ТРУБА ВСКИПАНИЯ ВЫПАРНОГО АППАРАТА Российский патент 2010 года по МПК B01D1/00 C23F13/00 

Изобретение относится к выпарной технике и может быть использовано в химической, металлургической, энергетической и пищевой отрасли промышленности для выпаривания коррозионно-активных растворов.

Одна из важнейших проблем, возникающих при выпаривании коррозионно-активных растворов, состоит в быстром выходе из строя участков циркуляционного контура выпарных аппаратов в результате их коррозионно-эрозионного износа под воздействием кипящих растворов. Таким участком, в частности, является труба вскипания выпарных аппаратов. При этом особенно сильному износу подвержено колено трубы вскипания, применяемое в выпарных аппаратах с вынесенной греющей камерой. В этих аппаратах вышедший из греющей камеры нагретый раствор поступает в вертикальный участок трубы, где происходит его вскипание с выделением пузырьков пара. Далее парожидкостный поток со значительной скоростью через колено переходит в горизонтальный участок трубы вскипания и сепаратор, где пар отделяется от раствора. Причем парожидкостный поток за счет наличия в нем пара имеет значительную скорость. Это ведет не только к коррозионному, но и эрозионному износу материала трубы вскипания, который является наиболее сильным в поворотном колене. В результате коррозионного и эрозионного износа труба вскипания выходит из строя, что требует дополнительных капитальных затрат для ее замены.

Известно устройство трубы вскипания выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой, состоящее из вертикального и горизонтального участков и колена с углом поворота 90 градусов (Перцев Л.П., Ковалев Е.М., Фокин B.C. Трубчатые выпарные аппараты для кристаллизующихся растворов. - М.: Машиностроение, 1982, с.23, рис.10).

Недостатком известной конструкции трубы вскипания является повышенный износ и быстрый выход из строя колена при выпаривании коррозионно-активных растворов, обусловленный усиленным коррозионно-эрозионным воздействием парожидкостного потока на металл колена. При этом наиболее сильному износу подвержена внутренняя поверхность стенки по большому радиусу колена.

Известно устройство для протекторной защиты внутренних поверхностей труб и их соединений от коррозии (см. авт. свид. СССР №168579, МПК С23F 13/00, 1965).

Особенностью устройства является то, что внутри муфтового соединения труб установлен кольцевой протектор, выполненный из металла с электродным потенциалом отрицательным относительно металла труб. При этом используется один из электрохимических методов защиты металла - протекторная защита, когда коррозии в первую очередь подвергается более электроотрицательный материал протектора, а основной металл труб и их соединений сохраняется.

Таким образом, можно снизить коррозионное воздействие упариваемого раствора на материал трубы вскипания. Кольцевой протектор из более электроотрицательного металла, чем металл труб, при прохождении раствора выполняет роль анода в возникающем гальваническом элементе. При этом проходящая более интенсивно коррозия протектора ослабляет коррозию металла труб.

Недостаток известного устройства состоит в недостаточной коррозионной стойкости металла трубы вскипания выпарного аппарата вследствие эрозионного воздействия парожидкостного потока. Высокая скорость парожидкостного потока кипящего раствора вызывает значительный износ металла трубы и уменьшает его коррозионную стойкость.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению относится известное устройство трубы вскипания выпарного аппарата по авт. свид. СССР №710558, МПК В01D 1/10, В01D 9/02, 1980 (это устройство принято за прототип).

Известная труба вскипания выпарного аппарата содержит вертикальный и горизонтальный участки, колено с углом поворота 90 градусов и средство для упорядочивания и регулирования потока, выполненное в виде дроссельной заслонки и установленной на горизонтальном участке трубы.

За счет средства для упорядочивания и регулирования потока можно изменять расход циркулирующего в аппарате раствора и, следовательно, содержание пара в парожидкостной смеси в трубе вскипания. Тем самым уменьшается эрозионное воздействие парожидкостного потока на колено трубы вскипания и увеличивается ее коррозионная стойкость и срок службы.

