RU2337742C1

RU2337742C1 - Multi-stage evaporation device

Info

Publication number: RU2337742C1
Application number: RU2007110563/15A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Кузнецов (RU); Сергей Николаевич Кузнецов; Петр Васильевич Лебедев (RU); Петр Васильевич Лебедев; Сергей Витальевич Ардамаков (RU); Сергей Витальевич Ардамаков
Original assignee: Открытое акционерное общество "КуйбышевАзот"
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-11-10

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: multi-stage evaporation device includes the following components at every stage: evaporation heat-exchanger; separation chamber; pipelines with pumps of return and transfer of solution to the next stage. The novelty is equipping of force pipelines for transfer of evaporated solution from the 1^st stage to the 2^nd and from the 2^nd to the 3^rd with injector chambers, suction cavities of which are connected with pipelines with separation chambers.

EFFECT: increase efficiency of evaporation; expansion of range of control of underpressure depth and elimination of exclusiveness of forced external vacuum generation.

2 dwg

Description

Изобретение относится к многоступенчатым установкам для выпаривания (концентрирования) растворов различных веществ и может использоваться во всех отраслях промышленного производства, где применяется технологический процесс выпаривания, например в химической промышленности при получении концентрированного раствора капролактама.The invention relates to multi-stage installations for evaporation (concentration) of solutions of various substances and can be used in all industries, where the technological process of evaporation is used, for example, in the chemical industry for the preparation of a concentrated solution of caprolactam.

Известны аналоги - многокорпусные установки выпаривания, описанные в работе Касаткина А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., Химия, 1971 г., с.373-383, рис.IX-2; IX-3.Known analogues are multi-case evaporation plants described in the work of A. Kasatkin. Basic processes and apparatuses of chemical technology. M., Chemistry, 1971, p. 373-383, Fig. IX-2; IX-3.

Известные установки (выпаривания) включают по три ступени выпарки. Каждая из ступеней состоит из испарительного теплообменного устройства - трубчатки, встроенной в среднюю часть корпуса аппарата. Верхней (незаполненной трубчаткой) частью корпуса (аппарата) образована сепарационная камера - пространство для выделения паровой-газовой фазы. Верхние днища сепарационных камер аппаратов первой и второй ступеней соединены трубопроводами с межтрубными пространствами испарительных теплообменных устройств второй и третьей ступеней соответственно (в результате такого соединения теоретический расход греющего пара на выпаривание 1 кг воды из концентрируемого раствора составляет всего 1/3 кг). Сепарационная камера аппарата третьей ступени соединена с вакуумным насосом через конденсатор.Known installations (evaporation) include three stages of evaporation. Each of the steps consists of an evaporative heat exchange device - a tube, which is built into the middle part of the apparatus body. The upper (unfilled tubular) part of the housing (apparatus) formed a separation chamber - a space for the allocation of the vapor-gas phase. The upper bottoms of the separation chambers of the apparatuses of the first and second stages are connected by pipelines to the annular spaces of the evaporative heat exchangers of the second and third stages, respectively (as a result of this connection, the theoretical consumption of heating steam for evaporating 1 kg of water from the concentrated solution is only 1/3 kg). The separation chamber of the apparatus of the third stage is connected to a vacuum pump through a condenser.

Нижние части корпусов-аппаратов снабжены трубопроводами и насосами (см. рис.IX-3) для передачи упаренного раствора со ступени на ступень (на рис.IX-2 приведен самотечный-безнасосный вариант, который далее не рассматривается как менее продуктивный).The lower parts of the apparatus housings are equipped with pipelines and pumps (see Fig. IX-3) for transferring one stripped off solution from a stage to a stage (Fig. IX-2 shows a gravity-free pump version, which is not considered to be less productive below).

Работа установок-аналогов заключается в следующем. Сырцовый раствор, подогретый до температуры кипения, подают в корпус аппарата I-й ступени на верхнюю трубную решетку теплообменного устройства. Раствор стекает по трубкам вниз. В межтрубное пространство теплообменного устройства I-й ступени вводят «чистый» греющий пар. В результате содержащаяся в растворе влага начинает интенсивно испаряться. Образующиеся пары собираются в верхней сепарационной камере аппарата I-й ступени (проходя снизу через свободную центральную трубу увеличенного диаметра) и затем по отдельному трубопроводу вводятся в межтрубное пространство испарительного теплообменного устройства II-й ступени установки выпаривания. «Чистый» греющий пар является теплоносителем только для одного испарительного теплообменного устройства - первой ступени в прямоточной схеме движения потоков теплоносителя и раствора (или третьей ступени - в противоточной). В качестве теплоносителя в испарительных теплообменных устройствах остальных ступеней установки используется вторичный пар (выпар), получаемый в предыдущей ступени. Включением в установку вакуумного насоса, соединенного через конденсатор с сепарационной камерой аппарата III-й ступени, реализовано последовательное ступенчатое понижение давления в корпусах аппаратов - от I-й к III-й ступени, что понизило температуры испарения влаги и обеспечило возможность использования выпара как греющего агента. Упаренный раствор с нижней части аппарата I-й ступени после нижней трубной решетки насосом подается на вторую ступень, т.е. в корпус аппарата на верхнюю трубную решетку испарительного теплообменного устройства II-й ступени. Процесс выпаривания повторяется. Общий цикл выпаривания заканчивается в III-й ступени установки. Концентрированный раствор с нижней части аппарата направляется в технологию.The work of analog installations is as follows. A raw solution, heated to a boiling point, is fed into the housing of the apparatus of the first stage on the upper tube sheet of the heat exchange device. The solution flows down the tubes. In the annular space of the heat exchanger of the first stage, “clean” heating steam is introduced. As a result, the moisture contained in the solution begins to evaporate intensively. The resulting vapors are collected in the upper separation chamber of the apparatus of the first stage (passing from below through a free central pipe of increased diameter) and then introduced into a pipe annulus into the annulus of the evaporative heat exchange device of the second stage of the evaporation unit. “Pure” heating steam is the heat carrier for only one evaporative heat exchange device — the first stage in the direct-flow flow diagram of the heat carrier and the solution (or the third stage in counter-current). Secondary steam (vapor) obtained in the previous stage is used as a heat carrier in evaporative heat exchangers of the remaining stages of the installation. The inclusion of a vacuum pump in the installation, connected through a condenser to the separation chamber of the apparatus of the 3rd stage, implemented a sequential stepwise decrease in pressure in the apparatus housings - from the 1st to 3rd stage, which lowered the evaporation temperature of moisture and made it possible to use vapor as a heating agent . One stripped off solution from the bottom of the apparatus of the 1st stage after the lower tube sheet is pumped to the second stage, i.e. into the casing of the apparatus on the upper tube sheet of the evaporative heat exchange device of the second stage. The evaporation process is repeated. The general evaporation cycle ends in the 3rd stage of the installation. The concentrated solution from the bottom of the apparatus is sent to the technology.

