RU2185868C1

RU2185868C1 - Centrifugal evaporating unit

Info

Publication number: RU2185868C1
Application number: RU2001109580/12A
Authority: RU
Inventors: Г.В. Вавилов; В.Н. Блиничев; Е.Н. Калинин; В.В. Козлов
Original assignee: Вавилов Геннадий Валентинович
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2002-07-27

Abstract

FIELD: finishing jobs in textile industry; concentration and evaporation of material solutions. SUBSTANCE: proposed unit has heating element of parabolic profile with spiral-shaped blades on outlet side; it is provided with system for axial loading of solution; thermal agent supply and discharge branch pipes are located on shell of heat exchange apparatus in diametrically opposite position. EFFECT: enhanced efficiency of evaporation of material solution, caustic soda, for example. 3 dwg

Description

Изобретение относится к отделочному производству текстильной промышленности и может быть использовано в процессах концентрирования и выпаривания материальных растворов. The invention relates to the finishing production of the textile industry and can be used in the processes of concentration and evaporation of material solutions.

Известны устройства [1,2] интенсификации процесса выпаривания и концентрирования растворов в текстильной, пищевой и химической промышленностях, содержащие теплообменный аппарат, испарительную емкость, системы загрузки и выгрузки материального раствора, а также линии подвода теплового агента и отвода отработанных газовой и паровой сред. Known devices [1,2] for the intensification of the process of evaporation and concentration of solutions in the textile, food and chemical industries, containing a heat exchanger, an evaporation tank, a system for loading and unloading a material solution, as well as a supply line for a heat agent and removal of exhaust gas and steam media.

Недостатками этих устройств являются большие энерго- и металлоемкость, габариты, необходимость использования вспомогательного оборудования, снижающего КПД и КПВ технологического процесса. The disadvantages of these devices are large energy and metal consumption, dimensions, the need to use auxiliary equipment that reduces the efficiency and efficiency of the process.

В качестве прототипа выбрано устройство [3], представляющее собой вертикальный корпус, на днище которого установлена вертикальная емкость с греющим элементом в виде воронки, соединенной с вертикальным валом, взаимодействующим с электроприводом. Подпорное устройство, установленное на валу, имеет форму перевернутого стакана и обеспечивает интенсивный отвод вторичного пара. As a prototype, a device [3] was selected, which is a vertical housing, on the bottom of which a vertical tank with a heating element in the form of a funnel connected to a vertical shaft interacting with the electric drive is installed. The retaining device mounted on the shaft has the shape of an inverted cup and provides intensive secondary steam removal.

Недостатками данного устройства являются низкая удельная производительность процесса выпаривания по причине подачи выпариваемого раствора от периферии к оси вращающегося греющего элемента (в направлении, противоположном действию центробежных сил, увеличивающихся по мере возрастания плотности выпариваемого раствора), низкий термический коэффициент полезного действия (использования тепловой энергии) теплового агента в теплообменном аппарате. The disadvantages of this device are the low specific productivity of the evaporation process due to the supply of the evaporated solution from the periphery to the axis of the rotating heating element (in the opposite direction to the action of centrifugal forces, increasing with increasing density of the evaporated solution), low thermal coefficient of efficiency (use of thermal energy) of thermal agent in a heat exchanger.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса выпаривания материального раствора, например едкого натра, за счет увеличения производительности по массе выпариваемого раствора. The technical result of the invention is to increase the efficiency of the process of evaporation of a material solution, for example sodium hydroxide, by increasing the productivity by weight of the evaporated solution.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве выпарном центробежного типа, содержащем корпус, вал с установленным на нем греющим элементом, днище, системы циркуляции теплового агента материального раствора, и вторичного пара, с патрубками, согласно изобретению, греющий элемент выполнен по форме, имеющей параболический профиль, с внешней стороны которого размещены спиралевидные лопасти, и имеет систему осевой загрузки раствором, а патрубки подачи и отвода теплового агента расположены на корпусе теплообменного аппарата диаметрально противоположно. The specified technical result is achieved in that in a centrifugal evaporator type device comprising a housing, a shaft with a heating element installed on it, a bottom, a circulation system of the heat agent of the material solution, and secondary steam, with pipes, according to the invention, the heating element is made in the form having a parabolic profile, on the external side of which spiral-shaped blades are placed, and has an axial loading system with a solution, and nozzles for supplying and removing a heat agent are located on the body of the heat exchange apparatus that is diametrically opposed.

