ВЫПАРНОЙ АППАРАТ С ПАДАЮЩЕЙ ПЛЕНКОЙ

Полезная модель относится к выпарному оборудованию, используемому в химической промышленности, а также в опреснителях соленых вод, и может быть применены в других отраслях техники, где осуществляется концентрирование растворов.
Проведенные исследования и опыт промышленной эксплуатации показывают, что наиболее эффективными при осуществлении процесса концентрирования растворов являются выпарные аппараты с падающей пленкой. Конструктивная простота и высокая интенсивность теплопередачи обуславливают меньшую металлоемкость этих аппаратов и более низкую стоимость их по сравнению с другими типами выпарных аппаратов.
В аппаратах с падающей пленкой выпариваемый раствор в виде пленки распределяется по внутренней поверхности в верхней части вертикально установленных теплообменных трубок. Эта пленка стекая вниз частично испаряется и раствор концентрируется. Поток образующегося вторичного пара при движении вниз ускоряет течение пленки раствора, турбулизирует ее и тем самым обеспечивает весьма высокую скорость выпаривания.
Недостаток выпарных аппаратов с падающей пленкой состоит в том, что на выходе из нижних концов теплообменных трубок поток вторичного пара, имеющий большую скорость, энергично воздействует на стекающую пленку упаренного раствора и дробит ее на множество мелких капелек. Эти капельки легко уносятся вторичным паром, отводимым из аппарата, что может привести к существенной потере обрабатываемого раствора и загрязнению конденсата вторичного пара, ограничивая возможности полезного использования его. Исходя из изложенного технические решения, направленные на предупреждение загрязнение вторичного пара или на очистку его от капель раствора, являются важным, если не определяющим, аспектом при конструировании выпарных аппаратов с падающей пленкой.
Известен выпарной аппарат с падающей пленкой по патенту США №3702807 («Vertical multi-effect distillation plant», Кл. B01D 3/02, 1972), содержащий греющую камеру с вертикально установленными теплообменными трубками, закрепленными в верхней и нижней трубных решетках, верхнюю растворную камеру, примыкающую к верхней трубной решетке и содержащую устройство для распределения раствора по теплообменным трубкам и для формирования пленки раствора на их внутренней поверхности, и сепаратор с патрубком для вывода вторичного пара, выделяющегося из раствора. В этой широко распространенной конструкции выпарного аппарата с падающей пленкой нижняя часть греющей камеры с нижней трубной решеткой встроена сверху в сепаратор и вторичный пар, содержащий капли упаренного раствора, поступает сначала в центральную часть сепаратора, где движется сверху вниз, затем направляется на периферийные участки сечения сепаратора и там поднимается вверх к патрубку вывода вторичного пара. В сепараторе происходит оседание капель раствора вниз на дно. Для обеспечения возможности отделения капель от пара скорость пара вверх на периферийных участках должна быть меньше скорости падения капель, что обусловливает большую площадь поперечного сечения сепаратора и, соответственно, - большой диаметр его. В итоге выпарной аппарат имеет большие габариты, увеличенную металлоемкость и стоимость. Кроме того, для размещения аппарата потребуется более просторное производственное помещение.
Более эффективно предотвращение загрязнения и очистка вторичного пара от капель раствора осуществляется в выпарном аппарате с падающей пленкой по патенту США №2624401 («Falling film evaporator with subjacent separator chamber», C1. 159-13, 1953), изображенный на фиг.1. Этот аппарат содержит греющую камеру 11 с вертикально установленными теплообменными трубками 15, закрепленными в верхней 16 и нижней 17 трубных решетках, верхнюю растворную камеру 18, примыкающую к верхней трубной решетке и содержащую устройство 20 для распределения раствора по теплообменным трубкам, а также для формирования пленки раствора на их внутренней поверхности, плоскую отражательную пластину 40, установленную наклонно под нижней трубной решеткой в открытой снизу нижней растворной камере 31, и сепаратор 28 с патрубком для вывода вторичного пара из аппарата. В верхней части отражательная пластина примыкает к стенкам нижней растворной камеры, а в нижней части имеет вырез, выполненный по прямой, перпендикулярной направлению наклона ее и образующий сегментное отверстие 38, которое сообщает нижнюю растворную камеру с паровым пространством сепаратора.
