АППАРАТ ДЛЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСТВОРОВ

Полезная модель относится к химической, пищевой и металлургической отраслям промышленности, а именно к области кристаллизационного и выпарного оборудования для переработки и упаривания кристаллизующихся растворов.
Одной из важнейших проблем, возникающих при переработке растворов, сопровождаемой кристаллизацией солей, является повышение крупности кристаллов для наилучшего отделения их от раствора, а также предотвращение инкрустаций внутренних поверхностей и теплообменных трубок аппаратов. Этого можно достигнуть за счет применения специальных аппаратов для кристаллизации и поддержания в циркулирующей в них суспензии высокой концентрации твердой кристаллической фазы. Однако решение указанной проблемы осложняется тем, что далеко не всегда заданная технология переработки, например, многокомпонентных растворов и материальный баланс работы аппарата по кристаллизующейся соли, позволяют достигнуть высокой концентрации твердой фазы, необходимой для укрупнения кристаллов и предотвращения инкрустаций. Поэтому в известных аппаратах для кристаллизации применяют специальные устройства для накопления твердой фазы в циркуляционном контуре аппарата. При этом неполадки в работе этих устройств приводят к получению кристаллов недостаточных размеров, плохо отделяемых от раствора и к зарастанию аппаратов инкрустациями, которые приходится размывать водой с ее последующим выпариванием, что приводит к увеличению энергозатрат.
Известен аппарат для кристаллизации растворов (Патент РФ на изобретение №2341316 МПК В01D 9/02, 2008), содержащий сепаратор с подъемной трубой, циркуляционный насос, опускную и напорную трубы, образующие циркуляционный контур, штуцер для подачи исходного раствора, емкость с коническим днищем, присоединенная трубопроводами к опускной и напорной трубам и имеющая штуцер для отвода осветленного раствора, определяющий рабочий уровень раствора в аппарате, соединенный с сепаратором фонарь со штуцером отвода суспензии из аппарата и устройством для регулирования расхода суспензии, размещенный на трубопроводе от напорной трубы к емкости с коническим днищем гидроциклон так, что подающая ветвь трубопровода соединена с входным штуцером гидроциклона, отводящая ветвь трубопровода соединяет штуцер вывода осветленного раствора гидроциклона с емкостью, а разгрузочный штуцер гидроциклона соединен трубопроводом с опускной трубой. Данный аппарат является наиболее близким к заявленному и принят за прототип.
Известный аппарат для кристаллизации растворов работает следующим образом. Суспензия в аппарате циркулирует по замкнутому контуру, включающему сепаратор, опускную, напорную и подъемную трубы при помощи циркуляционного насоса. Поступающий в аппарат исходный раствор смешивается с циркулирующей суспензией. В сепараторе происходит вскипание раствора и выделение из него вторичного пара, который отводится из аппарата. При удалении части воды, являющейся растворителем, из раствора выделяются кристаллы, которые осаждаются на имеющейся в циркулирующей суспензии кристаллической фазе. Благодаря этому, в аппарате исключается инкрустация внутренних поверхностей и укрупняется кристаллизующаяся соль. Накопление и поддержание в процессе работы в циркуляционном контуре аппарата твердой фазы до высокой концентрации (превышающей концентрацию, возможную по материальному балансу установки, в которую входит аппарат), осуществляется следующим образом. Часть циркулирующей суспензии отбирается из напорной трубы и по трубопроводу через входной штуцер подается в гидроциклон. В гидроциклоне под действием центробежной силы происходит разделение суспензии на уплотненную и осветленную части. Уплотненная в гидроциклоне суспензия с высоким содержанием твердой фазы через разгрузочный штуцер поступает в опускную трубу аппарата, где смешивается с циркулирующей в аппарате суспензией, концентрация кристаллов в которой ниже. Таким образом происходит накопление твердой фазы в циркуляционном контуре аппарата. Осветленный раствор из гидроциклона отводится по отводящему трубопроводу и поступает в емкость с коническим днищем, соединенную с опускной трубой аппарата. Штуцер отвода осветленного раствора из емкости расположен так, что определяет уровень раствора в аппарате. Для поддержания требуемой концентрации твердой фазы из аппарата отводится также некоторое количество циркулирующей суспензии через фонарь, посредством устройства для регулирования.
