Патент на изобретение №2371228

(54) СПОСОБ ПОДОГРЕВА НАКИПЕОБРАЗУЮЩИХ РАСТВОРОВ ПРИ ВЫПАРИВАНИИ И ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в химической, металлургической, энергетической и пищевой отраслях промышленности для подогрева накипеобразующих растворов при их выпаривании. Согласно способу накипеобразующий раствор выпаривают в несколько стадий в выпарных аппаратах выпарной установки, для чего последовательно пропускают пар и раствор по аппаратам установки. При этом упариваемый раствор подогревают греющим и вторичным паром в теплообменниках с вертикальными трубками. Особенностью способа является то, что каждый теплообменник обогревают одновременно греющим и вторичным паром выпарных аппаратов, работающих на отдельных стадиях выпаривания, а раствор в трубки каждого теплообменника подают снизу вверх. Теплообменник содержит вертикальные секции в виде кожухотрубчатых элементов. Каждый элемент содержит теплообменные трубки, кожух, верхние и нижние трубные доски, штуцеры для подвода теплоносителя и отвода конденсата. Теплообменник имеет входную и выходную растворные камеры, а также промежуточные растворные камеры, соединенные с каждым элементом и между собой трубопроводами. Новым в устройстве является то, что входная растворная камера подсоединена к нижней трубной доске первого по ходу раствора элемента, а выходная растворная камера – к верхней трубной доске последнего по ходу раствора элемента. При этом промежуточные растворные камеры выполнены в виде пустотелых колен с углом поворота 180° и диаметром, равным диаметру кожуха элемента. Изобретения обеспечивают снижение накипеобразования на трубках. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретения относятся к теплотехнике и могут быть использованы в химической, металлургической, энергетической и пищевой отраслях промышленности для подогрева накипеобразующих растворов при их выпаривании.

Одной из важнейших проблем, возникающих при выпаривании накипеобразующих растворов, является обеспечение их подогрева с высокой эффективностью и минимальным образованием накипи на поверхностях теплообмена. Выделение накипеобразующих солей из этих растворов, обусловленное их химическим составом и условиями переработки, приводит к быстрому снижению интенсивности теплообмена. В результате снижаются эффективность выпаривания растворов и производительность выпарной установки, а также повышается расход пара для компенсации недополученного в теплообменниках тепла. Для снижения отмеченных недостатков в работе теплообменников их приходится резервировать, что ведет к увеличению капитальных затрат. Кроме того, для снятия накипи с внутренней поверхности теплообменных трубок в теплообменниках их необходимо подвергать химической или механической очистке, что трудоемко, усложняет эксплуатацию и приводит к образованию большого количества химически загрязненных стоков, требующих нейтрализации.

Известен способ подогрева раствора при выпаривании в системе поверхностных теплообменников, обогреваемых паром, отбираемым с отдельных ступеней выпарной установки (см. Колач Т.А., Радун Д.В. Выпарные станции. – М., 1963, с.212-213, рис.82). Согласно этому способу раствор в каждом теплообменнике обогревается только вторичным паром выпарных аппаратов, упаривающих раствор на отдельных стадиях выпаривания.

Недостаток известного способа подогрева при выпаривании накипеобразующих растворов состоит в высокой разности температур между конденсируемым паром и подогреваемым раствором. Вследствие этого на теплопередающей поверхности теплообменников создается высокий местный перегрев раствора и происходит усиленное выделение накипи.

Известен способ подогрева раствора при противоточном выпаривании в системе двухходовых теплообменников, обогреваемых паром, отбираемым с отдельных ступеней выпарной установки (см. Самарянова Л.Б., Лайнер А.И. Технологические расчеты в производстве глинозема. М.: Металлургия, 1981. – С.181, рис.18). Согласно этому способу теплообменники также обогреваются паром, отбираемым с отдельных стадий выпаривания, являющимся греющим для используемых на этих стадиях выпарных аппаратов. Применение противоточного выпаривания позволяет повысить концентрацию подогреваемого раствора и увеличить растворимость накипеобразующего компонента, имеющего, как правило, обратную растворимость. Тем самым образование накипи уменьшается. Осуществление подогрева раствора в двухходовых теплообменниках дает возможность увеличить скорость раствора в теплообменных трубках, что ведет к снижению образования накипи в них. Данный способ является наиболее близким к заявленному и принят за прототип.

