УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ БОКСИТОВОЙ ПУЛЬПЫ И ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ЕЕ ОСНАЩЕНИЯ

Полезная модель относится к цветной металлургии и может быть использована для выщелачивания бокситовой пульпы при производстве глинозема.
Известна установка для автоклавного выщелачивания бокситовой пульпы, включающая соединенные последовательно кожухотрубные подогреватели для регенеративного подогрева исходной бокситовой пульпы, поступающей на выщелачивание, до температуры примерно 170°С, прямоконтактные нагреватели для окончательного нагрева пульпы до температуры 220-230°С паром высокого давления, подаваемым извне, выдерживатель, в котором завершается процесс выщелачивания, и самоиспарители (сепараторы) нагретой пульпы, предназначенные для ступенчатого охлаждения выщелоченной пульпы самоиспарением ее и соединенные паропроводами с подогревателями исходной пульпы (см. книгу: Еремин Н.И. и др. "Процессы и аппараты глиноземного производства". М., Металлургия. 1980. С.169. Рис.60).
Таким образом, в рассматриваемой известной установке начальный нагрев исходной пульпы осуществляется последовательно в кожухотрубных теплообменниках паром, образующимся в сепараторах, а окончательный нагрев ее - в прямоконтактных нагревателях паром высокого давления. Недостаток этой установки заключается в разбавлении обрабатываемой пульпы конденсатом греющего пара в прямоконтактных высокотемпературных нагревателях (т.е. снижение концентрации ее) и в потере конденсата греющего пара.
Более совершенной, чем рассмотренная установка, является установка трубного выщелачивания, в которой предварительный нагрев исходной пульпы выполняется также в кожухотрубном подогревателе, а окончательный нагрев до высокой температуры происходит в поверхностном кожухотрубном нагревателе (см. статью: Юхас А. "Направление развития производства глинозема способом Байера". Научн. труды ВАМИ №88. "Производство глинозема". Л. 1974. С.175. Рис.7). Преимущество этой установки заключается в отсутствии разбавления нагреваемой бокситовой пульпы в высокотемпературном нагревателе и, соответственно, в отсутствии потерь конденсата пара высокого давления.
По технической сущности и достигаемому положительному эффекту эта установка наиболее близка к заявляемой установке и поэтому принята заявителями в качестве прототипа.
Известная установка трубчатого выщелачивания бокситовой пульпы содержит трубный пучок для нагрева исходной пульпы, разделенный по длине на секции (являющиеся аналогом цепочки последовательно соединенных кожухотрубных подогревателей), выход из которого пульпопроводом соединен с кожухотрубным высокотемпературным нагревателем, обогреваемым паром, поступающим извне, и сообщающимся на выходе пульпопроводом с охладителем
выщелоченной пульпы, выполненным в виде соединенных последовательно самоиспарителей (сепараторов), каждый из которых сообщается паропроводом с одной из секций нагревательного пучка, по трубам которого проходит исходная пульпа. По сущности происходящих процессов и конструкции эти секции являются обычными кожухотрубными подогревателями. Из последнего сепаратора охлажденная пульпа отводится на дальнейшую переработку.
Недостатком этой установки является наличие сепараторов, предназначенных для охлаждения выщелоченной пульпы вскипанием. При вскипании горячей пульпы образующийся пар имеет температуру значительно ниже температуры пульпы как на входе, так и на выходе из сепаратора, т.е. потенциал тепла, передаваемого с паром от горячей выщелоченной пульпы к исходной пульпе, уменьшается.
Это падение, помимо затрат на парообразование, обусловлено в основном температурной депрессией кипящей пульпы, которая в условиях работы автоклавной батареи составляет 3-4°С на один сепаратор. Кроме того, температурные потери в паропроводе при движении пара из сепаратора в подогреватель составляет 1-2°С. Следовательно, суммарные потери на один сепаратор составляют 4-6°С, и для автоклавной батареи, состоящей из трех сепараторов и трех подогревателей, общие потери равны примерно 12-13°С. Кроме того, при бурном вскипании пульпы в каждом сепараторе происходит интенсивное образование множества мелких капель пульпы, которые уносятся потоком пара в подогреватели. В результате имеют место не только потери обрабатываемой пульпы, но и загрязнение конденсата, образующегося в подогревателях, что уменьшает возможности рационального использования его в производстве.
