Выпарной аппарат

2002112074
Полезная модель относится к выпарной технике и может быть использонана в ряде отраслей, где требуется сконцентрировать (упаривать) кристаллизующиеся и накипеобразующие растворы, например, в глиноземном производстве для упаривания кристаллизующегося алюминатного раствора.
Одной из важнейщих проблем, возникающих при использовании выпарных аппаратов, является обеспечение высокой эффективности их работы, позволяющее получить высокую производительность при минимальных энергетических и капитальных затратах. Это даст возможность достигнуть снижения металлоемкости, уменьщения габаритов и уменьшения объемов производственных помещений, в которых они размещены. Для достижения указанных аффектов необходимо, чтобы выпарные аппараты имели максимально возможные коэффициенты теплопередачи, которые зависят от степени соверщенства конструкции аппарата и гидродинамического режима его работы. Повышения экономичности можно добиться также увеличением межпромывочного цикла работы аппарата.
Известен выпарной аппарат с опрокинутым контуром циркуляции (авт. свид. СССР № 629944, МПК ВО1Д1/10, 1978 г.), включающий греющую камеру и подключенный к ней посредством циркуляционной трубы сепаратор. С целью придания естественной циркуляции обращенного характера, при котором раствор в трубках греющей камеры будет двигаться сверху вниз, в циркуляционной трубе установлен нагреватель. При включении аппарата в работу вначале подают пар в подогреватель, в котором за счет нагрева раствор по трубкам движется снизу вверх. После разогрева всего раствора в аппарате и возникновения обращенной циркуляции подают пар в греющую камеру выпарного аппарата. За счет обращенной циркуляции высота аппарата может быть уменьшена на 4 - 8 метров.
Недостатками аппарата являются значительные гидравлические сопротивления циркуляционного контура, которые из-за наличия подогревателя возрастают на 30 - 40%, что снижает интенсивность его работы, а также повышенная металлоемкость.
Кроме того, для чакуска выпарного аппарата описанной конструкции необходимо, чтобы полсяшя рачпость TCMiicpUiyp была не менее 25 гридусо. В иротнипомслуидС:обращенная циркуляция переворачивается и имеет место кипение в греющих трубка с. В многокорпусных установках располагаемая полезная разность температур составляет всегр 15 - 20 градуеов, что не позволяет применить этот аппарат.
МПКВ01Д1/06
Выпарной аппарат
конической циркуляционной трубы, в котором для усиления циркуляции в трубу вскипания подают пар. Подачу пара осуществляют с помощью инжектора, в котором вторичный пар выпарного аппарата сжимается греющим паром, в результате чего сокращается его расход. Недостатком аппарата является то обстоятельство, что расход пара на усиление циркуляции соизмерим с расходом греющего пара, поступающего на выпаривание.
Известен также выпарной аппарат (авт. свид. СССР №,73997, МПК В01Д1/14, 1964 г.), в котором для усиления циркуляции раствора применяют устройство типа струйного насоса, питаемого паром или газом извне, смонтированное на трубе вскипания (на циркуляционной трубе, соединяющей выходную часть греющей камеры с сепаратором), В этом аппарате за счет струйного насоса пар высокого давления используется для усиления циркуляции.
Недостатком аппарата является ненадежность струйного насоса и незначительный эффект усиления циркуляции, несмотря на больщой расход греющего пара. Это обусловлено несколькими причинами: а) конденсация струи пара в холодном растворе вызывает гидравлические удары, приводящие к вибрации всего аппарата; б) образование вторичных контуров циркуляции внутри трубы вскипания, т.е. часть раствора, выходящего из струйного насоса, не поднимается вверх по трубе вскипания, а опускается вниз. В результате снижается КПД насоса и требуется значительный расход пара.
Известен выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения (авт. свид. СССР № 633537 МПК В01Д 1/12, 1978 г.), содержащий вертикальную греющую камеру с подъемной трубой, циркуляционную трубу, патрубки ввода и вывода раствора и сепаратор, снабженный
цилиндрической камерой для ввода исходного раствора, установленной снаружи подъемной трубы на ее верхнем конце, а в стенках подъемной трубы, наход ихся в камере, выполнены отверстия.
Недостатком известного аппарата является невозможность использования для выпаривания накипеобразующих и кристаллизующихся растворов ввиду зарастания отверстий
в стенках подъемной трубы, хотя аппараты с вынесенной зоной кипения предназначены именно для таких растворов. Кроме того, в случае работы аппарата с естественной циркуляцией потребуется значительная высота трубы вскипания, что вызовет увеличение массы и размеров аппарата.