Известный аппарат позволяет накапливать в циркуляционном контуре высокую, относительно материального баланса работы установки, концентрацию твердой фазы. Благодаря этому в рассматриваемом аппарате получают кристаллическую соль укрупненных размеров и снижают или исключают образование инкрустаций на внутренних поверхностях.
Недостатком известного аппарата является то, что образующийся в гидроциклоне парогазовый столб нарушает однородность течения осветленного раствора в емкость с коническим днищем и препятствует отводу указанного раствора из аппарата. Образование парогазового столба в гидроциклонах, представляет собой, как известно, исключительно присущую им особенность. Вследствие этого нарушается процесс накопления твердой фазы в аппарате, что ведет к снижению размеров кристаллов, увеличивает инкрустации внутренних поверхностей. Все это приводит к увеличению промывок аппарата, вводу в процесс дополнительных промывных вод и, как следствие, возрастанию энергозатрат.
Другой недостаток известного аппарата состоит во вскипании раствора в емкости с коническим днищем, попадающим в нее вместе с осветленным раствором и парогазовой смесью из гидроциклона. Из-за вскипания раствора зарастают труба и штуцер отвода раствора из емкости, что приводит к нарушению процесса накопления твердой фазы в аппарате и вызывает, как уже отмечалось, увеличение энергозатрат.
Анализ недостатков известного технического решения позволил авторам предложить аппарат для кристаллизации растворов, в котором будет достигнут желаемый технический результат - увеличение крупности кристаллов за счет поддержания в циркулирующей суспензии необходимой концентрации твердой фазы, а также предотвращение инкрустаций внутренних поверхностей аппарата. Решение этой технической задачи приведет к увеличению эксплуатационной надежности работы аппарата, вследствие удлинения межпромывочного периода работы и снижению энергетических затрат, за счет снижения количества упариваемой промывной воды на промывку кристаллов и растворение инкрустаций.
Для достижения указанного технического результата в аппарате для кристаллизации растворов, содержащем сепаратор с подъемной трубой, циркуляционный насос, опускную и напорную трубы, образующие циркуляционный контур, штуцер для подачи исходного раствора, емкость с коническим днищем, присоединенная трубопроводами к опускной и напорной трубам и имеющая штуцер для отвода осветленного раствора, определяющий рабочий уровень раствора в аппарате, соединенный с сепаратором фонарь со штуцером отвода суспензии из аппарата и устройством для регулирования расхода суспензии, гидроциклон размещенный на трубопроводе от напорной трубы к емкости с коническим днищем так, что подающая ветвь трубопровода соединена с входным штуцером гидроциклона, отводящая ветвь трубопровода соединяет штуцер вывода осветленного раствора гидроциклона с емкостью, а разгрузочный штуцер гидроциклона соединен трубопроводом с опускной трубой, согласно полезной модели гидроциклон снабжен камерой отвода осветленного раствора, в боковую стенку которой врезан штуцер отвода осветленного раствора, а в верхнем днище гидроциклона размещен соединенный трубопроводом с паровой частью сепаратора штуцер отвода парогазовой смеси, перед которым в камере установлен горизонтальный отбойник.
Заявленный аппарат для кристаллизации растворов является новым, т.к. из уровня техники не известны решения с такой же совокупностью существенных признаков, о чем свидетельствует анализ аналога. Полезная модель промышленно применима и может быть использована в указанных выше отраслях промышленности в различных производствах на выпарных и кристаллизационных установках. Все признаки, входящие в совокупность отличительных, выполнимы и воспроизводимы и, для достижения ожидаемого технического результата, используются в полном объеме.
Рассмотрим подробнее необходимость и достаточность отличительных признаков заявляемого технического решения.
Заявленная совокупность признаков предлагаемого технического решения позволяет отделить парогазовый столб, образующийся в гидроциклоне, от осветленного раствора. Тем самым обеспечивается равномерность потока осветленного раствора, отводимого из гидроциклона в емкость с коническим днищем, постоянство процесса накопления твердой фазы и высокое ее содержание в аппарате. Благодаря этому в аппарате поддерживается высокая концентрация кристаллов в циркулирующей суспензии, дающая возможность получать крупные кристаллы и снизить или исключить инкрустации внутренних поверхностей. Это увеличивает эксплуатационную надежность оборудования и ведет к сокращению промывок и, как следствие, к снижению энергозатрат.
