КРИСТАЛЛИЗАТОР ВАЛЬЦОВЫЙ Российский патент 1997 года по МПК B01D9/02 

Изобретение относится к химическому машиностроению и позволяет увеличить удельную производительность кристаллизатора, отнесенную к единице поверхности вальца, и может быть использовано в химической и других смежных отраслях промышленности для получения кристаллической и чешуированной формы продукции из расплавов путем охлаждения внутренней поверхности вальцов.

Известны вальцевые кристаллизаторы, содержащие корпус, ванну с расплавом, погруженный в расплав полый охлаждаемый изнутри валец, систему впрыска охлаждающей воды, привод вращения вальца и нож для съема готового продукта с наружной поверхности вальца [1]
Недостатком конструкции является неорганизованная система оросительного охлаждения, располагающая низким критерием режима движения с преимущественно ламинарным потоком, особенно в нижней застойной зоне внутри вальца.

Наиболее близким к сущности данного изобретения является кристаллизатор, в котором внутри вальца установлен концентричный стакан с центральным отверстием в днище, жестко соединенный с внутренней стенкой вальца. К центральному отверстию днища подсоединен вращающий патрубок для подвода и отвода хладоагента. На наружной поверхности стакана прикреплены перфорированные ребра для улучшения теплоотдачи при движении хладоагента [2]
Недостатком конструкции данного кристаллизатора является то, что хладоагент внутреннюю стенку вальца омывает общим потоком, не исключающим застойные зоны, особенно в случае большого диаметра вальца, что создает малые скорости течения хладоагента с ламинарным режимом движения с образованием слоя хладоагента, температура которого приближается к температуре кристаллизуемого продукта, что снижает движущую силу теплообмена.

Цель изобретения увеличение движущей силы теплообмена в процессе кристаллизации, интенсификация кристаллизации.

Поставленная цель достигается тем, что кольцевое пространство между внутренней стенкой вальца и наружной стенкой концентричного стакана разделено радиальными перегородками на изолированные сектора с патрубками для подвода и отвода хладоагента, а на подводящем патрубке вращающегося вала выполнен радиальный коллектор из труб, каждая труба которого подсоединена к соответствующему патрубку каждого изолированного сектора, на концентричном же отводящем патрубке выполнен радиальный коллектор из труб, соединенный с выходным патрубком каждого изолированного сектора, причем каждый изолированный сектор имеет многоходовой последовательный канал для хладоагента, соединяющий входной патрубок с выходным патрубком изолированного сектора, направление же хладоагента от входного патрубка к выходному патрубку противоположно направлению движения вальца в сторону ножа.

На фиг.1 изображен вальцевой кристаллизатор общий вид; на фиг.2 - поперечный разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.1.

