RU2142311C1

RU2142311C1 - Evaporator

Info

Publication number: RU2142311C1
Application number: RU99105230/12A
Authority: RU
Inventors: И.И. Ярмолинский; ц Ю.Н. За; Ю.Н. Заяц; Г.В. Рижинашвили; Е.В. Алексеев; Ю.А. Балакшин; В.А. Суслов
Original assignee: ОАО "Котласский ЦБК"
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 1999-12-10

Abstract

FIELD: wood-pulp and paper, alumina and chemical branches of industry, in particular, evaporation of water from industrial solutions. SUBSTANCE: the evaporator has a heating chamber with vertical boiling tubes flared out in the upper and lower tube plates, secondary vapor separator located over the heating chamber, lower solution chamber located under the heating chamber, and a set of cylindrical film-forming inserts furnished with external multichannel arrangements and installed in each boiling tube. The inserts are located over and under the upper tube plate; the external spiral arrangements are positioned below the upper tube plate, and part of the length of the cylindrical film-forming inserts located under the upper tube plate is determined by formula

Description

Изобретение относится к теплообменному оборудованию, а именно к выпарным аппаратам, используемым для выпаривания воды из промышленных растворов в целлюлозной, глиноземной и химических отраслях производства. The invention relates to heat exchange equipment, in particular to evaporators used to evaporate water from industrial solutions in the pulp, alumina and chemical industries.

Известен выпарной аппарат с падающей пленкой, содержащий пленкообразующие насадки, установленные в верхних концах кипятильных трубок (SU, N 181036, М. кл. B 01 D 1/22, 1996). Насадки в известном выпарном аппарате могут быть выполнены либо в виде коротких отрезков трубок с наклонными разрезами, снабженных снаружи ребрами, обеспечивающими равномерное распределение раствора по внутренней поверхности кипятильных трубок, либо в виде тех же ниппелей, но с удлиненными верхними концами, являющимися продолжением кипятильных трубок - для обеспечения работы устройства вывода твердой фазы из раствора в сепараторе. Known evaporator with a falling film containing a film-forming nozzles installed in the upper ends of the heating pipes (SU, N 181036, M. CL B 01 D 1/22, 1996). The nozzles in the known evaporation apparatus can be made either in the form of short pipe segments with inclined cuts provided with ribs on the outside to ensure uniform distribution of the solution on the inner surface of the heating pipes, or in the form of the same nipples, but with elongated upper ends, which are a continuation of the heating pipes - to ensure the operation of the device for outputting the solid phase from the solution in the separator.

Известен также выпарной аппарат с падающей пленкой, содержащий пленкообразующие насадки, выполненные в виде патрубков с герметизирующими кольцами и многозаходными спиралями, верхние концы которых прикрыты колпачками. Такие насадки также обеспечивают равномерное распределение раствора по кипятильным трубкам (SU, N 993967, М.кл. B 01 D 1/22, 1983). Also known is an evaporator with a falling film, containing film-forming nozzles made in the form of nozzles with sealing rings and multi-helixes, the upper ends of which are covered with caps. Such nozzles also provide a uniform distribution of the solution over the boiling tubes (SU, N 993967, M. Cl B 01 D 1/22, 1983).

