Конструкции выпарных аппаратов

Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с трубчатой поверхностью нагрева.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

1) кипятильник (греющая камера), в котором располо­жена поверхность теплообмена и происходит выпаривание рас­твора;

2) сепаратор – паровое пространство, в котором вторич­ный пар отделяется от раствора. Основное конструктивное от­личие выпарных аппаратов от теплообменников заключается в наличии у первых сепаратора. В зависимости от режима дви­жения кипящей жидкости в выпарном аппарате их подразде­ляют на: а) выпарные аппараты со свободной циркуляцией; б) выпарные аппараты с естественной циркуляцией; в) выпар­ные аппараты с принудительной циркуляцией; г) пленочные вы­парные аппараты.

Выпарные аппараты со свободной циркуляцией.В аппаратах такого типа (рис. 3.1) неподвижный или мед­ленно движущийся раствор находится снаружи труб. В рас­творе возникают неупорядоченные конвекционные токи (сво­бодная циркуляция), обусловлен­ные свободной конвекцией. К это­му типу относятся аппараты, вы­полненные в виде чаш или котлов, поверхность теплообмена которых образована стенками аппарата. В настоящее время данные аппа­раты применяются редко, главным образом при выпаривании очень вязких жидкостей.

Рис. 3.1. Выпарной аппарат с горизонталь­ными трубами

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией.Схема естественной циркуляции изображена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема естественной циркуляции

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, со­стоящей из необогреваемой опускной (циркуляционной) трубы 1 иобогреваемой (подъемной) кипятильной трубы 2.Естествен­ная циркуляция раствора происходит вследствие того, что в ки­пятильной трубе жидкость нагревается до бо­лее высокой температуры, чем в циркуляцион­ной. Поэтому плотность раствора, находяще­гося в циркуляционной трубе, больше, чем в кипятильной, и происходит упорядоченное движение (циркуляция) кипящей жидкости по пути: кипятильная труба – паровое простран­ство – опускная труба – кипятильная труба и т. д. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости.

Для естественной цир­куляции требуются два условия: а) достаточная высота уровня жидкости в опускной трубе, для того, чтобы уравновесить столб паро­жидкостной смеси в кипя­тильных трубах и сооб­щить этой смеси необхо­димую скорость; б) до­статочная интенсивность парообразования в кипя­тильных трубах, чтобы парожидкостная эмуль­сия в них имела возможно меньшую плотность.

При небольшом уровне жидкости в опускной трубепарожидкостная смесь не может поднять­ся до верха кипятильных труб. Вследствие этого не происходит циркуляции и работа аппарата сопровождается резким снижением производительности с быст­рым накипеобразованием на поверхности трубок. С повышением уровня жидкости возрастает скорость циркуляции и увеличива­ется коэффициент теплопередачи. Однако возрастание коэффициента теплоотдачи происходит лишь при повышении уровня до некоторого определенного значения (оптимального уровня), соответствующего покрытию кипятильных трубок парожидкостной эмульсией по всей их высоте. При дальнейшем повышении уровня коэффициент теплопередачи несколько снижается, так как вследст­вие увеличения давления внизу кипя­тильных трубок жидкость начинает кипеть не в нижней их части, а не­много выше.

Парообразование в кипятильных трубках определяется физическими свойствами раствора (главным обра­зом вязкостью) и разностью темпера­тур между стенкой трубки и жидко­стью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и тем больше скорость циркуляции. Для до­стижения достаточной интенсивности циркуляции разность температур между греющим паром и раствором должна быть не ниже 7–10 °С.

Оптимальный уровень жидкости повышается с понижением разности температур и увеличением вязкости раствора и находится опытным путем. Если при выпаривании из раствора не выпадают кристаллы, оптимальный уровень обычно составляет от 1/4 до 3/4 высоты кипятильных трубок. Если кристаллы выпадают (так называемые кристаллизую­щиеся растворы), уровень жидкости поддерживают выше кипя­тильных труб для того, чтобы жидкость в них перегревалась и закипала бы лишь при выходе из труб в паровое пространство. При отсутствии кипения в кипятильных трубках отпадает глав­ная причина выделения накипи.

На рис. 3.3 представлен выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой.

