ВЫПАРНОЙ АППАРАТ С ПАДАЮЩЕЙ ПЛЕНКОЙ Российский патент 2008 года по МПК B01D1/22 

Изобретение относится к выпарному оборудованию, которое используется в химической промышленности и в глиноземном производстве, и может быть применено в других отраслях техники, где осуществляется концентрирование растворов.

Выпарные аппараты с падающей пленкой являются наиболее эффективным и экономичным выпарным оборудованием, так как конструктивная простота и высокая интенсивность теплопередачи позволяют выполнять процесс выпаривания с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами.

При этом эффективность аппаратов и, соответственно, экономичность работы установок с использованием выпарных аппаратов с падающей пленкой в значительной степени определяются полнотой нагрева исходного раствора до температуры кипения и затратами на этот нагрев, а также надежностью и стоимостью пленкообразующих устройств. В общем случае выпарной аппарат с падающей пленкой представляет комплекс следующих основных важных элементов: греющей камеры, выполненной в виде пучка вертикально установленных теплообменных труб, подогревателя исходного раствора и устройства для формирования тонкого слоя ("пленки") на внутренней поверхности теплообменных труб, располагающегося над верхними торцами теплообменных труб.

Известны выпарные установки (выпарные комплексы), в которых нагрев исходного раствора или жидкого продукта, подлежащего выпариванию в выпарных аппаратах с падающей пленкой, производится в отдельных кожухотрубных аппаратах-подогревателях, сообщающихся с выпарными аппаратами растворными и паровыми трубопроводами (см. например, книгу: Липатов И.И., Харитонов В.Д. "Сухое молоко", М., Изд. "Легкая и пищевая промышленность", 1981, стр.65, рис.16). Недостаток такого выпарного комплекса состоит в высокой металлоемкости и больших габаритах, определяющих его высокую стоимость.

Известен другой выпарной комплекс, включающий выпарной аппарат с падающей пленкой и прямоконтактный подогреватель исходного раствора (пат. Франции №1511081, B01D, фиг.1). В этом комплексе исходный раствор диспергируется форсункой, размещенной в отдельном корпусе, в поток пара, поступающего снизу из сепаратора выпарного аппарата. Раствор нагревается за счет конденсации пара на поверхности струй и капель, образующихся в форсунке. Применение прямоконтактного нагрева позволяет уменьшить стоимость подогревателя и, соответственно, комплекса в целом. Однако применение подогревателя, вынесенного из корпуса выпарного аппарата, предопределяет необходимость в увеличенных производственных площадях для размещения комплекса. Кроме того, для орошения греющих трубок выпарного аппарата и создания пленки выпариваемого раствора в трубках требуется специальное пленкоформирующее устройство.

Указанные недостатки отсутствуют в известном выпарном аппарате с падающей пленкой, включающем греющую камеру, выполненную в виде пучка вертикальных теплообменных труб, закрепленных по концам в трубных решетках, к которым примыкают верхняя и нижняя растворные камеры (пат. США №4981555, В01D 1/22, 1991, фиг.2). В этом известном аппарате форсунка для распыления исходного раствора размещена в верхней растворной камере, выше форсунки размещен ввод пара, а ниже этого ввода, но выше форсунки установлена горизонтально плоская распределительная решетка (сетка). Форсунка в этом выпарном аппарате предназначена для равномерного орошения верхних торцов теплообменных трубок, закрепленных в верхней трубной решетке, и для создания пленки раствора на внутренней поверхности этих трубок (т.е. является пленкоформирующим устройством). Пар повышенных параметров, поступающий через ввод, размещенный в верхней части растворной камеры и сообщенный с предыдущим выпарным аппаратом, работающим при более высоком давлении пара, служит для увеличения скорости отекания вниз пленки обрабатываемого раствора в теплообменных трубках, увеличения турбулизации этой пленки и интенсификации тем самым теплопередачи в греющей камере, а также для предотвращения инкрустации поверхности теплообмена и образования на ней отложений. В конечном итоге это увеличивает производительность выпарного аппарата. Аппарат может быть снабжен плоской распределительной решеткой (сеткой), установленной горизонтально на высоте между вводом пара и форсункой, которая предназначена для обеспечения равномерного распределения потока пара по поперечному сечению растворной камеры и, соответственно, по теплообменным трубкам. Однако, по мнению авторов, этот распределитель не является обязательным.

