RU2021835C1

RU2021835C1 - Pulsatory crystallizer

Info

Publication number: RU2021835C1
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Войцеховский; Валентин Сергеевич Еремеев
Original assignee: Александр Николаевич Войцеховский; Валентин Сергеевич Еремеев
Priority date: 1991-06-05
Filing date: 1991-06-05
Publication date: 1994-10-30

Abstract

FIELD: crystallization engineering. SUBSTANCE: heat exchange device is made in the form of separate tubular modules uniformly positioned through cross-section of the crystallizer body. Any tubular module represents a skeleton with vertical coil pipes uniformly fixed around its circumference and through its height. Any coil pipe is made of one tube. Coil pipes of the module have common inlet and common outlet and they are connected through manifolds and adaptors to inlet and outlet manifolds of the crystallizer. EFFECT: increased heat exchange. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области химического машиностроения, а именно к пульсационным кристаллизаторам, применяемым в химической промышленности. The invention relates to the field of chemical engineering, namely to pulsation crystallizers used in the chemical industry.

Известен кристаллизатор, состоящий из корпуса, погружного теплообменного трубчатого устройства, патрубков для ввода исходного раствора и вывода суспензии, перемешивающего устройства. A known mold, consisting of a housing, a submersible heat-exchange tubular device, nozzles for introducing the initial solution and withdrawing the suspension, mixing device.

Кристаллизатор работает за счет охлаждения исходного раствора через стенку теплообменного устройства в присутствии кристаллов, поддерживаемых во взвешенном слое перемешивающим устройством. The crystallizer operates by cooling the initial solution through the wall of the heat exchanger in the presence of crystals supported in the suspended layer by the mixing device.

Недостатком известного кристаллизатора являются его низкая производительность, обусловленная неравномерным тепловым режимом из-за инкрустации теплообменных поверхностей выделяющимися в растворе кристаллами, малая турбулентность и наличие застойных зон, а также низкое качество получаемого кристаллического продукта. A disadvantage of the known crystallizer is its low productivity, due to uneven thermal conditions due to the inlaid heat-exchanging surfaces of crystals released in the solution, low turbulence and the presence of stagnant zones, as well as low quality of the obtained crystalline product.

Известен также пульсационный кристаллизатор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, погружное теплообменное устройство, представляющее торообразный теплообменник, коаксиально установленный в корпусе, штуцера для подвода пульсаций газа, ввода и вывода раствора, суспензии и хладагента, усеченные конусы, установленные в корпусе и закрепленные соосно друг над другом своими большими основаниями на корпусе, верхний и нижний конусы образуют с теплообменником и переливной трубой кольцевые каналы, пульсационную (переливную) трубу. A pulsating crystallizer is also known, comprising a vertical cylindrical body, an immersion heat exchanger representing a toroidal heat exchanger coaxially mounted in the body, a nozzle for supplying gas pulsations, solution inlet and outlet, suspension and refrigerant, truncated cones mounted in the body and fixed coaxially one above the other with their large bases on the body, the upper and lower cones form annular channels with a heat exchanger and an overflow pipe, and a pulsation (overflow) pipe.

В данном кристаллизаторе обеспечивается направленная циркуляция без использования циркуляционного насоса. This mold provides directional circulation without the use of a circulation pump.

Недостатком известного кристаллизатора являются его низкая производительность, обусловленная как отсутствием интенсивной циркуляции раствора в зоне расположения теплообменного устройства, так и нарушением теплового режима из-за инкрустации теплообменных поверхностей выделяющимися на них кристаллами, а также низкое качество получаемого кристаллического продукта. A disadvantage of the known crystallizer is its low productivity, due to both the lack of intensive circulation of the solution in the area of the heat exchanger device and the violation of the thermal regime due to the inlaid heat transfer surfaces of the crystals released on them, as well as the low quality of the obtained crystalline product.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является пульсационный кристаллизатор, содержащий корпус с крышкой, отстойную и пульсационную камеры, теплообменное устройство в виде трубчатых змеевиков, размещенных концентрически к оси корпуса и нижними основаниями опирающихся на горизонтальную опору. The closest in technical essence to the claimed object is a pulsation mold containing a housing with a lid, a settling and pulsation chambers, a heat exchanger in the form of tubular coils placed concentrically to the axis of the housing and the lower bases resting on a horizontal support.

