ВЫПАРНОЙ АППАРАТ Российский патент 2008 года по МПК B01D1/22 

Изобретение относится к выпарному оборудованию, используемому в химической промышленности, а также в опреснителях соленых вод, и может быть применено в других отраслях техники, где осуществляется концентрирование растворов.

Проведенные исследования и опыт промышленной эксплуатации показывают, что наиболее эффективными при осуществлении процесса выпаривания являются выпарные аппараты с падающей пленкой. Конструктивная простота и высокая интенсивность теплопередачи обусловливают меньшую металлоемкость этих аппаратов и более низкую стоимость их по сравнению с другими типами выпарных аппаратов.

При этом тепловая экономичность и эффективность работы выпарных установок с использованием выпарных аппаратов с падающей пленкой в значительной степени определяются полнотой нагрева исходного раствора, поступающего в аппарат на выпаривание, до температуры кипения или перегревом его выше этой температуры, а также затратами на процесс нагрева.

Известны выпарные установки (выпарные комплексы), в которых нагрев исходного раствора или продукта, подлежащего выпариванию в выпарных аппаратах с падающей пленкой, производится в отдельных кожухотрубных аппаратах-подогревателях, сообщающихся с выпарным аппаратом растворными и паровыми трубопроводами (см., например, книгу: Липатов Н.Н., Харитонов В.Д. "Сухое молоко". М., "Легкая и пищевая промышленность", 1981, стр.65, рис.16). Недостаток такого выпарного комплекса состоит в высокой металлоемкости и больших габаритах из-за раздельного размещения выпарных аппаратов и подогревателей, вследствие чего для таких комплексов требуются большие производственные площади.

Известен другой выпарной комплекс, включающий выпарной аппарат с падающей пленкой и подогреватель исходного раствора (А.с. СССР №856476, В01D 1/22, Пленочный опреснитель). Выпарной аппарат содержит вертикально установленные испарительные трубы, закрепленные в верхней и нижней трубных решетках. Над верхними концами испарительных труб установлены пленкообразующее устройство, выполненное в виде патрубков, вставленных сверху в испарительные трубы и жестко закрепленных в перфорированном диске, располагающемся над верхней трубной решеткой. Над этим пленкообразующим устройством установлен защитный раствороотводящий колпак, выше которого размещен теплообменник с горизонтальными теплообменными трубами, в которые через патрубок вводится греющий пар. Над горизонтальными теплообменными трубами располагается оросительное устройство с форсунками для орошения наружной поверхности этих труб и создания на ней пленки исходного раствора.

Этот известный выпарной комплекс работает следующим образом.

Исходный раствор (морская вода) поступает в ороситель, через сопла его разбрызгивается на горизонтальные трубы теплообменника и в виде тонкой пленки стекает сверху вниз по наружным поверхностям этих труб, затем попадает на защитный колпак и по желобам гофрированного колпака отводится на периферийную часть расположенного ниже пленкообразующего устройства - на перфорированный диск. Далее выпариваемый раствор вытекает через отверстия диска в слой раствора, образующийся на верхней трубной решетке, из которой, проходя через зазоры между вставками-патрубками и внутренними стенками испарительных труб, формируется в тонкие жидкостные пленки и стекает по трубам вниз. При этом происходит концентрирование раствора за счет тепла конденсации пара на наружной поверхности теплообменных труб. Образующийся вторичный пар выводится через патрубки-вставки вверх под колпак и далее в верхнюю часть корпуса на конденсацию. Концентрированный раствор с нижних концов испарительных труб стекает в нижнюю растворную камеру, из которой затем отводится из аппарата.

Преимущества известного выпарного комплекса обусловлены совмещением в одном агрегате (корпусе) основного элемента - выпарного аппарата с падающей пленкой и вспомогательного - подогревателя исходного раствора, а также использованием в качестве подогревателя пленочного теплообменника с горизонтальными нагревательными трубами. Такое совмещение позволяет сократить до минимума растворные и паровые коммуникации, уменьшить габариты и металлоемкость оборудования и в результате существенно снизить стоимость комплекса, а также уменьшить производственные площади, необходимые для его размещения.

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

Недостаток прототипа заключается в сложности конструкции устройства для распределения нагреваемого и выпариваемого раствора по поверхности теплопередачи выпарного аппарата и встроенного подогревателя и ненадежности его работы, обусловленной примененной схемой потоков раствора.

