КОМБИНИРОВАННЫЙ ВЫПАРНОЙ АППАРАТ ПЛЕНОЧНОГО ТИПА

Полезная модель может быть использована в химической, фармацевтической отраслях промышленности, 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 промышленности. Высокая интенсивность выпаривания в этих аппаратах обеспечивается тем, что выпариваемый раствор формируется в виде тонкой турбулентной пленки, которая под действием силы тяжести и энергии образующегося вторичного пара с большой скоростью движется по внутренней поверхности теплообменных труб, установленных вертикально и обогреваемых снаружи. При этом эффективность их работы в значительной степени зависит от протяженности пленочного течения раствора, то есть от высоты теплообменных труб. Однако, большая высота обычно применяемых 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 выпарном аппарате теплообменных труб с падающей и с поднимающейся пленкой раствора, соединенных последовательно так, чтобы выпариваемый раствор проходил эти трубы, различающиеся гидродинамикой, 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 теплообменных труб с падающей пленкой и предназначена для равномерного распределения исходного раствора форсункой по этим трубам и для формирования в них 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 примыкающих к ней теплообменных труб с поднимающейся пленкой, через выводной патрубок в сепаратор, где происходит разделение концентрированного раствора и вторичного пара.
В этом аппарате нижние концы установленных вертикально теплообменных труб с падающей и с поднимающейся пленкой соединены попарно при помощи дугообразных труб-переходников. В каждой из соединенных пар труб перерабатываемый раствор выпаривается частично, стекая сначала сверху вниз в теплообменных трубах с падающей пленкой, затем по дугообразным трубам-переходникам проходит в теплообменные трубы с поднимающейся пленкой и при движении по этим трубам снизу вверх выпаривается окончательно. Недостаток этого известного выпарного аппарата заключается в значительном сопротивлении паро-растворного тракта при перетоках раствора и образовавшегося вторичного пара по трубам-переходникам, а также в конструктивной сложности аппарата ввиду наличия этих труб переходников.
Указанный недостаток при обычных рабочих режимах работы сведен к минимуму в известном комбинированном выпарном аппарате по патенту РФ на полезную модель №134069, МПК B01D 1/22, который принят в качестве прототипа. В этом известном аппарате, содержащем установленные вертикально теплообменные трубы с падающей и поднимающейся пленкой, закрепленные концами в верхней и нижней трубных решетках, приемно-распределительную камеру, оснащенную патрубком для подвода исходного раствора, закрепленную сверху на верхней трубной решетке, примыкающую к верхним концам теплообменных труб с падающей пленкой и предназначенную для равномерного распределения исходного раствора по трубам с падающей пленкой, а также для формирования на их внутренней поверхности пленочного течения раствора вниз, выводную камеру, снабженную выводным патрубком, предназначенную для вывода концентрированного раствора и образующегося вторичного пара из теплообменных труб с поднимающейся пленкой, примыкающую к верхним концам этих теплообменных труб и сообщающую их через выводной патрубок с сепаратором, в котором происходит разделение концентрированного раствора и вторичного пара, нижнюю растворную камеру, прикрепленную снизу к нижней трубной решетке и сообщающую нижние концы теплообменных труб с падающей пленкой с нижними концами труб с поднимающейся пленкой. Причем, нижние концы труб с поднимающейся пленкой удлинены и выведены в объем нижней растворной камеры.
Известный комбинированный выпарной аппарат, принятый в качестве прототипа, имеет существенный недостаток.
Этот недостаток заключается в том, что при работе с повышенной производительностью по выпариваемому раствору возникает большое гидродинамическое сопротивление при взаимодействии потоков выпариваемого раствора и вторичного пара на входе в теплообменную трубу с поднимающейся пленкой, что замедляет процесс формирования пленки в этих теплообменных трубах. Паровой поток через устройства для завихрения (отверстия) в нижней части труб проникает сначала в сплошной поток жидкости, проникающий в теплообменную трубу снизу, создавая паро-растворную смесь, которая затем, при движении вверх, разделяется: жидкость оттесняется к стенкам, а паровой поток по центру трубы устремляется вверх и увлекает с собой раствор, образующий выше входа взаимодействующих потоков слой (пленку) на стенках трубы. Такая гидродинамическая трансформация потоков обусловливает существенное сопротивление движению вторичного пара на входе, а увеличенный при этом объем паро-растворной смеси, заполняющей нижнюю часть трубы, соответственно заметно сокращает в ней площадь интенсивной теплопередачи к испаряемому раствору. Повышение сопротивления наблюдается также на входном участке при концентрировании растворов с повышенной концентрацией и вязкостью. Анализ показывает, что устройство для завихрения в аппарате, принятом за прототип, наиболее эффективно работает только при небольших соотношениях потоков раствора и вторичного пара на входе в теплообменную трубу с поднимающейся пленкой.
