в первом ходе межтрубного пространства.
На фиг.1 и 2 пучок труб первого хода трубного пространства внутри цилиндрической оболочки 4 расположен, как показано на фиг.4а, в центре пучка труб второго хода трубного пространства и оболочки 3. На фиг.4b показана конструкция, в которой пучок труб первого хода расположен в конфигурации в виде сектора сбоку относительно второго хода трубного пространства и оболочки 3. В этом случае трубная доска 8 может быть частью трубной доски 7, таким образом и сопло 21 для выхода конденсата и выходное сопло 22 для неконденсируемых газов расположены над трубной доской 7. Круглая оболочка 4 между ходами межтрубного пространства тогда заменяется двумя стенками 50, внутренние края которых прикреплены друг к другу, наружные края – к оболочке 3, а нижние края - к трубной доске 7. На фиг.5 с левой стороны показана конструкция, в которой цилиндрическая промежуточная стенка 4 прикреплена к верхней трубной доске 5, при этом равномерно распределенные отверстия 54 выполнены в верхней части цилиндрической промежуточной стенки 4, чтобы обеспечить течение пара.