Действительно, сначала нагреваемый и выпариваемый раствор оросителем распределяется по поперечному сечению аппарата - по наружной поверхности труб теплообменника-подогревателя. Затем поток раствора, стекающий с теплообменных труб, при течении по гофрированному колпаку вновь соединяется, и компактные потоки, которые направляются на периферию поперечного сечения аппарата, но далее под колпаком с помощью распределительного диска вновь распределяется по поперечному сечению, чтобы затем, пройдя через отверстия диска, соединиться в виде слоя раствора на поверхности верхней трубной решетки, из которого, наконец, формируется пленочное течение на внутренней поверхности испарительных труб. Такое сложное возвратное движение нагреваемого и выпариваемого раствора обусловливает неустойчивую работу аппарата и возможность частого засорения шламом отверстий и щелей распределительного диска и пленкообразователей, т.е. снижает эффективность работы устройства, а используемые для организации такого движения конструктивные элементы усложняют конструкцию, утяжеляют аппарат и увеличивают его габариты.

Целью создания предлагаемого выпарного аппарата с падающей пленкой и с встроенным подогревателем является устранение указанных недостатков, т.е. упрощение конструкции этого комплекса и снижение затрат на изготовление с одновременным повышением эффективности и надежности работы аппарата, а также уменьшение габаритов и обеспечение возможности более компактного размещение его в производственном помещении.

Поставленная цель достигается тем, что в выпарном аппарате с падающей пленкой, содержащем вертикально установленные испарительные трубы, закрепленные в верхней и нижней трубных решетках, установленный над верхней трубной решеткой теплообменник-подогреватель с горизонтальными нагревательными трубами, скомпонованными в вертикальные ряды, и с патрубком подвода пара в трубы, а также сепаратор с патрубком вывода вторичного пара, согласно изобретению испарительные трубы скомпонованы в коридорный пучок с параллельными рядами труб в количестве n и с промежутками между рядами, а нагревательные трубы теплообменника-подогревателя скомпонованы в n+1 вертикальных рядов, размещенных с шагом S, равным интервалу между рядами испарительных труб, причем вертикальные проекции осей вертикальных рядов нагревательных труб на верхнюю трубную решетку смещены относительно рядов испарительных труб на половину интервала.

Ороситель может быть выполнен в виде перфорированной полки с бортами, отверстия в которой располагаются рядами по вертикальным проекциям осей нагревательных труб подогревателя.

Паровой патрубок подогревателя может быть сообщен с патрубком вывода вторичного пара из сепаратора аппарата.

Теплообменные трубы подогревателя могут быть установлены с наклоном в сторону движения пара по этим трубам. При этом угол наклона может составлять не менее 3°.

В подогревателе с наклонными нагревательными трубами на нижних трубах в каждом ряду в нижней части образующей выполнены выступы или на этих трубах установлены кольца, примыкающие к наружной поверхности.

Технический результат реализации предлагаемого аппарата заключается в том, что заявляемое относительное положение нагревательных труб подогревателя и верхних концов испарительных труб выпарного аппарата позволяют исключить необходимость в каком-либо специальном распределительном и пленкообразующем устройстве для испарительных труб и использовать гидродинамику потоков исходного раствора, первоначально распределенного по наружной поверхности нагревательных труб, для обеспечения эффективного орошения внутренней поверхности испарительных труб.

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

Конструкция предлагаемого выпарного аппарата с падающей пленкой и с встроенным подогревателем исходного раствора иллюстрируется следующими чертежами: на фиг.1 представлен общий вид аппарата, на фиг.2 - вид по А-А, как обозначено на фиг.1, более подробно показывающий относительное положение теплообменных труб - испарительных и нагревательных. На фиг.3 показано движение нагреваемого и выпариваемого раствора, стекающего с нагревательных труб 7 на верхнюю трубную решетку 13 и перетекающего затем в испарительные трубы 12, орошая их внутренние поверхности. На фиг.4 приведен вид по Б-Б, как обозначено на фиг.1, - вид на нагревательные 7 и испарительные 12 трубы сверху. На фиг.5 изображены нагревательные трубы, наклоненные в сторону движения пара по этим трубам и имеющие снизу выступы 15 для формирования постоянных (стабильных) струйных потоков раствора по длине нижних труб в каждом вертикальном ряду нагревательных труб, что обеспечивает устойчивость стекающих струй раствора и тем самым стабильное пленкообразование в испарительных трубах. На фиг.6 приведен другой вариант конструкции такого устройства - при помощи колец 16, закрепленных на трубах на наружной поверхности, и показаны стекающие стабильные струи раствора.

