RU2153381C1

RU2153381C1 - Device for conduction of heat-, mass-exchange and reaction processes

Info

Publication number: RU2153381C1
Application number: RU99116372A
Authority: RU
Inventors: Николай Андреевич Янковский; Николай Петрович Перепадья; Сергей Васильевич Мазниченко; Александр Владимирович Туголуков; Валерий Андреевич Степанов; Николай Васильевич Подерягин; Леонид Иванович Шутенко; Леонид Федорович Енин; Светлана Ефимовна Белецкая
Original assignee: Горловское открытое акционерное общество "Концерн Стирол"
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2000-07-27
Also published as: UA44364C2

Abstract

FIELD: chemical, petrochemical and allied industries. SUBSTANCE: device relates to devices used in conduction of heat, mass-exchange and reaction processes in gas (steam)-liquid system, conduction of liquid-phase exothermic and endothermic reactions, particularly, for distillation. The device has a receiver of circulation initial liquid, vertical tubular heat exchanger, separator of steam-liquid phase, receiver of secondary steam successively connected in line of steam-gas mixture. Vertical tubular heat exchanger is made in the form of heating tubes accommodating concentrically located multistage film-moving attachment in the form of central tubes of small diameter with holes spaced between rows. Attached above rows of holes are bushings with step inner diameter and installed in a spaced relation of inner surface of heating tube to bushing external surface and spaced relation of bushing internal surface and external surface of central tube. Upper part of central tubes has supporting-centering bushings and their lower part has centering ribs. Upper part of heating tubes has vertical slots. The device allows to increase production and economic efficiency, reduce specific power consumption, intensify heat-, mass-exchange processes, utilize waste steam of low-temperature potential after steam turbines, large- capacity units producing ammonium and methanol, or thermal power stations, reduce resistance of steam flow in tubular members of heat exchanger by a factor of two. EFFECT: higher efficiency of device operation. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для проведения тепло-, массообменных и реакционных процессов в системе газ (пар) - жидкость, при проведении жидкофазных экзо-, эндотермических реакций, в частности для дистилляции, и может быть использовано в химической, нефтехимической и смежных с ними областях промышленности. The invention relates to devices for carrying out heat, mass transfer and reaction processes in a gas (steam) - liquid system, during liquid-phase exo-, endothermic reactions, in particular for distillation, and can be used in chemical, petrochemical and related industries .

Известно устройство для проведения тепло-, массообменных и реакционных процессов. Устройство содержит цилиндрический корпус теплообменника, трубные доски, в которых закреплены теплообменные трубки, верхние и нижние трубные решетки для крепления контактных трубок, распределительные трубки, патрубки ввода и вывода теплоагента, ввода исходного раствора и вывода указанного раствора и дистиллята, ввода греющего пара, вывода конденсата и подключения вакуума. [1. А. с.СССР N 1703160, МКИ B 01 D 1/06, 1/22, опуб. 07.01.92 БИ N1]. В межтрубное пространство теплообменника вводится снизу вверх теплоагент, сверху вниз через патрубок в трубное пространство подается греющий пар, а исходный раствор в виде тонкой пленки сверху вниз поступает на наружную поверхность контактных трубок через специальный пленкообразователь. В трубном пространстве теплообменника, между основными и контактными трубками, поддерживается вакуум определенный величины, при котором происходит интенсивное испарение раствора с поверхности контактных труб. Образовавшиеся пары конденсируются на внутренней поверхности теплообменных трубок и в виде дистиллята стекают в нижнюю часть устройства и отводятся через выводной патрубок. Упаренный раствор стекает по наружной поверхности контактных трубок, собирается в сборнике и также через выводной патрубок выводится из устройства. A device for conducting heat, mass transfer and reaction processes. The device comprises a cylindrical body of a heat exchanger, tube boards in which heat transfer tubes are fixed, upper and lower tube grids for attaching contact tubes, distribution tubes, heat agent inlet and outlet nozzles, initial solution inlet and outlet for said solution and distillate, heating steam inlet, condensate outlet and connecting the vacuum. [1. A. s.SSSR N 1703160, MKI B 01 D 1/06, 1/22, publ. 01/07/92 BI N1]. The heat agent is introduced from bottom to top in the annulus of the heat exchanger, heating steam is supplied from top to bottom through the pipe into the tube space, and the initial solution in the form of a thin film is fed from top to bottom on the outer surface of the contact tubes through a special film former. In the tube space of the heat exchanger, between the main and contact tubes, a certain vacuum is maintained at which intensive evaporation of the solution from the surface of the contact tubes occurs. The resulting vapors condense on the inner surface of the heat transfer tubes and, in the form of a distillate, flow into the lower part of the device and are discharged through the outlet pipe. One stripped off solution flows down the outer surface of the contact tubes, is collected in the collector and is also discharged from the device through the outlet pipe.

