Установка для непрерывного производства жидкого стекла

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКОГО СТЕКЛА(71) Заявитель Акционерное общество закрытого типа Трансгазмаш(73) Патентообладатель Акционерное общество закрытого типа Трансгазмаш(57) 1. Установка для непрерывного производства жидкого стекла, включающая насос с арматурой для ввода исходных компонентов, теплообменник, нагреватель и синтезатор, снабженные устройствами для контроля температуры и давления, выпускной трубопровод с клапаном давления, теплоизоляцию, отличающаяся тем, что теплообменник, нагреватель и синтезатор выполнены каждый в виде последовательно соединенных трубопроводами герметичных трубчатых стояков с внутренним диаметром менее 150 мм, причем первый трубчатый стояк теплообменника соединен с арматурой для ввода исходных компонентов, при этом трубчатые стояки теплообменника содержат соосно расположенную герметичную трубчатую внутреннюю камеру, последующие трубчатые стояки нагревателя содержат соосно расположенную внутреннюю трубу, а последующие трубчатые стояки синтезатора герметизированы торцовыми заглушками, при этом последний трубчатый стояк синтезатора соединен с герметичной трубчатой внутренней камерой последнего трубчатого стояка теплообменника, герметичные трубчатые внутренние камеры теплообменника последовательно соединены между собой, а выпускной трубопровод соединен с герметичной трубчатой внутренней камеры первого стояка теплообменника, при этом во всех трубчатых стояках входное отверстие выполнено в виде форсунки, расположенной у дна трубчатого стояка и ориентированной тангенциально к внутренней поверхности наружной трубы трубчатого стояка. 4531 1 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр отверстия форсунки , производительность установкии скорость потока на входе в трубчатый стояксвязаны зависимостью 1,128/,гдевыбрана из условия активного перемешивания исходных компонентов в трубчатом стояке. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальные участки соединительных трубопроводов содержат в нижней части завихритель потока, выполненный в виде герметичной горизонтальной трубчатой камеры с вертикальным и горизонтальным отверстиями, ориентированными тангенциально к внутренней поверхности трубчатой камеры в одном направлении вращения, причем горизонтальное отверстие расположено в верхней части трубчатой камеры, вертикальное отверстие соединено с трубопроводом, а объем трубчатой камеры составляет не менее двукратного объема вертикального участка соединительного трубопровода. 4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в трубчатых стояках выходное отверстие расположено тангенциально к внутренней поверхности наружной трубы трубчатого стояка в одном направлении вращения с входным отверстием. Изобретение относится к химической промышленности, в частности к аппаратам синтеза веществ при избыточном давлении и повышенной температуре, и предназначено для производства жидкого стекла одностадийным способом путем прямого взаимодействия кварцевого песка со щелочным раствором при избыточном давлении, повышенной температуре и активном перемешивании. Изобретение может быть использовано в строительной индустрии, литейном производстве, электротехнике и других смежных им областях. Известна конструкция автоклава для варки жидкого стекла, содержащего герметичный трубчатый корпус, вращающийся на опорных роликах 1. Однако недостатком этой конструкции является прерывистый процесс получения жидкого стекла, связанный с остановками на заправку, разгрузку и остывания готового продукта. Поэтому получение жидкого стекла в таком автоклаве протекает слишком продолжительное время, при низком КПД. В качестве прототипа по технической сущности и достигаемому результату выбрана установка для непрерывного производства жидкого стекла, включающая насос и арматуру для ввода исходных компонентов,теплообменник, нагреватель, синтезатор, устройства для контроля температуры и давления и выпускной трубопровод с клапаном давления и теплоизоляцию 2. При этом синтезатор представляет собой суспензионный реактор, выполненный в виде резервуара, состоящий из струйного циклического смесителя с коаксиально смонтированным вставным патрубком и инерционного концентратора, установленного на струйном циклическом смесителе. В основании резервуара циклического смесителя вмонтированы по меньшей мере по одной вертикальноструйной и тангенциальной форсунке, соединенными с головной областью инерционного концентратора циркуляционным трубопроводом. По циркуляционному трубопроводу часть потока натриево-силикатного раствора, образующегося в головке инерционного концентратора, действующего как отстойный аппарат, в замкнутом цикле проходит через насос и снова подается в реактор через вмонтированные в основании резервуара вертикальноструйные или соответственно