RU2288018C1

RU2288018C1 - Evaporating apparatus

Info

Publication number: RU2288018C1
Application number: RU2005105467/15A
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Ермаков (RU); Сергей Анатольевич Ермаков
Original assignee: Сергей Анатольевич Ермаков
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2006-11-27
Also published as: RU2005105467A

Abstract

FIELD: chemical industry; devices for concentration of the solutions and suspensions with production of the process vapor.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to the field of chemical industry, in particular, to the chemical technology and may be used for concentration of the solutions and suspensions with production of the process vapor or for the low-temperature concentration of the solutions and suspensions in the rarefaction conditions with production of the pure condensate. The evaporating apparatus contains the vertical or the inclined body made out of the thermoplastic material, and has the honeycomb cellular structure. The body of the apparatus is made multisectional with a possibility of the sequential relocation of the being evaporated liquid from one section into another with multiple circulation of the liquid inside of each section. The evaporation is exercised at "slug" or the upward thin-film boiling of the liquid. The big number of the internal partitions ensures the developed specific surface area of the heat exchange and the high strength of the apparatus against the action of the external or internal pressure at the small thickness of the partitions. The invention allows to improve stability of the evaporating apparatus to the changes of the operation mode.

EFFECT: the invention ensures the improved stability of the evaporating apparatus to the changes of the operation mode and the developed specific surface area of the heat exchange.

7 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано для концентрирования растворов и суспензий с получением технологического пара либо для низкотемпературного концентрирования растворов и суспензий в условиях разрежения с получением чистого конденсата.The invention relates to the field of chemical technology and can be used to concentrate solutions and suspensions to obtain process steam or for low-temperature concentration of solutions and suspensions under vacuum to obtain pure condensate.

Известен выпарной аппарат, содержащий вертикальный корпус, разделенный внутренними продольными перегородками на пустотелые панели (ячейки), при этом панели, по которым происходит движение упариваемой жидкости, сообщаются друг с другом при помощи полостей, расположенных в верхней и нижней частях аппарата. Каждая из панелей, по которым происходит движение парожидкостной смеси, имеет общую стенку с ячейкой, по которой происходит движение греющего агента. Аппарат отличается простотой конструкции, имеет небольшие габариты и обеспечивает интенсификацию процесса выпаривания в условиях тонкопленочного кипения (Патент US 4156459 A, F 28 F 3/00, B 01 D 1/00, 29.05.1979, стр.1-8).Known evaporation apparatus containing a vertical casing, divided by internal longitudinal partitions into hollow panels (cells), while the panels along which the evaporated liquid moves, communicate with each other using cavities located in the upper and lower parts of the apparatus. Each of the panels along which the vapor-liquid mixture flows has a common wall with a cell along which the heating agent moves. The apparatus is simple in design, has small dimensions and provides an intensification of the evaporation process under conditions of thin-film boiling (Patent US 4156459 A, F 28 F 3/00, B 01 D 1/00, 05/29/1979, pp. 1-8).

Недостатком известного аппарата является высокая чувствительность к изменению режима работы. При малой скорости подачи раствора часть поверхности панелей не омывается жидкостью и практически не участвует в теплообмене; «оголенная» часть поверхности панелей при испарении на ней брызг жидкости покрывается накипью. При избыточной подаче раствора, на большей части поверхности панелей раствор только нагревается; соответственно уменьшается высота зоны кипения, где теплопередача интенсивнее; это приводит к снижению средней величины коэффициента теплопередачи, в результате чего раствор из аппарата выходит недостаточно концентрированным.A disadvantage of the known apparatus is its high sensitivity to a change in the operating mode. At a low solution feed rate, part of the surface of the panels is not washed by liquid and practically does not participate in heat transfer; The “bare” part of the surface of the panels during evaporation of a spray of liquid on it is covered with scale. With an excess supply of the solution, on most of the surface of the panels, the solution only heats up; accordingly, the height of the boiling zone decreases, where heat transfer is more intense; this leads to a decrease in the average value of the heat transfer coefficient, as a result of which the solution from the apparatus leaves insufficiently concentrated.

Целью изобретения является повышение устойчивости выпарного аппарата к изменению режима работы.The aim of the invention is to increase the stability of the evaporator to a change in operating mode.

Поставленная цель достигается тем, что выпарной аппарат выполнен многосекционным с возможностью как подачи парожидкостной смеси в следующую по ходу движения раствора секцию (режим перетока), так и возврата части упаренного раствора в исходную секцию (режим циркуляции).This goal is achieved by the fact that the evaporator is multi-sectional with the possibility of supplying a vapor-liquid mixture to the next section in the direction of the flow of the solution (overflow mode), and returning part of the stripped off solution to the original section (circulation mode).

