АППАРАТ МГНОВЕННОГО ИСПАРЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЕССОЛЕННОЙ ВОДЫ
FLASH EVAPORATION APPARATUS FOR PRODUCING DESALINATED WATER

Изобретение относится к технике для обессоливания, или опреснения, морских, соленых и минерализованных вод путем термической дистилляции на основе принципа мгновенного испарения (вскипания).
Изобретение может быть использовано в химической, металлургической, электронной, фармацевтической отраслях промышленности, а также для приготовления особо чистой воды для подпитки контуров энергоблоков атомных электростанций.
Установки, работающие по принципу мгновенного испарения, являются наиболее распространенным типом обессоливающих многоступенчатых установок, и доля их в общем балансе вырабатываемой обессоленной воды наибольшая. Это определяется прежде всего тем, что их эксплуатационные характеристики и обеспечиваемая ими производительность достигаются при относительно простом аппаратурном оформлении, хотя их энергетическая эффективность ниже, чем, например, у тонкопленочных дистилляционных установок.
Процесс парообразования в аппарате (ступени) установки мгновенного испарения протекает в свободном пространстве испарительной камеры за счет перепада температур перегретой обессоливаемой воды, поступающей в испарительную камеру, и воды, кипящей в этой камере при заданном давлении. Мгновенное испарение способствует значительному выходу образующегося пара, что позволяет при конструировании установки по многоступенчатому принципу произвести практически любые заданные при проектировании количества обессоленной воды.
Важной характеристикой воды, получаемой в процессе обессоливания, определяющей ее дальнейшую практическую пригодность, является содержание в ней солей: чем их меньше, тем выше качество воды. Термическая дистилляция в аппаратах мгновенного испарения обеспечивает получение обессоленной воды высокой чистоты при условии очистки получаемого в аппарате мгновенного испарения пара от капельного уноса. С этой позиции рассмотрим и проаналилизируем известные из уровня техники устройства, аналогичные заявляемому аппарату и предназначенные для осуществления процесса мгновенного испарения для получения обессоленной воды.
Известен выпарной аппарат, предназначенный для опреснения морской воды (см. заявку Великобритании №1289642, кл. B01D 3/06, C02B 1/04, 1970), который содержит удлиненный коробчатый корпус 1 с торцевыми трубными решетками (поперечными вертикальными перегородками 9), размещенные в корпусе 1 продольные перегородки 2, разделяющие корпус на центральную испарительную зону 7 и две боковые конденсационные зоны 8 с конденсационными трубами 5, проходящими через всю длину корпуса 1, сепарационные устройства (каплеотделители 3) в верхней части центральной испарительной зоны 7, соединенные с продольными перегородками 2, и расположенное в нижней части устройство (арматуру 11) для ввода обессоливаемой воды в аппарат. Поперечные вертикальные перегородки 9, содержащие прямоугольные отверстия 4 для прохождения потока жидкости, делят центральную испарительную зону 7 на серию испарительных камер (см. фиг.1).
Обессоливаемая вода поступает через арматуру 11 в центральную испарительную зону 7, где происходит процесс мгновенного испарения. Образующийся пар поднимается в центральной сепарационной зоне снизу вверх и из него под действием гравитации падают вниз крупные капли воды, а мелкие капли воды пар уносит к сепарационным устройствам 3. В них осуществляется очистка пара от капель воды, и далее пар конденсируется на конденсационных трубах 5 в обеих конденсационных зонах 8. Образовавшийся конденсат поступает в донную часть конденсационных зон 8.
Однако в известном выпарном аппарате не может быть осуществлена качественная очистка образующегося пара от капельного уноса. И связано это со следующими недостатками в конструкции аппарата. Испарительная зона 7 является единственным местом в аппарате, где происходит процесс мгновенного испарения поданной обессоливаемой воды через арматуру 11 снизу, в результате чего образуется пар, который с большой скоростью поднимается снизу вверх в испарительной зоне. Пар содержит крупные и мелкие капли воды. Под действием гравитации крупные капли отделяются от пара и падают вниз, а пар с мелкими каплями направляется на сепарационные устройства, где и происходит очистка пара от капельного уноса. Но так как в данном известном устройстве выпадающие крупные капли падают вниз, а им навстречу с большой скоростью движется вновь образующийся из постоянно подаваемой обессоливаемой воды пар, то капли подхватываются им и движутся не вниз, как им положено по процессу, а вместе с паром вверх к сепарационным устройствам. Из-за избытка воды в паре сепарационные устройства не отделят всю воду от пара или может произойти «захлебывание» сепарационных устройств. Напрашивается вывод, что происходящие в центральной испарительной зоне процессы противоречат или мешают друг другу. В конечном счете пар имеет большую, чем требуется, влажность, то есть пар загрязнен соленой водой, а потому требует дополнительной очистки от капельного уноса. В связи с этим получение качественного пара в какой-то мере возможно путем увеличения количества испарительных камер, из которых состоит испарительная зона аппарата, а также путем увеличения высоты камер и размеров сепарационных устройств. Однако эта мера приведет к увеличению капитальных, энергетических и эксплуатационных затрат, к увеличению занимаемых аппаратом производственных площадей, а в итоге - к увеличению цены конечного продукта.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому аппарату является испаритель для обессоливания морской воды (см. заявку Великобритании №1334726, кл. B01D 3/06, C02B 1/04, 1971), содержащий горизонтальный корпус 1 продолговатой формы, поперечное сечение которого представляет собой фигуру, образованную двумя одинаковыми рядом расположенными срезанными эллипсами. Корпус 1 разделен двумя вертикальными продольными перегородками 3, 4 на центральную испарительную зону и две боковые конденсационные камеры 24 и 25 с продольными пучками конденсационных труб 26 и 27. Поперечные вертикальные перегородки 12, 13 в испарительной зоне, являясь одновременно и трубными решетками, делят ее на ряд испарительных камер. Сепарационные устройства (каплеотбойные фильтры) 23 расположены над каждой испарительной камерой и закреплены на верхних кромках продольных перегородок 3 и 4 по всей длине испарителя.