Кристаллизатор вальцевой состоит из корпуса 1, ванны 2 с расплавом 3. Внутри корпуса 1 размещен валец 4, последний с одного конца прикреплен к валу 5 для придания вращательного движения вальца, а другой конец вальца жестко соединен с вращающимся патрубком, состоящим из двух концентричных полостей: центральной трубы 6 для подвода хладоагента 7 и концентричной полости 8 для отвода хладоагента. Подвод хладоагента производится через патрубок 9, а отвод через патрубок 10. Патрубки 9 и 10 неподвижные. Патрубок 10 с вращающимся патрубком 8 соединен через неподвижную коробку 11. Для вывода хладоагента от вращающегося патрубка 8 в неподвижную коробку 11 в пределах коробки на патрубке выполнены отверстия 12 для прохода хладоагента. Внутри вальца концентрично установлен цилиндрический стакан 13, герметично соединенный с дисками 14, а последний соединен с одного конца валом 5, а с другого конца концентричным патрубком 8. Стакан 13 с внутренней стенкой вальца 4 образует кольцевое пространство 15, разделенное перегородками 16 на герметичные охлаждающие секторы 17. Каждый охлаждающий сектор имеет канал 18 для зигзагообразного многоходового движения хладоагента, соединенный с помощью внутренних перегородок 19. Для подвода хладоагента в полость канала 18 выполнен патрубок 20. В конце канала по ходу движения хладоагента предусмотрен патрубок 21 для отвода хладоагента из охлаждающего сектора. На подводящем вращающемся патрубке 6 вала предусмотрен радиальный коллектор 22 из труб. Один конец каждой трубы коллектора 22 соединен с соответствующим патрубком 20 для подвода хладоагента в полость охлаждающего сектора 17. На концентричном патрубке 8 вала предусмотрен радиальный коллектор 23. Другой конец трубы соединен с соответствующим патрубком 21 для отвода хладоагента из охлаждающего сектора 17. Вал 5 и патрубки 6 и 8 вращаются совместно с вальцем в подшипниках 24 и 25 соответственно. Для съема закристаллизовавшегося на поверхности вальца продукта предусмотрен нож 26, а также выгрузочный патрубок 27. Для обеспечения многоходового зигзагообразного движения хладоагента по каналам охлаждающего сектора внутренние перегородки 19 имеют отверстия 28 для изменения направления движения хладоагента.

Кристаллизатор вальцевой работает следующим образом.

Расплав 3 в ванне контактирует с наружной поверхностью вальца 4 за счет частичного погружения. Внутренняя поверхность вальца охлаждается подачей хладоагента 7 в каналы 18 охлаждающего сектора 17. Валец 4 вращается передачей момента к валу 5 в направлении от расплава 3 к ножу 26, после чего кристаллический продукт падает в выгрузочный патрубок 27. Вращающийся валец 4 установлен в корпусе 1 кристаллизатора с помощью вала 5, вращающегося в подшипнике 24, и патрубков 8 и 6, вращающихся в подшипнике 25. Хладоагент 7 поступает в кристаллизатор через неподвижный патрубок 9 во внутрь вращающегося патрубка 6, жестко соединенного с концентричным патрубком 8. Хладоагент через трубы радиального коллектора 22 и патрубок 20 поступает в каналы 18 охлаждающего сектора 17. Поскольку каждый охлаждающий сектор 17 изолирован от других таких же секторов так, что внутри каждого охлаждающего сектора хладоагент движется по трассе: входной патрубок 20, канал 18, доходя до стенки противоположного диска в отверстие 28, и попадает в следующий канал, где жидкость течет в противоположную сторону к предыдущему каналу и далее движение повторяется в зависимости от числа ходов в канале. В конце канала хладоагент выходит через выходной патрубок 21, а из всех секторов собирается в радиальный коллектор 22, далее в кольцевое пространство концентричного патрубка 8, откуда через отверстие 12 поступает в неподвижную коробку 11 и выводится через патрубок 10. Направление перемещения хладоагента от патрубка 20 к патрубку 21 противоположно направлению вращения вальца в сторону ножа 26. Противоположное направление движения продукта на вальце и жидкости в охлаждаемом секторе обеспечивает условие наибольшей движущейся силы теплообмена, т. е. наибольшей разности температур между температурой кристалла и хладоагента. Многоходовое движение по каналам охлаждающего сектора включает застойные зоны, обеспечивает наибольшие величины коэффициента теплопередачи.

При анализе процесса охлаждения и кристаллизации рассматривается случай, когда толщина слоя охлаждаемого продукта относительно малая и не создает термического сопротивления при теплообмене, а температура кристалла равна температуре стенки вальца. В этом случае удельная тепловая нагрузка теплопередающей поверхности вальца q равна:

где
Δt разность температур между температурой контактирующего со стенкой продукта и хладоагента, [^oС]
К коэффициент теплопередачи .

Для рассматриваемого случая коэффициент теплопередачи равен:

d толщина стенки вальца, [мм]
l коэффициент теплопроводности стенки вальца ,
α коэффициент теплоотдачи от стенки вальца к хладоагенту .