Кристаллизатор работает следующим образом. В нижнюю часть корпуса подается исходный раствор, который, двигаясь вдоль охладительного теплообменника, охлаждается и из него выделяются кристаллы. Под воздействием импульсов газа, передаваемых жидкости через пульсационную камеру, происходят колебания раствора и трубчатых змеевиков. В отстойной зоне раствор осветляется и выводится из верхней части кристаллизатора, а продукционные кристаллы выводятся из нижней части кристаллизатора. The mold works as follows. An initial solution is supplied to the lower part of the housing, which, moving along the cooling heat exchanger, is cooled and crystals are released from it. Under the influence of gas pulses transmitted by the fluid through the pulsating chamber, oscillations of the solution and tubular coils occur. In the settling zone, the solution is clarified and removed from the upper part of the mold, and production crystals are removed from the lower part of the mold.

В данном кристаллизаторе обеспечивается лучшее перемешивание, уменьшена инкрустация теплообменной поверхности, получают кристаллический продукт лучшего качества. This mold provides better mixing, reduced incrustation of the heat exchange surface, and a better quality crystalline product is obtained.

Однако и эта конструкция не лишена недостатков. Выполнение теплообменного устройства в виде трубчатых змеевиков, размещенных концентрически к оси корпуса кристаллизатора, приводит к неравномерности теплового потока относительно каждого змеевика (в змеевике малого диаметра хладоноситель быстро проходит через аппарат и не успевает отобрать тепло от раствора, а в змеевике большего диаметра хладоноситель нагревается и уже не охлаждает раствор). However, this design is not without drawbacks. The implementation of the heat exchange device in the form of tubular coils placed concentrically to the axis of the mold body leads to uneven heat flux relative to each coil (in a small diameter coil, the coolant passes quickly through the apparatus and does not have time to take heat from the solution, and in the larger coil, the coolant heats up and already does not cool the solution).

Установка в корпусе кристаллизатора змеевиков, выполненных из полимерного материала и опирающихся нижними основаниями на горизонтальную опору, приводит к выпрямлению змеевиков и оседанию их на эту горизонтальную опору, что приводит к образованию застойной зоны и ухудшает тепломассообмен в кристаллизаторе. The installation of coils made of a polymeric material in the crystallizer body and supported by lower bases on a horizontal support leads to straightening of the coils and their subsidence on this horizontal support, which leads to the formation of a stagnant zone and worsens heat and mass transfer in the mold.

Конструкция теплообменника в виде общего неразъемного устройства приводит к уменьшению ремонтопригодности, усложнению технологии изготовления и уменьшению надежности работы теплообменного устройства, следовательно, надежности работы кристаллизатора. The design of the heat exchanger in the form of a common all-in-one device leads to a decrease in maintainability, a complication of manufacturing technology and a decrease in the reliability of the heat exchange device, and therefore, the reliability of the mold.

Размещение трубок теплообменного устройства в свободном движении ведет к тому, что под влиянием пульсаций псевдоожиженного слоя суспензии и при отсутствии организованной внутренней циркуляции происходит столкновение и сцепление свободно висящих змеевиков, что дополнительно приводит к образованию застойных зон и ухудшает тепломассообмен в кристаллизаторе. The placement of the tubes of the heat exchange device in free movement leads to the fact that under the influence of pulsations of the fluidized bed of the suspension and in the absence of organized internal circulation, collision and cohesion of freely hanging coils occurs, which additionally leads to the formation of stagnant zones and impairs heat and mass transfer in the crystallizer.

Целью изобретения является интенсификация теплообмена за счет увеличения равномерности распределения температурного напора от теплообменной поверхности к суспензии, повышение технологичности изготовления, ремонтопригодности и надежности теплообменного устройства. The aim of the invention is the intensification of heat transfer by increasing the uniformity of the distribution of temperature pressure from the heat exchange surface to the suspension, improving the manufacturability, maintainability and reliability of the heat exchange device.