Технической задачей, разрешаемой при создании заявляемого комбинированного выпарного аппарата пленочного типа, является устранение указанного недостатка и обеспечение наиболее благоприятных гидродинамических условий для теплопередачи в теплообменных трубах с поднимающейся пленкой, при которых достигается более эффективная работа этих труб и всего аппарата в целом.
Указанный выше недостаток отсутствует в предлагаемом в качестве полезной модели техническом решении.
Заявляемая полезная модель «Комбинированный выпарной аппарат пленочного типа» отличается от прототипа тем, что торцами удлиненные нижние концы теплообменных труб с поднимающейся пленкой выпариваемого раствора примыкают к днищу нижней растворной камеры или к опорной плите, расположенной на днище, а на их стенках снизу выполнены вертикальные разрезы, одна из сторон которых отогнута наружу - в межтрубное пространство, вследствие чего в стенках образуются проточные щели для одновременного и совместного пропуска в эти трубы потоков выпариваемого раствора и вторичного пара, выходящих в нижнюю растворную камеру из нижних концов теплообменных труб с падающей пленкой. Отогнутые наружу края разрезов способствует формированию упорядоченного движения в теплообменные трубы с поднимающейся пленкой раствора из объема его в нижней растворной камере вдоль отогнутых краев уже на входе в трубы с поднимающейся пленкой, облегчающего формирование и ускоряющего пленочное течение.
Этот эффект возрастает когда края разрезов отогнуты с одинаковой - с левой или с правой стороны, - так как вокруг труб возникает круговое движение раствора, способствующее равномерному и ускоренному проникновению образующихся вертикальных слоев раствора вдоль отогнутых краев внутрь теплообменных трубок.
При этом существенным является другой отличительный признак заявляемого выпарного аппарата - высота вырезов и, соответственно, высота образовавшихся проточных щелей для пропуска потоков выпариваемого раствора и вторичного пара, поступающих из теплообменных труб с падающей пленкой выполняются такими, чтобы нижнюю часть их занимал поток выпариваемого раствора, а верхняя часть - находилась в паровой среде. Такое разделение повышает благоприятное взаимодействие спутных, парового и растворного, потоков в ускоренном формировании устойчивой пленки выпариваемого раствора в теплообменных трубках с поднимающейся пленкой.
Нижние торцы удлиненных теплообменных труб с поднимающейся пленкой могут быть приподняты над поверхностью днища нижней растворной камеры или опорной плиты на высоту h, равную не более 6 мм. Это важно при концентрировании растворов повышенной вязкости.
Благоприятный технический результат реализации отличительных признаков достигается благодаря тому, что в комбинированном выпарном аппарате пленочного типа выпариваемый раствор внутрь теплообменной трубы с поднимающейся пленкой поступает уже сформированный в тонкий вертикальный слой (в пленку). Вследствие чего, участок пленочного движения раствора с интенсивным выпариванием начинается сразу в нижней части теплообменной трубы с поднимающейся пленкой, практически без потерь энергии попутного потока вторичного пара на формирование пленки. Энергия попутного потока пара тратится на ускорение и турбулизацию испаряемой пленки раствора, т.е. на основные и значимые процессы - интенсификацию теплопередачи и испарение. При этом почти полностью исключается участок формирования пленки и тем самым увеличивается участок, на котором происходит испарение раствора. В конечном итоге - увеличивается производительность выпарного аппарата по испаряемой воде.
Заявленная полезная модель «Комбинированный выпарной аппарат пленочного типа» 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, пищевой, фармацевтической отраслях промышленности, а также в радиохимической отрасли для выпаривания радиоактивных сточных вод, пенообразующих растворов, и растворов, содержащих поверхностно-активные вещества.
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 устройства и его работы.
Заявляемый комбинированный выпарной аппарат пленочного типа иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого выпарного аппарата с плоским днищем в нижней растворной камере; на фиг. 2 - общий вид заявляемого выпарного аппарата с наклонным днищем в нижней растворной камере под теплообменными трубами с падающей пленкой; на фиг. 3 - крупным планом показаны конструктивные элементы, относящиеся к удлиненной части при входе в теплообменную трубу с поднимающейся пленкой и располагающейся в нижней растворной камере; на фиг. 4 - вид в сечении удлиненного конца теплообменной трубы заявляемого аппарата, как это обозначено на фиг. 3; на фиг. 5 приведен вариант заявляемого выпарного аппарата, в котором нижние торцы удлиненных труб приподняты над днищем нижней растворной камеры на высоту h, равную, примерно, 3-6 мм.
