Устройство и способ испарения жидкостей, содержащих потенциально взрывчатые примеси
Настоящее изобретение относится к устройству и способу испарения жидкостей, содержащих потенциально взрывчатые примеси с более низкой летучестью, чем у указанного жидкого соединения. Настройка испарителя согласно настоящему изобретению обеспечивает его эксплуатацию с полным испарением жидкости без образования отстойника жидкости с еще не испарившейся жидкостью. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к устройству и способу испарения жидкостей, содержащих потенциально взрывчатые примеси с более низкой летучестью, чем у указанного жидкого соединения. Настройка испарителя согласно настоящему изобретению обеспечивает его эксплуатацию с полным испарением жидкости без образования отстойника жидкости с еще не испарившейся жидкостью.
Во многих промышленных процессах жидкости необходимо испарять на некоторых стадиях. При испарении чистой жидкости газовая фаза обязательно имеет тот же состав, что и еще не испарившаяся жидкость. Однако, различные соединения, используемые в крупномасштабных промышленных процессах, часто содержат значительное количество примесей, некоторые из которых могут иметь возможную взрывоопасность. Обычно для заданной температуры и давления существует критическая пороговая концентрация, ниже которой присутствие потенциально взрывчатой примеси не является опасным. Таким образом, для промышленных процессов принимают меры, чтобы поддерживать концентрацию таких примесей ниже указанного порогового значения. Однако, даже если жидкость и содержит такую примесь только в концентрации, которая не является опасной при хранении при температуре и давлении окружающей среды, ситуация может измениться, когда указанную жидкость необходимо испарить. Во-первых, в большинстве случаев для осуществления выпаривания повышают температуру, т.е. жидкость нагревают. Однако, при более высокой температуре жидкости критическая пороговая концентрация примеси может быть намного ниже, чем при температуре окружающей среды. Во-вторых, даже если испарение осуществляют только путем снижения давления без повышения температуры, могут возникать проблемы из-за накопления примеси в еще не испарившейся жидкости.
Если примесь имеет температуру кипения очень близкую к температуре кипения указанного соединения, газовая фаза, образующаяся при испарении, будет иметь состав, фактически идентичный составу еще не испарившейся жидкой фазы. Однако, довольно часто примесь имеет температуру кипения, которая значительно ниже (низкокипящая примесь) или выше (высококипящая примесь), чем у указанного соединения. В первом случае при испарении жидкости сначала образуется газовая фаза, которая обогащена примесью, оставляя еще не испарившуюся жидкую фазу, обедненную по примеси. В последнем случае сначала образуется газовая фаза, которая обогащена указанным соединением, которое необходимо испарить, оставляя еще не испарившуюся жидкую фазу, которая обогащена примесью. Если в последнем случае примесь представляет собой соединение, имеющее потенциальную взрывоопасность, такое накопление примеси в жидкой фазе может стать очень опасным. Испарение жидкости, которая содержит потенциально взрывчатую примесь с более низкой летучестью, чем у указанного целевого соединения, таким образом всегда связано с риском. Такая ситуация может возникать, например, при испарении жидкого хлора (который может содержать трихлорид азота в качестве потенциально взрывчатой примеси), жидкого динитротолуола (который может содержать тринитротолуол, нитрокрезолы и подобное в качестве потенциально взрывчатых примесей) и жидкие эфиры (которые могут содержать пероксиды).
Существует несколько подходов, известных в данной области техники, для решения данной проблемы.
Например, в случае испарения жидкого хлора, содержащего трихлорид азота (NCl3) - высоко реактивный материал, который может экзотермически разлагаться, приводя в худшем случае к взрыву при превышении пороговой концентрации, - обычно следует принимать специальные меры для того, чтобы избежать накопления высоких концентраций NCl3 в жидком хлоре. В связи с этим предпочтительно ограничивать концентрацию трихлорида азота в жидком хлоре до значения менее 3 масс. %, более предпочтительно до значения менее 1 масс. %, наиболее предпочтительно до значения менее 0,1 масс. %, в каждом случае в пересчете на общую массу хлора и любой примеси, содержащейся в нем. Этого можно достичь или путем (1) ограничения концентрации NCl3 в сырьевом жидком хлоре для испарителя на крайне низком уровне, или путем (2) предотвращения накопления в испарителе, или комбинацией обеих мер. В первом случае (1) состав сырьевого хлора следует регулярно анализировать и, если обнаруживаются слишком высокие концентрации NCl3, следует предпринимать соответствующие ответные меры, такие как, например, смешивание неочищенного хлора с хлором более высокой чистоты, разложение соединений аммиака в рассольном цикле электролиза перед тем, как из них образуется NCl3, или разложение NCl3 в жидком хлоре при помощи высокой температуры. Все эти способы имеют лишь очень ограниченную эффективность. В конечном итоге, в крайнем случае испаритель следует останавливать до тех пор, пока хлор достаточно высокого качества не будет снова доступен. Во втором случае (2) жидкость, накапливающаяся в нижней части испарителя, должна непрерывно или с регулярными интервалами отводиться и безопасно утилизироваться. Все эти меры имеют явные недостатки и делают весь процесс менее рентабельным.
