Выпарной аппарат с восходящей пленкой

 

Изобретение предназначено для выпаривания и может быть использовано в химической, пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности. Выпарной аппарат содержит вертикальный корпус, теплообменные трубки, трубные решетки, входные и выходные патрубки, сепаратор. Каждая теплообменная трубка состоит из цилиндрической и конической частей, соосно установленных на расстоянии друг от друга с образованием зоны инжекции, в цилиндрической части трубки смонтирована турбина, состоящая из цилиндра, двух дисков с отверстиями, вала и кожухов, неподвижно соединенных в единый узел. На внешней и внутренней поверхностях цилиндра по винтовой линии расположены лопасти. На входе конической части трубки установлен распределитель в виде полусферы с осевым цилиндрическим каналом, зафиксированный при помощи упругих стальных стержней плоской стороной вверх, турбина установлена в верхнем и нижнем подпятниках, закрепленных на сферической поверхности распределителя и кронштейнах цилиндрической части теплообменной трубки, соответственно. Устройство отвода сиропа выполнено в виде конуса, установленного на верхней трубной решетке основанием вниз. В аппарате обеспечивается повышение эффективности выпаривания. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к трубчатым пленочным выпарным аппаратам и может быть использовано в химической, пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности.

Известен пленочный аппарат с восходящей и нисходящей пленкой жидкости, содержащий вертикальный корпус с патрубками подвода и отвода жидкости и греющего пара, трубные решетки, центральные подъемные и периферийные опускные испарительные трубы, снабженные дополнительными трубными решетками, разделяющими их на секции, пленкообразователи, установленные на верхних концах опускных труб, и отбойник, выполненный в виде соосно установленных обратных усеченных конусов и неподвижно соединенный с верхними концами центральных труб [авт. св. СССР 775869, кл. В 01 D 1/22, 1982].

Недостатком известного аппарата является высокая металлоемкость, обусловленная наличием большого числа трубных решеток и испарительных труб.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является пленочный выпарной аппарат, содержащий вертикальный корпус, трубные решетки, теплообменные трубы, камеру исходного раствора, сепаратор и устройство для подпитки труб раствором, установленного снаружи каждой трубы и выполненного в виде горизонтального полого диска, установленного на некотором расстоянии от выходных концов труб, причем в стенках труб, смежных с диском, выполнены отверстия [авт. св. 874085, кл. В 01 D 1/22, 1981].

Недостатками аппарата являются нестабильная работа устройств для подпитки теплообменных труб исходным раствором, вследствие уменьшения проходного сечения отверстий в их стенке в результате действия адгезионных сил со стороны раствора, высокая продолжительность и низкая эффективность процесса выпаривания в результате неравномерного распределения пленки по высоте теплообменной трубки.

Технической задачей изобретения является увеличение эффективности процесса выпаривания за счет обеспечения равномерной толщины пленки по высоте теплообменных труб и сокращение продолжительности процесса выпаривания.

Технический результат заключается в снижении металлоемкости конструкции, загрязнения поверхности теплообменных труб и увеличении производительности.

Техническая задача достигается тем, что в выпарном аппарате с восходящей пленкой, включающем вертикальный корпус, теплообменные трубки, трубные решетки, входные и выходные патрубки и сепаратор, новым является то, что каждая теплообменная трубка состоит из цилиндрической и конической частей, установленных на некотором расстоянии с образованием зоны инжекции, в цилиндрической части теплообменной трубки смонтирована турбина, состоящая из цилиндра, двух дисков с отверстиями, вала и кожухов, неподвижно соединенных в единую деталь, на внешней и внутренней поверхностях цилиндра турбины по винтовой линии расположены лопасти, имеющие профиль, обеспечивающий создание подъемной силы потока пара, на входе конической части теплообменной трубки установлен распределитель в виде полусферы с осевым цилиндрическим каналом, зафиксированный при помощи упругих стальных стержней плоской стороной вверх, на сферической стороне распределителя неподвижно закреплена винтовая лопасть, турбина установлена в верхнем и нижнем подпятниках, закрепленных на сферической поверхности распределителя и кронштейнах цилиндрической части теплообменной трубки соответственно, устройство отвода сиропа выполнено в виде конуса, установленного на верхней трубной решетке основанием вниз, с углом конусности, обеспечивающим свободное удаление выпаренного раствора.