Недостатком известного способа является высокая разность температур между греющим паром и подогреваемым раствором, вызывающая увеличение образования накипи на теплопередающей поверхности трубок теплообменников из-за создания высокого местного перегрева раствора у их стенок.

Другой недостаток известного способа состоит в повышенном расходе пара на выпаривание вследствие подогрева раствора, поступающего в выпарной аппарат, греющим паром этого же аппарата.

В рассмотренных известных способах подогрева накипеобразующих растворов при выпаривании для их осуществления могут быть применены различные конструкции теплообменников.

Так, известен одноходовой теплообменник для подогрева накипеобразующих растворов, который может быть применен при их выпаривании, состоящий из вертикальных теплообменных трубок, кожуха и трубных досок, имеющий входную и выходную растворные камеры, а также штуцеры для подвода и отвода теплоносителя (см. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973, с.327, рис.VIII-11а). В нем раствор поступает во входную растворную камеру, из нее распределяется по теплообменным трубкам, протекает по ним и выходит в выходную растворную камеру, откуда отводится из аппарата. При прохождении по трубкам раствор подогревается теплом теплоносителя.

Недостатком теплообменника является невысокая интенсивность теплопередачи вследствие малой скорости раствора в теплообменных трубках, обусловленной распределением общего потока раствора на большое количество трубок. Вследствие малой скорости раствора в трубках в них происходит усиленное образование накипи, вызывающее еще большее снижение интенсивности теплообмена и приводящее к быстрому отключению теплообменника для очистки от накипи.

Недостаток теплообменника состоит также в неравномерности распределения потока раствора по трубкам в сечении трубного пучка. Это приводит к тому, что в одних трубках образование накипи происходит значительно больше (вплоть до полной забивки), чем в других.

Известен многоходовой теплообменник для подогрева накипеобразующих растворов, состоящий из вертикальных теплообменных трубок, кожуха и трубных досок, имеющий верхнюю и нижнюю растворные камеры, разбитые при помощи поперечных перегородок на несколько отсеков, причем входной и выходной отсеки расположены в верхней камере, а также штуцеры для подвода и отвода теплоносителя (см. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973, с.327, рис.VIII-11б). Данный теплообменник также может быть использован в составе выпарной установки. В этом теплообменнике трубное пространство благодаря наличию отсеков в растворных камерах разделено на несколько ходов для последовательного прохождения раствора. При этом скорость движения раствора по трубкам в известном многоходовом аппарате больше, чем в одноходовом теплообменнике, пропорционально числу ходов, поэтому интенсивность теплопередачи в нем увеличивается.

Недостатком известного теплообменника является то, что обмен теплом между теплоносителем и раствором происходит по принципу смешанного тока, т.е. прямотока для одних ходов и противотока для других. В результате снижается полезная разность температур теплообменника, т.е. движущая сила теплообмена, поэтому для достижения такой же температуры подогретого раствора, как и для одноходового теплообменника, поверхность многоходового теплообменника необходимо увеличивать. Это ведет к увеличению металлоемкости аппарата.

Другой недостаток известного теплообменника состоит в зарастании теплообменных трубок накипью. При этом наиболее сильно отлагается накипь на трубках, по которым раствор движется сверху вниз, т.е. в нисходящих ходах. В результате снижается интенсивность теплопередачи в аппарате.

Кроме того, недостатком известного теплообменника является неудовлетворительное отделение отсеков друг от друга в растворных камерах, связанное с их конструктивными особенностями. Поэтому происходит просачивание раствора из одной камеры в другую, минуя трубки, т.е. холодного раствора к горячему, что снижает температуру раствора на выходе из теплообменника и интенсивность его работы.

Наиболее близким к заявленному теплообменнику для подогрева накипеобразующих растворов при их выпаривании по конструктивному устройству и по технической сущности является двухэлементный кожухотрубчатый теплообменник, описанный в книге Кичигина М.А. и Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки, М., Л., Госэнергоиздат, 1955, с.35, рис.1-33. Этот теплообменник принят за прототип.

