ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ СМЕСИ МАТОЧНЫХ ПЕНТАЭРИТРИТО-ФОРМИАТНЫХ РАСТВОРОВ

Полезная модель относится к технологии многоатомных спиртов и может быть использована для концентрирования пентаэритрито -формиатных растворов с целью кристаллизации и получения пента-эритрита, применяемого в производстве высококачественных лаков на конденсационной основе, присадок к маслам и ряда других продуктов.
Процесс концентрирования играет важную роль в технологии получения пентаэритрита. Показатели стадии концентрирования в значительной степени определяют экономические показатели производства пентаэритрита. При этом эффективность работы выпарных аппаратов во многом обусловлена уровнем совершенства технологии процесса выпаривания, а также конструкций выпарных аппаратов.
Технологический процесс концентрирования выпариванием пентаэритрито- формиатных растворов с кристаллизацией пентаэритрита имеет ряд особенностей, которые затрудняют аппаратурное оформление и экономичное проведение этого процесса. Особенностями пентаэритрито-формиатных растворов являются их многокомпонентность и термолабильность. Для предупреждения разложения максимальная температура не должна превышать 130°С. Ввиду больших значений депрессии раствора экономически оправданная минимальная температура кипения его в последнем корпусе выпарной установки составляет 50-55°С. Указанные ограничения определяют диапазон температур, преемлемый в выпарной установке, 75-80°С, из которого с учетом потерь (на депрессию, в паропроводах и пр.) на каждый выпарной аппарат приходится в среднем лишь по 10-12°С. Это ограничивает возможности экономичного применения традиционно используемых выпарных аппаратов при оптимальном соотношении капитальных и эксплуатационных затрат.
Установлено (Загидуллин С.Х. и др. Исследование пересыщений в системе пентаэритрит - вода с целью оптимизации процесса кристаллизации. ЖПХ, 1995, т.68, В.4. С.547. Мошева Л.А. Физико-химические основы кристаллизации пентаэритрита из водных и вводно-солевых растворов. Автореф. Канд. дисс. Пермь, 1997. и др.), что при выпаривании этих растворов образование и рост кристаллов происходит при больших пересыщениях раствора по пентаэритриту, которое возрастает с увеличением концентрации формиата натрия, растворенных примесей, а также с увеличением темпов создания пересыщения (то есть темпов выпаривания
из раствора воды и охлаждения суспензии) и уменьшением начальной температуры насыщения. Сохранение большого пересыщения обусловлено весьма малыми скоростями массопереноса в образующейся суспензии, при которых для достаточно полного выделения кристаллизующегося вещества требуется продолжительное время.
Усложняет технологический процесс необходимость проведения кристаллизации пентаэритрита из реакционных растворов, которые содержат 20-40% пентаэритрита, 30-45% формиата натрия и 10-25% органических примесей. В присутствии такого количества растворенных веществ значительно возрастает вязкость жидкой фазы и расширяется метастабильная зона существования пересыщенных растворов пентаэритрита. Это снижает эффективность работы кристаллизаторов.
В производстве пентаэритрита чаще всего применяли кристаллизаторы периодического действия, представляющие собой цилиндрические аппараты с коническим днищем и охлаждающими рубашками, снабженные рамными мешалками (С.Х.Загидуллин, Л.А.Мошева, В.А.Даут, Е.Р.Мошев, В.И.Ожегов, Е.Е.Кожухов «Разработка и внедрение кристаллизатора непрерывного действия в производстве пентаэритрита». «Химическая промышленность», №2, 1995 г., стр.8). Для обеспечения непрерывной работы кристаллизаторы иногда соединяли в каскад из 3-5 ступеней. Однако вследствие ступенчатого характера охлаждения суспензии ухудшались условия кристаллизации. Из-за частого забивания переточных каналов между отдельными ступенями требовалось снижение начальной концентрации раствора с соответствующим уменьшением степени выделения пентаэритрита. У этих кристаллизаторов была низкая удельная поверхность теплообмена, несовершенная гидродинамика перемешивания и ряд других недостатков. Возможность интенсификации работы аппаратов путем замены тихоходных рамных мешалок на быстроходные ограничена высокой эффективной вязкостью суспензии и низкой механической прочностью кристаллов пентаэритрита.
