ВЫПАРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ЕДКОГО НАТРА

Полезная модель относится к химической технике и может быть использована в составе различных установок для выпаривания и обезвоживания высококонцентрированных растворов с получением твердого продукта.
При концентрировании и обезвоживании едкого натра, а также других щелочей, из которых необходимо получить твердый продукт, выпаривание раствора и плавление целевого продукта приходится вести при температурах свыше 300-400°C. Это связано с особенностями перерабатываемых веществ. Поэтому, в большинстве случаев, в качестве теплоносителя приходится использовать высокотемпературный органический теплоноситель (ВОТ), а оборудование изготавливать из дорогостоящих никеля и никельсодержащих сплавов. При этом необходимо стремиться к снижению максимальной температуры теплоносителя, т.к. с ее увеличением снижается термическая стойкость последнего, а также увеличивается коррозионная активность щелочи, что ведет к снижению долговечности конструкционных материалов. Причем, в результате уменьшения максимальной температуры теплоносителя снижаются энергетические затраты на получение твердой щелочи.
Снижение энергозатрат на получение твердой щелочи является важной проблемой при создании установок для получения указанного продукта. Кроме того, существующее оборудование для получения твердой щелочи действует малоэффективно. Поэтому необходимо интенсифицировать работу аппаратов для обезвоживания и плавления едкого натра. Для этого необходимо применить более совершенные схемы выпарных установок для обезвоживания, а также оснастить их таким оборудованием, которое работает более интенсивно.
Известна установка для непрерывного плавления и обезвоживания едкого натра с обогревом высокотемпературным органическим теплоносителем - даутермом (см. Якименко Л.М. Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов. - М.: Химия, 1974. - С.270, рис.4-38). В известной установке обезвоживание и плавление едкого натра происходит в выпарном аппарате с восходящей пленкой раствора, к которому подведен трубопровод исходного раствора с установленным на нем подогревателем для предварительного подогрева раствора. Сепаратор аппарата соединен трубопроводом с конденсатором, в котором конденсируется выделяющийся из щелочи пар. К выпарному аппарата присоединена труба для слива плава щелочи в сборник.
Достоинством известной установки является проведение процесса плавления и обезвоживания едкого натра непрерывно, а не периодически. Кроме того, благодаря применению конденсатора процесс ведется под вакуумом, что позволяет снизить температуру плавления каустика в выпарном аппарате до 370-380°C, благодаря чему намного увеличивается стойкость никеля - основного конструкционного материала аппарата.
Недостаток известной установки состоит в необходимости больших энергозатрат. Причина этого заключается в проведении процесса выпаривания и обезвоживания едкого натра в одну стадию.
Другим недостатком известной установки является ее высокая стоимость, вследствие того, что обезвоживание ведется в одном аппарате с восходящей пленой раствора (изготовленном из никеля), работающем недостаточно эффективно, по сравнению с другими типами выпарных аппаратов.
Известна установка для концентрирования раствора щелочей согласно способу и устройству по патенту Швейцарии №649975 (Verfahren und Vonnichtung Zum Konzentrieren von Alkalilange. Пат. №649975. Швейцария, 1985. C01D 1/42. B01D 1/22). В известной установке с целью концентрирования щелочи применен выпарной аппарат с падающей пленкой, который действует гораздо более эффективно, чем выпарной аппарат с восходящей пленкой. Поэтому потребная поверхность теплообмена данного аппарата, так же как его металлоемкость снижаются. Это ведет к снижению стоимости установки.
Недостаток известной установки заключается в однократном использовании тепла теплоносителя, что ведет к увеличению энергозатрат на концентрирование щелочи.
Кроме того, недостатком известной установки являются высокие капитальные затраты вследствие того, что выпаривание ведется в одном выпарном аппарате, который изготовлен из никеля.