Выпарной аппарат (фиг.1) содержит греющую камеру 1 с испарительными трубами 12. К греющей камере примыкают верхняя растворная камера 2 и нижняя растворная камера 3. Выпарной аппарат включает также сепаратор 4 с патрубком 5 для вывода вторичного пара. В верхней растворной камере размещен подогреватель исходного раствора 6 с горизонтальными нагревательными трубами 7, скомпонованными в вертикальные ряды (фиг.2), снабженный патрубком 8 для подвода греющего пара, а также оросителем 9 для распределения потока исходного раствора по наружным поверхностям нагревательных труб 7. Испарительные трубы 12 выпарного аппарата закреплены в верхней 13 и в нижней 14 трубных решетках.

Выпарной аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор поступает в ороситель 9 и, пройдя отверстия в днище его, в виде струй вытекает на верхние нагревательные трубы в каждом вертикальном ряду. В каждом ряду раствор в виде пленки перетекает сверху вниз с трубы на трубу и нагревается паром, конденсирующимся внутри труб. Нагретый раствор с нижних труб всех рядов труб подогревателя стекает на верхнюю трубную решетку в промежутки между рядами гнезд, в которых закреплены верхние концы испарительных труб выпарного аппарата (фиг.3). Растекаясь по этим промежуткам раствор через края испарительных труб стекает на их внутренние поверхности, образуя пленки раствора. Стекая вниз пленки раствора частично испаряются и раствор концентрируется. Образующийся вторичный пар движется по трубам вниз и выходит в нижнюю камеру 3, а затем - в сепаратор 4, где освобождается от капель раствора. Чистый вторичный пар через патрубок 5 выводится из аппарата и через патрубок 8 попадает в нагревательные трубы 7 подогревателя 6 и конденсируется. Концентрированный раствор стекает с поверхности испарительных труб 12 в нижнюю растворную камеру 3 и через патрубок 10 выводится из аппарата, капли раствора, уловленные в сепараторе 4, удаляются через патрубок 11. Для осуществления процесса выпаривания в межтрубное пространство греющей камеры 1 подается греющий пар из внешнего источника. Образующийся конденсат выводится из нижней части греющей камеры.

Таким образом, распределение выпариваемого раствора по сечению верхней растворной камеры осуществляется только оросителем 9, установленным над нагревательными трубами подогревателя, а для формирования падающей пленки в испарительных трубах используется энергия потоков раствора, стекающих с нижних труб подогревателя: под действием скоростного напора эти струи растекаются в виде тонкого слоя по верхней трубной решетке между рядами гнезд крепления и испарительных труб и с торцов этих труб, расположенных вровень с поверхностью трубной решетки, переливаются через края, и, образуя тонкую пленку, стекают по внутренней поверхности вниз. При формировании падающей пленки раствор не проходит через отверстия или щели, которые в процессе работы аппарата на промышленных растворах могли бы засориться. Это обеспечивает надежную и устойчивую работу выпарного аппарата в течение длительного времени даже на растворах, содержащих взвеси.

В паровой патрубок и далее - в нагревательные трубы подогревателя может подаваться пар из любого источника, но обычно наиболее экономичным вариантом является подача в подогреватель вторичного пара из того выпарного аппарата, в который направляется исходный раствор.

В заявляемом выпарном аппарате предполагается использовать для орошения нагревательных труб наиболее простое устройство - перфорированную полку с бортами, которое обеспечивает надежную и эффективную работу аппарата, практически не увеличивая его металлоемкость и габариты.

Для ускорения вывода конденсата из нагревательных труб эти трубы могут быть наклонены в сторону движения пара (т.е. от концов труб, обращенных к патрубку подвода пара, к противоположному концу). При этом достаточно быстрое движение конденсата и полное удаление его при практически достижимой в производственных условиях точности установки подогревателя происходит при углах наклона 3° и более. Кроме ускорения вывода конденсата происходит также освобождение от конденсата части поверхности теплообменных труб в нижней части их, что способствует интенсификации теплопередачи и некоторому повышению эффективности работы подогревателя.