Перечисленные недостатки обусловливали малую интенсивность кристаллизации, которая по продолжительности превышала все остальные технологические операции. Получаемые кристаллы из-за неоднородности перемешивания суспензии и длительности процесса дополнительно истирались с образованием мелких фракций частиц с размерами менее 100 мкм. Такой неоднородный по гранулометрическому составу осадок имел повышенное гидравлическое сопротивление, что снижало производительность фильтровального оборудования и ухудшало условия промывки продукта.
Известен кристаллизатор непрерывного действия по патенту РФ №2035195, МПК В 01 D 9/02, публ. 20.05.95 г. Кристаллизатор представляет собой горизонтальный прямоугольный корпус с патрубками для подачи исходного раствора и вывода продукционной суспензии. Внутри корпуса в нижней его части в коридорном порядке
расположена теплообменная поверхность в виде прямых теплообменных труб, размещенных продольными рядами. При этом межтрубное пространство секционировано поперечными вертикальными перегородками, снабженными регулируемыми боковыми отверстиями, расположенными в противоположных сторонах смежных перегородок. Перемешивающее устройство выполнено в виде гребенок, закрепленных на горизонтальных тягах и установленных между перегородками с возможностью возвратно-поступательного движения в горизонтальной плоскости вдоль рядов труб.
3
Реакционный раствор перед кристаллизацией выпаривают и при температуре 80-85°С и плотности 1290-1320 кг/м подают в первую секцию кристаллизатора, откуда он последовательно самотеком перемещается через все десять секций. Противотоком по трубам движется охлаждающая жидкость. В каждой секции достигается высокое качество перемешивания суспензии. Присутствие затравочных кристаллов значительно облегчает процесс гетерогенного снятия пересыщения раствора, что способствует улучшению кристаллической структуры пентаэритрита.
Недостатками известной установки с кристаллизатором по патенту РФ №2035195 являются низкая интенсивность процесса кристаллизации и, соответственно, малая производительность кристаллизатора, обусловленная малой движущей силой процесса, создаваемой пересыщением, достигаемым только за счет уменьшения температуры суспензии, а также малой скоростью массопереноса в растворе вследствие низкой температуры кристаллизации.
Наиболее близкой к заявляемой установке для переработки смеси маточных пентаэритрито-формиатных растворов является трехкорпусная прямоточная выпарная установка, описанная в Технологическом регламенте №15 производства пентаэритрита Губахинского ОАО «Метафракс».
Это техническое решение принято заявителем за прототип. Выпарная установка - прототип содержит две ступени последовательно соединенных по ходу раствора и пара выпарных аппаратов с вертикальными трубами. Первая ступень установки содержит два выпарных аппарата с естественной циркуляцией. Вторая ступень представляет собой кристаллизатор с принудительной циркуляцией и содержит циркуляционный контур с насосом и паровой сепаратор, соединенный паропроводом с концевым конденсатором.
Достоинствами устройства - прототипа являются большая начальная скорость процесса кристаллизации, обусловленная увеличенной движущей силой процесса, так как пересыщение создается не только снижением температуры раствора на входе в кристаллизатор, а в значительно большей степени выпариванием воды в кристаллизаторе.
Недостатки известной выпарной установки состоят в следующем. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией в условиях выпаривания
2
сильно концентрированных пентаэритрито-формиатных растворов работают с малой интенсивностью теплопередачи и требуют для стабильной работы большой полезной разности температур (более 15-20°С). Вследствие этого они имеют большие поверхности теплопередачи и, соответственно, большую металлоемкость и стоимость, а также габариты. Удельная рабочая поверхность этих аппаратов невелика и равна 69-71 м/т выпариваемой воды. Кроме того, из-за сравнительно небольших полезных разностей температур, обусловленных ограничением рабочего диапазона температур установки (ограничением температуры кипения в первом выпарном аппарате и в кристаллизаторе), работа выпарных аппаратов неустойчива.
При поступлении насыщенного раствора в кристаллизатор происходит бурное вскипание и энергичное кипение раствора с образованием большого количества пара (до 50% от потока поступающего в аппарат раствора) при одновременном охлаждении кипящего раствора на 30-40°С. Вследствие действия этих факторов возникает весьма значительное пересыщение раствора по пентаэритриту и образуется большое количество зародышей микрокристаллов- центров кристаллизации, для дальнейшего существенного роста которых не хватает ни массы вещества, которое продолжает кристаллизоваться из раствора, ни времени пребывания пересыщенной суспензии в кристаллизаторе. Последний фактор является очень важным, так как вследствие снижения температуры раствора, увеличения в растворе концентрации формиата натрия и растворенных примесей скорость массопереноса резко падает, а также уменьшается движущая сила процесса массопереноса. В этих условиях даже наличие большого количества мелких кристаллов за время пребывания в аппарате не приводит к достаточно полному выделению пентаэритрита.
