ВЫПАРНОЙ АППАРАТ Российский патент 1999 года по МПК B01D1/22 

Изобретение относится к теплообменному оборудованию, а именно к выпарным аппаратам, используемым для выпаривания воды из промышленных растворов в целлюлозной, глиноземной и химических отраслях производства.

Известен выпарной аппарат с падающей пленкой, содержащий пленкообразующие насадки, установленные в верхних концах кипятильных трубок (SU, N 181036, М. кл. B 01 D 1/22, 1996). Насадки в известном выпарном аппарате могут быть выполнены либо в виде коротких отрезков трубок с наклонными разрезами, снабженных снаружи ребрами, обеспечивающими равномерное распределение раствора по внутренней поверхности кипятильных трубок, либо в виде тех же ниппелей, но с удлиненными верхними концами, являющимися продолжением кипятильных трубок - для обеспечения работы устройства вывода твердой фазы из раствора в сепараторе.

Известен также выпарной аппарат с падающей пленкой, содержащий пленкообразующие насадки, выполненные в виде патрубков с герметизирующими кольцами и многозаходными спиралями, верхние концы которых прикрыты колпачками. Такие насадки также обеспечивают равномерное распределение раствора по кипятильным трубкам (SU, N 993967, М.кл. B 01 D 1/22, 1983).

Выпарные препараты, работающие по принципу падающей пленки раствора, являются новым поколением выпарной техники, более эффективным, чем их предшественники - вертикальные длиннотрубные аппараты с поднимающейся пленкой. Однако перечисленные устройства не предназначены для отвода через них вторичного пара, образующегося в кипятильных трубках выпарного аппарата, в связи с чем аппарат должен быть оборудован громоздким сепарационным пространством, расположенным под греющей камерой, для чего в случае действующего оборудования, как правило, нет места.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является выпарной аппарат, содержащий греющую камеру с вертикальными кипятильными трубками, завальцованными в верхней и нижней трубных досках, сепаратор вторичного пара, расположенный над греющей камерой, нижнюю растворную камеру, расположенную под греющей камерой, и набор снабженных внешними многоканальными навивками цилиндрических пленкообразующих вставок, установленных в каждой кипятильной трубке (US 3370635, Н.кл. 159-13, 1968).

При этом цилиндрические пленкообразующие вставки (насадки) имеют внешние спиральные навивки (многоканальная нарезка) только на своей нижней части, заведенной в соответствующую кипятильную трубку, и расположены над верхней трубной доской, т.е. в сепараторе вторичного пара.

Такие вставки обеспечивают при работе выпарного аппарата однородную пленку на гладкой поверхности стенок кипятильных работ, что, в свою очередь, обеспечивает высокую эффективность аппарату, а также длительный срок службы трубок испарителя.

Однако реализация вывода вторичного пара только через верхние концы вставок вызывает периодический спонтанный выброс пара по мере его накопления в кипятильной трубке. Каждый выброс сопровождается срывом пленки выпариваемого раствора со стенки кипятильной трубки и падением теплопередачи. Такая периодичность в работе выпарного аппарата является неудовлетворительной.

Новым техническим результатом от использования настоящего изобретения является создание стабильной работы аппарата путем присвоения вставке новой дополнительной функции - обеспечения непрерывного отвода вторичного пара из кипятильных трубок.

Этот результат достигается тем, что в выпарном аппарате, содержащем греющую камеру с вертикальными кипятильными трубками, завальцованными в верхней и нижней трубных досках, сепаратор вторичного пара, расположенный над греющей камерой, нижнюю растворную камеру, расположенную под греющей камерой, и набор снабженных внешними многоканальными навивками цилиндрических пленкообразующих вставок, установленных в каждой кипятильной трубке, вставки расположены над и под верхней трубной доской, при этом внешние спиральные навивки находятся ниже верхней трубной доски, а длина части цилиндрической пленкообразующей вставки, расположенная под верхней трубной доской, определяется по формуле
м,
где G - расход выпариваемого раствора на кипятильную трубку, кг/с;
C - теплоемкость раствора, Дж/кг • град;
F₁ - поверхность одного метра длины кипятильной трубки, м²/м;
k - коэффициент теплопередачи на участке подогрева раствора до температуры кипения, Дж/м²•град•с;
t_вх - температура раствора на входе в кипятильную трубку, град;
t_к - температура кипения раствора внутри кипятильной трубки, град.;
t_n - температура насыщения греющего пара, град.