Недостатками устройства являются низкий коэффициент полезного действия в силу чувствительности контактных трубок к отклонению их от вертикального положения, т. е. отрыв пленки раствора от поверхности контактных трубок, а также снижение качества дистиллята в результате попадания отдельных брызг раствора с поверхности контактных трубок в процессе кипения-испарения. The disadvantages of the device are the low efficiency due to the sensitivity of the contact tubes to deviate from the vertical position, i.e., the separation of the film of the solution from the surface of the contact tubes, as well as a decrease in the quality of the distillate due to the ingress of separate spray of solution from the surface of the contact tubes during boiling evaporation.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для проведения тепло-, массообменных и реакционных процессор, содержащее вертикальный трубчатый теплообменник с пленкообразующей насадкой, сепаратор парожидкостной фазы, сборник циркуляционной воды, коллектор вторичного пара, циркуляционный насос, соединительные трубопроводы и технологические патрубки. Причем упариваемый раствор в пленкообразующую насадку подается под избыточным давлением. [2. А.с. СССР N 1621994, МКИ В 01 D 1/22, БИ N3 1987 г.- прототип]. The closest in technical essence and the achieved effect is a device for conducting heat, mass transfer and reaction processor, containing a vertical tubular heat exchanger with a film-forming nozzle, a vapor-liquid phase separator, a circulation water collector, a secondary steam collector, a circulation pump, connecting pipelines and process pipes. Moreover, the evaporated solution in the film-forming nozzle is supplied under excess pressure. [2. A.S. USSR N 1621994, MKI B 01 D 1/22, BI N3 1987 - prototype].

Исходная жидкость принудительно подается на пленкообразующую насадку, где формируется и далее в виде равномерной пленки стекает вниз по внутренней поверхности полых трубок пленкообразователя и вертикальных трубок теплообменника. Пары, образовавшиеся при выпаривании жидкости, поступают в сепаратор и удаляются через паровой патрубок. The initial liquid is forcedly supplied to the film-forming nozzle, where it is formed and then flows down the inner surface of the hollow tubes of the film former and the vertical tubes of the heat exchanger in the form of a uniform film. Vapors formed during evaporation of the liquid enter the separator and are removed through the steam pipe.