Наиболее близким к заявляемому выпарному аппарату по конструктивному устройству и по технической сущности является выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора, описанный в книге Еремина Н.И.  др. Процессы и аппараты
Аппарат состоит из сепаратора, соосной греющей камеры с патрубком для подвода греющего пара, нижней растворной кал1еры, выносной циркуляционной трубы и вынесенной зоны кипения. Аппарат имеет патрубки для подвода и слива раствора.
Рассматриваемый аппарат работает следующим образом. Исходный раствор поступает в аппарат через nviTpy6oK для подвода раствора. В аппарате происходит смеиюние исходиого paovvuvpii с ппходящимсй п нем циркулируюишм распюром. Смесь укачанных растпороп v uycKacivM IU) цирку.пяциониой труоо в нижнюю расгпорную камору, огкуда входнт и трубки греющей камеры. В межтрубное пространство греющей камеры подводится пар, который конденсир ется на трубках, отдавая свое тепло раствору. За счет подогрева плотность раствора -меньи1ается, и он вытесняется наверх более холодным раствором. На выходе из греющей камеры в вынесенной зоне кипения происходит вскипание раствора, которое происходит по всей высоте зоны кииения. Вскипевший раствор поступает в сепаратор, где вторичный пар отделяется от раствора и выводится из аппарата. Отделенный от пара раствор из сепаратора по выносной циркуляционной трубе поступает в нижнюю растворную камеру, а затем в греющую камеру. Часть циркулирующего в аппарате раствора отводится через патрубок для слива раствора.
Достоинством данного аппарата является вынос зоны кипения раствора из греющих трубок. Другое достоинство аппарата - прототипа состоит в соосном расположении сепаратора и греюще каморы, иозволяюищм уменьщить занимаемые производстпе1Н1ые площади. За счет этого интенсифицируется работа аппарата, повыщается его производительность, снижается инкрустация трубок, гro ведет к увеличению межпромывочного периода работы и, следовательно, к снижению энергозатрат.
Недостаток данного аппарата состоит в том, гго вынесенная зона кипения имеет очень большую высоту. Это приводит к увеличению металлоемкости аппарата. По опытным данным, высота зоны кипения в выпарном аппарате с естественной циркуляцией может достигать 8-10 м, вследствие того, что раствор в данной зоне содержит пузырьки пара, облегчающие его. Столь большая высота зоны кипения ведет не только к увеличению металлоемкости аппарата, но и к увеличению высоты и обьема производственного здания, в- котором располагается аппарат. Уменьшение высоты зоны кипения аппарата приводит к тому, что раствор будет кипеть в . Вслелствие этого интенсивность работы снизится и внутри труб будут отложения солон, кылыкающио снижение межпромывочного периода работы, необходимость, промывки аппарата и увеличение энергозатрат на унарку промывных вод
твердой фазы, в нижней растворной камере происходит ее осаждение. В результате этого cHii- aexcH скорость циркуляции и интенсивность работы аппарата, происходит зарастание трубок солью, что требует промывки, приводящей к увеличению энергозатрат.
Указанных недостатков лишен предлагаемый выпарной аппарат, при эксплуатации которого будсг достигнет желаемый результат - интенсификация работы и снижение металлоемкости.
Для достижения необходимого технического результата в выпарном аппарате с ccrccrweuHoii циркуляцией и вынесенной зоной кипения, содержащем сепаратор, сооеную фею1ц ю камеру с патрубком для нодвода греющего пара и 1н1жнсй растворной камерой, вьшосную циркуляционн то трубу и патрубки для подвода и слива раствора, часть циркуляционной трубы перфорирована отверстиями размером 6-15 мм и снабжена рубащкой с патрубком для подвода греющего пара, р1 змещенным на 3 - 6 м ниже ввода циркуляционной трубы в сепаратор и снабженным запорной арматурой, а патрубок для слива раствора помещен на (0,5 - 1,5) диаметра циркуляционной трубы ниже ввода последней в сепаратор. Предлагаемый выпарной аппарат также имеет нижнюю растворную камеру, выполненную в
виде перевернутого усеченного конуса. Кроме того ввод циркуляционной трубы в сепаратор выполнен гангенщитьным.
Заявляемая полезн11я модель отвечает всем критериям патентоспособности.
Вынарно аннарат является новым, т.к. из уровня техники не известны ренюпия с такой же еоиокупносгыо еущеегиенмых пришакон, о чем енндечхми.егвует нр|щеденньи1 выше OIIUJHJJ аналогов.
