CS272588B1

CS272588B1 - Device for solutions and suspensions thickening

Info

Publication number: CS272588B1
Application number: CS460588A
Authority: CS
Inventors: Jan Ing Matulka; Josef Ing Frank
Original assignee: Jan Ing Matulka; Josef Ing Frank
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1988-06-29
Publication date: 1991-02-12
Also published as: CS460588A1

Abstract

The solution concerns the device for thickening of solutions and suspensions or of mixtures of both types of substances with one or more process stages, where evaporating unit with confluent film is a part of each process stage, and where the processed substance is partially recirculated into boiler (18) of the evaporating unit through circulation piping (17). In order to prevent decrease of evaporative capacity of the process stage and uneven distribution of the processed substance on the heat-exchanging surfaces of the boiler (18) as a result of subcooling of the recirculated part below the boiling point, in the circulation piping (17) or directly in the working part of the boiler (18) there is a heater (6) of the processed substance. The device can be used primarily there, where the processed substances have changeable input concentration or where high concentration degree of the product is required.<IMAGE>

Description

Vynález se týká zařízení pro zahušťování roztoků a suspenzí, popřípadě směsí obou druhů látek, zejména látek s proměnnou vstupní koncentrací nebo s vysokým stupněm jejich zahuštění.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a device for concentrating solutions and suspensions or mixtures of both kinds of substances, in particular substances with variable initial concentration or with a high degree of their concentration.

Pro zahušťování látek s proměnnou vstupní koncentrací nebo s vysokým stupněm zahuštění se používají většinou trubkové cirkulační odparky nebo filmové rotorové odparky. Filmové rotorové odparky jsou zařízení investičně a provozně velmi nákladná s nízkými výkonovými parametry. Jsou používány pro nejobtížnější provozní aplikace, kde nelze použít trubkové odparky a nebo při zpracování produktu s vysokou jednotkovou cenou. Proto většinu aplikací tvoří jednostupnové nebo vícestupňové odpařovací stanice s trubkovými odparkami s převážným použitím cirkulačních trubkových odparek s přirozenou, nebo většinou nucenou cirkulací roztoku v pracovním stupni.For thickening of substances with variable inlet concentration or with a high degree of concentration, mostly tubular circulation evaporators or film rotor evaporators are used. Film rotor evaporators are very expensive to invest and operate with low power parameters. They are used for the most difficult operating applications where tube evaporators cannot be used or when processing a product with a high unit price. Therefore, most applications are single-stage or multi-stage tube evaporators with the predominant use of circulating tube evaporators with natural or mostly forced circulation of the solution in the process stage.

Použití trubkových cirkulačních odparek pro zahušťování roztoků nebo suspenzí s proměnnou vstupní koncentrací nebo vysokým stupněm jejich zahuštění přináší sebou nevýhody, které jsou dány vlastnostmi tohoto typu odparek, a .které se projevují zejména při zpracování termolabilních látek. Cirkulační odparky pracují s velkým objemem kapaliny v aparátech, tedy s velkou dobou zdržení kapaliny, což v kombinaci s pracovními'teplotami přináší degradaci zahušťovaných látek, která je úměrná součinu doby zdržení a výšky pracovní teploty. Velký objem kapaliny v aparátech znamená dlouhou dobu náběhu odpařovacích stanic na požadované výstupní parametry produktu, řádově několik hodin, a představuje vážné provozní problémy při cyklickém provozu s nutností čištění teplosměnných ploch odparek od vznikajících inkrustací. Hydrostatický tlak sloupce kapaliny v pracovní trubce odparky zvyšuje pracovní teplotu kapaliny a nebezpečí degradace produktu. Představuje také ztráty na celkovém pracov ním teplotním spádu odpařovací stanice, který je k dispozici pro stavbu vícestupňových odpařovacích stanic pro zlepšení ekonomie provozu. Cirkulační odparky s nucenou cirkulací roztoku mají mimoto vysoké nároky na spotřebu elektrické energie pro cirkulační čerpadla a speciální požadavky na čerpací techniko.The use of tubular evaporators for the thickening of solutions or suspensions with varying inlet concentration or a high degree of concentration thereof entails disadvantages due to the properties of this type of evaporators, which are particularly evident in the processing of thermolabile substances. The circulation evaporators operate with a large volume of liquid in the apparatus, i.e. with a high liquid residence time, which in combination with working temperatures results in degradation of the thickened substances, which is proportional to the product of the residence time and the working temperature height. The large volume of liquid in the apparatus means a long rise time of the evaporation stations to the desired product output parameters, in the order of several hours, and presents serious operational problems in cyclic operation with the need to clean the evaporator heat transfer surfaces from incrustations. The hydrostatic pressure of the liquid column in the evaporator working tube increases the working temperature of the liquid and the risk of product degradation. It also represents losses on the overall working temperature gradient of the evaporation station, which is available for the construction of multi-stage evaporation stations to improve operation economics. Circulation evaporators with forced circulation of the solution also have high energy consumption for circulation pumps and special requirements for pumping technology.