Недостатками устройства являются ограниченность по производительности вследствие увеличения сопротивления выходу парожидкостной фазы в сепаратор в районе пленкообразующей насадки в одну сторону - снизу вверх и, как следствие, увеличение теплоэнергетических затрат. В процессе работы не исключена возможность отрыва пленки с внутренней поверхности труб. The disadvantages of the device are limited performance due to increased resistance to the exit of the vapor-liquid phase into the separator in the region of the film-forming nozzle in one direction - from the bottom up and, as a result, an increase in heat energy costs. In the process, the possibility of tearing the film from the inner surface of the pipes is not ruled out.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для проведения тепло-, массобменных и реакционных процессов путем создания вакуума определенной величины в межтрубном и трубном пространстве теплообменника, что обеспечивает интенсивное испарение жидкости с внутренней поверхности теплообменных труб независимо от их длины и даже при некотором отклонении теплообменных труб от вертикального положения, направление образовавшейся парожидкостной смеси к источникам вакуумирования с обоих концов теплообменных элементов, что увеличивает время контактирования ползущей сверху вниз пленки с греющей поверхностью трубок, интенсифицирует процесс тепло- и массообмена, повышает эффективность устройства в целом. The basis of the invention is the task of improving the device for carrying out heat, mass transfer and reaction processes by creating a vacuum of a certain size in the annulus and tube space of the heat exchanger, which provides intensive evaporation of liquid from the inner surface of the heat exchange pipes, regardless of their length and even with some deviation of the heat transfer pipes from vertical position, the direction of the resulting vapor-liquid mixture to the vacuum sources from both ends of the heat exchange element s, which increases the contact time of the film creeping from top to bottom with the heating surface of the tubes, intensifies the process of heat and mass transfer, increases the efficiency of the device as a whole.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для проведения тепло-, массообменных и реакционных процессов, содержащем последовательно соединенные между собой по линии парогазовой смеси сборник циркуляционной исходной жидкости, трубчатый вертикальный теплообменник, сепаратор газожидкостной (парожидкостной) фазы, коллектор вторичного (сокового) пара, циркуляционный насос, соединительные трубопроводы и технологические патрубки для подвода исходной циркуляционной жидкости, греющего агента, создания вакуума, для отвода инертных газов, концентрированного раствора и конденсата, вывода вторичного (сокового) пара, согласно предлагаемой конструкции, трубчатый вертикальный теплообменник выполнен в виде греющих труб, внутри которых концентрично расположена многокаскадная пленкообразующая насадка, представляющая собой центральные трубки меньшего диаметра, с отверстиями, расположенными с шагом h между рядами, над рядами отверстий закреплены втулки, ступенчатые по внутреннему диаметру, установленные с зазором между внутренней поверхностью греющей трубки и наружной поверхностью втулки и с зазором σ между внутренний поверхностью втулки и наружной поверхностью центральной трубки, в верхней части центральные трубки снабжены опорно-центрирующими втулками, а в нижней - центрирующими ребрами, в верхней части греющих трубок выполнены вертикальные щели, в верхней части теплообменника и нижней, между теплообменником и сборником циркуляционной исходной жидкости, расположены соответственно верхняя и нижняя сепарационные камеры, соединенных с сепаратором, сепаратор расположен над теплообменником, между верхней сепарационной камерой и коллектором вторичного (сокового) пара и имеет тангенциальный вход из обеих сепарационных камер. The problem is achieved in that in a device for conducting heat, mass transfer and reaction processes, containing a collection of circulating initial liquid, a tubular vertical heat exchanger, a separator of gas-liquid (vapor-liquid) phase, a collector of secondary (juice) steam, which are connected sequentially interconnected via a gas-vapor mixture circulation pump, connecting pipelines and process pipes for supplying the initial circulation fluid, heating agent, creating a vacuum, for inert discharge x gases, concentrated solution and condensate, the output of the secondary (juice) steam, according to the proposed design, the tubular vertical heat exchanger is made in the form of heating pipes, inside which a multicascade film-forming nozzle is concentrically located, which is the central tubes of a smaller diameter, with holes located in increments of h between the rows, above the rows of holes fixed bushings, stepped in inner diameter, installed with a gap between the inner surface of the heating tube and externally the central surface of the sleeve and with a gap σ between the inner surface of the sleeve and the outer surface of the central tube, in the upper part the central tubes are equipped with support-centering bushings, and in the lower part there are centering ribs, vertical slots are made in the upper part of the heating tubes, in the upper part of the heat exchanger and the lower between the heat exchanger and the collector of the circulating feed fluid, respectively, the upper and lower separation chambers are connected to the separator, the separator is located above the heat exchanger, between erhney separating chamber and a secondary collector (juice) and a pair of tangential inlet of the two separation chambers.

Наличие пленкообразующей насадки, выполненной из трубок меньшего диаметра, установленных концентрично, с зазором к трубкам теплообменника дает возможность не только сформировать жидкостную пленку, но и сразу, начиная от торца трубчатого теплообменного элемента, равномерно распределять ее по всей поверхности теплообмена, что улучшает эффективность тепло- и массообмена, повышает производительность аппарата по выпаренной влаге. The presence of a film-forming nozzle made of tubes of smaller diameter installed concentrically, with a gap to the tubes of the heat exchanger makes it possible not only to form a liquid film, but immediately, starting from the end of the tubular heat exchange element, to evenly distribute it over the entire heat exchange surface, which improves the efficiency of heat and mass transfer, increases the productivity of the device by evaporated moisture.