тангенциальные форсунки, благодаря чему происходит перемешивание компонентов. От суспензирующего устройства, в котором с помощью мешалки производится смешивание кварцевого песка и суспензионного средства, полученная смесь с помощью насоса подается к циркуляционному реактору. Дозирующие устройства с относящимися к ним насосами для натриевого щелока и воды обеспечивают подачу натриевого щелока и воды в циркуляционный трубопровод. Дозирующее устройство для пара с паровым сервоклапаном, регулируемым с помощью температурного регулятора одного из температурных зондов, находящихся внутри реактора, обеспечивает подачу пара в пространство между стенкой резервуара струйного циклического смесителя и вставным патрубком. Блоки индикации и регулирования уровня жидкости и давления установлены внутри инерционного концентратора. Выпуск части натриево-силикатного раствора, соотношение весов которого О 22 О достигает значения от 1 до 2,81, из головки инерционного концентратора осуществляется по выпускному трубопроводу, 2 4531 1 снабженному теплообменником, с подключенным к нему регулятором температуры, через редукционный клапан на фильтрующую установку. Недостатком этой конструкции является ее сложность, в частности наличие большого количества насосов и следящей аппаратуры и, как следствие, повышенная вероятность выхода установки из строя. Более того, суспензионный реактор представляет собой сосуд большого объема, работающий при повышенной температуре и давлении (т.е. автоклав, на который распространяются правила Атомнадзора для сосудов, работающих под давлением). К недостаткам также можно отнести и то, что в качестве нагревателя в установке используется пар, что влечет за собой необходимость парогенератора высокого давления. Недостатком является также термодинамическая зависимость между температурой и давлением, т.е. изменение одного параметра неизбежно приводит к изменению другого, что не позволяет раздельно управлять хотя бы одним из этих параметров. Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в том, чтобы при непрерывном получении исходного продукта исключить реактор (автоклав) с большим объемом перемешиваемых исходных компонентов при повышенном давлении и температуре с одновременным снижением энергозатрат в 8-10 раз механическое перемешивание исходных компонентов использование пара в качестве нагревателя. Техническим результатом, достигаемым заявляемой установкой для непрерывного производства жидкого стекла, является обеспечение непрерывного движения потока исходных компонентов и одновременно активное их перемешивание при малой линейной скорости перемещения самого потока. Указанный технический результат достигается тем, что в установке для непрерывного производства жидкого стекла, включающей насос и арматуру для ввода исходных компонентов, теплообменник, нагреватель,синтезатор, устройства для контроля температуры и давления, выпускной трубопровод с клапаном давления,теплоизоляцию, согласно изобретению теплообменник, нагреватель и синтезатор выполнены в виде последовательно соединенных герметичных трубчатых стояков с внутренним диаметром менее 150 мм, причем стояки теплообменника расположены на входе и содержат соосно расположенную трубчатую внутреннюю камеру, последующие стояки нагревателя содержат соосно расположенную внутреннюю трубу, а последующие трубы синтезатора герметизированы торцовыми заглушками, при этом последний стояк синтезатора соединен с последней герметичной трубчатой внутренней камерой стояка теплообменника, камеры последовательно соединены между собой, а из первой герметичной трубчатой внутренней камеры стояка теплообменника выполнен выпускной трубопровод, причем во всех стояках входное отверстие выполнено в виде форсунки, расположенной у дна и ориентированной тенгенциально к внутренней поверхности наружной трубы стояка. Кроме того, диаметротверстия форсунки, производительность установкии скорость потокана входе в стояк связаны зависимостью 1,128/, гдевыбрана из условия активного перемешивания исходных компонентов в стояке. Вертикальные участки соединительных трубопроводов содержат завихритель потока в нижней части, выполненный в виде герметичной горизонтальной трубчатой камеры с вертикальным и горизонтальным отверстиями, ориентированными тангенциально к внутренней поверхности камеры в одном направлении вращения, причем горизонтальное отверстие расположено в верхней части камеры, вертикальное отверстие соединено с трубопроводом, а объем камеры выбран не менее двукратного объема вертикального участка соединительного трубопровода. В стояке выходное отверстие расположено тангенциально к внутренней поверхности трубы в одном направлении вращения с входным отверстием. Установка представляет собой непрерывный трубопровод, участки которого организованы в три зоны,последовательно соединенные между собой