Аппарат представляет собой вертикальный либо наклонный корпус, разделенный внутренними продольными перегородками на пустотелые призматические ячейки, по которым происходит движение упариваемой жидкости и греющего агента, при этом ячейки, по которым происходит движение упариваемой жидкости, сообщаются друг с другом при помощи полостей различной конфигурации, расположенных в верхней и нижней частях аппарата.The device is a vertical or inclined case, divided by internal longitudinal partitions into hollow prismatic cells along which the evaporated liquid and the heating agent move, while the cells along which the evaporated liquid moves are communicated with each other using cavities of various configurations located in upper and lower parts of the apparatus.

Каждая из ячеек, по которым происходит восходящее движение парожидкостной смеси, имеет хотя бы одну общую стенку с ячейкой, по которой происходит движение греющего агента, либо хотя бы одну стенку, обогреваемую иным способом.Each of the cells through which the upward movement of the vapor-liquid mixture occurs has at least one common wall with the cell along which the heating agent moves, or at least one wall that is heated in a different way.

Ячейки, по которым происходит нисходящее движение жидкости, имеют хотя бы одну общую стенку с ячейками, по которым происходит восходящее движение парожидкостной смеси.Cells along which the liquid flows downward have at least one common wall with cells along which the upward movement of the vapor-liquid mixture occurs.

Ячейка, по которой происходит восходящее движение парожидкостной смеси в режиме перетока из одной секции в следующую по ходу движения раствора секцию, сообщается с одной ячейкой, по которой происходит нисходящее движение жидкости, только в нижней части; а с другой ячейкой, по которой происходит нисходящее движение жидкости, только в верхней части, при этом данные соседние ячейки с нисходящим движением жидкости не сообщаются между собой в нижней части.The cell along which the upward movement of the vapor-liquid mixture occurs in the overflow mode from one section to the next section along the course of the solution flow, communicates with one cell along which the downward movement of the liquid occurs, only in the lower part; and with another cell along which the downward movement of the liquid occurs, only in the upper part, while these adjacent cells with the downward movement of the liquid are not communicated with each other in the lower part.

Ячейка, по которой происходит восходящее движение парожидкостной смеси в режиме циркуляции в пределах одной секции, свободно сообщается с ячейкой, по которой происходит нисходящее движение жидкости, как в верхней, так и в нижней части.The cell along which the upward movement of the vapor-liquid mixture occurs in the circulation mode within one section freely communicates with the cell along which the downward movement of the liquid occurs, both in the upper and lower parts.

Предпочтительно ячейка, по которой происходит нисходящее движение упариваемой жидкости, также имеет хотя бы одну общую стенку с ячейкой, по которой происходит движение греющего рабочего тела, либо хотя бы одну стенку, обогреваемую иным способом.Preferably, the cell along which the downward movement of the evaporated liquid occurs also has at least one common wall with the cell along which the heating working fluid moves, or at least one wall heated in a different way.

Обогреваемые ячейки, по которым происходит нисходящее движение упариваемой жидкости, имеют хотя бы по одному из параметров больший поперечный размер, чем ячейки, по которым происходит восходящее движение парожидкостной смеси.Heated cells along which the downward movement of the evaporated liquid occurs have at least one of the parameters a larger transverse dimension than cells along which the upward movement of the vapor-liquid mixture occurs.

Ячейки, по которым происходит движение греющего агента, сообщаются между собой и не сообщаются с ячейками, по которым происходит движение веществ другого состава или с другими параметрами.The cells along which the heating agent is moving communicate with each other and do not communicate with cells along which the movement of substances of a different composition or with other parameters occurs.

Перегородки между секциями в верхней части аппарата имеют проемы, через которые происходит перемещение вторичного пара из всех верхних полостей к выходному штуцеру аппарата.The partitions between the sections in the upper part of the apparatus have openings through which the secondary vapor from all the upper cavities moves to the outlet fitting of the apparatus.

В качестве конструкционного материала корпуса и перегородок аппарата предпочтительно применены термопластичные материалы.As the structural material of the housing and the walls of the apparatus, thermoplastic materials are preferably used.

Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.Using the claimed invention will allow to obtain the following technical result.

