RU2618875C1

RU2618875C1 - Evaporator film former

Info

Publication number: RU2618875C1
Application number: RU2016134134A
Authority: RU
Inventors: Пётр Михайлович Гаврилов; Игорь Александрович Меркулов; Борис Николаевич Бараков; Юрий Сергеевич Ильиных; Александр Викторович Васильев; Денис Валерьевич Тихомиров
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Горно-химический комбинат" (ФГУП "ГХК")
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2017-05-11

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: film former contains an insert, mounted in the upper part of the heat exchange pipe and attached to the bellows unit spindle, mounted on the evaporator cover. The insert has a tip made of the radiation-resistant and wettable material evaporated by liquid. The tip is made of two conjugate cones: upper reverse and lower direct, at that the lower cone is provided with the cylindrical belt with protruberances, centering the conical tip along the inner surface of the heat exchange pipe. The cap is mounted movably on the insert, on the cap lower end there are grooves along the perimeter. The insert, attached to the bellows unit spindle, is connected by the ribs with adjacent inserts.

EFFECT: remote control of the fluid film thickness, flowing through the heat exchange pipes.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к выпарным аппаратам радиохимических производств, предназначенным для упаривания высокоактивных растворов, а более конкретно к устройствам для создания тонкой пленки в греющих камерах (испарителях), и может найти применение в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.The invention relates to nuclear energy, in particular to evaporators of radiochemical production, designed to evaporate highly active solutions, and more particularly to devices for creating a thin film in heating chambers (evaporators), and can find application in chemical, petrochemical and other industries.

Известно устройство для распределения жидкости (патент №2182029, МПК⁷ B01D 1/22), содержащее вертикальный полый цилиндр, размещенный в кольцевом пространстве между вертикальными цилиндрическими поверхностями и закрепленный верхним концом в трубной решетке. Верхняя часть вертикального цилиндра оборудована кольцевым карманом для приема и расхода жидкости. Вертикальный цилиндр и кольцевой карман по всей окружности на одинаковой высоте имеют по ряду отверстий одинакового диаметра для слива жидкости.A device for distributing liquid (patent No. 2182029, IPC ⁷ B01D 1/22) is known, containing a vertical hollow cylinder located in the annular space between the vertical cylindrical surfaces and fixed with its upper end in the tube sheet. The upper part of the vertical cylinder is equipped with an annular pocket for the reception and flow of fluid. The vertical cylinder and the annular pocket along the entire circumference at the same height have a number of holes of the same diameter for draining the liquid.

При работе известного устройства обрабатываемая жидкость стекает по трубной решетке через карман и ряды отверстий в виде тонкой пленки по внешней и внутренней поверхности вертикального цилиндра. Нагрев цилиндра со стекающей по нему пленкой осуществляется тепловым излучением от трубы и корпуса, нагреваемых в свою очередь теплоносителем.During operation of the known device, the liquid being processed flows down the tube sheet through a pocket and rows of holes in the form of a thin film on the outer and inner surfaces of the vertical cylinder. The heating of the cylinder with the film flowing down on it is carried out by thermal radiation from the pipe and housing, which are in turn heated by the heat carrier.

К недостаткам известного устройства относится его применимость только для низкокипящих жидкостей, в частности фтористого водорода. Определенные для этой жидкости количество и диаметр отверстий в цилиндре и кармане, создающие стекающую тонкую пленку, могут быть не применимы для других жидкостей с более высокой плотностью и вязкостью.The disadvantages of the known device include its applicability only to low boiling liquids, in particular hydrogen fluoride. The number and diameter of the holes in the cylinder and pocket defined for this fluid, creating a flowing thin film, may not be applicable to other fluids with a higher density and viscosity.

Кроме того, наличие застойных зон в карманах ниже отверстий в них затруднит дезактивацию в случае упаривания радиоактивных растворов.In addition, the presence of stagnant zones in pockets below the holes in them will make decontamination difficult in the event of evaporation of radioactive solutions.

