КОМБИНИРОВАННЫЙ ВЫПАРНОЙ АППАРАТ
COMBINED EVAPORATOR

Изобретение относится к оборудованию для химических и гидрометаллургических производств и может быть использовано в тех отраслях промышленности, где необходимо концентрирование производственных растворов путем их выпаривания.
На предприятиях химической и гидрометаллургической промышленности процессы испарения применяются при охлаждении и выпаривании производственных растворов. Испарение, как правило, протекает при большом потреблении энергии, что требует поиска путей снижения тепловых затрат путем совершенствования оборудования, ведения технологического процесса с использованием вторичных тепловых потоков. В этой связи возрастает интерес к пленочным испарителям, в которых достигается существенная интенсификация тепло- и массопереноса по сравнению с другими известными в инженерной практике аппаратами.
Пленочные испарители по направлению движения выпариваемого раствора разделяют на аппараты со стекающей, восходящей пленкой и комбинированные.
Известны прямоточные аппараты с поднимающейся пленкой (Т.А. Колач, Д.В. Радун. Выпарные станции. - М.: Машгиз, 1963 г., с. 37-40), которые состоят из паровой и греющей камеры, расположенных одна над другой. Последняя представляет собой трубный пучок, в котором длинна кипятильных трубок с оставляет от 5 до 9 м. Трубки закреплены в нижней и верхней трубных решетках. К нижней решетке примыкает камера подачи исходного раствора. Выпариваемый раствор подается в нижнюю камеру подачи и далее проходит в кипятильные трубки, где нагревается до температуры кипения. Вследствие интенсивного кипения пузырьки пара, двигаясь вверх по кипятильным трубкам, увлекают за собой раствор (эффект паролифта). Над греющей камерой в паровом пространстве аппарата установлен брызгоуловитель, в котором осуществляется первичное отделение пара от капель раствора. Концентрированный раствор удаляется по двум штуцерам из верхней растворной камеры. Подача греющего пара в греющую камеру осуществляется через специальный патрубок, отвод конденсата - через патрубок, расположенный над нижней трубной решеткой. Отвод вторичного пара осуществляется через патрубок в верхней паровой камере.
Основными недостатками подобных аппаратов являются крайняя чувствительность их к неравномерной подаче раствора, сложность регулирования процесса, необходимость наличия большой полезной разности температур (11-17)°C, зарастание верхней части труб накипью и отложениями, сравнительно невысокая зона кипения, которая различна в каждой трубе и зависит от локальной скорости нагревания.
Для устранения некоторых из указанных недостатков предложена конструкция выпарных аппаратов, в которых предусмотрена рециркуляция раствора, которая позволяет стабилизировать их работу и исключить зарастание труб отложениями солей (А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: ГНТИ химической литературы, 1961, с. 388-389).
По сравнению с указанными аппаратами наиболее предпочтительны прямоточные выпарные аппараты с нисходящей пленкой жидкости и прямоточным движением пара (Т.А. Колач, Д.В. Радун. Выпарные станции. - М.: Машгиз, 1963, с. 37-40), обладающие наименьшим гидравлическим сопротивлением и наибольшей производительностью. Аппарат имеет верхнюю камеру подачи раствора и нижнюю камеру упаренного раствора. Камера вывода раствора соединена с паровым пространством, вынесенным за пределы аппарата. Для обеспечения требуемой плотности орошения теплообменных труб в указанных аппаратах предусмотрена рециркуляция раствора (Н.А. Войнов, Ю.В. Плеханов, Н.Ю. Смирнова, Н.В. Лаишевкин. Лесной и гидрохимический комплекс. Проблемы и решения.- Сб. статей, Красноярск, ФАО ГОУ ВПО «СГТУ», 2007, том 2, с. 86).