Преимущества известного выпарного комплекса обусловлены совмещением в одном аппарате греющей (выпарной) камеры с падающей пленкой и прямоконтактного подогревателя исходного раствора, который одновременно служит распределяющим и пленкообразующим устройством. Такое совмещение позволяет сократить до минимума растворные и паровые коммуникации, уменьшить габариты и металлоемкость комплекса и в результате существенно снизить стоимость комплекса (аппарата), а также уменьшить производственные площади, необходимые для его размещения.

По технической сущности и достигаемому положительному эффекту этот выпарной аппарат с встроенным прямоконтактным подогревателем исходного раствора наиболее близок к заявляемому техническому решению и поэтому принят заявителями в качестве прототипа.

Недостаток выпарного аппарата, принятого за прототип, состоит в том, что в нем не используется механическая энергия факела струй и капель раствора (факела распыла), создаваемого форсункой, которая при определенном конструктивном оформлении верхней растворной камеры и форсунки может быть использована при применении эффекта струйного насоса для повышения давления пара, подаваемого в растворную камеру, с целью увеличения экономичности работы прямоконтактного подогревателя и интенсификации теплопередачи в теплообменник трубках выпарного аппарата.

Конструктивные недостатки прототипа, препятствующие достаточно полному проявлению эффекта струйного насоса, состоят в следующем.

Форсунка помещена свободно в паровом пространстве верхней растворной камеры, вследствие чего при работе форсунки в объеме растворной камеры появляются циркуляционные потоки пара, нарушающие всасывающее и нагнетательное действие факела распыла: пар, увлекаемый периферийными струями факела, с нижнего конца факела свободно перемещается в окружающее паровое пространство и возвращается обратно к форсунке, выравнивая давление пара по длине факела и нарушая всасывающую способность факела у форсунки, препятствуя тем самым проникновению пара в центральную часть факела. Описанные паразитные потоки пара в паровом пространстве верхней растворной камеры в аппарате-прототипе приведены на фиг.1.

Распределитель, который предполагается устанавливать в паровом пространстве верхней растворной камеры в аппарате-прототипе между паровым патрубком и форсункой, создает сопротивление движению пара к форсунке, уменьшая всасывающее действие струй раствора на выходе из форсунки, а также выравнивает перепад давления вдоль периферийных струйных потоков раствора.

По указанным причинам нагнетательное действие факела распыла, создаваемое форсункой, в аппарате-прототипе незначительно и практически не увеличивает ни температуру пара в нижней части факела, что обусловливало бы улучшение работы подогревателя, ни давление пара на входе в теплообменные трубки, что позволило бы увеличить скорость отекания пленки раствора, турбулизацию этой пленки и интенсивность теплопередачи при выпаривании.

Цель заявляемого технического решения состоит в устранении указанных недостатков и создании условий для максимального проявления нагнетательного действия факела струй и капель, создаваемого форсункой, и повышения тем самым давления пара в нижней части факела, что позволяет повысить температуру нагрева раствора перед поступлением в теплообменные трубки и интенсивность теплопередачи в этих трубках, а также увеличить экономичность выпарного аппарата.

Поставленная цель достигается тем, что в выпарном аппарате с падающей пленкой, содержащем греющую камеру с вертикально установленными теплообменными трубками, закрепленными в верхней и нижней трубных решетках, верхнюю и нижнюю растворные камеры, примыкающие к трубным решеткам, форсунку для распыления исходного раствора и патрубок для подвода пара, установленные в верхней растворной камере, а также сепаратор с патрубком для вывода вторичного пара, новым является то, что в верхней растворной камере ниже форсунки установлен кожух, охватывающий факел струй и капель (факел распыла), который возникает при работе форсунки, размещенный с зазором относительно форсунки и примыкающий нижней части к стенкам растворной камеры или к верхней трубной решетке.

Кожухом, охватывающим факел распыла, могут служить стенки растворной камеры, выполненные конусными, в верхней части конусной камеры может быть размещена камера всасывания, с зазором охватывающая форсунку, а патрубок подвода пара может быть установлен в стенке камеры всасывания.

Патрубок для подвода пара, установленный в верхней растворной камере или во высасывающей камере, может быть сообщен с патрубком для вывода пара из сепаратора.

Под форсункой над верхней трубной решеткой может быть установлен распределитель.