Целью прелагаемого устройства - установки для выщелачивания бокситовой пульпы - является устранение недостатков и снижение тем самым затрат на процесс выщелачивания, предотвращение потерь обрабатываемой пульпы, упрощение технологической схемы, уменьшение габаритов оборудования и обеспечение возможности более компактной компоновки его в производственном помещении.
Заявляемая установка для трубчатого выщелачивания бокситовой пульпы, также как и прототип, содержит трубный пучок для нагрева проходящей по трубам исходной пульпы, разделенный на секции по длине пучка или выполненный в виде последовательной цепочки кожухотрубных подогревателей, соединенный на выходе пульпопроводом с кожухотрубным высокотемпературным нагревателем, который на выходе пульпопроводом сообщается с устройством для охлаждения нагретой выщелоченной пульпы. Согласно изобретению новым в заявляемой установке является то, что охлаждающее устройство выполнено в виде трубного пучка, по трубам которого проходит нагретая выщелоченная пульпа, разделенного на секции по числу секций в нагревательном трубном пучке, и секции этих пучков соединены попарно:
первая по ходу пульпы секция для охлаждения - с последней секцией пучка для нагрева, вторая секция пучка для охлаждения - с предпоследней секцией пучка для нагрева, и все последующие секции соответственно так, что последняя секция пучка для охлаждения соединена с первой секцией пучка для нагрева, при этом каждая пара секций образует теплообменник с двойным трубным пучком, в котором межтрубное пространство секций сообщено и содержит буферную среду в жидком и парообразном состоянии, секция для нагрева расположена выше секции для охлаждения пульпы и служит конденсатором буферной среды, а секция для охлаждения пульпы - испарителем буферной среды.
Технический результат реализации предлагаемой установки для выщелачивания выражается в том, что использование для охлаждения выщелоченной пульпы кожухотрубного теплообменника в виде единого трубного пучка, разделенного на секции, или выполненного в виде последовательно соединенных отдельных кожухотрубных теплообменников, и новой конструкции теплообменника - с двойным трубным пучком, работающего по принципу термосифона, позволяют исключить сложный в техническом и неэкономичный в энергетическом отношении узел - сепаратор - подогреватель и делает весь технологический передел - выщелачивание пульпы - простым по аппаратурному оформлению и легко управляемым.
Принцип работы термосифона, содержащего зоны испарения и конденсации, а также буферную среду, известен (см. книгу: Справочник по теплообменникам. Пер. с англ. Т.2. М. Энергоатомиздат.1987. С.105. Рис.1). Однако использование этого принципа в заявляемой установке своеобразно и ново: зона испарения буферной среды служит для охлаждения нагретой пульпы, а зона конденсации - для нагрева исходной пульпы, буферная среда является теплоносителем между охлаждаемым и нагреваемым потоками пульпы. Причем в отличие от прототипа испаряется и конденсируется не обрабатываемая пульпа, а буферная среда (например, конденсат), которая не имеет температурной депрессии, а сопротивление движению пара непосредственно в аппарате ничтожно. Таким образом, генерирование пара буферной среды и его конденсация происходят практически при температуре горячей пульпы, проходящей по испарительному пучку.
При использовании термосифона обрабатываемая пульпа не претерпевает фазовых превращений, что исключает основной недостаток прототипа, обусловленный в значительной степени именно наличием в пульпе фазовых изменений в процессе выщелачивания.
Использование принципа термосифона для теплопереноса осуществляется в теплообменнике специальной конструкции - в теплообменнике с двойным трубным пучком.
Известен теплообменник с двойным трубным пучком, содержащий корпус, в котором расположены два трубных пучка. Один из пучков, установленный в нижней части корпуса, служит испарителем, другой, установленный выше - конденсатором. Корпус наполовину
заполнен буферной жидкостью, в которую полностью погружен нижний трубный пучок (см. книгу: Справочник по теплообменникам. Пер. с англ. Т.2. М. Энергоатомиздат.1987. С.279.Рис.10).