Недостатком установок-аналогов является низкая ремонтопригодность; высокая трудоемкость обслуживания объединенных аппаратов - аппаратов со встроенными теплообменными устройствами, высокие затраты на изготовление и монтаж крупногабаритного и тяжеловесного оборудования.The disadvantage of analogue installations is low maintainability; the high complexity of servicing the combined apparatus - apparatus with built-in heat exchangers, the high cost of manufacturing and installing large and heavy equipment.

За прототип принята многоступенчатая установка выпаривания водного раствора капролактама, описанная в работе Бадриана А.С., Кокоулина Ф.Г., Овчинникова В.И., Ручинского В.Р., Фурмана М.С., Чечика Е.И. Производство капролактама. М., Химия, 1977, с.189-190, рис.61. Направление движения потоков теплоносителя и выпариваемого раствора совпадают, т.е. вариант схемы - прямоточный. Многоступенчатая установка выпаривания (концентрирования) водного раствора капролактама на каждой ступени включает: - испарительный теплообменник; тарельчатую колонну с сепарационной камерой, выполненной в нижней части тарельчатой колонны. В отличие от конструкций аналогов, испарительные теплообменные устройства всех ступеней установки выполнены в отдельных корпусах - в виде вынесенных испарительных теплообменников. Причем нижние части тарельчатых колонн - сепарационные камеры соединены короткими переливными перемычками-трубами большого диаметра с нижними частями (под нижними трубными решетками) вынесенных испарительных теплообменников, где на I-й ступени сепарационная камера соединена со всем единым нижним пространством испарительного теплообменника, а на II-й и III-й ступенях сепарационные камеры соединены только с периферийными кольцевыми отсеками нижних частей своих испарительных теплообменников.The prototype is a multi-stage unit for evaporation of an aqueous solution of caprolactam, described in the work of Badrian A.S., Kokoulin F.G., Ovchinnikov V.I., Ruchinsky V.R., Furman M.S., Chechik E.I. Caprolactam production. M., Chemistry, 1977, p. 189-190, Fig. 61. The direction of flow of the coolant and the evaporated solution coincide, i.e. option circuit - direct-flow. The multi-stage unit for evaporation (concentration) of an aqueous solution of caprolactam at each stage includes: - an evaporative heat exchanger; a disk column with a separation chamber made in the lower part of the disk column. Unlike analog designs, evaporative heat exchangers of all installation stages are made in separate cases - in the form of remote evaporative heat exchangers. Moreover, the lower parts of the tray columns - separation chambers are connected by short overflow bridges-pipes of large diameter with the lower parts (under the lower tube sheets) of the remote evaporative heat exchangers, where at the first stage the separation chamber is connected to the entire single lower space of the evaporative heat exchanger, and at II- the 1st and 3rd steps, the separation chambers are connected only with the peripheral annular compartments of the lower parts of their evaporative heat exchangers.

Верхние части колонн I-й и II-й ступеней соединены «шлемовыми» трубопроводами с межтрубными пространствами испарительных теплообменников последующих ступеней (II-й и III-й соответственно). Межтрубное пространство испарительного теплообменника I-й ступени подключено к трубопроводу «чистого» греющего пара. «Шлемовый» трубопровод от верха тарельчатой колонны последней - III-й ступени введен в конденсатор (охлаждаемый оборотной водой), паровое пространство которого соединено с всасывающей камерой пароэжекторного насоса (создающего последовательное принудительное снижение давления в ступенях). Также к конденсатору подсоединены выходные штуцеры межтрубных пространств испарительных теплообменников II-й и III-й ступеней. Штуцер выхода конденсата от межтрубного пространства испарительного теплообменника I-й ступени направлен в отдельный сборник. Вторая и третья ступени установки дополнительно оснащены трубопроводами циркуляционного возврата и возвратными насосами. Всасывающий патрубок возвратного насоса каждой ступени соединен трубопроводом с центральным отсеком в нижнем днище теплообменника. Патрубок нагнетания связан с трубопроводом, врезанным в тот же испарительный теплообменник, только над его верхней трубной решеткой и в другой - периферийный кольцевой отсек верхнего днища. Установка выпаривания снабжена также двумя группами насосов и трубопроводов передачи раствора с I-й на II-ю и со II-й на III-ю ступени. Патрубки всаса насосов передачи раствора со II-й и с III-й ступеней соединены трубопроводами с периферийными кольцевыми отсеками в нижних днищах теплообменников отдающей ступени. Патрубки нагнетания подключены к трубопроводам, врезанным в испарительные теплообменники принимающей ступени над их верхними трубными решетками в центральные отсеки верхних днищ. Верхнее и нижнее днища испарительного теплообменника I-й ступени не разделены на отсеки. Циркуляционного контура на I-й ступени нет.The upper parts of the columns of the 1st and 2nd stages are connected by “helmet” pipelines with the annular spaces of the evaporative heat exchangers of the next stages (II and III, respectively). The annular space of the first stage evaporative heat exchanger is connected to the “clean” heating steam pipeline. The "helmet" pipeline from the top of the disk column of the last - III stage is introduced into the condenser (cooled by circulating water), the vapor space of which is connected to the suction chamber of the steam jet pump (creating a consequent forced pressure reduction in the steps). Also, the outlet fittings of the annular spaces of the evaporative heat exchangers of the second and third stages are connected to the condenser. The condensate outlet from the annulus of the evaporative heat exchanger of the first stage is directed to a separate collection. The second and third stages of the installation are additionally equipped with circulation return pipelines and return pumps. The suction pipe of the return pump of each stage is connected by a pipeline to the central compartment in the lower bottom of the heat exchanger. The discharge pipe is connected to a pipe embedded in the same evaporative heat exchanger, only above its upper tube sheet and in the other, the peripheral annular compartment of the upper bottom. The evaporation unit is also equipped with two groups of pumps and pipelines for transferring the solution from the 1st to the 2nd and from the 2nd to the 3rd stage. The suction nozzles of the solution transfer pumps from the second and third stages are connected by pipelines to the peripheral annular compartments in the lower bottoms of the heat exchangers of the discharge stage. The discharge pipes are connected to pipelines cut into the evaporative heat exchangers of the receiving stage above their upper tube sheets into the central compartments of the upper bottoms. The upper and lower bottoms of the first stage evaporative heat exchanger are not divided into compartments. There is no circulation circuit at stage I.

