МНОГОКОРПУСНАЯ ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к технике выпаривания промышленных растворов и может быть использована в химической промышленности и в глиноземном производстве, а также в других отраслях техники, где осуществляется концентрирование растворов выпариванием в поверхностных выпарных аппаратах, например - в выпарных аппаратах с падающей пленкой.
Известно, что в зависимости от свойств растворов и производственных условий выпаривание растворов обычно выполняется в многокорпусных противоточных и прямоточных выпарных установках, представляющих соединенные последовательно выпарные аппараты (корпуса). В прямоточных установках вторичный пар и выпариваемый раствор переходят из корпуса в корпус в одном и том же направлении, а в противоточных - вторичный пар и раствор двигаются по корпусам в противоположных направлениях. При противоточном выпаривании исходный раствор направляют в последний по ходу пара выпарной аппарат, а концентрированный раствор отводят из первого. В случае прямоточного концентрирования исходный раствор подводят в первый корпус и концентрированный раствор выводят из последнего. При этом свежий греющий пар поступает в первый по ходу пара выпарной аппарат, а вторичный пар последнего корпуса направляется для конденсации в концевой конденсатор. Значительно реже, как менее экономичные, практически используются в выпарных установках другие схемы движения потоков, например - параллельная подача исходного в корпуса (см., например, книгу: Колач Т.А., Радун Д.В. «Выпарные станции». М. 1963. С.148. Рис.68, а, б, в).
Из рассмотренных выпарных установок по достигаемому положительному эффекту, по простоте, по тепловой экономичности и по экономии капитальных затрат к заявляемой установке наиболее близки противоточная и прямоточная многокорпусные выпарные установки. Эти установки приняты нами в качестве прототипов.
Характерный признак осуществления процесса концентрирования раствора выпариванием в указанных известных установках заключается в том, что концентрируемый раствор перетекает единым потоком последовательно через все выпарные аппараты, обогреваемые
свежим греющим паром, поступающим извне, например - из котельной, и вторичными парами, образующимися в выпарных аппаратах в процессе выпаривания.
В общем случае основная часть тепла, поступающего в любой выпарной аппарат и выпарную установку, расходуется на осуществление основного технологического процесса - на кипение раствора, сопровождающееся удалением из него растворителя - воды, т.е. это полезно затрачиваемое тепло, используемое по прямому технологическому назначению. Вторая существенная доля поступающего тепла, обычно используется для осуществления подготовительного (вспомогательного) процесса - для подогрева раствора, поступающего на выпаривание до температуры кипения. При нагреве непосредственного испарения воды из раствора не происходит, следовательно, основное технологическое предназначение не выполняется и эти затраты тепло непроизводительны. Соотношение указанных составляющих затрат тепла определяет эффективность осуществляемого процесса выпаривания и совершенства выпарной установки. Сокращение затрат на нагрев раствора является одним из действенных путей повышения экономичности выпарных установок.
Недостаток известных выпарных установок, принятых за прототип, заключается в повышенных затратах тепла на нагрев раствора. В наиболее значительной степени на тепловую экономичность и совершенство выпарных установок влияют повышенные затраты тепла на нагрев раствора в первом корпусе, в который поступает свежий греющий пар из внешнего источника (например, из котельной), имеющий повышенные энергетические параметры и, соответственно, стоимость. Эти непроизводительные затраты тепла являются существенными для тепловой экономичности выпарных установок.
Кроме того, повышенный расход тепла на нагрев раствора обусловливает снижение потенциала вторичного пара, образующегося в первом корпусе, что снижает эффективность работы последующих выпарных аппаратов. Применение для нагрева раствора, поступающего в первый корпус, обычно используемого кожухотрубного теплообменника, обогреваемого вторичным паром этого корпуса, вследствие затрат потенциала пара на обеспечение температурного напора, потерь потенциала пара на температурную депрессию раствора и в паропроводе, не позволяет обеспечить температуру этого раствора на выходе, близкой к температуре кипения. В этих условиях для достижения температуры кипения к раствору необходим дополнительный подвод свежего пара и размещение на подводящем растворном трубопроводе дополнительного подогревателя, что неизбежно ведет к увеличению расхода пара и капитальных затрат.