теплообменник, нагреватель и синтезатор, при этом трубопровод и сами зоны набраны из элементарных вертикальных стояков, каждый из которых является сосудом с объемом до 25 л, соединенных между собой через отверстия малого диаметра, что повысило безопасность установки. Стояки изготовлены из трубы с внутренним диаметром менее 150 мм, поэтому на такую установку правила Атомнадзора (Котлонадзора) не распространяются. Наличие в каждом стояке тангенциально ориентированной форсунки приводит к вращению потока суспензии в стояке, а выполнение условия 1,128/, гдевыбрана из условия активного перемешивания исходных компонентов в стояке, не позволяет оседать крупной фракции на дно стояка во время работы установки. Благодаря этому удалось получить максимально возможную интенсивность перемешивания,не сравнимую ни с одним из аналогов. При этом частота вращения потока внутри стояков достигает 2000 мин-1, что одновременно повысило коэффициент теплопередачи и довело КПД установки до 8595 . Наличие форсунки с малым отверстием дополнительно способствует гарантированной очистке частиц кварца от наружной просинтезированной оболочки. Расположение форсунки у дна стояка решает вопрос запуска установки после остановки. 3 4531 1 Гидравлические потери, с одной стороны, можно отнести к недостатку, но, с другой стороны, вынужденное повышение давления исключает возможность появления паровой фазы. В установке всегда находится жидкость. Вращение потока позволяет получить однородную суспензию внутри стояков относительно большого диаметра при малой линейной скорости перемещения потока снизу вверх, что дает выигрыш времени линейного прохождения потока и позволяет выполнить реальную по размерам конструкцию, т.к. время процесса от входа потока до его выхода составляет приблизительно 2,5 часа. Наличие в замкнутой системе насосного агрегата, подающего под давлением исходные компоненты на вход установки, и клапана давления на выходе установки позволяет управлять параметрами процесса по давлению. При этом температура нагрева с ростом давления термодинамически не связана, что дало возможность изменять параметры процесса, чего нет ни в одном из аналогов. При этом появилась возможность снизить температуру нагрева и сэкономить энергозатраты на нагрев при том же времени синтеза. Набранная из элементарных стояков зона синтеза позволяет осветлить готовый продукт до требуемых параметров, т.к. ее длина ни на что не влияет. Наличие на входе стояков теплообменника с соосно расположенной герметичной внутренней камерой, а также соединение последнего стояка синтезатора с последней герметичной трубчатой камерой стояка теплообменника, последовательное соединение камер между собой и выполнение выпускного трубопровода из первой герметичной трубчатой внутренней камеры стояка теплообменника позволило выполнить эффективный противоточный рекуператор, в котором энергия готового продукта максимально используется на. нагрев исходных компонентов. Это позволило охладить готовый продукт практически до температуры окружающей среды и получить удельные затраты энергии 50 кВт на 1 тонну готового продукта с силикатным модулем 2,5 и плотностью 1,5 т/м. Наличие у стояков нагревателя соосно расположенной внутренней трубы позволяет нагревать поток изнутри, например, разместив в этой трубе термоэлектрический нагреватель. Кроме того, стояки нагревателя можно нагревать сразу изнутри и снаружи горячим потоком воздуха или жидкости, подогреваемыми любым известным способом. Наличие в нижней части вертикальных участков соединительных трубопроводов завихрителя потока,объемом не менее двукратного объема вертикального участка соединительного трубопровода и вертикальное расположение отверстия, соединенного с трубопроводом, освобождает вертикальный участок соединительного трубопровода от осевшего песка во время простоя установки, а расположение в верхней части камеры горизонтального отверстия гарантирует то, что оно останется свободным после оседания песка в завихрителе потока. Тангенциальная ориентация отверстий к внутренней поверхности камеры в одном направлении вращения позволяет произвести промывку бачка потомком суспензии после простоя установки. Расположение выходного отверстия в стояке тангенциально к внутренней поверхности трубы в одном направлении вращения с входным отверстием снижает сопротивление потоку суспензии. Предложенная установка для непрерывного синтеза жидкого стекла является экологически чистой и позволяет производить до 100 тыс. тонн жидкого стекла в год. Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить его соответствие критерию Новизна. Заявляемое техническое решение явным образом не следует из уровня техники и соответствует условию патентоспособности изобретательский уровень, т.