ВЫПАРНОЙ АППАРАТ-КРИСТАЛЛИЗАТОР

Полезная модель относится к выпарному оборудованию для концентрирования кристаллизующихся растворов и может быть использована в химической промышленности, а также в других отраслях техники.
Для выпаривания кристаллизующихся растворов широко используют выпарные аппараты с принудительной циркуляцией, в которых интенсивная (со скоростью 2-2,5 м/с) циркуляция выпариваемого раствора через греющие трубки создается циркуляционным насосом, расположенным горизонтально (см., например, книгу Чернобыльский И.И. Машины и аппараты химических производств. М. Изд. Машиностроение. 1975. стр.205, рис.57). Известный аппарат содержит нагревательную камеру, сепаратор, циркуляционную трубу. Принудительная циркуляция создает благоприятные условия для уменьшения отложения солей на поверхности теплообменных трубок. Недостатком этого аппарата наряду с другими, свойственными аппаратам с горизонтальным циркуляционным насосом, является отсутствие необходимого растворного объема и размещение патрубка для вывода упаренного раствора практически в потоке кипящего раствора, выходящего из теплообменных трубок, что неизбежно вызывает интенсивную инкрустацию нижней части сепаратора и закупоривание образующимися отложениями патрубка для вывода упаренного раствора. Это обуславливает частую остановку аппарата для промывки.
Более рационально выполнен вывод упаренного раствора в известном кристаллизаторе, представляющем собой выпарной аппарат с принудительной циркуляцией, осуществляемой горизонтальным циркуляционным насосом (см. патент РФ №1457200, МПК В 01 D 9/02, публ. 10.06.96 г., заявка №4233686/23-26, приор. 23.04.87 г., фиг.2). Известный выпарной
аппарат состоит из греющей камеры, сепаратора с трубой вскипания, циркуляционного насоса, опускной и напорной труб, образующих циркуляционный контур, патрубка для подачи исходного раствора, сливного бачка (емкости), определяющего рабочий уровень раствора в сепараторе, с паровой, отводящей и сливной трубами, паровая труба которого присоединена к верхней части сепаратора. В этом аппарате упаренный раствор отводится через емкость - сливной бачок, вынесенный из сепаратора и сообщающийся с аппаратом посредством отводящей трубы, один конец которой соединен с напорным патрубком циркуляционного насоса, а другой - с конусным днищем сливного бачка. Вывод раствора из бачка осуществляется через сливную трубу, врезанную внутрь его вертикально. Предполагается, что верхний конец сливной трубы, через который переливается выводимый раствор, будет определять уровень раствора в сепараторе. Для предупреждения возникновения большого перепада давлений между аппаратом и бачком, препятствующего сливу, верхняя часть сливного бачка соединена с паровым пространством сепаратора паровой трубой. При такой системе вывода упаренного раствора в ней можно создать условия, при которых инкрустации на стенках отводящих труб и закупоривание их сгустками кристаллов будут незначительными. Однако эти условия в известном аппарате не выполняются полностью. Этот аппарат является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту и принят в качестве, прототипа. Циркуляционный насос, размещенный в аппарате - прототипе горизонтально непосредственно на входе в нижнюю растворную полость греющей камеры, подает выпариваемый раствор снизу в теплообменные трубки, где раствор, двигаясь со скоростью 1,5-3,0 м/с, перегревается на 2-4°С. Из верхней растворной полости перегретый раствор поступает в трубу вскипания и вскипает. Кипящая смесь из трубы выходит под уровень раствора в сепараторе и разделяется: образующийся вторичный пар поднимается в паровое пространство сепаратора и
выводится через патрубок в верхнем днище сепаратора, а пересыщенный по солям раствор опускается вниз по растворному пространству сепаратора. Вследствие пересыщения в опускающемся растворе образуются кристаллы солей, содержащихся в циркулирующем растворе. Из нижней части сепаратора образовавшаяся суспензия поступает в циркуляционную трубу и по ней отводится в нижнюю часть нижней растворной полости и циркуляционным насосом вновь нагнетается в теплообменные трубки. Часть циркулирующего раствора с кристаллами (суспензии) из циркуляционной трубы от напорного патрубка циркуляционного насоса отводится в нижнюю часть сливного бачка по отводящей трубе, и в корпусе сливного бачка поднимается вверх до верхнего обреза сливной трубы, через который переливается, и отводится из аппарата. Таким образом, место перелива должно определять и стабилизировать положение уровня раствора в сепараторе.