Известен пленкообразователь трубчатой насадки пленочного аппарата (патент №2510287, МПК⁷ B01D 3/28, B01D 1/22), установленный в верхней части труб, расположенных между верхней и нижней трубными решетками теплообменного аппарата и выполненный в виде огибающего торец трубы вкладыша, проходное сечение которого по длине трубы увеличивается книзу. На входе вкладыша пленкообразователя соосно с ним и с зазором относительно трубной решетки и верхней части вкладыша установлен охватывающий верхнюю часть вкладыша колпачок. В верхней части колпачка на боковой поверхности выполнены отверстия. На верхней части вкладыша выполнено не менее двух кольцевых впадин.Known film former of the tubular nozzle of the film apparatus (patent No. 2510287, IPC ⁷ B01D 3/28, B01D 1/22) installed in the upper part of the pipes located between the upper and lower tube sheets of the heat exchanger and made in the form of an envelope end face of the liner pipe, the passage section which along the length of the pipe increases downward. At the inlet of the film former, coaxially with it and with a gap relative to the tube sheet and the upper part of the liner, a cap is provided covering the upper part of the liner. Holes are made in the upper part of the cap on the side surface. At least two annular depressions are made on the upper part of the insert.

Известный пленкообразователь работает следующим образом.Known film former operates as follows.

Обрабатываемая жидкость с трубной решетки через зазор между ней и торцом колпачка поступает на вход вкладыша. Затем поток жидкости последовательно поступает в периферийную кольцевую впадину, в которой сглаживаются пульсации потока и происходит равномерное перераспределение жидкости по окружности, а затем в остальные впадины, в которых происходит формирование на входе в трубу равномерной и стабильной пленки жидкости.The processed fluid from the tube sheet through the gap between it and the end of the cap enters the inlet of the liner. Then, the fluid flow sequentially enters the peripheral annular cavity, in which the flow pulsations are smoothed out and the liquid is uniformly redistributed around the circumference, and then into the other cavities, in which a uniform and stable liquid film is formed at the pipe inlet.

Известный пленкообразователь принят заявителем в качестве прототипа.Known film former adopted by the applicant as a prototype.

В известном пленкообразователе толщина пленки зависит от поступающего в пленкообразователь объема жидкости, который, в свою очередь, зависит от перепада высот слоя жидкости на трубной решетке и верхнего торца вкладыша.In the known film former, the film thickness depends on the volume of liquid entering the film former, which, in turn, depends on the difference in height of the liquid layer on the tube sheet and the upper end of the liner.

Для получения стабильно стекающей пленки в известном пленкообразователе необходимо поддерживать определенный уровень жидкости на трубной решетке. При изменении уровня жидкости на трубной решетке, а также плотности и вязкости упариваемой жидкости, толщина стекающей пленки будет изменяться, что может привести либо к струйному истечению жидкости, либо к разрывам тонкой пленки и сокращению поверхности испарения.To obtain a stably flowing film in a known film former, it is necessary to maintain a certain level of liquid on the tube sheet. With a change in the liquid level on the tube sheet, as well as the density and viscosity of the evaporated liquid, the thickness of the falling film will change, which can lead to either jet liquid outflow or rupture of a thin film and a reduction in the evaporation surface.

Кроме того, вкладыши, устанавливаемые в теплообменные трубы, выступают над трубной решеткой, что не позволяет осуществить полный слив жидкости с трубной решетки и затруднит дезактивацию испарителя после упаривания радиоактивных растворов.In addition, the liners installed in the heat exchanger tubes protrude above the tube sheet, which does not allow complete draining of the liquid from the tube sheet and makes it difficult to deactivate the evaporator after evaporation of the radioactive solutions.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является возможность его использования при упаривании высокоактивных растворов.The task to which the proposed device is directed is the possibility of its use in the evaporation of highly active solutions.

Технический результат заключается в дистанционном регулировании толщины пленки жидкости, стекающей по теплообменным трубам.The technical result consists in remote control of the thickness of the film of liquid flowing through heat transfer pipes.

Для достижения указанного технического результата в известном пленкообразователе, включающем вкладыш и колпачок, установленные в верхней части теплообменной трубы, размещенной между трубными решетками в корпусе испарителя с крышкой, вкладыш присоединен к шпинделю сильфонного узла, установленного на крышке испарителя с возможностью дистанционного управления.To achieve the specified technical result in a known film former, including a liner and a cap installed in the upper part of the heat exchanger tube located between the tube sheets in the evaporator body with a cover, the liner is connected to the spindle of the bellows assembly mounted on the evaporator cover with remote control.

