КОМБИНИРОВАННЫЙ ПЛЕНОЧНЫЙ ВЫПАРНОЙ АППАРАТ

Полезная модель может быть использована в химической, фармацевтической отраслях промышленности, в строительстве при изготовлении стройматериалов, а также в радиохимической отрасли для выпаривания радиоактивных сточных вод, пенообразующих растворов, и растворов, содержащих поверхностно-активные вещества.
Выпарные аппараты пленочного типа - с падающей и с поднимающейся пленкой выпариваемого раствора являются весьма эффективными и экономичными аппаратами и широко распространены в различных отраслях техники. Высокая интенсивность выпаривания в этих аппаратах обеспечивается тем, что выпариваемый раствор формируется в виде тонкой пленки, которая под действием силы тяжести и энергии образующегося вторичного пара с большой скоростью движется вдоль по внутренней поверхности теплообменных труб, установленных вертикально и обогреваемых снаружи. При этом эффективность их работы в значительной степени зависит от протяженности пленочного течения раствора, т.е. - от высоты теплообменных труб. Однако, большая высота аппаратов затрудняет размещение их в производственном помещении и требует дополнительных затрат на увеличение высоты помещений при оснащении технологического производства пленочными аппаратами.
Традиционным и наиболее рациональным способом устранения этого недостатка является совмещение в одном аппарате теплообменных труб с падающей и с поднимающейся пленкой, соединенных последовательно так, чтобы выпариваемый раствор проходил их последовательно.
Известен выпарной аппарат по патенту РФ на изобретение №2039438, МПК A23C 1/12, 1995 г., который содержит вертикально установленные теплообменные трубы, закрепленные концами в верхней и нижней трубных решетках, приемно-распределительную камеру, выводную камеру и сепаратор. Приемно-распределительная камера оснащена патрубком для подвода исходного раствора, направляемого на выпаривание, закреплена сверху на верхней трубной решетке, примыкает к верхним концам половины теплообменных труб и предназначена для равномерного распределения исходного раствора форсункой по этим трубам и для формирования с помощью пленкообразующего устройства пленочного течения раствора вниз (падающей пленки). Выводная камера, также размещена на верхней трубной решетке, снабжена выводным патрубком, предназначена для вывода концентрированного раствора и вторичного пара, выходящих из верхних концов примыкающей к ней другой половины теплообменных труб (из труб с поднимающейся пленкой) через выводной патрубок в сепаратор, где происходит разделение концентрированного раствора и вторичного пара.
Нижние концы установленных вертикально теплообменных труб с падающей и с поднимающейся пленкой соединены попарно при помощи дугообразной трубы-переходника. Выпариваемый раствор частично выпаривается, стекая сначала сверху вниз в теплообменных трубах с падающей пленкой, затем по трубе переходнику проходит в теплообменные трубы с поднимающейся пленкой и при движении по ним снизу вверх выпаривается окончательно.
Недостаток этого известного выпарного аппарата заключается в значительном сопротивлении паро-растворного тракта при перетоке раствора и образовавшегося вторичного пара по трубам-переходникам и конструктивной сложности ввиду наличия этих труб-переходников.
Этот недостаток исключен или сведен к минимуму в известном пленочном выпарном аппарате по патенту РФ на полезную модель №122583, МПК B01D 1/12. В этом известном аппарате, содержащем приемно-распределительную камеру, выводную камеру, сепаратор, вертикально установленные теплообменные трубы с падающей и поднимающейся пленкой, нижние концы всех теплообменных труб с падающей и с поднимающейся пленкой имеют выход в единую герметичную нижнюю растворную камеру и движение выпариваемого раствора и вторичного пара, образовавшегося в теплообменных трубах с падающей пленкой, в теплообменные трубы с поднимающейся пленкой осуществляется через нижнюю растворную камеру, имеющую большое проходное сечение для движения раствора и пара. Движение пара происходит при небольшой скорости перемещения и, следовательно, с небольшими потерями давления пара при этом движении. Уменьшение потерь давления вторичного пара в нижней растворной камере позволяет при прочих равных условиях повысить потенциал его на входе в теплообменные трубы с поднимающейся пленкой и, тем самым, увеличить скорость движения его в этих трубах, скорость поднимающейся пленки и в конечном итоге - интенсивность теплопередачи и эффективность работы выпарного аппарата в целом.