Рис. 3.3. Выпарной ап­парат с центральной циркуляционной трубой:

1 – корпус; 2 – кипятиль­ные трубки; 3 – циркуля­ционная труба; 4 –сепара­тор; 5 – отбойник;

I – гре­ющий пар; II – раствор; III – вторичный пар; IV –конденсат; V – упаренный раствор

Греющая камера состоит из ряда вер­тикальных кипятильных трубок, обогреваемых снаружи паром. По оси греющей камеры расположена циркуляционная труба значительно большего диаметра, чем кипятильные трубки. Хотя в таком аппарате циркуляционная труба обогревается снаружи паром, раствор нагревается в ней значительно меньше, чем в кипятильных трубках. Это объясняется тем, что поверхность трубы пропорциональна ее диаметру, а объем жидкости в ней пропорционален квадрату диаметра, следовательно, в циркуляционной трубе объем жидкости на единицу поверхности трубы значительно больше, чем в кипятильных трубках. В аппаратах большой производительности вместо одной циркуляционной трубы устанавливают несколько труб меньшего диаметра.

Аппарат с центральной циркуляционной трубой отличается простотой конструкции и легко доступен для ремонта и очистки. Однако наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции.

Большое распространение получили пленочные выпарные аппараты. Выпарной аппарат с поднимающейся пленкой (при кипении раствора в трубках) показан на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Выпарной аппарат пленочного типа с длинными трубками:

1 – корпус; 2 – камера; 3 – сепаратор;

4 –камера для раствора; 5 –отражательный зонт; 6 – смотро­вое стекло; 7 – газоотводная трубка; 8 – опорные лапы; 9 –продувка шлама;

I – греющий пар; II – упаренный раствор; III – вторичный пар; IV –кон­денсат; V – раствор

Кипятильные трубки заполняются раствором только на 1/4–1/5 их высоты. При достижении температуры кипения в растворе бурно образуются пузырьки пара, которые, двигаясь вверх, увлекают раствор за собой, распределяя его тонким слоем по внутренней поверхно­сти трубки. Испарение жидкости происходит при этом в тонком слое, движущемся с большой скоростью (до 20 м/с), что уве­личивает коэффициент теплообмена по сравнению с аппара­том, имеющим циркуляционную трубу. Парожидкостная эмуль­сия из трубок поступает в центробежный сепаратор, где проис­ходит отделение жидкости от пара. Вторичный пар поступает в трубопровод, а концентрированный раствор отбирается через патрубок для производственных целей или отводится в следую­щий корпус.

В рассматриваемом аппарате циркуляция раствора отсут­ствует, т. е. каждая частица раствора однократно омывает грею­щую поверхность. В связи с этим, эффективность действия та­ких аппаратов зависит от уровня раствора: при заполнении аппарата на полную высоту трубок коэффициент теплоотдачи получается наименьшим вследствие незначительного паросодержания и малой скорости движения жидкой эмульсии внутри трубок. При снижении уровня раствора в трубках ниже допу­стимого минимума получается недостаточное количество парожидкостной эмульсии, и она полностью превращается в пар, не достиг­нув верхних концов трубок. Тогда производительность аппарата падает почти до нуля, но не за счет уменьшения коэффициента теплоотдачи, как в первом случае, а за счет выключения из работы верхней зоны трубок, т. е. уменьшения активной по­верхности нагрева. Следовательно, существует оптимальная вы­сота уровня раствора в кипятильных трубках, определяемая опытным путем. Этой высоте соответствует и достаточно высо­кий коэффициент теплоотдачи и необходимое количество парожидкостной эмульсии, при котором верхние концы трубок не будут оставаться сухими, и в эмульсии будет количество кон­центрированной жидкости, достаточное для питания последую­щих аппаратов или отбора раствора как готового продукта.

Экспериментально установлено, что для получения макси­мального эффекта от процесса кипения раствора в пленке греющие трубки в аппаратах этой конструкции должны иметь длину 6–9 м. При большой длине трубок увеличивается скорость движе­ния парожидкостной эмульсии и уменьшается средняя толщина пленки раствора. Скорость пара, образующегося при кипении пленки, увеличивается за счет роста его удельного объема. При этом температура кипения раствора понижается в направлении к верхнему концу трубок за счет уменьшения гидростатического давления. В результате этих явлений повышается коэффициент теплоотдачи от стенки к пленке.