Заявляемый комбинированный выпарной аппарат пленочного типа (фиг. 1) содержит установленные вертикально теплообменные трубы 1 с падающей пленкой и теплообменные трубы 2 с поднимающейся пленкой выпариваемого раствора, закрепленные концами в решетке 3 трубной верхней и в решетке 4 трубной нижней, камеру 5 приемно-распределительную, оснащенную патрубком 6 для подвода исходного раствора, направляемого на выпаривание, закрепленную сверху на решетке 3 трубной верхней, примыкающую к верхним концам теплообменных труб 1 с падающей пленкой и предназначенную для равномерного распределения исходного раствора форсункой 7 по этим трубам и для формирования с помощью устройства 8 пленкообразующего на внутренней поверхности теплообменных труб 1 пленочного течения раствора вниз, а также камеру 9 выводную, снабженную патрубком 10 выводным, предназначенную для вывода концентрированного раствора, поднимающегося в виде пленки, и вторичного пара, выходящего из верхних концов теплообменных труб 2 с поднимающейся пленкой, через патрубок 10 выводной в сепаратор 11. Концентрированный раствор выводится из сепаратора 11 через патрубок 12, а вторичный пар отделяется от концентрированного раствора и отводится через патрубок 13.
Удлиненные концы 14 теплообменных труб 2 с поднимающейся пленкой выведены ниже решетки 4 трубной нижней в объем нижней камеры 15 растворной. Торцы удлиненных концов труб 14 примыкают к днищу 16 нижней камеры 15 растворной или могут опираться на опорную плиту 17, размещенную на днище 16 камеры 15 (см. фиг. 2), что позволяет обеспечить более устойчивое положение выпарного аппарата. Внизу на стенках удлиненных концов 14 теплообменных труб 2 с поднимающейся пленкой выполнены вертикальные разрезы 18, и одна из сторон 19 (см. фиг. 1) отогнута наружу - в межтрубное пространство, вследствие чего в стенках удлиненных концов 14 образуются щели 20 проточные для пропуска потоков частично выпаренного раствора и вторичного пара, выходящих из нижних концов теплообменных труб 1 с падающей пленкой. Более подробно этот узел заявляемого аппарата изображен на фиг. 3 и фиг. 4.
Для ускорения перетока выпариваемого раствора в нижней растворной камере 15 под теплообменными трубами 1 с падающей пленкой днище 21 нижней растворной камеры 15 может быть выполнено наклонным.
В межтрубное пространство аппарата через патрубок 22 подводится греющий пар, который конденсируется затем на наружной поверхности теплообменных труб 1 и 2. Через патрубок 23 отводится конденсат этого пара (см. фиг. 2).
Технологические среды: 24 - уровень раствора в нижней растворной камере 15, 25 - движение раствора в нижней растворной камере 15, 26 - пленка раствора, стекающего в теплообменной трубе 1, 27 - поток вторичного пара, 28 - пленка раствора, которая поднимается в теплообменных трубах 2.
Заявляемый комбинированный выпарной аппарат пленочного типа работает следующим образом (фиг. 2).
Исходный раствор поступает в аппарат через патрубок 6 в камеру 5 приемно-распределительную, и форсункой 7, прикрепленной к входному патрубку 6 равномерно распределяется по устройству 8 пленкообразующему, размещенному над теплообменными трубами 1 и формирующему пленочное течение раствора по внутренней поверхности теплообменных труб 1, примыкающих к камере 5 приемно-распределительной. Стекая в виде пленки вниз, раствор частично выпаривается за счет тепла греющего пара, поступающего в межтрубное пространство аппарата через патрубок 22. Из нижних концов теплообменных труб 1 частично концентрированный раствор и образовавшийся вторичный пар потоками попадают в нижнюю камеру 15 растворную. На дне нижней камеры 15 растворной образуются потоки раствора 25 от теплообменных труб 1 к удлиненным концам 14 теплообменных труб 2. Попадая в щели 20 на нижних концах труб 2 и, вытекая из щелей 20 внутрь труб 2 сформированный в виде плоских потоков раствор легко растекается по внутренней поверхности теплообменных труб 2. Движение образовавшейся пленки 26 без существенных сопротивлений ускоряется плоскими потоками 27 вторичного пара, формирующиеся при минимальных энергетических затратах и пленка 28 раствора из щелей 20 приобретает высокоскоростное и устойчивое пленочное течение, закрученное по стенке и направляемое образующимися потоками вторичного пара вверх.