Вкладыш снабжен наконечником, выполненным из радиационно-стойкого и не смачиваемого упариваемой жидкостью материала. Наконечник выполнен из двух сопряженных конусов: верхнего обратного и нижнего прямого, причем нижний конус снабжен цилиндрическим пояском с выступами, центрирующими конический наконечник по внутренней поверхности теплообменной трубы. На вкладыше установлен подвижно колпачок, на нижнем торце которого по периметру выполнены пазы.The liner is equipped with a tip made of radiation-resistant and not wettable by the evaporated liquid material. The tip is made of two conjugated cones: the upper inverse and lower straight, and the lower cone is equipped with a cylindrical girdle with protrusions that center the conical tip on the inner surface of the heat transfer pipe. A movable cap is installed on the insert, at the lower end of which along the perimeter grooves are made.

В частном случае исполнения по оси вкладыша выполнено отверстие, сообщающееся с пространством над трубной решеткой выше уровня упариваемой жидкости на ней.In the particular case of execution along the axis of the liner, a hole is made that communicates with the space above the tube sheet above the level of evaporated liquid on it.

В другом частном случае исполнения присоединенный к шпинделю сильфонного узла вкладыш соединен посредством ребер с соседними вкладышами, снабженными наконечниками и колпачками.In another particular embodiment, the liner attached to the spindle of the bellows assembly is connected via ribs to adjacent liners provided with tips and caps.

В другом частном случае исполнения возможность дистанционного управления сильфонным узлом, установленным на крышке испарителя, осуществляется манипулятором или соединением сильфонного узла с приводом с помощью штока.In another particular case of execution, the possibility of remote control of the bellows assembly mounted on the evaporator cover is carried out by the manipulator or by connecting the bellows assembly to the drive.

Присоединение вкладыша к шпинделю сильфонного узла, установленного на крышке испарителя с возможностью дистанционного управления, и снабжение вкладыша наконечником, выполненным из радиационно-стойкого материала, позволяет использовать предлагаемое устройство при упаривании высокоактивных растворов.Attaching the liner to the spindle of the bellows assembly mounted on the evaporator cover with the possibility of remote control, and supplying the liner with a tip made of radiation-resistant material, allows you to use the proposed device when evaporating highly active solutions.

Снабжение вкладыша наконечником, выполненным из не смачиваемого упариваемой жидкостью материала, обеспечивает стекание проходящей через зазор между наконечником и теплообменной трубой жидкости в основном по теплообменной трубе.The supply of the liner with a tip made of a material which is not wettable by the evaporated liquid ensures that the liquid passing through the gap between the tip and the heat exchange pipe flows mainly through the heat exchange pipe.

Наличие в наконечнике верхнего обратного конуса позволяет при вертикальном перемещении вкладыша изменять зазор между обратным конусом наконечника и верхним торцом теплообменной трубы и дистанционно регулировать количество жидкости, протекающей через зазор, а, следовательно, и толщину пленки жидкости с различными плотностью и вязкостью.The presence in the tip of the upper inverse cone allows for vertical movement of the liner to change the gap between the inverse cone of the tip and the upper end of the heat exchanger pipe and remotely control the amount of liquid flowing through the gap, and, consequently, the thickness of the liquid film with different density and viscosity.

Наличие в наконечнике нижнего прямого конуса позволяет перенаправлять попадающую на него жидкость к теплообменной трубе, а выполнение наконечника из не смачиваемого обрабатываемой жидкостью материала способствует этому перенаправлению и формированию устойчивой пленки на теплообменной трубе.The presence of a lower straight cone in the tip makes it possible to redirect the liquid falling on it to the heat exchanger pipe, and the execution of the tip from a material not wettable by the processed liquid facilitates this redirection and the formation of a stable film on the heat exchanger pipe.