Недостатки прототипа заключаются в недостаточном объеме растворного пространства. При недостаточном объеме раствора в процессе работы аппарата пересыщение в растворе не успевает сниматься, то есть кристаллы солей не успевают образовываться, пересыщение нарастает и происходит интенсивная инкрустация внутренних поверхностей сепаратора, циркуляционной трубы и теплообменных трубок. На стенках образуется толстый слой инкрустации кристаллизующихся солей, который периодически отваливается. Образовавшиеся пластины и куски потоком раствора уносятся в нижнюю растворную полость и закупоривают нижние концы теплообменных трубок, образуя пробки и сокращая тем самым фактическую поверхность теплопередачи и производительность выпарного аппарата. Межпромывочный пробег выпарных батарей составляет 10-40 смен (см. книгу Варламов М.Л. и др. Производство кальцинированной соды и поташа при комплексной переработке нефелинового сырья. М., «Химия», 1977, с.87). Полностью забитые трубки промывают «водяной иглой» - потоком конденсата через шланг и
подсоединяемую к нему трубку малого диаметра. Для создания этого потока конденсата используют высоконапорные насосы. Таким образом, помимо снижения производительности имеют место потери времени на мойку и чистку, а также затраты, связанные с утилизацией промывных растворов.
Особо значительные инкрустации имеют место в полосе, где происходят колебания уровня раствора в сепараторе, обусловленные тем, что здесь пересыщение раствора наиболее значительно, а при оголении поверхности происходит высыхание пленки раствора на стенке. В паровом пространстве сепаратора соли отлагаются из капель раствора, попадающих на стенку и высыхающих на ней.
Другим местом интенсивной кристаллизации солей на внутренних стенках является сливной бачок (фонарь), отводящая и сливная трубы, чистка и мойка которых требует демонтажа сливного бачка и коммуникаций. Причем наблюдения показывают, что незначительные отложения, если их немедленно не устранить, через непродолжительное время превращаются в толстые отложения, занимающие большие площади поверхности.
Кроме того, недостатками аппарата-прототипа, как и любого выпарного аппарата с горизонтально установленным циркуляционным насосом, являются необходимость для размещения значительных производственных площадей, а также быстрый износ подшипников и сальниковых уплотнений вала, обусловленный большими радиальными нагрузками на вал от рабочего колеса, закрепленного на конце вала, и радиальными колебаниями горизонтального вала при работе аппарата. Если в процессе работы кристаллизатора происходит даже кратковременная остановка насоса, взвешенные в выпариваемом растворе кристаллы оседают в насос, схватываются в плотную массу и блокируют крыльчатку циркуляционного насоса. При этом для повторного запуска аппарата в
работу необходимо опорожнить его от раствора и растворить монолит осевших кристаллов.
Наконец, практика показывает, что для надежной и продолжительной работы важным является место подсоединения отводящей трубы сливного бачка (фонаря) к аппарату. При большой протяженности подводящей трубы, как это имеет место в прототипе, происходит переохлаждение проходящего по ней раствора и, как следствие, образование инкрустаций на внутренних поверхностях, сужение проточной части и закупоривание ее сгустками кристаллов.
Недостатком прототипа является также то, что труба, отводящая раствор к сливному бачку, подсоединена к нагнетательному патрубку циркуляционного насоса. Это предопределяет неустойчивую и неэффективную работу аппарата, так как при таком подсоединении вследствие действия насоса реальный уровень раствора в сепараторе будет существенно ниже рационального расчетного, определяемого горизонтальной плоскостью, проходящей через обрез сливной трубы. Соответственно, объем раствора в сепараторе будет меньше значений, необходимых для завершения процесса кристаллизации, что является причиной интенсивной инкрустации внутренних поверхностей аппарата.
Изучение причин неудовлетворительной работы выпарного аппарата-прототипа, как и других аппаратов с принудительной циркуляцией, позволило авторам предлагаемой полезной модели разработать технические решения, позволяющие устранить указанные недостатки.