Очевидно, что если возможно полностью быстро испарять жидкость без образования отстойника жидкости, обогащенного примесью, газовая фаза будет всегда иметь такой же состав, что и жидкая фаза, таким образом, если концентрация примеси в исходной жидкой фазе ниже критического порогового значения, а температура жидкости не сильно повышается в процессе испарения, обычно не возникает опасности. Однако, испарители, обычно используемые в процессах получения хлора, представляют собой вертикальные испарители с трубным пучком, байонетные испарители с трубным пучком, испарители с двойной рубашкой и испарители с паровым пространством (Euro Chlor GEST 75/47), ни один из которых не может работать без образования какого-либо отстойника жидкого хлора, что приводит к потенциальной взрывоопасности из-за накопления NCl3 в отстойнике жидкого хлора, как объяснено выше. Только змеевиковый испаритель может работать без накопления жидкого хлора в отстойнике. Но у этого типа испарителя из-за его особой конструкции обычно очень ограничена производительность, и, таким образом, он не подходит для рентабельного крупномасштабного производства. Разложение NCl3 также является одним путем для решения проблемы с хлором, содержащим NCl3. Известные варианты реализации включают (смотрите Safe Handling of Chlorine Containing Nitrogen Trichloride, Chlorine Institute Pamphlet 152) разложение NCb при помощи катализаторов, ультрафиолета, термические способы, добавление восстанавливающих средств и подобное. Эти способы могут безопасно разрушать NCl3 лишь с некоторыми ограничениями. Каталитическое разложение до сих пор не вышло за пределы лабораторных масштабов. Способ с использованием ультрафиолета пригоден только для газообразных потоков хлора. Термический способ зависит от температуры и времени удержания и, таким образом, ограничен расходом, температурой и размером оборудования. Добавление восстанавливающих средств все еще требует стадии снижения концентраций примесей в потоке хлора и, кроме того, имеет нежелательное влияние на качество готового продукта.
Аналогичные подходы с аналогичными недостатками существуют в случае других примеров жидкостей, содержащих потенциально взрывчатые примеси, указанные выше. Указанные проблемы и недостатки иногда настолько сильны, что они препятствуют дальнейшему развитию в технической области. Например, хорошо известно, что газофазные технологии имеют различные принципиальные преимущества относительно жидкофазных технологий. И все же, насколько знают авторы настоящего изобретения, нет крупномасштабной промышленной газофазной установки гидрирования динитротолуола, работающей с динитротолуолом обычной технической чистоты, хотя газофазное гидрирование динитротолуола было в принципе описано довольно давно. Это резко контрастирует со случаем мононитробензола, гидрирование которого в газовой фазе было промышленным стандартом в течение длительного времени. Авторы настоящего изобретения верят, что эта заметная разница, по меньшей мере, отчасти объясняется за счет проблемы безопасного испарения динитротолуола технической чистоты рентабельным образом.
Таким образом, существует потребность в данной области техники в подходе для испарения жидкости, содержащей потенциально взрывчатую примесь, который не требует поддержания концентрации примеси на очень низком уровне, который минимизирует или в более оптимальном случае предотвращает потери указанного соединения, которое необходимо испарить, и который безопасен, а также экономичен при осуществлении в промышленном масштабе.
Таким образом, для удовлетворения данной потребности согласно одному аспекту настоящего изобретения обеспечивается устройство (100) для испарения (здесь и далее в настоящем документе также называемое испаритель), которое содержит:
(i) по меньшей мере один впуск (2) для жидкости (1), подлежащей испарению, причем впуск (я) (2) расположен в верхней части устройства для испарения (2.1) и/или сбоку устройства для испарения (2.2);
(ii) необязательно, в предпочтительном варианте осуществления буферную емкость (3), в которую погружен любой впуск (2.1);
(iii) распределитель (4) жидкости, необязательно оснащенный направляющими лопатками (4.1), который расположен
- под любым впуском (2.1) или, если есть, под буферной емкостью (3), и/или
- над любым впуском (2.2), причем распределитель (4) жидкости соединен с впуском (2.2);
(iv) верхнее нагревательное устройство (5.1), предпочтительно пучок нагреваемых трубок, расположенных горизонтально в устройстве для испарения под распределителем (4) жидкости;
(v) нижнее нагревательное устройство (5.2), предпочтительно нижний пучок нагреваемых трубок, расположенных горизонтально или с нисходящим уклоном в устройстве для испарения под верхним нагревательным устройством (5.1);
(vi) нагреваемую плоскую пластину (10), расположенную горизонтально в нижней части устройства для испарения под нижним нагревательным устройством (5.2);
(vii) выпуск (15) для испарившейся жидкости (т.е. желаемого газового потока) (14).