Наиболее близкой к заявленной, среди известных аналогов, является выпарная установка для обезвоживания едкого натра, обогреваемая высокотемпературным органическим теплоносителем - даутермом, описанная в кн.: Беньковский С.В., Круглый С.М., Секованов С.К. Технология содопродуктов. - М.: Химия, 1972. - С.334-336. Известная установка включает три пленочных выпарных аппарата с восходящей пленкой, образующих трехкорпусную выпарную установку, по которой обезвоживаемый раствор едкого натра проходит по трубопроводам от третьего, через второй к первому корпусу, из которого расплав едкого натра сливается по трубе в кристаллизатор, к которому подведен трубопровод охлаждающей воды, в греющие камеры первого и второго корпусов подведены трубопроводы высокотемпературного органического теплоносителя (ВОТ), первый и третий корпуса соединены трубопроводами вторичного пара с конденсаторами, в которые по трубам поступает охлаждающая вода, а второй корпус соединен трубопроводом вторичного пара с греющей камерой третьего корпуса, к трубопроводу отвода вторичного пара первого корпуса присоединена труба для отбора части вторичного пара, подведенная к паровому подогревателю, установленному на трубопроводе подачи исходного раствора едкого натра в третий корпус, При этом на трубопроводе вторичного пара от первого корпуса к конденсатору размещен деаэратор, к которому подведен трубопровод исходного раствора после парового подогревателя. Устройство данной установки принято за прототип.
Известная установка для обезвоживания едкого натра имеет ряд неоспоримых преимуществ перед ранее рассмотренными. В ней выпаривание и обезвоживание едкого натра осуществляется в две стадии. Вследствие этого расход тепла на установку сокращается в 1,5-2 раза по сравнению с однокорпусной установкой.
Еще одним достоинством известной установки является разбивка первой стадии выпаривания на промежуточные стадии, которые происходят в первом и втором корпусах. При этом первый корпус работает под вакуумом, что позволяет снизить в нем температуру плава едкого натра. Это ведет к увеличению коррозионной стойкости материала аппарата. Во втором же корпусе выпаривание происходит при более высоком давлении, что позволяет использовать вторичный пар этого аппарата для обогрева третьего корпуса. Однако, т.к. во втором корпусе концентрация щелочи в упариваемом растворе составляет около 70%, то температура в нем гораздо ниже, чем в первом, что благоприятно сказывается на коррозионной стойкости конструкционного материала аппарата. Наличие третьего корпуса установки, работающего под вакуумом, и достигаемый концентрационный режим позволяют выполнить данный аппарат не из никеля, а из никельсодержащего сплава. Это значительно удешевляет установку и является ее несомненным преимуществом.
В то же время, известная установка обладает целым рядом недостатков. Одним из главных среди них является высокие энергетические затраты на обезвоживание едкого натра. Это обусловлено тем, что температура каустика по корпусам различается более, чем на сто градусов. Поэтому раствор, поступающий для концентрирования в корпуса установки, особенно во второй и первый, перед тем как он закипит, необходимо вначале нагреть, для чего требуется затратить большое количество тепла, соизмеримое с расходом тепла на испарение воды.
Другой недостаток известной установки состоит в применении в ее составе недостаточно эффективно работающих выпарных аппаратов с восходящей пленкой. Вследствие этого возрастает потребная поверхность теплообмена и металлоемкость аппаратов, что ведет к увеличению капитальных затрат.
Кроме того, недостаток известной установки заключается в применении аппаратов с восходящей пленкой, в которых едкий натр кипит непосредственно в теплообменных трубках, что приводит к ускоренному коррозионно-эрозионному износу трубок.
Еще одним недостатком известной установки является то, что перед поступлением на выпаривание исходный раствор смешивается с вторичным паром первого корпуса в деаэраторе. В результате этого происходит разбавление раствора, что ведет к увеличению энергозатрат на обезвоживание едкого натра.
Анализ недостатков известного технического решения позволил предложить выпарную установку для обезвоживания едкого натра, в которой будет достигнут ожидаемый технический результат - снижение энергетических затрат и интенсификация работы оборудования.