Целью создания полезной модели является повышение производительности выпарного аппарата-кристаллизатора с принудительной циркуляцией путем увеличения межпромывочного периода его работы, а также предупреждение массового образования инкрустаций на стенках сепаратора и сливной емкости. Кроме того, полезная модель позволит контролировать зарастание трубопроводов для вывода упаренного раствора и появление отложений на стенках сепаратора при значительных
нарушениях технологического режима работы аппарата, а также обеспечит возможность оперативного удаления образовавшихся небольших кристаллических отложений без остановки аппарата.
Заявляемый выпарной аппарат, как и прототип, содержит греющую камеру с верхней и нижней растворными камерами, соединенными с сепаратором. Верхняя растворная камера сообщена с трубой вскипания, размещенной по оси сепаратора, а нижняя растворная камера, включающая циркуляционный насос, сообщена циркуляционной трубой с днищем сепаратора. Выпарной аппарат снабжен патрубком для подвода исходного раствора, а также сливным бачком с паровой, отводящей и сливной трубами, который определяет положение уровня раствора в сепараторе. Паровая труба бачка соединена с сепаратором.
Новым в заявляемом аппарате является то, что циркуляционный насос выполнен вертикальным и размещен в нижней растворной камере, отводящая труба одним концом введена внутрь сливного бачка, а другим концом сообщена с нижней частью сепаратора у днища, сливная труба соединена с днищем сливного бачка, а размеры сепаратора ниже рабочего уровня раствора и производительность циркуляционного насоса рассчитывают из условия выполнения равенства
где D - диаметр корпуса сепаратора, м;
pc
h - расстояние от рабочего уровня раствора до днища сепаратора, м;
3
Q - производительность циркуляционного насоса, м/ч.
Кроме того, сливной бачок может быть снабжен смотровыми стеклами с промывными трубками. Отводящая, сливная и паровая трубы оснащены запорными устройствами, причем на сливной трубе перед и после запорного устройства установлены патрубки для подвода пара, снабженные запорными устройствами. В верхней части сепаратора можно разместить кольцевой распределитель, сообщенный с патрубком для подвода
исходного раствора и имеющий отверстия или насадки, направленные на внутреннюю стенку сепаратора. Аппарат может быть снабжен патрубком для подвода промывной воды, сообщенным с кольцевым распределителем, установленным над распределителем исходного раствора. Распределитель промывной воды снабжен отверстиями или насадками, направленными на внутреннюю стенку сепаратора.
На прилагаемом к заявке рисунке представлен вариант выполнения заявляемого технического решения. Выпарной аппарат-кристаллизатор содержит греющую камеру 1, верхнюю растворную камеру 2, соединенную с трубой вскипания 3, установленной по оси сепаратора 4. В нижней растворной камере 5, соединенной циркуляционной трубой 6 с днищем 7 сепаратора 4, размещен вертикальный циркуляционный насос 8. Выпарной аппарат снабжен сливным бачком 9 с паровой 10, отводящей (переливной) 11 и сливной 12 трубами. Паровая труба 10 соединена с паровым пространством сепаратора 4. Отводящая труба 11 верхним концом введена внутрь бачка 9, а нижним концом сообщена с нижней растворной частью сепаратора 4 над днищем 7. Сливная труба 12 соединена с днищем сливного бачка 9. Еще одним отличием кристаллизатора является то, что размеры сепаратора ниже рабочего уровня раствора и производительность циркуляционного насоса рассчитывают из условия выполнения равенства
где D - диаметр корпуса сепаратора, м;
рс
h - расстояние от рабочего уровня до днища сепаратора, м;
3
Q - производительность циркуляционного насоса, м/ч.
Сливной бачок 9 снабжен смотровыми стеклами 13 с промывными трубками. Паровая 10, отводящая 11 и сливная 12 трубы оснащены запорными устройствами 14, причем на сливной трубе 12 перед и после запорного устройства 14 установлены патрубки 15 для подвода пара,
также снабженные запорными устройствами. Выпарной аппарат снабжен патрубками 16 и 17 для подвода исходного раствора и промывной воды, соответственно. Патрубок 16 сообщен с кольцевым распределителем (оросителем) 18 исходного раствора, патрубок 17 сообщен с кольцевым распределителем 19 промывной воды. Кольцевые распределители 18 и 19 размещены в верхней части паровой камеры сепаратора и снабжены отверстиями или насадками, направленными на внутренние стенки сепаратора. Кольцевой распределитель 19 промывной воды установлен над кольцевым распределителем 18 исходного раствора. В нижней растворной камере 5 размещен конусный распределитель 20.