На фиг.1 изображен разрез общего вида устройства; на фиг.2 - схема действия сил на элементарную частицу раствора; на фиг.3 - принципиальная схема циркуляционных контуров рабочих сред процесса регенерации материального раствора. Figure 1 shows a section of a General view of the device; figure 2 - diagram of the action of forces on the elementary particle of the solution; figure 3 is a schematic diagram of the circulation circuits of the working environment of the process of regeneration of the material solution.

Устройство содержит корпус 1 (фиг.1) с ложным днищем 2, являющимся остовом теплообменного аппарата 3, оснащенного расположенными в диаметрально противоположном направлении патрубками: 4 - для подачи исходного и 5 - для отвода отработанного теплового агента, в качестве которого используются продукты сгорания природного газа, обеспечивающие передачу тепловой энергии поверхности греющего элемента 6, имеющего параболический поперечный профиль, соответствующий форме свободной поверхности жидкости, находящейся во вращающемся сосуде. На внешней поверхности греющего элемента 6 (со стороны теплообменного аппарата) закреплены спиралевидные лопасти 7, обеспечивающие интенсивный процесс передачи теплоты греющему элементу от теплового агента за счет турбулизации его потоков путем создания дополнительных аэродинамических сопротивлений, а также увеличением пути прохода теплоагента в теплообменном аппарате. Греющий элемент 6 установлен на вертикальном валу 8 с возможностью вращения в направлении вектора угловой скорости ω, который противоположен направлению вектора v скорости потока теплового агента, при взаимодействии с ротационным приводом 9. В нижней части греющего элемента 6 расположена система осевого питания, состоящая из патрубка 10, обеспечивающего его осевую загрузку за счет подачи исходного раствора 11 из питающей емкости 12, и патрубка 13, обеспечивающего подачу выпариваемого раствора с пониженной концентрацией от технологического оборудования. The device comprises a housing 1 (Fig. 1) with a false bottom 2, which is the skeleton of a heat exchanger 3, equipped with nozzles located in the diametrically opposite direction: 4 - for supplying the source and 5 - for removing the spent heat agent, which uses natural gas combustion products providing the transfer of thermal energy to the surface of the heating element 6 having a parabolic transverse profile corresponding to the shape of the free surface of the liquid located in the rotating vessel. Spiral blades 7 are fixed on the outer surface of the heating element 6 (from the side of the heat exchanger), providing an intensive process of transferring heat to the heating element from the heat agent by turbulizing its flows by creating additional aerodynamic drags, as well as by increasing the path of the heat agent in the heat exchanger. The heating element 6 is mounted on a vertical shaft 8 with the possibility of rotation in the direction of the angular velocity vector ω, which is opposite to the direction of the thermal agent flow velocity vector v, when interacting with the rotary drive 9. At the bottom of the heating element 6 is an axial power system consisting of a nozzle 10 providing its axial loading due to the supply of the initial solution 11 from the supply tank 12, and the pipe 13, providing the supply of the evaporated solution with a reduced concentration from the technological equipment.

Нижняя часть корпуса 1 представляет собой торообразную накопительную емкость 14, в которую осуществляется разгрузка концентрированного раствора с периферии греющего элемента 6 с возможностью подачи раствора в технологическое оборудование через патрубок 15. The lower part of the housing 1 is a toroidal storage tank 14, into which the concentrated solution is unloaded from the periphery of the heating element 6 with the possibility of feeding the solution into the processing equipment through the pipe 15.