Работа многоступенчатой установки выпаривания водного раствора капролактама, принятой за прототип, заключается в следующем. Водный раствор капролактама 22÷32% со стадии экстракции (через предварительный подогреватель), нагретый до температуры кипения, подается на верхнюю трубную решетку испарительного теплообменника первой ступени (деления верхнего и нижнего днища на отсеки здесь нет). Стекая вниз по трубам, нагреваемым снаружи горячим паром, и без того подогретый до кипения раствор начинает интенсивно испаряться (диаметр трубок испарительных теплообменников принят с запасом пропускной способности по максимальному расходу жидкости, поэтому по жидкости трубки работают неполным сечением, пропуская также паровую фазу).The multi-stage installation of the evaporation of an aqueous solution of caprolactam, adopted as a prototype, is as follows. An aqueous solution of caprolactam 22 ÷ 32% from the extraction stage (through a pre-heater), heated to a boiling point, is fed to the upper tube sheet of the first stage evaporative heat exchanger (there is no division of the upper and lower bottoms into compartments). Flowing down the pipes heated externally by hot steam, the solution, already heated to boiling, begins to intensively evaporate (the diameter of the tubes of the evaporative heat exchangers is accepted with a capacity margin of the maximum liquid flow rate, therefore, the pipes work in the liquid with an incomplete cross section, also letting the vapor phase pass).

Упаренная жидкая фаза и пары воды с некоторым содержанием капролактама (газовая фаза) из нижней части теплообменника (следуя в направлении понижения давления) поступают по трубной перемычке (большого диаметра) в сепарационную камеру, размещенную в нижней части колонны I-й ступени. Паровая фаза из сепарационной камеры поднимается вверх колонны, отмывается от капролактама на тарелках горячим конденсатом сокового пара, а остающийся выпар (вторичный пар) через «шлёмовый» трубопровод «входит» в межтрубное пространство испарительного теплообменника II-й ступени в качестве греющего агента (теплоносителя). Первично упаренный раствор до концентрации приблизительно 35% (абсолютное давление на I-й ступени составляет около 0,8 кгс/см²) снизу сепарационной камеры насосом передачи раствора подается на верхнюю трубную решетку испарительного теплообменника второй ступени в центральный отсек, выполненный в верхнем днище. Цикл нагрева и испарения повторяется на второй ступени. Отличие от процесса первой ступени состоит в том, что нагрев по межтрубному пространству испарительного теплообменника II-й ступени производится выпаром с колонны I-й ступени, при более пониженном давлении (на II-й ступени). Также, в отличие от I-й ступени, на II-й ступени первично упаренный раствор из нижнего центрального концентрического отсека испарительного теплообменника (прошедший первый ход по трубам теплообменника) поступает на всас возвратного насоса и по линии нагнетания возвращается вверх теплообменника - на его верхнюю трубную решетку в периферийный кольцевой отсек верхнего днища для повторного стекания-нагрева-испарения. Конструктивно, верхние и нижние днища испарительных теплообменников II-й и III-й ступеней, включая их трубные решетки (трубчатки), разделены концентрическими перегородками (закрепленными на верхних и нижних днищах), так что повторная-возвратная часть раствора и часть, подаваемая с предыдущей ступени, подогреваются по различным зонам трубчатки. Смешивания потоков не происходит. Так как все три ступени унифицированы по оборудованию, т.е. имеют одинаковые теплообменники и колонны, наиболее нагружен по жидкому потоку теплообменник I-й - безциркуляционной ступени. Остальные теплообменники имеют резервы, которые и используются для циркуляции. Исключение контура циркуляции на I-й ступени, где выпаривание производится при наиболее высокой температуре (и давлении), связано также с увеличением объема образования побочных продуктов - олигомеров, затрудняющих последующую обработку и ухудшающих технико-экономические показатели процесса (производства). Как и в установках аналогов (что отмечено выше), выпаривание в каждой последующей ступени производится при более низких давлениях и связанных с ними условием равновесности более низких температурах (понижение давления в ступенях реализовано подключением к конденсатору и всасывающей камере пароэжекторного насоса). «Отмытые» пары (выпар) с колонны III-й ступени поступают в конденсатор (теплообменник, охлаждаемый оборотной водой, к которому подведен трубопровод от всасывающей камеры пароэжекторного насоса). При пониженных давлении и температуре в конденсаторе оставшийся выпар конденсируется и стекает вниз в сборник конденсата сокового пара. Конденсация выпара является дополнительным естественным источником вакуумирования. В тот же конденсатор поступает пароконденсатная смесь от выходных штуцеров межтрубного пространства испарительных теплообменников первой и второй ступеней, где, доохлаждаясь, она также полностью переходит в жидкую фазу и направляется в тот же сборник. Часть образовавшегося конденсата сокового пара специальной группой насосов возвращается на предыдущую (выпарке) стадию производства - экстракцию, а другая часть теми же насосами подается в верхние зоны колонн для отмывки выходящего выпара. Упаренный раствор с периферийного кольцевого отсека нижней части испарительного теплообменника (и сепарационной камеры колонны) III-й ступени направляется на следующую стадию переработки. Цикл замыкается.One stripped off liquid phase and water vapor with a certain caprolactam content (gas phase) from the lower part of the heat exchanger (following in the direction of decreasing pressure) enter the separation chamber located in the lower part of the first stage column through a jumper (large diameter). The vapor phase from the separation chamber rises up the column, is washed off the caprolactam on the plates with hot condensate of the juice vapor, and the remaining vapor (secondary steam) through the "slurry" pipe "enters" the annulus of the evaporative heat exchanger of the second stage as a heating agent (coolant) . The initially stripped off solution to a concentration of approximately 35% (the absolute pressure at the first stage is about 0.8 kgf / cm ² ) is fed from the bottom of the separation chamber by the solution transfer pump to the upper tube sheet of the second stage evaporative heat exchanger into the central compartment made in the upper bottom. The heating and evaporation cycle is repeated in the second stage. The difference from the process of the first stage is that heating through the annulus of the evaporative heat exchanger of the second stage is carried out by evaporation from the column of the first stage, at a lower pressure (at the second stage). Also, unlike the first stage, at the second stage, the initially stripped off solution from the lower central concentric compartment of the evaporative heat exchanger (which has passed the first stroke through the pipes of the heat exchanger) enters the inlet of the return pump and returns up the heat exchanger through the discharge line to its upper pipe a grill in the peripheral annular compartment of the upper bottom for re-draining-heating-evaporation. Structurally, the upper and lower bottoms of the evaporative heat exchangers of the II and III stages, including their tube sheets (tubes), are separated by concentric baffles (fixed on the upper and lower bottoms), so that the re-return part of the solution and the part supplied from the previous steps are heated in various zones of the tubular. Mixing flows does not occur. Since all three steps are unified by equipment, i.e. they have the same heat exchangers and columns; the heat exchanger of the I-th stage is the most loaded in the liquid flow. The remaining heat exchangers have reserves, which are used for circulation. The exclusion of the circulation circuit at the first stage, where evaporation is carried out at the highest temperature (and pressure), is also associated with an increase in the formation of by-products - oligomers, which complicate subsequent processing and impair the technical and economic performance of the process (production). As in the analog installations (as noted above), evaporation in each subsequent stage is performed at lower pressures and lower temperatures connected with them by equilibrium (pressure reduction in the stages is realized by connecting a steam jet pump to the condenser and suction chamber). The “washed” vapors (vapor) from the column of the III stage enter the condenser (a heat exchanger cooled by circulating water, to which a pipeline is connected from the suction chamber of the steam injection pump). At reduced pressure and temperature in the condenser, the remaining vapor condenses and flows down into the condensate collector of the juice vapor. Vapor condensation is an additional natural source of evacuation. The vapor-condensate mixture enters the same condenser from the outlet fittings of the annular space of the evaporative heat exchangers of the first and second stages, where, after cooling, it also completely passes into the liquid phase and is sent to the same collector. Part of the condensed juice vapor formed by a special group of pumps is returned to the previous (evaporation) stage of production — extraction, and the other part is pumped to the upper zones of the columns with the same pumps to wash the effluent. One stripped off solution from the peripheral annular compartment of the lower part of the evaporative heat exchanger (and the separation chamber of the column) of the III stage is sent to the next processing stage. The cycle closes.