Выпарной аппарат-кристаллизатор работает следующим образом.
После пуска аппарата и выхода на заданный технологический режим осуществляют непрерывный контроль за состоянием внутренних поверхностей сепаратора 4 и сливного бачка 9, а также величины потока, вытекающего в сливной бачок 9.
Исходный раствор подают в сепаратор 4 через патрубок 16 и кольцевой распределитель-ороситель 18. Из отверстий (или насадок) оросителя 18 исходный раствор попадает на внутреннюю стенку сепаратора 4, образуя сплошной тонкий слой, и стекает по стенкам в растворное пространство. При этом стекающий слой исходного раствора предотвращает образование инкрустаций на наиболее опасных местах - на стенках паровой камеры и в пристенной зоне растворного пространства. Достигнув линии уровня раствора в сепараторе, исходный раствор смешивается с потоком раствора, циркулирующим в аппарате. Этот поток проходит сверху вниз по растворному пространству, по циркуляционной трубе 6 поступает в нижнюю растворную камеру 5 греющей камеры и нагнетается циркуляционным насосом 8 в теплообменные трубки, где перегревается на 2-4°С. Перегретый раствор из верхней растворной камеры 2 поступает в трубу вскипания 3 и вскипает. Кипящий раствор вытекает под уровень раствора в сепараторе 4, прокипает полностью и разделяется: образующийся
вторичный пар выходит в паровое пространство, а раствор, пересыщенный по растворенным солям, опускается в растворном пространстве сепаратора 4 вниз. При этом происходит процесс кристаллизации и снимается пересыщение раствора.
В растворном пространстве сепаратора 4, сконструированном в соответствии с заявленным соотношением, процесс кристаллизации полностью заканчивается. Часть образующейся суспензии выводится в сливной бачок (емкость) 9 и отводится через сливную трубу 12. Остальной поток направляется на рециркуляцию через греющую камеру 1.
Необходимо отметить, что только при выполнении заявляемых условий, в растворе, опускающемся в сепараторе от линии рабочего уровня раствора вниз, полностью снимается возникшее пересыщение и завершается процесс кристаллизации. Для максимального выделения кристаллов и исключения зарастания солями поверхностей теплообменных и циркуляционных труб процесс кристаллизации должен завершиться до достижения раствором дна сепаратора 4. Только такой упаренный раствор, равновесный с кристаллами (суспензия), должен выводиться из аппарата. Это находит отражение в отличительном признаке, предусматривающем соединение сливного бачка 9 отводящей трубой 11 с нижней частью сепаратора 4. Протяженность подводящей трубы 11 в этом случае минимальна и охлаждение раствора при движении в ней будет незначительным, что обусловит отсутствие инкрустаций ее внутренней поверхности. Введение верхнего конца подводящей трубы 11 внутрь сливного бачка 9 и подсоединение сливной трубы 12 к его конусному днищу предупреждает накапливание кристаллов в нижней части бачка и обеспечивает удобное наблюдение за состоянием верхнего обреза трубы 11 через смотровые окна 13.
Свободный слив упаренного раствора из сепаратора 4 по трубе 11 в сливной бачок 9 обусловливает соответствие рабочего уровня раствора в сепараторе верхнему обрезу трубы 11, через который переливается удаляемый
из аппарата раствор, и стабилизацию его на этом уровне, что предопределяет постоянство необходимого объема раствора в сепараторе.
