Трубчатый кристаллизатор

Предлагаемое техническое решение относится к нефтепереработке, в частности к аппаратам для кристаллизации высокозастывающих компонентов масла на установках депарафинизации масел.
Из существующего уровня техники известен трубчатый кристаллизатор для концентрирования жидких продуктов методом вымораживания, выполненный в виде кожухотрубного аппарата, в межтрубном пространстве которого попеременно находится хладагент и теплоноситель, а в трубном - разделяемый раствор, который после кристаллизации кратковременно нагревают и кристаллы теряют сцепление с теплообменной поверхностью, под действием напора новой порции сырья стержень, состоящий из кристаллов и маточного раствора, продвигается вперед и на выходе разрезается дисковым ножом (Патент GB 1507034, B01D 9/02, 1975).
Недостатками данного технического решения являются то, что полученные пористые стержни высокозастывающего компонента содержат в себе большое количество маточного раствора, их необходимо дробить, а полученные кристаллы отфильтровывать, чтобы обеспечить более четкое разделение смеси, что усложняет процесс и уменьшает производительность.
Известен разборный многоступенчатый охлаждающий кристаллизатор, содержащий кристаллизатор первичного охлаждения, кристаллизатор вторичного охлаждения, нагреватель и силовой насос. Кристаллизатор вторичного охлаждения расположен ниже кристаллизатора первичного охлаждения. Сторона первичного охлаждающего кристаллизатора и верхняя часть вторичного охлаждающего кристаллизатора соединены первым трубопроводом. Верхняя часть вторичного охлаждающего кристаллизатора соединена с верхней частью нагревателя через второй трубопровод, нижнюю часть нагревателя и вторичное охлаждение (Патент CN 206543425, B01D 9/02, 2017).
Недостатками данной модели является малая поверхность теплообмена, большая металлоемкость оборудования, необходимость фильтрации полученных кристаллов, а также узкая применимость: кристаллы должны иметь большую плотность, чтобы осаждаться в аппарате.
Известен многосекционный кристаллизатор, включающий выполненный в форме тора цилиндрический корпус, состоящий из размещенных в нем кожухотрубных теплообменных секций, с патрубками для ввода и вывода теплоносителя, конической решетки, переточного патрубка, дозирующего устройства и патрубка для отбора кристаллов, внутри которых размещены по концентрическим окружностям теплообменные трубы одинакового диаметра, закрепленные в трубной решетке. Секции кристаллизатора соединены между собой промежуточными камерами, представляющими собой конический отстойник, оборудованный механическим затвором для периодической разгрузки кристаллического осадка, причем одна из полых промежуточных камер служит для подачи исходного раствора в кристаллизатор и представляет собой входную камеру с установленной внутри нее сплошной перегородкой и отбойником, снабженную патрубком для отбора маточного раствора, роль дозирующего устройства выполняет насос, соединенный с входной камерой, который также обеспечивает циркуляцию рабочей среды в многосекционном кристаллизаторе (Патент RU 91882, B01D 9/02, 2010).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится необходимость фильтрации полученных кристаллов, малая производительность и большая металлоемкость кристаллизатора.
Наиболее близким техническим решением является одноходовой кожухотрубный теплообменник, состоящий из корпуса, приваренных к нему, трубных решеток, в которых закреплены пучки труб. К трубным решеткам крепятся крышки, закрывающие корпус на торцах. Корпус и крышки снабжены штуцерами (Машины и аппараты химических производств: учебник для вузов / А.С. Тимонин, Б. Г. Балдин, В.Я. Борщев, В.Я. Гусев и др. / под общей редакцией А.С. Тимонина. - Калуга: Издательство «Ноосфера», 2014. - 856 с. - С. 474, рис. 6.1.2.4а).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата при использовании данного теплообменника в качестве кристаллизатора, является трудоемкость удаления кристаллов с охлаждаемой трубной поверхности, предполагающая использование электромеханических приводов скребков или обогреваемых днищ, малая производительность из-за необходимости периодической подачи хладагента и последующего удаления кристаллов, а также последующее дробление и фильтрация твердого продукта.
Задачей является разработка конструкции кристаллизатора, позволяющего разделять растворы и расплавы на компоненты без последующей фильтрации.
Техническим результатом предлагаемой конструкции кристаллизатора является увеличение производительности процесса кристаллизации и уменьшение металлоемкости оборудования.
Технический результат достигается при использовании трубчатого кристаллизатора, выполненного в виде кожухотрубного теплообменника, состоящего из цилиндрического корпуса, снабженного штуцером подачи сырьевого раствора и штуцером вывода продуктов, трубных решеток, с закрепленными в них пучками трубок, и полусферических крышек, при этом корпус кристаллизатора установлен под углом α=2-7° к горизонту, каждая трубка снабжена спиральным электронагревателем, а штуцер вывода продуктов снабжен трехходовым краном.