Согласно другому аспекту настоящего изобретения обеспечивается способ эксплуатации устройства для испарения согласно настоящему изобретению, который включает:
(I) подачу жидкости (1), подлежащей испарению, через
- впуск (2.1), предпочтительно через буферную емкость (3), и/или
- через впуск (2.2)
на распределитель (4) жидкости и оттуда на верхнее нагревательное устройство (5.1), которое нагревается, предпочтительно нагревается паром, при этом массовый расход жидкости (1) выбирают так, что расчетная паропроизводительность, обеспечиваемая верхним нагревательным устройством (5.1), не превышается;
(II) направление всех неиспарившихся капель на нагретую, предпочтительно нагретую паром, плоскую пластину (10);
(III) отведение испарившейся жидкости (т.е. желаемого газового потока) (14) через выпуск (15).
«Жидкость (1)» может быть любой жидкостью, которую можно испарить. Предпочтение отдают жидкостям, содержащим потенциально вредные соединения в отношении риска взрыва. Особое предпочтение отдают жидкостям, выбранным из группы, состоящей из хлора, динитротолуола и эфиров, причем хлор является наиболее предпочтительной жидкостью. В случае хлора концентрация трихлорида азота, содержащегося в нем, предпочтительно составляет от 20 частей на миллион до 250 частей на миллион, более предпочтительно от 30 частей на миллион до 140 частей на миллион, в пересчете на общую массу хлора, включая трихлорид азота и любую другую примесь, которая может присутствовать.
«Нагревательное устройство» в контексте настоящего изобретения охватывает любое устройство, подходящее для осуществления испарения жидкости, которая вступает в контакт с указанным нагревательным устройством. Верхнее нагревательное устройство (5.1) расположено горизонтально, что означает, что продольная сторона данного нагревательного устройства расположена таким образом (смотрите также фиг. 1). Нижнее нагревательное устройство (5.2) может согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения также быть расположено горизонтальным образом. При некоторых обстоятельствах может, однако, быть предпочтительным отклонение от горизонтальной ориентации в случае нижнего нагревательного устройства (5.1). В частности, как будет описано ниже более подробно, может быть предпочтительным придание нижнему нагревательному устройству (5.2) нисходящего уклона, составляющего >0,7°, предпочтительно от 0,8° до 5°, более предпочтительно от 1° до 3°.
Расчетную паропроизводителъность определяют исходя из теоретической поверхности теплообмена, необходимой для полного испарения жидкости (1). Теоретическую поверхность теплообмена специалист может рассчитать в зависимости от связанных условий испарения, таких как характер, давление и температура жидкости (1), форма, расположение, длина, уклон и габариты трубок, направляющих жидкость (1) в устройство для испарения, и пр., используя способы, известные в данной области техники. Подходящие методы расчета описаны в 
11th edition 2013, Chapter С, «Berechnung von 
«VDI-Verlag», ISBN 9783642199806, и Perry's Chemical Engineers' Handbook, Don W. Green, Robert H. Perry, eighth edition 2008, McGraw-Hill Professional, ISBN 9780071422949, Chapter 11 «Thermal Design of heat transfer equipment».
Согласно способу эксплуатации настоящего изобретения данная теоретическая поверхность теплообмена полностью обеспечивается за счет верхнего пучка трубок (5.1). Таким образом, нижний пучок нагретых трубок (5.2) по существу выступает в качестве зоны перегрева.
Различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны далее в настоящем документе. Различные варианты осуществления можно объединять друг с другом при необходимости, если контекст не предполагает иное.
На фиг. 1 показан предпочтительный вариант осуществления устройства (100) для испарения согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2а показан схематический вид в разрезе устройства (100) для испарения согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2b показан увеличенный вид сверху на верхнюю поверхность нагреваемой плоской пластины (10) испарителя (100), показанного на фиг. 2а.
Подходящие впуски (2) известны специалистам в данной области техники, например, питающие трубки, которые предпочтительно оснащены устройствами отключения. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения впуск (2) расположен в верхней части испарителя (впуск типа (2.1)). Согласно предпочтительному варианту осуществления впуск (2.1) погружен в буферную емкость (3), которая служит в качестве гидравлического замка и, таким образом, препятствует обратному течению испарившейся жидкости во впуск (2).
