КОМБИНИРОВАННЫЙ ВЫПАРНОЙ АППАРАТ

Выпарные аппараты пленочного типа - с падающей и с поднимающейся пленкой - являются весьма эффективными и экономичными аппаратами, которые широко используются в различных отраслях промышленности. Высокая интенсивность выпаривания в этих аппаратах обеспечивается тем, что выпариваемый раствор, сформированный в виде тонкой пленки, под действием силы тяжести и энергии образующегося вторичного пара с большой скоростью движется вдоль по внутренней поверхности теплообменных труб, установленных вертикально и обогреваемых снаружи. Эффективность их работы в значительной степени зависит от протяженности пленочного течения раствора, т.е. от высоты теплообменных труб. Однако большая высота аппаратов затрудняет размещение их в производственном помещении и требует дополнительных затрат на увеличение высоты помещений при оснащении технологического производства пленочными аппаратами.
Этот недостаток сведен к минимуму в выпарном аппарате по патенту РФ на изобретение №2039438, МПК A23C 1/12, 1995 г. Известный выпарной аппарат содержит вертикально установленные теплообменные трубы, закрепленные концами в верхней и нижней трубных решетках, приемно-распределительную камеру, выводную камеру и сепаратор. Приемно-распределительная камера оснащена патрубком для подвода исходного раствора, направляемого на выпаривание, закреплена сверху на верхней трубной решетке, примыкает к верхним концам половины теплообменных труб и предназначена для равномерного распределения исходного раствора форсункой по этим трубам и для формирования с помощью пленкообразующего устройства пленочного течения раствора вниз (падающей пленки). Выводная камера, также размещена на верхней трубной решетке, снабжена выводным патрубком, предназначена для вывода концентрированного раствора и вторичного пара, выходящих из верхних концов примыкающей к ней другой половины теплообменных труб (из труб с поднимающейся пленкой) через выводной патрубок в сепаратор, где происходит разделение концентрированного раствора и вторичного пара. Нижний конец каждой из теплообменных труб, примыкающих снизу к приемно-распределительной камере, при помощи дугообразной трубы сообщается с нижним концом одной из теплообменных труб, примыкающих снизу к выводной камере. Таким образом, в этом выпарном аппарате сформировано две теплообменные камеры: одна - с падающей пленкой, вторая - с поднимающейся пленкой выпариваемого раствора. При работе аппарата выпариваемый раствор проходит сначала сверху вниз первую камеру, в виде пленки поступает в нижнюю часть второй и, сохраняя пленочное течение, проходит по теплообменным трубам ее снизу вверх. В каждой камере происходит выпаривание раствора за счет тепла пара, поступающего в межтрубное пространство и конденсирующегося на наружной поверхности теплообменных труб. Образующийся вторичный пар выделяется из пленки раствора и движется по центральной части труб в одном направлении с пленкой выпариваемого раствора.
Совмещение в одном аппарате теплообменных труб с падающей и с поднимающейся пленкой выпариваемого раствора позволяет сократить необходимую высоту выпарного аппарата. Однако этот известный выпарной аппарат имеет следующие недостатки.
Во-первых, выпарной аппарат имеет большое сопротивление по растворному тракту, обусловленное в преобладающей степени сопротивлением движению парожидкостной смеси в дугообразных каналах, соединяющих нижние концы теплообменных труб с падающей и поднимающейся пленками раствора. Вследствие этого уменьшается скорость движения пленки в аппарате и, соответственно, интенсивность теплопередачи.
Во-вторых, как показали опубликованные исследования (см. реферат 14И41 в реферативном журнале «Химия», 1990 г.) в теплообменных Ụ-образных трубах в местах поворота за счет центробежных сил происходит срыв нагреваемой жидкости и оголение внутренней поверхности, что исключает эту часть из процесса теплопередачи. Можно ожидать, что аналогичное явление имеет место в известном выпарном аппарате.
В-третьих, необходимость размещения множества дугообразных труб-перемычек между теплообменными трубами с падающей и поднимающейся пленками усложняет конструкцию известного выпарного аппарата и увеличивает его металлоемкость и стоимость.
Эти недостатки исключены или сведены к минимуму в пленочном выпарном аппарате по патенту РФ на полезную модель №122583, МПК B01D 1/12, опубл. 2012 г.