Распределитель может быть выполнен в виде сетки с квадратными ячейками размерами от 3×3 до 8×8 мм.

Распределитель может быть выполнен также в виде решетки, состоящей из вертикально установленных пластин.

Для оснащения аппарата может быть использована струйно-вихревая форсунка с цилиндрическим вкладышем как наиболее эффективная конструкция для создания эффекта струйного насоса и прямоконтактного нагрева жидкости в заявляемом выпарном аппарате.

Технический результат реализации предлагаемого аппарата заключается в том, что заявляемое размещение кожуха, охватывающего факел распыла форсунки, позволяет организовать упорядоченное наиболее действенное взаимное движение струй и капель раствора, диспергированного форсункой, и пара, позволяющее в полной мере использовать механическую энергию этого факела для повышения тепловой эффективности прямоконтактного подогрева поступающего на выпаривание исходного раствора, а также для интенсификации процесса выпаривания этого раствора, и осуществлять их более экономичным путем - с использованием пара пониженных параметров, образующегося в сепараторе этого выпарного аппарата. Это обеспечивается повышением давления и температуры пара, поступившего в растворную камеру, в факеле распыла раствора, обусловливающими увеличение температуры нагрева исходного раствора перед выпариванием, увеличение скорости пара и пленки раствора в теплообменных трубках, повышающее интенсивность теплопередачи в них. При этом нагнетательная способность апробированной заявителями форсунки достаточна для использования в качестве греющей и рабочей среды пара пониженного давления - вторичного пара, образующегося в сепараторе выпарного аппарата, что повышает экономичность осуществляемого процесса выпаривания.

Анализ научно-технической и патентной литературы не выявил описания устройств с заявляемой совокупностью отличительных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критериям "новизна" и "существенные отличия".

Прилагаемые чертежи на фиг.1-9 иллюстрируют принципиальные схемы потоков исходного раствора и пара в верхних растворных камерах аппарата-прототипа и заявляемого выпарного аппарата, а также конструкцию предлагаемого устройства. На фиг.1 приведена схема потоков исходного раствора и пара в верхней растворной камере выпарного аппарата-прототипа. На фиг.2 представлен общий вид заявляемого выпарного аппарата. На фиг.3 приведена схема движения потоков исходного раствора и пара в верхней растворной камере заявляемого аппарата. На фиг.4 показано размещение распределителя в верхней растворной камере заявляемого аппарата. Фиг.5 иллюстрирует гидродинамику потока исходного раствора, диспергированного форсункой и попадающего на распределитель в заявляемом аппарате. На фиг.6 представлена конструкция распределителя, выполненного из вертикально установленных пластин, а на фиг.7 - вид на этот распределитель сверху. На фиг.8 показан вариант конструкции заявляемого выпарного аппарата с конусной верхней растворной камерой. На фиг.9 приведена конструкция струйно-вихревой форсунки, использованной для оснащения заявляемого аппарата.

Заявляемый выпарной аппарат (фиг.2) содержит греющую камеру 1 с теплообменными трубками 2, закрепленными в трубных решетках 3 и 4. К греющей камере примыкают верхняя 5 и нижняя 6 растворные камеры. Выпарной аппарат включает также сепаратор 7 с патрубком 8 для вывода вторичного пара. В верхней растворной камере размещены форсунка 9 для исходного раствора, кожух 10, охватывающий факел распыла раствора, возникающий при работе форсунки, и патрубок 11 для подвода пара, сообщенный с внешним источником пара или с патрубком 8 для вывода вторичного пара из сепаратора. Кожух 10 размещен с зазором 12 относительно форсунки.

Выпарной аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор, направляемый на выпаривание, поступает в форсунку 9 и диспергируется ею. При этом в кожухе 10 образуется факел струй и капель раствора, направленный вниз. Достигая верхней трубной решетки, струи и капли раствора растекаются по ней, орошая верхние концы теплообменных трубок 2. При этом на внутренней поверхности трубок образуется пленка раствора, стекающая вниз. Для осуществления процесса выпаривания в межтрубное пространство камеры 1 подается свежий греющий пар.

