ОГНЕВОЙ ИСПАРИТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F24H1/06 F22B31/04 

Изобретение относится к теплотехнике и предназначен в основном для разделения двухкомпонентных жидкостей с различными температурами кипения и(или) десорбции газов, растворенных в указанных жидкостях. Огневой испаритель может использоваться для комплектации технологических установок в газовой, газо- и нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности и применяться для нагрева термолабильных жидкостей.

Известная аналогичная конструкция огневого испарителя - огневой подогреватель [1] - обладает следующими недостатками:
малый срок межремонтного пробега, что обусловлено непосредственным контактом нагреваемой жидкости со стенками труб теплообменной поверхности и разложением термолабильной жидкости (с образованием внутритрубных отложений) вследствие недостаточно равномерного обогрева отдельных труб в трубном пучке;
невысокий тепловой КПД вследствие отсутствия рекуперации теплоты дымовых газов;
значительные затраты энергии на перемещение потока рециркулирующих дымовых газов при обеспечении инжекционного их смешения в однопоточном центральном смесителе, а также значительные затраты энергии на перемещение потока кипящей жидкости в горизонтальном трубном пучке.

В качестве прототипа предлагаемого решения может быть рассмотрен огневой нагреватель [2] , имеющий несколько подключенных параллельно инжекционных смесителей, что позволяет несколько снизить затраты на перемещение потока рециркулирующих дымовых газов. Кроме того, в нем поток дымовых газов осуществляет поперечное смывание трубного пучка, что позволяет за счет интенсификации теплообмена несколько снизить металлоемкость и габариты аппарата.

Прототип обладает теми же недостатками, обусловленными непосредственным контактом нагреваемой жидкости со стенками трубного пучка, а также отсутствием технических решений по рекуперации теплоты дымовых газов и использованию ее на технологические цели огневого испарителя. Вследствие этого прототип имеет недостаточно высокий срок межремонтного пробега, невысокий КПД, а также высокие затраты на эксплуатацию тягодутьевых устройств, используемых для перемещения потока рециркулирующих дымовых газов и насоса для перемещения через горизонтальный трубный пучок кипящей жидкости.

Целью изобретения является увеличение срока межремонтного пробега огневого испарителя и снижение его эксплуатационных затрат на топливо и электроэнергию.

Для этого предлагается теплообменную поверхность огневого испарителя выполнить из вертикальных теплообменных труб, подключенных к горизонтальным верхнему и нижнему коллекторам соответственно для отвода паров испаренного компонента и для сбора и отвода неиспаренной нагретой жидкости, причем верхний коллектор содержит распределитель для струйно-капельного подвода (по оси труб теплообменной поверхности) разделяемой смеси; двухсторонний (двухсветный) обогрев теплообменных труб осуществляется вертикальными излучающими стенами, горелочные туннели и рециркуляционные смесители (для дымовых газов) в которых соосны смесителям рекуперативных инжекционных горелок, в которых нагрев воздуха на горение (через стенки корпусов горелок) осуществляется теплотой рециркулирующих дымовых газов, поступающих из топки через дымовые каналы в нижней части излучающих стен.

На фиг. 1 представлена одна из крайних секций предлагаемой конструкции огневого испарителя, вариант, предназначенный для работы на газовом топливе, поперечный разрез; на фиг. 2 - вариант с регулированием теплоподвода по высоте излучающих стен (число средних секций испарителя может быть любым и зависит от производительности аппарата).

Огневой испаритель состоит из следующих основных узлов:
корпуса 1, обшивка которого имеет внутреннюю теплоизоляцию;
теплообменная трубная поверхность 2, размещенная на своде корпуса 1, состоящая из вертикально расположенных теплообменных труб (при необходимости ошипованных или оребренных в нижней части), подключенных к верхнему (паровому) 8 и нижнему (жидкостному) 12 коллекторам;
рекуперативные инжекционные газовые горелки 3, размещенные на своде корпуса 1 или на одной из торцовых стен;
вертикально расположенные излучающие стены 4, содержащие соосные смесителям горелок 3 рециркуляционные смесители и горелочные туннели 5 и имеющие в нижней части дымовые каналы 6 для подачи (из нижней части топки к корпусам горелок) рециркулирующих дымовых газов. С целью обеспечения возможности регулирования теплоотвода по высоте излучающих стен путем регулирования давления газа перед горелками последние могут размещаться горизонтально (как показано на фиг. 3)
Особенностью конструкции огневого испарителя является симметричное размещение излучающих стен 4 и горелок 3 относительно вертикальной осевой плоскости теплообменной поверхности 2 и двухсторонний радиационно-конвективный практически равномерный ее обогрев.