На фиг. 1 изображен разрез описываемого выпарного аппарата, на фиг.2 - разрез нагнетательного устройства, на фиг.3 - схема принципа действия аппарата.

Выпарной аппарат состоит из вертикального корпуса 1, сферических крышек 2 и 3, входных патрубков для ввода исходного раствора 4 и пара 5, выходных патрубков для вывода сиропа 6, неконденсирующихся газов 7, вторичного пара 8, датчика уровня 9, теплообменных трубок 10, трубных решеток 11 и 12, турбины 13, отбойника 14, устройства отвода сиропа 15 и сепаратора 16.

Каждая теплообменная трубка 10 состоит из цилиндрической 17 и конической частей 18, установленных на некотором расстоянии с образованием зоны инжекции. Коническая часть 18 теплообменной трубки 10, направленная большим основанием вниз, предназначена для создания стабильных гидродинамических параметров по высоте трубки, т.е. скорость и давление восходящих потоков пара в последующих уменьшающихся сечениях конической части 18 трубки 10 создают устойчивое восходящее движение пленки вверх. Цилиндрическая часть 17 трубки 10 закреплена на нижней трубной решетке 12 соосно с конической частью 18 и патрубком подачи пара 5.

В цилиндрической части 17 теплообменной трубки 10 с возможностью вращения установлена турбина 19. Она состоит из цилиндра 20, двух дисков 21 и 22 с отверстиями для прохождения осевого потока пара, вала 23 и кожухов 24 и 25, неподвижно соединенных между собой в единую деталь. На внешней и внутренней поверхностях цилиндра 20 турбины 19 по винтовой линии расположены лопасти 26 и 27, имеющие профиль, обеспечивающий создание подъемной силы потока пара, например, профиль крыла самолета. Причем внешние лопасти турбины 26 предназначены для создания закручивающегося потока пара, обеспечивающего прижимное усилие пленки к внутренней поверхности конической части 18 теплообменной трубки 10, а внутренние 27 - для создания осевого потока, обладающего высокой кинетической энергией, необходимой для восходящего движения пленки.

Вал турбины на оси 28 своими коническими концами опирается в опорных подпятниках 29, имеющих сферические отверстия. Малая площадь контакта трущихся поверхностей позволяет существенно понизить энергетические затраты и, тем самым, увеличить производительность турбины 19.

На входе конической части 18 теплообменной трубки 10 установлен распределитель 30 в виде полусферы с осевым цилиндрическим каналом для прохождения осевого потока пара. Распределитель 30 зафиксирован при помощи упругих стальных стержней 31 плоской стороной вверх, обеспечивающих быстрый демонтаж и доступ к греющим трубкам 10 для их чистки. На сферической стороне распределителя 30 неподвижно закреплена винтовая лопасть 32, предназначенная для дополнительного закручивания периферийного потока пара с образованием некоторого прижимного усилия частицам исходного раствора к внутренней поверхности конической части 18 теплообменной трубки 10.

Турбина 19 установлена в верхнем и нижнем подпятниках 29, причем верхний подпятник закреплен на сферической поверхности распределителя 30, а нижний подпятник - на кронштейнах 34 цилиндрической части 17 теплообменной трубки 10, расположенных друг относительно друга под углом 120^o.

Устройство отвода сиропа 15 выполнено в виде конуса 33, установленного на верхней трубной решетке 11 основанием вниз, с углом конусности, обеспечивающим свободное удаление выпаренного раствора.