В зависимости от наличия и взаиморасположения перегородок в верхней и нижней зонах аппарата, выпарной аппарат может работать в прямоточном режиме, в режиме многократной циркуляции, а также в оптимальных сочетаниях прямоточного режима с режимом циркуляции, позволяющих производить выпаривание раствора с постепенно изменяющейся концентрацией в изменяющихся режимах, при этом выпаривание осуществляется при энергосберегающем тонкопленочном кипении.Depending on the presence and relative position of the partitions in the upper and lower zones of the apparatus, the evaporator can operate in direct-flow mode, in multiple circulation mode, as well as in optimal combinations of direct-flow mode with circulation mode, allowing evaporation of the solution with a gradually changing concentration in varying modes, while evaporation is carried out with energy-saving thin-film boiling.

Большое количество секций позволяет уменьшить поперечный размер ячеек вплоть до размера, при котором возникает "снарядный" режим кипения, при котором пузырьки пара перемещают вверх по ячейке отдельные неравномерные порции жидкости. Данный режим сходен с тонкопленочным кипением, однако в существующих односекционных аппаратах приводит к неустойчивому режиму работы выпарного аппарата. Наличие большого количества последовательных секций позволяет сгладить неустойчивость процесса выпаривания при "снарядном" режиме кипения упариваемой жидкости.A large number of sections makes it possible to reduce the transverse size of the cells up to the size at which a "shell" boiling mode occurs, in which vapor bubbles move individual uneven portions of liquid up the cell. This mode is similar to thin-film boiling, but in existing single-section devices it leads to an unstable mode of operation of the evaporator. The presence of a large number of consecutive sections makes it possible to smooth out the instability of the evaporation process in the "shell" mode of boiling the evaporated liquid.

Наличие большого количества перегородок (сотовая структура аппарата) позволяет достичь высокой прочности аппарата на воздействие внешнего или внутреннего давления, при малой толщине перегородок. Малая толщина перегородок позволяет достичь высоких значений теплопередачи через перегородки даже при применении в качестве конструкционного материала перегородок и корпуса аппарата материалов с низкой теплопроводностью, но с высокими технологическими, конструкционными и антикоррозионными характеристиками, например пластмасс. Большое количество перегородок при малом поперечном размере ячеек наряду с высокой механической прочностью позволяет достичь большой удельной поверхности теплообмена в выпарном аппарате.The presence of a large number of partitions (honeycomb structure of the apparatus) allows to achieve high strength of the apparatus on the influence of external or internal pressure, with a small thickness of the partitions. The small thickness of the partitions allows you to achieve high values of heat transfer through the partitions even when using partitions and the casing of the apparatus as materials for construction, materials with low thermal conductivity, but with high technological, structural and anti-corrosion characteristics, such as plastics. A large number of partitions with a small transverse cell size along with high mechanical strength allows to achieve a large specific heat transfer surface in the evaporator.

Аппарат может быть изготовлен из термопластичных металлов (например, из алюминия) или полимерных материалов (например, из поликарбоната) методом экструзии под давлением.The apparatus can be made of thermoplastic metals (for example, aluminum) or polymeric materials (for example, polycarbonate) by extrusion under pressure.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана работа варианта выпарной установки в режиме циркуляции упариваемой жидкости в пределах одной секции; на фиг.2 показан общий вид выпарной установки; на фиг.3, 4 показана работа вариантов выпарной установки в режиме перетока упариваемой жидкости из одной секции в другую; на фиг.1, 3 показан вариант конструкции выпарной установки с обогреваемыми ячейками, по которым происходит нисходящее движение упариваемой жидкости; на фиг.4 показан вариант конструкции выпарной установки с необогреваемыми ячейками, по которым происходит нисходящее движение упариваемой жидкости.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the operation of a variant of the evaporator in the mode of circulation of the evaporated liquid within one section; figure 2 shows a General view of the evaporator; figure 3, 4 shows the operation of the options evaporator in the mode of flow of the evaporated liquid from one section to another; figure 1, 3 shows a design variant of the evaporator with heated cells, along which there is a downward movement of the evaporated liquid; figure 4 shows a design variant of the evaporator with unheated cells, along which there is a downward movement of the evaporated liquid.

Конструкция установки состоит из вертикального или наклонного корпуса 1, внутри которого расположены пустотелые призматические ячейки 2, по которым происходит движение греющего агента, пустотелые призматические ячейки 3, по которым происходит восходящее движение упариваемой жидкости в режиме циркуляции, пустотелые призматические ячейки 4, по которым происходит восходящее движение упариваемой жидкости в режиме перетока, и пустотелые призматические ячейки 5, по которым происходит нисходящее движение упариваемой жидкости.The design of the installation consists of a vertical or inclined housing 1, inside of which there are hollow prismatic cells 2, along which the heating agent moves, hollow prismatic cells 3, along which the upward movement of the evaporated liquid occurs in circulation mode, hollow prismatic cells 4, along which the ascending the movement of the evaporated liquid in the overflow mode, and hollow prismatic cells 5, along which the downward movement of the evaporated liquid occurs.

