ПЛЕНОЧНЫЙ ВЫПАРНОЙ АППАРАТ

Процесс выпаривания широко применяется для концентрирования стоков различных производств с целью сокращения их объемов и снижения тем самым затрат на последующих стадиях переработки и кондиционирования. Этот процесс в значительной степени осложняется ценообразованием в случаях, если выпариваемые стоки содержат поверхностно-активные вещества. Необходимость борьбы с ценообразованием, вызывающим потери перерабатываемого продукта и загрязнение конденсата образующегося вторичного пара, предопределяет усложнение технологии концентрирования и конструкции применяемых выпарных аппаратов. Вместе с тем, имеющиеся публикации указывают на возможность выпаривания пенообразующих растворов на комбинированных выпарных аппаратах пленочного типа, представляющих совокупность аппаратов с падающей пленкой и аппаратов с поднимающейся пленкой выпариваемого раствора.
Известен выпарной аппарат такого комбинированного типа, составляющий часть патента РФ №2039438, МКИ А23С 1/12 «Многокорпусная выпарная установка для пищевых продуктов и выпарной аппарат». Общий вид известного аппарата представлен на фиг.2 в описании этого патента. Выпарной аппарат содержит теплообменные трубки 22, вертикально установленные в греющей камере 15, закрепленные концами в верхней 19 и нижней 20 трубных решетках, верхнюю растворную камеру 17, разделенную вертикальной перегородкой 28 на две изолированные камеры (полости) 29 и 30. Изолированная приемно-распределительная камера 19 предназначена для приема исходного раствора, поступающего на выпаривание, содержит устройство 31 для ввода этого раствора и для равномерного распределения его между частью (половиной) теплообменных трубок 22, а также для формирования с помощью устройства 32 пленочного течения раствора вниз по внутренней поверхности этих трубок. Растворная камера 30 примыкает ко второй половине теплообменных трубок и предназначена для отвода концентрированного раствора и вторичного пара, вытекающих из верхних концов этих трубок, через патрубок 30 в сепаратор 16. В сепараторе 16 концентрированный раствор и вторичный пар разделяются. Концентрированный раствор отводится через патрубок 36 сепаратора, а вторичный пар выводится через патрубок 37. Нижний конец каждой из трубок, примыкающих снизу к приемно-распределительной камере 17, при помощи дугообразного канала 41 сообщается с нижним концом одной из теплообменных трубок, примыкающих к выводной камере 30. Таким образом, в известном выпарном аппарате формируются 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 трубкам второй камеры снизу вверх. В каждой камере происходит выпаривание раствора за счет тепла пара, конденсирующегося на наружной поверхности теплообменных трубок. Образующийся вторичный пар выделяется из пленки раствора и движется по центральной части теплообменных трубок однонаправленно с пленкой выпариваемого раствора. Проведенные исследования показывают, что сформированные в известном выпарном аппарате две греющих (испарительных) камеры, различающиеся гидродинамикой выпариваемого раствора (первая - с падающей пленкой выпариваемого раствора, вторая - с поднимающейся пленкой выпариваемого раствора), работающие последовательно и совместно, в значительной степени влияют на режим и эффективность работы друг друга.
Преимущества этого известного комбинированного выпарного аппарата заключается в следующем.
Во-первых, обеспечивается более равномерное распределение потока выпариваемого раствора по теплообменным трубкам в испарительной камере с поднимающейся пленкой, чем это достигается в обычных выпарных аппаратах с поднимающейся пленкой, работающих отдельно. Это позволяет получить более устойчивую и эффективную теплопередачу и увеличить производительность аппарата, предотвращая оголение поверхности теплообмена и образование вследствие этого отложений из-за неравномерности выпаривания в теплообменных трубках.
Во-вторых, при принятой последовательности движения раствора исключается необходимость нагрева раствора в нижней части теплообменных трубок, составляющих испарительную камеру с поднимающейся пленкой, для формирования пленочного течения раствора вверх. В обычных выпарных аппаратах с поднимающейся пленкой в нижней части теплообменных трубок происходит нагрев раствора, затем его вскипание и лишь потом формирование пленочного движения с интенсивной теплопередачей. При этом и нагрев, и вскипание -процессы, низкоинтенсивные по теплопередаче, обуславливают увеличенную металлоемкость и стоимость обычных аппаратов с поднимающейся пленкой.
По технической сущности и достигаемому положительному эффекту этот известный выпарной аппарат наиболее близок заявляемому техническому решению и поэтому выбран нами в качестве прототипа.
Рассматриваемый известный комбинированный выпарной аппарат имеет следующие недостатки.