Полезная модель промыщленно применима, может быть использована в прол1ышленности, в тех ее отраслях, что указаны в начале описания. Все признаки полезной модели вьнюлннмы и воспроизводимы и для достижения ожидаелюго технического результата используются в полном объеме.
Представляемое ниже описание конкретного выполнения аппарата - подтверждение тому.
На представленном чертеже - иллюстрация заявленного выпарного аппарата.
ЗаяапяемыГ выпарной аппарат с естественной циркуляцией состоит из сепаратора 1, соосной е ннм и размещенной нод сепаратором греющей камеры 2 с патрубками для нодвода греющего пара 3 н отвода конденсата 4, 1Н1жней растворной камеры 5, выносной циркуляционной трубы 6. В aiHiapare имеются патрубки для нодвода 7 и CJHIBU раствора 8, а гакже для отвода вторичного пара 9. 1асть инркуляционпо{1 трубы 10 пер(|)орироваиа отверстиями размером 6-15 мм и снабжена рубашкой 11 с натрубком для подвода пара 12, размещенным на 3 - 6 м ниже ввода циркуляционной трубы в сепаратор и снабже1нн 1м
запорной арматуро|1 13. Патрубок для слива раствора 8 помещен на (0,5 - 1,5) диаметра циркуляционной трубы ниже ввода последней в сепаратор. Ввод 14 циркуляционной трубы 10 в сепаратор 1 выполнен тангенциальным. В циркуляционной трубе имеется вынесенная зона кипения 15. Нижняя растворная камера 5 выполнена в виде перевернутого конуса.
Аппарат работает следуюнлим образом. После заполнения аппарата исходным раствором через патрубок,7 открывают запорную арматуру 13 и через патрубок 12 подают греюнщй пар в рубашку И, откуда пар через перфорацию по циркуляционной трубе 10 поступает внутрь трубы 6. Пар поступает в трубу через перфорацию 10 в виде пузырьков, которые движутся вдоль стенки циркуляционной трубы 6, пока не будут сконденсированы раствором. При этом происходит подогрев раствора и подъем его вверх по трубе за счет вытеснения более холодным растворо.м.
При достижении подогретым раствором зоны кипения 15 раствор начинает вскипать. Причем, по мере продвижения вверх, закипает все большее и большее количество раствора, пока НС закипит весь раствор. Кипящий раствор из вьиюсной зоны кипения циркуляционной трубы 15 нходит в сепаратор I через тангенциальный ввод 14: расиоложенший над уровнем раствора ь аппарате, определяемым патрубком слива раствора 8, на высоте (0,5 - 1,5) диаметра
циркуляционной трубы. Тангенциальный ввод 14 кипящего раствора в сепаратор 1 обеспечивает стабильные условия прокипания раствора и отделения вторичного пара, а также равномерно распределяет раствор по сепаратору 1. Прокипевший раствор опускается вниз по сепаратору и входит сверху в греющую камеру 2. По трубкам греющей камеры 2 раствор движется сверху вниз.
Из греющей камеры 2 раствор поступает в нижнюю растворную камеру 5, а затем в циркуляционную трубу 6. По циркуляционной трубе 6 раствор подымается вверх, вытесняя смешанный с паром и подогретый раствор. Таким образом осуществляется циркуляция раствора в аппарате в период его пуска.
Подачу пара в циркуляционную трубу через патрубок 12 осуществляют в течение 5-10 минут. При этом раствор на1ревается до 80 - , что свидетельствует о циркуляции раствора в аппарате в требуемом направлении. После этого через патрубок 3 в греющую камеру аппарата 2 подают греющий пар, а конденсат пара отводится через патрубок 4, а затем постепенно поднимают давление пара до необходимого. Сразу после подачи пара в греющую камеру запорную арма1уру 13 закрывают, т.е. црекрагцают подачу пара в циркуляционную трубу. При этом раствор в аннарате циркулирует в прежнем, т.е. обращенном направлении, подогреваясь в греющей камере. Об этом свидетельствует положительная разность температур между те.мпературами раствора после и до греющей камеры.
Таким образом аппарат работает в установившемся режиме. При этом в аппарат через патрубок 7 постоянно подводится исходный раствор, а упаренный раствор сливается через патрубок 8. Вторичный пар, выделившийся из раствора, отводится через патрубок 9. В случае аварийного падения давления греющего Пара, открывают запорную арматуру 13 для подачи пара в циркуляционную трубу до восстановления необходимого давления.
Далее рассмотрим подробнее необходимость и достаточность как каждого из отличительных признаков заявляемого технического решения, так и всех вместе.