При этом внешние спиральные навивки каждой пленкообразующей вставки имеют гидравлическое сопротивление, не превышающее длины верхнего конца вставки.

Внешние спиральные навивки на цилиндрических вставках могут быть выполнены путем многоканальной (в том числе двухканальной) нарезки или в виде 2-рядной проволочной намотки. При этом шаг намотки или нарезки устанавливают заранее, и он определяет гидравлическое сопротивление спирального канала вставки, а следовательно, величину уровня раствора над верхней трубной доской.

Величина длины участка вставки, расположенного над трубной доской, определяет уровень раствора в сепараторе, от которого зависит каплеунос со вторичным паром. Допустимая величина уровня в сепараторе определяется объемом сепаратора конкретного аппарата и для большинства аппаратов не превышает одного метра.

Совокупность указанных отличительных признаков - расположение части цилиндрических вставок в зоне теплообмена и перенос навивки под уровень трубной доски - позволяет обеспечить в заявленном выпарном аппарате стабильную работу аппарата за счет непрерывного отвода вторичного пара из кипятильных трубок. Наличие многоканальной навивки на цилиндрических вставках также способствует увеличению эффективности работы аппарата за счет равномерного распределения пленки раствора по внутренней поверхности кипятильной трубки.

Предлагаемый выпарной аппарат иллюстрируется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 1 представлен общий вид (разрез) выпарного аппарата, на фиг. 2 - пленкообразующая вставка, установленная в верхнем торце кипятильной трубки.

Выпарной аппарат состоит из греющей камеры 1 с патрубком подвода греющего пара 9, кипятильных трубок 15, завальцованных в верхней трубной доске 16, сепаратора 2 с патрубком отвода вторичного пара 8 и патрубком 7 входа циркулирующего раствора, нижней растворной камеры 3 с патрубком 5 ввода исходного раствора в аппарат, циркуляционного насоса 4, в нагнетательной линии которого установлен патрубок 6 отвода упаренного раствора.

В верхнем торце каждой кипятильной трубки 15 установлено пленкообразующее распределительное устройство 10, именуемое в дальнейшем вставкой, представляющей собой цилиндрический патрубок 11 с наружной 2-канальной проволочной спиральной навивкой 12. Нижний конец вставки заведен в кипятильную трубку, а верхний возвращается над трубной доской. В таком положении вставка как бы висит в трубке на поперечине 13, опирающейся на трубную доску, а центрирование вставки внутри трубки осуществляется за счет спирали 12. Навивка вставки расположена ниже трубной доски 14.

Выпарной аппарат работает следующим образом. Циркуляционный насос 4 забирает раствор из нижней растворной камеры 3 и подает его через патрубок 7 в нижнюю часть сепаратора 2, где происходит накопление раствора над верхней трубной доской, причем величина уровня раствора зависит от гидравлического сопротивления спиральной навивки 12. В кипятильную трубку раствор попадает через кольцевой зазор между корпусом вставки и трубкой. Пройдя по спиральному каналу, образованному навивкой 12, раствор в виде тонкой волнистой пленки устремляется вниз по внутренней поверхности трубки. Нагрев и испарение осуществляется за счет теплопередачи от греющего пара. Генерируемый пленкой вторичный пар (выпар) устремляется также вниз, вместе с потоком раствора. Поскольку внизу выхода нет, пар скапливается внутри трубки и выходит вверх, в сепаратор 2 через центральное отверстие корпуса вставки 11. Таким образом вставка выполняет роль разделителя потоков пара и раствора в верхнем торце кипятильной трубки. Для того чтобы вставка удовлетворительно выполняла роль пароотвода выпара из трубки, необходимо, чтобы она была заведена в кипятильную трубку на глубину сечения начала интенсивного кипения, т.е. ориентировочно на величину участка подогрева поступающего раствора до температуры насыщения. При наличии принудительной циркуляции в аппарате раствор поступает в трубки с температурой, близкой к температуре насыщения. Поэтому длина заглубления вставки в кипятильную трубку в этом случае не превышает 0,5 м.