Во-первых, выпарной аппарат имеет большое сопротивление по растворному тракту, обусловленное в преобладающей степени сопротивлением движению паро-жидкостной смеси в дугообразных каналах, соединяющих нижние концы теплообменных трубок с падающей и поднимающейся пленкой раствора.. Вследствие этого уменьшается скорость вторичного пара, скорость движения пленки и, соответственно, интенсивность теплопередачи в тепло-обменных трубках с поднимающейся пленкой.
Во-вторых, как показали опубликованные результаты исследований гидродинамики, при движении с большой скоростью паро-жидкостной смеси в соединительных дугообразных каналах также, как и в V-образных теплообменных трубках, может происходить срыв жидкости с тыльной поверхности соединительного дугообразного канала под действием центробежных сил, что исключает эту часть поверхности из процесса теплопередачи (см. реферат 14 И 41 в реферативном. журнале «Химия», 1990). Вследствие больших скоростей движения паро-растворной смеси такой процесс может иметь место в определенных рабочих режимах в рассматриваемом выпарном аппарате.
В-третьих, необходимость размещения множества дугообразных трубных каналов (перемычек) между теплообменными трубами с падающей и поднимающейся пленками усложняет конструкцию известного выпарного аппарата, увеличивает его металлоемкость и, следовательно, - стоимость.
Целью создания предлагаемого пленочного выпарного аппарата является устранение указанных недостатков и обеспечение условий, обеспечивающих достижение большей интенсивности выпаривания раствора, уменьшения тем самым необходимой поверхности теплопередачи и упрощения конструкции аппарата.
Поставленная цель достигается тем, что в пленочном выпарном аппарате, содержащем установленные вертикально теплообменные трубы, закрепленные концами в верхней и нижней трубных решетках, приемно-распределительную камеру, оснащенную патрубком для подвода исходного раствора, закрепленную сверху на верхней трубной решетке, примыкающую к верхним концам одной компактной части теплообменных труб и предназначенную для равномерного распределения исходного раствора по этим трубам с формированием с помощью пленкообразователя на их внутренней поверхности пленочного течения раствора вниз, а также - выводную камеру, снабженную выводным патрубком, предназначенную для вывода концентрированного раствора и образующегося вторичного пара из теплообменных труб, примыкающую к верхним концам остальной части компактно расположенных тепло-обменных труб и сообщающую их через выводной патрубок с сепаратором, в котором происходит разделение концентрированного раствора и вторичного пара, согласно изобретению новым является то, что нижние концы теплообменных труб, примыкающих к выводной камере, выполнены удлиненными и выведены ниже нижней трубной решетки и сообщаются с нижними концами труб, примыкающих к приемно-распределительной камере, посредством нижней растворной камеры, выполненной герметичной и закрепленной снизу к нижней трубной решетке.
В заявляемом пленочном выпарном аппарате края выпущенных вниз теплообменных труб, примыкающих к выводной камере, могут быть снабжены зубцами, а стенки их под нижней трубной решеткой могут иметь отверстия. В заявляемом пленочном выпарном аппарате днище нижней растворной камеры под трубами, примыкающими к приемно-распределительной камере, может иметь уклон α=10-60° к горизонтали до границы с пучком труб, примыкающим к выводной камере, а верхние концы теплообменных труб, примыкающих к выводной камере, могут быть выпущены вверх на ħ=5-50 мм. Кроме того, в заявляемом пленочном выпарном аппарате в стенку нижней растворной камеры у пучка тепло-обменных труб, примыкающих к выводной камере, могут быть врезаны патрубки для подвода и вывода раствора, количество теплообменных труб, примыкающих к премно-распределительной камере, может от количества труб, примыкающих к выводной камере, и эти трубы могут иметь разный диаметр.
Технический положительный результат от практической реализации предлагаемого пленочного выпарного аппарата заключается в значительном уменьшении потерь давления в паро-растворном тракте аппарата за счет уменьшения потерь давления вторичного пара при движении его от выхода из теплообменных трубок с падающей пленкой до входа его снизу в теплообменные трубы с поднимающейся пленкой. Это достигается путем уменьшения его скорости при обеспечении минимально возможного пути движения. Кроме того, конструкция заявляемого выпарного аппарата позволяет в каждом из пучков теплообменных труб - с падающей или поднимающейся пленки раствора - независимо от работы другого, устанавливать гидродинамический режим, наиболее благоприятный для высокоэффективного концентрирования раствора.
Анализ научно-технической и патентной литературы не выявил патентов и публикаций с описанием конструкций пленочных выпарных аппаратов и теплообменников с заявляемой совокупностью отличительных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемых технических решений критерию «новизна», а несомненные и значительные преимущества их - о соответствии критерию «существенные отличия».