Известный теплообменник с двойным пучком предназначен для испарения технологической жидкости (этилена) водяным паром, а буферной средой является жидкий метанол при температуре 120°С. При работе аппарата под воздействием тепла конденсации водяного пара в теплообменных трубках испарителя буферная жидкость, находящаяся в межтрубном пространстве испарителя, кипит. Образующийся пар барботирует через объем буферной жидкости и, покидая ее, поднимается вверх в межтрубное пространство конденсатора, где конденсируется на наружной поверхности теплообменных трубок. Образующийся конденсат с трубок конденсатора стекает вниз в объем кипящей буферной жидкости. За счет тепла конденсации пара буферной жидкости происходит нагрев и испарение технологической жидкости, проходящей по трубкам конденсатора.
По технической сущности и достигаемому эффекту этот аппарат наиболее близок к заявляемому техническому решению и принят заявителями в качестве прототипа.
Недостатком известного теплообменника с двойным трубным пучком является низкая интенсивность теплопередачи от трубок испарителя к кипящей буферной жидкости, характерная для кипятильников погружного типа и, как следствие, большая поверхность теплообмена, габариты и металлоемкость трубного пучка, обусловливающие большую стоимость аппарата в целом. Кроме того, погруженные кипятильники работают со значительной гидростатической депрессией, т.е. при большой разности температур жидкости у поверхности нагрева и жидкости, кипящей в объеме, что существенно уменьшает температурный напор в испарителе и еще более уменьшает интенсивность теплопередачи.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение интенсивности теплопередачи в испарителе, исключение гидростатической депрессии и повышение тем самым тепловой эффективности, уменьшение металлоемкости и габаритов испарителя.
Поставленная цель достигается тем, что в теплообменнике с двойным трубным пучком, содержащим испаритель и расположенный выше конденсатор, в межтрубном пространстве которых циркулирует буферная среда, новым является то, что в качестве испарителя служит горизонтально-трубный пленочный теплообменник, а над ним может быть установлено оросительное пленкообразующее устройство в виде перфорированной полки с бортами.
Горизонтально-трубные пленочные теплообменные аппараты, как при нагреве, так и при испарении жидкости имеют весьма высокую интенсивность теплопередачи. В этих аппаратах выпариваемая жидкость формируется на поверхности горизонтальных теплообменных труб, перетекая с трубки на трубку по всей высоте трубного пучка. Паровые пузырьки, образующиеся при кипении этой пленки, энергично перемешивают выпариваемую жидкость, что
обусловливает предельно высокую интенсивность теплопередачи, в несколько раз превосходящую коэффициенты теплопередачи в погружных теплообменниках. Незначительная толщина (не более 1-2 мм) кипящей пленки на теплообменных трубках практически полностью исключает потери на гидростатическую депрессию.
Перфорированная полка с бортами является наиболее простым и надежным устройством для формирования жидкостной пленки на наружной поверхности теплообменных труб испарителя, компактно вписывающимся в двойной трубный пучок.
Кроме того, по бокам конденсационного пучка могут быть установлены вертикальные продольные перегородки, примыкающие нижними краями к бортам перфорированной полки, а верхними краями размещенные с зазором относительно стенок корпуса. Наличие этих полок позволяет создать организованное, направленное сверху вниз, движение пара по трубному пучку, тем самым интенсифицировать теплопередачу от пара к теплообменным трубкам и обеспечить полный и оперативный вывод неконденсирующихся газов из конденсационного потока через выводные трубы, размещенные под трубным пучком, что практически полностью предотвращает вредное влияние их на теплообмен.
В корпусе аппарата над трубным пучком конденсатора может быть помещен патрубок с запорным устройством для подвода пара, а в корпус аппарата ниже испарительного пучка может быть врезан патрубок, сообщающийся с нижерасположенной герметичной емкостью, к которой подсоединен всасывающий патрубок откачивающего насоса, а нагнетательный патрубок насоса соединен с оросительным устройством над пленочным испарителем.
Наконец, испаритель и конденсатор теплообменника могут быть размещены в отдельных, разнесенных по высоте камерах, соединенных паропроводом и конденсатным трубопроводом, причем паропровод от камеры испарения соединяется с верхней частью камеры конденсации, а конденсатопровод сообщает нижнюю часть конденсационной камеры с орошающим устройством, установленным над теплообменными трубками испарителя.
Анализ научно-технической и патентной литературы не выявил наличия в ней установки для выщелачивания и теплообменника с двойным трубным пучком с заявляемой совокупностью отличительных признаков. Сопоставление эффективности работы заявляемых устройств с действием известных показывает, что положительный эффект от реализации предлагаемых установки и теплообменника будет значительным, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемых технических решений критериям "новизна" и "существенные отличия".