Выпарные препараты, работающие по принципу падающей пленки раствора, являются новым поколением выпарной техники, более эффективным, чем их предшественники - вертикальные длиннотрубные аппараты с поднимающейся пленкой. Однако перечисленные устройства не предназначены для отвода через них вторичного пара, образующегося в кипятильных трубках выпарного аппарата, в связи с чем аппарат должен быть оборудован громоздким сепарационным пространством, расположенным под греющей камерой, для чего в случае действующего оборудования, как правило, нет места. Evaporative preparations, working on the principle of a falling solution film, are a new generation of evaporation technology, more effective than their predecessors - vertical long tube apparatus with a rising film. However, the listed devices are not designed to drain through them the secondary steam generated in the boiling tubes of the evaporator, and therefore the apparatus must be equipped with a cumbersome separation space located under the heating chamber, for which, as a rule, there is no room for existing equipment.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является выпарной аппарат, содержащий греющую камеру с вертикальными кипятильными трубками, завальцованными в верхней и нижней трубных досках, сепаратор вторичного пара, расположенный над греющей камерой, нижнюю растворную камеру, расположенную под греющей камерой, и набор снабженных внешними многоканальными навивками цилиндрических пленкообразующих вставок, установленных в каждой кипятильной трубке (US 3370635, Н.кл. 159-13, 1968). The closest analogue of the present invention is an evaporation apparatus comprising a heating chamber with vertical boiling tubes rolled in the upper and lower tube boards, a secondary steam separator located above the heating chamber, a lower solution chamber located below the heating chamber, and a set of cylindrical film-forming external multichannel coils inserts installed in each boiling pipe (US 3370635, N.cl. 159-13, 1968).

При этом цилиндрические пленкообразующие вставки (насадки) имеют внешние спиральные навивки (многоканальная нарезка) только на своей нижней части, заведенной в соответствующую кипятильную трубку, и расположены над верхней трубной доской, т.е. в сепараторе вторичного пара. In this case, cylindrical film-forming inserts (nozzles) have external spiral windings (multichannel cutting) only on their lower part, brought into the corresponding boiling tube, and are located above the upper tube plate, i.e. in the secondary steam separator.

Такие вставки обеспечивают при работе выпарного аппарата однородную пленку на гладкой поверхности стенок кипятильных работ, что, в свою очередь, обеспечивает высокую эффективность аппарату, а также длительный срок службы трубок испарителя. Such inserts provide a uniform film during operation of the evaporator on a smooth surface of the walls of boiling works, which, in turn, ensures high efficiency of the apparatus, as well as a long service life of the evaporator tubes.

Однако реализация вывода вторичного пара только через верхние концы вставок вызывает периодический спонтанный выброс пара по мере его накопления в кипятильной трубке. Каждый выброс сопровождается срывом пленки выпариваемого раствора со стенки кипятильной трубки и падением теплопередачи. Такая периодичность в работе выпарного аппарата является неудовлетворительной. However, the implementation of the output of the secondary steam only through the upper ends of the inserts causes a periodic spontaneous release of steam as it accumulates in the boiling tube. Each discharge is accompanied by a breakdown of the film of the evaporated solution from the wall of the boiling tube and a drop in heat transfer. Such a frequency in the operation of the evaporator is unsatisfactory.

Новым техническим результатом от использования настоящего изобретения является создание стабильной работы аппарата путем присвоения вставке новой дополнительной функции - обеспечения непрерывного отвода вторичного пара из кипятильных трубок. A new technical result from the use of the present invention is the creation of a stable operation of the apparatus by assigning a new additional function to the insert - providing continuous removal of the secondary steam from the heating pipes.

Этот результат достигается тем, что в выпарном аппарате, содержащем греющую камеру с вертикальными кипятильными трубками, завальцованными в верхней и нижней трубных досках, сепаратор вторичного пара, расположенный над греющей камерой, нижнюю растворную камеру, расположенную под греющей камерой, и набор снабженных внешними многоканальными навивками цилиндрических пленкообразующих вставок, установленных в каждой кипятильной трубке, вставки расположены над и под верхней трубной доской, при этом внешние спиральные навивки находятся ниже верхней трубной доски, а длина части цилиндрической пленкообразующей вставки, расположенная под верхней трубной доской, определяется по формуле