Теплообменник состоит из двух вертикально расположенных кожухотрубчатых элементов, каждый из которых включает в себя теплообменные трубки, кожух и трубные доски, а также штуцеры для подвода и отвода теплоносителя, присоединенных к элементам входной и выходной растворных камер и промежуточных растворных камер, соединенных трубопроводом.

Известный аппарат работает следующим образом. Раствор поступает во входную растворную камеру первого элемента, где он распределяется по теплообменным трубкам и проходит по ним, выходя в промежуточную растворную камеру этого элемента. Из нее раствор входит в промежуточную растворную камеру второго элемента. В ней раствор распределяется и проходит по трубкам второго элемента, а затем через выходную растворную камеру отводится из аппарата.

В этот теплообменник теплоноситель можно подать так, чтобы в каждом элементе соблюдался принцип противотока обменивающихся теплом сред. Это снизит необходимую поверхность теплообмена аппарата. Достоинством теплообменника является также отсутствие в растворных камерах отсеков, отделяющих один ход от другого и приводящих к вредному смешению холодного и нагретого раствора.

Недостаток известного теплообменника состоит в том, что в первом элементе раствор по трубкам двигается в нисходящем направлении. Поэтому внутри трубок этого элемента происходит усиленное образование слоя накипи, вследствие чего снижается интенсивность теплообмена в аппарате.

Другим недостатком известного теплообменника является неравномерность потока раствора, проходящего по различным трубкам каждого элемента. Это проявляется в различной толщине слоя накипи, образующейся на стенках трубок в зависимости от их размещения по сечению трубного пучка. Причина отмеченного факта заключается в проявлении известного в гидравлике коллекторного эффекта во входной растворной камере каждого элемента при подаче раствора через боковой штуцер, когда раствор неравномерно распределяется по трубкам в зависимости от их расстояния от входного штуцера. В результате образования накипи снижается интенсивность подогрева раствора.

Кроме того, недостаток известного аппарата состоит в неравномерности распределения восходящего потока раствора по трубкам второго элемента, вследствие нарушения равномерности течения раствора при прохождении через промежуточные растворные камеры каждого из элементов и соединяющий их трубопровод. При этом в трубках, в которых скорость раствора мала, происходит усиленное образование накипи, что ведет к снижению интенсивности теплообмена всего теплообменника.

Указанные недостатки стимулировали поиск новых технических решений.

Предложенные технические решения направлены на решение задачи снижения накипеобразования на трубках за счет более плавного подогрева и создания оптимальных условий течения накипеобразующих растворов по теплообменным трубкам.

Для решения отмеченной задачи в способе подогрева накипеобразующих растворов при выпаривании, при котором раствор выпаривают в несколько стадий в выпарных аппаратах выпарной установки, через которые последовательно пропускают пар и раствор, при этом упариваемый раствор подогревают греющим и вторичным паром в теплообменниках с вертикальными трубками, согласно изобретению каждый теплообменник обогревают одновременно греющим и вторичным паром выпарных аппаратов, работающих на отдельных стадиях выпаривания, при этом конденсат греющего и вторичного пара отводят раздельно из каждого теплообменника, а раствор в трубки каждого теплообменника подают снизу вверх со скоростью 1,5-2,5 м/сек.

Предлагаемый способ подогрева реализуется в теплообменнике, содержащем несколько вертикально расположенных секций в виде кожухотрубчатых элементов, каждый из которых включает в себя теплообменные трубки, кожух и верхние и нижние трубные доски, штуцеры для подвода теплоносителя и отвода конденсата, теплообменник содержит входную и выходную растворные камеры, а также промежуточные растворные камеры, соединенные с каждым элементом и между собой трубопроводами, согласно изобретению входная растворная камера подсоединена к нижней трубной доске первого по ходу раствора элемента, а выходная растворная камера – к верхней трубной доске последнего по ходу раствора элемента, промежуточные растворные камеры выполнены в виде пустотелых колен с углом поворота 180°, их диаметр равен диаметру кожуха элемента, колена подсоединены к верхним или нижним трубным доскам элементов и к соединяющему верхнее колено на одном элементе с нижним коленом на другом элементе трубопроводами, диаметр которых, по меньшей мере, равен диаметру колена.