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения испаритель содержит впуск (2.2), который расположен сбоку устройства для испарения, в случае чего распределитель (4) жидкости расположен над указанным впуском (2.2) и соединен с указанным впуском (2.2). В этом контексте выражение «соединенный» означает, что указанный впуск (2.2) расположен относительно распределителя (4) жидкости так, что любая жидкость (1), которую подают во впуск (2.2), может протекать через впуск (2.2) вверх на распределитель (4) жидкости и оттуда вниз на верхнее нагревательное устройство (5.1). Этот вариант осуществления особенно целесообразен в случаях с изменяющимся жидким потоком (1), поскольку в таких случаях буферная емкость (3) может быть недостаточной для безопасного предотвращения обратного течения испарившейся жидкости (1) в систему питающих труб, соединенных с испарителем. Во всех случаях, где этот эффект может возникать и мешать работе процесса, впуск (2.2) для жидкости можно использовать для подачи жидкости (1). В результате соединения впуска (2.2) и распределителя (4) жидкости образуется застой жидкости во впуске (2.2) и системе труб, которая соединяет впуск (2.2) с резервуаром для жидкости (1). Это расположение будет безопасно препятствовать какому-либо нарушению работы процесса из-за обратного движения пузырьков газа, образованных испарившейся жидкостью (1).
Также можно сконструировать испаритель так, что он содержит оба вида впусков, (2.1) и (2.2). Предпочтительно только один вид впуска используют одновременно, другое остается перекрытым. Выбор того, какой вид впуска в настоящее время используется, зависит от рабочих условий. Например, если недоступен большой резервуар для жидкости (1), предпочтительно подавать жидкость (1) через впуск (2.1) в испаритель. При этом давление создается без дополнительного насоса. С другой стороны, если следует испарить большие количества жидкости (1), например, из буферного резервуара, предпочтительно подавать их через впуск (2.2) в испаритель.
Распределитель (4) жидкости обеспечивает равномерное распределение жидкости (1) на верхнее нагревательное устройство (5.1). Подходящие распределители жидкости известны в данной области техники и описаны, например, в Perry's Chemical Engineers' Handbook, Perry's chemical engineers' handbook, Don W. Green, Robert H. Perry, eighth edition 2008, McGraw-Hill Professional, ISBN 9780071422949, Chapter 14.4.5, «Distributors».
Согласно предпочтительному варианту осуществления распределитель (4) жидкости представляет собой распределительную тарелку. Согласно дополнительной альтернативной конструкции распределитель (4) жидкости оснащен направленными вниз направляющими лопатками (4.1), которые препятствуют тому, чтобы жидкость, выходящая из распределителя жидкости, могла растекаться непосредственно по кожуху испарителя, где она может обойти зону нагрева.
Нагревательные устройства (5.1) и (5.2) сконструированы так, что они могут нагреваться в достаточной мере для испарения и перегрева жидкости (1), соответственно. Нагрев можно осуществлять, например, электрически или путем пропускания подходящего теплоносителя, такого как пар, расплав соли, горячая вода, горячее масло или горячие топочные газы, через внутреннюю часть нагревательных устройств (5.1) и (5.2). Нагревание паром, однако, предпочтительно.
Подходящие варианты осуществления нагревательных устройств (5.1) и (5.2) представляют собой, например, нагревательные змеевики или нагреваемые трубки. В случае нагреваемых трубок они имеют или плоскую поверхность, или структурированную поверхность (гребни, ребра, канавки и пр.) для улучшения показателей теплообмена. Согласно предпочтительному варианту осуществления устройства для испарения нагревательные устройства (5.1) и (5.2) представляют собой пучки нагреваемых трубок, причем каждый пучок содержит от 10 до 2000 трубок, предпочтительно от 100 до 1000 трубок, более предпочтительно от 200 до 500 трубок. Предпочтительно, чтобы слои нагреваемых трубок, которые образуют пучки трубок, расположены с возможностью перекрывания зазоров между отдельными трубками одного слоя трубок трубками слоя трубок, находящегося над и/или под ним, как показано схематически на фиг. 2а.
В особенно предпочтительном варианте осуществления с нагреваемыми трубками в качестве нагревательных устройств верхний пучок (5.1) трубок и нижний пучок (5.2) трубок соединены друг с другом при помощи изогнутой U-образной соединительной детали, т.е. соответствующие верхние и нижние трубки составляют две части одной детали оборудования - U-образного пучка (5) трубок с верхним участком (5.1) и нижним участком (5.2). Эта конструкция делает ненужной установку трубного компенсатора в кожухе теплообменника для компенсации температурных напряжений. Такой компенсатор обычно является слабым местом в механической конструкции и будет, кроме того, приводить к риску образования отстойника неиспарившейся жидкости (1).
Согласно дополнительной альтернативной конструкции данного варианта осуществления верхний участок (5.1) U-образного пучка трубок ориентирован по горизонтали, что препятствует отклонению капель жидкого хлора вдоль трубок, тогда как нижний участок (5.2) имеет нисходящий уклон >0,7°, предпочтительно от 0,8° до 5°, более предпочтительно от 1° до 3°. Если пучок (5) трубок нагревается паром, что является наиболее предпочтительным режимом нагревания, дренаж конденсата пара из трубок при этом улучшается.