к. обеспечивает получение готового продукта (жидкое стекло) за счет того, что в предлагаемой установке во всех ее стояках входное отверстие выполнено в виде форсунки, расположенной у дна и ориентировано тангенциально к внутренней поверхности наружной трубы(менее 150 мм) стояка. Диаметротверстия форсунки, производительность установкии скорость потокаисходных компонентов на входе в стояк связаны зависимостью 1,128/, гдевыбрана из условия активного перемешивания компонентов в стояке при малой линейной скорости перемещения потока снизу вверх. Входное отверстие в стояках расположено тангенциально к внутренней поверхности трубы в одном направлении вращения с входным отверстием. На фиг. 1 схематично показана установка для непрерывного производства жидкого стекла. На фиг. 2 - теплообменник 1 на фиг. 1. На фиг. 3 - нагреватель 2 на фиг. 1. На фиг. 4 - синтезатор 3 на фиг. 1. На фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 2, поясняющее взаимное расположение входного и выходного отверстий в стояках теплообменника. На фиг. 6 - сечение Б-Б на фиг. 3, поясняющее взаимное расположение входного и выходного отверстий в стояках нагревателя. На фиг. 7 - сечение В-В на фиг. 2, 3, 4, поясняющее устройство завихрителя потока. На фиг. 8 - сечение Г-Г на фиг. 7, поясняющее взаимное расположение входного отверстия в завихрителе потока. 4 4531 1 На фиг. 9 - сечение Д-Д на фиг. 7, поясняющее взаимное расположение выходного отверстия в завихрителе потока. Заявляемая установка для непрерывного производства жидкого стекла разделяется по целевому назначению на теплообменник 1, нагреватель 2, синтезатор 3. Установка содержит трубопровод для ввода исходных компонентов 4, присоединенный к насосному агрегату 5, напорная магистраль 6 которого содержит обратный клапан 7 и манометр 8 и присоединена к первому стояку 9 теплообменника 1. Насосный агрегат 5 имеет регулируемую производительность и давление. Стояки теплообменника 1 состоят из соосно расположенных внутренней 10 и наружной 11 труб. Для герметизации труб служат крышки 12 и 13, вваренные сверху и снизу стояка 9. К нижней части наружной трубы 11 приварен корпус 14, внутри которого расположена форсунка 15 с прокладкой 16. В корпусе 14 выполнена, наружная резьба для накидной гайки 17, которая через ниппель 18 прижимает форсунку 15 с прокладкой 16 к торцу корпуса 14, создавая герметичное соединение. К ниппелю 18 приварен трубопровод 19. К верхней части наружной трубы 11 приварен трубопровод 20 с выходным отверстием 21. Входное отверстие с форсункой 15 и выходное отверстие 21 ориентированы тангенциально к внутренней поверхности наружной трубы 11 в одном направлении вращения, а диаметрвходного отверстия, производительность установкии скорость потокасвязаны зависимостью 1,128/, гдеподобрана из условия активного перемешивания исходных компонентов в стояке этого диаметра и высоты. Во внутреннюю трубу 10 введен готовый продукт через отверстие 22 в крышке 12. Такое же отверстие имеется и для выхода готового продукта. Внутренние трубы стояков теплообменника соединены между собой трубопроводами 23. Стояки 9 теплообменника 1 последовательно соединены трубопроводами 20, содержащими завихритель потока 24 в нижней части. Завихритель потока 24 состоит из трубы 25, герметизированной заглушками 26. Вертикальное входное 27 и горизонтальное выходное отверстия расположены по концам трубы и ориентированы тангенциально к внутренней поверхности трубы 25 в одном направлении вращения, причем выходное отверстие расположено в верхней части трубы 25, а внутренний объем трубы выбран не менее двукратного объема вертикального участка входного трубопровода 20. Количество стояков 9 теплообменника 1 выбирается таким, чтобы осуществить возможно более полный тепловой обмен между готовым продуктом и исходными компонентами. Последний стояк теплообменника соединен с первым стояком 28 нагревателя 2 посредством трубопровода 29, содержащего показывающий термометр 30. Выход готового продукта осуществляется из первого стояка теплообменника по трубопроводу 31 через клапан давления 32. Нагреватель 2 содержит стояки 28, состоящие из соосно расположенных внутренней 33 и наружной 34 труб. Для герметизации наружной трубы служат крышки 13, а на внутренней трубе сверху установлена съемная заглушка 35. Ввод и вывод исходного продукта в наружную трубу 34 выполнен так же, как в теплообменнике 1. Во внутреннюю трубу 33 установлен ТЭН 36, крепление которого для простоты не показано. Стояки нагревателя последовательно перемкнуты трубопроводами 20, содержащими завихритель потока 24 в нижней части. Конструкция завихрителя потока 24 такая же, как и в теплообменнике. Стояки нагревателя установлены на подставке 37, обеспечивающей возможность замены и удобство обслуживания ТЭНов. Количество стояков 28 нагревателя 2 выбираются таким, чтобы обеспечить нагрев суспензии до необходимой температуры. Последний стояк нагревателя соединен