Предлагаемое техническое решение - многокорпусная выпарная установка - имеет своей целью устранить указанные недостатки и тем самым уменьшить затраты тепла на осуществление процесса выпаривания.
Как и установки, принятые за прототип, заявляемая многокорпусная выпарная установка состоит из трубопровода свежего пара, из выпарных аппаратов, содержащих патрубки для подвода и вывода концентрируемого раствора, греющие камеры и сепараторы, соединенные последовательно так, что сепаратор одного аппарата сообщен паропроводом с греющей камерой последующего, причем греющая камера первого по ходу пара выпарного аппарата подсоединена к трубопроводу свежего пара, подводимого извне, а сепаратор последнего выпарного аппарата соединен с концевым конденсатором, а также из трубопроводов исходного раствора, из трубопроводов перетока раствора между выпарными аппаратами и из трубопровода концентрированного раствора, причем трубопровод исходного раствора подсоединен к патрубку подвода раствора в первый или последний по ходу пара выпарные аппараты и, соответственно, трубопровод концентрированного раствора подсоединен к патрубку вывода раствора из последнего или из первого по ходу пара выпарных аппаратов. Согласно изобретению новым в заявляемой установке является то, что трубопровод исходного раствора подсоединен дополнительно к патрубку подвода раствора во второй или предпоследний по ходу пара выпарные аппараты, трубопровод концентрированного раствора подсоединен дополнительно, соответственно, к патрубку вывода раствора из предпоследнего или второго по ходу пара выпарных аппаратов, а каждый из выпарных аппаратов, к которым подсоединен трубопровод исходного раствора, соединен с остальными выпарными аппаратами трубопроводами перетока раствора, проходящими в обход каждого второго по ходу раствора выпарного аппарата.
Кроме того, заявляемая выпарная установка в варианте с прямоточным движением потоков вторичного пара и раствора может отличаться тем, что патрубок вывода концентрированного раствора предпоследнего выпарного аппарата соединен дополнительным трубопроводом перетока раствора с патрубком подвода раствора в последний выпарной аппарат.
Кроме того, заявляемая многокорпусная выпарная установка в варианте с противоточным движением потоков вторичного пара и раствора по установке, снабженная самоиспарителями, последовательно соединенными трубопроводами раствора, причем первый и второй самоиспарители соединены трубопроводами раствора с патрубками вывода раствора, соответственно, первого и второго выпарных аппаратов, а каждый из самоиспарителей сообщен паропроводом с греющей камерой одного из последующих выпарных
аппаратов так, что давление в них по ходу движения раствора последовательно снижается, может отличаться тем, что самоиспаритель сообщенный паропроводом с греющей камерой последнего по ходу пара выпарного аппарата, соединен трубопроводом раствора с дополнительным самоиспарителем, сообщенным паропроводом с дополнительным конденсатором, оснащенным устройством для вывода неконденсирующихся газов, предпочтительно - с эжектором.
Технический результат реализации заявляемой многокорпусной выпарной установки заключается в использовании новой схемы движения раствора по последовательно соединенным выпарным аппаратам, при которой поток исходного раствора разделяют на два и направляют одновременно в два аппарата, например, последний и предпоследний по ходу пара, а далее осуществляют перемежающийся через один аппарат (т.е. обходя один - каждый второй аппарат) переток образовавшихся потоков по остальным аппаратам. Причем раствор может перетекать как прямоточно с движением вторичного пара по установке, так и противоточно движению вторичного пара. При этом в любой выпарной аппарат поступает лишь половина общего потока концентрируемого раствора, перетекающего по установке. В первый по ходу пара выпарной аппарат, обогреваемый свежим греющим паром, поступает также лишь половина этого потока и, соответственно, на подогрев раствора до температуры кипения необходимо затратить только половину того тепла, которое расходуется в известных выпарных установках, в которых происходит переток всего потока концентрируемого раствора в каждый из выпарных аппаратов, составляющих выпарную установку. В заявляемой выпарной установке вторая половина общего потока концентрируемого раствора поступает во второй по ходу пара выпарной аппарат и нагрев этого раствора и выпаривание его осуществляется вторичным (отработанным - и поэтому дешевым) паром первого выпарного аппарата, а не дорогим свежим греющим паром, подаваемым извне. Более того, при использовании заявляемого способа в первом корпусе выпарной установки за счет свежего греющего пара из раствора выпаривается лишь половина воды, выпариваемой в первых корпусах известных выпарных установок. Остальная вода выпаривается также вторичным паром первого корпуса. Таким образом, применение заявляемого способа увеличивает кратность использования свежего греющего пара и тем самым повышает экономичность процесса выпаривания и выпарных установок.