Недостаток известной трубы вскипания выпарного аппарата состоит в значительном гидравлическом сопротивлении из-за наличия дроссельной заслонки. Вследствие этого снижается производительность выпарного аппарата.

Другим недостатком известной трубы вскипания является недостаточная коррозионная стойкость дроссельной заслонки, регулирующей расход парожидкостного потока. Эта заслонка находится под воздействием кипящей парожидкостной смеси, что ведет к ее повышенному эрозионному и коррозионному износу.

Предложенное устройство направлено на решение задачи исключения локальных зон коррозионно-эрозионного разрушения стенок трубы вскипания за счет рационального изменения гидродинамической структуры потока раствора в сочетании с их электрохимической защитой.

Для достижения технического результата в трубе вскипания выпарного аппарата, содержащей колено, примыкающие к нему вертикальный и горизонтальный участки и средство для упорядочивания движения упаренного раствора в канале трубы, согласно изобретению средство для упорядочивания движения упаренного раствора выполнено в виде колена, установленного концентрично в канале колена трубы и закрепленного на стенках колена трубы посредством радиальных ребер с образованием отдельных кольцевых секторов, при этом колено трубы и колено средства для упорядочивания движения упаренного раствора выполнены из металла, электродный потенциал которого положительный относительно металла горизонтального и вертикального участков трубы вскипания, а внутри вертикального и горизонтального участков трубы вскипания смонтированы концентрично кольцевые протекторы, при этом кольцевые протекторы выполнены из металла с электродным потенциалом отрицательным относительно металла обоих колен.

Кроме того, в трубе вскипания выпарного аппарата площадь проходного сечения колена средства для упорядочивания движения упаренного раствора равна 0,4-0,6 площади проходного сечения колена трубы вскипания, а собственно средство для упорядочивания движения упаренного раствора колена трубы вскипания может содержать два или более колен, концентрично смонтированных друг в друге и закрепленных соответственно посредством радиальных ребер. При этом радиальные ребра могут быть выполнены из металла электроотрицательного по отношению к металлу колена.

Из анализа научно-технической и патентной информации заявляемой совокупности признаков в этой области техники не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Пример конкретного выполнения трубы вскипания выпарного аппарата иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен общий вид устройства в разрезе, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, на фиг.3 - вариант исполнения устройства в разрезе, на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.3.

Заявленная труба вскипания выпарного аппарата содержит крутоизогнутое колено 1 с углом поворота 90 градусов, примыкающие к колену вертикальный 2 и горизонтальный 3 участки и средство для упорядочивания движения упаренного раствора 4, выполненное в виде колена 5 меньшего диаметра из того же металла, что и колено трубы 1. Колено 5 концентрично размещено в колене 1, закреплено на стенках колена трубы 1 посредством радиальных ребер 6. Внутри вертикального 2 и горизонтального 3 участков трубы вскипания концентрично установлены соответственно кольцевые протекторы 7 и 8, выполненные из металла электроотрицательного по отношению к металлу колена 1. Предложенная труба вскипания соединена с греющей камерой 9 и сепаратором 10 в циркуляционный контур выпарного аппарата.

Площадь проходного сечения колена 5 равна 0,4-0,6 площади проходного сечения колена 1. Кроме того, в полости колена 5 может быть размещено колено 11, закрепленное радиально расположенными ребрами 12 (см. фиг.3, 4). При этом радиальные ребра 12 выполнены из металла электроотрицательного по отношению к металлу колена 5.

Далее рассмотрим подробно необходимость и достаточность для достижения технического результата как каждого из отличительных признаков заявляемого технического решения, так и всей их совокупности.

Так, выполнение средства для упорядочивания движения упаренного раствора в виде расположенного внутри колена 1 колена 5 дает возможность значительно снизить лобовой удар парожидкостного потока во внешнюю стенку колена 1 и завихрение потока у его внутренней стенки. В результате в колене 1 снижается эрозионный износ стенок и соответственно коррозионное воздействие парожидкостного потока на металл трубы.