Известный выпарной аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор поступает в верхнюю растворную камеру на распределительное устройство 20, с помощью которого равномерно распределяется по теплообменным трубкам 15 и в виде пленки стекает вниз. Теплообменные трубки снаружи обогреваются паром, подаваемым в межтрубное пространство. Поток образующегося при выпаривании вторичного пара, выходящий с большой скоростью из нижних концов теплообменных трубок и несущий капли упаренного раствора, достигает поверхности отражательной пластины 40 и резко изменяет направление своего движения - пар двигается вдоль этой поверхности, а капли раствора за счет сил инерции ударяют в пластину и растекаются по ней. Образующийся слой раствора стекает по пластине под уклон и, достигая края сегментного отверстия 38 в нижней части пластины, переливается через край его на дно сепаратора, откуда через патрубок в днище отводится из аппарата. Вторичный пар также проходит через сегментное отверстие 38 в отражательной пластине и обогнув край отверстия направляется к патрубку вывода пара из сепаратора.
Преимущества известного выпарного аппарата обусловлены размещением отражательной пластины наклонно под нижней трубной решеткой непосредственно в потоках пара, выходящего из нижних концов теплообменных трубок, что обеспечивает наиболее благоприятные условия для эффективного выделения из парового потока широкого спектра размеров капель, в том числе мелких, которые другими методами обычно трудно уловить. Этот эффект достигается конструктивно простым и дешевым в реализации техническим решением.
Осаждение на пластине составляет первую стадию, которая облегчает последующие стадии сепарации осуществляемые непосредственно в сепараторе. Последняя стадия, которая может потребоваться в некоторых производственных условиях, в рассматриваемой конструкции выпарного аппарата происходит в канале 29, образованном стенками сепаратора и нижней растворной камеры, закрытом снизу, с использованием циклонного (центробежного) эффекта, при котором капли раствора отбрасываются на стенки сепаратора, стекают по ним вниз на дно канала и, затем через дренажную трубу 33 - на дно сепаратора.
По технической сущности и достигаемому положительному эффекту этот выпарной аппарат с падающей пленкой наиболее близок к заявляемому техническому решению и поэтому принят заявителями в качестве прототипа.
Недостаток прототипа заключается в том, что отражательная пластина 40 в нем выполнена плоской. Вследствие этого разделившиеся на пластине раствор и вторичный пар вновь взаимодействуют при сливе раствора через край сегментного отверстия в отражательной пластине. Переливаясь с края плоской пластины в сегментное отверстие 38, поток упаренного раствора образует сплошную завесу по всему прямому краю отверстия, как это показано на фиг.2. Вторичный пар, также проникая через это отверстие в сепаратор и устремляясь под пластину к патрубку для вывода пара из сепаратора, неизбежно проходит через эту завесу и разрушает ее (см. фиг.3). При разрушении завесы происходит дробление раствора с образованием множества струй и капель, т.е. происходит повторное загрязнение пара каплями раствора, вследствие чего увеличивается нагрузка на последующие очистные устройства и в итоге приводит к неполной сепарации раствора из отводимого пара, потере перерабатываемого раствора и загрязнению конденсата вторичного пара.
Второй недостаток выпарного аппарата-прототипа состоит в том что при наличии в паре мелких капель раствора, сепарация их в канале, образованном стенками сепаратора и нижней растворной камеры, будет неполной вследствие недостаточного действия при этом циклонного эффекта, что также обусловливает незавершенность процесса сепарации.
Целью создания предлагаемого выпарного аппарата с падающей пленкой является устранение указанных недостатков и повышение тем самым эффективности сепарации вторичного пара в аппарате, в конечном итоге предупреждение потерь обрабатываемого раствора, а также обеспечение чистоты конденсата, получаемого при конденсации вторичного пара.
Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом выпарном аппарате, содержащем греющую камеру с вертикально установленными теплообменными трубками, закрепленными в верхней и нижней трубных решетках, верхнюю растворную камеру, примыкающую к верхней трубной решетке и содержащую устройство для распределения раствора по тепло-обменным трубкам и для формирования пленки раствора на их внутренней поверхности, отражательную пластину, установленную наклонно под нижней трубной решеткой в открытой снизу нижней растворной камере, и сепаратор с патрубком для вывода вторичного пара из аппарата, согласно изобретения отражательная пластина выполнена гофрированной с каналами, направленными под уклон.