Заявленная совокупность признаков предлагаемого технического решения позволяет перенести зону кипения раствора в выносную циркуляционную трубу, тогда как в прототипе вынесенная зона кипения располагается над греюшими трубками. То есть заявленный анпарат работает как аппарат с обрап1енной естествепной циркуляцией.
Нахождение зоны кипения раствора в выносной циркуляционной трубе позволяет уменьшить высоту аппарата, то есть металлоемкость, имея практически люб|ую высоту зоны кипения. При этом аппарат может быть спроектирован таким образом, чтобы иметь высокую скорость циркуляции (определяющую интенсивность работы), приводящу1д к возрастанию высоты зоны кипения без увеличения металлоемкости.
Для поддержания устойчивой обращенной циркуляции в аппарате необходимо, чтобы патрубок 8 слива раствора из аппарата, определяющий уровень раствора в аппарате, располагался на (0,5 - 1,5) диаметра циркуляционной трубы 6 ниже ввода последней в
v-- .,
сепаратор 1.
Введение в циркуляционную трубу 6 острого пара при запуске аппарата, во-первых, направляет циркуляцию раствора в необходимом, то есть обращенном направлении, а, вовторых, подогревает раствор. При этом ввод пара в циркуляционную трубу 6 благодаря наличию рубащки и отверстий в стенках трубы 6 позволяет ускорить запуск аппарата в работу. Это объясняется, по-видимому, тем, что при движении раствора по циркуляционной трубе наименьщая скорость раствора имеет место в непосредственной близости от стенки, вследствие трения раствора об ее шероховатости. Подвод пара через отверстия в стенке циркуляционной трубы как бы смазывает днижупщйся раствор, снижая сопротивление трения о стенку трубы.
В результате на запуск аппарата требуется 5-10 минут (и даже 2-3 минуты для горячего раствора), в то время как при подводе пара в центральную часть трубы необходимо в 2 - 3 раза больше времени. Кроме того, как показали испытания, благодаря заявленной конструкции ввода пара в циркуляционную трубу, запуск аппарата, то есть создание обращенной циркуляции раствора, происходит при температуре 80 - 85 °С. В случае же подвода пара в центральную
начинается обращенная циркуляция, снижается количество пара, затрачиваемое на запуск аппарата, т.е. энергозатраты.
Заявленный размер отверстий для подвода пара 6 - 15 мм также является необходимым лля достижения положительного эффекта. Подвод пара через отверстия с диаметром менее 6 мм ведет к тому, что вводимого пара недостаточно для снижения сопротивления движения пристенного слоя раствора в трубе. Кроме того, при выпаривании накипеобразующих растворов, например, алюдминатных растворов в глиноземном производстве, возможно зарастание и забивка малых отверстии накипью. Подвод пара через отверстия с размером больше 15 мм приводит к гидроударам, разрушающим аппарат. Это объясняется тем, что через большие отверстия в раствор входят большие пузырьки пара, которые при конденсации охлопываются, создавм гидроудары.
Pa Motnonnc рубашки с патрубком для подвода греющего пара на 3 - 6 м ниже ввода циркуляционной трубы в сепаратор необходимо для обеспечения устойчивой циркуляции раствора и быстрого запуска аппарата. Заявленное расположение рубашки с патрубком подвода пара позволяет добиться оптимального режима течения парожидкостной смеси, образованной раствором и введеннь1м паром.
При оптимальном расположении узла ввода пара в циркуляционную трубу в ней вначале происходит конденсация пара, за счет чего раствор подогревается, а затем, по мере подъема раствора, начинается его вскипание вследствие уменьшения гидростатического давления. В резу:пл-аге облегчения столба раствора в циркуляционной трубе между зонами конденсации пара и кипения раствора, возникает движущий напор, расходуемый на создание обращенной циркуляции. Для эффективного использования вводимого пара необходимо обеспечить подвод пара ниже зоны вск1шания раствора. Для создания же наибольшей скорости циркуляции (о11редсляк гг1С11 П(1)(})скгивиость работы аппарата),  обеспечить наибольшую высоту зоны, в которой происходит конденсация пара.
Оптимальное расположение узла ввода пара в циркуляционную трубу Аппарата было определено экспериментачьно при испытаниях выпарного аппарата заявленной конструкции. При размещении рубашки с патрубком ввода пара на высоте менее 3 м от ввода циркчляционной трубы в сепаратор, вводимый пар попадает, по-видимому, сразу в зону KIiпeния. В результате этого эффективность использования пара резко снижается, что проявляется в значительном увеличении времени запуска аппарата, возрастании расхода пара и в повышешш температуры раствора, при которой начинается циркуляция раствора.