Горизонтально расположенное верхнее нагревательное устройство (5.1) выступает в качестве зоны нагрева для испарения жидкости (1), тогда как нижнее нагревательное устройство (5.2) служит для перегрева газообразного потока испарившейся жидкости. Предпочтительно, чтобы нижнее нагревательное устройство (5.2) имело такую же теоретическую нагревательную способность, что и верхнее нагревательное устройство (5.2).
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения отбойная перегородка (18), имеющая прорези для нагревательных устройств (5.1) и (5.2), расположена в испарителе вертикально над нагреваемой плоской пластиной (10) в положении между впуском (1) и выпуском (15), так что нагревательные устройства (5.1) и (5.2) проходят через прорези, а верхняя часть отбойной перегородки проходит к внутреннему верхнему кожуху испарителя. Нижний конец отбойной перегородки может проходить к месту сразу под нижним концом нижнего нагревательного устройства (5.1) с тем, чтобы просто закрывать самую нижнюю часть нижнего нагревательного устройства (5.1). Он может согласно предпочтительному варианту осуществления, описанному более подробно ниже, также значительно выступать в секцию испарителя, которая находится под нижним нагревательным устройством (5.2), как показано на фиг. 1. Однако, ни в одном из случаев нижний конец отбойной перегородки не проходит полностью до самой нагреваемой плоской пластины (10). Вследствие данного расположения испаритель разделен на две области:
Первая область, которая относится к испарению подаваемой жидкости (1) и в которой газообразный поток испарившейся жидкости протекает вниз прямотоком еще не испарившимся каплям жидкости (т.е. область на стороне отбойной перегородки (18), которая повернута к впуску (2)), и вторая область, где испарившаяся жидкость направляется вверх к выпуску (15) в верхней части испарителя (т.е. область на стороне отбойной перегородки (18), которая повернута к выпуску (15)). Во второй области испарившаяся жидкость перегревается перед выходом из испарителя через выпуск (15). Когда отбойная перегородка (18) используется в комбинации с U-образным пучком (5) трубок, отбойная перегородка (18) предпочтительно расположена в положении, которое разделяет прямые участки (5.1 и 5.2) пучка (5) трубок и изогнутую соединительную деталь, как показано на фиг. 1.
Горизонтально ориентированная нагреваемая плоская пластина (10) служит в качестве меры безопасности, которая обеспечивает испарение любых неиспарившихся капель жидкости, которые будут проходить два нагревательных устройства (5.1) и (5.2). При обычных рабочих условиях не следует ожидать, что все капли жидкости (1) достигнут нижней части испарителя. Однако, в случае неравномерных рабочих условий, таких как, например, отказ или дефицит подачи тепла к нагревательным устройствам (5.1) и (5.2), может произойти так, что некоторые капли жидкости (1) проходят нагревательные устройства (5.1) и (5.2). Отдельные капли жидкости (1), которые проходят нагревательные устройства испарителя, будут сразу же испаряться при соприкосновении с поверхностью пластины (10), без возможности накопления опасных количеств вредных веществ. Для этого плоская пластина (10) нагревается, предпочтительно снизу паром, наиболее предпочтительно насыщенным паром. Большее количество жидкости (1) будет из-за горизонтального выравнивания плоской пластины (10) равномерно распределяться по поверхности пластины (10). Посредством горизонтального выравнивания препятствуют тому, чтобы жидкость (1) собиралась в одном углу нагретой пластины. Возможного превышения связанной с площадью допустимой пороговой концентрации возможно взрывчатых веществ в указанной жидкости (1) при этом безопасно избегают.(Связанная с площадью пороговая концентрация относится к количеству возможно взрывчатого вещества на единицу площади. В случае трихлорида азота в хлоре не следует превышать значение 1,5 г/см2, предпочтительно 0,3 г/см2; смотрите Euro Chlor GEST 76/55. Больше справочных значений для допустимых концентраций взрывчатых примесей можно найти в соответствующей технической литературе.) Жидкость (1), которая собирается на горизонтально ориентированной плоской пластине (10), будет затем испаряться снова и покидать испаритель вместе с основным потоком (14) испарившейся жидкости через выпуск (15). Для того, чтобы убедиться в выравнивании плоской пластины (10) насколько это возможно близко к идеальной горизонтальной ориентации, предпочтительно, чтобы плоская пластина (10) была оснащена видимой кромкой 10.1 по окружности, как показано на фиг. 1.