Предлагаемая совокупность конструктивных элементов позволяет создать вакуум в межтрубном и трубном, с обоих концов теплообменных элементов, пространстве теплообменника, что обеспечивает разделение парожидкостной смеси на два потока и направление ее к источникам вакуумирования в противоположных направлениях. При этом создается прямоточно-противоточное контактирование жидкостной пленки с парожидкостной смесью и греющим агентом. Первый контакт пара с жидкостью, стекающей в виде пленки сверху вниз по трубкам, осуществляется в режиме прямотока. В дальнейшем режим - прямоточно-противоточный, что увеличивает время контактирования, интенсифицирует процесс тепло- и массообмена, повышает эффективность, снижает теплонапряженность труб, создает щадящий динамический режим работы трубчатых элементов за счет более равномерного распределения нагрузки по всей поверхности контакта. The proposed set of structural elements allows you to create a vacuum in the annular and tube, from both ends of the heat exchange elements, the space of the heat exchanger, which ensures the separation of the vapor-liquid mixture into two streams and its direction to the vacuum sources in opposite directions. This creates a direct-flow countercurrent contacting of the liquid film with the vapor-liquid mixture and the heating agent. The first contact of the vapor with the liquid flowing in the form of a film from top to bottom through the tubes is carried out in the forward flow mode. In the future, the mode is straight-through-counterflow, which increases the contact time, intensifies the process of heat and mass transfer, increases the efficiency, reduces the heat stress of the pipes, creates a gentle dynamic mode of operation of the tubular elements due to a more uniform load distribution over the entire contact surface.

Выполнение входа в сепаратор тангенциальным ускоряет процесс отделения капель жидкости от парожидкостной смеси. Entering the separator tangentially accelerates the process of separating liquid droplets from the vapor-liquid mixture.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - представлено устройство для проведения тепло-, массообменных и реакционных процессов,
на фиг. 2 - вертикальный разрез А-А устройства на фиг.1,
на фиг. 3 - узел 1 по трубкам на фиг. 2.The invention is illustrated by drawings, where
in FIG. 1 - a device for conducting heat, mass transfer and reaction processes,
in FIG. 2 is a vertical section aa of the device of figure 1,
in FIG. 3 - node 1 along the tubes in FIG. 2.