Для оценки преимущества реализации заявляемой многокорпусной выпарной установки были выполнены расчеты двух вариантов промышленной шестикорпусной противоточной выпарной установки производительностью 380 т/ч выпариваемой воды при расходе исходного раствора 1090 т/ч. Первый вариант представлял традиционную противоточную
установку, выполненную по известной схеме, принятой за прототип. Второй вариант составляла предлагаемая выпарная установка. Сопоставление результатов расчета показало, что в заявляемой выпарной установке расход свежего пара на нагрев раствора в первом выпарном аппарате составил 2,7 т/ч, а общий расход свежего пара на установку - 69 т/ч, тогда как, в известной установке, соответственно на нагрев раствора в первом корпусе расходуется 5,4 т/ч, а в целом на установку - 86 т/ч свежего пара. Экономия пара при использовании предлагаемого способа концентрирования составляла 17 т/ч свежего пара или 19,8% от общего расхода его в известной выпарной установке. Это показывает, что применение заявляемого технического решения дает весьма существенное снижение потребления пара в процессе выпаривания.
Заявляемый многокорпусная выпарная установка отвечают всем критериям патентоспособности. Технические решения являются новыми, так как из уровня техники не известны технические решения с такими же совокупностями существенных отличительных признаков, о чем свидетельствует проведенный заявителями анализ научно-технической и патентной литературы. Проработка выпарной установки промышленного масштаба позволяет сделать вывод об отсутствии каких-либо трудностей и препятствий для успешного использования ее в промышленности с достижением ожидаемого значительного положительного результата. Это свидетельствует о соответствии предлагаемых технических решений критериям «новизна» и «существенные отличия».
На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемой выпарной установки с противоточным движением пара и раствора. На фиг.2 приведен вариант заявляемой выпарной установки, в котором при помощи комплекта кожухотрубных подогревателей иллюстрируется максимальное использование тепла вторичного пара для нагрева раствора, поступающего на выпаривание. На фиг.3 приведена принципиальная схема заявляемой выпарной установки с прямоточным движением вторичного пара и растворов. На фиг.4 показан вариант заявляемой выпарной установки при прямоточном движении по установке пара и концентрируемого раствора, в котором концентрированный раствор из предпоследнего аппарата направляют в последний по ходу пара выпарной аппарат. На фиг.5 приведен другой вариант многокорпусной выпарной установки с противоточным движением потоков пара и раствора, оснащенной самоиспарителями раствора, в котором предусмотрен дополнительный самоиспаритель раствора, сообщающийся с дополнительным конденсатором и работающий при более низком давлении пара. На фиг.6 показана характерная графическая зависимость температурной депрессии раствора от концентрации растворенных в нем солей.
Таким образом, заявляемая выпарная установка может быть реализована как при противоточном, так и при прямоточном взаимном движении пара и концентрируемого раствора. На фиг.1 приведена принципиальная схема противоточной установки, включающей шесть выпарных аппаратов (корпусов) 1-6, каждый из которых содержит греющую камеру 7, сепаратор 8, патрубок 9 для подвода и патрубок 10 для вывода раствора, патрубок 11 для вывода вторичного пара из сепаратора и патрубок 12 для подвода пара в греющую камеру. Кроме того, установка включает концевой конденсатор 13 с устройством 14 для вывода неконденсирующихся газов, трубопровод исходного раствора 15, растворные переточные трубопроводы 16, трубопровод 17 для отвода концентрированного раствора и трубопровод 18 для подвода свежего греющего пара. Выпарные аппараты соединены последовательно паропроводами 19 так, что вторичный пар одного аппарата служит греющим паром для последующего. Подводящий паровой патрубок 12 первого аппарата сообщен с трубопроводом 18 свежего пара, а патрубок 11 вывода вторичного пара последнего корпуса соединен с концевым конденсатором 13 трубопроводом 20.