трубопроводом 38, содержащим термометр электроконтактный сигнализирующий 39, с первым стояком 40 синтезатора 3. Синтезатор 3 содержит стояки 40, состоящие из трубы 41, герметизированной заглушками 42. Ввод и вывод исходных компонентов в трубу 41 и соединение стояков выполнено так же, как в теплообменнике и нагревателе. Количество стояков 40 синтезатора 3 выбирается таким, чтобы время нахождения исходных компонентов в синтезаторе было достаточным для осуществления реакции синтеза. Последний стояк 40 синтезатора 3 соединен с последним стояком 9 теплообменника 1 трубопроводом 43,содержащим термометр показывающий 44 и манометр 45. Теплоизоляция установки для простоты не показана. Установка для варки жидкого стекла работает следующим образом. На участке подготовки суспензии (типовой, на фиг. 1 не показан) готовится щелочь нужной концентрации и песок необходимой влажности и крупности. Эти два компонента смешиваются в пропорции, необходимой для варки жидкого стекла требуемой плотности и модуля, и подаются по трубопроводу 4 на вход насосного агрегата 5, который по трубопроводу 6 через обратный клапан 7, преодолевая давление в системе, подает исходные компоненты в первый стояк 9 теплообменника 1. Давление на входе в систему контролируется манометром 8. Поток суспензии приобретает в наружной трубе 11 стояка 9 круговое движение вследствие ориентировки входного отверстия с форсункой 16 тангенциально к внутренней поверхности трубы и скорость , благодаря подобранному диаметруотверстия форсунки, что препятствует расслоению исходных компонентов в стояке и обеспечивает их активное перемешивание. Беспрепятственный выход из наружной трубы 11 обеспечивается ориентировкой выходного отверстия 21 тангенциально к внутренней поверхности трубы и в одном направлении 4531 1 вращения с входным отверстием. Поскольку во внутреннюю трубу 10 теплообменника введен готовый продукт после синтезатора 3, то происходит тепловой обмен между готовым продуктом и исходным компонентом. Скорость потокаповышает теплоотдачу, а выполнение теплообменника в виде противоточного рекуператора обеспечивает постоянный тепловой напор. Таким образом, на выходе из теплообменника суспензия подогревается до максимально возможной температуры, а готовый продукт остывает до температуры ниже 100 С. Пройдя теплообменник 1, предварительно подогретая суспензия по трубопроводу 29 поступает на вход нагревателя 2. Температура суспензии контролируется термометром 30. В наружной трубе 34 нагревателя поток суспензии также приобретает круговое движение со скоростьюи продолжает нагреваться от ТЭНов 36, установленных во внутренней трубе 33. Скорость потока суспензии повышает теплоотдачу. Поочередно пройдя стояки 28 нагревателя 2 суспензия приобретает необходимую для ускорения синтеза температуру. Необходимое для синтеза давление поддерживается регулируемым клапаном давления 32. Теперь имеются все необходимые для синтеза жидкого стекла параметры, как-то температура, давление, активное перемешивание. По трубопроводу 38 суспензия подается в синтезатор 3. Ее температура контролируется электроконтактным сигнализирующим термометром 39. При температуре выше допустимой, по сигналу от термометра 39, часть ТЭНов автоматически выключается. При температуре ниже допустимой эти ТЭНы по сигналу от термометра 39 автоматически включаются. Попадая в стояки 40 синтезатора 3 поток суспензии приобретает круговое движение со скоростьюи находится в них столько времени, сколько необходимо для осуществления реакции полного синтеза. На выходе синтезатора 3 имеется уже готовый продукт (жидкое стекло), которое по трубопроводу 43 направляется во внутреннюю трубу 10 последнего стояка 9 теплообменника 1. Термометром 44 контролируется его температура, а по манометру 45 настраивается клапан давления 32. В случае аварийной остановки установки для непрерывного производства жидкого стекла происходит расслоение исходных компонентов. Содержащийся в вертикальном трубопроводе 20 и завихрителе потока 24 песок оседает на дно трубы 25, но выходное отверстие 28 остается свободным, т.к. объем трубы 25 выбран по меньшей мере вдвое больше объема вертикального участка трубопровода 20 и при запуске установки осадок вымывается из расширительного бачка благодаря круговому движению потока суспензии в трубе 25. Благодаря, таким образом, реализованному процессу непрерывного производства жидкого стекла, имеет место упрощение конструкции, возможность применения в установке нагревателя любого типа, повышение безопасности, упрощение регулировки параметров варки стекла, установка не попадает под правила Атомнадзора для сосудов, работающих под давлением. Источники информации 1. А.с. СССР 1166813 А, МПК В 01 3/04, 1985. 2. Выкладное описание изобретения 3423945 1, МПК С 01 В 33/32, 1986. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.