Предпочтительно сконструировать плоскую пластину (10) с достаточной механической прочностью для того, чтобы избежать какого-либо повреждения в случае опасных примесей (таких как, например, NCl3 в хлоре), хотя и присутствующие только в количестве, еще недостаточном для того, чтобы вызвать взрыв, следует разлагать в экзотермической реакции. Влияние такого ускоренного разложения может быть, кроме того, ограничено разделением площади поверхности горизонтально ориентированной плоской пластины (10) на меньшие подплощади посредством установки стопоров (11) на поверхности пластины (10). Эти стопоры будут останавливать распространение исходного разложения и, таким образом, неизменно уменьшать опасные эффекты любого разложения. Предпочтительно, чтобы стопоры имели относительно низкую высоту, например, от 1 мм до 5 мм.
Согласно предпочтительному варианту осуществления газообразный поток испарившейся жидкости (1) направляют в поток обязательно на поверхность горизонтально ориентированной нагреваемой плоской пластины (10) посредством подходящего направляющего устройства, известного специалисту в данной области техники, такого как направляющая пластина, направляющая труба, отбойная перегородка и подобное. При этом испаряющаяся жидкость (1) на поверхности плоской пластины (10) поддерживается в термодинамическом равновесии с газообразным потоком уже испарившейся жидкости (1), при этом препятствуя тому, чтобы плоская пластина (10) могла выступать в качестве второй стадии дистилляции, что будет приводить к дальнейшему повышению концентрации опасных веществ в оставшейся жидкости (1). В предпочтительной конструкции желаемое направление газового потока на поверхность горизонтально ориентированной нагреваемой плоской пластины (10) получают путем прямого продолжения вышеуказанной отбойной перегородки (18), которая отделяет трубную секцию испарителя в секции испарителя, которая находится под нижним нагревательным устройством (5.2), как показано на фиг. 1.
Способ эксплуатации устройства для испарения согласно настоящему изобретению главным образом отличается тем, что массовый расход жидкости (1), подлежащей испарению, выбирают так, что расчетная теоретическая паропроизводителльность, обеспечиваемая верхним нагревательным устройством (5.1), не превышается. При этом вероятность образования отстойника жидкости неиспарившейся жидкости в нижней части испарителя сильно снижается и обычно не ожидается совсем. Согласно предпочтительному варианту осуществления U-образного пучка (5) труб с верхним участком (5.1) и нижним участком (5.1) верхнее нагревательное устройство (5.1) рассматривается как включающее только прямой участок пучка (5.1) труб, т.е. согнутая соединительная деталь, объединяющая верхний и нижний участок с образованием одной детали оборудования, для целей определения теоретической расчетной паропроизводительности не рассматривается как часть верхнего нагревательного устройства (5.1).
Для этого массовый расход жидкости (1), подлежащей испарению, следует регулировать относительно заданной теоретической производительности верхнего нагревательного устройства (5.1). Теоретическая производительность нагревательного устройства зависит от различных факторов, таких как площадь поверхности и форма поверхности нагревательного устройства, количество теплоты, подаваемой в час к нагревательному устройству, температура теплоносителя, физические данные жидкости, подлежащей испарению, и пр. Все эти факторы известны для заданной конструкции испарителя, так что специалист в данной области может легко рассчитать теоретическую производительность верхнего нагревательного устройства (5.1).
Подачу теплоты к нагревательным устройствам (5.1) и (5.2) предпочтительно выбирают так, что никаких реакций разложения или никаких других нежелательных реакций (таких как в случае потенциально коррозионно активной жидкости (1) - коррозия материала испарителя) не предполагается. Например, в случае испарения жидкого хлора при помощи пара в качестве источника тепла это означает, что абсолютное давление используемого пара составляет предпочтительно не выше 1,98 бар, более предпочтительно не выше 1,43 бар, еще более предпочтительно не выше 1,10 бар, при этом давлении с хлором можно безопасно работать в пределах рабочей температуры, равной или ниже 120°С или, соответственно, равной или ниже 110°С, или, соответственно, равной или ниже 102,5°С.
Особенно предпочтительный вариант осуществления испарителя (100) согласно настоящему изобретению описан далее в настоящем документе со ссылкой на фигуры.
Испаритель оснащен буферной емкостью (3), в которую погружен впуск (2.1). Распределитель (4) жидкости оснащен направляющими лопатками (4.1) (смотрите фиг. 2а) для предотвращения обхода каплями жидкости пучка трубок путем разбрызгивания в зазор между пучком трубок и кожухом испарителя.
Нагревательные устройства (5.1) и (5.2) объединены в один U-образный пучок трубок с верхним участком (5.1) и нижним участком (5.2). Для ясности только один верхний участок и один нижний участок показаны на фиг. 1. Они представляют в действительности множество трубок, как показано на фиг. 2а. Распределитель (4) жидкости соединяет трубную решетку (17), удерживающую трубки, и отбойную перегородку (18), направляющую течение газообразного потока испарившейся жидкости (1) и любой еще не испарившейся жидкости (1) на верхнюю поверхность плоской пластины (10). Последняя оснащена стопорами (11), как можно видеть более ясно на фиг. 2b, и кромкой (10.1) по окружности, видимой снаружи, которая обеспечивает легкое выравнивание по горизонтали при установке испарителя.