Рассматриваемый пленочный выпарной аппарат по патенту РФ на полезную модель №122583 имеет ряд отличительных признаков, направленных на создание благоприятных возможностей, увеличивающих эффективность и стабильность работы, а также - удобство эксплуатации аппарата, в частности, - днище нижней растворной камеры под пучком труб с падающей пленкой может быть выполнено с уклоном α=10-60° к горизонтальной плоскости до границы с пучком труб с поднимающейся пленкой, верхние концы теплообменных труб с поднимающейся пленкой могут быть выпущены на 5-50 мм выше верхней трубной решетки, теплообменные трубы с падающей и с поднимающейся пленкой могут иметь разный диаметр, а также другие отличительные признаки.
По технической сущности и достигаемому положительному эффекту этот известный пленочный аппарат наиболее близок к заявляемому техническому решению и поэтому принят нами в качестве прототипа.
Вместе с тем рассматриваемый известный пленочный аппарат, принятый в качестве прототипа, имеет существенный недостаток.
Этот недостаток заключается в том, что в нем не полностью используются возможности повышения эффективности работы аппарата, которые могут быть достигнуты при применении нижней растворной камеры для перетока выпариваемого раствора и образующегося в процессе выпаривания вторичного пара из теплообменных труб с падающей пленкой в теплообменные трубы с поднимающейся пленкой.
Задачей, на решение которой направлен предлагаемый комбинированный пленочный выпарной аппарат является устранение указанного недостатка с обеспечением благоприятных гидродинамических условий в теплообменных трубках, при которых достигается наиболее эффективная работа аппарата.
Достигаемый при использовании полезной модели технический результат заключается в увеличении протяженности пленочного течения выпариваемого раствора, определяющего поверхность теплопередачи, и соответственно, производительности по выпариваемой воде при минимальных капитальных затратах, без увеличения габаритов аппарата по высоте и без существенного увеличения энергетических затрат.
Технический результат достигается за счет того, что в комбинированном пленочном выпарном аппарате, содержащем установленные вертикально теплообменные трубы, обогреваемые снаружи и объединенных в два трубных пучка: с падающей и с поднимающейся пленкой, соединенные последовательно по движению выпариваемого раствора, так что верхние концы труб с падающей пленкой примыкают к приемно-распределительной камере, верхние концы труб с поднимающейся 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.
От прототипа аппарат отличается тем, что аппарат снабжен дополнительным пучком теплообменных труб с падающей пленкой, верхний конец которого, оснащен распределительным и пленкообразующим устройствами, сообщен с выводной камерой трубного пучка с поднимающейся пленкой, а нижний конец - с сепаратором.
Проведенные нами исследования показали, что в пленочном выпарном аппарате с нижней растворной камерой, принятой нами за прототип, гидродинамическое сопротивление теплообменных труб с падающей пленкой составляет примерно 12%, теплообменных труб с поднимающейся пленкой - 62%, а нижней растворной камеры примерно - 26% общего сопротивления паро-растворного тракта аппарата. Из приведенных данных следует, что использование в качестве дополнительного пучка труб с падающей пленкой является оптимальным вариантом при котором увеличение общего сопротивления аппарата только на 12% позволяет увеличить его поверхность теплопередачи и, соответственно, производительность по выпариваемой воде примерно на 30%.
Комбинированный пленочный выпарной аппарат может отличаться также тем, что 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. Кроме того, теплообменные трубы, образующие основные и дополнительный трубные пучки могут различаться по длине.
Заявленная полезная модель «Комбинированный пленочный выпарной аппарат» соответствует условиям патентоспособности.
Заявляемая полезная модель обладает новизной, так как совокупность ее существенных признаков неизвестна из уровня техники, как показали проведенные заявителем патентные исследования и представленный выше анализ аналогичных заявляемому технических решений.