Для обеспечения равномерного стока нагреваемого раствора по длине нижних нагревательных труб в вертикальных рядах подогревателя на нижней части этих труб могут быть выполнены выступы 15 (фиг.5), размещенные с некоторым интервалом, или на трубе устанавливаются кольца 16, примыкающие к наружной поверхности, например - выполненные из проволоки (фиг.6). При этом расстояние между выступами или кольцами равно S, а место размещения их - середина интервала между рядами испарительных труб.

Таким образом, в предлагаемом выпарном аппарате, более простом по конструкции, более компактном, а также менее металлоемком, чем известные аппараты, обеспечивается более эффективная и продолжительная работа.

Изобретение может быть использовано для концентрирования растворов в химической промышленности, а также при опреснении соленых вод. Выпарной аппарат с падающей пленкой содержит вертикально установленные испарительные трубы, закрепленные в верхней и нижней трубных решетках, установленный над верхней трубной решеткой теплообменник-подогреватель с горизонтальными нагревательными трубами, скомпонованными в вертикальные ряды, с патрубком подвода пара в трубы, а также сепаратор. Новым в аппарате является то, что испарительные трубы скомпонованы в коридорный пучок с параллельными в количестве n рядами труб с промежутками между рядами, а нагревательные трубы подогревателя скомпонованы в n+1 вертикальных рядов, размещенных с шагом S, равным интервалу между рядами испарительных труб. При этом вертикальные проекции осей вертикальных рядов труб подогревателя на верхнюю трубную решетку смещены относительно рядов испарительных труб на половину интервала. Кроме того, ороситель может быть выполнен в виде перфорированной полки с бортами, отверстия в которой располагаются рядами по вертикальным проекциям осей нагревательных труб подогревателя. Паровой патрубок подогревателя может быть сообщен с патрубком вывода вторичного пара из сепаратора аппарата. Нагревательные трубы подогревателя могут быть установлены с наклоном в сторону движения пара по этим трубам. Причем угол наклона труб подогревателя составляет не менее 3°. На нижних нагревательных трубах каждого вертикального ряда их в подогревателе снизу могут быть выполнены выступы или на трубах установлены кольца, примыкающие к наружной поверхности этих труб. Изобретение обеспечивает эффективную и продолжительную работу аппарата, при этом упрощается его конструкция, обеспечивается компактность и меньшая металлоемкость. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Выпарной аппарат с падающей пленкой, содержащий вертикально установленные испарительные трубы, закрепленные в верхней и нижней трубных решетках, установленный над верхней трубной решеткой теплообменник-подогреватель с горизонтальными нагревательными трубами, скомпонованными в вертикальные ряды, с патрубком подвода пара в трубы, а также сепаратор, отличающийся тем, что испарительные трубы скомпонованы в коридорный пучок с параллельными рядами труб в количестве n и с промежутками между рядами, а нагревательные трубы теплообменника-подогревателя скомпонованы в n+1 вертикальных рядов, размещенных с шагом S, равным интервалу между рядами испарительных труб, причем вертикальные проекции осей вертикальных рядов труб подогревателя на верхнюю трубную решетку смещены относительно рядов испарительных труб на половину интервала.2. Выпарной аппарат по п.1, отличающийся тем, что ороситель выполнен в виде перфорированной полки с бортами, отверстия в которой располагаются рядами по вертикальным проекциям осей нагревательных труб подогревателя.3. Выпарной аппарат по п.1, отличающийся тем, что паровой патрубок подогревателя сообщен с патрубком вывода вторичного пара из сепаратора аппарата.4. Выпарной аппарат по п.1, отличающийся тем, что нагревательные трубы подогревателя установлены с наклоном в сторону движения пара по этим трубам.5. Выпарной аппарат по п.4, отличающийся тем, что угол наклона труб подогревателя составляет не менее 3°.6. Выпарной аппарат по п.4, отличающийся тем, что на нижних нагревательных трубах каждого вертикального ряда их в подогревателе на наружной поверхности снизу выполнены выступы или на этих трубах установлены кольца, примыкающие к поверхности.