Изучение причин неудовлетворительной работы установки - прототипа позволило авторам предлагаемой полезной модели устранить вышеназванные недостатки и создать выпарную установку, отвечающую современным требованиям, предъявляемым к процессам концентрирования растворов и кристаллизации.
Предлагаемая на экспертизу выпарная установка для переработки смеси маточных пентаэритрито - формиатных растворов, сохраняя все достоинства устройства - прототипа, касающиеся последовательности подключения выпарных аппаратов по пару и раствору, имеет существенные отличия от него, касающиеся типов используемых выпарных аппаратов на всех стадиях концентрирования, благодаря которым достигается требуемый современными условиями технический результат - повышение качества получаемого кристаллического продукта и степени извлечения пентаэритрита из обрабатываемого раствора, увеличение интенсивности работы и производительности оборудования при повышении экономичности процесса и снижении энергозатрат и капитальных затрат на оборудование.
Полезная модель, так же как и прототип, содержит две ступени последовательно соединенных по ходу раствора и пара выпарных аппаратов с вертикальными трубами. Вторая ступень установки представляет собой кристаллизатор, снабженный циркуляционным контуром с насосом и паровым сепаратором, соединенным паропроводом с концевым конденсатором.
Новым в предлагаемой выпарной установке является то, что первая ступень состоит из аппаратов с пленочным течением жидкости, например, из выпарных аппаратов с падающей пленкой, а вторая ступень снабжена дополнительным кристаллизатором с циркуляционным контуром, имеющим насос, и дополнительным конденсатором, соединенным с паровым сепаратором дополнительного кристаллизатора и оснащенным устройством для вывода неконденсирующихся газов, причем последний аппарат первой ступени снабжен дополнительным трубопроводом отвода вторичного пара, сообщенным с греющей камерой дополнительного кристаллизатора. Кроме того, на дополнительном трубопроводе вторичного пара может быть установлено устройство для регулирования потока. Еще одним отличием установки является то, что растворный объем дополнительного кристаллизатора в 1,5-2,5 раза больше, чем первого. Первый кристаллизатор может быть снабжен вынесенным гидроциклоном, подводящий патрубок которого соединен с нагнетательной камерой циркуляционного насоса, песковый -с всасывающей камерой насоса, а патрубок осветленного раствора - с патрубком вывода упаренного раствора. Кроме того, выхлоп устройства для удаления неконденсирующихся газов из дополнительного конденсатора сообщен с концевым конденсатором.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в том, что осуществление предварительного выпаривания при пленочном течении раствора позволяет уменьшить долю заданного диапазона рабочих температур, используемого для этой цели, и соответственно, увеличить долю его для проведения процесса кристаллизации, что дает возможность управлять этим процессом в необходимых пределах и создать оптимальные условия для выполнения в двух (в основном и в дополнительном) выпарных кристаллизаторах с принудительной циркуляцией, обогреваемых параллельно и различающихся: функционально (первый служит для получения кристаллов, второй - в качестве кристаллорастителя), а также режимными и конструктивными параметрами, что создает необходимые условия для получения высококачественного - крупнокристаллического однородного продукта при меньших, чем в прототипе, капитальных и эксплуатационных затратах.
Заявляемая выпарная установка отвечает всем критериям патентоспособности полезной модели. Она является новой, так как из уровня техники не известны решения с такими же совокупностями существенных признаков, о чем свидетельствует приведенный выше анализ установок для переработки смеси маточных пентаэритрито - формиатных
растворов. Более того, проблема переработки термолабильных пентаэритрито-формиатных растворов, имеющих сложный состав, до сих пор не была решена, хотя потребность решить ее существует давно. Предлагаемая выпарная установка позволила эту проблему решить, удовлетворив существующую потребность, и дала возможность устранить узкое место в сложной цепочке производства пентаэритрита. Благодаря заявляемому решению нет необходимости останавливать оборудование через каждые двадцать часов работы и проводить отмывки теплопередающих поверхностей, снижающие производительность производства и вызывающие увеличение энергозатрат.