В зависимости от условий размещения оборудования элементы могут быть расположены попарно друг над другом на одной оси и соединены промежуточными камерами, выполненными в виде цилиндрических вставок.

Кроме того, в полости каждого из колен, присоединенных к нижним трубным доскам, размещены концентрические колена меньшего диаметра, перед нижними трубными досками элементов по ходу раствора на расстоянии 0,5-1 диаметра кожуха элемента установлена объемная решетка, выполненная в виде вертикальных пластин, пересекающихся между собой с образованием квадратных ячеек со стороной, составляющей 0,5-1 диаметр теплообменной трубки, и высотой пластин, составляющей 2-5 диаметров теплообменной трубки.

Именно заявленная совокупность признаков предлагаемого технического решения позволяет снизить разность температур между теплообменной поверхностью и подогреваемым раствором, создать оптимальный гидравлический режим течения потока, а также обеспечить снятие пересыщения раствора по накипеобразующему компоненту перед входом в трубный пучок. Благодаря этому обеспечивается интенсивный подогрев раствора с минимальным накипеобразованием при выпаривании со снижением расхода пара.

Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Анализ доступных источников патентной и научно-технической информации в данной области техники не выявил технических решений, совпадающих с заявляемой совокупностью отличительных признаков. Это в сочетании с получением ожидаемого технического результата позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемых изобретений критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Далее рассмотрим подробнее необходимость и достаточность для поставленной задачи как каждого из отличительных признаков заявляемого технического решения, так и всей совокупности.

Подогрев элементов теплообменника греющим и вторичным паром с раздельным отводом конденсата (т.е. эти пары не смешиваются) позволяет обеспечить в них более мягкие условия подогрева раствора, что проявляется в снижении разности температур между конденсируемым паром и подогреваемым раствором. Указанная разность температур снижается за счет подогрева раствора в теплообменниках вначале вторичным паром, а затем греющим. Вследствие этого уменьшается местный перегрев раствора у стенки трубок, что ведет к снижению накипевыделения на них. Благодаря применению для обогрева теплообменников как греющего, так и вторичного пара выпарных аппаратов, уменьшаются затраты пара на выпаривание раствора. Причем такой подогрев приводит к снижению температуры раствора на выходе из теплообменников, что, с учетом, в большинстве случаев, обратной растворимости накипеобразующих компонентов, также играет положительную роль в снижении накипевыделения.

Достижению такого же эффекта ведет и создание в элементах предлагаемого теплообменника восходящего движения раствора по теплообменным трубкам со скоростью 1,5-2,5 м/с. Указанное направление движения накипеобразующего раствора в трубках, как показал опыт работы, позволяет снизить выделение накипи в них в 1,5-3 раза по сравнению с трубками, в которых раствор течет сверху вниз.

Подсоединение входной растворной камеры заявленного теплообменника для подогрева накипеобразующих растворов к нижней трубной доске первого по ходу раствора элемента, а выходной растворной камеры – к верхней трубной доске последнего по ходу раствора элемента, выполнение промежуточных растворных камер в виде пустотелых колен с углом поворота 180°, с подсоединением колен к верхним или нижним трубным доскам элементов и к соединяющему верхнее колено на одном элементе с нижним коленом на другом элементе трубопроводами обеспечивает в теплообменных трубках каждого элемента восходящее движение раствора, способствующее снижению выделения накипи. При этом именно указанное среди заявленных признаков подсоединение нижних растворных камер и колен к элементам и между собой трубопроводом обеспечивает восходящее движение раствора по трубкам элементов теплообменника.