Для достижения отмеченного технического результата в выпарной установка для обезвоживания едкого натра, включающей три пленочных выпарных аппарата, образующих трехкорпусную выпарную установку, по которой обезвоживаемый раствор едкого натра проходит по трубопроводам от третьего, через второй к первому корпусу, из которого расплав едкого натра сливается по трубе в кристаллизатор, к которому подведен трубопровод охлаждающей воды, в греющие камеры первого и второго корпусов подведены трубопроводы высокотемпературного органического теплоносителя (ВОТ), первый и третий корпуса соединены трубопроводами вторичного пара с конденсаторами, в которые по трубам поступает охлаждающая вода, а второй корпус соединен трубопроводом вторичного пара с греющей камерой третьего корпуса, к трубопроводу отвода вторичного пара первого корпуса присоединена труба для отбора части вторичного пара, подведенная к паровому подогревателю, установленному на трубопроводе подачи исходного раствора едкого натра в третий корпус, согласно полезной модели, в качестве выпарных аппаратов применены аппараты с падающей пленкой, имеющие трубопроводы, на которых размещены насосы, соединяющие нижнюю часть аппарата с верхней растворной камерой этого же аппарата, при этом на трубопроводе раствора, соединяющего третий и второй корпуса установлен подогреватель, который соединен трубопроводом с греющей камерой второго корпуса, а на трубопроводе подачи исходного раствора едкого натра в третий корпус размещен второй подогреватель, соединенный трубой отвода конденсата с греющей камерой третьего корпуса.
Заявленная выпарная установка для обезвоживания едкого натра, является новой, т.к. из уровня техники не известны решения с такой же совокупностью существенных признаков, о чем свидетельствует анализ аналогов и прототипа. Полезная модель промышленно применима и может быть использована в составе производств различных щелочей. Все признаки полезной модели выполнимы и воспроизводимы. Они используются для достижения ожидаемого технического результата в полном объеме.
Рассмотрим подробнее необходимость и достаточность отличительных признаков заявляемого технического решения.
Заявленная совокупность признаков предлагаемого технического решения, в частности, применение выпарных аппаратов с падающей пленкой позволит значительно интенсифицировать процесс обезвоживания едкого натра. Как показывает опыт работы подобных аппаратов, они имеют коэффициенты теплопередачи в 1,2-1,5 раза большие, чем аппараты с восходящей пленкой, как в прототипе.
Оснащение, согласно заявленному техническому решению, выпарных аппаратов трубопроводами, на которых размещены насосы, соединяющие нижнюю часть аппарата с верхней растворной камерой этого же аппарата, позволяет обеспечить необходимую плотность орошения теплообменных трубок упариваемым раствором. Благодаря этому работа выпарного аппарата интенсифицируется еще больше. При этом создание в аппарате требуемой плотности орошения трубок раствором или плавом едкого натра исключает оголение внутренней поверхности и кипение непосредственно на ней. Кипение же раствора происходит на поверхности непрерывно стекающей вниз пленки щелочи. Вследствие изложенного значительно снижается коррозионное воздействие кипящего раствора на трубки, что повышает их долговечность.
Таким образом, применение выпарных аппаратов с падающей пленкой, вместе с обеспечением в них циркуляции упариваемого раствора или плава для достижения необходимой плотности орошения, позволяет интенсифицировать работу выпарной установки. Кроме того, улучшаются условия работы аппаратов и долговечность службы теплообменных трубок.
Размещение на трубопроводе раствора, соединяющего третий и второй корпуса установки подогревателя, который соединен трубопроводом с греющей камерой второго корпуса, позволяет наиболее полно использовать потенциал теплоносителя, после того, как последний обогрел упариваемый раствор. За счет этого теплоноситель, выходящий из греющей камеры второго корпуса, с наибольшей полнотой позволяет нагреть раствор, подаваемый в аппарат. Благодаря этому происходит перераспределение температурного и концентрационного режима установки, вследствие чего снижается расход теплоносителя, что ведет к снижению энергозатрат на обезвоживания едкого натра.
Применение второго подогревателя на трубопроводе подачи исходного раствора едкого натра в третий корпус, соединенного трубой отвода конденсата с греющей камерой третьего корпуса позволяет подогреть указанный раствор теплом конденсатом вторичного пара из греющей камеры третьего корпуса. За счет этого наиболее полно используется потенциал указанного конденсата, благодаря чему происходит снижение энергозатрат на установку.
Схема заявленной выпарной установки для обезвоживания едкого натра показана на чертеже - см. фиг.1.