Снабжение нижнего конуса цилиндрическим пояском с выступами, центрирующими конический наконечник по внутренней поверхности теплообменной трубы, позволяет получить равномерный зазор как между обратным конусом наконечника и торцом теплообменной трубы, так и между цилиндрическим пояском наконечника и теплообменной трубой, что позволяет сформировать равномерную устойчивую пленку, стекающую по теплообменной трубе после выхода из зазора между цилиндрическим пояском наконечника и теплообменной трубой.The supply of the lower cone with a cylindrical girdle with protrusions centering the conical tip on the inner surface of the heat exchanger pipe allows you to get a uniform gap both between the inverse cone of the tip and the end of the heat exchanger pipe, and between the cylindrical girdle of the tip and the heat exchange pipe, which allows you to form a uniform stable film flowing down heat transfer pipe after leaving the gap between the cylindrical girdle of the tip and the heat transfer pipe.

Установка на вкладыше подвижно колпачка, на нижнем торце которого по периметру выполнены пазы, позволяет при вертикальном перемещении вкладыша в диапазоне регулирования толщины пленки оставлять нижний торец колпачка опирающимся в трубную решетку. Выполненные по периметру колпачка пазы позволяют сглаживать пульсации упариваемой жидкости после ее прохождения через пазы колпачка, обеспечивая ее поступление по периметру зазора между наконечником и теплообменной трубой. В то же время дальнейшее вертикальное перемещение вкладыша вверх выше диапазона регулирования позволяет приподнять нижний торец колпачка над трубной решеткой, что облегчает дезактивацию трубной решетки и предлагаемого устройства.Installing a movable cap on the insert, at the lower end of which along the perimeter grooves are made, allows vertical movement of the insert in the film thickness control range to leave the lower end of the cap resting on the tube sheet. The grooves made around the perimeter of the cap allow smoothing the pulsations of the evaporated liquid after it passes through the grooves of the cap, ensuring its flow along the perimeter of the gap between the tip and the heat exchange tube. At the same time, further vertical movement of the liner up above the control range allows you to raise the lower end of the cap above the tube sheet, which facilitates the decontamination of the tube sheet and the proposed device.

Выполнение по оси вкладыша отверстия, сообщающегося с пространством над трубной решеткой выше уровня упариваемой жидкости на ней, позволяет отводить из испарителя образующийся при испарении жидкости вторичный пар из теплообменной трубы.The execution along the axis of the liner of the hole, communicating with the space above the tube sheet above the level of the evaporated liquid on it, allows the secondary steam formed during the evaporation of the liquid to be removed from the evaporator from the heat exchange pipe.

Соединение вкладыша, соединенного со шпинделем сильфонного узла, посредством ребер с вкладышами и колпачками, установленными в верхней части смежных теплообменных труб, позволяет осуществлять регулирование толщины пленки на нескольких теплообменных трубах.The connection of the liner connected to the spindle of the bellows assembly, by means of ribs with liners and caps installed in the upper part of adjacent heat transfer tubes, allows controlling the film thickness on several heat transfer tubes.

Осуществление дистанционного управления сильфонным узлом, установленным на крышке испарителя, манипулятором или соединением с помощью штока сильфонного узла с приводом позволяет применить предлагаемое устройство при упаривании высокоактивных растворов.The implementation of remote control of the bellows assembly mounted on the evaporator cover, a manipulator or a connection using the rod of the bellows assembly with a drive allows the proposed device to be used for evaporation of highly active solutions.

Изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, фиг. 2, и фиг. 3.The invention is illustrated in the drawings of FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 3.

На фиг. 1 показан предлагаемый пленкообразователь с совместным выводом упаренного раствора и вторичного пара в разрезе;In FIG. 1 shows the proposed film former with a joint conclusion evaporated solution and secondary steam in the context;

на фиг. 2 - предлагаемый пленкообразователь в разрезе с раздельным выводом упаренного раствора и вторичного пара в разрезе;in FIG. 2 - the proposed film former in the context with a separate conclusion evaporated solution and secondary steam in the context;

на фиг. 3 - предлагаемый пленкообразователь с регулированием толщины пленки жидкости, стекающей по нескольким теплообменным трубам.in FIG. 3 - the proposed film former with regulation of the thickness of the film of liquid flowing through several heat transfer pipes.