Недостатком известной многоступенчатой установки выпаривания воды из водного раствора капролактама является низкая производительность выпаривания, обусловленная невозможностью повышения величины разрежения (вакуума) в сепарационных камерах ступеней выпаривания больше значений, формируемых во всасывающей камере пароэжекторного насоса. Другим недостатком является жесткая связь - зависимость достигаемой величины принудительного разрежения от максимального расхода потока пара в пароэжекторном насосе. Также к недостаткам известной установки следует отнести узость интервала возможного регулирования разрежения. Узость интервала регулирования регламентирована не только ограниченными возможностями принудительной внешней пароэжекторной генерации вакуума, но и протяженностью технологических цепочек замыкания на источник внешнего вакуума, обладающих гидравлическими сопротивлениями (увеличивающимися в сумме по мере удаления от источников). Значения гидросопротивлений также определяют уровень устанавливающихся - распределяющихся по цепи величин разрежения. Наиболее длинная цепь (трасса) с аппаратами до подключения к источнику внешнего разрежения - это цепь от сепарационной камеры I-й ступени - через верхнюю часть колонны I-й ступени, затем через межтрубное пространство испарительного теплообменника II-й ступени, затем через трубопровод соединения выхода межтрубного пространства с конденсатором; через конденсатор; и только затем через последний в цепи - трубопровод соединения конденсатора с всасывающей камерой.A disadvantage of the known multi-stage unit for evaporating water from an aqueous solution of caprolactam is the low evaporation rate due to the impossibility of increasing the vacuum (vacuum) in the separation chambers of the evaporation stages more than the values generated in the suction chamber of the steam jet pump. Another disadvantage is the rigid connection - the dependence of the achieved forced vacuum on the maximum flow rate of the steam flow in the steam jet pump. Also the disadvantages of the known installation should include the narrowness of the interval of possible regulation of the vacuum. The narrowness of the regulation interval is regulated not only by the limited capabilities of forced external vapor ejection vacuum generation, but also by the length of the process circuit of the circuit to the external vacuum source, which have hydraulic resistance (increasing in total with distance from the sources). The values of hydraulic resistance also determine the level of established - distributed across the chain of rarefaction values. The longest chain (route) with devices before connecting to an external vacuum source is a chain from the separation chamber of the I stage through the upper part of the column of the I stage, then through the annulus of the evaporative heat exchanger of the II stage, then through the outlet connection pipe annulus with capacitor; through a capacitor; and only then through the last in the circuit - the pipeline connecting the condenser with the suction chamber.

Целью изобретения является повышение производительности выпаривания за счет увеличения глубины разрежения, расширение интервала регулирования параметров процесса и ослабление «жесткой» зависимости процесса от максимального расхода пара в пароэжекторном насосе.The aim of the invention is to increase the evaporation rate by increasing the depth of rarefaction, expanding the interval for regulating the process parameters and weakening the "hard" dependence of the process on the maximum steam flow rate in the steam jet pump.