Аппарат работает следующим образом.

Исходный раствор через патрубок 4 поступает в аппарат до уровня, контролируемого датчиком 9. Одновременно с этим, через патрубок 5 под высоким давлением подается пар, который приводит во вращение турбину 19. При этом возникают два восходящих потока пара: периферийный, образующийся при вращении внешних лопастей турбины 26, и осевой - при вращении внутренних лопастей 27 - зона I.

На выходе пара из зоны I происходит частичный прорыв потока в массу исходного раствора, в результате чего происходит интенсивное кипение раствора, сопровождающееся понижением его вязкости. Благодаря высокой скорости восходящих потоков пара на выходе из турбины 19, образуется зона пониженного давления, в результате происходит инжекция исходного раствора в пространство конической части 18 теплообменной трубки 10 - зона II. Образование тонкой пленки выпариваемого раствора происходит за счет вращения периферийного потока, осуществляемого при помощи распределителя 30 и винтовой лопасти 32. За счет высокой кинетической энергии восходящего осевого потока пара, прошедшего через осевой цилиндрический канал распределителя 30, частицы исходного раствора отбрасываются к периферии конической части 18 и за счет сил поверхностного трения пара о пленку поднимаются вверх. По мере продвижения пленки вверх происходит увеличение ее концентрации - зона III. Благодаря нагретым поверхностям цилиндрической 17 и конической 18 частей трубки 10, контактирующих с исходным раствором, возникает его естественная пристеночная циркуляция из зоны III в зону II.

На выходе сиропа из конической части 18 теплообменной трубки 10 происходит частичная сепарация паровой фазы от упаренного раствора благодаря отбойнику 14. Далее вторичный пар поступает в сепаратор 16, где происходит более полная его очистка от капель сиропа. Вторичный пар из сепаратора 16 поступает на конденсацию. Образующиеся в процессе выпаривания неконденсируемые газы и вторичный пар отводятся из аппарата посредством патрубков 7 и 8 соответственно. Сироп при помощи конуса 33 стекает к периферии аппарата и удаляется посредством патрубка 6.

Данный выпарной аппарат позволяет обеспечить: - равномерную толщину пленки по высоте конической части теплообменной трубки за счет стабильных гидродинамических параметров восходящих потоков пара; - сокращение продолжительности процесса выпаривания за счет одноразового восхождения пленки при достижении требуемой конической концентрации сиропа; - быстрый демонтаж и доступ к внутренней поверхности теплообменных трубок за счет упругих стальных стержней, прикрепленных к плоской поверхности распределителя.

Формула изобретения

Выпарной аппарат с восходящей пленкой, содержащий вертикальный корпус, теплообменные трубки, трубные решетки, входные и выходные патрубки и сепаратор, отличающийся тем, что каждая теплообменная трубка состоит из цилиндрической части и конической, направленной большим основанием вниз, соосно установленных на некотором расстоянии друг от друга с образованием зоны инжекции, в цилиндрической части теплообменной трубки смонтирована турбина, состоящая из цилиндра, двух дисков с отверстиями, вала и кожухов, неподвижно соединенных в единый узел, на внешней и внутренней поверхностях цилиндра турбины по винтовой линии расположены лопасти, имеющие профиль, обеспечивающий создание подъемной силы потока пара, на входе конической части теплообменной трубки установлен распределитель в виде полусферы с осевым цилиндрическим каналом, зафиксированный при помощи упругих стальных стержней плоской стороной вверх, на сферической стороне распределителя неподвижно закреплена винтовая лопасть, турбина установлена в верхнем и нижнем подпятниках, закрепленных на сферической поверхности распределителя и кронштейнах цилиндрической части теплообменной трубки соответственно, устройство отвода сиропа выполнено в виде конуса, установленного на верхней трубной решетке основанием вниз, с углом конусности, обеспечивающим свободное удаление выпаренного раствора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3