Колено 5, размещенное внутри колена 1, совместно с радиальными ребрами 6 образуют кольцевые секторы 13, в которых общий парожидкостный поток разбивается на несколько слоев и, благодаря этому, упорядочивается, снижая завихрения потока и лобовые удары в полости трубы вскипания. При этом уменьшается эрозионное воздействие парожидкостного потока на колено и снижаются потери напора в нем. В результате уменьшается гидравлическое сопротивление трубы вскипания, благодаря чему увеличивается скорость циркуляции раствора в выпарном аппарате и его производительность.

Такой же цели служит концентричное размещение внутри колена 5 двух или более колен меньшего диаметра 11. Эти колена крепятся к наружным при помощи радиально расположенных ребер 12 с образованием соответственно кольцевых секторов 14. Колена меньшего диаметра также разбивают общий парожидкостный поток на слои, еще более снижая в них завихрения и лобовые удары. Этому же способствуют радиально расположенные ребра, крепящие внутренние колена к наружным. В результате снижается эрозионное и коррозионное воздействие потока на трубу вскипания.

Для достижения наибольшего эффекта площадь проходного сечения встроенного колена должна быть равна 0,4-0,6 площади проходного сечения наружного. Превышение верхней границы отмеченного соотношения вызывает трудности с размещением встроенного колена в наружном. Снижение соотношения площадей сечений ниже нижней границы приведет к значительному уменьшению эффективности применения встроенного колена. Применение в заявленном техническом решении встроенных колен 5, 11 в колене 1, изготовленных из более электроположительного металла, и размещение внутри примыкающих к колену вертикального 2 и горизонтального 3 участков трубы кольцевых протекторов 7 и 8, выполненных из электроотрицательного металла, позволяет создать контактный электрохимический элемент. При этом электролитом служит раствор. В результате имеет место усиленная коррозия металла с более электроотрицательным потенциалом, т.е. протектора, а коррозия металла с более электроположительным потенциалом замедляется. Таким образом осуществляется протекторная защита колена и других указанных выше элементов трубы вскипания.

Для стальных труб протекторы могут быть изготовлены из более активных металлов или сплавов, например из магния, цинка, алюминия. В случае применения колена и внутренних колен, изготовленных из нержавеющей стали, протекторы могут быть подобраны из углеродистой стали, как более электроотрицательной. При этом материал протектора подбирается исходя из коррозионных свойств раствора, а также из условий применения трубы вскипания в выпарном аппарате.

Роль протектора играют также радиальные ребра крепления встроенных колен к наружным. Эти ребра, выполненные из металла электроотрицательного по отношению к металлу колена, подвергаясь усиленной коррозии, предохраняют сами колена.

Наряду с изложенным, необходимо отметить, что кольцевые протекторы 7 и 8, установленные внутри вертикального 1 и горизонтального 2 участков трубы вскипания, могут защищать эти участки и от эрозии. При этом будет снижен и коррозионный износ вертикального и горизонтального участков трубы вскипания.

В результате заявленная совокупность признаков предлагаемого технического решения позволяет обеспечить протекторную защиту металла трубы вскипания и снизить эрозионный износ ее основных элементов за счет создания направленного упорядоченного движения парожидкостного потока. Благодаря этому увеличивается коррозионная стойкость металла и удлиняется срок службы трубы вскипания.

Устройство работает следующим образом.

Раствор из греющей камеры 9, где подогревается без парообразования, поднимается в полость вертикального участка 2 трубы вскипания. Здесь происходит вскипание раствора и переход к развитому кипению с образованием двухфазной системы вторичный пар - упаренный раствор в виде парожидкостной смеси. При этом за счет образования пара, скорость потока значительно возрастает. Движение потока в колене 1 сопровождается его делением на части в каналах, образованных встроенным коленом 5 и радиальными ребрами 6. За счет деления потока на части снижаются завихрения потока в каждом канале, что ведет к снижению эрозионного и коррозионного воздействия на металл. Кроме того, благодаря этому уменьшается сила лобового удара парожидкостного потока во внешнюю стенку колена 1.