Оснащение заявленного теплообменника верхними и нижними промежуточными растворными камерами, выполненными в виде пустотелых колен с углом поворота 180° и диаметром, равным диаметру кожуха элемента, а также соединение верхнего колена на одном элементе с нижним коленом на другом элементе трубопроводами, диаметр которых равен или больше диаметра колена, дает возможность уменьшить или исключить накипевыделение в последующих по ходу раствора элементах. Это объясняется тем, что при прохождении раствора по трубкам и его подогреве в нем возникает пересыщение по накипевыделяющему компоненту, имеющему, как правило, обратную растворимость. Возникающее пересыщение, которое в известных многоходовых или многоэлементных теплообменниках снимается на внутренней поверхности в последующих по ходу раствора трубках, в заявленном теплообменнике снимается внутри промежуточных растворных камер, а также в переточных трубопроводах. При этом, т.к. данные элементы имеют диаметр, не меньше диаметра кожуха элемента, их сечение в 4-7 раз больше, чем суммарное проходное сечение трубок элемента. Соответственно снижается скорость раствора в них и увеличивается время снятия пересыщения накипевыделяющего компонента. В результате накипевыделение происходит в полостях промежуточных растворных камер и переточных трубопроводов, исключив или снизив до минимума образование накипи в трубках последующих элементов.

При работе теплообменника для подогрева накипеобразующих растворов, с целью снижения накипеобразования на трубках, очень важно обеспечить равномерность течения по ним. Известно, что степень накипевыделения обратно пропорциональна скорости течения раствора. Поэтому в тех трубках, в которых скорость раствора мала, идет усиленное накипевыделение. Для обеспечения равномерности течения раствора промежуточные растворные камеры выполнены в виде пустотелых колен с углом поворота 180° и диаметром, равным диаметру кожуха элемента. В этих камерах раствор, выходящий из трубок, распределяется по сечению и течет по соединительным трубопроводам с небольшой скоростью. Вследствие плавного поворота на 180° и небольшой скорости в трубопроводе равномерность течения при перетоке от верхней камеры к нижней меняется не очень сильно.

Если же скорости движения раствора в промежуточных растворных камерах и соединяющем их переточном трубопроводе достаточно велики, то для выравнивания потока раствора в коленах, присоединенных к нижним трубным доскам элементов, размещены концентрические колена меньшего диаметра. Применение встроенных колен дает возможность значительно снизить неравномерность потока в колене. Это достигается за счет того, что поток раствора в колене разбивается на отдельные слои, различия между которыми по скоростям гораздо меньше, чем в случае отсутствия встроенных колен.

Выравниванию потока раствора, искривленного в промежуточных растворных камерах, служат объемные решетки, размещенные перед нижними трубными досками. При прохождении через каждую объемную решетку общий поток раствора разбивается на множество частей в соответствии с количеством ячеек. Благодаря этому происходит выравнивание скорости каждой части раствора, вследствие чего общий поток на входе в трубки выравнивается и равномерно проходит по ним. Как показала экспериментальная отработка конструкции рассматриваемой решетки и места ее размещения, наилучшие результаты по выравниванию скоростей и снижению накипеобразования достигаются при расположении решетки на расстоянии, равном 0,5-1 диаметра кожуха от нижней трубной решетки. Эксперименты показали также, что для наибольшего эффекта, проявляемого в сохранении выравнивающего действия по скоростям раствора на входе в трубки, она должна иметь квадратные ячейки со стороной 0,5-1 и высотой пластин 2-5 диаметров трубы.

Сущность изобретений и пример конкретного выполнения способа подогрева накипеобразующих растворов при выпаривании в случае осуществления его на четырехкорпусной противоточной выпарной установке показана на аппаратурной схеме – см. фиг.1, 2, 3, 4, где на фиг.1 представлен общий вид установки, на фиг.2, 3, 4 – схематическое изображение исполнений теплообменника.

Выпарная установка включает в себя выпарные аппараты 1, 2, 3 и 4, используемые на различных стадиях выпаривания, теплообменники 5, 6 и 7 с вертикальными трубками, подогревающие раствор, а также конденсатор 8. Выпарные аппараты 1, 2, 3 и 4 последовательно соединены по пару трубопроводами 9, 10 и 11. Исходный раствор поступает на установку в четвертый корпус по трубопроводу 12, а упаренный раствор отводится из первого корпуса по трубопроводу 13. Пар ТЭЦ подается в первый корпус – аппарат 1 по трубопроводу 14, вторичный пар четвертого корпуса – аппарата 4 поступает в конденсатор 8 по трубопроводу 15. Выпарные аппараты соединены между собой по раствору трубопроводами 16, 17, 18, 19, 20 и 21. При этом упаренный в каждом из выпарных аппаратов раствор откачивается по трубопроводам 16, 18 и 20 перекачивающими насосами 22, 23 и 24 и прокачивается через теплообменники 5, 6 и 7. После этого раствор по трубопроводам 17, 19 и 21 подается в соответствующий выпарной аппарат установки. Обогрев теплообменников 5, 6 и 7 осуществляется греющим и вторичным паром каждого корпуса, подаваемым соответственно по трубопроводам 25, 26, 27, 28, 29 и 30 с раздельным отводом конденсата 31, 32, 33, 34, 35 и 36.