Предлагаемый пленкообразователь (см. фиг. 1) содержит установленный герметично в крышке 1 испарителя сильфонный узел 2, применяемый в сильфонных клапанах, и соединенный с помощью штока 3 с приводом 4.The proposed film former (see Fig. 1) contains a bellows assembly 2 sealed in the lid 1 of the evaporator, used in bellows valves, and connected via a rod 3 to the actuator 4.

К шпинделю 5 сильфонного узла 2 присоединен вкладыш 6, установленный в верхней части теплообменной трубы 7, присоединенной к трубной решетке 8. Вкладыш 6 снабжен наконечником 9, выполненным из не смачиваемого упариваемой жидкостью материала. При упаривании высокоактивных растворов наконечник 9 изготавливается из радиационно-стойкого материала. Наконечник 9 выполнен в виде двух сопряженных конусов: верхнего обратного конуса 10 и нижнего прямого конуса 11. Нижний конус 11 снабжен цилиндрическим пояском 12, снабженным выступами 13, центрирующими наконечник 9 по внутренней поверхности теплообменной трубы 7. На вкладыше 6 установлен подвижно колпачок 14, на нижнем торце которого по периметру выполнены пазы 15.An insert 6 is mounted to the spindle 5 of the bellows assembly 2, mounted in the upper part of the heat exchanger pipe 7 connected to the tube sheet 8. The insert 6 is provided with a tip 9 made of a material which is not wettable by the evaporated liquid. When evaporating highly active solutions, the tip 9 is made of radiation-resistant material. The tip 9 is made in the form of two conjugate cones: the upper inverse cone 10 and the lower straight cone 11. The lower cone 11 is provided with a cylindrical girdle 12, provided with protrusions 13, centering the tip 9 on the inner surface of the heat transfer tube 7. A movable cap 14 is mounted on the insert 6, on whose lower end along the perimeter are grooves 15.

Во вкладыше 6 (см. фиг. 2) может быть выполнено отверстие 16, соединенное с радиальными отверстиями 17, расположенными выше уровня упариваемой жидкости на трубной решетке 8.In the insert 6 (see Fig. 2), a hole 16 can be made connected to the radial holes 17 located above the level of the evaporated liquid on the tube sheet 8.

Вкладыш 6, присоединенный к шпинделю 5 сильфонного узла 2, может соединяться (см. фиг. 3) посредством ребер 18 с соседними вкладышами 6, снабженными наконечниками 9. Между обратным конусом 10 наконечника 9 и торцом теплообменной трубы 7 образован регулируемый зазор 19.An insert 6 connected to the spindle 5 of the bellows assembly 2 can be connected (see FIG. 3) by means of ribs 18 with adjacent inserts 6 provided with tips 9. Between the inverse cone 10 of the tip 9 and the end of the heat exchange tube 7, an adjustable gap 19 is formed.

При использовании предлагаемого устройства в испарителе (выносной греющей камере), применяемом совместно с сепаратором (на чертежах не показан), вторичный пар и упаренный раствор совместно поступают в сепаратор, где и происходит их разделение. В этом случае отверстия 16 и 17 во вкладышах 6 не выполняются.When using the proposed device in the evaporator (external heating chamber) used in conjunction with a separator (not shown in the drawings), the secondary steam and one stripped off solution enter the separator together, where they are separated. In this case, the holes 16 and 17 in the liners 6 are not made.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Упариваемая жидкость подается на трубную решетку 8, образуя на ней слой определенной высоты, гидравлическое давление которого обеспечивает поступление жидкости через пазы 15, расположенные по периметру колпачка 14, в кольцевой зазор между колпачком 14 и наконечником 9 вкладыша 6. При этом обеспечивается равномерное распределение жидкости по всей площади кольцевого зазора между колпачком 14 и обратным конусом 10 наконечника 9. Затем жидкость поступает в регулируемый зазор 19 между верхним торцом теплообменной трубы 7 и обратным конусом 10 наконечника 9. Перемещением шпинделя 5 сильфонного узла 2, осуществляемым манипулятором (на чертежах не показан) или приводом 4, меняется проходное сечение регулируемого зазора 19 и устанавливается расход жидкости, протекающей через зазор 19, необходимый для образования равномерной и стабильно стекающей по теплообменной трубе 7 пленке жидкости.The evaporated fluid is supplied to the tube sheet 8, forming a layer of a certain height on it, the hydraulic pressure of which ensures the flow of fluid through the grooves 15 located along the perimeter of the cap 14 into the annular gap between the cap 14 and the tip 9 of the insert 6. This ensures uniform distribution of fluid over the entire area of the annular gap between the cap 14 and the inverse cone 10 of the tip 9. Then the fluid enters the adjustable gap 19 between the upper end of the heat exchanger pipe 7 and the inverse cone 10 9. Moving the spindle 5 of the bellows assembly 2, carried out by a manipulator (not shown in the drawings) or drive 4, the flow area of the adjustable gap 19 is changed and the flow rate of the fluid flowing through the gap 19 is established, which is necessary for the film to form uniformly and stably flowing through the heat exchange pipe 7 liquids.