Верхняя часть корпуса отделена от нижней перфорированной диафрагмой 16 с лопастями 17, установленными на вертикальном валу 8 с возможностью вращательного движения, обеспечивающего подвижность паровой среды с целью интенсификации процесса фазового перехода раствора и удаления водяного пара из устройства через патрубок 18. The upper part of the housing is separated from the lower perforated diaphragm 16 with blades 17 mounted on a vertical shaft 8 with the possibility of rotational movement, providing mobility of the vapor medium in order to intensify the process of phase transition of the solution and remove water vapor from the device through the pipe 18.

Герметичность объемов устройства с различными фазовыми состояниями сред обеспечивается уплотнениями: 19 - между корпусом 1 и перфорированной диафрагмой 16; 20 - между ложным днищем 2 и греющим элементом 6; 21 - между патрубком 10 греющего элемента и ложным днищем 2. The tightness of the volume of the device with different phase states of the media is provided by seals: 19 - between the housing 1 and the perforated diaphragm 16; 20 - between the false bottom 2 and the heating element 6; 21 - between the pipe 10 of the heating element and the false bottom 2.

Устройство работает следующим образом. Исходный материальный раствор 11 (фиг. 1) (например, водный раствор едкого натра) с пониженным уровнем концентрации, например, после использования в процессе мерсеризации полотна ткани в поточной лини типа ЛМЦ-180, поступает в питающую емкость 12 под избыточным гидростатическим давлением, где подогревается до заданной температуры за счет передачи теплоты от теплообменного аппарата 3, использующего тепловую энергию продуктов сгорания природного газа (например от газоотапливающей машины с факельными горелками), поступающего через патрубок 4 в теплообменный аппарат 3, в котором его потоки турбулизируются благодаря воздействию спиралевидных лопастей 7, расположенных на внешней поверхности греющего элемента 6, установленного на вертикальном валу 8, вращающегося от ротационного привода 9, например электрического. Причем направление вектора угловой скорости со рабочей части лопастей 7 противоположно направлению вектора v скорости потока теплового агента, что обеспечивает дополнительное аэродинамическое сопротивление в теплообменном аппарате. Тем самым достигается увеличение термического КПД теплообменного аппарата 3, чему также способствует диаметрально противоположное относительно подводящего патрубка 4 расположение патрубка 5, через который отводится отработанный тепловой агент, увеличивающее путь частиц в потоке теплового агента. The device operates as follows. The initial material solution 11 (Fig. 1) (for example, an aqueous solution of caustic soda) with a reduced level of concentration, for example, after using fabric in the mercerization process in a production line of the LMC-180 type, enters the supply tank 12 under excessive hydrostatic pressure, where it is heated to a predetermined temperature due to heat transfer from a heat exchanger 3 using the thermal energy of natural gas combustion products (for example, from a gas-heating machine with torch burners) supplied through a pipe 4 to a heat exchanger 3, in which its flows are turbulized due to the action of spiral blades 7 located on the outer surface of the heating element 6 mounted on a vertical shaft 8, rotating from a rotary drive 9, for example, an electric one. Moreover, the direction of the angular velocity vector from the working part of the blades 7 is opposite to the direction of the thermal agent flow velocity vector v, which provides additional aerodynamic drag in the heat exchanger. Thereby, an increase in the thermal efficiency of the heat exchanger 3 is achieved, which is also facilitated by the diametrically opposite relative to the supply pipe 4 the location of the pipe 5, through which the spent heat agent is removed, which increases the particle path in the heat agent stream.