Пучки (5.1) и (5.2) трубок нагреваются паром (6), получаемым в емкости (23) образования пара. Пар (6) подают через впуск (7) в верхнюю камеру (8.1), из которой он протекает через верхний пучок (5.1) трубок, а затем через нижний пучок (5.2) трубок, перед тем как он поступает в нижнюю камеру (8.2), причем обе камеры разделены разделительной пластиной (8.3) Лейдига. В камеру нагрева (12) под плоской пластиной (10) непосредственно подают пар, а конденсат выходит из нижней камеры (8.2) посредством соединительной трубки (9), которая обеспечивает постоянную бесперебойную подачу тепла. В камере нагрева (12) остаточный пар обеспечивает дополнительную тепловую энергию через плоскую пластину (10) к стороне кожуха испарителя для испарения любого жидкого хлора с NCl3, который мог накопиться на верхней поверхности плоской пластины (10). Поток (16) испарившегося хлора отводится сверху плоской пластины (10). Поток 16 затем перегревается U-образной частью пучка трубок и затем покидает испаритель через форсунку 15.
Поток конденсата (13) свободно протекает обратно в емкость (23) образования пара низкого давления. Конденсат перетекает в емкость (29) для конденсата по переливному патрубку (24), который погружен ниже уровня конденсата для предотвращения потерь пара. Выпускная форсунка (21) установлена для выпуска любого инертного газа посредством управляемого по времени клапана 22.
Примеры
Пример 1 (Имитация: Испарение жидкого хлора, содержащего трихлорид азота)
В испарителе, показанном на фиг. 1, поток (1) жидкого хлора, содержащего от 10 частей на миллион до 20 частей на миллион трихлорида азота (NCl3), подают под абсолютным давлением 5000 мбар во впуск (2.1). Впуск (2.2) не используют, и он закрыт.Верхний участок пучка (5.1) трубок сконструирован достаточно большим для обеспечения достаточного тепла, чтобы полностью испарять хлор, который подают с расходом приблизительно 5000 кг/ч. Поток (1) выходит из буферной емкости (3) и равномерно распределяется посредством распределителя (4) жидкости на верхний участок (5.1) U-образного пучка трубок. Направляющие лопатки (4.1) (смотрите фиг. 2а) на стороне распределителя (4) жидкости предотвращают обход каплями жидкого хлора пучка трубок из-за разбрызгивания в зазор между пучком трубок и кожухом испарителя. Пар подают по трубопроводу (28) и через регулирующий клапан (27) в емкость (23) образования пара низкого давления, где пар доводят до желаемого давления и снижают перегрев (т.е. охлаждают до его температуры насыщения). Насыщенный пар (6) с абсолютным давлением приблизительно 1,1 бар, выходящий из емкости (23) образования пара низкого давления, подают в испаритель (100) через впуск (7). Конденсат пара от нагрева выходит из испарителя (100) через выпускной трубопровод (13) назад в емкость (23) образования пара, где его частично используют для снижения перегрева подаваемого перегретого пара. Клапан (22) можно использовать для выпуска из системы пара в атмосферу для предотвращения накопления инертных газов в системе пара. Избыток конденсата отводят по сливной трубе (24) в емкость (29) для конденсата. Уровень жидкости в емкости (29) для конденсата в комбинации с длиной сливной трубы (24) обеспечивает то, что давление насыщенного пара и, таким образом, температура испарения не выше, чем расчетная температура процесса получения хлора. Отсюда его отводят посредством свободного перелива (26). Емкость для конденсата имеет выхлоп в атмосферу посредством выхлопной трубы (25). В испарителе «с избыточным запасом прочности», как правило, испаряется весь жидкий хлор (1) при контакте с верхним участком U-образного пучка (5.1) трубок.
Частично сконденсированный пар (6) отводят потоком пара в нижний участок U-образного пучка (5.2) трубок, в который конденсат может протекать как под силой тяжести, так и движущей силой пара вдоль уклона нижнего участка U-образного пучка (5.2) трубок посредством нижней камеры (8.2) нагрева и соединительной трубы (9) в дополнительную камеру (12) нагрева. В последней остаточный пар обеспечивает дополнительную тепловую энергию через плоскую пластину (10) к стороне кожуха испарителя для испарения любого жидкого хлора с NCl3, который мог накопиться на верхней поверхности плоской пластины (10).
Поток (16) испарившегося хлора отводится сверху плоской пластины (10). Поток 16 затем перегревается U-образной частью пучка трубок и затем покидает испаритель через форсунку 15.