Способ подогрева накипеобразующих растворов при выпаривании на описанной выше и показанной на фиг.1 четырехкорпусной противоточной выпарной установке осуществляется при ее работе следующим образом.

Исходный раствор поступает на установку в четвертый корпус – в выпарной аппарат 4 по трубопроводу 12. Упаренный в этом корпусе раствор сливается по трубопроводу 16 в насос 22, который прокачивает его через теплообменник 7, откуда подогретый раствор по трубопроводу 17 поступает в третий корпус – выпарной аппарат 3. Аналогичным образом упаренный в третьем корпусе раствор через трубопровод 18 поступает в насос 23 и прокачивается через теплообменник 6, где подогревается и поступает во второй корпус – выпарной аппарат 2, а упаренный в нем раствор через трубопровод 20 поступает в насос 24 и прокачивается через теплообменник 5, где подогревается и поступает в первый корпус – выпарной аппарат 1. Упаренный на установке раствор отводится из первого корпуса по трубопроводу 13.

Пар ТЭЦ подается в первый корпус установки – выпарной аппарат 1 по трубопроводу 14. Вторичный пар первого корпуса по трубопроводу 9 поступает во второй корпус – выпарной аппарат 2, вторичный пар из которого, в свою очередь, по трубопроводу 10 поступает в третий корпус – выпарной аппарат 3, а вторичный пар из него – в четвертый корпус – выпарной аппарат 4. Вторичный пар четвертого корпуса по трубопроводу 15 поступает в конденсатор 8.

Обогрев теплообменника 5, через который в первый корпус подается упариваемый раствор, осуществляется греющим и вторичным паром этого корпуса, поступающим соответственно по трубопроводам 25 и 26. Аналогичным образом теплообменник 6 обогревается греющим и вторичным паром второго корпуса, поступающим по трубопроводам 27 и 28, а теплообменник 7 – греющим и вторичным паром третьего корпуса. При этом конденсат пара каждого из перечисленных корпусов отводится из теплообменников раздельно по трубопроводам 31, 32, 33, 34, 35 и 36.

В качестве теплообменников для реализации заявленного способа применены кожухотрубчатые аппараты, каждый из которых состоит из нескольких элементов с вертикальными трубками. В трубках подогреваемый раствор движется снизу вверх – в восходящем направлении со скоростью (1,5-2,5) м/с. Благодаря такому режиму течения раствора, а также вследствие более мягких условий подогрева из-за первоначального нагрева вторичным, а затем греющим паром, обеспечивается снижение накипеобразования на трубках. В результате использования для начального подогрева раствора вторичного пара снижается необходимый расход греющего пара, что приводит к сокращению затрат пара на выпаривание.

Пример конкретного выполнения заявленного теплообменника для подогрева накипеобразующих растворов схематично показан на чертежах – см. фиг.2, 3 и 4.

Заявленный теплообменник для подогрева накипеобразующих растворов (см. фиг.2) состоит из нескольких, например четырех, вертикально расположенных секций – кожухотрубчатых элементов, обозначенных соответственно 37, 38, 39 и 40, каждый из которых включает в себя теплообменные трубки 41, кожух 42 и трубные доски: нижние 43 и верхние 44, а также штуцера для подвода 45 и отвода 46 теплоносителя, присоединенной к нижней трубной доске первого по ходу раствора элемента 37 входной растворной камеры 47 и присоединенной к верхней трубной доске последнего по ходу раствора элемента 41 выходной растворной камеры 48, а также промежуточные растворные камеры: верхние 49 и нижние 50, выполненные в виде пустотелых колен с углом поворота 180°. Их диаметр равен диаметру кожуха 42 элемента, а количество для четырехэлементного теплообменника равно 6. Колена 49 подсоединены к верхним 44, а колена 49 – к нижним 43 трубным доскам элементов. Они соединены между собой трубопроводами 51, диаметр которых равен или больше диаметра колена.