м,
где G - расход выпариваемого раствора на кипятильную трубку, кг/с;
C - теплоемкость раствора, Дж/кг • град;
F₁ - поверхность одного метра длины кипятильной трубки, м²/м;
k - коэффициент теплопередачи на участке подогрева раствора до температуры кипения, Дж/м²•град•с;
t_вх - температура раствора на входе в кипятильную трубку, град;
t_к - температура кипения раствора внутри кипятильной трубки, град.;
t_n - температура насыщения греющего пара, град.This result is achieved in that in an evaporator containing a heating chamber with vertical boiling tubes rolled in the upper and lower tube boards, a secondary steam separator located above the heating chamber, a lower solution chamber located under the heating chamber, and a set provided with external multi-channel coils cylindrical film-forming inserts installed in each boiling tube, the inserts are located above and below the upper tube plate, while the outer spiral coils are lower an upper tube plate and the length of the cylindrical film-forming insert located below the upper tube plate is determined by the formula

m
where G is the flow rate of the evaporated solution in the boiling tube, kg / s;
C is the heat capacity of the solution, J / kg • deg;
F ₁ - the surface of one meter of the length of the heating pipe, m ² / m;
k is the heat transfer coefficient at the site of heating the solution to the boiling point, J / m ² • deg • s;
t _I - the temperature of the solution at the entrance to the boiling pipe, deg;
t _to - the boiling point of the solution inside the boiling tube, deg .;
t _n - saturation temperature of heating steam, deg.

При этом внешние спиральные навивки каждой пленкообразующей вставки имеют гидравлическое сопротивление, не превышающее длины верхнего конца вставки. The external spiral windings of each film-forming insert have a hydraulic resistance not exceeding the length of the upper end of the insert.

Внешние спиральные навивки на цилиндрических вставках могут быть выполнены путем многоканальной (в том числе двухканальной) нарезки или в виде 2-рядной проволочной намотки. При этом шаг намотки или нарезки устанавливают заранее, и он определяет гидравлическое сопротивление спирального канала вставки, а следовательно, величину уровня раствора над верхней трубной доской. External spiral windings on cylindrical inserts can be made by multi-channel (including two-channel) cutting or in the form of a 2-row wire winding. In this case, the winding or cutting step is set in advance, and it determines the hydraulic resistance of the spiral channel of the insert, and therefore, the level of the solution above the upper tube plate.

Величина длины участка вставки, расположенного над трубной доской, определяет уровень раствора в сепараторе, от которого зависит каплеунос со вторичным паром. Допустимая величина уровня в сепараторе определяется объемом сепаратора конкретного аппарата и для большинства аппаратов не превышает одного метра. The length of the section of the insert located above the tube plate determines the level of the solution in the separator, on which droplets with secondary steam depend. The permissible level in the separator is determined by the volume of the separator of a particular device and for most devices does not exceed one meter.

Совокупность указанных отличительных признаков - расположение части цилиндрических вставок в зоне теплообмена и перенос навивки под уровень трубной доски - позволяет обеспечить в заявленном выпарном аппарате стабильную работу аппарата за счет непрерывного отвода вторичного пара из кипятильных трубок. Наличие многоканальной навивки на цилиндрических вставках также способствует увеличению эффективности работы аппарата за счет равномерного распределения пленки раствора по внутренней поверхности кипятильной трубки. The combination of these distinguishing features - the location of the part of the cylindrical inserts in the heat exchange zone and the transfer of the winding under the level of the tube plate - allows us to ensure stable operation of the apparatus in the claimed evaporator due to the continuous removal of the secondary steam from the boiling tubes. The presence of multichannel winding on cylindrical inserts also helps to increase the efficiency of the apparatus due to the uniform distribution of the solution film on the inner surface of the boiling tube.

Предлагаемый выпарной аппарат иллюстрируется чертежами на фиг. 1 и фиг. 2. The proposed evaporator is illustrated in the drawings in FIG. 1 and FIG. 2.

На фиг. 1 представлен общий вид (разрез) выпарного аппарата, на фиг. 2 - пленкообразующая вставка, установленная в верхнем торце кипятильной трубки. In FIG. 1 shows a general view (section) of the evaporation apparatus, in FIG. 2 - film-forming insert installed in the upper end of the boiling tube.