Устройство для проведения тепло-, массообменных и реакционных процессов содержит сборник 1 циркуляционной исходной упариваемой жидкости, вертикальный трубчатый теплообменник 2, горизонтальный центробежный сепаратор 3 парожидкостной фазы, коллектор 4 вторичного пара (сокового пара), циркуляционный насос 5, соединительные трубопроводы 6,7,8,9,10,11, технологические патрубки для подвода упариваемой жидкости; циркуляционной - 12, свежей исходной - 13, греющего пара 16, в верхней части теплообменника 2 установлена предварительная сепарационная камера 17, а в нижней, между теплообменником 2 и сборником 1, снаружи обечайки сборника, вторая предварительная сепарационная камера 18, сообщающаяся с внутренним пространством сборника 1 отверстиями 19, камера 18 снабжена люком 20. Сборник. 1 снабжен уровнемером 21. На соединительном трубопроводе 6 между сборником 1 и циркуляционным насосом 5 установлен запорный клапан 22. На соединительном трубопроводе 7 установлен запорный клапан 23 и трубопровод 24 с регулирующим клапаном 25 для вывода концентрированного раствора. Вертикальный трубчатый теплообменник 2 со сползающей сверху пленкой содержит греющие трубки 26, внутри которых концентрично смонтирована многокаскадная пленкообразующая насадка, содержащая трубки 27 меньшего диаметра с отверстиями 28 и шагом h = 300-600 мм между рядами по высоте, на которых над рядами отверстий закреплены втулки 29, ступенчатые по внутреннему диаметру и установленные с зазором σ = 1 - 1,5 мм между внутренней поверхностью трубки 26 и наружной поверхностью втулки 29 и с зазором σ₂ между внутренний поверхностью втулки 29 и наружной поверхностью трубки 27, достаточным для свободного прохода вторичного пара, причем между трубками 27 и трубками 26 должен быть обеспечен зазор σ₁, достаточный для размещения ступенчатой втулки 29. Трубки 27, в верхней части, снабжены опорно-центрирующими втулками 30 и в нижней части центрирующими ребрами 31, а греющие трубки 26 в верхней части - вертикальными щелями 32 для прохода выпариваемой жидкости внутрь. Верхняя и нижняя сепарационные камеры 17, 18 при помощи трубопроводов 11 соединены со сборником 1 для удаления из сепаратора брызг, уносимых со вторичным паром, и сообщается со сборным коллектором 4 вторичного пара по оси сепаратора 3. Сепаратор 3 установлен на обслуживающей площадке 33, опирающейся на предварительную сепарационную камеру 17.A device for carrying out heat, mass transfer and reaction processes comprises a collector 1 of a circulating initial evaporated liquid, a vertical tubular heat exchanger 2, a horizontal centrifugal separator 3 of a vapor-liquid phase, a collector 4 of secondary steam (juice vapor), a circulation pump 5, connecting pipelines 6,7,8 , 9,10,11, technological branch pipes for a supply of evaporated liquid; circulation - 12, fresh source - 13, heating steam 16, a preliminary separation chamber 17 is installed in the upper part of the heat exchanger 2, and in the lower, between the heat exchanger 2 and the collector 1, the second preliminary separation chamber 18 communicating with the interior of the collector 1 holes 19, the chamber 18 is equipped with a hatch 20. Collection. 1 is equipped with a level gauge 21. A shut-off valve 22 is installed on the connecting pipe 6 between the collector 1 and the circulation pump 5. A shut-off valve 23 and a pipe 24 with a control valve 25 for discharging the concentrated solution are installed on the connecting pipe 7. The vertical tubular heat exchanger 2 with a film sliding on top contains heating tubes 26, inside of which a multistage film-forming nozzle is concentrically mounted, containing tubes 27 of smaller diameter with holes 28 and a pitch h = 300-600 mm between rows in height, on which bushings 29 are fixed above rows of holes , stepped along the inner diameter and installed with a gap σ = 1 - 1.5 mm between the inner surface of the tube 26 and the outer surface of the sleeve 29 and with a gap σ ₂ between the inner surface of the sleeve 29 and the outer turn the tube 27, sufficient for the free passage of the secondary steam, and between the tubes 27 and the tubes 26 should be provided a gap σ ₁ sufficient to accommodate the stepped sleeve 29. The tubes 27, in the upper part, are equipped with support-centering bushings 30 and in the lower part centering ribs 31, and heating tubes 26 in the upper part - vertical slots 32 for passage of the evaporated liquid inside. The upper and lower separation chambers 17, 18 are connected by pipelines 11 to the collector 1 to remove splashes carried off with the secondary steam from the separator, and communicate with the secondary collector 4 of the secondary steam along the axis of the separator 3. The separator 3 is mounted on a service platform 33, which is supported by preliminary separation chamber 17.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Сначала, до заполнения циркуляционного сборника 1 исходным выпариваемым раствором, например водой, через патрубок 14 в межтрубное пространство вертикального трубчатого теплообменника 2 подается греющий агент (пар) и включается в работу (при использовании тепла низкопотенциального отработанного пара после паровых турбин различного назначения) система ступенчатого раздельного вакуумирования через патрубок 15 по греющему пару и через сборный коллектор 4 более глубокий по вторичному (соковому) пару, затем включается в работу циркуляционный насос 5, который подает упариваемый раствор (воду) через щели 32 внутрь трубок 26, и, при достижении температуры циркуляционного раствора (воды) ниже температуры кипения при заданных условиях по вакууму на 5-10^oC, начинается процесс интенсивного парообразования (испарения) циркуляционной жидкости на внутренней поверхности греющих трубок 26, откуда, вторичный (соковый) пар через отверстия 28 поступает внутрь трубок 27 и далее движется в двух направлениях вверх и вниз через сепарационные камеры 17 и 18 по трубопроводам 8 и 9 в центробежный сепаратор 3, отделяется от брызг и через трубопроводы 10 поступает в сборный коллектор 4 и далее на конденсацию или для других целей. Одновременно при достижении заданной температуры циркуляционного раствора (воды) включается в работу регулирующий клапан 25 для вывода из системы концентрированного раствора, поддержания уровня в сборнике 1. Через штуцер 13 производится подпитка свежим упариваемым раствором (водой).First, before filling the circulating collector 1 with the initial evaporated solution, for example, water, a heating agent (steam) is supplied through the pipe 14 to the annular space of the vertical tubular heat exchanger 2 and is switched on (when using the heat of low-grade exhaust steam after various steam turbines), a separate split-stage system evacuation through the pipe 15 along the heating steam and through the collection manifold 4 deeper in the secondary (juice) pair, then the circulation is switched on pump 5, which feeds the evaporated solution (water) through slots 32 into the tubes 26, and, when the temperature of the circulating solution (water) is lower than the boiling point under specified vacuum conditions by 5-10 ^o C, the process of intensive vaporization (evaporation) of the circulation liquid on the inner surface of the heating tubes 26, from where the secondary (juice) steam through the openings 28 enters the tubes 27 and then moves in two directions up and down through the separation chambers 17 and 18 through pipelines 8 and 9 to the centrifugal separator 3, is separated from the spray and through pipelines 10 enters the collecting manifold 4 and then for condensation or for other purposes. At the same time, when the set temperature of the circulating solution (water) is reached, the control valve 25 is turned on to withdraw the concentrated solution from the system, maintain the level in the collector 1. Through the nozzle 13, freshly evaporated solution (water) is fed.