Работа выпарных аппаратов с нисходящей пленкой не зависит от локальных скоростей кипения, расходы раствора и вторичного пара в каждой трубке практически одинаковы вне зависимости от скорости кипения. Указанные аппараты могут работать в широком диапазоне производительности при малой разности температур, что позволяет проектировать испарительные системы с большим числом ступеней, получить более высокую экономию энергии и повысить концентрацию раствора. Высокая рециркуляция жидкости (большие расходы), а также хорошее ее распределение по периметру труб препятствует образованию сухих участков вследствие пересыхания при кипении, тем самым уменьшается возможность образования осадка на пленкообразующей поверхности. К недостаткам аппарата следует отнести большие затраты электроэнергии на транспортировку и рециркуляцию жидкости.
Таким образом, дальнейшее увеличение эффективности работы пленочных выпарных аппаратов может идти по пути снижения расхода электроэнергии на транспортировку циркулирующей жидкости.
Наиболее близким к заявленному изобретению является комбинированный пленочный выпарной аппарат, где реализуются восходящее и нисходящее пленочное течение выпаренного раствора (RU, патент №144324, B01D 1/22, опубл. 20.08.2014). Данный аппарат содержит установленные вертикально теплообменные трубы, обогреваемые снаружи и объединенные в два основных трубных пучка: с падающей и с поднимающейся пленкой, соединенные последовательно по движению выпариваемого раствора и закрепленные концами в верхней трубной решетке и в нижней трубной решетке, причем верхние концы труб с падающей пленкой примыкают к приемно-распределительной камере, верхние концы труб с поднимающееся пленкой примыкают к выводной камере, а нижние концы этих труб сообщены при помощи нижней растворной камеры, и сепаратор, предназначенный для разделения концентрированного раствора и образовавшегося вторичного пара. Аппарат снабжен дополнительным пучком теплообменных труб с падающей пленкой, верхний конец которого, оснащенный распределительным и пленкообразующим устройствами, соединен с выводной камерой трубного пучка с поднимающейся пленкой, а нижним концом - с сепаратором. Теплообменные трубы, образующие основные и дополнительный трубные пучки, могут различаться по длине. Аппарат снабжен насосом, всасывающий патрубок которого соединен с растворным пространством нижней растворной камеры, а нагнетательный патрубок одним трубопроводом, снабженным регулирующим клапаном, соединен с приемно-распределительной камерой первого трубного пучка с падающей пленкой, а другим трубопроводом, снабженным регулирующим клапаном - с распределительным и пленкообразующим устройствами дополнительного трубного пучка.
К основным недостаткам аппарата следует отнести необходимость установки высоконапорного насоса для подачи жидкости в верхнюю приемно-распределительную камеру, который увеличивает затраты электроэнергии на выпаривание воды. Кроме того, по своей конструкции указанный аппарат может быть использован только в прямоточных аппаратурно-технологических схемах выпарки, которые по сравнению с противоточными схемами менее экономически эффективны ввиду того, что при противотоке коэффициент теплопередачи значительно меньше изменяется по корпусам, чем при прямотоке.
В основу изобретения положена задача, заключающаяся в разработке комбинированного выпарного аппарата, обеспечивающего возможность его использования как в прямоточных, так и в противоточных аппаратурно-технологических схемах выпарки и характеризующегося низким расходом электроэнергии на транспортировку циркулирующего раствора.
При этом техническим результатом является повышение эффективности работы выпарного аппарата.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что в комбинированном выпарном аппарате, включающем вертикально установленные в нем теплообменные трубы с падающей и с поднимающейся пленкой, приемно-распределительную, растворную и выводную камеры, верхнюю и нижнюю трубные решетки, насос, согласно заявляемому изобретению между верхней и нижней трубными решетками размещена промежуточная трубная решетка, образующая с нижней трубной решеткой приемно-распределительную камеру, снабженную патрубком для ввода циркулирующего раствора и соединенным с насосом, растворная камера расположена над верхней трубной решеткой и снабжена патрубком для вывода пара, теплообменные трубы с падающей пленкой выпариваемого раствора закреплены в верхней, промежуточной и нижней трубных решетках, теплообменные трубы с поднимающейся пленкой раствора закреплены в верхней и промежуточной трубной решетках, а их верхние концы выступают над верхней трубной решеткой, при этом трубы расположены на равном расстоянии друг от друга.