Указанная цель достигается тем, что в известной многоступенчатой установке выпаривания, включающей на каждой ступени: испарительный теплообменник; сепарационную камеру; трубопроводы с насосами возврата и передачи раствора на следующую ступень, по меньшей мере в одну нагнетательную ветвь одного трубопровода передачи раствора на следующую ступень введена инжекторная камера, образованная размещенными в трубопроводе двумя поперечными перегородками, выделившими герметичную внутреннюю полость с пропущенными сквозь перегородки параллельно оси трубопровода патрубками, где в стенках патрубков внутри полости выполнены отверстия, расположенные на расстояниях от края входной перегородки, приблизительно равных половине диаметра патрубков, причем межпатрубочное пространство герметичной внутренней полости инжекторной камеры соединено отдельным трубопроводом с сепарационной камерой предыдущей ступени.This goal is achieved by the fact that in the well-known multi-stage evaporation installation, including at each stage: evaporative heat exchanger; separation chamber; pipelines with pumps for returning and transferring the solution to the next stage, at least one injection branch of one pipeline for transferring the solution to the next stage has an injection chamber formed by two transverse partitions placed in the pipeline, which separate the sealed internal cavity with nozzles passed through the partitions parallel to the axis of the pipeline, where in the walls of the nozzles inside the cavity are made holes located at distances from the edge of the inlet partition, approximately half the diameter of the nozzles, and the inter-tube space of the sealed inner cavity of the injection chamber is connected by a separate pipe to the separation chamber of the previous stage.

Предложенная многоступенчатая установка выпаривания поясняется Фиг.1 и Фиг.2. На Фиг.1 представлена общая технологическая схема трехступенчатой установки выпаривания водного раствора капролактама с введенными в трубопроводы линий нагнетания (передачи упаренного раствора с I-й на II-ю и со II-й на III-ю ступени) двумя камерами. Для упрощения на схеме вместо двух - рабочего и резервного, насосов условно показано только по одному насосу. Запорно-регулирующая арматура на трубопроводах также не изображена.The proposed multi-stage evaporation plant is illustrated in FIG. 1 and FIG. 2. Figure 1 presents the general technological scheme of a three-stage installation of evaporation of an aqueous solution of caprolactam with two chambers introduced into the pipelines of the injection lines (transferring the evaporated solution from the I to the II and II to the III stages). To simplify the diagram, instead of two - working and standby, pumps, only one pump is conventionally shown. Stop valves in pipelines are also not shown.

На Фиг.2 приведена схема инжекторной камеры. Условно принято, что обе введенные инжекторные камеры одинаковы, «d» - внутренний диаметр патрубков; «L» - расстояние от оси отверстий до края входной перегородки, равное 0,5 «d».Figure 2 shows a diagram of the injection chamber. It is conventionally accepted that both injected injection chambers are the same, “d” is the inner diameter of the nozzles; "L" is the distance from the axis of the holes to the edge of the inlet partition, equal to 0.5 "d".