Полезная модель промышленно применима, так как может быть использована в химической, фармацевтической отраслях промышленности, в строительстве при изготовлении стройматериалов, а также в радиохимической отрасли для выпаривания радиоактивных сточных вод, пенообразующих растворов, и растворов, содержащих поверхностно-активные вещества.
И вся совокупность существенных признаков и каждый признак в отдельности воспроизводимы и не противоречат достижению желаемого технического результата.
Для подтверждения указанного выше представляем описание конкретного конструктивного выполнения заявляемого аппарата и его работы.
Заявляемый комбинированный пленочный выпарной аппарат иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид выпарного аппарата с дополнительным пучком теплообменных труб с падающей пленкой. На фиг. 2 изображен вариант заявляемого выпарного аппарата с насосом, всасывающий патрубок которого подсоединен к нижней (растворной) части нижней растворной камеры, а нагнетательный патрубок - одним трубопроводом соединен с приемно-распределительной камерой первого трубного пучка с падающей пленкой, а другим - с распределительным и пленкоформирующим устройствами дополнительного трубного пучка.
Комбинированный пленочный выпарной аппарат содержит установленные вертикально пучки теплообменных труб 1 с падающей пленкой и теплообменных труб 2 с поднимающейся пленкой (основные трубные пучки), закрепленные концами в верхней трубной решетке 3 и в нижней трубной решетке 4, приемно-распределительную камеру 5, оснащенную патрубком 6 для подвода исходного раствора, направляемого на выпаривание, закрепленную на верхней трубной решетке 3, примыкающую к верхним концам 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. Нижними концами теплообменные трубы 1 примыкают к нижней растворной камере 9, выполненной герметичной и прикрепленной снизу к нижней трубной решетке 4. Нижние концы теплообменных труб 2 с поднимающейся пленкой выполнены удлиненными, выведены ниже нижней трубной решетки 4, где в стенках части 10 удлиненной теплообменных труб 2 есть отверстия 11.
Таким образом, нижняя растворная камера 9 служит для сообщения нижних концов теплообменных труб 1 с падающей пленкой и теплообменных труб 2 с поднимающейся пленкой. Для ускорения движения раствора между трубами днище нижней растворной камеры 9 под трубным пучком с падающей пленкой может быть выполнено с уклоном α=10-60° в сторону труб 2 с поднимающейся пленкой. Для обеспечения полного стока выпариваемого раствора из выводной камеры 12 концы теплообменных труб 2 могут быть выпущены вверх над верхней трубной решеткой в камере 12 на 5-50 мм. Выводная камера 12 теплообменных труб 2 с поднимающейся пленкой сообщается с приемной камерой 13 дополнительного трубного пучка 14, содержащей распределительное устройство 15 и дополнительное пленкообразующее устройство 16. Дополнительный трубный пучок 14 включает дополнительно установленные вертикально теплообменные трубы 17 с падающей пленкой, размещенные в той же греющей камере 18, что и теплообменные трубы 1 и теплообменные трубы 2 основных трубных пучков. Все трубы снаружи обогреваются паром, поступающим в греющую камеру 18 через патрубок 19. К нижнему концу дополнительного трубного пучка примыкает выводная камера 20, сообщающая ее с сепаратором 21, снабженным патрубком 22 для вывода вторичного пара и патрубком 23 для вывода концентрированного раствора.
Комбинированный пленочный выпарной аппарат также содержит насос 24 (см. фиг. 2), всасывающий патрубок 25 которого соединен с нижней растворной камерой 9, а нагнетательный патрубок 28 через регулирующий клапан 27 по трубопроводу 26 соединен с приемно-распределительной 5, а по трубопроводу 29 через регулирующий клапан 30 - с приемной камерой 13 дополнительного трубного пучка 14.
Кроме того, может быть выполнен наклон части днища 29 нижней растворной камеры 9 по направлению к концам теплообменных труб 2.