Работа установки осуществлена следующим образом. Упариваемая жидкость 6 поступает в нижнюю полость первой по ходу движения секции аппарата и распределяется по ячейкам 3, 4 и 5.The installation is carried out as follows. The evaporated liquid 6 enters the lower cavity of the first section of the apparatus along the direction of movement and is distributed in cells 3, 4 and 5.

В ячейки 2 подается греющий агент (первичный пар) 9. Подача греющего агента осуществляется в верхней зоне аппарата в полость, объединяющую все греющие ячейки 2. Из полости в нижней зоне аппарата, также объединяющей все ячейки 2, осуществляется отвод отработанного греющего агента (конденсата) 10. При необходимости совокупность греющих ячеек 2 может быть разделена на несколько секций, в каждую из которых может подаваться греющий агент с индивидуальными технологическими параметрами.The heating agent (primary steam) 9 is supplied to cells 2. The heating agent is supplied in the upper zone of the apparatus to the cavity uniting all the heating cells 2. From the cavity in the lower zone of the apparatus, which also combines all cells 2, the spent heating agent (condensate) is discharged 10. If necessary, the set of heating cells 2 can be divided into several sections, in each of which a heating agent with individual technological parameters can be supplied.

Теплота от греющего агента 9 через стенки перегородок передается жидкости 6, которая под действием полученной теплоты вскипает. Образующийся пар поднимается по ячейкам 3, 4 и 5 в верхнюю зону аппарата.The heat from the heating agent 9 through the walls of the partitions is transferred to the liquid 6, which boils under the action of the received heat. The resulting vapor rises through cells 3, 4 and 5 to the upper zone of the apparatus.

Ячейки 3 и 4 имеют малый поперечный размер, поэтому образующийся пар за счет высокой скорости перемещения увлекает за собой жидкость в виде тонкой пленки (вспенивание) или отдельных порций (снарядный режим кипения), которые перемещаются вместе с паром вверх по ячейке, попутно смачивая ее стенки. При смачивании нагретой стенки, за которой расположена греющая ячейка 2, происходит дополнительное упаривание жидкости. В верхней части ячеек парожидкостная смесь попадает в верхнюю полость этой же секции (режим циркуляции) или следующей по ходу движения секции (режим перетока). В верхней полости парожидкостная смесь разделяется на пар и жидкость. Образовавшийся вторичный пар 8 удаляется из аппарата, а частично упаренная жидкость по ячейкам 5 стекает в нижнюю зону аппарата. При своем движении вниз жидкость смачивает стенки ячейки 5.Cells 3 and 4 have a small transverse size, so the resulting vapor, due to the high speed of movement, entrains the liquid in the form of a thin film (foaming) or individual portions (shell boiling mode), which move together with the steam up the cell, simultaneously wetting its walls . When wetting the heated wall, behind which the heating cell 2 is located, additional evaporation of the liquid occurs. In the upper part of the cells, the vapor-liquid mixture enters the upper cavity of the same section (circulation mode) or the next section in the direction of flow (overflow mode). In the upper cavity, the vapor-liquid mixture is divided into steam and liquid. The resulting secondary steam 8 is removed from the apparatus, and partially evaporated liquid flows through the cells 5 into the lower zone of the apparatus. When it moves down, the liquid wets the walls of the cell 5.

Ячейки 5 имеют больший поперечный размер, и несмотря на то, что в них также происходит восходящее движение образующегося вторичного пара, мощности парового потока не хватает на перемещение жидкости вверх по ячейке. Поэтому жидкость, поступающая в ячейки 5 из верхней полости, и вторичный пар, образующийся в ячейках 5, перемещаются противотоком. Так как стенки ячеек 5 смачиваются поступающей сверху жидкостью, происходит дополнительное упаривание стекающей жидкости на нагретых стенках, за которыми расположены греющие ячейки 2.Cells 5 have a larger transverse size, and despite the fact that an upward movement of the generated secondary steam also occurs in them, the steam flow power is not enough to move the liquid up the cell. Therefore, the fluid entering the cells 5 from the upper cavity, and the secondary vapor generated in the cells 5 are moved countercurrently. Since the walls of the cells 5 are wetted by the liquid coming from above, additional evaporation of the flowing liquid takes place on the heated walls, behind which the heating cells 2 are located.

