Частично загружаемый выпарной аппарат с падающей пленкой и способ его эксплуатации с частичной нагрузкой

Изобретение относится к конструкции выпарного аппарата с падающей пленкой. Выпарной аппарат (1) с падающей пленкой снабжен разделенным на сегменты распределителем (5) жидкости, так что можно загружать жидкостью только ограниченное количество трубок (3) выпарного аппарата, и выпарной аппарат (1) может оптимально эксплуатироваться также под частичной нагрузкой. Изобретение также относится к способу эксплуатации выпарного аппарата (1) с падающей пленкой, причем способ позволяет переносить тепло, которое освобождается при конденсировании смеси газа и пара, по меньшей мере, частично на испаряемую при этом жидкость. Выполненный таким образом и эксплуатируемый согласно изобретению выпарной аппарат (1) с падающей пленкой может рационально использоваться в системах регенерации тепла, например, при производстве 1,2-дихлорэтана. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предметом настоящего изобретения является выпарной аппарат с падающей пленкой, который содержит, по меньшей мере:

- внешнюю, закрывающую боковую обшивку,

- некоторое количество трубок, по внутренней стороне которых может проходить пленка жидкости,

- расположенные с верхней стороны устройства для распределения жидкости по отдельным трубкам,

- расположенные с нижней стороны устройства для сбора остаточной жидкости и пара,

- устройство выпуска пара для произведенного на внутренней стороне трубок пара,

- устройство выпуска жидкости для не испаренной на внутренней стороне трубок жидкости,

- ограничения, которые отделяют внутреннее пространство трубок, и гидравлически связанные с ним устройства для распределения и сбора от внешнего пространства трубок,

- устройство для подачи смеси газа и пара во внешнее пространство трубок,

- устройство для отвода сконденсированной жидкости из внешнего пространства трубок, и

- устройство для отвода не сконденсированных паров и не конденсируемых газов из внешнего пространства трубок.

Выпарной аппарат с падающей пленкой оборудуется, кроме того, составным распределителем, который выполнен так, что выпарной аппарат с падающей пленкой может эксплуатироваться также под частичной нагрузкой. Далее, предметом изобретения является способ эксплуатации этого выпарного аппарата с падающей пленкой, причем перед ним ставится задача переносить тепло, которое освобождается при конденсации смеси газа и пара, по меньшей мере, частично на испаряемую при этом жидкость. Оборудованный таким образом и эксплуатируемый согласно изобретению выпарной аппарат с падающей пленкой может рационально использоваться в системах регенерации тепла, например, при производстве 1,2-дихлорэтана (в дальнейшем обозначается как EDC).

Испарители с падающей пленкой известны тем, что с ними возможно умеренное нагревание восприимчивых жидкостей. Это основывается на высоких коэффициентах теплоотдачи на внутренних стенках трубок, которые приводят к тому, что между наружной стенкой, которая, как правило, нагревается теплоносителем, и жидкостью, которая как пленка сбегает по внутренней стенке трубки и испаряется, требуется лишь маленькая разница температур. Однако это обстоятельство позволяет использовать в качестве теплоносителей низкокачественные источники тепла, уровень температуры которых должен лежать чуть выше уровня температуры испаряемой на внутренней стороне жидкости.

Это тем более справедливо, если и на внешней стороне трубок действует также высокий коэффициент теплоотдачи, так как источник тепла состоит из конденсируемого пара. Необходимая разница температур между теплоносителем и испаряемой жидкостью может тогда понижаться до 3 K. При этом не играет никакой роли, о каком виде пара идет речь. Кроме водяного пара подходят также получающиеся в соответствующем технологическом процессе пары других веществ, например, вторичные продукты дистилляции или выделенные в парообразной форме, химически произведенные продукты.

Поэтому испарители с падающей пленкой становятся в возрастающей мере привлекательными также для задач регенерации тепла в промышленных установках. В частности, они могут использоваться как подогреватели остатка для ректификационных колонн, как известно, например, при производстве EDC, из документов ЕР 1228022 B1 и DE 3604968 A1.

В практическом применении испарители с падающей пленкой, поскольку их теплоносителем служит частично конденсируемая смесь газа и пара, к сожалению, имеют тот недостаток, что они могут лишь очень плохо эксплуатироваться при условиях частичных нагрузок. Если они должны использоваться как подогреватели остатка ректификационных колонн, то вместе с тем проявляется недостаток плохой регулируемости, так как уменьшение притока тепла вследствие регулирующего воздействия вводит выпарной аппарат с падающей пленкой, по меньшей мере, время от времени в режим частичной нагрузки. Также процессы пуска и остановки вызывают значительные трудности.