Известный выпарной аппарат содержит вертикально установленные теплообменные трубы, закрепленные концами в верхней и в нижней трубных решетках, приемно-распределительную камеру, выводную камеру, нижнюю растворную камеру и сепаратор. Приемно-распределительная камера оснащена патрубком для подвода исходного раствора, направляемого на выпаривание, закреплена сверху на верхней трубной решетке, примыкает к верхним концам компактно расположенной части теплообменных труб с падающей пленкой и предназначена для равномерного распределения исходного раствора по этим трубам с формированием на их внутренней поверхности с помощью пленкообразующего устройства пленочного течения раствора вниз. Выводная камера снабжена выводным патрубком, предназначена для вывода концентрированного раствора и вторичного пара, выходящих из верхних концов примыкающей к ней остальной части теплообменных труб с поднимающейся пленкой в сепаратор, где происходит разделение раствора и вторичного пара. Нижние концы этих теплообменных труб выполнены удлиненными, выведены ниже нижней трубной решетки, где в стенках имеют отверстия. Основное отличие рассматриваемого аппарата от предыдущего выпарного аппарата-аналога заключается в том, что нижние концы труб, примыкающих к выводной камере, сообщаются с нижними концами труб с падающей пленкой, примыкающих к приемно-распределительной камере, посредством нижней растворной камеры, выполненной герметичной и прикрепленной снизу к нижней трубной решетке.
Кроме того, в известном пленочном выпарном аппарате края выпущенных вниз теплообменных труб могут быть снабжены зубцами; днище нижней растворной камеры под трубами, примыкающими к приемно-распределительной камере, может быть выполнено с уклоном α=10…60° к горизонтали до границы с пучком труб, примыкающих к выводной камере; верхние концы теплообменных труб, примыкающих к выводной камере, могут быть выпущены вверх на высоту h=5…50 мм; в стенку нижней растворной камеры у пучка труб, примыкающих к выводной камере, могут быть врезаны патрубки для подвода и вывода раствора; теплообменные трубы, примыкающие к приемно-распределительной и выводной камерам, могут иметь разный диаметр; аппарат может иметь разные количества теплообменных труб, примыкающих к приемно-распределительной и к выводной камерам.
Основное преимущество прототипа перед ранее рассмотренным известным выпарным аппаратом - аналогом обусловлено тем, что движение вторичного пара из теплообменных труб с падающей пленкой к теплообменным трубам с поднимающейся пленкой происходит через свободное большое проходное сечение, занимающее всю высоту пространства над раствором в нижней растворной камере и, следовательно, при небольшой скорости перемещения, предопределяющей значительно меньшие потери давления пара при этом движении. Уменьшение этих потерь давления вторичного пара позволяет при прочих равных условиях повысить потенциал его на входе в теплообменные трубы с поднимающейся пленкой и, тем самым, увеличить скорость движения его в этих трубах, скорость поднимающейся пленки и в конечном итоге - интенсивность теплопередачи в них и эффективность работы всего аппарата в целом.
По технической сущности и по достигаемому положительному эффекту этот известный пленочный выпарной аппарат наиболее близок к заявляемому техническому решению и поэтому принят нами в качестве прототипа.
Вместе с тем рассматриваемый известный пленочный выпарной аппарат имеет следующие недостатки.
Во-первых, проведенные исследования показали, что эффективность работы теплообменных труб с поднимающейся пленкой в значительной степени зависит от интенсивности орошения их выпариваемым раствором, а в рассматриваемом выпарном аппарате, принятом за прототип, интенсивность орошения этих труб определяется в основном гидродинамикой и режимом работы предвключенных по раствору теплообменных труб с падающей пленкой и возможности увеличения интенсивности орошения теплообменных труб с поднимающейся пленкой ограничены.
Во-вторых, опыт эксплуатации выпарных аппаратов с поднимающейся пленкой свидетельствует о том, что формирование высокоэффективного пленочного течения в них, особенно в аппаратах с большой единичной производительностью, происходит не сразу. Вследствие характерных для большой жидкостной массы инерционных возмущений на входе в трубу формирование пленочного течения раствора в выпарном аппарате-прототипе задерживается предшествующим процессом разделения раствора и вторичного пара. Поэтому начальный обогреваемый участок труб, на котором формируется поднимающаяся пленка, увеличен и выпарной аппарат-прототип в целом работает с пониженной эффективностью.