Nevýhody trubkových cirkulačních odparek, které jsou na závadu jejich používání pro zahušťování roztoků s proměnnou vstupní koncentrací nebo vysokým stupněm zahuštění, nevykazují odparky se splývajícím filmem a s cirkulací zpracovávané látky na pracovních stupních. Odparky tohoto druhu jsou konstruovány tak, že pracovní část vařáku je napojena na přívod zpracovávané látky a výstup vařáku je spojen převáděcím potrubím s rozdělovacím kusem, který je napojen jednak na odváděči potrubí, jednak na cirkulační potrubí, napojené svým výstupem na vstupní část vařáku. U těchto odparek je významně snížen objem kapaliny v aparátech, což přispívá ke zvýšení kvality produktu, rychlému náběhu odpařovacích stanic na výstupní parametry produktu a umožňuje cyklický provoz zařízení s možností Čištění teplosměnných ploch. S výhodou je možno použít chemické čištění teplosměnných ploch při minimalizaci objemu odpadních vod. U tohoto typu odparek odpadá ovlivnění teploty kapaliny hydrostatickým tlakem sloupce kapaliny, což přispívá ke zvýšení kvality produktu a k plnému využití teplotního pracovního spádu pro stavbu vícestupňových odpařovacích stanic.The disadvantages of tubular circulating evaporators, which impede their use for thickening solutions with variable inlet concentration or a high degree of thickening, do not exhibit flowing film evaporators and process substance circulations on the process stages. The evaporators of this kind are designed in such a way that the digester working part is connected to the feed of the treated substance and the digester outlet is connected by a transfer line with a distribution piece which is connected both to the drain line and circulating line connected by its outlet to the inlet part of the digester. These evaporators significantly reduce the volume of liquid in the apparatus, which contributes to an increase in product quality, a rapid rise of the evaporation stations to the output parameters of the product and allows cyclical operation of the equipment with the possibility of cleaning the heat exchange surfaces. Preferably, chemical cleaning of the heat transfer surfaces can be used while minimizing the volume of waste water. With this type of evaporator, the hydrostatic pressure of the liquid column is not influenced by the liquid, which contributes to an increase in product quality and to the full utilization of the temperature working gradient for the construction of multi-stage evaporation stations.

Tato skutečnost představuje tedy minimalizaci velikosti teplosměnných ploch pro daný odpařovací výkon a úsporu konstrukčního materiálu. To je zdůrazněno i vyššími hodnotami součinitele prostupu tepla, zejména v oblasti vyšších koncentrací zahušťované látky. Nucená cirkulace roztoku na pracovním stupni s odparkou se splývajícím filmem má také řádově nižší nároky na spotřebu elektrické -energie a nemá speciální požadavky na čerpací techniku. Použití odparek se splývajícím filmem s cirkulací roztoku na pracovním stupni, zejména u jejich konstrukčních variant s dlouhými pracovními trubkami, minimalizuje dobu zdržení zahušťované látky v pracovním stupni a výrazně přispívá ke zvýšení kvality produktu. Tato skutečnost je znásobena tím, že na rozdíl od odpařovacích stanic s trubkovými cirkulačními (CThis fact therefore minimizes the size of the heat transfer surfaces for a given evaporation capacity and saves construction material. This is also emphasized by higher values of the heat transfer coefficient, especially in the area of higher concentrations of the thickened substance. The forced circulation of the solution on the working stage with the evaporator with the flowing film also has considerably lower demands on the consumption of electric energy and does not have any special requirements for pumping technology. The use of flow-through evaporators with solution circulation at the working stage, especially in their design variants with long working tubes, minimizes the residence time of the thickened substance in the working stage and significantly contributes to the improvement of product quality. This is multiplied by the fact that, unlike evaporative stations with tubular circulation (C