Выпарной аппарат состоит из греющей камеры 1 с патрубком подвода греющего пара 9, кипятильных трубок 15, завальцованных в верхней трубной доске 16, сепаратора 2 с патрубком отвода вторичного пара 8 и патрубком 7 входа циркулирующего раствора, нижней растворной камеры 3 с патрубком 5 ввода исходного раствора в аппарат, циркуляционного насоса 4, в нагнетательной линии которого установлен патрубок 6 отвода упаренного раствора. The evaporator consists of a heating chamber 1 with a heating steam supply pipe 9, boiling pipes 15 rolled in the upper tube plate 16, a separator 2 with a secondary steam removal pipe 8 and a circulating solution inlet pipe 7, a lower solution chamber 3 with a stock solution input pipe 5 in the apparatus, the circulation pump 4, in the discharge line of which is installed a pipe 6 for removal of one stripped off solution.

В верхнем торце каждой кипятильной трубки 15 установлено пленкообразующее распределительное устройство 10, именуемое в дальнейшем вставкой, представляющей собой цилиндрический патрубок 11 с наружной 2-канальной проволочной спиральной навивкой 12. Нижний конец вставки заведен в кипятильную трубку, а верхний возвращается над трубной доской. В таком положении вставка как бы висит в трубке на поперечине 13, опирающейся на трубную доску, а центрирование вставки внутри трубки осуществляется за счет спирали 12. Навивка вставки расположена ниже трубной доски 14. At the upper end of each boiling tube 15, a film-forming distribution device 10 is installed, hereinafter referred to as the insert, which is a cylindrical pipe 11 with an external 2-channel spiral wire winding 12. The lower end of the insert is inserted into the boiling tube, and the upper one returns above the tube plate. In this position, the insert hangs in a tube on a crosspiece 13, which rests on a tube plate, and the insert is centered inside the tube by means of a spiral 12. The insert is wound below the tube plate 14.

Выпарной аппарат работает следующим образом. Циркуляционный насос 4 забирает раствор из нижней растворной камеры 3 и подает его через патрубок 7 в нижнюю часть сепаратора 2, где происходит накопление раствора над верхней трубной доской, причем величина уровня раствора зависит от гидравлического сопротивления спиральной навивки 12. В кипятильную трубку раствор попадает через кольцевой зазор между корпусом вставки и трубкой. Пройдя по спиральному каналу, образованному навивкой 12, раствор в виде тонкой волнистой пленки устремляется вниз по внутренней поверхности трубки. Нагрев и испарение осуществляется за счет теплопередачи от греющего пара. Генерируемый пленкой вторичный пар (выпар) устремляется также вниз, вместе с потоком раствора. Поскольку внизу выхода нет, пар скапливается внутри трубки и выходит вверх, в сепаратор 2 через центральное отверстие корпуса вставки 11. Таким образом вставка выполняет роль разделителя потоков пара и раствора в верхнем торце кипятильной трубки. Для того чтобы вставка удовлетворительно выполняла роль пароотвода выпара из трубки, необходимо, чтобы она была заведена в кипятильную трубку на глубину сечения начала интенсивного кипения, т.е. ориентировочно на величину участка подогрева поступающего раствора до температуры насыщения. При наличии принудительной циркуляции в аппарате раствор поступает в трубки с температурой, близкой к температуре насыщения. Поэтому длина заглубления вставки в кипятильную трубку в этом случае не превышает 0,5 м. The evaporator operates as follows. The circulation pump 4 picks up the solution from the lower solution chamber 3 and delivers it through the pipe 7 to the lower part of the separator 2, where the solution accumulates above the upper tube plate, and the solution level depends on the hydraulic resistance of the spiral winding 12. The solution enters the heating pipe through the annular pipe the gap between the insert body and the tube. Passing along the spiral channel formed by winding 12, the solution in the form of a thin wavy film rushes down the inner surface of the tube. Heating and evaporation is carried out due to heat transfer from heating steam. The secondary vapor (vapor) generated by the film also rushes down, along with the flow of the solution. Since there is no outlet at the bottom, steam accumulates inside the tube and goes up into the separator 2 through the central hole of the insert 11. In this way, the insert acts as a separator for the flow of steam and solution in the upper end of the boiling tube. In order for the insert to satisfactorily perform the role of vapor removal of the vapor from the tube, it is necessary that it be brought into the boiling tube to the depth of the cross section of the beginning of intense boiling, i.e. approximately by the size of the heating section of the incoming solution to the saturation temperature. In the presence of forced circulation in the apparatus, the solution enters the tubes with a temperature close to the saturation temperature. Therefore, the depth of insertion into the boiling pipe in this case does not exceed 0.5 m.