Заявляемый пленочный выпарной аппарат иллюстрируется следующими чертежами: на фиг.1 представлен общий вид выпарного аппарата, на фиг.2 изображены нижняя часть теплообменных труб 1 и 2 выпарного аппарата и нижняя растворная камера 15, в которых схематически показано движение потоков выпариваемого раствора 20 и вторичного пара 17 от теплообменных труб 1 с падающей пленкой к теплообменным трубам 2 с поднимающейся пленкой, на фиг.3 - нижняя часть теплообменных труб и нижняя растворная камера 15, у которой под теплообменами тубами 1, примыкающими к приемно-распределительной камере 5 днище выполнено с уклоном 16 к теплообменным трубам 2, примыкающими к выводной камере 9. На фиг.4 показан вид парового пространства нижней растворной камеры под нижней трубной решеткой 4 в сечении по А-А, как обозначено на фиг.2, с нанесенной схемой направлений движения потока вторичного пара 17, на фиг.5 показана нижняя растворная камера 15 с уклоном 16, присоединенная снизу к нижней трубной решетке 4, а также нижние концы 21 теплообменных труб 2 с отверстиями 24, выведенные в нижнюю растворную камеру, и расположение патрубков 25 и 26, которые могут быть использованы для подвода раствора и для вывода части выпариваемого раствора. На фиг.6 приведен вариант вывода вниз концов 21 от труб 2, закрепленных в накладке 27, присоединяемой снизу к нижней трубной решетке 4, а также показаны зубцы 28 на этих концах труб. На фиг.7 приведен вариант конструктивного выполнения заявляемого выпарного аппарата, при котором верхние концы 29 теплообменных труб 2 выведены выше верхней трубной решетки 3 на высоту ħ. На фиг.8 показан общий вид заявляемого пленочного выпарного аппарата, в котором использованы некоторые из рассмотренных отличительных конструктивных элементов.
На фиг.1 общим видом показан заявляемый выпарной аппарат, содержащий установленные вертикально теплообменные трубы 1 и 2, закрепленные концами в верхней 3 и нижней 4 трубных решетках, приемно-распределительную камеру 5, оснащенную патрубком 6 для подвода исходного раствора, направляемого на выпаривание, закрепленную сверху на верхней трубной решетке 3, примыкающую к верхним концам одной компактной части теплообменных труб 1 и предназначенную для равномерного распределения исходного раствора форсункой 7 по этим трубам и для формирования с помощью пленкообразующего устройства 8 на внутренней поверхности теплообменных труб 1 пленочного течения раствора вниз, а также выводную камеру 9, снабженную выводным патрубком 10, предназначенную для вывода концентрированного раствора и вторичного пара, выходящих из верхних концов примыкающих к ней теплообменных труб 2, через выводной патрубок 10 в сепаратор 11. В сепараторе 11 происходит разделение концентрированного раствора и вторичного пара. Концентрированный раствор отводится из сепаратора через патрубок 12, вторичный пар - через патрубок 13.
Заявляемый пленочный 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, равномерно распределяется по пленкообразующему устройству 8, размещенному над теплообменными трубками 1 и формирующему пленочное течение раствора по внутренней поверхности этих трубок, 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 трубок 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 17 из труб 1 также направляются к трубам 2 и снизу, или через отверстия 22 в удлиненных концах этих труб, попадают внутрь и направляются по трубам 2 вверх, увлекая с собой раствор, проникающий в трубы снизу. При этом в пристенном слое теплообменных труб формируется пленка раствора, которая потоками вторичного пара увлекается вверх. Для эффективного формирования пленки раствора на внутренней поверхности теплообменных труб могут быть выполнены отверстия 2. Предпочтительно, чтобы количество отверстий на каждой трубке было не менее 2, расположенных диаметрально друг против друга. При этом встречные потоки пара из этих отверстий встречаются в центре труб в потоке раствора, поступающего в трубы снизу, и образуют в центральной части труб паровую полость, пар из которой и устремляется вверх, увлекая с собой оттесненный к стенкам раствор. Уровень раствора в нижних концах 21 теплообменных труб 2 будет поддерживаться примерно на уровне или несколько выше отверстий 22, что обеспечивает описанный механизм формирования пленки без значительных сопротивлений движению потоков пара 17. Поднимаясь в виде пленки вверх, раствор окончательно выпаривается за счет тепла греющего пара, конденсирующегося на наружной поверхности теплообменных труб, и вытекает из верхних концов труб 2 в выводную камеру 9. В эту камеру устремляется также образующийся вторичный пар 17 (см. фиг.1 и фиг.2). Потоки концентрированного раствора и вторичного пара из выводной камеры 9, стекая по поверхности верхней трубной решетки 3, через патрубок 10 попадают в сепаратор 11.