Испаритель принят в качестве прототипа заявляемого аппарата мгновенного испарения для получения обессоленной воды.
При работе данного испарителя подвергаемую термическому обессоливанию воду предварительно подогревают во внешнем подогревателе, после чего ее подают в первую испарительную камеру испарителя, где происходит процесс мгновенного испарения. Образовавшийся пар с большой скоростью и с большим количеством захваченной им капельной влаги устремляется вверх к сепарационным устройствам 23, где пар частично очищается от капельного уноса и далее в конденсационных камерах 24 и 25 конденсируется на поверхности горизонтальных труб 26 и 27. Прокипевшая в центральной испарительной зоне обессоливаемая вода перетекает в следующую испарительную камеру через каналы 12а, 12b, 13a, 13b, а пар из сепарационных устройств 23 поступает в боковые конденсационные камеры, конденсируется на поверхности конденсационных трубок 26 и 27, после чего конденсат поступает в донную часть конденсационных камер 24 и 25.
Несмотря на некоторые конструктивные усовершенствования испаритель-прототип обладает теми же недостатками, что и рассмотренный выше выпарной аппарат. Два самостоятельных, но необходимых для обессоливания процесса, то есть испарение перегретой обессоливаемой воды и очистка полученного пара от капельного уноса, также происходят в одном месте - в центральной испарительной зоне, где испарение обессоливаемой воды технологически противоречит (мешает) оптимальному отделению крупных капель из пара, находящегося над испаряемой жидкостью в этой же испарительной зоне, что и является большим недостатком рассматриваемого известного технического решения. В результате этого невозможно независимо управлять отдельными стадиями процесса, чтобы обеспечить максимальную очистку пара от капельного уноса.
Указанные и в аналоге, и в прототипе недостатки свидетельствуют о том, что в рассмотренных аппаратах не предусмотрено такое конструктивное усовершенствование, которое бы обеспечивало максимальную очистку образовавшегося при мгновенном испарении обессоливаемой воды пара от капельного уноса прежде, чем пар поступит в центральную испарительную зону и в сепарационные устройства.
В заявляемом аппарате техническая задача по максимальной очистке пара от капельного уноса прежде, чем он поступит в центральную испарительную зону решена.
Заявляемое изобретение, как и прототип, содержит горизонтальный корпус с торцевыми трубными решетками, размещенные в нем продольные перегородки, разделяющие корпус в поперечнике на центральную камеру и боковые камеры с продольными пучками горизонтальных труб, сепарационное устройство, расположенное над центральной камерой и закрепленное на верхних кромках продольных перегородок по всей длине, и устройство для подачи перегретой обессоливаемой воды.
Отличается заявляемый аппарат от прототипа тем, что корпус, выполненный цилиндрическим, снабжен параллельной внутренней стенке корпуса и с зазором к ней дополнительной продольной перегородкой, охватывающей сепарационное устройство и продольные пучки горизонтальных труб и закрепленной на нижних кромках основных продольных перегородок, внизу на внутренней стенке корпуса по всей длине закреплена пластина, снабженная отбойником, при этом устройство для подачи перегретой обессоливаемой воды выполнено в виде расположенного над аппаратом продольного коллектора с вертикальными патрубками, сообщенными с полостью корпуса, диаметрально противоположно которым на корпусе установлены патрубки отвода упаренной воды из аппарата.
Изобретение отвечает всем критериям патентоспособности.
Изобретение является новым техническим решением, так как оно не известно из уровня техники, то есть заявителем не выявлено техническое решение, характеризуемое такой же совокупностью признаков, о чем свидетельствует приведенный выше анализ известных устройств аналогичного назначения.
Заявляемый в качестве изобретения аппарат промышленно применим, так как он может быть использован в различных отраслях промышленности и в здравоохранении, где требуется обессоленная вода. Аппарат в целом и его конструктивные признаки выполнимы и воспроизводимы. Ничто в аппарате не противоречит его использованию в промышленном производстве для получения обессоленной воды, так как все существенные признаки полезной модели направлены на решение технической задачи - максимальной очистки пара от капельного уноса, а значит, и получения из этого пара действительно деминерализованной и обезвреженной воды.