Предлагаемый теплообменник может иметь конструкцию, показанную на фиг.3. При этом кожухотрубчатые элементы расположены попарно друг над другом. Соответственно элемент 38 расположен над элементом 37, а элемент 40 – над элементом 39. Указанные элементы соединены цилиндрическими вставками 52. Для данной конструкции теплообменника количество колен равно 2.

В заявленном теплообменнике в коленах 50, присоединенных к нижним трубным доскам 43, размещены концентрические колена 53 меньшего диаметра. При этом перед нижними трубными досками 43 элементов по ходу раствора на расстоянии 0,5-1 диаметра кожуха 42 элемента установлена объемная решетка 54 (см. фиг.4), выполненная в виде вертикальных пластин 55 и 56, пересекающихся между собой с образованием квадратных ячеек со стороной 0,5-1 и высотой пластин 2-5 диаметров теплообменной трубки.

Заявленный теплообменник для подогрева накипеобразующих растворов работает следующим образом. Раствор, который необходимо подогреть, подается во входную растворную камеру 47. В ней перед нижней трубной доской 43 первого по ходу раствора элемента 37, благодаря установленной объемной решетке 54, входящий поток раствора равномерно распределяется по всему сечению растворной камеры 47. Тем самым обеспечивается равномерность поступления раствора в теплообменные трубки 41 и скоростей в них. Вследствие этого снижается вероятность образования накипи внутри тех трубок, в которые поступает мало раствора.

Проходя по трубкам 41 элемента 37, раствор подогревается за счет тепла теплоносителя, поступающего в элемент через штуцер 45 и выходящего через штуцер 46. При этом раствор по трубкам движется снизу вверх, т.е. в восходящем направлении. Такое направление движения накипеобразующего раствора, при обеспечении скорости 1,5-2,5 м/с, как показывает опыт эксплуатации, приводит к снижению инкрустаций накипи на внутренней поверхности теплообменных трубок.

Подогретый в теплообменных трубках элемента 37 раствор поступает в верхнюю растворную камеру 49, присоединенную к верхней трубной доске 44. Эта камера выполнена в виде пустотелого колена с углом поворота 180° и с диаметром, равным диаметру кожуха 42 элемента. Далее раствор по трубопроводу 51 перетекает в нижнюю растворную камеру 50 элемента 38, конструкция и размеры которой аналогичны верхней промежуточной растворной камере 49. Выполнение промежуточных растворных камер 49 и 50, а также переточного трубопровода 51 указанным образом обеспечивает возможность снижения накипевыделения в последующих по ходу раствора далее кожухотрубчатых элементах за счет снятия пересыщения по накипеобразующему компоненту внутри промежуточных растворных камер 49, 50 и трубопровода 51.

При прохождении раствора по нижней промежуточной растворной камере 50 равномерность потока может нарушаться. Значительному снижению неравномерности движения раствора в колене 50 способствует размещение внутри него концентрического колена 53 меньшего диаметра. Благодаря этому, а также объемной решетке 54 создается возможность равномерного распределения потока раствора по трубкам элемента 38. Тем самым снижается вероятность образования накипи внутри трубок вследствие неравномерности скоростей раствора в них.

Аналогичным образом раствор проходит через остальные кожухотрубчатые элементы 39 и 40, нижние и верхние промежуточные растворные камеры 49 и 50, а также переточные трубопроводы 51, встроенные концентрические колена 53 и объемные решетки 54. Подогретый в теплообменнике раствор выходит из последнего элемента 40 и отводится через выходную растворную камеру 48, подсоединенную к его верхней трубной доске 44.

В случае недостатка места для размещения их в один ряд элементы теплообменника могут располагаться попарно друг над другом (см. фиг.3.). При этом элемент 38 размещен над элементом 37, а элемент 40 – над элементом 39, а между ними расположены цилиндрические вставки 52. В таком теплообменнике раствор, подогретый в элементе 37, через цилиндрическую вставку 52 поступает в элемент 38, откуда по верхней промежуточной растворной камере 49, переточному трубопроводу 51 и нижней промежуточной растворной камере 50, посредством концентрического колена 53 и объемной решетки 54, поступает в теплообменные трубки элемента 39, равномерно распределяясь по ним. В остальном работа теплообменника с конструкцией согласно фиг.3 аналогична работе теплообменника, показанного на фиг.2.