Многократные наблюдения и многолетний опыт эксплуатации выпарных аппаратов на различных кристаллизующихся растворах показал, что наиболее интенсивно инкрустация поверхности происходит в районе колебания уровня раствора в сепараторе полосой несколько выше и ниже его среднего положения. Для предупреждения инкрустаций на стенках патрубок 16 для подвода исходного раствора сообщен с кольцевым распределителем-оросителем 18, выполненным, например, из трубы, согнутой в кольцо и имеющей по всей длине отверстия или насадки, направленные на внутренние стенки сепаратора 4. Исходный раствор вытекает в виде струй из отверстий распределителя 18, попадает на стенки сепаратора 4, растекается по ним и стекает вниз в виде сплошного тонкого слоя. Этот слой предохраняет стенки от образования инкрустаций не только над уровнем раствора, но и на глубину 150-200 мм ниже, так как, достигнув уровня, по инерции вследствие сцепления со стенкой проникает ниже на указанную глубину. Это место хорошо просматривается через смотровые стекла 13 в сепараторе 4. Если вследствие нарушений технологического режима или правил обслуживания выпарного аппарата на стенках сепаратора 4 образовались инкрустации, которые не смываются потоком исходного раствора, то для их удаления в аппарат кратковременно подается поток конденсата (воды), который из подводящего патрубка 17 попадает в ороситель 19, по конструкции аналогичный распределителю 18. Поток воды (промывного раствора) растворяет и смывает образовавшиеся отложения, после чего продолжается обычная эксплуатация аппарата. Вследствие кратковременности подачи воды (не более 10-15 минут) операция промывки не оказывает существенного влияния на работу аппарата.
При образовании по какой-либо причине значительных инкрустаций на стенках и при закупоривании теплообменных трубок отвалившимися
комками и пластинами инкрустаций в выпарной аппарат прекращают подачу греющего пара и исходного раствора, сливают оставшийся в нем раствор. Аппарат заполняют водой (промывным раствором) и производят промывку при включенном циркуляционном насосе 8.
Смотровые стекла 13 на сливном бачке 9, оснащенные промывными трубками, позволяют наблюдать за состоянием стенок бачка 9 и переливной трубы 11, из которой при работе аппарата вытекает упаренный раствор. Тем самым имеется возможность контролировать появление наростов и отложений на стенках и при необходимости принять меры к их удалению без остановки аппарата.
Отсутствие потока раствора из переливной трубы 11 и повышение уровня раствора в сепараторе 4 свидетельствуют о том, что в переливной трубе 11 появились наросты и комки кристаллов, препятствующие вытеканию упаренного раствора. В этом случае, не прекращая подачи исходного раствора и греющего пара в выпарной аппарат, закрывают запорное устройство 14 на паровой трубе 10 и запорное устройство 14 на отводящей трубе 11 и, открывая вентили на паровых патрубках 15, промывают и прочищают сливную трубу 12, а затем, закрыв запорное устройство 14 на сливной трубе 12 и открыв запорное устройство 14 на подводящей трубе 11, промывают и прочищают эту трубу. Описанный процесс промывки и прочистки занимает не более 10-15 минут. Затем, закрыв паровые вентили 15 и открыв вентили 14 на подводящей 11, паровой 10 и сливной 12 трубах, продолжают эксплуатацию аппарата.
Исследования процесса кристаллизации солей из растворов, широко распространенных в производстве, опыт конструирования и промышленного использования выпарных аппаратов-кристаллизаторов с принудительной циркуляцией позволили авторам сделать вывод о том, что эффективная работа выпарных аппаратов-кристаллизаторов и отсутствие массовой инкрустации солей на внутренних поверхностях обеспечиваются в случае завершения процесса кристаллизации в объеме раствора, который в
основном сосредоточен в сепараторе выпарного аппарата-кристаллизатора. Следовательно процесс кристаллизации, происходящий во времени, должен завершаться в сепараторе кристаллизатора, то есть время пребывания раствора в сепараторе должно соответствовать продолжительности процесса кристаллизации или даже несколько превосходить его. Это условие выполняется только при вышеуказанном соотношении основных параметров - объема раствора в сепараторе, определяемого произведением (D
h
), и расхода раствора, циркулирующего через сепаратор, определяемого производительностью циркуляционного насоса Q. Таким образом, приведенное соотношение определяет условия для полного завершения процесса кристаллизации и образования кристаллов в сепараторе, то есть полного снятия пересыщения, возникающего в растворе при кипении на выходе из трубы вскипания 3.
2
pc
Процесс кристаллизации идет во времени и продолжительность его зависит от вида кристаллизующегося вещества и температурных условий в выпарном аппарате. Заявляемый диапазон учитывает эти условия и справедлив для наиболее часто встречающихся на практике в промышленности растворенных веществ.