Чертежи фиг.2, 3 и 4 наглядно показывают, что движение вторичного пара из тепло-обменных труб 1 с падающей пленкой в теплообменные трубы 2 с поднимающейся пленкой происходит поперек трубного пучка между теплообменных труб с поднимающейся пленкой 2 через свободное проходное сечение, занимающее всю высоту парового пространства в нижней растворной камере, что определяет скорость его перемещения, многократно меньшую, чем скорость, которая имеет место в дугообразных каналах в выпарном аппарате, принятом за прототип, и, следовательно, со значительно меньшими потерями давления при этом движении. Уменьшение потерь пара при движении позволяет при равных общих потерях давления пара в аппарате, увеличить в заявляемом выпарном аппарате скорость пара и скорость движения поднимающейся пленки в теплообменных трубах с поднимающейся пленкой 2 и, соответственно, повысить интенсивность выпаривания не только в этих трубах, но и в теплообменных трубах с падающей пленкой 1, т.е во всем заявляемом выпарном аппарате в целом.
В случае необходимости равномерность поступления раствора из нижней растворной камеры снизу в теплообменные трубы, примыкающие к выводной камере, можно повысить, снабдив края выпущенных вниз теплообменных труб 21 зубцами, как это показано на фиг.6.
Для сокращения времени перетока выпариваемого раствора от теплообменных труб с падающей пленкой 1 к теплообменным трубам с поднимающейся пленкой 2 и для увеличения подпора потока раствора на входе в теплообменные трубы с поднимающейся пленкой 2, днище нижней растворной камеры под трубами 1, примыкающими к приемно-распределительной камере, может быть выполнено с уклоном α=10-60° к горизонтали в сторону пучка труб 2 с поднимающейся пленкой до границы с пучком этих труб. (см. фиг.3).
Для предупреждения возможного тормозящего воздействия слоя концентрированного раствора, образующегося на верхней трубной решетке 3 при отекании с нее из выводной камеры 9, верхние концы теплообменных труб 2, примыкающих к выводной камере, могут быть выпущены вверх (выступ 16, см. фиг.7) на ħ=5-50 мм над верхней поверхностью верхней трубной решетки 3.
Для повышения удобства пуска заявляемого выпарного аппарата в работу, а также для обеспечения возможности раздельного регулирования потоков выпариваемого раствора через теплообменные трубки с падающей пленкой 1 и с поднимающейся пленкой 2, в стенку нижней растворной камеры у пучка труб, примыкающих к выводной камере, может быть врезаны патрубки для подвода 25 и вывода 26 выпариваемого раствора (см. фиг..8).
Для обеспечения возможности обеспечения независимых наиболее благоприятных гидродинамических и теплокинетических условий работы теплообменные трубы, примыкающие к приемно-распределительной и выводной камерам, могут быть выполнены разного диаметра, различаться по количеству.
Конструкция нижних концов теплообменных труб, примыкающих в выводной камере, в заявляемом пленочном выпарном аппарате, обеспечивает стремительное почти мгновенное формирование пленки выпариваемого раствора в выпущенной вниз части теплообменной трубы с поднимающейся пленкой, в которой струи поступающего вторичного пара инициируют паровую каверну ниже обогреваемого участка и устремляясь вверх сразу образуют на входе на обогреваемый участок у стенок его пленку выпариваемого раствора, имеющую большую скорость и интенсивно перемешиваемую, что обеспечивает интенсивную теплопередачу по всей теплообменной трубе и предупреждает образование отложений солей в нижней части ее, которое имеет место в действующих выпарных аппаратах с поднимающейся пленкой.
Возможность независимого изменения диаметров и количества теплообменных труб с падающей и поднимающейся пленкой, позволяет создавать в этих трубах гидродинамические условия наиболее благоприятные для эффективной теплопередачи и продолжительной работы как при одном, так и при другом взаимном движении взаимодействующих фаз, предупреждая негативные влияния, характерные для выпарного аппароата - прототипа.
Таким образом, практическая реализация заявляемой конструкции пленочного выпарного аппарата позволяет не только существенно увеличить интенсивность теплопередачи и, следовательно, уменьшить габариты или увеличить производительность при прочих равных условиях по сравнения с известными выпарными аппаратами этого типа, но и создавать условия гидродинамики и теплопередачи, наиболее благоприятные для процесса выпаривания раствора как в теплообменных трубках с падающей пленкой, так и при движении его в виде поднимающейся пленки. Кроме того, при использовании заявляемого аппарата более надежно обеспечивается стабильность его работы и удобство эксплуатации технологической установки, в составе которой будет использоваться аппарат.