На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемой установки для выщелачивания, в которой использованы теплообменники с двойным трубным пучком заявляемой конструкции. На фиг.2 более подробно изображена конструкция теплообменника - продольное сечение, а на фиг.3 - поперечное сечение этого аппарата по А-А на фиг.2. На фиг.4 представлен
вариант конструкции предлагаемого теплообменника с двойным трубным пучком, который целесообразен для установок большой производительности. В этом варианте испарительный и конденсационный пучки размещены раздельно в разных корпусах, разнесенных по высоте. Поперечное сечение этого аппарата по Б-Б показано на фиг.5. Вариант предлагаемой установки для выщелачивания, в которой применены теплообменник с раздельным размещением трубных пучков, приведен на фиг.6. На фиг.7 представлен отдельный испарительный пучок теплообменника с устройством, предназначенным для ускоренного пуска заявляемого теплообменника в работу.
Установка для выщелачивания по первому варианту (фиг.1) содержит теплообменники с двойным трубным пучком 1-4, в которых испарительный 6 и конденсационный 7 пучки размещены в одном корпусе. Над испарительным пучком 6 установлено орошающее устройство 8. В состав установки также входит высокотемпературный нагреватель 5, в который подается пар из внешнего источника. При необходимости на трубопроводе нагретой пульпы между высокотемпературным нагревателем 5 и испарительным пучком 6 теплообменника с двойным трубным пучком может быть помещен выдерживатель для обеспечения пребывания обрабатываемой пульпы при высокой температуре в течение определенного времени (на фиг.1 не показан). Конденсационные пучки 7 теплообменников 1-4 соединены пульпопроводами последовательно. Также последовательно соединены пульпопроводами испарительные пучки 6. Выходной патрубок последнего конденсационного пучка соединен пульпопроводом с входным патрубком высокотемпературного нагревателя 5, а выходной патрубок этого нагревателя соединен пульпопроводом с входным патрубком испарительного пучка теплообменника 4.
Установка работает следующим образом.
Исходная пульпа поступает в конденсационный трубный пучок первого теплообменника с двойным трубным пучком 1 и проходит затем конденсационные пучки всех остальных теплообменников, нагреваясь в каждом теплом, отводимым циркулирующим потоком буферной среды от потока выщелоченной пульпы в испарительном пучке. Из конденсационного пучка последнего теплообменника 4 подогретая пульпа поступает в высокотемпературный нагреватель 5 для окончательного нагрева до заданной температуры. Выходящая из нагревателя горячая пульпа поступает в испарительный пучок 6 теплообменника 4 и затем проходит все испарительные пучки теплообменников 3, 2, 1. В каждом теплообменнике выщелоченная пульпа охлаждается вследствие отвода тепла к потоку исходной пульпы через посредство буферной среды, циркулирующей между испарительным и конденсационным пучками. Для условий выщелачивания бокситовой пульпы в качестве буферной среды может быть использован конденсат водяного пара и водяной пар. Охлажденная пульпа отводится из испарительного трубного пучка теплообменника 1 на дальнейшую переработку.
В каждом теплообменнике (фиг.2 и 3) буферная среда (конденсат) стекает в виде струй из отверстий перфорированной полки 4 на теплообменные трубки испарителя 6 и распределяется по поверхности трубок в виде тонкого слоя - пленки. Стекая вниз по трубкам, конденсат интенсивно кипит. Образующийся пар выходит между трубками из испарительного пучка и по промежутку между трубным пучком и корпусом поднимается вверх, проходит между перегородкой 9 и корпусом и поступает в верхнюю часть конденсационного пучка 7. Проходя этот пучок сверху вниз, пар конденсируется на наружной поверхности теплообменных трубок. Тепло конденсации буферного пара воспринимается потоком исходной пульпы, который течет внутри трубок. Конденсат пара буферной среды стекает вниз и попадает на перфорированную полку 8. Пройдя отверстия этой полки, конденсат вновь попадает на теплообменные трубки испарителя 6. Таким образом, тепло от потока нагретой пульпы к потоку нагреваемой исходной пульпы переносится буферной средой (конденсатом и паром), циркулирующей в замкнутом пространстве корпуса теплообменника.