CS 272588 Bl odparkami mohou pracovat u odpařovacích stanic s odparkami se splývajícím filmem pouze některé pracovní stupně s cirkulací roztoku pro zajištění požadované výstupní koncentrace produktu .CS 272588 B1 evaporators can only operate at some of the solution circulation stages to provide the desired product output concentration at the confluent film evaporator stations.

Tyto výhodné vlastnosti odparek se splývajícím filmem jsou částečně snižovány tím, že při použití cirkulace roztoku na pracovním stupni vstupuje cirkulující proud kapaliny do pracovního stupně podchlazen pod teplotu varu, což snižuje odparovací výkon pracovního stupně a zhoršuje rozdělování kapaliny do filmu na teplosměnných plochách.These advantageous properties of the confluent film evaporators are partially reduced by the fact that by using solution circulation at the working stage, the circulating liquid stream enters the working stage supercooled below the boiling point, which reduces the evaporating performance of the working stage and impairs the liquid distribution into the film on heat exchange surfaces.

Odstranění uvedeného nedostatku zařízení vybavených odparkami se splývajícím filmem a nucenou cirkulací zpracovávané látky řeší vynález, jehož podstata spočívá v tom, že mezi rozdělovacím kusem a výstupní částí vařáku je zapojen ohřívač zpracovávané látky, provedený jako výměník s teplosměnnou plochou nebo jako směšovací výměník. Ohřívače obojího druhu jsou zapojeny v cirkulačním potrubí, přičemž v prvním případě může být ohřívač zapojen přímo v topném prostoru pracovní části vařáku.[0007] The solution of the present invention is based on the fact that between the manifold and the outlet part of the reboiler, a process heater of a heat exchanger surface or a mixing exchanger is connected. Heaters of both kinds are connected in the circulation pipe, in the first case the heater can be connected directly in the heating space of the working part of the digester.

Zapojení ohřívače zpracovávané látky v cirkulačním potrubí nebo v pracovním prostoru vařáku zajištuje ohřev recirkulovaného podílu zpracovávané látky nad bod varu látky v pracovní části vařáku. To zaručuje správnou funkci odparky, dokonalé rozdělení zpracovávané látky a maximální odparovací výkon při využití celé teplosměnné plochy vařáku odparky.The connection of the fabric substance heater in the circulation pipe or in the digester working space ensures the heating of the recirculated portion of the fabric above the boiling point of the substance in the digester working part. This ensures the correct function of the evaporator, perfect distribution of the treated substance and maximum evaporation capacity using the entire heat exchanger surface of the evaporator digester.

Na připojeném výkresu je schematicky znázorněno zapojeni jednotlivých částí zařízení podle vynálezu.The attached drawing shows schematically the wiring of the individual parts of the device according to the invention.