Целью создания предлагаемого комбинированного выпарного аппарата является устранение указанных недостатков и обеспечение более благоприятных гидродинамических условий в теплообменных трубах с поднимающейся пленкой, при которых достигается более эффективная работа этих труб.
Поставленная цель достигается тем, что в комбинированном выпарном аппарате, содержащем установленные в греющей камере вертикально теплообменные трубы, закрепленные концами в верхней и в нижней трубных решетках, приемно-распределительную камеру, примыкающую к верхним концам одной компактной части теплообменных труб и оснащенную патрубком для подвода исходного раствора, а также устройствами для распределения исходного раствора по этим трубам и формированием на их внутренней поверхности пленочного течения раствора вниз, выводную камеру, примыкающую к верхним концам остальной части компактно расположенных теплообменных труб и предназначенных для вывода концентрированного раствора и образующегося вторичного пара из этих труб через выводящий патрубок в сепаратор, снабженный патрубками для раздельного удаления из аппарата концентрированного раствора и вторичного пара, а также выполненную герметично нижнюю растворную камеру, прикрепленную снизу к нижней трубной решетке и сообщающую нижние концы труб, примыкающих к приемно-распределительной камере, с нижними концами труб, примыкающих к выводной камере, и снабженную патрубками для подвода и вывода концентрируемого раствора, в котором нижние концы теплообменных труб, примыкающих к выводной камере, выполнены удлиненными и выведены ниже нижней трубной решетки, где в стенках имеют отверстия, согласно полезной модели новым является то, что он снабжен разделительным устройством, предназначенным для разделения потока концентрированного раствора и оснащенным подводящим патрубком, которым оно присоединено к патрубку для удаления концентрированного раствора из сепаратора, и двумя отводящими патрубками, одним из которых оно сообщено с патрубком для подвода раствора в нижнюю растворную камеру.
В заявляемом комбинированном выпарном аппарате на трубопроводе, соединяющем разделительное устройство и нижнюю растворную камеру: могут быть установлены регулирующий клапан и расходомер, а также подогреватель раствора; концы выведенных ниже нижней трубной решетки теплообменных труб, примыкающих к выводной камере, могут быть обрезаны под углом 15°…70° к горизонтальной плоскости, так, чтобы плоскости среза были направлены в строну теплообменных труб с падающей пленкой, примыкающих к приемно-распределительной камере; в нижние концы теплообменных труб с поднимающейся пленкой, примыкающих к выводной камере, могут быть установлены завихрители (закручивающие устройства) в виде пластины шириной s=(0,65…0,95)d длиной L=(2…3,5)d, (где d - внутренний диаметр теплообменной трубы), плоскость которой по ходу движения раствора повернута на 180…360°; на нижней растворной камере может быть установлен указатель уровня.
Заявляемый комбинированный выпарной аппарат иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг.1 представлен общий вид выпарного аппарата; на фиг.2 изображены: нижняя часть теплообменных труб с падающей пленкой и с поднимающейся пленкой, нижняя растворная камера, а также схематически показано движение потоков выпариваемого раствора и вторичного пара; на фиг.3 приведены: нижняя часть теплообменных труб и нижняя растворная камера, у которой днище под теплообменными трубами с падающей пленкой выполнено с уклоном вверх, начиная от границы размещения труб с поднимающейся пленкой, а также изображены нижние концы труб с поднимающейся пленкой, подрезанные под углом к горизонтальной плоскости, а в нижних концах труб установлены завихрители.