При меньших значениях наблюдается повышенная инкрустация солей на внутренних поверхностях, предопределяющая частые остановки аппаратов на промывку. Соотношения за верхним пределом заявляемого диапазона не дают положительного эффекта и лишь увеличивают размеры и, соответственно, стоимость аппарата. Кроме того, заявляемое соотношение позволяет подобрать циркуляционный насос необходимой производительности к действующему выпарному аппарату для улучшения его работы. Практика показала, что заявляемое соотношение справедливо для выпарных аппаратов-кристаллизаторов, в которых циркуляция выпариваемого раствора создается при помощи и вертикально, и горизонтально расположенного циркуляционного насоса. Однако вертикальное расположение насоса имеет ряд преимуществ. Во-первых, для размещения выпарного
аппарата с вертикальным циркуляционным насосом требуется в два раза меньшая производственная площадь, поэтому он хорошо компонуется с другим технологическим оборудованием. Во-вторых, радиальные нагрузки, возникающие на валу при работе вертикального насоса, более уравновешены, что обусловливает более продолжительную службу подшипников и уплотнения вала. В-третьих, вертикальный насос обеспечивает более равномерный по сечению поток раствора и создает одинаковые гидродинамические условия и высокую теплопередачу во всех теплообменных трубках.
В качестве иллюстрации справедливости (эффективности) применения вышеуказанной математической зависимости в таблице 1 приведены характеристики некоторых выпарных аппаратов-кристаллизаторов, разработанных с использованием заявляемого соотношения.
Таблица 1
Поверхность теплопередачи, м<sup>2</sup>
Рабочий объем раствора, м<sup>3</sup>
Объем раствора в сепараторе, м<sup>3</sup>
Производительность циркуляционного насоса, м<sup>3</sup>/ч
<img he="12" wi="17" file="00000006.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
49
17,4
12,2
600
0,020
73
14,0
12,0
800
0,016
95
32,0
29,4
1000
0,029
95
32,0
29,0
620
0,047
При эксплуатации этих аппаратов отмечается их стабильная и эффективная работа. Для сопоставления и сравнения с приведенными данными авторы по доступным источникам информации (П.Д.Зайцев и др. Производство соды. М. «Химия», 1986, стр.279-280) определили значения заявляемого соотношения для выпарных аппаратов-кристаллизаторов, применяемых при производстве соды и сконструированных без учета заявляемой зависимости. Основные параметры аппаратов и рассчитанные соотношения приведены в таблице 2.
В книге отмечается, что в процессе работы выпарных аппаратов греющие трубки забиваются пробками соды, а на их внутренних поверхностях отлагаются инкрустации. Этот факт находит подтверждение в исследованиях заявителей на промышленных аппаратах в аналогичных условиях.
Таблица 2
Поверхность теплопередачи, м<sup>2</sup>
Рабочий объем раствора, м<sup>3</sup>
Объем раствора в сепараторе, м<sup>3</sup>
Производительность циркуляционного насоса, м<sup>3</sup>/ч
<img he="12" wi="17" file="00000006.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
260
23
-
1890
не более 0,012
-
79
-
7000
не более 0,011
800
76
-
8800
не более 0,0086
Необходимо отметить следующее. Заявляемая математическая формула ограничивает условия, в которых при точном соблюдении технологического режима процесс кристаллизации заканчивается в сепараторе без интенсивной инкрустации внутренних поверхностей. Практика показывает, что по разным причинам происходят нарушения режима эксплуатации, что ведет к появлению очагов инкрустаций. Все другие отличительные признаки заявляемого технического решения обеспечивают возможность обнаружить появление очагов инкрустаций и оперативно устранить их.
Преимущества заявляемого аппарата состоят в том, что в нем созданы благоприятные условия для полной кристаллизации - выделения кристаллической фазы в объеме раствора в растворном пространстве сепаратора и предупреждения инкрустаций кристаллизующимися солями внутренних поверхностей аппарата и теплообменных трубок, оперативного удаления незначительных отложений, появляющихся при случайном отклонении от заданного технологического режима. В результате увеличивается межпромывочный период работы, определяющий фактическую производительность аппарата, а также сокращение затрат на промывку.