Указанная цель достигается тем, что кристаллизатор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с крышкой, отстойную и пульсационную камеры, трубчатое теплообменное устройство с промежуточными коллекторами и переходниками, входным и выходным коллекторами для подачи хладоносителя, патрубки ввода исходного раствора, вывода осветленного раствора и суспензии продукционных кристаллов и подачи газа в пульсационную камеру, характеризуется следующими отличительными от прототипа признаками:
теплообменное устройство выполнено в виде отдельных трубчатых модулей, равномерно распределенных по сечению кристаллизатора;
каждый трубчатый модуль представляет собой каркас, на котором равномерно закреплены по окружности и по высоте вертикальные змеевики, каждый из которых выполнен из одной трубки;
входные и выходные концы змеевиков каждого модуля объединены в промежуточные коллекторы, соединенные посредством переходников с входным и выходным коллекторами подачи хладоносителя;
каналы между модулями и в самих модулях образуют контуры внутренней циркуляции суспензии;
змеевики, выполненные из полимерных трубок, закреплены на каркасе с расстоянием между креплениями по вертикали, равным 8-14 диаметрам змеевика.This goal is achieved by the fact that the mold contains a vertical cylindrical body with a lid, settling and pulsating chambers, a tubular heat exchanger with intermediate collectors and adapters, inlet and outlet headers for supplying a coolant, inlets for inputting an initial solution, an outlet for a clarified solution and a suspension of production crystals and gas supply to the pulsation chamber is characterized by the following distinctive features from the prototype:
the heat exchange device is made in the form of individual tubular modules uniformly distributed over the cross section of the mold;
each tubular module is a frame on which vertical coils are uniformly fixed around the circumference and height, each of which is made of one tube;
the input and output ends of the coils of each module are combined into intermediate collectors connected via adapters to the input and output collectors of the coolant supply;
the channels between the modules and in the modules themselves form the contours of the internal circulation of the suspension;
coils made of polymer tubes are mounted on the frame with a vertical distance between fixtures equal to 8-14 coil diameters.

На фиг. 1 изображен общий вид заявленного кристаллизатора; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - узел I на фиг. 1. In FIG. 1 shows a General view of the inventive mold; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1; in FIG. 3 - node I in FIG. 1.

Кристаллизатор состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с отстойной камерой 2, крышкой 3, пульсационной камерой 4, трубчатым теплообменным устройством, составленным из модулей 5, установленных между нижними упорами 6 и верхними упорами 7. Причем каждый модуль состоит из каркаса в виде стержня 8 и установленных на нем креплений 9, к которым зажимами 10 прикрепляются вертикальные змеевики 11, состоящие, как правило, из одной трубки. Входные и выходные концы змеевиков каждого модуля объединены в промежуточные коллекторы 12, соединенные посредством переходников 13 с входным 14 и выходным 15 коллекторами для подачи хладоносителя. Модули расположены в кристаллизаторе равномерно и образуют между собой вертикальные каналы 16, площадь сечения каналов между модулями больше, чем площадь сечения вертикальных каналов 17, образованных между змеевиками в модулях. The mold consists of a vertical cylindrical body 1 with a settling chamber 2, a cover 3, a pulsation chamber 4, a tubular heat exchanger composed of modules 5 installed between the lower stops 6 and the upper stops 7. Moreover, each module consists of a frame in the form of a rod 8 and installed there are fastenings 9 on it, to which vertical coils 11, usually consisting of one tube, are attached by clamps 10. The input and output ends of the coils of each module are combined into intermediate collectors 12, connected by means of adapters 13 to the input 14 and output 15 collectors for supplying coolant. The modules are uniformly arranged in the mold and form vertical channels 16 between themselves, the cross-sectional area of the channels between the modules is larger than the cross-sectional area of the vertical channels 17 formed between the coils in the modules.

Кристаллизатор содержит также штуцера ввода исходного раствора 18, вывода осветленного раствора 19, вывода продукционной суспензии 20, ввода и вывода хладагента 21 и 22 соответственно, ввода импульсов давления газа 23. The crystallizer also contains a nozzle for introducing the initial solution 18, withdrawing the clarified solution 19, discharging the production suspension 20, introducing and discharging the refrigerant 21 and 22, respectively, and introducing gas pressure pulses 23.

Кристаллизатор работает следующим образом. The mold works as follows.

Исходный раствор через штуцер 18 поступает в нижнюю часть кристаллизатора и ожижает кристаллы, находящиеся в его объеме. The initial solution through the nozzle 18 enters the lower part of the mold and fluidizes the crystals in its volume.