Многоступенчатая установка выпаривания воды из водного раствора капролактама (Фиг.1) представляет три последовательные ступени: I; II; III и состоит из трубопровода 1 (для подачи сырцового водного раствора капролактама из отделения экстракции), подключенного к трубному пространству испарительного теплообменника 2 (I-й ступени выпарки). Первичный - предварительный подогреватель раствора до температуры кипения условно не показан. К межтрубному пространству теплообменника 2 вверху подведен трубопровод 3 обогревного пара 5 ати, внизу - трубопровод 4 удаления «чистого» конденсата. Нижняя часть 5 теплообменника 2 после нижней трубной решетки (внутренняя часть теплообменника изображена на Фиг.1 схематично) соединена перемычкой 6 (большого диаметра) с сепарационной камерой 7, образованной нижним пространством колонны первой ступени. Верхнее пространство 8 колонны заполнено тарелками отмывки (условно не показаны). «Шлемовый» трубопровод 9 от верхнего пространства 8 колонны направлен вверх межтрубного пространства теплообменника 10 второй ступени выпаривания. Трубопровод 11 от нижней части 5 теплообменника I-й ступени соединен со всасом насоса 12 (передачи первично упаренного раствора). Трубопровод нагнетания 13 врезан над верхней трубной решеткой (в центральный отсек испарительного теплообменника 10 второй ступени). Линия выхода 14 из межтрубного пространства теплообменника 10 (внизу) соединена с конденсатором 15. Конденсатор 15 подключен трубопроводом 16 к пароэжекторному насосу 17. Нижняя часть 18 теплообменника 10 (так же, как и верхняя) разделена на два отсека: центральный и периферийный кольцевой. Периферийный кольцевой отсек связан трубой-перемычкой 19 с нижним пространством 20 (сепарационной камерой) колонны II-й ступени. Трубопровод 21 от центрального отсека нижней части теплообменника 10 второй ступени заведен на всас насоса 22, нагнетательная ветвь 23 которого подключена к верхнему периферийному кольцевому отсеку над трубной решеткой того же теплообменника 10. Всасывающий трубопровод 24 насоса 25 передачи упаренного раствора на следующую III-ю ступень подсоединен к нижнему периферийному кольцевому отсеку теплообменника 10, а нагнетательная ветвь 26 соединена с теплообменником 27 III-й ступени (его центральным отсеком верхнего днища). Верхняя часть 28 колонны II-й ступени «шлемовым» трубопроводом 29 соединена со входом межтрубного пространства испарительного теплообменника 27 III-й ступени. Переливная труба-перемычка 30 выполнена между нижней частью - кольцевым периферийным отсеком 31 теплообменника и нижней сепарационной камерой 32 колонны. Трубопровод 33 из нижней части 31 (от нижнего центрального отсека) заведен на всас возвратного насоса 34. Периферийный кольцевой отсек нижней части 31 соединен трубопроводом 35 со сборником 36 (из сборника готовый концентрат направляется далее в технологию). Линия 37 - линия возвратного (циркуляционного) нагнетания раствора на верхнюю трубную решетку (в периферийную кольцевую часть) теплообменника 27. Верхняя (тарельчатая) часть 38 колонны «шлемовым» трубопроводом 39 соединена с конденсатором 15. К нему же магистралью 40 подсоединен нижний выход межтрубного пространства теплообменника 27. «Стояк» 41 выполнен между конденсатором 15 и сборником 42 конденсата сокового пара для стекания ожиженной паровой фазы. Низ сборника 42 заведен трубой 43 на всас насоса 44. Трубопровод нагнетания насоса 44 одной возвратной ветвью 45 связан с верхними частями 38; 28 и 8 колонн всех трех ступеней, а другой возвратной ветвью 46 с предыдущей технологической стадией - экстракции. В нагнетательные ветви трубопроводов 13 и 26 насосов 12 и 25 передачи упаренного раствора с I-й на II-ю и со II-й на III-ю ступени установки выпаривания соответственно введены две инжекторные камеры 47 и 48. Инжекторные камеры 47 и 48 соединены дополнительными трубопроводами 49 и 50 с сепарационными камерами 7 и 20. Для упрощения описания принято, что обе инжекторные камеры (47 и 48) одинаковы. Как основные на Фиг.2 указаны номера позиций по первой нагнетательной линии 13 - линии передачи раствора с I-й на II-ю ступень. Совпадающие с ними номера позиций по второй нагнетательной линии (26) передачи раствора со II-й на III-ю ступень приведены рядом с первыми в скобках. Инжекторная камера 47 (48) в съемном с фланцами 51 исполнении вставлена в трубопровод 13 (26). В трубном участке между фланцами 51 размещены входная 52 и выходная 53 поперечные перегородки, образовавшие герметичную внутреннюю полость 54. Сквозь перегородки 52 и 53 пропущены параллельно оси трубопровода патрубки 55 с отверстиями 56 (в стенках). Оси отверстий 56 расположены от плоскости входной перегородки 52 на расстоянии половины «d» - половины внутреннего диаметра патрубков. Отверстия 56 соединяют пространство внутренней полости 54 с зонами внутри патрубков 55. Трубопровод 49 (50) соединен с внутренней полостью 54 посредством штуцера 57.A multi-stage unit for evaporating water from an aqueous solution of caprolactam (Figure 1) represents three successive stages: I; II; III and consists of pipeline 1 (for supplying a raw aqueous solution of caprolactam from the extraction section) connected to the tube space of the evaporative heat exchanger 2 (I stage of evaporation). Primary - the pre-heater of the solution to the boiling point is not conventionally shown. To the annular space of the heat exchanger 2 at the top there is a pipe 3 of heating steam 5 ati, at the bottom - a pipe 4 for removing “clean” condensate. The lower part 5 of the heat exchanger 2 after the lower tube sheet (the inner part of the heat exchanger is shown schematically in FIG. 1) is connected by a jumper 6 (large diameter) with a separation chamber 7 formed by the lower space of the first stage column. The upper space 8 of the column is filled with washing plates (not shown conditionally). "Slam" pipe 9 from the upper space 8 of the column is directed up the annulus of the heat exchanger 10 of the second stage of evaporation. The pipeline 11 from the lower part 5 of the heat exchanger of the 1st stage is connected to the inlet of the pump 12 (transfer of the initially stripped off solution). The discharge pipe 13 is embedded above the upper tube sheet (into the central compartment of the evaporative heat exchanger 10 of the second stage). The exit line 14 from the annular space of the heat exchanger 10 (bottom) is connected to the condenser 15. The condenser 15 is connected by a pipe 16 to the steam ejection pump 17. The lower part 18 of the heat exchanger 10 (as well as the upper one) is divided into two compartments: the central and peripheral annular ones. The peripheral annular compartment is connected by a jumper pipe 19 with the lower space 20 (separation chamber) of the column of the second stage. The pipe 21 from the central compartment of the lower part of the heat exchanger 10 of the second stage is connected to the inlet of the pump 22, the discharge branch 23 of which is connected to the upper peripheral annular compartment above the tube sheet of the same heat exchanger 10. The suction pipe 24 of the pump 25 for transferring one stripped solution to the next stage III is connected to the lower peripheral annular compartment of the heat exchanger 10, and the discharge branch 26 is connected to the heat exchanger 27 of the III stage (its central compartment of the upper bottom). The upper part 28 of the column of the second stage of the "helmet" pipe 29 is connected to the inlet annulus of the evaporative heat exchanger 27 of the III stage. The overflow pipe jumper 30 is made between the lower part - the annular peripheral compartment 31 of the heat exchanger and the lower separation chamber 32 of the column. The pipe 33 from the lower part 31 (from the lower central compartment) is led to the inlet of the return pump 34. The peripheral annular compartment of the lower part 31 is connected by a pipe 35 to the collector 36 (the finished concentrate is then sent to the technology from the collector). Line 37 is the line for returning (circulating) the injection of the solution onto the upper tube sheet (to the peripheral annular part) of the heat exchanger 27. The upper (plate-shaped) part 38 of the column is connected to the condenser 15 by a “helmet” pipe 39. The lower outlet of the annular space is connected to it by line 40 heat exchanger 27. A “riser” 41 is made between the condenser 15 and the condensate collector 42 of the juice vapor for draining the liquefied vapor phase. The bottom of the collector 42 is connected by a pipe 43 to the inlet of the pump 44. The discharge pipe of the pump 44 is connected to the upper parts 38 by one return branch 45; 28 and 8 columns of all three stages, and another return branch 46 with the previous technological stage - extraction. Two injection chambers 47 and 48 are respectively introduced into the discharge branches of pipelines 13 and 26 of the pumps 12 and 25 for transferring the evaporated solution from the 1st to the 2nd and from the 2nd to the 3rd stages of the evaporation unit. The injection chambers 47 and 48 are connected by additional pipelines 49 and 50 with separation chambers 7 and 20. To simplify the description, it is assumed that both injection chambers (47 and 48) are the same. As the main ones in FIG. 2, the position numbers are indicated along the first discharge line 13 — the transmission line of the solution from the first to the second stage. The numbers of positions coinciding with them along the second discharge line (26) for transferring the solution from the second to the third stage are shown next to the first in parentheses. The injection chamber 47 (48) in a removable design with flanges 51 is inserted into the pipe 13 (26). In the pipe section between the flanges 51, the inlet 52 and the outlet 53 are transverse baffles, forming a sealed internal cavity 54. Through the baffles 52 and 53 are passed parallel to the axis of the pipeline pipe 55 with holes 56 (in the walls). The axis of the holes 56 are located from the plane of the inlet wall 52 at a distance of half "d" - half the inner diameter of the nozzles. Holes 56 connect the space of the inner cavity 54 with the zones inside the nozzles 55. The pipe 49 (50) is connected to the inner cavity 54 by means of a fitting 57.