Наличие уровня над верхней трубной доской является необходимым условием равномерного распределения раствора по всем кипятильным трубкам. Указанный уровень поддерживается за счет гидравлического сопротивления спиральной навивки вставки, которое не должно превышать длину конца вставки, выступающего над верхней трубной доской, во избежание залива вставок раствором через верх. Учитывая, что при наличии циркуляционного насоса поверхность уровня раствора в сепараторе не является спокойной (гладкой), выступающие концы вставок должны иметь длину не менее 15 см. The presence of a level above the upper tube plate is a prerequisite for a uniform distribution of the solution over all boiling tubes. The specified level is maintained due to the hydraulic resistance of the spiral winding of the insert, which should not exceed the length of the end of the insert, protruding above the upper tube plate, in order to avoid filling the inserts with a solution through the top. Given that in the presence of a circulation pump, the surface of the level of the solution in the separator is not calm (smooth), the protruding ends of the inserts should have a length of at least 15 cm.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при реконструкции аппаратов с восходящей пленкой раствора, широко применяемых в настоящее время, в аппараты с падающей пленкой, обладающих теплопередачей. The present invention can be used in the reconstruction of devices with an ascending film of a solution, widely used at present, in devices with a falling film, with heat transfer.

Промышленные испытания описываемых аппаратов с падающей пленкой в составе пятикорпусной противоточной батареи были проведены на глиноземном заводе. Аппараты с падающей пленкой были получены путем реконструкции двух аппаратов типа "Кестнер" с восходящей пленкой. По данным испытаний было зафиксировано среднее повышение производительности выпарной установки по исходному раствору на 12%. Industrial tests of the described falling-film apparatuses as part of a five-body countercurrent battery were carried out at an alumina refinery. Devices with a falling film were obtained by reconstructing two devices of the Kestner type with an ascending film. According to tests, an average increase in the productivity of the evaporation plant in the initial solution by 12% was recorded.

Также созданный в соответствии с материалами заявки опытный выпарной аппарат в настоящее время проходит испытания на растворах целлюлозного производства в составе действующей выпарной батареи Котласского ЦБК. Also, an experimental evaporator created in accordance with the application materials is currently being tested on solutions of cellulose production as part of the existing evaporator battery of the Kotlas Pulp and Paper Mill.

Claims

1. Evaporator containing a heating chamber with vertical boiling tubes rolled in the upper and lower tube boards, a secondary steam separator located above the heating chamber, a lower solution chamber located under the heating chamber, and a set of cylindrical film-forming inserts equipped with external multi-channel coils installed in each boiling tube, characterized in that the inserts are located above and below the upper tube plate, while the external spiral coils are below the upper tube second board, and part of the length of film-forming cylindrical inserts located below the upper tube plate is determined by the formula:

where G is the flow rate of the evaporated solution in the boiling tube, kg / s;
C is the heat capacity of the solution, J / (kg • deg.);
F ₁ - the surface of one meter of the length of the heating pipe;
k is the heat transfer coefficient at the site of heating the solution to the boiling point, J / (m ² • deg. • s);
t _I - the temperature of the solution at the entrance to the boiling pipe, deg .;
t _to - the boiling point of the solution inside the boiling tube, deg .;
t _n - saturation temperature of heating steam, deg.

2. The evaporation apparatus according to claim 1, characterized in that the external spiral windings of each film-forming insert have a hydraulic resistance not exceeding the length of the upper end of the insert.