Эта установка работает следующим образом.
Из трубопровода 15 исходный раствор через патрубок 9 подается одновременно в выпарные аппараты 5 и 6, из которых при помощи насосов частично концентрированный раствор по трубопроводам 16 перекачивается для дальнейшего концентрирования в другие аппараты: из выпарного аппарата (ВА) 6 сначала в ВА 4 (обходя ВА 5) а затем, обходя ВАЗ 3, - в ВА 2, где окончательно концентрируется; из ВА 5 раствор сначала направляется в ВА 3, а затем - в ВА 1 для окончательного концентрирования. Из ВА 2 и ВА 1 концентрированный раствор через патрубки 10 с помощью насосов выводится в трубопровод концентрированного раствора 17.
Таким образом, в заявляемой выпарной установке, в отличие от известных, в первый корпус поступает лишь половина потока концентрируемого раствора, которая нагревается до температуры кипения свежим греющим паром. Кроме того, при прелагаемом способе концентрирования и в заявляемой выпарной установке в первом корпусе выпаривается половина количества воды, выпариваемого в известных установках. При этом обеспечивается возможность, недостижимая в известных установках, уменьшить потребление свежего пара до минимума путем более полного использования тепла вторичного пара всех выпарных аппаратов при помощи системы кожухотрубных подогревателей 21, как это показано, например, на схеме, приведенной на фиг.2. Последнее обусловлено тем, что в заявляемой выпарной установке обеспечивается более эффективная система регенеративного нагрева концентрируемого раствора. Выполненные проработки и расчеты показывают, что в известных
выпарных установках такая полнота и эффективность регенеративного подогрева не обеспечивается.
На фиг.3 приведена принципиальная схема прямоточной выпарной установки, состоящей из шести выпарных аппаратов и из тех же основных элементов, что и рассмотренный ранее вариант, изображенный на фиг.1.
Эта установка работает следующим образом.
Из трубопровода 15 исходный раствор через патрубки 9 подается одновременно в ВА 1 и в ВА 2, из которых при помощи насосов частично концентрированный раствор по трубопроводам 16 перекачивается для дальнейшего концентрирования в другие аппараты: из ВА 1 сначала в ВА 3 (минуя ВА 2), а затем (минуя ВА 4) - в ВА 5, где доупаривается до конечной концентрации; из ВА 2 раствор сначала направляется в ВА 4 (минуя ВА 3), а затем - в ВА 6 (минуя ВА 5), где упаривается до конечной концентрации. Из ВА 5 и ВА 6 концентрированный раствор через патрубки 10 с помощью насосов откачивается в трубопровод 17 концентрированного раствора.
Таким образом, в этой установке также в ВА 1 поступает только половина общего потока концентрируемого раствора и, следовательно, потребляется только половина потока пара, расходуемого в известных прямоточных выпарных установках. В заявляемой установке, также как и в известных, для некоторого снижения расхода свежего пара может быть использована система регенеративного подогрева раствора с использованием вторичного пара всех выпарных аппаратов, но существенное преимущество в экономии пара заявляемой установки по сравнению с известной, принятой за прототип, при этом сохраняется.