Аппараты с поднимающейся пленкой применяются для пе­нящихся растворов. Для густых и кристаллизирующихся растворов они не пригодны, так как нижняя и верхняя камеры для раствора мо­гут быстро оказаться заполненными кристаллами. Данные аппараты имеют более высокий коэффициент теплопередачи, чем аппараты с цирку­ляционной трубой, и большую высоту, т. е. большие затраты на строительство цеха. Температурная деформация длинных трубок может привести к их изгибу и нарушению плотности вальцо­вочных соединений в трубных решетках. Чистка трубок в высо­ких аппаратах затруднена. Длинные кипятильные трубки при ремонте вынимают через крышу цеха.

Выпарные аппараты с выносными кипятильниками.Недостатки, свойственные аппаратам пленочного типа, от­сутствуют в аппаратах с выносными кипятильниками. Эти ап­параты широко применяются для выпарки кристаллизующихся и пенящихся растворов и постепенно вытесняют ап­параты других типов.

Выпарной аппарат с вы­носными кипятильниками показан на рис. 3.5.

Аппа­рат имеет выносные кипя­тильники и сепаратор. В ки­пятильнике, состоящем из пучка труб, обогреваемых снаружи паром, образуется парожидкостная смесь, по­ступающая в сепаратор по соединительной трубе. В сепараторе происходит отделение вторичного пара от жидкости, которая по циркуляционной трубе возвращается в кипятильник. Трубы кипятильника могут достигать значительной длины (до 7 м), что способствует интенсивной циркуляции. Расположен кипятильник отдельно от сепаратора, что удобно для ремонта и чистки труб. Конструкция приведенного на рис. 3.5 выпарного аппарата предусматривает возможность включения нескольких кипятильников на один сепаратор, что обеспечивает беспере­бойную работу аппарата и возможность ремонта или чистки одного из кипятильников без остановки всего аппарата.

Выпарной аппарат со сниженным кипятильником.В аппаратах с естественной циркуляцией выпарка кристал­лизующихся растворов связана с необходимостью периодиче­ской очистки поверхности нагрева от образовавшихся отложе­ний, так как кипение раствора, а следовательно, и кристалли­зация твердых веществ осуществляются на поверхности нагрева, а ограниченная скорость раствора (0,5–1,5 м/с) не может пре­дотвратить оседания и прикипания образовавшихся кристаллов к поверхности нагрева.

Рис. 3.5. Выпарной аппарат с вы­носными подогревателями-кипя­тильниками:

1 – корпус аппарата; II – выносной кипятильник;

1 – соединительная тру­ба; 2 – сепаратор; 3 – разделитель раствора и кристаллов;

4 – циркуля­ционная труба; 5 –вентиль для грею­щего пара; 6 – выход конденсата

Борьба с кристалли­зацией твердых веществ на поверхности нагрева может вестись тремя способами: перенесением кристаллизации раствора за пре­делы греющей поверхности; увеличением скорости циркуляции раствора и сочетанием указанных приемов.

Конструктивно такая установка может быть выполнена в виде аппарата со сниженной поверхностью нагрева (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Выпарной аппарат со сни­женным подогревателем:

1 – сепаратор; 2 – подогреватель раство­ра; 3 – солеотделитель; 4 – подъемная циркуляционная труба; 5 – стабилизатор; 6 – перфорированная трубка для промывкиаппаратапаром и водой; 7 – опускная циркуляционная труба;

I – вторичный пар; II – подача раствора;

III – выпуск раствора; IV греющий пар;

V кон­денсат

Раствор подогревается в подогревателе до температуры, ко­торая на 2–3 °С ниже температуры кипения его при давлении в подогревателе раствора. Вследствие уменьшения гидростати­ческого давления при движении вверх раствор начинает кипеть за пределами подогревателя: в верхней части подпорного уча­стка, в подъемной циркуляционной трубе и в стабилизаторе дви­жения парожидкостной эмульсии. Стабилизатор представляет собой разделенную вертикальными перегородками трубу, диа­метр которой равен диаметру подъемной циркуляционной трубы.

Стабилизатор предназначен для рассечения парорастворной эмульсии на отдельные потоки с целью предотвращения гидрав­лических ударов. Скорость циркуляции при выпарке кристал­лизующихся растворов в аппаратах со сниженной поверхно­стью нагрева должна быть не ниже 1,8–2,0 м/с.