Количество и размер последовательных секций в аппарате определяется количеством и расположением перегородок в верхней и нижней зонах аппарата (смотри фиг.3, 4, разрезы А-А и С-С). В зависимости от выбранного размера секций варьируется количество ячеек 3, в которых происходит упаривание жидкости в режиме циркуляции.The number and size of consecutive sections in the apparatus is determined by the number and arrangement of partitions in the upper and lower zones of the apparatus (see FIGS. 3, 4, sections A-A and C-C). Depending on the selected size of the sections, the number of cells 3 in which the evaporation of the liquid in the circulation mode varies.

Переток частично упаренной жидкости из одной секции в другую осуществляется следующим образом. Жидкость поступает из нижней полости одной секции в ячейку 4, в виде парожидкостной смеси поднимается по ячейке 4 в верхнюю часть аппарата и по ячейке 5 стекает в нижнюю полость следующей секции. Так, последовательно перетекая из секции в секцию, в каждой из которых происходит частичное упаривание жидкости в режиме циркуляции, раствор перемещается из одного края аппарата в другой. Из последней секции упаренная жидкость 7 удаляется из аппарата.The overflow of partially evaporated liquid from one section to another is carried out as follows. The liquid enters from the lower cavity of one section into cell 4, in the form of a vapor-liquid mixture rises through cell 4 to the upper part of the apparatus and flows through cell 5 into the lower cavity of the next section. So, sequentially flowing from section to section, in each of which partial evaporation of liquid occurs in the circulation mode, the solution moves from one edge of the apparatus to the other. One stripped off liquid 7 is removed from the apparatus from the last section.

Для обеспечения возможности дренажа упариваемой жидкости из внутренних секций аппарата, перегородки между секциями предпочтительно имеют в нижней части небольшие отверстия или зазоры, через которые происходит частичный переток жидкости из одной секции в другую. Размер отверстий подбирается таким образом, чтобы величина перетока жидкости через эти отверстия при штатной работе выпарной установки составляла небольшую долю от величины перетока жидкости, обеспечиваемой ячейками 4.To allow drainage of the evaporated liquid from the internal sections of the apparatus, the partitions between the sections preferably have small openings or gaps in the lower part through which partial flow of liquid from one section to another takes place. The size of the holes is selected so that the amount of fluid flow through these holes during normal operation of the evaporator is a small fraction of the amount of fluid flow provided by cells 4.

Перегородки между секциями в верхней части аппарата также имеют проемы для свободного перемещения вторичного пара из всех верхних полостей к выходному штуцеру аппарата.The partitions between the sections in the upper part of the apparatus also have openings for the free movement of the secondary vapor from all the upper cavities to the outlet fitting of the apparatus.

Claims

1. Evaporator, containing a vertical or inclined body, divided by internal longitudinal partitions into hollow prismatic cells along which the evaporated liquid or heating agent moves, the cells along which the evaporated liquid moves, communicate with each other using cavities located in the upper and / or the lower parts of the apparatus, each of the cells along which the upward movement of the vapor-liquid mixture occurs has at least one common wall with the cell along which it moves a heating agent, or at least one wall heated in another way, characterized in that the cells along which the liquid flows downward have at least one common wall with the cells along which the vapor-liquid mixture moves upward, at least one of the cells along which the upward movement of the vapor-liquid mixture occurs, it communicates with one cell along which the downward movement of the liquid occurs, only in the lower part, and with another cell along which the downward movement of the liquid occurs, only in the upper part STI, the adjacent data cell with a downward motion of the fluid is not communicated with each other at the bottom.

2. The evaporator apparatus according to claim 1, characterized in that the remaining cells along which the upward movement of the vapor-liquid mixture occurs are communicated with the neighboring cell along which the downward movement of the liquid occurs, through cavities located both in the upper and lower parts of the apparatus .

3. The evaporator apparatus according to claim 1, characterized in that the cells along which the upward movement of the evaporated liquid occurs, have at least one of the parameters a larger transverse dimension than the cells along which the upward movement of the vapor-liquid mixture occurs.

4. The evaporator according to claim 3, characterized in that the cell along which the downward movement of the evaporated liquid occurs has at least one common wall with the cell along which the heating agent is moving, or at least one wall heated in a different way.

5. The evaporator apparatus according to claim 1, characterized in that the cells along which the heating agent moves are communicated with each other and not communicated with cells along which the movement of substances of a different composition or with other parameters occurs.

6. The evaporator apparatus according to claim 1, characterized in that the partitions between the sections in the upper part of the apparatus have openings through which the secondary vapor from all the upper cavities moves to the outlet fitting of the apparatus.

7. The evaporator apparatus according to claim 1, characterized in that a thermoplastic material is used as the structural material of the apparatus.