Заявляемая многокорпусная выпарная установка может быть оснащена выпарными аппаратами различных конструкций, в частности, пленочными аппаратами, например - выпарными аппаратами с падающей пленкой. Характерная особенность этих аппаратов заключается в том, что стабильное пленочное течение и эффективная работа их достигается лишь при интенсивности орошения теплообменных трубок концентрируемым раствором не ниже определенных значений. Так как интенсивность орошения теплообменных трубок уменьшается по мере движения концентрируемого раствора по выпарным аппаратам, наиболее близки к критическим значениям интенсивности орошения теплообменные трубки последнего выпарного аппарата. При малых значениях интенсивности орошения не только уменьшается скорость теплопередачи, но и повышается опасность образования отложений (накипи) растворенных веществ на поверхности теплопередачи, что снижает производительность установки. Этот процесс наиболее явно выражен в прямоточных выпарных установках,
оснащенных пленочными выпарными аппаратами, когда одновременно с уменьшением расхода концентрируемого раствора при движении его от первого корпуса к последнему понижается его температура, вследствие чего повышается вязкость, что замедляет процесс пленкоформирования и обусловливает снижение скорости движения пленки раствора по поверхности теплообменных трубок в последних корпусах. В конечном итоге это уменьшает теплопередачу и стабильность пленочного течения. Для уменьшения негативного влияния перечисленных факторов в заявляемой выпарной установке концентрированный раствор из предпоследнего выпарного аппарата может быть направлен в последний выпарной аппарат, как это показано на фиг.4: из ВА 5 концентрированный раствор через патрубок 10 насосом по дополнительному трубопроводу 30 подается в ВА 6, что позволит в два раза увеличить в этом аппарате интенсивность орошения теплообменных трубок и тем самым повысить эффективность работы его даже при высоких степенях концентрирования. Общий (суммарный) поток концентрированного раствора выводится из ВА 6 в трубопровод концентрированного раствора 17.
В известных противоточных выпарных установках с целью использования теплосодержания концентрируемого раствора, которое этот раствор приобретает достигая первого выпарного аппарата, применяют самоиспарение его в нескольких самоиспарителях, работающих под последовательно и ступенчато снижающемся давлении, соответствующем значениям давления в греющих камерах выпарных аппаратов. Таким каскадом самоиспарителей может быть оснащена также заявляемая выпарная установка. При этом в заявляемой выпарной установке после самоиспарителя, сообщающегося с греющей камерой последнего выпарного аппарата, установлен дополнительный самоиспаритель, работающий под более низким давлением (под более глубоким вакуумом), создаваемым при помощи дополнительного конденсатора оснащенного специальным устройством для удаления неконденсирующихся газов.
Принципиальная схема такой установки приведена на фиг.5.
Установка работает следующим образом.
Концентрированный раствор из первого выпарного аппарата шестикорпусной противоточной установки по трубопроводу 31 поступает в самоиспаритель 32, паропроводом 40 сообщающимся с греющей камерой третьего выпарного аппарата. В самоиспарителе раствор вскипает и образующийся пар отводится по трубопроводу 41. Раствор из самоиспарителя 32 совместно с концентрированным раствором из второго выпарного аппарата проходит последовательно самоиспарители 33, 34 и 35, в каждом из которых раствор вскипает и пар вскипания отводится по паропроводам
42, 43, 44, соответственно, в греющие камеры четвертого, пятого и шестого выпарных аппаратов. При этом концентрация солей в растворе увеличивается. Покидая самоиспаритель 35 концентрированный раствор попадает в дополнительный самоиспаритель 36 с более низким рабочим давлением. Этот самоиспаритель паропроводом 38 соединен с дополнительным конденсатором 39, оснащенным отдельным устройством для отвода неконденсирующихся газов, предпочтительно пароэжектором 40. Конденсатор охлаждается оборотной водой, поступающей в него по отдельному трубопроводу, снабженному регулирующим клапаном (на фиг.5 не показан).
Самоиспаритель 36 в заявляемой установке имеет два предназначения.
Во-первых, как и остальные самоиспарители он служит для выпаривания воды из раствора, т.е. для концентрирования раствора. Из этого самоиспарителя в трубопровод 17 поступает раствор при конечной концентрации солей, заданной технологическим регламентом производства.
Во-вторых, самоиспаритель 36 служит в качестве сосуда, в котором создаются и постоянно поддерживаются условия, необходимые для непрерывного и достаточно точного измерения концентрации солей в растворе, отводимом из выпарной установки в качестве готового продукта. Такие точные измерения не могут быть выполнены в других аппаратах установки, предназначенных для осуществления основного технологического процесса - процесса выпаривания вследствие неизбежных колебаний кроме концентрации таких факторов, как изменение концентрации солей в исходном растворе, отложение солей на поверхностях теплопередачи выпарных аппаратов и подогревателей, внезапные изменения расхода исходного раствора, накапливание неконденсирующихся газов в греющих камерах выпарных аппаратов и других, изменяющих температуру кипения раствора и давление вторичного пара по выпарным и другим технологическим аппаратам выпарной установки, что существенно увеличивает погрешности измерений степени концентрирования раствора и, следовательно, точность регулирования и поддержания заданных значений концентрации раствора на выходе, выполняемых по результатам этих измерений. Изложенный аспект является недостатком известных выпарных установок, в том числе установок, принятых за прототип.