В выпарном аппарате, в котором паровое пространство сепаратора сообщается с патрубком вывода из аппарата вторичного пара каналом, образованным стенками сепаратора и нижней растворной камеры, закрытого снизу и снабженного дренажной трубой, в канале могут быть вертикально установлены узкие пластины, одним краем примыкающие к стенкам сепаратора, а концы дренажного трубопровода могут быть загнуты вверх.
Нижняя растворная камера может быть закрыта снизу и снабжена паровым патрубком, размещенным в боковой стенке ее под отражательной пластиной и сообщающим ее с вынесенным сепаратором.
В отражательной гофрированной пластине по дну каналов могут быть выполнены отверстия.
К отражательной пластине к краю отверстия для слива раствора может быть присоединен лоток.
В стенке нижней растворной камеры, примыкающей к сточному отверстию в отражательной пластине, может быть выполнено отверстие.
Технический результат реализации предлагаемых технических решений заключается в том, что при этом изменяется гидродинамика и аэродинамика потоков упаренного раствора и вторичного пара, выходящих из теплообменных трубок, в результате чего достигается более устойчивая форма стекающей жидкости и тем самым предупреждаются сильные механические взаимодействия этих потоков при движении по отражательной пластине и под ней, нарушающие сплошность жидкостных потоков и повторное диспергирование их.
Анализ научно-технической и патентной литературы не выявил описания устройств с заявляемой совокупностью отличительных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию «новизна» и «существенные отличия».
Преимущества конструкции заявляемого выпарного аппарата с падающей пленкой иллюстрируется следующими чертежами: на фиг.1 приведена конструкция известного выпарного аппарата - прототипа по патенту США №2624401, на фиг.2 и на фиг.3 изображена картины движения потоков раствора, стекающего с плоской пластины, и вторичного пара, огибающего ее, в известном аппарате-прототипе по патенту США №2624401; на фиг.4 - представлен общий вид заявляемого выпарного аппарата, на фиг.5 - показан вид сверху на отражательную пластину в заявляемом аппарате по Б-Б, показанном на фиг.4; на фиг.6 - изображен вид в поперечном сечении В-В на фиг.4 заявляемой отражательной пластины, на фиг.7 - другой вариант исполнения заявляемой отражательной пластины, на фиг.8 и на фиг.9 - показан характер движения раствора, стекающего с гофрированной отражательной пластины, и вторичного пара, огибающего ее, в заявляемом выпарном аппарате; на фиг.10 - приведен упрощенный вариант заявляемого выпарного аппарата, на фиг.11 и на фиг.12 - приведен другой вариант заявляемого выпарного аппарата, целесообразный при необходимости достижения предельно высокой чистоты вторичного пара, на фиг.13 изображен вариант конструкции гофрированной отражательной пластины с отверстиями, выполненными по дну каналов, образованных гофрами, на фиг.14 приведена конструкция гофрированной отражательной пластины, у которой к краю сливного отверстия присоединен лоток 25, на фиг.15 и на фиг.16 показан вариант конструктивного исполнения заявляемого аппарата, в котором в стенке нижней растворной камеры, примыкающей к сливному отверстию 9 в отражательной пластине, выполнено отверстие 26.
Заявляемый выпарной аппарат (фиг.4) содержит греющую камеру 1 с вертикально установленными теплообменными трубками 2, закрепленными в верхней 3 и нижней 4 трубных решетках, верхнюю растворную камеру 5, примыкающую к верхней трубной решетке и содержащее устройство 6 для распределения выпариваемого раствора по теплообменным трубкам и для формирования пленки раствора на их внутренней поверхности, нижнюю растворную камеру 7, примыкающую к нижней трубной решетке, гофрированную отражательную пластину 8, установленную под нижней трубной решеткой в нижней растворной камере наклонно так, чтобы каналы, образованные гофрами (выступами вверх), были направлены под уклон, а края верхней части пластины примыкали к стенкам нижней растворной камеры 7. В нижней части отражательной пластины 8 выполнено сегментное отверстие 9, образованное срезом пластины по прямой, перпендикулярной направлению наклона пластины (Фиг.5). Под греющей камерой 1 расположен сепаратор 10 с патрубками: 11 - для вывода вторичного пара из аппарата и 12 - для отвода упаренного раствора. Формы гофрирования отражательной пластины могут быть различными. На фиг.6 и фиг.7 показаны два возможных варианта формы поперечного сечения гофрированной отражательной пластины в заявляемом выпарном аппарате. В каждом варианте выступающие вверх элементы 14 образуют каналы 15 для движения раствора.