Для отделения парогазового столба от осветленного раствора в гидроциклоне имеется камера отвода этого раствора с установленным в ней горизонтальным отбойником. При ударе об отбойник поток раствора отделяется от парогазовой смеси и отводится в паровое пространство сепаратора. Осветленный раствор без пара и газа отводится через штуцер, врезанный в боковой стенке камеры в емкость с коническим днищем.
Пример конкретного выполнения заявляемого аппарата для кристаллизации растворов иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематично изображена конструкция заявляемого аппарата, а на фиг.2 заявленная конструкция гидроциклона для него.
Аппарат для кристаллизации растворов содержит сепаратор 1 с подъемной трубой 2, циркуляционный насос 3, опускную 4 и напорную 5 трубы, образующие циркуляционный контур и штуцер 6 для подачи исходного раствора. Аппарат имеет емкость 7 с коническим днищем 8, присоединенную трубопроводами 9 и 10 соответственно к опускной 4 и напорной 5 трубам. Емкость 7 имеет штуцер 11 для отвода осветленного раствора, определяющий рабочий уровень раствора в аппарате. С сепаратором 1 трубопроводом 12 соединен фонарь 13 со штуцером 14 для отвода продукционной суспензии из аппарата и устройством 15 для регулирования расхода суспензии. На трубопроводе 10 от напорной трубы 5 к емкости 7 с коническим днищем размещен гидроциклон 16 так, что подающая ветвь трубопровода 17 соединена с входным штуцером 18 гидроциклона 16. При этом для регулирования расхода суспензии в гидроциклона 16 на трубопроводе 17 размещена регулирующая арматура 19. Отводящая ветвь 20 трубопровода 10 соединяет штуцер вывода осветленного раствора 21 гидроциклона 16 с емкостью 7. Разгрузочный штуцер 22 гидроциклона 16 соединен трубопроводом 23 с опускной трубой 4.
Гидроциклон 16 снабжен камерой отвода осветленного раствора 24, в боковую стенку 25 которой врезан штуцер отвода осветленного раствора 21, а в верхнем днище размещен штуцер отвода парогазовой смеси 26 соединенный трубопроводом 27 с паровой частью сепаратора 1. Перед штуцером отвода парогазовой смеси 26 в камере отвода осветленного раствора 24 установлен горизонтальный отбойник 28, расположенный над сливным патрубком 29. Для выравнивания давлений емкость 7 с коническим днищем и фонарь 13 соединены с сепаратором 1 соответственно трубопроводами 30 и 31.
Аппарат для кристаллизации растворов работает следующим образом. Суспензия в аппарате циркулирует по замкнутому контуру, включающему сепаратор 1, опускную 4, напорную 5 и подъемную 2 трубы при помощи циркуляционного насоса 3. Из сепаратора 1 циркулирующая суспензия по опускной трубе 4 поступает в циркуляционный насос 3, который подает ее через напорную 5 и подъемную 2 трубы снова в сепаратор. В напорную трубу 5 через штуцер 6 поступает исходный раствор, имеющий более высокую температуру, чем температура циркулирующей суспензии. Этот раствор перемешивается с циркулирующей в аппарате суспензией и поступает в сепаратор 1. В сепараторе происходит вскипание раствора и выделение из него вторичного пара, который отводится из аппарата.
В результате удаления части воды, являющейся растворителем, в растворе возникает пересыщение по кристаллизующемуся компоненту, которое снимается в объеме раствора в аппарате, за счет образования новой кристаллической фазы. При этом выделение кристаллической соли из раствора происходит на имеющихся в циркулирующей суспензия кристаллах, что ведет к их укрупнению. Накопление и поддержание в аппарате высокой концентрации твердой фазы обеспечивает снятие пересыщения и кристаллизацию вновь выделяющейся из раствора соли на поверхности находящейся в аппарате твердой фазы, играющей роль затравки. Благодаря этому, в аппарате исключается появление инкрустаций внутренних поверхностей, т.к. кристаллизующаяся соль отлагается не на них, а на находящейся в циркулирующей суспензии твердой фазе. Тем самым повышается надежность, увеличивается продолжительность межпромывочного периода работы аппарата. Исключение инкрустаций внутренних поверхностей приводит к сокращению количества воды, вводимой для промывки аппарата, которую затем приходится выпаривать, т.е. к снижению энергозатрат.
Накопление и поддержание в процессе работы в циркуляционном контуре аппарата твердой фазы до высокой концентрации (превышающей концентрацию, возможную по материальному балансу установки, в которую входит аппарат), осуществляется следующим образом.