Заявляемая полезная модель промышленно применима, может быть использована в промышленности, в тех ее отраслях, что указаны в начале описания. Все признаки полезной модели выполнимы и воспроизводимы и для достижения ожидаемого технического результата используются в полном объеме.
Представляемое описание конкретного выполнения выпарной установки - подтверждение тому.
На прилагаемой к заявке схеме - иллюстрация заявляемой выпарной установки. При этом приведена схема четырехкорпусной выпарной установки.
Выпарная установка для переработки смеси маточных пентаэритрито-формиатных растворов содержит две ступени последовательно соединенных по ходу пара и раствора выпарных аппаратов 1, 2 и 3 с вертикальными теплообменными трубками, размещенными в греющих камерах. Первая ступень состоит из двух выпарных аппаратов 1 и 2 пленочного типа. Вторая ступень содержит кристаллизатор 3 с циркуляционной трубой 4, насосом 5 и паровым сепаратором 6, образующими циркуляционный контур. Сепаратор 6 паропроводом 7 соединен с концевым конденсатором 8.
Вторая ступень установки снабжена дополнительным кристаллизатором 9 с циркуляционной трубой 10, насосом 11 и дополнительным конденсатором 12, соединенным паропроводом 13 с сепаратором 14 и оснащенным устройством 15 для отвода неконденсирующихся газов. Последний выпарной аппарат 2 первой ступени снабжен дополнительным трубопроводом 16 отвода вторичного пара, сообщенным с греющей камерой 17 дополнительного кристаллизатора 9. Растворный объем дополнительного кристаллизатора 9 в 1,5- 2,5 раза больше растворного объема кристаллизатора 3. Кристаллизатор 9 представляет собой выпарной аппарат с принудительной циркуляцией суспензии, вертикальными трубами и циркуляционным контуром, образованным трубой 10, насосом 11, греющей камерой 17 и сепаратором 14. На дополнительном трубопроводе 16 установлено устройство 18 для регулирования потока пара.
Кристаллизатор 3 снабжен вынесенным гидроциклоном 19, подводящий патрубок 20 которого соединен с нагнетательной камерой
циркуляционного насоса 5, песковый патрубок 21 соединен с трубой 4, соединенной с всасывающей камерой насоса 5, а патрубок 22 осветленного раствора соединен с патрубком 23 вывода упаренного раствора. Кристаллизатор 9 имеет патрубок 24 для отвода концентрированной суспензии с помощью насоса 25.
Для подачи в выпарную установку исходной смеси маточных пентаэритрито-формиатных растворов из бака 26 служит насос 27 и трубопровод 28. Выпарные аппараты 1 и 2 первой ступени соединены между собой по раствору трубопроводом 29, а по пару трубопроводом 30. Выпарной аппарат 2 снабжен насосом 31 для подачи насыщенного раствора по трубопроводу 32 в кристаллизатор 3. Кристаллизаторы 3 и 9 второй ступени сообщены между собой по раствору трубопроводом 33, а для вывода концентрированной суспензии из кристаллизатора 9 предусмотрен трубопровод 34. Трубопровод 35 последовательно соединяет между собой по пару последний аппарат 2 первой ступени с первым кристаллизатором 3 второй ступени. Устройство 15 для отвода неконденсирующихся газов сообщено трубопроводом 36 с концевым конденсатором 8.
Многокорпусная выпарная установка работает следующим образом. Исходную смесь маточных пентаэритрито-формиатных растворов из бака 26 насосом 27 подают по трубопроводу 28 в первый выпарной аппарат 1 с падающей пленкой первой ступени, где с помощью распределительных устройств раствор формируется в тонкую пленку, стекающую по внутренней поверхности вертикальных теплообменных труб. Стекая в виде пленки по трубам, раствор интенсивно кипит и частично концентрируется. Выпаривание осуществляется за счет тепла конденсации пара, поступающего из котельной, на наружной поверхности теплообменных труб. Смесь частично сконцентрированного раствора и образовавшегося вторичного пара из нижних концов теплообменных труб поступает в сепаратор, где разделяется: раствор для дальнейшего концентрирования по трубопроводу 29 направляют во второй выпарной аппарат 2 с падающей пленкой, работающий при более низкой температуре кипения, чем первый.