Для подогрева исходного раствора и интенсификации теплопередачи в теплообменных трубках в верхнюю растворную камеру через патрубок 11 может быть подан пар из любого источника, однако наиболее экономичным вариантом является подача в камеру вторичного пара из того выпарного аппарата, в который направляется исходный раствор. Этот пар через зазор 12 непосредственно у форсунки подсасывается в факел струй и капель, создаваемый форсункой, и распределяется по сечению факела (фиг.3). Высокоскоростным потоком струй и капель раствора подсасываемый пар нагнетается в нижнюю часть кожуха, где давление его увеличивается и, соответственно, возрастает температура конденсации. Часть этого пара конденсируется на поверхности струй и капель и нагревает их. При повышении температуры пара температура раствора, поступающего сверху в теплообменные трубки 2, также увеличивается. Несконденсировавшийся пар повышенного давления устремляется в теплообменные трубки 2 и, проходя по ним с большой скоростью, ускоряет и турбулизирует пленку раствора, чем интенсифицирует теплопередачу и, следовательно, - процесс выпаривания. Концентрированный раствор стекает в нижнюю растворную камеру 6 и выводится из аппарата через патрубок в нижней части этой камеры. Образующийся вторичный пар в сепараторе 7 очищается от капель раствора, а затем через патрубок 8 удаляется из сепаратора. Часть этого пара поступает в верхнюю растворную камеру через патрубок 11.

При небольших расходах исходного раствора на выпаривание существует опасность неравномерного и неполного смачивания раствором внутренних стенок теплообменных трубок и тем самым выключения из работы части поверхности теплопередачи. В этом случае для увеличения равномерности орошения их на входе раствором целесообразно в нижней части кожуха 10 над верхней трубной решеткой установить распределитель раствора и пара 13, выполненный из металлических тонких стержней или из проволоки (сетку). Размещение распределителя 13 в верхней растворной камере (в кожухе) показано на фиг.4, а фиг.5 иллюстрирует гидродинамику потока исходного раствора, диспергированного форсункой, при ударе в прутья распределителя 13 и после распределителя на входе в теплообменные трубки 2. На фиг.5, выполненной по результатам высокоскоростной киносъемки, видно, что множество образующихся в распределителе мелких вторичных струй и капель обеспечивают более равномерное распределение раствора по поверхности трубной решетки и по поверхности теплообменных труб. При этом вследствие многократного увеличения поверхности контакта раствора с паром имеет место весьма значительная интенсификация теплопередачи от пара к раствору и повышение эффективности работы прямоконтактного подогревателя. Проведенные исследования показали, что работа заявляемого выпарного аппарата наиболее эффективна при сеточном распределителе 13, имеющем размеры ячеек в диапазоне значений от 3×3 до 8×8 мм. При меньших размерах ячеек распределитель создает повышенное сопротивление движению потоков раствора и пара, существенно понижающее нагнетательный эффект факела распыла, а при размерах ячеек сетки больше указанного значения образуются весьма крупные вторичные струи, которые не обеспечивают равномерности орошения поверхности теплообменных трубок. Таким образом, распределитель-сетка в заявляемом аппарате служит не только для выравнивания потока пара по сечению растворной камеры, но также для более равномерного распределения раствора и в качестве эффективного оросителя теплообменных трубок. Кроме того, заявляемое расположение распределителя в виде сетки позволяет интенсифициравать работу прямоконтактного подогревателя исходного раствора.

При малой высоте верхней растворной камеры, обусловливающей уменьшение угла падения струй раствора на трубную решетку, из-за механического воздействия струй происходит значительное перемещение части потока раствора по верхней трубной решетке от центра к периферии. В этом случае равномерное орошение теплообменных трубок достигается при использовании распределителя, выполненного в виде решетки из пластин 14 и 15, установленных вертикально. Конструкция такой решетки и потоки раствора в ней изображены на фиг.6 и фиг.7.

На фиг.8 приведен второй вариант конструкции заявляемого выпарного аппарата, выполненный в соответствии с п.2 формулы. Этот аппарат отличается от первого тем, что кожухом, охватывающим факел распыла форсунки, служат стенки верхней растворной камеры 5, имеющие соответствующую конусную конфигурацию. В верней части усеченного конуса, образованного стенками камеры, с зазором относительно верхнего края их размещена форсунка 9, которая также с зазором заключена в цилиндрическую камеру всасывания 16, имеющую верхнее днище и примыкающую нижними свободными краями стенок к верхним краям стенок конусной растворной камеры. В боковую стенку всасывающей камеры врезан патрубок 11 для подвода пара. Такое конструктивное исполнение верхней растворной камеры позволяет уменьшить габариты и металлоемкость аппарата, что дает существенное преимущество, особенно при создании аппаратов большой единичной производительности.