Предложенная конструкция теплообменника для подогрева накипеобразующих растворов позволяет использовать различные теплоносители для обогрева различных кожухотрубчатых элементов. В случае реализации заявленного способа подогрева накипеобразующих растворов при их выпаривании с использованием описанных выше конструкций теплообменников в качестве теплоносителя для первого и второго элементов (или же только первого элемента) может быть применен вторичный пар из выпарного аппарата, в который поступает подогретый раствор. Остальные элементы теплообменника будут обогреваться греющим паром того же аппарата. При этом конденсат пара из каждого элемента отводится раздельно. Количество элементов, обогреваемых тем или иным паром, определяется при тепловом расчете аппарата в зависимости от необходимых температур раствора, параметров греющего и вторичного пара и условий работы выпарной установки.

Заявленный способ подогрева накипеобразующих растворов при выпаривании позволяет снизить удельный расход пара на испарение тонны воды на выпарной установке, в которой он был реализован, на 2,5-4%. Применение заявленных теплообменников для подогрева накипеобразующих растворов при испытаниях в составе указанной выпарной установки показало высокую эффективность их работы. Коэффициенты теплопередачи теплообменников составляли 1800-2200 Вт/м² К, что в 3 раза больше, чем у прототипа. При этом заявленные теплообменники работали с постоянным коэффициентом теплопередачи в течение 30 суток, тогда как у прототипа за это же время коэффициент теплопередачи снизился в 1,5 раза вследствие выделения накипи на трубках.

Формула изобретения

1. Способ подогрева накипеобразующих растворов при выпаривании, при котором раствор выпаривают в несколько стадий в выпарных аппаратах выпарной установки, через которые последовательно пропускают пар и раствор, при этом упариваемый раствор подогревают греющим и вторичным паром в теплообменниках с вертикальными трубками, отличающийся тем, что каждый теплообменник обогревают одновременно греющим и вторичным паром выпарных аппаратов, работающих на отдельных стадиях выпаривания, при этом конденсат греющего и вторичного пара отводят раздельно из каждого теплообменника, а раствор в трубки каждого теплообменника подают снизу вверх со скоростью 1,5-2,5 м/с.

2. Теплообменник для подогрева накипеобразующих растворов при выпаривании, содержащий несколько вертикально расположенных секций в виде кожухотрубчатых элементов, каждый из которых включает в себя теплообменные трубки, кожух и верхние и нижние трубные доски, штуцеры для подвода теплоносителя и отвода конденсата, теплообменник содержит входную и выходную растворные камеры, а также промежуточные растворные камеры, соединенные с каждым элементом и между собой трубопроводами, отличающийся тем, что входная растворная камера подсоединена к нижней трубной доске первого по ходу раствора элемента, а выходная растворная камера – к верхней трубной доске последнего по ходу раствора элемента, промежуточные растворные камеры выполнены в виде пустотелых колен с углом поворота 180°, их диаметр равен диаметру кожуха элемента, колена подсоединены к верхним или нижним трубным доскам элементов и к соединяющему верхнее колено на одном элементе с нижним коленом на другом элементе трубопроводами, диаметр которых, по меньшей мере, равен диаметру колена.

3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что элементы расположены попарно друг над другом на одной оси и соединены промежуточными камерами, выполненными в виде цилиндрических вставок.

4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что в полости каждого из колен, присоединенных к нижним трубным доскам, размещены концентрические колена меньшего диаметра.

5. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что перед нижними трубными досками элементов по ходу раствора на расстоянии 0,5÷1 диаметра кожуха элемента установлена объемная решетка, выполненная в виде вертикальных пластин, пересекающихся между собой с образованием квадратных ячеек со стороной, составляющей 0,5÷1 диаметра теплообменной трубки и высотой пластин, составляющей 2÷5 диаметра теплообменной трубки.

РИСУНКИ