Применение дополнительного самоиспарителя 36, сообщающимся с отдельным - дополнительным конденсатором 39, имеющим регулируемую подачу воды и управляемое устройство для вывода неконденсирующихся газов, позволяет обеспечить постоянство давления пара в паровом пространстве самоиспарителя независимо от неизбежных колебаний режима работы выпарной установки и тем самым полностью
устраняет факторы, препятствующие достаточно точному и достоверному измерению концентрации солей в растворе на выходе из установке, представляющем конечный производственный продукт.
Это достигается следующим образом. При увеличении давления в паровом пространстве самоиспарителя 36 выше заданного, на конденсатор 39 посредством регулирующего клапана увеличивается расход охлаждающей воды и одновременно увеличивается расход рабочего пара на паровой эжектор 40, предназначенный для предупреждения накапливания неконденсирующихся газов в конденсаторе 39. Увеличение расхода пара на эжектор 40 осуществляется посредством регулирующего клапана на подводящем парапроводе (на фиг.5 не показан). При уменьшении давления пара в паровом пространстве самоиспарителя 36.соответственно, уменьшается поток воды на конденсатор и расход пара на эжектор 40. Применение парового эжектора в качестве устройства для предупреждения накапливания в конденсаторе неконденсирующихся газов предпочтительнее использования механических насосов, так как позволяет более удобно и плавно регулировать вывод газов изменением подачи рабочего пара.
Кроме того, дополнительный самоиспаритель, исключая искажающие факторы, позволяет успешно использовать для определения концентрации солей в растворе наиболее дешевый и эффективный способ, заключающийся в измерении его температурной депрессии, представляющей разность температуры кипения раствора и температуры насыщения образующегося в кипящем растворе вторичного пара. Эта разность фиксируется одним несложным измерением при использовании простого, дешевого и достаточно точного устройства. Известно, что у любого раствора при данном давлении существует одна четко определенная графическая зависимость температурной депрессии от концентрации солей в растворе, аналогичная графику зависимости для раствора NaOH, приведенному в качестве примера на фиг.6 на основании данных приложения 9 в книге: Плановский А.Н. и др. «Процессы и аппараты химической технологии». - М. Химия. 1968. Стр.817. Использование такого графика позволяет измеренное значение депрессии Δt (например, Δt=18,2 - на оси ординат - точка «а») с высокой точностью соотнести с значением концентрации солей в растворе С: проведя горизонтальный луч получить точку «б» на кривой графика, от которой, опуская вертикальный луч, найти на оси абсцисс значение концентрации солей - 32% (точка «в»). При применении несложной программной системы эти операции выполняются моментально автоматически. Найденное значение концентрации, а также фиксируемая прибором тенденция к дальнейшему изменению позволяет осуществлять управление процессом выпаривания в установке и поддерживать
необходимую концентрацию выходящего из нее раствора воздействием, например, на регулирующий клапан на паропроводе свежего пара, изменяя тем самым давления (и, соответственно, расход) свежего пара, поступающего в греющую камеру первого выпарного аппарата.
Из изложенного следует, что заявляемая многокорпусная выпарная установка является новым техническим решением, позволяющим получить при реализации весьма существенный положительный эффект, заключающийся в значительном уменьшении расхода свежего пара на процесс выпаривания, в уменьшении габаритов выпарных аппаратов, что особенно важно при создании оборудования с большой единичной производительностью, так как позволяет сократить затраты на его транспортировку и монтаж, в обеспечении возможности применения более дешевых, надежных и точных способов и устройств для измерения концентрации упаренного раствора, что также повышает эффективность выпарной установки и уменьшает затраты на процесс выпаривания. Заявляемые технические решения могут быть реализованы в многокорпусной выпарной установке с количеством корпусов (выпарных аппаратов) три и более как при прямоточном движении вторичного пара и раствора, так и при противоточном, что расширяет возможности их практического использования для концентрирования технологических растворов с различными свойствами.