Подставляя значение К в уравнение удельной тепловой нагрузки, получим:

Величины d/λ и 1/α являются показателями величины теплового сопротивления. Величина удельной тепловой нагрузки стенки кристаллизатора q тем больше, чем больше величина Dt и чем меньше величина δ/λ + 1/α Увеличение величины Dt достигается противотоком движения хладоагента по отношению к направлению движения продукта в сторону ножа.

Из рассматриваемых слагаемых δ/λ + 1/α при малых толщинах стенки вальца из металлических конструкционных материалов значение d/λ на два порядка меньше, чем величина 1/α поэтому первое слагаемое мало влияет на общую величину теплового сопротивления. Для уменьшения теплового сопротивления необходимо увеличить величину коэффициента теплоотдачи a что достигается увеличением скорости хладоагента в охлаждаемой зоне путем использования многоходового потока в каналах охлаждающего сектора.

Пример. Валец выполнен из углеродистой стали толщиной s 5,0 мм и с коэффициентом теплопроводности При движении жидкости в условиях малых скоростей величина

При высоких скоростях движение хладоагента , тогда 1/α 0,001, а удельная тепловая нагрузка равна
Из приведенного примера видно, что в указанном примере при условиях предлагаемой в данном изобретении конструкции величина q возрастает. Соотношение 1/α : δ/λ возрастает в 10 раз, а удельная тепловая нагрузка q₂/q₁ в 8,8 раз.

Применение: в химической промышленности для кристаллизации расплавов. Сущность изобретения: в кристаллизаторе охлаждающая полость между внутренней стенкой вальца и цилиндрического стакана разделена радиальными перегородками на изолированные охлаждающие сектора, в каждую полость которого подводится хладоагент отдельно, также отдельно хладоагент отводится в штуцер выпуска вращающегося вала, для чего как на подводящем, так и на отводящем концентричном патрубке вращающегося вала выполнены радиальные коллекторы, соединяющие трубками как подводящий, так и отводящий патрубки вала с соответствующими патрубками охлаждающего сектора. Для увеличения скорости течения хладоагента пространство охлаждающего сектора разделено внутренними перегородками, направляющими хладоагент от входного патрубка к выходному патрубку по зигзагообразному каналу, причем хладоагент течет от входного патрубка к противоположной стенке диска вальца, где поток, проходя в отверстие внутренней перегородки, меняет движение в сторону противоположного диска, далее повторяя такое движение до выхода в выходной патрубок, расположенный в конце канала. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Кристаллизатор вальцовый, содержащий корпус, ванну с расплавом, валец, частично погруженный в расплав, охлаждаемый изнутри хладагентом и вращающийся в сторону ножа для снятия кристаллов, вал для вращения вальца от привода, противоположный конец которого одновременно служит для подвода и отвода хладагента от вальца и состоящий из внутреннего и концентричного наружного патрубков для движения хладагента, а валец внутри имеет концентричный стакан для движения хладагента в пространстве между внутренней стенкой вальца и наружной стенкой стакана, отличающийся тем, что в пространстве между внутренней стенкой вальца и стакана установлена радиальная перегородка, разделяющая зону охлаждения вальца на изолированные секторы, а каждый изолированный сектор имеет внутренние радиальные перегородки с отверстием в конце каждого хода для зигзагообразного движения хладагента по образующимся каналам от входного к выходному патрубку изолированного сектора, а наружный концентричный и внутренний патрубки вала имеют радиальные коллекторы из труб, соединяющие входной и выходной патрубки изолированного сектора с соответствующими патрубками вала. 2. Кристаллизатор по п. 1, отличающийся тем, что патрубок входа хладагента по отношению к патрубку выхода в каждом охлаждающем секторе вращающегося вальца расположен с фронтальной стороны и обеспечивает противоточное движение хладагента по отношению к движению кристаллизующегося продукта к ножу.