Неблагоприятные свойства под частичной нагрузкой обусловлены конденсационной способностью теплоносителя. Под полной нагрузкой обогревающая смесь газа и пара может беспрепятственно входить через регулируемое подводящее устройство (в дальнейшем обозначается как регулирующий вентиль) во внешнее пространство трубок, регулирующий вентиль полностью открыт. Регулирующее воздействие для режима частичной нагрузки вызывает частичное закрытие регулирующего вентиля и вызывает падение давления в потоке через вентиль. Падающее вследствие этого давление во внешнем пространстве трубок вызывает первоначально понижение парциального давления обогревающих паров и, тем самым, температуры, при которой происходит конденсация на внешней стороне трубок. Вследствие очень незначительной разницы температур между внешней стороной трубок и внутренней стороной трубок снижается также температура испарения на внутренней стороне трубок, что, как правило, нежелательно, так как таким образом изменяется температурный режим ректификационной колонны.

Вторым недостатком является то, что газ из смеси газа и пара может только лишь с затруднениями удаляться из выпарного аппарата с падающей пленкой, если смесь больше не имеет достаточного остаточного давления. В зависимости от начального давления и падения давления на регулирующем вентиле возникает потребность в вакуумном насосе для отвода газа. Поскольку не весь пар сконденсирован, вакуумный насос должен иметь возможность отводить также паровые составляющие.

Следующая проблема возникает тогда, когда газ из смеси газа и пара имеет область взрывоопасности. Это существенно особенно тогда, когда происходит полная конденсация пара. Например, такая проблема возникает при применении смеси газа и пара из этилена, кислорода и EDC - с EDC в качестве преобладающего конденсируемого компонента, и кислорода, и этилена как создателей взрывчатой смеси во время конденсирования. Поэтому в этом случае требуется надежно предотвращать полную конденсацию паров EDC.

Вышеупомянутые проблемы присутствуют не только в статическом состоянии, но зависят также от скорости регулирующих воздействий. В основном, быстродействующие регулирующие воздействия поддерживать стабильными значительно труднее, чем медленные регулирующие воздействия. Испарители с падающей пленкой обычной конструктивной и технологической модели в этом отношении особенно восприимчивы.

Задачей изобретения является поэтому устранение вышеназванных недостатков и создание выпарного аппарата с падающей пленкой, а также способа его эксплуатации с хорошими характеристиками при частичной нагрузке.

Эта задача решается посредством устройства согласно пункту 1 формулы изобретения и посредством способа согласно пункту 4 формулы изобретения. Изобретение решает задачу за счет того, что:

- распределитель жидкости, который распределяет испаряемую жидкость по внутренним сторонам отдельных трубок, разделяется, по меньшей мере, на 2 участка, и

- на каждый из этих участков может по отдельности подаваться или не подаваться жидкость.

В предпочтительной форме выполнения образуются участки разной величины, так что каждый из участков снабжает жидкостью разное количество трубок. Деление должно предпочтительно происходить так, что между меньшим участком и следующим за ним большим участком существует соотношение от 1 к 4 до 2 к 3, идеальным образом - один к двум, относительно количества снабжаемых жидкостью трубок.

При применении двух участков получается таким образом для меньшего участка, что его параметры определяются так, что он снабжает жидкостью от 20 до 40% трубок, идеальным образом 33%. При применении трех участков самый маленький участок должен бы снабжать между 4,8 и 21%, идеальным образом 14% трубок, средний - между 19 и 32%, идеальным образом 28%, и самый большой - между 47 и 76%, идеальным образом 57%.

Расположение участков, а также их геометрия не играют никакой роли. Участки могут состоять, например, из концентрических окружностей, секторов в форме пирога или из сегментов, также возможна любая другая геометрия расположения. Вследствие незначительной разницы в температуре между испаряемой жидкостью и парообразным теплоносителем можно не опасаться никаких критических тепловых напряжений, которые в противном случае у теплообменников могут вести к механическим проблемам при так называемых диагональных нагрузках.

Способ эксплуатации состоит в том, что подвод жидкости от отдельных участков распределительной системы по отдельности прерывают в зависимости от желаемого случая частичной нагрузки. Поэтому в зависимости от содержания жидкости в участках распределителя возможно быстрое регулирование в минутном интервале в очень широком рабочем диапазоне. Вследствие того, что лишь совсем немного трубок будут внутри снабжаться жидкостью, эффективная поверхность теплообменника сильно сокращается. Тонкая регулировка может происходить по количеству жидкости, которое получают еще снабжаемые жидкостью участки распределителя.

Поэтому больше не требуется использовать регулирующий вентиль смеси газа и пара для регулирования передаваемого количества тепла выпарного аппарата с падающей пленкой. Поэтому регулирующий вентиль может брать на себя новую задачу - через установку падения давления содействовать тонкой регулировке температуры подогревателя остатка, само собой разумеется, в описанных выше границах.

Если такое регулирование температуры подогревателя остатка не требуется, обычный регулирующий вентиль может заменяться также простым запорным вентилем с низкими потерями давления, что является еще одним преимуществом изобретения.