Выход дымовых газов из аппарата осуществляется через дымовое окно 7, подключенное к общему дымоходу (не показан).

В верхнем коллекторе 8 размещен распределитель 9, через который осуществляется подача разделяемой смеси в трубную поверхность 2 (патрубок подачи разделяемой смеси расположен в торцовой части распределителя 9 и на фиг. 1 не показан). Верхний коллектор 8 оборудован также патрубком 10 для отвода паров легкокипящего компонента.

Нижний коллектор 12 предназначен для сбора неиспарившейся жидкости (высококипящего компонента), ее отвод из коллектора производится через торцовой патрубок (не показан).

Коллектор 13 предназначен для подачи топливного газа на горелке 3. Включение и отключение подачи газа производится клапанами 14. Регулирование подачи воздуха на инжекционные горелки 3 осуществляется регуляторами 15.

При работе огневого испарителя разделяемая смесь подается в распределитель 9 и через соосные вертикальным трубам теплообменной поверхности раздающие устройства самотеком в виде струй или капель, не касаясь стенок труб, проходит их сверху вниз и поступает в нижний коллектор 12 неиспарившейся жидкости (высококипящего компонента), откуда перекачивается в другие технологические аппараты.

Нагрев струй смеси осуществляется без ее непосредственного контакта со стенками труб за счет их теплового излучения на струи жидкости, а также за счет противоточного нагрева струй потоком восходящих паров низкокипящего компонента, который поступает в верхний коллектор 8 и через патрубок 10 выводится в другие технологические аппараты.

Обогрев труб теплообменной поверхности 2 в верхней их части осуществляется в основном тепловым излучением перфорированной (горелочными туннелями) верхней части излучающей стены 4. Теплоподвод к средним по высоте участкам теплообменной поверхности осуществляется как собственным тепловым излучением средней части излучающей стены, так и за счет конвективного нагрева труб потоком дымовых газов, перемещающихся из туннелей 5 к выходному окну 7. В нижней части внешний обогрев труб осуществляется преимущественно потоком дымовых газов. Для интенсификации конвективного теплообмена на этом участке наружная поверхность труб снабжена шипами или ленточным оребрением 11.

Поддержание необходимого по технологии температурного уровня процесса нагрева и испарения осуществляется в огневом испарителе путем сжигания топливного газа, подаваемого по коллектору 13 на инжекционные горелки 3. Истекающий из газовыпускных отверстий в центральной трубе газ поступает в смесители (расположенные на корпусе горелки), в которые инжектируется воздух, поступающий на горение в зазоре между корпусом горелки и центральной трубой (и расход которого изменяется воздушным регулятором 15). Окончательное смешение газа и воздуха, образование и горение газовоздушной смеси, а также инжектирование рециркулирующих дымовых газов осуществляется в соосных смесителях горелок 3 рециркуляционных смесителях и горелочных туннелях 5 излучающей стены 4.

Рекуперативный подогрев воздуха, поступающего на горение, осуществляется через стенки корпусов горелок потоком дымовых газов, в основном уходящим в дымовое окно 7.

В предлагаемом огневом испарителе повышение срока его межремонтного пробега по сравнению с прототипом достигается за счет
предотвращения непосредственного контакта термолабильной (или вызывающей отложения на стенках труб) нагреваемой жидкости со стенками труб - нагрев осуществляется бесконтактно тепловым излучением стенок труб на струи или капли нагреваемой смеси, а также потоком восходящих паров легкокипящего компонента, не образующего отложений на стенках труб;
повышения равномерности внешнего нагрева труб теплообменной поверхности за счет двухстороннего ее обогрева излучающими стенами и рециркуляции дымовых газов в топку ( что повышает равномерность поля температур дымовых газов в топке).