Заявляемый выпарной аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор поступает в верхнюю растворную камеру 5 на распределительное устройство 6, равномерно распределяется по теплообменным трубкам 2 и в виде пленки стекает вниз. Теплообменные трубки снаружи обогреваются паром, подаваемым в межтрубное пространство через патрубок 13. Поток вторичного пара, образующегося при выпаривании, выходящий с большой скоростью из нижних концов теплообменных трубок и несущий капли концентрированного раствора, достигает поверхности отражательной пластины 8, которая выполнена гофрированной. При этом паровой поток резко изменяет направление движения и скользит вдоль поверхности пластины вниз к сегментному отверстию 9, а капли раствора за счет сил инерции ударяют в пластину. При этом удар основной массы капель приходится в стенки гофр под острым углом, что смягчает силу удара способствуя растеканию капель по поверхности пластины, и тем самым предупреждает образование мелких вторичных капель, которые появляются при прямом ударе жидкости в твердую поверхность, что имеет место в аппарате - прототипе. Стекая в каналы между выступами, капли раствора сливаются воедино и образуют компактные потоки, которые стекают с нижнего края пластины в виде крупных сплошных струй (фиг.8), а вторичный пар, огибая край пластины, проходит между этими струями (фиг.9) и, обтекая струи раствора, не разрушает их. Проходя по сепаратору 10 к патрубку 11, вторичный пар окончательно освобождается от капель раствора и через патрубок 11 выводится из выпарного аппарата. Струи и капли упаренного раствора падают на дно сепаратора и раствор удаляется из аппарата через патрубок 12.
Характер течения упаренного раствора и вторичного пара на гофрированной отражательной пластине в заявляемом аппарате: упаренный раствор, отделившийся от вторичного пара, стекает из каналов пластины в виде крупных сплошных компактных струй, устойчивых к воздействию потока вторичного пара, огибающего край пластины. Пар свободно проходит в многочисленных промежутках между струями раствора с относительно небольшой скоростью не нарушая целостности этих струй и, следовательно, не загрязняясь каплями раствора.
Вследствие изменения гидродинамики раствора и вторичного пара на отражательной пластине в этом заявляемом выпарном аппарате обеспечивается чистота пара, превышающая чистоту вторичного пара в выпарном аппарате-прототипе и в выпарных аппаратах, применяемых для оснащения большинства технологических производств. Еще более чистый пар может быть получен в выпарном аппарате с вынесенным сепаратором, конструкция которого приведена на фиг.10. В этом аппарате нижняя растворная камера 7 сообщена патрубком 16 с вынесенным сепаратором 10 и дополнительно освободившийся от капель раствора вторичный пар выводится из сепаратора через патрубок 11. В нижней растворной камере стекающий с гофрированной пластины 8 раствор выводится через патрубок 13 а из сепаратора 10 раствор отводится через патрубок 12. Вынесенный сепаратор позволяет создать условия для максимального проявления циклонного эффекта - для сепарации капель. Уменьшение удельной нагрузки потока пара по жидкости на входе в сепаратор, обусловленное применением гофрированной пластины, являются непременными условиями достижения высокой чистоты вторичного пара, отводимого из выпарного аппарата большой единичной производительности, при уменьшенных капитальных затратах на создание оборудования.