Теплообменные трубы могут быть закреплены в верхней и промежуточной трубных решетках таким образом, что каждую трубу с восходящей пленкой раствора окружают четыре трубы с нисходящей пленкой раствора, а каждую трубу в нисходящей пленкой раствора окружают четыре трубы с восходящей пленкой раствора.
Благодаря размещению между верхней и нижней трубными решетками промежуточной трубной решетки, образующей с нижней трубной решеткой приемно-распределительную камеру, снабженную патрубком для ввода циркулирующего раствора и соединенным с циркуляционным насосом, закреплению теплообменных труб с нисходящим движением выпариваемого раствора в верхней, промежуточной и нижней трубных решетках и закреплению теплообменных труб с восходящим движением раствора в верхней и промежуточной трубной решетках, верхние концы которых выступают над верхней трубной решеткой, организуется паролифтный транспорт выпариваемого раствора в верхнюю растворную камеру и снижение затрат механической энергии циркуляционного насоса.
Закрепление теплообменных труб в верхней и промежуточной трубных решетках таким образом, что каждую трубу с восходящей пленкой раствора окружают четыре трубы с нисходящей пленкой раствора, а каждую трубу в нисходящей пленкой раствора окружают четыре трубы с восходящей пленкой раствора и при этом расположение труб на равных расстояниях друг от друга способствует равномерному распределению упариваемого раствора по периметрам труб и исключает их забивку отложениями солей.
Расположение растворной камеры над верхней трубной решеткой и наличие патрубка для вывода пара обеспечивает отвод и первичную сепарацию пара самоиспарения, что снижает гидравлическое сопротивление его движению и увеличивает эффективность работы аппарата.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 показан продольный разрез комбинированного выпарного аппарата; на фиг. 2 показана схема размещения труб в верхней и средней трубных решетках по квадратам.
Комбинированный выпарной аппарат представляет собой цилиндрический корпус 1 с верхней и нижней крышками 2, 3. Во внутреннем объеме аппарата установлены три трубных решетки: верхняя 4, промежуточная 5 и нижняя 6. Между ними закреплены теплообменные трубы 7 и 8, по которым движется восходящий и нисходящий поток выпариваемого раствора соответственно. Для простоты восприятия на фиг. 1 приведены только две трубы с восходящей 7 и нисходящей 8 пленкой жидкости. В действительности количество труб должно соответствовать заданной производительности аппарата по упаренной воде. Нижний конец трубы 7 закреплен в промежуточной трубной решетке 5, а верхний - в трубной решетке 4 и поднят над ней. Верхний конец трубы 8 закреплен на уровне верхней трубной решетки, а нижний конец в промежуточной и нижней трубных решетках. Над верхней трубной решеткой расположена растворная камера 9 с патрубком для вывода вторичного пара 10. В объеме растворной камеры 9 установлены брызгоуловители для предварительной очистки пара от капель упариваемой жидкости. Под нижней трубной решеткой расположена выводная камера 11 с патрубками для вывода вторичного пара 12 и упаренного раствора 13. В ее объеме также может быть установлено устройство для очистки вторичного пара от брызг раствора. Циркуляционный насос 14 соединен с патрубком 13 и приемно-распределительной камерой 15. В межтрубное пространство аппарата введен патрубок 16 для подачи пара, необходимого для выпаривания раствора. Конденсат удаляется из межтрубного пространства через патрубок 17.
Размещение теплообменных труб в верхней и промежуточной трубных решетках (фиг. 2) выполнено таким образом, что каждую трубу с восходящей пленкой раствора 7 окружают четыре трубы с нисходящей пленкой раствора 8, а каждую трубу с нисходящей пленкой раствора окружают четыре трубы с восходящей пленкой раствора.
Комбинированный выпарной аппарат работает следующим образом.