Загрузка греющего элемента 6 выпариваемым раствором осуществляется под действием внутренних сил, обусловленных процессом теплового расширения раствора, совместно с силами гидростатического давления, под действием которых материальный раствор через систему осевого питания, состоящую из патрубка 10, поступает на внутреннюю поверхность вращающегося греющего элемента 6, имеющего параболический поперечный профиль, соответствующий форме свободной поверхности жидкости, находящейся во вращающемся сосуде, выражаемой уравнением с параметрами, задаваемыми применительно к условиям эксплуатации устройства, и его геометрией
z = ω²r²/2g,
где ω, r - угловая скорость вращения и текущий радиус внутренней поверхности греющего элемента 6 соответственно.The loading of the heating element 6 with the evaporated solution is carried out under the action of internal forces due to the process of thermal expansion of the solution, together with the forces of hydrostatic pressure, under the influence of which the material solution through the axial feed system, consisting of pipe 10, enters the inner surface of the rotating heating element 6 having a parabolic transverse profile corresponding to the shape of the free surface of a liquid located in a rotating vessel, expressed by the equation with the parameter and definable in relation to the operating conditions of the device and its geometry
z = ω ² r ² / 2g,
where ω, r is the angular velocity of rotation and the current radius of the inner surface of the heating element 6, respectively.

Температурное объемное расширение раствора, избыточное гидростатическое давление внутри него, параболическая форма греющего элемента и действующие центробежные силы создают условия, обеспечивающие растекание выпариваемого раствора по поверхности греющего элемента 6 в виде пленки, толщина которой определяется, с одной стороны, скоростью испарения воды из раствора, например щелочи, а с другой - от угловой скорости ω вращения греющего элемента 6, текущего радиуса r положения частиц раствора на его поверхности и величины гидростатического давления в системе питания устройства выпариваемым раствором, препятствующих образованию осадка - твердой фазы раствора. The temperature volume expansion of the solution, the excess hydrostatic pressure inside it, the parabolic shape of the heating element and the acting centrifugal forces create conditions that allow the evaporated solution to spread over the surface of the heating element 6 in the form of a film, the thickness of which is determined, on the one hand, by the rate of evaporation of water from the solution, for example alkali, and on the other hand, from the angular velocity ω of rotation of the heating element 6, the current radius r of the position of the particles of the solution on its surface and the magnitude of the hydrostatic pressure in the power supply system of the device with an evaporated solution, preventing the formation of a precipitate - the solid phase of the solution.

По мере перемещения выпариваемого раствора по поверхности греющего элемента 6 от оси к его периферии происходит увеличение его плотности (концентрации), способствующей увеличению центробежной силы Р (фиг.2) и ее составляющей - движущей силы Р_д и как следствие рост производительности устройства.As the evaporated solution moves along the surface of the heating element 6 from the axis to its periphery, its density (concentration) increases, which contributes to an increase in the centrifugal force P (Fig. 2) and its component, the driving force R _d, and as a result, an increase in the productivity of the device.

Разгрузка греющего элемента 6 осуществляется с его периферии в торообразную накопительную емкость 14 и последующее распределение регенерированного раствора через патрубок 15 потребителю. The unloading of the heating element 6 is carried out from its periphery into a toroidal storage tank 14 and the subsequent distribution of the regenerated solution through the pipe 15 to the consumer.

Удаление испаренной из материального раствора влаги осуществляется через верхнюю часть корпуса, отделенную от нижней части перфорированной диафрагмой 16 с вертикальными лопастями 17, установленными на вертикальном валу 8, приводимом во вращение приводом 9. Тем самым обеспечивается подвижность паровой среды с целью интенсификации процесса фазового перехода раствора и удаления водяного пара из верхней части корпуса 1 устройства через патрубок 18. Также снижается возможность ремиссии испаренной влаги в регенерированный раствор как на поверхности греющего элемента 6, так и в накопительной емкости 14. The moisture evaporated from the material solution is carried out through the upper part of the casing, separated from the lower part by a perforated diaphragm 16 with vertical blades 17 mounted on a vertical shaft 8, driven by rotation of the drive 9. This ensures the mobility of the vapor medium in order to intensify the process of phase transition of the solution and removal of water vapor from the upper part of the housing 1 of the device through the nozzle 18. Also reduces the possibility of remission of the evaporated moisture in the regenerated solution as before ited heating element 6 and in the storage tank 14.