Комбинированный выпарной аппарат содержит установленные вертикально теплообменные трубы 1 с падающей пленкой и теплообменные трубы 2 с поднимающейся пленкой. Они закреплены концами в верхней и в нижней 4 трубных решетках. На верхней трубной решетке 3 установлена приемно-распределительная камера 5, примыкающая к верхним концам труб 1. Камера 5 оснащена патрубком 6 для подвода исходного раствора. Форсунка 7 и устройство 8 предназначены для равномерного распределения исходного раствора по внутренней поверхности этих труб и для формирования пленочного течения раствора вниз. Выводная камера 9 примыкает к верхним концам труб 2, оснащена выводным патрубком 10 и предназначена для отвода концентрированного раствора и образующегося вторичного пара, выходящих из труб 2, в сепаратор 11. Сепаратор 11 служит для разделения концентрированного раствора и вторичного пара. Концентрированный раствор отводится из сепаратора через патрубок 12, а вторичный пар - через патрубок 13. Патрубок 14 предназначен для подвода греющего пара в межтрубное пространство аппарата. К нижней трубной решетке 4 присоединена нижняя растворная камера 15, посредством которой сообщаются нижние концы теплообменных труб 1 и 2. Часть днища 16 нижней растворной камеры, расположенная под теплообменными трубами 1, может быть выполнена с уклоном. Направления движения сред по аппарату показаны: вторичного пара - 17, падающей пленки в трубах 1-18, поднимающейся пленки в трубах 2-19, раствора в нижней растворной камере - 20. Нижние концы 21 теплообменных труб 2 могут быть снабжены завихрителями, выполненными, например, в виде отверстий 22. Трубопровод 23 предназначен для подачи части раствора из сепаратора 11 в патрубок 24 подвода раствора в нижнюю растворную камеру 15. Патрубок 25 предназначен для обеспечения возможности вывода части раствора из нижней растворной камеры 15. В обозначенных потоках в нижней растворной камере 26 - обозначает путь движения раствора из патрубка 24 снизу в трубы 2. Разделительное устройство 27 служит для разделения потока раствора, отводимого из сепаратора И, и снабжено подводящим патрубком 28, сообщающимся с патрубком 12 вывода раствора из сепаратора 11. Патрубки 29 и 30 служат для вывода раствора из разделительного устройства 27. Патрубок 29 предназначен для отвода готового продукта - концентрированного раствора. Патрубком 30 и трубопроводом 23 разделительное устройство 27 соединено с патрубком 24 нижней растворной камеры 15. Для контроля и регулирования передаваемого потока раствора на трубопроводе 23 могут быть установлены: регулирующий клапан 31 и расходомер 32. Для удобства контроля процесса выпаривания и обеспечения возможности согласования работы теплообменных труб 1 и 2 с падающей и с поднимающейся пленками нижняя растворная камера 15 оснащена указателем уровня раствора 33. Срезы 34, выполненные на нижних концах труб 2 (см. фиг.3), служат для использования скоростного напора потока раствора 20, стекающего по уклону 16 в нижней растворной камере 15 от труб 1, при входе его в трубы 2 и продвижении к завихрителям 22, формирующим пленочное течение раствора вверх 19. В аппаратах с большой производительностью каждый из завихрителей выполняют в виде пластины 35 шириной s=(0,65…0,95)d и длиной L=(2…3,5)d (где d - внутренний диаметр трубы), плоскость которой по ходу движения раствора повернута на 180…360°. В этом случае целесообразно также размещение подогревателя 36 на трубопроводе 23.
Заявляемый комбинированный выпарной аппарат работает следующим образом. Исходный раствор поступает в аппарат через патрубок 6 в приемно-распределительную камеру 5 и форсункой 7, прикрепленной к входному патрубку 6, равномерно распределяется по пленкообразующему устройству 8, размещенному над теплообменными трубами 1 и формирующему пленочное течение раствора по внутренней поверхности этих труб, примыкающих к приемно-распределительной камере 5. Стекая в виде пленки вниз, раствор частично выпаривается за счет тепла греющего пара, поступающего в межтрубное пространство аппарата через патрубок 14. Из нижних концов теплообменных труб 1 частично концентрированный раствор в виде пленки 18 и образовавшийся вторичный пар потоками 17 попадают в нижнюю растворную камеру 15 (см. фиг.2). На дне нижней растворной камеры 15 образуются потоки раствора 20 от теплообменных труб 1 к теплообменным трубам 2 с удлиненными концами 21 и затекают снизу в эти трубы. Потоки вторичного пара из труб 1 также направляются к трубам 2 и снизу, или через завихрители в виде отверстия 22 в удлиненных концах этих труб, попадают внутрь. При формировании пленки раствора потоки пара из отверстий 22 встречаются в центре труб в потоке