Работа предложенной многоступенчатой установки выпаривания влаги из водного раствора капролактама состоит в следующем. Так же, как и в установке прототипа, сырцовый раствор поступает из отделения экстракции по трубопроводу 1 (через предварительный подогреватель, нагревающий раствор до температуры кипения - не показан) в верхнюю часть испарительного теплообменника 2 I-й ступени (на верхнюю трубную решетку). В межтрубное пространство теплообменника 2 по трубопроводу 3 подается пар 5 ати, конденсат «чистого» пара отводится по трассе 4. В трубках испарительного теплообменника 2 подаваемый раствор начинает испаряться. Так как по жидкой фазе трубки «работают» не полным сечением, в нижнюю часть 5 теплообменника 2 (под нижнюю трубную решетку) одновременно «выходит» и жидкая, и газовая фазы. По трубе - перемычке 6 раствор и газовая фаза «перетекают» в нижнюю часть 7 колонны I-й ступени. Паровая фаза поднимается вверх через тарелки, орошаемые конденсатом сокового пара, в верхнюю часть 8 колонны. На тарелках происходит отмывка пара от капролактама - снижение концентрации капролактама в паровой фазе за счет перехода ее в жидкую фазу. Отмытый выпар по «шлемовой» трубе 9 передается в межтрубное - нагревательное пространство испарительного теплообменника 10 второй ступени выпарки. Первично выпаренный на I-й ступени раствор (капролактама) с нижней части 5 испарительного теплообменника 2 (и сепарационной камеры 7 колонны I-й ступени) по трубопроводу 11 поступает на всас насоса 12, передающего раствор на следующую - II-ю ступень выпаривания. По нагнетательному трубопроводу 13 «транзитом» через инжекторную камеру 47 раствор подается на верхнюю трубную решетку испарительного теплообменника 10 (в центральный отсек), где на II-й ступени повторяются те же процессы - гидродинамический процесс движения раствора, теплообменный процесс нагрева и испарения (на II-й ступени процессы формируются при более низких температуре и давлении с участием возвратно-циркуляционного потока). В описанных границах «механизм» работы предложенной установки выпаривания полностью совпадает с механизмом работы установки прототипа. Отличие в работе I-й ступени предложенной установки выпаривания от работы прототипа состоит в том, что передаваемый по нагнетательному трубопроводу 13 первично упаренный раствор, попадая в инжекторную камеру 47, разбивается на струи по числу патрубков 55. Скорость движения раствора (в струях) увеличивается, т.к. суммарное «живое» сечение патрубков 55 меньше сечения трубопровода 13. При высокоскоростном движении струй в патрубках 55 на длине половины 0,5 диаметра патрубка от входной перегородки, в пристеночных пространствах, на внутренних поверхностях каждого патрубка, возникают зоны разрежения. Выполненные в этих зонах отверстия 56 объединяют зоны разрежения всех патрубков 55 в одну общую «вакуумирующую» зону - внутреннюю полость 54. Через подсоединение полости 54 штуцером 57 к трубопроводу 49 и далее к объему сепарационной камеры 7, по существу, введено подключение камеры 7 к дополнительному новому источнику - генератору разрежения. Первым автономным источником разрежения является (известная по прототипу) всасывающая камера пароэжекторного насоса (к которой камера 7 подключена через верх 8 колонны; через межтрубное пространство теплообменника 10; трубопровод 14; конденсатор 15; трубопровод 16). Такой же процесс дополнительного инжектирования - всасывающего разрежения создается и второй введенной инжекторной камерой 48, вмонтированной в нагнетательную ветвь 26 насоса 25 при передаче упаренного раствора со II-й ступени на верхнюю трубную решетку (в центральный отсек) испарительного теплообменника 27 III-й ступени. Причем внутренняя полость 54 второй камеры через штуцер 57 и трубопровод 50 подсоединена к внутреннему объему сепарационной камеры 20 колонны II-й ступени. То есть производимое второй (поз.48) инжекторной камерой углубление разрежения произведено теперь уже на следующей - II-й ступени выпаривания. Размеры инжекторных камер должны подбираться экспериментально, исходя из существующего набора и характеристик существующих аппаратов. Конструктивно, камеры могут выполняться с одним, двумя и более всасывающими отверстиями в стенках одного, двух и более патрубков. Могут меняться диаметры патрубков и отверстий. Теоретически наиболее целесообразно двойное увеличение объема всасываемого потока на второй (48) камере, в сравнении с первой (47).The work of the proposed multi-stage installation of evaporation of moisture from an aqueous solution of caprolactam is as follows. As in the installation of the prototype, the raw solution enters from the extraction department via pipeline 1 (through a pre-heater, heating the solution to a boiling point - not shown) to the upper part of the evaporative heat exchanger 2 of the 1st stage (to the upper tube sheet). Steam 5 ati is supplied to the annulus of heat exchanger 2 through pipeline 3, condensate of “clean” steam is discharged along route 4. In the tubes of the evaporative heat exchanger 2, the supplied solution begins to evaporate. Since the tubes “work” in the liquid phase not in full cross section, both the liquid and gas phases “simultaneously” enter the lower part 5 of the heat exchanger 2 (under the lower tube sheet). Through the pipe - jumper 6, the solution and the gas phase "flow" into the lower part of the 7th stage column. The vapor phase rises up through the plates, irrigated by the condensate of the juice vapor, in the upper part of the 8 columns. On the plates, steam is washed from caprolactam - a decrease in the concentration of caprolactam in the vapor phase due to its transition to the liquid phase. Washed off vapor through the "helmet" pipe 9 is transferred to the annular - heating space of the evaporative heat exchanger 10 of the second stage of evaporation. The solution (caprolactam) initially evaporated at the first stage from the lower part 5 of the evaporative heat exchanger 2 (and the separation chamber 7 of the column of the first stage) is piped through 11 to the inlet of the pump 12, which transfers the solution to the next, second stage of evaporation. Through the injection pipe 13, in “transit” through the injection chamber 47, the solution is fed to the upper tube sheet of the evaporative heat exchanger 10 (in the central compartment), where at the second stage the same processes are repeated - the hydrodynamic process of the solution moving, the heat exchange process of heating and evaporation (at II processes are formed at lower temperatures and pressures with the participation of the back-circulation flow). Within the described boundaries, the “mechanism” of operation of the proposed evaporation plant fully coincides with the mechanism of operation of the prototype plant. The difference in the operation of the first stage of the proposed evaporation unit from the operation of the prototype is that the initially evaporated solution transferred via the injection pipe 13, falling into the injection chamber 47, is divided into jets by the number of nozzles 55. The speed of the solution (in jets) increases, because the total "live" section of the nozzles 55 is less than the cross-section of the pipe 13. With high-speed movement of the jets in the nozzles 55 for a length of half 0.5 of the diameter of the nozzle from the inlet, in the wall spaces, on the inner surfaces of each nozzle, rarefaction zones arise. The openings 56 made in these zones combine the rarefaction zones of all the nozzles 55 into one common “evacuating” zone — the internal cavity 54. By connecting the cavity 54 with a fitting 57 to the pipe 49 and further to the volume of the separation chamber 7, essentially connecting the chamber 7 to the additional a new source - a vacuum generator. The first autonomous source of rarefaction is (known from the prototype) the suction chamber of the steam jet pump (to which the chamber 7 is connected through the top 8 of the column; through the annulus of the heat exchanger 10; pipe 14; condenser 15; pipe 16). The same process of additional injection - suction rarefaction is created by the second injection chamber 48, mounted in the discharge branch 26 of the pump 25 when the evaporated solution is transferred from the II stage to the upper tube sheet (in the central compartment) of the III stage evaporative heat exchanger 27. Moreover, the inner cavity 54 of the second chamber through the fitting 57 and the pipe 50 is connected to the inner volume of the separation chamber 20 of the column of the second stage. That is, the depression deepening produced by the second (pos. 48) injection chamber is now performed at the next, second stage of evaporation. The dimensions of the injection chambers should be selected experimentally, based on the existing set and characteristics of existing devices. Structurally, the chambers can be performed with one, two or more suction openings in the walls of one, two or more nozzles. The diameters of the nozzles and holes may vary. Theoretically, the most appropriate is a double increase in the volume of the suction stream on the second (48) chamber, compared with the first (47).