Вторичный пар из сепаратора выпарного аппарата 1 по трубопроводу 30 направляют в греющую камеру выпарного аппарата 2 в качестве теплоносителя для осуществления процесса выпаривания раствора. Раствор, сконцентрированный до состояния насыщения по пентаэритриту, откачивают насосом 31 по трубопроводу 32 в первый кристаллизатор 3 второй ступени. Вторичный пар из сепаратора выпарного аппарата 2 разделяют на два потока: первый поток по трубопроводу 35 направляют в греющую камеру первого кристаллизатора 3, а второй по трубопроводу 16, оснащенному регулирующим устройством 18, отводят в греющую камеру 17 дополнительного кристаллизатора 9 и используют в этих аппаратах для дальнейшего выпаривания.
В первом кристаллизаторе 3 выпаривание раствора сопровождается выделением кристаллов (затравочных кристаллов) пентаэритрита и образованием суспензии этих кристаллов, на которых отлагается выделяющийся из жидкой фазы пентаэритрит. В начальный период работы или при резких колебаниях параметров выпарки концентрация кристаллов, выделяющихся в первом кристаллизаторе 3, может оказаться меньше значений, определяющих условия длительной безнакипной работы. Для поддержания концентрации кристаллов в оптимальном диапазоне (20-30%) в первом кристаллизаторе 3 с циркуляционным контуром предусмотрено механическое досгущение при помощи вынесенного гидроциклона 19, подводящий патрубок 20 которого соединен с нагнетательной камерой циркуляционного насоса 5, песковый патрубок 21 связан с трубой 4, соединенной с всасывающей камерой циркуляционного насоса 5, а патрубок 22 осветленного раствора-с патрубком 23 для вывода упаренной суспензии.
Концентрированный раствор, содержащий определенное количество кристаллов, по трубопроводу 33 перетекает во второй кристаллизатор 9 для окончательного концентрирования и кристаллизации пентаэритрита.
Концентрированную суспензию из второго кристаллизатора 9 через патрубок 24 по трубопроводу 34 насосом 25 подают на фильтр или на центрифугу для отделения кристаллов пентаэритрита как готового продукта. Маточный раствор - раствор пентаэритрита после отделения кристаллов пентаэритрита направляют на дальнейшую переработку для выделения формиата натрия в качестве товарного продукта.
Вторичный пар из парового сепаратора 14 второго кристаллизатора 9 по трубопроводу 13 направляют в дополнительный конденсатор 12, где он конденсируется на потоке воды, подаваемой из системы оборотного водоснабжения. Неконденсирующиеся газы из конденсатора 12 отсасывают устройством 15 и по выхлопной трубе 36 отводят в концевой конденсатор 8, а из него - в атмосферу. Такая схема вывода неконденсирующихся газов из дополнительного конденсатора 12 позволяет сократить расходы на создание и поддержание более глубокого вакуума и, следовательно, более низкой температуры кипения во втором кристаллизаторе 9. При этом значительно снижается расход необходимой охлаждающей воды, а следовательно, габариты и металлоемкость конденсатора.
Преимущества заявляемой выпарной установки наглядно видны из сопоставления основных показателей работы известной установки, принятой за прототип, и заявляемой выпарной установки, предназначенной к реализации для расширения производства пентаэритрита (см. таблицу на следующей странице).
На заявляемой установке осуществляется более полное извлечение пентаэритрита из обрабатываемого раствора, что увеличивает производительность ее по готовому продукту, а также обеспечивает получение более качественного продукта ( более крупные и однородные
кристаллы), что сокращает затраты на последующем технологическом переделе - при отделении кристаллов от раствора.
Таблица
Показатели
Прототип
Заявляемая установка
1. Производительность, кг/ч
по исходному раствору
16600
18000
по кристаллическому пентаэритриту
1374
1800
2. Рабочий диапазон температур при выпаривании, °С
83
77
3. Поверхность теплопередачи выпарных аппаратов и подогревателей, м<sup>2</sup>
558
314
4. Удельный расход пара, кг/кг продукта
2,86
2,80
5. Удельная производительность по продукту, кг продукта/ м<sup>2</sup>
2,46
5,73
6. Удельный расход охлаждающей оборотной воды, м<sup>3</sup>/т продукта
422
144