В сепараторе происходят вскипание жидкости за счет теп­лоты ее перегрева и образование кристаллов, которые отводятся по циркуляционной трубе в солеотделитель или фильтр и там осаждаются.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией.Аппараты с принудительной циркуляцией применяются для повышения интенсивности циркуляции и коэффициента тепло­передачи (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Выпарной аппарат с прину­дительной циркуляцией для пеня­щихся растворов:

1 – трубчатка; 2 –сепаратор; 3 –отража­тельный зонт; 4 –циркуляционный насос;

5 – циркуляционная труба;

I – вторичный пар; II – отвод раствора;

III – подвод пара; IV –отвод конденсата;

V – подвод раствора

Циркуляция жидкости осуществляется про­пеллерным или центробежным насосом. Свежий раствор по­дается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости под­держивается несколько ниже верхнего обреза кипятильных тру­бок. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается не на подъем жидкости, а лишь на преодоление гидравлических сопро­тивлений. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды, поэтому от­ношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных трубок, очень велико.

Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубках при­нимается равной 1,5–3,5 м/с. Скорость циркуляции опреде­ляется производительностью циркуляционного насоса и не за­висит от уровня жидкости и парообразования в кипятильных трубках. Поэтому аппараты с принудительной циркуляцией при­годны для работы с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (3–5 °С), а также при выпаривании рас­творов с большой вязкостью, естественная циркуляция которых затруднена.

Достоинствами аппаратов с принудительной циркуляцией являются высокие коэффициенты теплопередачи (в 3–4 раза больше, чем при естественной циркуляции), а также отсутствие загрязнений поверхности теплообмена при небольших разно­стях температур. Недостаток – необходимость расхода энергии на работу насоса.

Применение принудительной циркуляции целесообразно при изготовлении аппарата из дорогостоящего материала (при этом важное значение имеет значительное сокращение поверхности теп­лообмена вследствие повышения коэффициентов теплопере­дачи), при выпаривании кристаллизующихся растворов (сокра­щаются простои во время очистки аппарата) и при выпарива­нии вязких растворов (что при естественной циркуляции тре­бует наличия разности температур).

Аппараты с погружным горением.В настоящее время для нагрева и выпаривания до высоких концентраций растворов соляной, серной, фосфорной и других химически агрессивных кислот, а также растворов хлористого кальция, хлористого магния, сульфита алюминия, медного и железного купоросов и других солей широко применяются аппараты с погружным горением (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Аппарат с погружной горелкой для выпаривания раствора серной кислоты:

1 – стальной корпус аппарата; 2 – кислотоупорная керамическая футеровка; 3 – керамическая вставка спускного штуцера; 4 –парогазовый сборник; 5 – предохранительная взрывная мембрана; 6 – люк для внутреннего осмотра аппарата; 7 – выносная камера горелки; 8 – барботажная трубка; 9 – опорные лапы

Корпуса аппаратов данного типа изготовляют из углеродистых сталей и футеруют изнутри кислотоупорными мате­риалами для предотвращения коррозии. В упариваемый раствор погружаются горелки с барботажными устройствами, в которых поверхность соприкосно­вения фаз образуется потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа называется барботажем. Барботажные устройства также изготовляют из кислото­упорных и термостойких материалов.

Барботаж продуктов сгорания является эффективным сред­ством нагревания и выпаривания раствора, так как при этом газы распыляются в растворе на мелкие пузырьки и образуют большую межфазную поверхность для тепло- и массообмена. Интенсивное испарение растворителя происходит посредством насыщения водяным паром газовых пузырьков, которые всплы­вают на поверхность раствора, лопаются и таким образом вы­носят парогазовую смесь в пространство аппарата над раствором, где температура парогазовой смеси превышает температуру кипящей жидкости на 2–5 °С.

Коэффициент использования теплоты сгорания горючего при выпаривании растворов методом погружного горения дости­гает 90 %.

Парогазовая смесь из аппарата удаляется в конденсатор, где конденсируются пары растворителя, а газ направляется в атмосферу или поступает в аппарат для поглощения газов жидкостями (абсорбер) с целью очистки.

Достоинствами аппаратов с погружным горением являются высокая коррозионная стойкость, простота устройства, отсут­ствие греющих поверхностей нагрева и высокий коэффициент теплообмена.

Недостатком является необходимость более строгого конт­роля за работой аппарата (процессом горения) для исключения возможности взрыва газовой смеси в аппарате.