Zařízení ve zvoleném příkladě je dvoustupňové, přičemž jak první, tak i druhý pracovní stupeň £, £ obsahuje odparku se splývajícím filmem, jejíž hlavní část tvoří vařák 18 se separátorem £2. Vařák 18 každého stupně obsahuje vstupní, výstupní a pracovní část £, £, £. Do vstupní části £ vařáku 18 prvního pracovního stupně £ ústí vstupní potrubí 13, ve kterém jsou zapojeny dva předehřívače £, a vstupní čerpadlo £. Z výstupní části £ vařáku 18 prvního i druhého pracovního stupně £, £ vyúsíuje výstupní potrubí 14, napojené jednak na separátor 12, jednak přes odváděči čerpadlo £ a převáděcí potrubí 15 na rozdělovači kus 11, ze kterého vyúsíuje přes regulační ventily 10 odváděči a cirkulační potrubí 16, 17. Cirkulační potrubí 17 je napojeno na vstupní část vařáku £8, přičemž je v něm zapojen ohřívač £ zpracovávané látky, provedený jako výměník s teplosměnnou plochou. Odváděči potrubí 16 prvního pracovního stupně £ je napojeno na vstupní část £ vařáku 18 odparky druhého pracovního stupně £, zatímco odváděči potrubí 16 druhého pracovního stupně £ je napojeno na neznázorněný zásobník hotového produktu nebo na další neznázorněné zařízení.The apparatus in the selected example is a two-stage process, wherein both the first and second working stages 8, 6 comprise a confluent film evaporator, the main part of which is a reboiler 18 with a separator 62. The cooker 18 of each stage comprises an inlet, an outlet and a working portion £, £, £. An inlet conduit 13, in which two preheaters 6, and an inlet pump 6, are connected to the inlet portion 6 of the first stage 18 of the digester 18. From the outlet portion 6 of the first and second working stages 18, the outlet line 14, connected both to the separator 12 and through the discharge pump 4 and the transfer line 15 to the manifold 11, exits the discharge and circulation lines via the control valves 10. 16, 17. The circulation pipe 17 is connected to the inlet part of the digester 48, where it is connected to a process substance heater 6 designed as a heat exchanger having a heat exchange surface. The discharge line 16 of the first stage 6 is connected to the inlet portion 8 of the evaporator 18 of the evaporator 18 of the second stage 6, while the discharge line 16 of the second stage 6 is connected to a finished product container (not shown) or another device (not shown).

Zpracovávaná látka, kterou tvoří roztok nebo suspenze, popřípadě směs obou látek, vstupuje přes vstupní čerpadlo £ do vstupního potrubí £3, odkud po ohřátí v předehřívačích £ přechází do vstupní části £ vařáku 18 odparky prvního pracovního stupně £. Ze vstupní části £ stéká zpracovávaná látka po teplosměnných plochách pracovní části £ vařáku 18 a současně se zahuštuje. Z pracovní části £ přechází částečně zahuštěna látka do výstupní části části £ vařáku £8, odkud je odsávána přes výstupní potrubí 14 odváděcím čerpadlem £, zatímco brýdové páry odcházejí ze separátoru 12 neznázorněným potrubím. Od odváděcího čerpadla £ postupuje zpracovávaná látka do rozdělovaciho kusu ££, kde se člení na dva podíly, z nichž jeden přechází odváděcím potrubím 16 do vstupní části £ vařáku 18 druhého pracovního stupně £ a druhý je recyklován cirkulačním potrubím 17 do vstupní části £ vařáku 18 prvního pracovního stupně £. Vzájemný poměr obou podílů je řízen s ohledem na technologické požadavky regulačními ventily ££. V ohřívači £ se recirkulovaný podíl zpracovávané látky ohřívá nad teplotu varu látky ve vařáku £8, takže nedochází k jejímu ochlazení, a tím způsobenémuThe substance to be treated, consisting of a solution or a suspension or a mixture of the two, enters the inlet pipe 8 through the inlet pump 6, from where it passes to the inlet part 8 of the evaporator 18 of the first working stage evaporator. From the inlet portion 6 the material to be treated flows down the heat exchange surfaces of the working portion 6 of the digester 18 and is simultaneously concentrated. From the working portion 4, the partially thickened material passes into the outlet portion of the portion 4 of the digester 48 from where it is sucked through the outlet conduit 14 through the discharge pump 6, while vapors vapors leave the separator 12 via a conduit (not shown). From the drain pump 6, the material to be processed is distributed into a distributor piece 16, where it is divided into two portions, one of which passes through the drain line 16 to the inlet portion 18 of the second stage. first stage £. The ratio of the two components is controlled with respect to the technological requirements by the control valves. In the heater 8, the recirculated portion of the substance to be treated is heated above the boiling point of the substance in the boiler 8, so that it is not cooled, and thus caused