Поднимаясь в виде пленки 28 вверх в теплообменных трубах 2, раствор окончательно концентрируется за счет тепла пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб 2 и вытекает из верхних концов труб 2 в выводную камеру 9. В камеру 9 устремляется также образовавшийся вторичный пар. Потоки раствора и потоки 27 вторичного пара из выводной камеры 9 через патрубок 10 попадают в сепаратор 11, где разделяются и выводятся через патрубок 12 и патрубок 13.
Через патрубок 22 в межтрубное пространство выпарного аппарата подается греющий пар, а через патрубок 23 выводится конденсат греющего пара, образующийся на наружной поверхности теплообменных труб 1 и 2.
Затраты энергии потоков выпариваемого раствора и сопутствующего потока 27 вторичного пара на формирование пленочного течения в теплообменных трубах 2 сокращаются, а течение пленки и, соответственно, теплопередача в теплообменных трубах 2 интенсифицируется. Затраты энергии могут быть сокращены также за счет использования скоростного напора потока 25 раствора, стекающего по наклонному днищу 21 нижней растворной камеры 15 от теплообменных труб 1 к теплообменным трубам 2, что рационально использовать в аппаратах большой производительности или при концентрировании вязких растворов.
При концентрировании растворов с повышенной вязкостью в заявляемом аппарате сопротивление движению выпариваемого раствора через проточные щели 20 может значительно возрасти и скорость движения раствора через эти щели уменьшится, вследствие чего повысится уровень раствора в нижней камере 15 растворной. В этом случае поступление обрабатываемого раствора в теплообменные трубы 2 можно увеличить, приподняв концы удлиненных труб 14 над поверхностью днища 16 или над опорной плитой 17 на высоту h, как это показано на фиг. 5. Расчеты показывают, что для большинства перерабатываемых вязких растворов значение h будет составлять от 3 до 6 мм. При необходимости, наиболее точно значение h можно определить путем проведения пусковых испытаний на опытной модели промышленного аппарата. Образовавшийся при этом поток раствора снизу в удлиненные концы 14 труб 2 представляет тонкий слой раствора, проходящий под торцами труб 2, который гидродинамически будет связан с пленкой раствора, проходящей через вертикальные проточные щели 20, имеющей вращательное движение и будет увлекаться этой пленкой и формировать в итоге единую рабочую пленку раствора на внутренней поверхности удлиненных концов 14 теплообменных труб 2.
В аппаратах большой производительности для увеличения взаимодействия парового потока и формируемой пленки раствора проточные щели 20 могут быть выполнены одинаковой ширины по всей высоте проточных щелей 20. Для этого в верхней части проточных щелей 20 делается небольшой поперечный разрез, что позволит при отгибе краев вертикальных разрезов 18 получать проточные щели 20 одинаковой ширины по всей высоте разреза.
При использовании заявляемого аппарата в производстве возникают следующие технические преимущества:
1) увеличение интенсивности теплопередачи;
2) увеличение производительности аппарата по испаряемой среде;
3) повышение протяженности пленочного течения раствора;
4) повышение продолжительности межпромывочного периода;
5) упрощение эксплуатации аппарата;
6) повышение надежности и долговечности его работы.
Преимущества заявляемого комбинированного выпарного аппарата
пленочного типа обусловлены тем, что в нем выпариваемый раствор внутрь теплообменной трубы 2 с поднимающейся пленкой поступает уже сформированный в тонкий слой (в пленку). Вследствие чего, участок пленочного движения раствора с интенсивным выпариванием начинается сразу в нижней части теплообменной трубы с поднимающейся пленкой практически без потерь энергии попутного потока вторичного пара на формирование пленки. Энергия попутного потока пара тратится на ускорение и турбулизацию испаряемой пленки раствора, то есть на основные и значимые процессы - интенсификацию теплопередачи и испарение. При этом почти полностью исключается участок формирования пленки и тем самым увеличивается участок, на котором происходит испарение раствора, то есть увеличивается производительность выпарного аппарата по испаряемой воде.
Кроме того, к преимуществам заявляемого аппарата можно отнести также конструктивную простоту и минимальную металлоемкость аппарата.