Таким образом, повышается эффективность (производительность) процесса регенерации материального раствора 11 путем повышения его концентрации при выпаривании воды за счет загрузки греющего элемента 6 выпариваемым раствором от его оси к периферии при оптимальных условиях растекания пленки выпариваемого раствора по поверхности греющего элемента, имеющего поперечный профиль, выполненный в соответствии с формой свободной поверхности жидкости, находящейся во вращающемся сосуде, и колинеаризации векторов составляющих от вектора центробежной скорости и центробежной силы Р_д, выступающей в роли движущей, действующих на частицы раствора, плотность которого находится в прямой зависимости от величины радиуса положения на греющем элементе. Разгрузка греющего элемента 6 осуществляется с его периферии в торообразную накопительную емкость 14 корпуса.Thus, the efficiency (productivity) of the process of regeneration of the material solution 11 is increased by increasing its concentration during the evaporation of water by loading the heating element 6 with the evaporated solution from its axis to the periphery under optimal conditions for the film of the evaporated solution to spread over the surface of the heating element having a transverse profile made in accordance with the shape of the free surface of the liquid in the rotating vessel, and colinearization of the vectors constituting the centrifugal vector speed and centrifugal force R _d , acting as a driving force acting on the particles of the solution, the density of which is directly dependent on the value of the radius of the position on the heating element. The unloading of the heating element 6 is carried out from its periphery into a toroidal storage tank 14 of the housing.

Отработанный тепловой агент по системе трубопроводов 22 (фиг.3) возвращается в напорную ветвь системы обогрева устройства выпарного 23. Материальный раствор после процесса выпаривания (регенерации) из устройства выпарного 23 по трубопроводу 24 поступает потребителю 25, например технологической линии, для отбеливания хлопчатобумажной ткани. Водяной пар из устройства выпарного 24 по трубопроводу 26 поступает к потребителю 25. The spent heat agent through the piping system 22 (Fig. 3) is returned to the pressure branch of the heating system of the evaporator 23. The material solution after the evaporation (regeneration) process from the evaporator 23 is piped 24 to the consumer 25, for example, a production line, for bleaching cotton fabric. Water vapor from the evaporator 24 through the pipeline 26 enters the consumer 25.

Таким образом, системы, обеспечивающие процесс регенерации материального раствора, например раствора едкого натра, образуют замкнутые циркуляционные контуры, исключающие негативное влияние технологических сред на окружающую среду и на условия труда при эксплуатации оборудования в производстве. Thus, systems providing the process of regeneration of a material solution, for example, sodium hydroxide solution, form closed circulation circuits, eliminating the negative impact of technological environments on the environment and on working conditions when operating equipment in production.

Источники информации:
1. Патент ФРГ 3026130, кл. В 01 D 1/22, 1982.Sources of information:
1. The patent of Germany 3026130, cl. B 01 D 1/22, 1982.

2. Авторское свидетельство СССР 1274699, МКИ В 01 D 1/22, 1986. 2. Copyright certificate of the USSR 1274699, MKI B 01 D 1/22, 1986.

3. Авторское свидетельство СССР 1588427, МКИ В 01 D 1/22, 1990. 3. Copyright certificate of the USSR 1588427, MKI B 01 D 1/22, 1990.

Claims

A centrifugal evaporator type device comprising a housing, a shaft with a heating element of a heat exchanger installed on it, a bottom, a circulation system of a heat agent, a material solution and a secondary steam, with nozzles, characterized in that the heating element is made in the shape of a parabolic profile with an external the sides of which are spiral-shaped blades, and has a system of axial loading of the solution, and the nozzles for supplying and removing the heat agent are located diametrically opposite on the casing of the heat exchanger about.