Так как вся установка может выполняться в этом случае с крайне низкими потерями давления, то также возникает возможность с незначительными издержками снова конденсировать подлежащую удалению, оставшуюся после конденсации смесь газа и пара до давления на выходе. Вследствие этого также возможно использование источников тепла, при которых требуется и выделяется только один частичный поток, и к нему снова можно примешивать оставшуюся смесь газа и пара, что является еще одним преимуществом изобретения.

В предпочтительном выполнении устройства согласно изобретению выпускное устройство для произведенного на внутренней стороне трубок пара и не конденсируемых газов состоит из центральной трубы, которая имеет входное отверстие и примыкающий к нему вертикальный участок. Идеальным образом площадь сечения этой трубы равна или больше суммы внутренних свободных поперечных сечений потоков всех трубок выпарного аппарата, так что в значительной мере предотвращается захват частиц жидкости.

Изобретение разъясняется более подробно посредством представленных на фиг.1 и фиг.2 примеров.

Фиг.1 показывает выпарной аппарат 1 с падающей пленкой, который имеет внешнюю закрывающую обшивку 2 и множество трубок 3, которые закреплены с обеих сторон в не показанных подробно трубных решетках. Пропускаемая по трубкам 3 жидкость подводится через трубопровод 4 находящегося с верхней стороны распределительного устройства 5 и распределяется им на два сегмента трубок, причем меньший сегмент 6 трубок представлен обрамленным пунктирной линией. Трубопровод 4 разделяется по количеству сегментов распределительного устройства 5 на два трубопровода 7 и 8, причем в каждом из этих трубопроводов 7 и 8 расположен вентиль 9 и соответственно 10, так что сегменты распределительного устройства 5 могут разделяться по динамике потока друг от друга.

Под трубками 3 расположено сборное устройство 11, которое принимает остаточную жидкость из трубок 3 и выводит через трубопровод 12 из выпарного аппарата 1 с падающей пленкой. Пар и газы, которые протекали по трубкам 3 или образовывались там, выводятся из выпарного аппарата 1 с падающей пленкой через трубопровод 13.

Через трубопровод 14 происходит подача смеси газа и пара во внешнее пространство трубок. Образованный там конденсат отводится через трубопровод 15, и не сконденсированные пары и соответственно не конденсируемые газы покидают внешнее пространство трубок и выпарной аппарат 1 с падающей пленкой через трубопровод 16.

На фиг.2 показан пример выполнения, в котором жидкость с внутренней стороны трубок собирается в днище выпарного аппарата 1 с падающей пленкой и отводится через трубопровод 12. Пар и неконденсируемые газы с внутренней стороны трубок отводятся через центральную трубу 14, которая имеет входное отверстие, примыкающую к нему вертикальную часть и обладает большим диаметром, что препятствует захвату жидкости потоком газа. Через горизонтальную часть центральной трубы 14 и трубопровод 13 пар и газы выводятся из выпарного аппарата с падающей пленкой.

В простом и не представленном отдельно варианте выполнения приходящая из трубок 3 жидкость вместе с паром может собираться в нижней части выпарного аппарата 1 с падающей пленкой и удаляться через общий трубопровод 12.

1. Выпарной аппарат с падающей пленкой, содержащий
внешнюю закрывающую боковую обшивку,
некоторое количество трубок, по внутренней стороне которых может протекать пленка жидкости,
расположенные с верхней стороны устройства для распределения жидкости по отдельным трубкам,
расположенные с нижней стороны устройства для сбора остаточной жидкости и пара,
устройство выпуска пара для произведенного на внутренней стороне трубок пара,
устройство выпуска жидкости для не испаренной на внутренней стороне трубок жидкости,
ограничения, которые отделяют внутреннее пространство трубок и гидравлически связанные с ним устройства для распределения и сбора от внешнего пространства трубок,
устройство для подачи смеси газа и пара во внешнее пространство трубок,
устройство для отвода сконденсированной жидкости из внешнего пространства трубок, и
устройство для отвода не сконденсированных паров и не конденсируемых газов из внешнего пространства трубок, отличающийся тем, что
распределитель жидкости для распределения испаряемой жидкости по внутренним сторонам отдельных трубок разделен, по меньшей мере, на два участка, и
на каждый из этих участков в отдельности может подводиться или не подводиться жидкость.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что участки выполнены разной величины, так что каждый из участков снабжает жидкостью разное количество трубок.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что между меньшим участком и следующим за ним большим участком существует соотношение от 1:4 до 2:3, идеальным образом - 1:2, по отношению к количеству снабжаемых жидкостью трубок.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что выпускное устройство для произведенного на внутренней стороне трубок пара и не конденсируемых газов состоит из трубы, которая имеет входное отверстие и примыкающую к нему вертикальную часть.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения трубы равна или больше суммы внутренних свободных поперечных сечений протоков всех трубок выпарного аппарата.

6. Способ эксплуатации устройства по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что приток жидкости в отдельные участки распределительной системы в отдельности прерывают в зависимости от желаемых условий частичной нагрузки.

7. Применение способа согласно п.6 для производства 1,2-дихлорэтана (EDC).