Проходя между гибкими трубками змеевиков 11, закрепленных в модулях 5 теплообменного устройства, раствор охлаждается. При охлаждении происходит пересыщение раствора, зарождаются и растут кристаллы. Обедненный маточный раствор осветляется в отстойной камере 2 и выводится из корпуса 1 через штуцер 19. При этом часть осветленного раствора может быть возвращена в корпус 1 вместе с исходным раствором через штуцер 18. При импульсной подаче газа в штуцер 23, подсоединенный к пульсационной камере 4, создаются импульсы давления и уровень раствора в пульсационной камере 4 и в остальном объеме корпуса 1 совершает колебания. Passing between the flexible tubes of the coils 11, mounted in the modules 5 of the heat exchange device, the solution is cooled. Upon cooling, the solution is supersaturated, crystals nucleate and grow. The depleted mother liquor is clarified in the settling chamber 2 and discharged from the housing 1 through the nozzle 19. At the same time, part of the clarified solution can be returned to the housing 1 together with the initial solution through the nozzle 18. When the gas supply to the nozzle 23 is pulsed, connected to the pulsation chamber 4, pressure pulses are created and the level of the solution in the pulsation chamber 4 and oscillates in the remaining volume of the housing 1.

При подаче давления газа через штуцер 23 раствор вытесняется в пульсационной камере 4 вниз, а затем движется вверх в рабочем объеме корпуса 1. При выходе из пульсационной камеры 4 поток захватывает с собой часть псевдоожиженного слоя из прилегающего к выходу из пульсационной камеры объема, а также турбулентно перемешивается с исходным раствором, поступающим по штуцеру 18. Образовавшийся общий поток устремляется по вертикальным каналам 16 и 17 соответственно между модулями и между змеевиками в модулях, причем скорость потока в канале 16 между модулями больше скорости потока в канале 17 между змеевиками, что приводит к движению части потока из каналов между модулями во внутренние каналы между змеевиками модулей. When applying gas pressure through the nozzle 23, the solution is displaced downward in the pulsation chamber 4, and then moves upward in the working volume of the housing 1. When leaving the pulsation chamber 4, the flow captures a part of the fluidized bed from the volume adjacent to the outlet of the pulsation chamber, as well as turbulently mixes with the initial solution flowing through the nozzle 18. The resulting total flow rushes along the vertical channels 16 and 17 respectively between the modules and between the coils in the modules, and the flow rate in the channel 16 between m dulyami greater than the flow rate in the channel 17 between the coils, which causes movement of the portion of the flow channels between the modules in the internal channels between the coils modules.

При падении давления газа поток в пульсационной камере 4 движется вверх, при этом понижается общий уровень в объеме кристаллизатора и псевдоожиженный слой кристаллов опускается в вертикальных каналах как между модулями, так и между змеевиками самих модулей. Таким образом возникают контуры внутренней циркуляции-восходящий более быстрый поток псевдоожиженной суспензии в каналах 16 между модулями и общий нисходящий поток менее текучей при меньшей скорости сжижения суспензии в каналах 16 между модулями и в каналах 17 между змеевиками в модулях. Контур внутренней циркуляции приводит к дополнительному перемешиванию и турбулизации пульсирующего псевдоожиженного слоя кристаллов, а следовательно, интенсификации процессов теплообмена. When the gas pressure drops, the flow in the pulsation chamber 4 moves upward, while the overall level in the crystallizer volume decreases and the fluidized crystal layer falls in the vertical channels both between the modules and between the coils of the modules themselves. Thus, internal circulation loops — an upward faster flow of fluidized suspension in the channels 16 between the modules and a general downward flow are less fluid at a lower rate of liquefaction of the suspension in the channels 16 between the modules and in the channels 17 between the coils in the modules. The internal circulation circuit leads to additional mixing and turbulization of the pulsating fluidized bed of crystals, and therefore, the intensification of heat transfer processes.

Выполнение теплообменного устройства в виде набора отдельных модулей 5 с возможностью быстрой замены любого модуля без замены остальных существенно увеличивает надежность, ремонтопригодность кристаллизатора, позволяет унифицировать узлы теплообменного устройства, что увеличивает технологичность изготовления и позволяет в зависимости от вида кристаллизуемого вещества набирать необходимую поверхность теплообмена. The implementation of the heat exchange device in the form of a set of separate modules 5 with the ability to quickly replace any module without replacing the others significantly increases the reliability, maintainability of the mold, allows you to unify the nodes of the heat exchange device, which increases the manufacturability and allows you to gain the necessary heat transfer surface depending on the type of crystallized substance.