В случае, если часть жидкости будет стекать по обратному конусу 10, то она перенаправляется нижним прямым конусом 11 к теплообменной трубе 7. Далее пленка жидкости стекает по зазору между теплообменной трубой 7 и цилиндрическим пояском 12 прямого конуса 11.In the event that part of the liquid drains along the inverse cone 10, then it is redirected by the lower straight cone 11 to the heat exchange pipe 7. Next, the liquid film flows down the gap between the heat exchange pipe 7 and the cylindrical girdle 12 of the straight cone 11.

Стекающая пленка в местах соприкосновения выступов 10 с теплообменной трубой 7 будет огибать их, смыкаясь под выступами 10 вследствие несмачиваемости материала наконечника 9. Со стекающей в виде пленки по теплообменной трубе 7 жидкости происходит ее интенсивное испарение. Образующийся вторичный пар из центральной части теплообменной трубы 7 через отверстия 13 и 14 поднимается в пространство под крышкой 1 выше уровня жидкости на трубной решетке 15 и выводится из испарителя.The flowing film at the points of contact of the protrusions 10 with the heat exchange pipe 7 will bend around them, closing under the protrusions 10 due to the non-wettability of the material of the tip 9. With its flowing in the form of a film through the heat exchange pipe 7, its intensive evaporation occurs. The resulting secondary steam from the Central part of the heat exchange pipe 7 through the holes 13 and 14 rises into the space under the cover 1 above the liquid level on the tube sheet 15 and is removed from the evaporator.

В случае применения для разделения упаренного раствора и вторичного пара сепаратора, упаренный раствор и образующийся вторичный пар из испарителя выдаются совместно в него. В находящемся под разрежением сепараторе из нагретого упаренного раствора выделяется дополнительно вторичный пар.In the case of using a separator for separation of one stripped off solution and secondary vapor, one stripped off solution and the resulting secondary vapor from the evaporator are discharged together into it. In the under-vacuum separator, additional secondary steam is released from the heated evaporated solution.

Claims

1. The film former of the evaporator, including a liner and a cap installed in the upper part of the heat exchanger tube located between the tube sheets in the evaporator body with a cover, characterized in that the liner is connected to the spindle of the bellows assembly mounted on the evaporator cover with remote control and is equipped with a tip made of radiation-resistant and non-wettable material that is not wettable by a liquid, the tip is made of two conjugated cones: the upper inverse and lower straight moreover, the lower cone is provided with a cylindrical girdle with protrusions centering the conical tip on the inner surface of the heat exchanger pipe, and a cap is movably mounted on the insert, at the lower end of which grooves are made around the perimeter.

2. The film former according to claim 1, characterized in that a hole is made along the axis of the insert, communicating with the space above the tube sheet above the level of evaporated liquid on it.

3. The film former according to claim 1, characterized in that the liner connected to the spindle of the bellows assembly is connected by means of ribs to adjacent liners provided with conical tips and caps.

4. The film former according to claim 1, characterized in that the possibility of remote control of the bellows assembly mounted on the evaporator cover is carried out by a manipulator or by connecting the bellows assembly to the drive.