Вследствие этого исключается локальный перегрев стенок труб теплообменной поверхности и преждевременный выход ее из строя. Кроме того, отсутствие внутритрубных отложений, при прочих равных условиях, позволяет снизить среднюю температуру теплообменной поверхности и повысить КПД огневого испарителя.

В предлагаемом огневом испарителе повышение его КПД по сравнению с прототипом достигается за счет
рекуперативного нагрева воздуха, поступающего на горение, теплотой уходящих дымовых газов (причем для нагрева используются не отдельные поверхности нагрева, а корпусы инжекционных горелок, что обеспечивает снижение металлоемкости и габаритов аппарата);
рециркуляции части потока дымовых газов в топку.

Снижение энергозатрат на перемещение потоков рециркулирующих дымовых газов и нагреваемой смеси в предлагаемом огневом испарителе осуществляется за счет
увеличения количества (более чем на порядок) смесителей первичных и рециркулирующих дымовых газов (так как инжектирование рециркулирующих дымовых газов происходит внутри многочисленных смесителей и горелочных туннелей излучающих стен при микрофакельном сжигании газового топлива) и, как следствие, обеспечения возможности работы смесителей при значительно меньшем давлении активных струй первичных дымовых газов, что позволяет использовать инжекционные газовые горелки (и энергию давления топливного газа) и самотягу дымовой трубы для осуществления рециркуляции дымовых газов и отказаться от применения тягодутьевых устройств;
отсутствие застойных зон и паровых пробок и незначительного сопротивления вертикально расположенных труб теплообменной поверхности потокам нагреваемой смеси и паров легкокипящего компонента (движение струй или капель смеси от распределителя вниз осуществляется самотеком, а восходящее движение потока паров осуществляется за счет разности плотностей паров и жидкости при рабочем давлении внутритрубной поверхности аппарата).

Таким образом, предлагаемый огневой испаритель позволяет увеличить срок межремонтного пробега и за счет снижения сопротивления по тракту рециркулирующих дымовых газов и по ходу нагреваемой смеси снизить энергозатраты на эксплуатацию и повысить топливный КПД.

Ожидаемое снижение эксплуатационных затрат по сравнению с прототипом составит не менее 20%.

Использовани: в теплотехнике, в частности в газовой, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности для нагрева термолабильных жидкостей. Сущность изобретения: увеличение срока межремонтного пробега огневого испарителя и снижение его эксплуатационных затрат на топливо и электроэнергию обеспечивается тем, что теплообменная поверхность 2 огневого испарителя выполнена из вертикальных теплообменных труб, подключенных к горизонтальным верхнему 8 и нижнему 12 коллекторам соответственно для отвода паров испаренного компонента и для сбора и отвода неиспаренной нагретой жидкости, причем верхний коллектор 8 содержит распределитель 9 для струйно-капельного подвода разделяемой смеси. Двухсторонний обогрев теплообменных труб осуществляется вертикальными излучающими стенами 4, горелочные туннели 5 и рециркуляционные смесители в которых соосны смесителям рекуперативных инжекционных горелок 3, в которых нагрев воздуха на горение осуществляется теплотой рециркулирующих дымовых газов, поступающих из топки через дымовые каналы 6 нижней части излучающих стен 4. 2 ил.

Огневой испаритель двухкомпонентных жидкостей, содержащий газовые горелочные устройства, смесители для смешения руциркулирующих дымовых газов с первичными дымовыми газами, выходящими из горелочных устройств, теплообменную трубную поверхность, отличающийся тем, что теплообменная поверхность огневого испаритуля выполнена из вертикальных теплообменных труб, подключенных к горизонтальным верхнему и нижнему коллекторам соответственно для отвода паров испаренного компонента и для сбора и отвода неиспаренной нагретой жидкости, причем верхний коллектор содержит распределитель для струйно-капельного подвода по оси труб теплообменной поверхности разделяемой смеси, двусторонний двухсветный обогрев теплообменных труб осуществляется вертикальными излучающими стенами, горелочные туннели и рециркуляционные смесители для дымовых газов в которых соосны смесителям рекуперативных инжекционных горелок, нагрев воздуха на горение через стенки корпусов горелок осуществляется теплотой рециркулирующих дымовых газов, поступающих из топки через дымовые каналы в нижней части излучающих стен.