CS 272588 Bl zhoršení správné funkce zařízení. V druhém pracovním stupni 2_ probíhá obdobný proces jako v prvním pracovním stupni £, přičemž zpracovávaná látka se dále zahušťuje a odchází odváděcím potrubím 16 tohoto stupně jako hotový produkt.CS 272588 B1 impair the proper functioning of the equipment. In the second working stage 2, a process similar to the first working stage 6 is carried out, with the substance to be further concentrated and discharged through the outlet line 16 of this stage as the finished product.

Uvedený příklad představuje pouze jednu z vice možností využití vynálezu. Podle okolností může zařízení pracovat pouze s jedním pracovním stupněm nebo naopak se třemi i více pracovními stupni. Recirkulace zpracovávané látky může popřípadě probíhat pouze v jednom nebo v několika pracovních stupních vícestupňového zařízení, zatímco v ostatních stupních mohou být odparky průtočné.This example represents only one of several possible uses of the invention. Depending on the circumstances, the plant can only operate with one or more stages. Optionally, the recirculation of the treatment substance can take place only in one or more stages of the multi-stage plant, while in the other stages the evaporators can be flow-through.

Pokud jde o teplosměnné plochy odparek se splývajícím filmem, mohou být vytvořeny jako trubky nebo jako desky, přičemž odparky mohou pracovat jako vakuové, jako přetlakové nebo za normálního atmosférického tlaku.With respect to the heat transfer surfaces of the confluent film evaporators, they can be designed as tubes or plates, and the evaporators can operate as vacuum, pressurized or under normal atmospheric pressure.

Namísto výměníku s teplosměnnou plochou může být ohřívač 6, proveden také jako směšovací výměník, tj. jako aparát s kontaktním ohřevem zpracovávané látky teplonosným médiem. Namísto samostatného ohřívače 6_ zapojeného do cirkulačního potrubí 17 může být ohřívač 6,, provedený jako výměník s teplosměnnou plochou, zabudován také v topném prostoru pracovní části £ vařáku 18 jako jeho součást.Instead of a heat exchanger having a heat exchange surface, the heater 6 can also be designed as a mixing exchanger, i.e. as an apparatus with contact heating of the substance to be processed by the heat transfer medium. Instead of a separate heater 6 connected to the circulation pipe 17, the heater 6, which is designed as a heat exchanger surface, can also be incorporated in the heating space of the working portion 18 of the digester 18 as a part thereof.

Zařízení podle vynálezu je využitelné jak v chemickém, tak v potravinářském průmyslu pro zahuštování roztoků a suspenzí, zejména tam, kde látky vstupující do procesu mají proměnnou vstupní koncentraci, nebo tam, kde je požadován vysoký stupen koncentrace hotového výrobku.The device according to the invention is useful in both the chemical and food industries for thickening solutions and suspensions, especially where the process inputs have a variable inlet concentration, or where a high degree of concentration of the finished product is desired.

Claims

A device for concentrating solutions and suspensions with at least one working stage, comprising a coalescing film evaporator, having a reboiler, the working part of which is heated with the heating space connected to the feed inlet through the reboiler inlet and connected via a transfer line to a distribution piece which is connected both to the discharge pipe and to the circulation pipe connected by its outlet to the inlet part of the digester, characterized in that a heater (6) is connected between the manifold (11) and the outlet part (8) of the digester (18) ) processed substances.

Device according to claim 1, characterized in that the heater (6) is designed as a heat exchanger having a heat exchange surface.

Device according to claim 1, characterized in that the heater (6) is designed as a mixing exchanger.

Device according to claim 2 or 3, characterized in that the heater (6) is connected in a circulation pipe (17).

Device according to claim 2, characterized in that the heater (6) is part of the heating space of the working part (?) Of the digester (18).