В начальный период, при пуске аппаратов в работу, воздух из межтрубного пространства вытесняется через трубы 10, размещенные под конденсационным трубным пучком. На период пуска в аппарат через патрубок 11 подают пар. При эксплуатации в рабочем режиме подавать пар в аппарат и отводить из него неконденсирующиеся газы не требуется.
При большой единичной производительности теплообменников и всей установки выщелачивания в целом целесообразно использовать вариант конструкции теплообменника с двойным трубным пучком, в котором конденсационный 7 и испарительный 6 пуски размещены в отдельных корпусах, соответственно, 12 и 13 (фиг.4 и 5). Корпус 12 испарительного пучка соединен паропроводом 14 с верхней частью корпуса 13 конденсационного пучка, а нижняя часть корпуса 13 сообщена конденсатопроводом 15 с оросительной перфорированной полкой 8 испарительного пучка. Для обеспечения стабильности работы аппарата на конденсатопроводе 15 предусмотрен гидрозатвор 16. В нижней части корпуса 13 с конденсационным пучком размещены трубы 10 для вывода неконденсирующихся газов (НГ), а в верхней части этого корпуса установлен паровой патрубок 11, обеспечивающий оперативный пуск аппарата в работу.
Схема установки выщелачивания пульпы, в которой использован второй вариант конструкции теплообменника с двойным трубным пучком, приведена на фиг.6.
Отличительным признаком заявляемого теплообменника с двойным трубным пучком и установки выщелачивания в целом являются устройства для оперативного пуска их в работу. Один из вариантов пуска обеспечивается наличием в корпусе теплообменника патрубка 11 для подвода пара. При пуске после подачи на установку потока исходной пульпы в конденсационные камеры теплообменников через патрубки 11 подают пар из внешнего источника, (пар подают также в высокотемпературный нагреватель 5). Этот пар конденсируется на поверхности трубок и нагревает исходную пульпу. Образующийся конденсат стекает вниз на перфорированные
полки и далее на поверхность трубок испарительных пучков, где начинает испаряться за счет тепла потока нагретой выщелоченной пульпы. Пар поступает в конденсационные пучки, вытесняя из аппарата воздух, первоначально содержащийся в корпусах теплообменников, через трубы 10 наружу. После разогрева установки и вытеснения газов из аппаратов наступает эксплуатационный режим работы теплообменников и подача пара через патрубки 11 прекращается. Закрываются также вентили, сообщающие внутренние пространства теплообменников с атмосферой через трубы 10.
На фиг.7 показано оборудование для второго варианта пуска в работу каждого из теплообменников и всей установки выщелачивания в целом: герметичная емкость 17, сообщенная трубопроводом 18, оснащенным вентилем 19, с нижней частью корпуса аппарата под испарительным пучком, насос 20, подсоединенный всасывающим патрубком к емкости 17, трубопровод 21, соединяющий нагнетательный патрубок насоса с оросительным устройством 8 испарительного пучка 6.
При пуске в работу на установку подают поток обрабатываемой пульпы, в высокотемпературный нагреватель из котельной направляют греющий пар, который нагревает поток пульпы. Затем открывают вентиль 19 на трубопроводе 18 к емкости 17, постоянно заполненной конденсатом, включив насос 20, по трубопроводу 21 подают конденсат на орошающее устройство 8. Вытекая из отверстий оросителя, конденсат попадает на поверхность теплообменных трубок испарителя и, стекая по этим трубам, нагреваемым потоком пульпы из нагревателя 5, кипит. Выделяющийся пар проходит в конденсационный пучок и конденсируется. Этот конденсат также попадает на поверхность испарительных трубок и испаряется. Происходит постепенный прогрев всех теплообменников и выход установки на эксплуатационный режим. После вывода установки на эксплуатационный режим насос 20 останавливают и вентиль 19 закрывают.
Таким образом, заявляемые технические решения позволяют устранить все основные недостатки, характерные для известных установок выщелачивания и используемых в них теплопередающих регенеративных устройств, и улучшить не только оборудование, но и систему управления установкой.
Преимущества предлагаемых технических решений по сравнению с известными заключаются:
- в уменьшении габаритов и стоимости оборудования;
- в повышении тепловой эффективности установки выщелачивания;
- в предотвращении потерь перерабатываемой пульпы;
- в упрощении технологических коммуникаций и системы управления процессом.