Предлагаемое для патентной экспертизы изобретение имеет изобретательский уровень, так как для специалиста оно не следует из уровня техники. При проведении заявителем патентных исследований не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого аппарата.
На представленных чертежах - графическое отображение заявляемого аппарата: на фиг.1 - поперечный разрез аппарата, на фиг.2 - общий вид аппарата в разрезе А-А (в уменьшенном масштабе).
Аппарат мгновенного испарения для получения обессоленной воды содержит цилиндрический корпус 1 с торцевыми решетками 2 и 3, в котором размещены продольные перегородки 4 и 5, разделяющие корпус в поперечнике на центральную камеру 6 и боковые камеры 7 и 8 с продольными пучками горизонтальных труб 9, закрепленных в решетках 2 и 3, сепарационное устройство 10, расположенное над центральной камерой 6 и закрепленное на верхних кромках 11 продольных перегородок 4 и 5 по всей длине, и устройство для подачи перегретой обессоливаемой воды. Перегородки 4 и 5 могут быть расположены вертикально либо под углом к вертикали, как представлено на фиг.1 Корпус 1 снабжен параллельной внутренней стенке и с зазором 12 к ней дополнительной продольной перегородкой 13, охватывающей сепарационное устройство 10 и продольные пучки горизонтальных труб 9 и закрепленной на нижних кромках 14 основных продольных перегородок 4 и 5. Внизу на внутренней стенке корпуса 1 по всей длине закреплена пластина 15, снабженная отбойником 16. Устройство для подачи перегретой обессоливаемой воды выполнено в виде расположенного над аппаратом продольного коллектора 17 с вертикальными патрубками 18, сообщенными с полостью корпуса 1, диаметрально противоположно которым на корпусе 1 установлены патрубки 19 для отвода из него упаренной воды. В боковых камерах 7 и 8 под продольными пучками горизонтальных труб 9 расположены труба 20 для вывода из аппарата неконденсирующихся газов и патрубок 21 для вывода полученного конденсата.
Аппарат работает следующим образом.
Предварительно подогретую во внешнем подогревателе (на чертеже не показан) обессоливаемую воду подают в корпус 1 через коллектор 17 и сообщенные с полостью корпуса 1 вертикальные патрубки 18. В корпусе благодаря поддерживаемому в аппарате вакууму происходит мгновенное испарение (вскипание) воды. В зазоре 12 между перегородкой 13 и внутренней стенкой корпуса 1 образуется двухфазный поток из смеси воды и водяного пара, движущийся спутно в зазоре 12 с прокипающей пленкой воды, находящейся на наружной поверхности перегородки 13, к месту соединения перегородки 13 с кромкой 14. При спутном движении пара и воды в виде пленки в зазоре 12 происходит постоянное испарение воды, а значит, и увеличение количества образующегося пара. Уже в зазоре 12 крупные капли воды за счет гравитации отделяются от пара и падают в нижнюю часть корпуса 1. Затем пароводяная смесь достигает места соединения перегородки 13 с кромкой 14 с двух сторон и входа с двух сторон в центральную камеру 6, где происходит естественный процесс неотвратимого отделения за счет действия инерционных сил большей части воды от парокапельного потока и дальнейшее движение ее в нижнюю часть корпуса 1. При входе в центральную камеру 6 парокапельный поток набегает на перегородку 15 и отбойник 16, благодаря чему основная масса крупных капель сепарируется из парового потока. Кроме того, такая схема движения парокапельного потока предотвращает вспенивание жидкости за счет ее гашения. При дальнейшем пути продвижения пара по центральной камере 6 отсутствует столкновение двух процессов - испарения и сепарации влаги из пара, происходит только отделение мелких капель воды. Из центральной камеры 6 в инерционное или жалюзийное сепарационное устройство 10 с паром поступают мелкодисперсные частицы воды, где они успешно отделяются от пара. После сепарационного устройства 10 пар разделяется на два потока, поступающие в боковые конденсационные камеры 7 и 8. Проходящий через продольный пучок горизонтальных конденсационных труб 9 пар конденсируется. Конденсат, являющийся целевым продуктом, поступает в донную часть боковых конденсационных камер 7 и 8, а затем по трубам 21 его выводят из аппарата. Упаренную воду, скопившуюся из отделенных от пара капель, отводят из донной части корпуса 1 через патрубки 19.
Предлагаемый аппарат эксплуатационно надежен, эффективен и перспективен для промышленного производства обессоленной воды высокой чистоты, так как именно предлагаемая совокупность существенных признаков, а особенно отличительные признаки обеспечивают использование всего объема аппарата для максимальной очистки пара от капельного уноса, то есть достигается ожидаемый технический результат. При этом аппарат не становится громоздким.
Более того, из серии таких аппаратов можно смонтировать и вертикальную, и горизонтальную установку мгновенного испарения для получения истинно обессоленной воды производительностью, большей, чем у аналога или прототипа при прочих равных условиях.
Аппарат технологичен в изготовлении, обеспечена полная заводская сборка.