раствора, поступающего в трубы снизу, и образуют в центральной части труб паровую полость, пар из которой, устремляясь вверх, увлекает с собой, оттесняя его к внутренней поверхности труб и формируя на этой поверхности пленку раствора. При обычной номинальной производительности и размерах труб аппарата описанный механизм формирования пленки осуществляется без значительных сопротивлений движению потока пара. При повышенной производительности и увеличенных диаметрах теплообменных труб процесс разделения поступающей в них смеси раствора и вторичного пара становится более продолжительным и занимает значительную долю высоты труб, уменьшая тем самым поверхность их, занятую пленочным течением раствора с интенсивной теплопередачей. В этом случае более эффективно применение завихрителя (закручивающего устройства) в виде пластины 35, встраиваемого в концы труб 2 (см. фиг.3). Завихритель 35 придает входящей в трубу смеси вращательное движение, при котором более плотная часть ее - раствор - отбрасывается к стенке и сразу образует устойчивую вращающуюся пленку, а паровой фазе, оттесняемой при этом к центру, обеспечивается более свободное продольное движение по трубе. Таким образом, в данных условиях пленочное течение выпариваемого раствора с интенсивной теплопередачей практически имеет место уже в начале обогреваемых участков труб 2. Процесс формирования пленки раствора в нижних концах труб 2 может быть интенсифицирован нагревом и перегревом рециркулирующего в трубопроводе 23 раствора в подогревателе 36.
Поднимаясь в виде пленки вверх в теплообменных трубах 2, раствор окончательно выпаривается за счет тепла греющего пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб, и вытекает из верхних концов этих труб в выводную камеру 9. В эту камеру устремляется также вторичный пар 17. Потоки концентрированного раствора и вторичного пара из выводной камеры 9 через патрубок 10 попадают в сепаратор 11. Из сепаратора 11 раствор через патрубок 12 попадает в разделительное устройство 27, где разделяется на два потока: часть раствора из патрубка 30 по трубопроводу 23 направляется в патрубок 24 для подвода раствора в нижнюю растворную камеру 15. Остальной раствор из разделительного устройства 27 через патрубок 29 выводится из аппарата в качестве готового продукта. Рециркуляция части потока раствора из сепаратора в нижнюю растворную камеру позволяет изменять гидродинамический режим работы теплопередающих труб 2 с поднимающейся пленкой независимо от гидродинамических условий работы теплообменных труб с падающей пленкой 1. Количество рециркулирующего раствора может быть изменено регулирующим клапаном 31, чтобы обеспечить оптимальный для данного раствора и тепловых режимных параметров гидродинамический режим в теплообменных трубах 2, а также поддерживать его постоянным исходя из показаний расходомера 32.
Поток раствора, поступающий из сепаратора в нижнюю растворную камеру через патрубок 24, попадает снизу в теплообменные трубы 2 и тем самым увеличивает интенсивность орошения внутренней поверхности этих труб, что обусловливает увеличение интенсивности теплопередачи в трубах 2 и повышение производительности заявляемого выпарного аппарата в целом. Кроме того, увеличение интенсивности орошения теплообменных труб 2 путем рециркуляции части раствора из сепаратора в нижнюю растворную камеру уменьшает опасность оголения верхних концов этих труб при повышенных тепловых нагрузках аппарата по выпаренной воде, что зачастую является причиной снижения эффективности работы теплообменных труб с поднимающейся пленкой в известных выпарных аппаратах в производственных условиях.
Ориентирование скосов на нижних концах теплообменных труб 2 с поднимающейся пленкой в направлении теплообменных труб 1 с падающей пленкой позволяет использовать кинетический напор потоков раствора для увеличения скорости входа раствора в теплообменные трубы 2 с поднимающейся пленкой, что также увеличивает эффективность и стабильность работы заявляемого выпарного аппарата в целом.
Таким образом, технический положительный результат от практической реализации предлагаемого комбинированного выпарного аппарата заключается не только в обеспечении возможности увеличения интенсивности орошения внутренних поверхностей теплообменных труб с поднимающейся пленкой с целью увеличения интенсивности теплопередачи и производительности аппарата, но и в возможности изменения ее до значений, позволяющих достичь гидродинамический режим движения пленки, наиболее благоприятный для эффективной и продолжительной работы аппарата при данных свойствах перерабатываемого раствора и рациональной эксплуатации технологической установки, в состав которой входит выпарной аппарат.