трубе, а практически снижает движущую силу циркуляции раствора в аппарате. Все эти оГ стоятсльства приводят к перерасходу пара. Кроме того, в данном случае снижается надежность работы выпарного аппарата, так как обращенпая циркуляция в этих условиях может смениться на противоположную по направлению, как это неоднократно имело место при испытаниях опытного аппарата.
Снабжение патрубка 12 для подвода пара к рубшпке 11 на циркуляционной трубе запорной арматурой 13 позволяет отключить подачу пара в цпркуляцио1П1ую трубу после  аппарата, то есть создания в нем необходимой циркуляции раствора. При резком палении давления греющего пара, подаваемого в греющую камеру аппарата, обращенная циркуляция может быть нарушена. Поэтому в данном сллчае при помощи запорной арматуры 13 пар вновь подается в циркуляционную трубу для поддержания циркуляции раствора до восстановления нормального давления пара.
Для обеспечения устойчивой и высокоэффективной циркуляции раствора в аппарате при высокой скорости движения раствора, необходимо, чтобы гидравлическое сопротивление циркуляционного контура аппарата было мипимальным. В том числе, согласно теории, следует исключ11ть иотери напора (движущего циркуляцию в аппарате) на подъем кипящего раствора над уровнем раствора в аппарате. Однако, как показали испытания опытного аппарата, наиболее сгопчипо11 и эффективной циркуляция является, если патрубок 8 для слива раствора (оирсдслчюнип) уровень расгнора п анпарате) помещен на (0.5 - 1,5) диаметра циркуляционной  ниже ввода последней в сепаратор. При высоте pacиoJюжeнllя патрубка слива 8 менее, чем на 0,5 диаметра циркулящюнной трубы ниже ее ввода в сепаратор, работа аппарата является неустойчивой. Циркуляция раствора в этом случае может бьггь как обращенной, так и поменяться на противоположную, хотя гидравлическое. сопротивление циркуляционного контура при этом минимальное.
Если же патрубок слива раствора расположен на высоте более 1,5 диаметров циркуляционной трубы от места ее входа в сепаратор, то интенсивность работы аппарата резко падет. При столь больщой высоте обращенная циркуляция раствора может прекратиться и раствор зак1ии1т в теилообменных трубках греющей камеры, что вызовет отложения в них накипи.
Выполнение нижней растворной камеры 5 заявляемого выпарного аппарата в виде порсксрн - ч го уссченно1 конуса способствует созданию устойчивой и высокоэффективной циркуляции раствора в аппарате. Конусная нижняя растворная камера 5 обеспечивает плапный переход подогретого раствора, выщедщего из греющей камеры в циркуляциопную трубу. При этом исключается образование застойных зон, которое может быть в растворной камере любой другой формы. Образование застойных зон ведет к осаждению в них твердо11 фазы из
ЦмШ
упариваемого раствора. Вследствие этого уменьшается или полностью прекращается циркуляция раствора в аппарате и его приходится промывать.
Для получения устойчивой обращенной циркуляции раствора в заявляемом выпарном аппарате ввод циркуляционной трубы в сепаратор выполнен тангенциальным. Тангенциальный ввод циркуляционной трубы создает стабильные условия прокипания раствора в сепараторе и входа прокипевшего раствора в греющую камеру. Тем самым обеспечивается эффективная работа всего выпарного аппарата. При центральном вводе циркуляционной трубы в сепаратор, это создаст в последнем волны раствора, которые нарушают равномерность прокипания раствора и входа его в греющую камеру. Вследствие этого циркуляция раствора в аппарате
будет недостаточно устойчивой, а работа - недостаточно эффективной.
Заявленный выпарной аппарат при испытаниях показал высокую эффективность работы. Эффективность работы выпарных аппаратов характеризуется коэффициентом теплопередачи. При испытаниях заявленного аппарата при упаривании алюминатного раствора средний коэффициент его теплопередачи составлял 3000 - 3200 , в то время как у прототипа, работающего в аналогичных условиях, коэффициент теплопередачи был 1200 - 1500 .
Кроме того, зая ле1П1Ый аппарат работал без промывки 5 суток, тогда как у прототипа межпромывочный период работы составляет 20 - 24 часа. При этом на всем протяжении работы заявленный аппарат работал стабильно с устойчивой циркуляцией раствора.
Наряду с изложенным, следует отметить, что благодаря выносу  зоны кипения в заявленном аппарате в циркуляционную трубу снижается его металлоемкость. По сравнению с прототипом, металлоемкость заявленного выпарного аппарата меньше на 30%.