Часть циркулирующей в аппарате суспензии отбирается из напорной трубы 5 и по трубопроводу 17 через питающий патрубок 18 подается в гидроциклон 16. При этом расход суспензии, подаваемой в гидроциклон 16 устанавливается регулирующей арматурой 19. В гидроциклоне 16 под действием центробежной силы происходит разделение суспензии на уплотненную и осветленную части. Уплотненная в гидроциклоне 16 суспензия с высоким содержанием твердой фазы через разгрузочный штуцер 22 по трубопроводу 23 поступает в опускную трубу 4 аппарата, где смешивается с циркулирующей суспензией, концентрация кристаллов в которой ниже. Таким образом происходит накопление твердой фазы в циркуляционном контуре аппарата.
Осветленный раствор из гидроциклона 16 отводится из штуцера 21 по трубопроводу 20 и через по трубе 10 поступает в емкость с коническим днищем 7. Емкость 7 соединена с опускной трубой аппарата 4 посредством трубопровода 9, подведенного к коническому днищу 8. Благодаря этому, а также трубе 29, соединяющей паровые пространства емкости 7 и сепаратора 1, в емкости поддерживается такой же уровень раствора, как и в сепараторе аппарата. Поэтому осветленный раствор из гидроциклона 16 из емкости 7 отводится посредством слива с уровня через штуцер 11, который определяет положение уровня раствора во всем аппарате.
Вследствие возврата в циркуляционный контур уплотненной в гидроциклоне 16 суспензии и отвода осветленного раствора, в аппарате происходит накопление твердой фазы. Для поддержания требуемой концентрации твердой фазы, обеспечивающей как укрупнение кристаллов так и исключение инкрустаций внутренних поверхностей, в случае ее превышения, необходимо, наряду с осветленным раствором, отводить также некоторое количество циркулирующей суспензии. С этой целью аппарат снабжен фонарем 13, соединенной трубопроводом 12 с сепаратором 1. При этом расход отводимой суспензия из фонаря 13 регулируется расположенным в нем устройством 15, а отводится суспензия из аппарата через штуцер отвода продукционной суспензии 14. Для выравнивания давлений фонарь 13 и сепаратор 1 соединены трубопроводом 30.
Для отделения парогазового столба от осветленного раствора в гидроциклоне 16 имеется камера 24 для отвода осветленного раствора. При работе гидроциклона 16 осветленный раствор с парогазовой смесью выходят из сливного патрубка 29 и ударяются об горизонтальный отбойник 28. При ударе об отбойник поток раствора отделяется от парогазовой смеси и отводится через штуцер отвода парогазовой смеси 21, который врезан в боковую стенку 25 камеру отвода осветленного раствора 24. в паровое пространство сепаратора. Парогазовая смесь из камеры 24 отводится через штуцер 26, соединенный трубопроводом 27 с паровой частью сепаратора 1. Осветленный раствор без пара и газа отводится через штуцер, врезанный в боковой стенке камеры в емкость с коническим днищем.
Таким образом, конструкция заявленного аппарата для кристаллизации растворов позволяет накапливать и стабильно поддерживать в нем высокую концентрацию твердой фазы.
Заявленный аппарат для кристаллизации растворов прошел испытания в составе выпарной батареи для концентрирования алюминатного раствора. Выпаривание раствора сопровождалась кристаллизацией карбоната натрия, концентрация твердой фазы при этом, согласно материальному балансу батареи, в данном аппарате составляла 30-40 г/л.
Испытания показали высокую эффективность работы заявленного аппарата. Концентрация твердой фазы в нем в ходе испытаний была 150-170 г/л, что в несколько раз больше, чем согласно материальному балансу. Применение данного аппарата позволило укрупнить размеры кристаллов в 1,2-1,5 раза по сравнению с известными аппаратами. Поддержание высокой концентрации твердой фазы в аппарате позволило избежать в нем инкрустаций солью внутренних поверхностей, а также забивки трубок. Вследствие этого аппарат работал без промывок 5-7 суток, что в 5-8 раз больше, чем для известных аппаратов. Необходимо отметить высокую интенсивность теплообмена в аппарате и постоянство его коэффициента теплопередачи на всем протяжении межпромывочного периода работы, что является подтверждением отсутствия отложений соли в трубках. Отмеченные факты демонстрируют также высокую эксплуатационную надежность работы заявленного аппарата.