При небольших и средних нагрузках по выпариваемой воде при необходимости достижения весьма высокой чистоты вторичного пара целесообразно применять выпарной аппарат с использованием гофрированной отражательной пластины, представленный на фиг.11. В этом аппарате, содержащем греющую камеру 1 с вертикально установленными теплообменными трубками 2, закрепленными в верхней 3 и нижней 4 трубных решетках, верхнюю растворную камеру 5, включающую устройство 6 для формирования пленки раствора на внутренней поверхности теплообменных трубок, отражательную пластину 8, установленную наклонно в открытой снизу нижней растворной камере 7, примыкающую к стенкам ее и имеющую отверстие 9 для стока в виде сегментного выреза в нижней части, и сепаратор 10, паровое пространство сепаратора сообщается с патрубком 11 вывода из аппарата вторичного пара каналом 20, образованным стенками сепаратора и нижней растворной камеры и закрытым снизу, а также снабженным дренажной трубой 19. Выпарной аппарат отличается тем, что в канале вертикально установлены узкие пластины 18, одним краем примыкающие к стенке сепаратора, а конец 21 дренажного трубопровода 19 загнут вверх.
При работе аппарата вторичный пар из сепаратора 10 входит в канал 20 через проем 22 и проходя по каналу совершает вращательное движение вокруг стенки нижней растворной камеры, что создает циклонный эффект и обусловливает вынос капель раствора из потока пара на стенки сепаратора. По стенке капли стекают на дно канала. Процесс оседания капель интенсифицируется вихрями 23, обозначенными на фиг.12, которые создаются пластинами 18, размещенными вдоль стенки сепаратора в паровом потоке. Вихри пара 23 способствуют выносу капель к стенкам сепаратора и тем самым - выделению этих капель из потока пара. Раствор, стекающий по стенке на дно канала 20, отводится в сепаратор 10 через дренажную трубу 19, загнутый конец 21 которой образует гидрозатвор. Тем самым обеспечивается равномерный отвод раствора из канала и возможность полного опорожнения сепаратора при работе аппарата без нарушения дренажа по трубе 19. Таким образом, в рассматриваемом выпарном аппарате процесс сепарации осуществляется в три стадии: первая - на отражательной пластине с использованием сил инерции, вторая - в сепараторе 10 осаждением капель в объеме пара, третья стадия - в канале 20 под воздействием циклонного эффекта.
В случаях работы выпарного аппарата при больших интенсивностях орошения возможно переполнение каналов гофрированной отражательной пластины, нарушение формирования раздельных сплошных струй и, как следствие, ухудшение процесса паросепарации. В этих случаях целесообразно использовать гофрированную отражательную пластину, показанную на фиг.13, на которой по дну каналов между гофрами выполнены отверстия. При работе аппарата часть раствора будет вытекать через эти отверстия и потоки по каналам между гофр будут меньше.
В выпарных аппаратах при небольших производительностях по перерабатываемому раствору, когда сплошные струи раствора, стекающие с гофрированной пластины, невелики и имеется опасность, что они могут разрушаться потоком вторичного пара, целесообразно применять отражательную пластину, показанную на фиг.14, к которой по краю отверстия для слива присоединен лоток, отводящий компактный большой поток раствора к стенке нижней растворной камеры или к стенке сепаратора. В этом случае воздействие потока пара на поток раствора будет минимальным, недостаточным для разрушения потока раствора, и, следовательно, загрязнение вторичного пара не будет иметь место.
В случаях больших потоков вторичного пара и малых потоков концентрированного раствора, характерных для режимов выпаривания с большими степенями концентрирования, когда при применении рассмотренных вариантов конструктивного исполнения заявляемого выпарного аппарата физическое взаимодействие их может превысить допустимое, целесообразно использовать вариант выпарного аппарата показанный на фиг.15. В этом аппарате с использованием гофрированной отражательной пластины в стенке нижней растворной камеры, примыкающей к сточному отверстию в отражательной пластине, выполнено отверстие (вырез) 2.6, позволяющий направить часть вторичного пара, очистившегося при натекании на отражательную пластину, сразу в паровое пространство сепаратора минуя струи раствора, стекающие с пластины вниз. Этим достигается уменьшение скорости натекания вторичного пара на струи раствора, позволяющее предупредить их возможное разрушение и загрязнение тем самым вторичного пара.
Таким образом, в заявляемом выпарном аппарате с падающей пленкой при реализации предлагаемых технических решений во всех рассмотренных режимах выпаривания может быть обеспечена сепарация вторичного пара от захваченных капель концентрируемого раствора более эффективная, чем в известных конструкциях выпарного аппарата с падающей пленкой.