Подлежащий выпариванию раствор вводится в приемно-распределительную камеру 15, где смешивается с циркулирующим раствором от насоса 14. Расход циркулирующего раствора определяется высотой заполнения труб 7, которая должна составлять 1/5-1/6 часть их полной высоты. При достижении температуры кипения раствора в трубах 7 в них активно образуются пузырьки пара, которые, двигаясь вверх, увлекают за собой раствор, распределяя его тонким слоем по внутренней поверхности труб 7 (эффект паролифтов). Процесс кипения в таких аппаратах характеризуется большим коэффициентом теплоотдачи к кипящему раствору. Это объясняется значительно меньшим термическим сопротивлением ламинарного подслоя раствора у стенки трубы (вследствие высокой скорости подъема пленки) по сравнению с аппаратами, имеющими циркуляционную трубу. При этом происходит разделение раствора и вторичного пара, который удаляется в сепаратор для глубокой очистки от капель жидкости через патрубок 10. Раствор переливается через верхнюю часть труб 7 и распределяется по поверхности трубной решетки 4, переливаясь в трубы 8, и стекает по ее внутренней поверхности. Верхние концы труб 7 приподняты над трубной решеткой 4 для снижения гидравлического сопротивления восходящему потоку жидкости за счет предотвращения обратного переливания раствора в трубы 7. Под действием пара межтрубного пространства раствор в трубах 8 продолжает кипеть и вместе с паром стекает в виде пленки в нижнюю растворную камеру 11. При этом раствор удаляется через патрубок 13, а отсепарированный пар выводится на глубокую очистку в сепаратор через патрубок 12. Образующийся в межтрубном пространстве конденсат выводится из аппарата через патрубок 17. Растворная и выводная камеры 9 и 11 для разделения жидкости и пара могут быть выполнены в верхней и нижней частях аппарата (как показано на фиг. 1) или в виде вынесенной камеры, соединенной с патрубками 10 и 12.
Установка промежуточной трубной решетки, в которой закреплены нижние концы теплообменных труб с восходящим движением раствора, позволила разместить приемно-распределительную камеру ниже теплообменных труб с восходящим движением жидкости, что позволило организовать паролифтный транспорт выпариваемого раствора в верхнюю растворную камеру при низких затратах механической энергии циркуляционного насоса. При этом в соответствии с известными формулами затраты энергии при транспортировке жидкости пропорциональны гидравлическому напору.
Таким образом, в представленной конструкции аппарата затраты мощности на циркуляцию раствора будут в 3-4 раз меньше, чем в аппаратах с падающей пленкой, за счет того что жидкость будет в основном транспортироваться паролифтами, представленными трубами 7. Необходимая высота подъема жидкости насосом 14 составит всего 4-5 м, а не 20-27 м, как это имеет место на существующих промышленных аппаратах.
вн
вн
Схема размещения теплообменных труб в верхней и промежуточной трубных решетках представляет собой сетку из правильных треугольников или квадратов, по вершинам которых расположены трубы с шагом t=(l,22-1,33)×d, где d - внутренний диаметр трубы. При этом каждую трубу с поднимающейся пленкой раствора окружают 4 трубы с падающей пленкой раствора, а каждую трубу с падающей пленкой раствора окружают 4 трубы с поднимающейся пленкой раствора, что позволяет обеспечить равномерное распределение упариваемого раствора по периметрам труб с нисходящим движением раствора и исключить их забивку отложениями солей.
Основным условием стабильной работы пленочных аппаратов является равномерное распределение выпариваемой жидкости по теплообменным трубам. При этом соотношение количества труб с поднимающейся и падающей пленой равно единице. Поток жидкости, выходящий из трубы 7, делится на четыре части и равномерно распределяется по четырем трубам 8, равноудаленных на кратчайшее расстояние от труб 7. Поскольку каждая труба 8 окружена четырьмя трубами 7, то в нее поступает четыре четверти объема раствора из труб 7. Таким образом, раствор, выходящий из труб 7, равномерно распределяется по трубам 8.