Заявляемый комбинированный пленочный выпарной аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор поступает в аппарат через патрубок 6 в приемно-распределительную камеру 5 и форсункой 7 равномерно распределяется по пленкообразующему устройству 8, размещенному над теплообменными трубами 1 и формирующему пленочное течение раствора по внутренней поверхности этих труб. Стекая в виде пленки вниз, раствор частично выпаривается за счет тепла пара, поступающего в межтрубное пространство через патрубок 19 и конденсирующегося на наружной поверхности труб 1.
При движении в виде пленки по теплообменной трубе 1 вниз раствор частично испаряется. Из нижнего конца трубы 1 частично упаренный раствор и образовавшийся вторичный пар попадают в нижнюю растворную камеру 9 и начинают движение по направлению к нижним концам теплообменных труб 2 с поднимающейся пленкой. Раствор течет по дну камеры 9, которое для ускорения течения может быть выполнено наклонным по направлению к этим трубкам, а вторичный пар движется выше над раствором. Раствор попадает снизу в удлиненную часть 10 теплообменных труб 2 с поднимающейся пленкой, а пар проникает в трубы 2 через отверстия 11, расположенные несколько выше. Паровые потоки, направленные снизу вверх, подхватывают раствор и формируют его в пленку, поднимающуюся по внутренней стенке труб 2.
Выводная камера 12 предназначена для вывода частично концентрированного раствора и вторичного пара, выходящих из верхних концов примыкающих к ней теплообменных труб 2 с поднимающейся пленкой. Выходящие потоки раствора и вторичного пара попадают в приемную камеру 13, содержащую распределительное устройство 15 и дополнительное пленкообразующее устройство 16 дополнительного трубного пучка 14, содержащего вертикально дополнительно установленные теплообменные трубы 17 с падающей пленкой. С помощью распределительного устройства 15 потоки выпариваемого раствора и вторичного пара распределяются по теплообменным трубам 17. При этом посредством пленкообразующего устройства 16 выпариваемый раствор формируется в виде пленки на внутренних поверхностях труб 17 и, сопровождаемый высокоскоростным потоком вторичного пара, поступающего из теплообменных труб 2 и образующегося в теплообменных трубах 17, стекает вниз. Выходящие из теплообменных труб 17 окончательно упаренный раствор и вторичный пар попадают в выводную камеру 20 и из нее - в сепаратор 21. В сепараторе 21 потоки раствора и вторичного пара разделяются. Концентрированный раствор отводится из сепаратора 21 через патрубок 23, а вторичный пар отводится через патрубок 22.
Наличие насоса 24 (см. фиг. 2) позволяет организовать через трубопровод 26 с регулирующим клапаном 27 рециркуляцию части потока выпариваемого раствора через основной трубный пучок из теплообменных труб 1 с целью перераспределения нагрузки между основными трубными пучками для создания в них наиболее благоприятных гидродинамических условий для осуществления процесса выпаривания. Увеличение потока раствора по трубопроводу 29 с регулирующим клапаном 30 через дополнительный трубный пучок 14 по теплообменным трубам 17 позволяет предупредить снижение интенсивности орошения в этих трубах ниже допустимых значений, которые могут иметь место при некоторых режимах работы аппарата, например, - при высоких степенях концентрирования раствора, когда внутренняя поверхность теплообменных труб на выходе в нижней части может оголяться вследствие распада падающей пленки раствора.
Кроме того, для ускорения движения раствора по днищу нижней растворной камеры 9 может быть выполнен наклон части днища 31 по направлению к концам теплообменных труб 2.
На обеспечение благоприятных условий выпаривания направлена также предусмотренная возможность использования в трубных пучках теплообменных труб разной длины. Необходимо отметить, что с этой целью в заявляемом комбинированном пленочном выпарном аппарате могут быть использованы также отличительные признаки пленочного выпарного аппарата, принятого нами за прототип: трубные пучки могут различаться диаметром и количеством теплообменных труб.
Таким образом, практическая реализация заявляемой конструкции комбинированного пленочного выпарного аппарата позволяет не только значительно увеличить интенсивность теплопередачи, но и дополнительно одновременно существенно повысить протяженность пленочного течения раствора и тем самым производительность аппарата по выпариваемой воде.