Таким образом предлагаемая конструкция устройства для проведения тепло-, массообменных и реакционных процессов позволяет утилизировать тепло отработанного пара низкого температурного потенциала после паровых турбин производства, крупнотоннажных агрегатов аммиака, метанола или тепловых электростанций, снизить энергозатраты на единицу продукции, интенсифицировать процесс тепло- и массообмена, значительно (в 2 раза) снизить сопротивление движению пара в трубчатых элементах теплообменника и, как следствие, повысить эффективность, производительность устройства в целом. Thus, the proposed design of the device for carrying out heat, mass transfer and reaction processes allows to utilize the heat of the exhaust steam of low temperature potential after steam turbines of production, large-capacity units of ammonia, methanol or thermal power plants, reduce energy costs per unit of production, intensify the process of heat and mass transfer, significantly (2 times) reduce the resistance to steam movement in the tubular elements of the heat exchanger and, as a result, increase the efficiency, Productivity of the device as a whole.

Claims

1. A device for carrying out heat, mass transfer and reaction processes, comprising a collector of circulating initial liquid, a tubular vertical heat exchanger, a gas-liquid (vapor-liquid) phase separator, a collector of secondary (juice) steam, a circulation pump, connecting pipelines, connected in series to each other through a vapor-gas mixture and technological branch pipes for supplying the initial circulating fluid, heating agent, creating a vacuum, for removing inert gases, concentrated solution and ndensate, output of the secondary (juice) steam, characterized in that the tubular vertical heat exchanger is made in the form of heating pipes, inside which a multicascade film-forming nozzle is concentrically located, which is central tubes of a smaller diameter with holes located with a pitch h between rows, above the rows of holes are fixed sleeve, stepped inner diameter, σ mounted with clearance between the inner surface of the heating tube and the outer surface of the sleeve and σ ₂ with a gap between the inner overhnostyu sleeve and the outer surface of the central tube, the top of the central tube are provided with supporting-centering bushes, and at the bottom - the centering ribs on the top of the heating tubes are made vertical slots.

2. The device according to claim 1, characterized in that in the upper part of the heat exchanger and the lower, between the heat exchanger and the collector of the circulating source fluid, respectively, the upper and lower separation chambers are connected to the separator.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the separator is located above the heat exchanger, between the upper separation chamber and the secondary (juice) steam collector, and has a tangential inlet from both separation chambers.