Наличие уровня над верхней трубной доской является необходимым условием равномерного распределения раствора по всем кипятильным трубкам. Указанный уровень поддерживается за счет гидравлического сопротивления спиральной навивки вставки, которое не должно превышать длину конца вставки, выступающего над верхней трубной доской, во избежание залива вставок раствором через верх. Учитывая, что при наличии циркуляционного насоса поверхность уровня раствора в сепараторе не является спокойной (гладкой), выступающие концы вставок должны иметь длину не менее 15 см.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при реконструкции аппаратов с восходящей пленкой раствора, широко применяемых в настоящее время, в аппараты с падающей пленкой, обладающих теплопередачей.

Промышленные испытания описываемых аппаратов с падающей пленкой в составе пятикорпусной противоточной батареи были проведены на глиноземном заводе. Аппараты с падающей пленкой были получены путем реконструкции двух аппаратов типа "Кестнер" с восходящей пленкой. По данным испытаний было зафиксировано среднее повышение производительности выпарной установки по исходному раствору на 12%.

Также созданный в соответствии с материалами заявки опытный выпарной аппарат в настоящее время проходит испытания на растворах целлюлозного производства в составе действующей выпарной батареи Котласского ЦБК.

Изобретение может быть использовано в целлюлозно-бумажной, глиноземной и химической отраслях промышленности, в частности, для выпаривания воды из промышленных растворов и позволяет создать условия стабильной работы аппарата за счет обеспечения непрерывного отвода вторичного пара из кипятильных трубок. Выпарной аппарат содержит греющую камеру с вертикальными кипятильными трубками, завальцованными в верхней и нижней трубных досках, сепаратор вторичного пара, расположенный над греющей камерой, нижнюю растворную камеру, расположенную под греющей камерой, и набор снабженных внешними многоканальными навивками цилиндрических пленкообразующих вставок, установленных в каждой кипятильной трубке. Вставки расположены над и под верхней трубной доской, при этом внешние спиральные навивки находятся ниже верхней трубной доски, а часть длины цилиндрических пленкообразующих вставок, расположенная под верхней трубной доской, определяется по формуле м. При этом внешние спиральные навивки каждой пленкообразующей вставки имеют гидравлическое сопротивление, не превышающее длины верхнего конца вставки. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Выпарной аппарат, содержащий греющую камеру с вертикальными кипятильными трубками, завальцованными в верхней и нижней трубных досках, сепаратор вторичного пара, расположенный над греющей камерой, нижнюю растворную камеру, расположенную под греющей камерой, и набор снабженных внешними многоканальными навивками цилиндрических пленкообразующих вставок, установленных в каждой кипятильной трубке, отличающийся тем, что вставки расположены над и под верхней трубной доской, при этом внешние спиральные навивки находятся ниже верхней трубной доски, а часть длины цилиндрических пленкообразующих вставок, расположенная под верхней трубной доской, определяется по формуле:

где G - расход выпариваемого раствора на кипятильную трубку, кг/с;
с - теплоемкость раствора, Дж/(кг • град.);
F₁ - поверхность одного метра длины кипятильной трубки;
k - коэффициент теплопередачи на участке подогрева раствора до температуры кипения, Дж/(м² • град. • с);
t_вх - температура раствора на входе в кипятильную трубку, град.;
t_к - температура кипения раствора внутри кипятильной трубки, град.;
t_n - температура насыщения греющего пара, град. 2. Выпарной аппарат по п.1, отличающийся тем, что внешние спиральные навивки каждой пленкообразующей вставки имеют гидравлическое сопротивление, не превышающее длины верхнего конца вставки.