На горизонтальном участке 3 все части общего потока выходят из отдельных каналов колена 1, 5 и 11 и соединяются в общий поток, который входит в полость сепаратора 10, где происходит удаление пара из упаренного раствора. В момент подачи в трубу раствор, обладающий электропроводными свойствами, вступая в соприкосновение с деталями конструкции трубы, имеющими разный электродный потенциал, замыкает контур с образованием гальванического элемента. При этом более электроотрицательные радиальные ребра и кольцевые протекторы подвергаются электрохимической коррозии в первую очередь, защищая, таким образом, основной, наиболее уязвимый для коррозии, элемент трубы вскипания - колено 1. В результате установки в колене 1 колен 5 и 11 с ребрами 6 и 12 на повороте из вертикального в горизонтальный участок трубы снижается завихрение потока, что ведет к снижению и эрозионного износа колена и увеличивает его коррозионную стойкость.

На основе испытаний трубы вскипания выпарного аппарата в предложенном исполнении, показавших эффективную работу со снижением коррозионно-эрозионного износа металла основных элементов трубы вскипания, срок ее службы может быть увеличен в полтора раза.

Изобретение относится к выпарной технике и может быть использовано в химической, металлургической, энергетической и пищевой промышленности для выпаривания коррозионно-активных растворов. Труба вскипания (ТВ) содержит крутоизогнутое колено 1 с примыкающими к нему вертикальным 2 и горизонтальным 3 участками и средство для упорядочивания (СУ) 4 движения упаренного раствора. Встроенное в полость колена 1 СУ 4 выполнено в виде концентрично установленного колена 5, закрепленного на стенках колена 1 радиальными ребрами (РР) 6. В полости вертикального и горизонтального участков ТВ смонтированы концентрично кольцевые протекторы (КП) 7 и 8. КП и РР выполнены из металла с электродным потенциалом отрицательным относительно металла колен 1 и 5. Изобретение позволяет снизить коррозионно-эрозионный износ основных элементов ТВ за счет изменения гидродинамической структуры потока раствора в сочетании с их электрохимической/протекторной защитой. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Труба вскипания выпарного аппарата, содержащая колено, примыкающие к нему вертикальный и горизонтальный участки и средство для упорядочивания движения упаренного раствора в канале трубы, отличающаяся тем, что средство для упорядочивания движения упаренного раствора выполнено в виде колена, установленного концентрично в канале колена трубы и закрепленного на стенках колена трубы посредством радиальных ребер с образованием отдельных кольцевых секторов, при этом колено трубы и колено средства для упорядочивания движения упаренного раствора выполнены из металла, электродный потенциал которого положительный относительно металла горизонтального и вертикального участков трубы вскипания, а внутри вертикального и горизонтального участков трубы вскипания смонтированы концентрично кольцевые протекторы, при этом кольцевые протекторы выполнены из металла с электродным потенциалом, отрицательным относительно металла обоих колен.

2. Труба вскипания выпарного аппарата по п.1, отличающаяся тем, что площадь проходного сечения колена средства для упорядочивания движения упаренного раствора равна 0,4-0,6 площади проходного сечения колена трубы вскипания.

3. Труба вскипания выпарного аппарата по п.1, отличающаяся тем, что средство для упорядочивания движения упаренного раствора колена трубы вскипания содержит два или более колен, концентрично смонтированных друг в друге и закрепленных соответственно посредством радиальных ребер.

4. Труба вскипания выпарного аппарата по п.1, отличающаяся тем, что радиальные ребра выполнены из металла, электроотрицательного по отношению к металлу каждого колена.