1. Устройство (100) для испарения, содержащее:
(i) по меньшей мере один впуск (2) для жидкости (1), подлежащей испарению, причем впуск(и) (2) расположен (расположены) в верхней части устройства для испарения (2.1) и/или сбоку устройства для испарения (2.2);
(ii) необязательно буферную емкость (3), в которую погружен любой впуск (2.1);
(iii) распределитель (4) жидкости, который расположен
- под любым впуском (2.1) или, если есть, под буферной емкостью (3), и/или
- над любым впуском (2.2), причем распределитель (4) жидкости соединен с впуском (2.2);
(iv) верхнее нагревательное устройство (5.1), расположенное горизонтально в устройстве для испарения под распределителем (4) жидкости;
(v) нижнее нагревательное устройство (5.2), расположенное горизонтально или с нисходящим уклоном в указанном устройстве для испарения под верхним нагревательным устройством (5.1);
(vi) нагреваемую плоскую пластину (10), расположенную горизонтально в нижней части устройства для испарения под нижним нагревательным устройством (5.2);
(vii) выпуск (15) для испарившейся жидкости (т.е. желаемого газового потока) (14).
2. Устройство для испарения по п. 1, в котором как верхнее нагревательное устройство (5.1), так и нижнее нагревательное устройство (5.2) содержат пучок трубок.
3. Устройство для испарения по п. 2, в котором верхний пучок (5.1) трубок и нижний пучок (5.2) трубок соединены друг с другом при помощи изогнутой U-образной соединительной детали с образованием U-образного пучка (5) трубок с верхним участком (5.1) и нижним участком (5.2).
4. Устройство для испарения по п. 2, в котором нижний пучок (5.2) трубок имеет нисходящий уклон, составляющий >0,7°, предпочтительно от 0,8° до 5°, более предпочтительно от 1° до 3°.
5. Устройство для испарения по п. 2, в котором слои нагреваемых трубок, которые образуют пучки трубок, расположены с возможностью перекрывания зазоров между отдельными трубками одного слоя трубок трубками слоя трубок над и/или под ним.
6. Устройство для испарения по п. 1, в котором отбойная перегородка (18), имеющая прорези для нагревательных устройств (5.1) и (5.2), расположена в испарителе вертикально над нагреваемой плоской пластиной (10) в положении между впуском (1) и выпуском (15), так что нагревательные устройства (5.1) и (5.2) проходят через указанные прорези, а верхний конец отбойной перегородки проходит к внутреннему верхнему кожуху испарителя.
7. Устройство для испарения по п. 1, в котором направляющее устройство расположено в испарителе так, чтобы направлять газообразный поток испарившейся жидкости (1) обязательно на поверхность горизонтально ориентированной нагреваемой плоской пластины (10).
8. Устройство для испарения по п. 7, в котором указанное направляющее устройство представляет собой отбойную перегородку (18), имеющую прорези для нагревательных устройств (5.1) и (5.2), которая расположена в испарителе вертикально над нагреваемой плоской пластиной (10) в положении между впуском (1) и выпуском (15), так что нагревательные устройства (5.1) и (5.2) проходят через указанные прорези, а верхний конец отбойной перегородки проходит к внутреннему верхнему кожуху испарителя, а нижний конец отбойной перегородки переходит в секцию испарителя, которая находится под нижним нагревательным устройством (5.2).
9. Устройство для испарения по п. 1, в котором распределитель (4) жидкости оснащен направляющими лопатками (4.1).
10. Устройство для испарения по п. 1, в котором плоская пластина (10) оснащена видимой кромкой (10.1) по окружности.
11. Устройство для испарения по одному из пп. 1-10, в котором жидкость (1) выбрана из группы, состоящей из хлора, динитротолуола и эфиров.
12. Способ эксплуатации устройства для испарения по любому из пп. 1-11, включающий:
(I) подачу жидкости (1), подлежащей испарению, через
- впуск (2.1), если есть, через буферную емкость (3), и/или
- через впуск (2.2)
на распределитель (4) жидкости и оттуда на верхнее нагревательное устройство (5.1), которое нагревают, при этом массовый поток жидкости (1) выбирают так, что не превышают расчетную паропроизводительность, обеспечиваемую верхним нагревательным устройством (5.1);
(II) направление любых неиспарившихся капель на нагретую плоскую пластину (10);
(III) отведение испарившейся жидкости (т.е. желаемого газового потока) (14) через выпуск (15).
13. Способ по п. 12, в котором нагревательные устройства (5.1) и (5.2) нагревают паром.
14. Способ по п. 12, в котором плоскую пластину (10) нагревают паром.
15. Способ по одному из пп. 12-14, в котором жидкость (1) выбирают из группы, состоящей из хлора, динитротолуола и эфиров.