Благодаря предложенному решению на базе двух существующих насосных систем перекачки раствора (с I-й ступени на II-ю и со II-й на III-ю) созданы автономные устройства, генерирующие разряжение, в которых используется часть механической энергии перекачиваемых потоков. Получившиеся устройства - инжекторные камеры своими внутренними - всасывающими полостями подсоединены к сепарационным камерам I-й и II-й ступеней выпаривания, т.е. к тем пространствам, в объеме которых реализуется полномасштабный процесс разделения горячей жидкой и паровой фаз. За счет отсоса инжекторными камерами части газовой фазы (и передачи ее на другую ступень - более «близкую» к основному внешнему генератору разрежения - пароэжекторному насосу), гарантированное разрежение над поверхностью раздела фаз (пар-жидкость) углубляется. Углубление разрежения приводит к снижению температуры точки начала испарения раствора и тем самым к увеличению объема выпариваемой влаги на первой и на второй ступенях (при тех же затратах энергии на выпаривающий нагрев). Введенными автономными инжекторными (всасывающими) камерами, по существу, реализованы короткие байпасные (обводные) цепи передачи части движущихся потоков. Появление в многоступенчатой схеме установки выпаривания автономно действующих устройств генерации дополнительного разрежения, в которых объем подсоса, глубина разрежения могут конструктивно задаваться или изменяться (в съемном-фланцевом исполнении инжекторных камер), помимо возможности регулирования встраиваемой в трубопроводы арматурой, расширяет диапазон - интервал регулирования параметров процесса, ослабляет жесткую зависимость процесса от максимального расхода пара в пароэжекторном насосе.Thanks to the proposed solution, on the basis of two existing pumping systems for pumping the solution (from the Ist stage to the 2nd and the 2nd to the 3rd), autonomous devices that generate vacuum are created in which part of the mechanical energy of the pumped flows is used. The resulting devices - injection chambers are connected to the separation chambers of the first and second stages of evaporation by their internal - suction cavities, i.e. to those spaces in the volume of which a full-scale process of separation of hot liquid and vapor phases is realized. Due to the suction of part of the gas phase by injection chambers (and its transfer to another stage — closer to the main external rarefaction generator — the steam ejector pump), the guaranteed rarefaction above the interface (vapor-liquid) is deepened. The deepening of the rarefaction leads to a decrease in the temperature of the point where the solution begins to evaporate, and thereby to an increase in the volume of evaporated moisture in the first and second stages (at the same energy costs for evaporative heating). Introduced autonomous injection (suction) chambers, in essence, short bypass (bypass) transmission circuits of part of the moving flows are implemented. The appearance in the multi-stage scheme of the evaporation unit of autonomously operating additional rarefaction generation devices in which the suction volume and the vacuum depth can be structurally set or changed (in the removable-flange version of the injection chambers), in addition to the possibility of regulating the fittings built into the pipelines, extends the range - the range of process parameters , weakens the rigid dependence of the process on the maximum steam flow rate in the steam jet pump.

Увеличение производительности выпаривания (объема выхода концентрированного раствора в единицу времени) на 5% позволяет пропорционально увеличить годовой выпуск капролактама, что «в абсолютном выражении» на ОАО «КуйбышевАзот» может составить прирост до 7 тысяч тонн в год.An increase in the evaporation rate (yield of concentrated solution per unit time) by 5% makes it possible to proportionally increase the annual production of caprolactam, which “in absolute terms” at KuibyshevAzot OJSC can reach an increase of up to 7 thousand tons per year.

Claims

A multi-stage evaporation unit, including at each stage: an evaporative heat exchanger; separation chamber; pipelines with pumps for returning and transferring the solution to the next stage, characterized in that at least one injection branch of one pipeline for transferring the solution to the next stage is injected with an injection chamber formed by two transverse partitions placed in the pipeline, which separate the sealed internal cavity and are passed through the partitions in parallel the axis of the pipeline with pipes, where holes are located in the walls of the pipes inside the cavity located at distances from the edge of the inlet and approximately equal to half the diameter of the pipes, wherein the sealed internal space mezhpatrubochnoe cavity injection chamber connected to a separate conduit from the previous stage of the separation chamber.