В конструкции теплообменного устройства организованы вертикальные каналы как между модулями, так и между змеевиками в самих модулях, причем ширина каналов между модулями больше ширины каналов между змеевиками, что приводит к разнице гидравлического сопротивления при движении суспензии по каналам и создает контур внутренней циркуляции. In the design of the heat exchange device, vertical channels are organized both between the modules and between the coils in the modules themselves, and the width of the channels between the modules is greater than the width of the channels between the coils, which leads to a difference in hydraulic resistance when the suspension moves along the channels and creates an internal circulation circuit.

В каждом модуле по высоте с оптимальным шагом установлены крепления, способствующие улучшению надежности работы змеевиков. Для змеевиков из тонких полимерных пружинящих трубок, обладающих повышенными антиинкрустационными свойствами, максимальный шаг установки креплений по вертикали определяется из условий, позволяющих избежать столкновений, сцеплений, а также оседаний змеевиков, а минимальный шаг креплений определяется условием простоты и незагромождения конструкции модуля. Наиболее оптимальным по опытным данным является расстояние между креплениями, равное 8-14 диаметрам змеевика. In each module, in height with an optimal pitch, fasteners are installed that contribute to improving the reliability of the coils. For coils made of thin polymer spring tubes with enhanced anti-inrust properties, the maximum step for installing the fasteners vertically is determined from the conditions that avoid collisions, adhesions, and settling of the coils, and the minimum step for fasteners is determined by the simplicity and clutter-free construction of the module. The most optimal, according to experimental data, is the distance between the fasteners, equal to 8-14 coil diameters.

При превышении расстояния между креплениями полимерных трубок более 14 диаметров змеевика происходит провисание и сцепление трубок змеевиков, что приводит к ухудшению теплообмена. В случае расстояния между креплениями полимерных трубок менее 8 диаметров змеевика усложняется конструкция теплообменного устройства. Соотношение проверено на изготавливаемых промышленностью полимерных трубках с внутренним диаметром 3 и 5 мм. If the distance between the fasteners of the polymer tubes exceeds 14 coil diameters, the coils sag and clutch, which leads to a deterioration in heat transfer. If the distance between the fasteners of the polymer tubes is less than 8 coil diameters, the design of the heat exchange device is complicated. The ratio is tested on polymer tubes manufactured by industry with an internal diameter of 3 and 5 mm.

Ввиду того, что полимеры имеют низкую теплопроводность, использовать трубки больших диаметров для изготовления теплообменных устройств нецелесообразно (чем больше диаметр трубки, тем больше по условиям прочности толщина и хуже условия теплообмена). Применяемые трубки с диаметром 3 и 5 мм имеют толщину стенки 0,6 и 0,8 мм соответственно, что обеспечивает эффективный процесс теплообмена и достаточные прочности и устойчивость навивки теплообменного змеевика при расстоянии между креплениями змеевика по вертикали, равным 8-14 диаметрам змеевика. Due to the fact that polymers have low thermal conductivity, it is impractical to use large diameters for the manufacture of heat exchangers (the larger the diameter of the tube, the greater the thickness and worse the heat transfer conditions). Used tubes with a diameter of 3 and 5 mm have a wall thickness of 0.6 and 0.8 mm, respectively, which provides an efficient heat transfer process and sufficient strength and stability of winding the heat exchange coil with a vertical distance between coil mounts of 8-14 coil diameters.

Claims

1. PULSATION CRYSTALIZER containing a vertical cylindrical body with a lid, settling and pulsating chambers, a tubular heat exchanger with inlet and outlet manifolds for supplying a coolant, a nozzle for introducing an initial solution, withdrawing a clarified solution and suspension of production crystals, and supplying gas to a pulsation chamber, characterized the fact that, in order to intensify heat transfer by increasing the uniformity of the distribution of the temperature head from the heat exchange surface to the suspension, In terms of manufacturing manufacturability, maintainability and reliability, the heat exchanger is made in the form of separate tubular modules evenly spaced along the section of the mold, with each tubular module containing a frame on which vertical coils are fixed uniformly in circumference and height, each of which is made of one tubes, and the channels between the modules and in the modules themselves form the contours of the internal circulation of the suspension.

2. The mold according to claim 1, characterized in that the input and output ends of the coils of each module are combined into intermediate collectors connected by means of adapters to the input and output collectors of the coolant supply.

3. The mold according to claim 1, characterized in that in order to increase the reliability of the heat transfer device, the coils are made of polymer tubes and mounted on the frame with a vertical distance between the mounts of 8 to 14 coil diameters.