Заявленная выпарная установка включает в себя первый корпус 1, второй корпус 2 и третий корпус 3, представляющие собой выпарные аппараты с падающей пленкой. В состав установки также входят конденсаторы 4 и 5, подогреватели 6, 7 и 8, а также кристаллизатор твердого едкого натра 9.
Исходный раствор едкого натра по трубопроводу 10 подается в подогреватель 8, в котором подогревается теплом конденсата вторичного пара, поступающим по трубе 11. Подогретый в подогревателе 8 раствор по трубе 12 поступает в подогреватель 7, который обогревается вторичным паром первого корпуса 1, приходящим по трубопроводу 13. Нагретый в подогревателе 7 раствор поступает в третий корпус 3 по трубе 14.
Третий корпус установки 3, являющийся выпарным аппаратом с падающей пленкой, работает следующим образом. Исходный раствор поступает в аппарат по трубе 14 где смешивается с упаренным раствором. Часть упаренного раствора по трубе 15 подведена к насосу 16, который по трубе 17 подает этот раствор в верхнюю растворную камеру 18 аппарата. В камере 18 раствор распределяется по теплообменным трубкам греющей камеры 19 третьего корпуса 3 установки.
Обогрев третьего корпуса 3 осуществляется вторичным паром второго корпуса 2, поступающим в греющую камеру 19 по трубопроводу 20. Вторичный пар третьего корпуса 3 по трубопроводу 21
Упаренный раствор третьего корпуса 3 по трубе 23 подается в подогреватель 6, который обогревается жидким теплоносителем второго корпуса 2, поступающим по трубе 24.
Нагретый в подогревателе 6 раствор едкого натра по трубе 25 поступает во второй корпус 2, где смешивается с упаренным в аппарате раствором. Часть упаренного раствора второго корпуса 2 по трубе 26 подводится к насосу 27, который по трубе 28 подает этот раствор в верхнюю растворную камеру 29 аппарата. В этой камере раствор распределяется по теплообменным трубкам греющей камеры 30 второго корпуса 2 установки.
Обогрев греющей камеры 30 второго корпуса 2 производится высокотемпературным органическим теплоносителем (ВОТ), подаваемым по трубе 31. ВОТ может быть в виде пара или в жидком состоянии. Охлажденный или сконденсировавшийся теплоноситель в жидком виде отводится из камеры 30 по трубе 24 на обогрев подогревателя 6. Вторичный пар второго корпуса 2 по трубопроводу 20 подается в греющую камеру 19 третьего корпуса 3.
Упаренный раствор второго корпуса 2 по трубе 32 поступает в первый корпус 1, в котором смешивается с находящимся в аппарате плавом едкого натра. Часть плава по трубе 33 поступает к насосу 34, который по трубе 35 подает этот плав в верхнюю растворную камеру 36 первого корпуса 1. В камере 36 распределяется по теплообменным трубкам греющей камеры 37 аппарата.
Обогрев греющей камеры 37 первого корпуса 1 осуществляется ВОТ, подаваемым по трубе 38. Охлажденный или сконденсировавшийся жидкий теплоноситель отводится из камеры 37 по трубе 39. Этот теплоноситель, вместе с охлажденным теплоносителем из подогревателя 6, отходящим по трубе 40, отводится для подогрева в теплогенератор (не входящий в состав заявленной установки).
Вторичный пар первого корпуса 1 по трубопроводу 41 отводится в конденсатор 4, в котором конденсируется водой, подаваемой по трубе 42. При этом часть указанного пара по трубе 13 подается в подогреватель 7.
Обезвоженный плав едкого натра отводится из первого корпуса 1 в кристаллизатор 9 по трубе 43. Кристаллизатор 9 охлаждается водой, подводимой по трубе 44. В результате охлаждения получается твердый едкий натр 45, отводимый с установки.
Заявленная выпарная установка для обезвоживания едкого натра позволяет значительно интенсифицировать работу оборудования для получения твердого едкого натра. Кроме того, за счет наиболее полного использования потенциала имеющихся на установке источников тепла, происходит снижение энергетических затрат на обезвоживание щелочи. Достигаемый технический результат дает возможность повысить производительность установки на 15-20% и снизить удельные энергозатраты на тонну продукта на 10-15%.