Сравнительные испытания нескольких конструкций промышленных форсунок для диспергипрования растворов показали, что в условиях работы заявляемого выпарного аппарата наибольшая степень нагнетания достигается при использовании струйно-вихревой форсунки с цилиндрическим вкладышем 17 (фиг.9). Это обусловлено тем, что при работе ее создается факел, имеющий более высокую скорость, чем при применении форсунок других конструкции, а достигаемая при этом степень диспергирования раствора обеспечивает оптимальное сочетание хорошо развитой поверхности жидкости в факеле с достаточно большой средней единичной массой капель, необходимой для сохранения на высоком уровне первоначальной энергии движения их в течение всего полета от форсунки до распределителя или до трубной решетки. На основании изложенных результатов исследований нами признано целесообразным использовать в заявляемом выпарном аппарате эту конструкцию жидкостной форсунки.

Таким образом, проведенный сопоставительный анализ заявляемых признаков с известными техническими решениями указывает на их несомненное преимущество и тем самым обосновывает целесообразность их реализации для достижения поставленной цели.

Изобретение может быть использовано для концентрирования растворов в химической промышленности и в глиноземном производстве. Выпарной аппарат с падающей пленкой содержит греющую камеру с вертикально установленными теплообменными трубками, закрепленными в верхней и нижней трубных решетках, верхнюю и нижнюю растворные камеры, форсунку для распыления исходного раствора, распределитель и патрубок для подвода пара, установленные в верхней растворной камере, а также сепаратор с патрубком для вывода вторичного пара. В верхней растворной камере ниже форсунки установлен кожух, охватывающий факел струй и капель (факел распыла), возникающий при работе форсунки, и размещенный с зазором относительно форсунки и примыкающий в нижней части к стенкам растворной камеры или к верхней трубной решетке. Кроме того, кожухом, охватывающим факел распыла, могут служить стенки растворной камеры, выполненные конусными, при этом в верхней части кожуха размещена камера всасывания, охватывающая форсунку, а патрубок подвода пара установлен в стенке камеры всасывания. Патрубок для подвода пара, установленный в верхней растворной камере или во всасывающей камере, может быть сообщен с патрубком для вывода пара из сепаратора. Распределитель может быть установлен под форсункой над верхней трубной решеткой. Изобретение позволяет повысить давление пара в нижней части факела, повысить температуру нагрева раствора перед поступлением в теплообменные трубки и интенсивность теплопередачи. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Выпарной аппарат с падающей пленкой, содержащий греющую камеру с вертикально установленными теплообменными трубками, закрепленными в верхней и нижней трубных решетках, верхнюю и нижнюю растворные камеры, примыкающие к трубным решеткам, форсунку для распыления исходного раствора и патрубок для подвода пара, установленные в верхней растворной камере, а также сепаратор с патрубком для вывода вторичного пара, отличающийся тем, что в верхней растворной камере ниже форсунки установлен кожух, охватывающий факел струй и капель (факел распыла), который возникает при работе форсунки, размещенный с зазором относительно форсунки и примыкающий в нижней части к стенкам растворной камеры или к верхней трубной решетке.2. Выпарной аппарат по п.1, отличающийся тем, что кожухом, охватывающим факел распыла, служат стенки растворной камеры, выполненные конусными, в верхней части кожуха размещена камера всасывания, охватывающая форсунку, а патрубок подвода пара установлен в стенке камеры всасывания.3. Выпарной аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что патрубок для подвода пара, установленный в верхней растворной камере или во всасывающей камере, сообщен с патрубком для вывода пара из сепаратора.4. Выпарной аппарат по п.1, отличающийся тем, что под форсункой над верхней трубной решеткой установлен распределитель.5. Выпарной аппарат по п.4, отличающийся тем, что распределитель выполнен в виде сетки с квадратными ячейками размером от 3×3 до 8×8 мм.6. Выпарной аппарат по п.1, отличающийся тем, что для оснащения аппарата использована струйно-вихревая форсунка с цилиндрическим вкладышем.7. Выпарной аппарат по п.4, отличающийся тем, что распределитель выполнен в виде решетки, состоящей из вертикально установленных пластин.