Сущностью заявленной модели кристаллизатора является использование спиральных электронагревателей, выполняющих сразу три функции:
- увеличение поверхности теплообмена (в выключенном состоянии) за счет спирального расположения на каждой из трубок аппарата,
- уменьшение гидравлического сопротивления слоя кристаллов за счет подплавления слоя кристаллов при кратковременном включении вспомогательных спиральных электронагревателей, расположенных над штуцером вывода продуктов в процессе кристаллизации, что (в сочетании с установкой корпуса кристаллизатора под углом α=2-7° к горизонту) позволяет осуществлять непрерывный процесс подачи сырьевого раствора в трубчатый кристаллизатор и вывода продуктов,
- разделение смеси без фильтрации за счет полного расплавления выделившихся из сырьевого раствора кристаллов после полного удаления из трубчатого кристаллизатора маточного раствора и продувки инертным газом. Удаление всех продуктов обеспечивается в сочетании с установкой корпуса кристаллизатора под углом α=2-7° к горизонту.
Отсутствие необходимости фильтрации твердых кристаллов для отделения их от маточного раствора, а также увеличение поверхности теплообмена и возможность проведения процесса в непрерывном режиме, позволяет сократить время разделения сырьевого раствора на компоненты и приводит к увеличению производительности процесса.
На чертеже представлен предлагаемый кристаллизатор в продольном разрезе.
Трубчатый кристаллизатор состоит из разборной обечайки 1, трубных решеток 2, полусферических крышек 3, трубок 4, заполненных хладагентом, штуцера подачи сырьевого раствора 5, штуцера вывода продуктов 6, снабженного трехходовым краном (не показан), штуцеров ввода и вывода хладагента 7 и 8 соответственно, вспомогательных спиральных электронагревателей 9, установленных на трубки 4, расположенные над штуцером вывода продуктов 6, и основных спиральных электронагревателей 10, установленных на остальные трубки 4.
Основные спиральные электронагреватели 10 электрически соединены, что позволяет включать и выключать их одновременно. Вспомогательные спиральные электронагреватели 9 отдельно электрически соединены. Таким образом, обеспечивается независимое включение спиральных электронагревателей 9 и 10.
Трубчатый кристаллизатор установлен под углом α=2-7° к горизонту для того, чтобы маточный раствор и расплавленные кристаллы стекали самотеком. Если угол меньше 2°, то маточный раствор и расплавленные кристаллы не будут стекать самотеком, если угол больше 7°, то напор маточного раствора и расплавленных кристаллов на штуцер вывода продуктов будет излишним.
Трубчатый кристаллизатор работает следующим образом: в межтрубное пространство через штуцер подачи сырьевого раствора 5 подается сырьевой раствор. В трубки 4 подается противотоком хладагент. На развитой поверхности трубок с холодными (выключенными) спиральными электронагревателями 9 и 10 происходит выделение кристаллов. В случае забивания кристаллами межтрубного пространства вспомогательные электронагреватели 9 кратковременно включаются для восстановления заданной процессом скорости движения раствора.
После выделения необходимого количества кристаллов подача сырья в межтрубное пространство и хладагента в трубки прекращается, маточный раствор сливается со штуцера вывода продуктов 6. При этом трехходовой кран на штуцере вывода продуктов 6 установлен в положении «слив маточного раствора». Через штуцер подачи сырьевого раствора 5 подается инертный газ для продувки кристаллов и удаления остатков маточного раствора, затем включаются спиральные электронагреватели 9 и 10 для расплавления намороженных кристаллов. Расплав выделенного вещества сливается со штуцера вывода продуктов 6. При этом трехходовой кран на штуцере вывода продуктов 6 установлен в положении «слив кристаллов».
Использование спиральных электронагревателей в выключенном состоянии позволяет увеличить поверхность трубок в аппарате.
Кратковременное включение вспомогательных спиральных электронагревателей 9 позволяет снизить гидравлическое сопротивление кристаллов, выделяемых в ходе процесса и контролировать скорость движения маточного раствора вдоль аппарата.
Включение спиральных электронагревателей 9 и 10 позволяет расплавлять выделенные кристаллы.
Таким образом, трубчатый кристаллизатор, выполненный в виде кожухотрубного теплообменника, состоящего из установленного под углом α=2-7° к горизонту цилиндрического корпуса, снабженного штуцером подачи сырьевого раствора и штуцером вывода продуктов с трехходовым краном, трубных решеток, с закрепленными в них пучками трубок, снабженных спиральными электронагревателями, и полусферических крышек, обеспечивает увеличение производительности процесса кристаллизации и уменьшение металлоемкости оборудования.