4.5. Основные элементы схемы выпарной установки

Выпарная установка включает следующие основные элементы: вы­парные аппараты с трубчатыми (внутренними) или рубашечными (на­ружными) паровыми обогревателями, с трубчатыми электрическими нагревателями (ТЭН) или с погружными горелками для контактной передачи теплоты непосредственно от газов к раствору, сепараторы и брызгоотделители, конденсатоотводчики, подогреватели раствора, кон­денсаторы, сборные баки и емкости, насосы, запорную и предохрани­тельную арматуру, регулирующие и контрольно-измерительные прибо­ры. Некоторые специфические для выпарных станций элементы ниже рассматриваются подробно.

4.5.1. Выпарные аппараты. Выпарные аппараты с поверхностью на­грева представляют собой теплообменники-испарители, как правило, с паровым обогревом. В большинстве из них предусматривается значи­тельное надрастворное пространство для сепарации из вторичного па­ра жидкой и твердой фаз (сепараторы).

По движению раствора в греющих трубах различают аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также аппараты пле­ночного типа, в которых раствор проходит по поверхности нагрева од­нократно в виде тонкой пленки. Современные выпарные аппараты из­готовляются специализированными предприятиями химического маши­ностроения и должны соответствовать ГОСТ или ведомственным нор­малям. На рис. 4,14–4.17 представлены основные типы выпарных ап­паратов, изготовляемых на отечественных заводах.

Греющая камера выпарного аппарата с трубчатой поверхностью нагрева представ­ляет собой пучок труб с двумя трубными решетками, вставленный в кожух-обечайку. В аппаратах жесткой конструкции греющая камера встраивается между фланцами днища и парового пространства, в аппаратах с подвесной греющей камерой она сво­бодно подвешена или опирается на кронштейны внутри растворного пространства. Греющий пар подается в межтрубное пространство, а раствор циркулирует в трубах. Такое направление тока теплоносителей благоприятствует условиям для очистки труб от отложения солей и накипи, Для выпаривания маловязких некристаллизующихся и неагрессивных растворов получил применение выпарной аппарат типа ВВ с внутренней греющей камерой и с центральной циркуляционной трубой (рис. 4.14,а). Устойчивая циркуляция раствора в аппарате обеспечивается большой удельной поверхностью на­грева на единицу объема раствора в трубах малого диаметра (подъемных) (d=32 мм) в сравнении с центральной трубой большого диаметра (опускной) (d=194 мм и бо­лее). Большая скорость циркуляции раствора в трубах (до 2,0 м/с) обеспечивает высокие коэффициенты теплопередачи. Аппараты компактны и имеют небольшую метал­лоемкость. Номинальная площадь поверхности нагрева – до 400 м². Выпарные аппа­раты с подвесной греющей камерой применяют для выпаривания кристаллизующихся, химически агрессивных и умеренно вязких растворов.

Рис 5. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией:

а – с центральной циркуляционной трубой; б – с совмещенной зоной нагрева и кипения; в – с вынесенной зоной кипения; г – с вынесенной греющей камерой; 1– вход слабого раствора; 2 – выход концентрированного раствора; 3 – вход греющего пара; 4 – выход конденсата; 5 – выход вторичного пара; 6 – выход неконденсирующихся газов; 7 – греющая камера; 8 – паровое про­странство; 9 – брызгоотделитель; 10 – зона парообразования – стабилизатор; II – сливная труба

Рис. 6. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией:

1-вход слабого раствора; 2–выход концентрированного раствора; 3 – вход греющего пара; 4 – выход конденсата; 5–выход вторичного пара; 6 – греющая камера; 7 – паровое пространст­во; 8 – брызгоотделитель; 9 – насос; 10 – сливная труба

Рис. 7. Выпарной аппарат с поднимающейся пленкой:

Т– вход слабого раствора; 2 –выход концентрированного раствора; г –вход греющего пара; 4 – выход конденсата; 5 – выход вторичного пара; 6 – греющая камера; 7 – паровое пространст­во; 8 – брызгоотделитель; 9 – сливная труба

Рис. 4.17. Выпарной аппарат роторного типа со скребками:

1 – вход слабого раствора; 2 –выход концентрированного раствора; 3–вход греющего пара; 4 – выход конденсата; 5 – выход вторичного пара; 6 – греющая камера; 7 -г паровое простран­ство; 8 – брызгоотделитель; 9 – ротор со скребками

Выпарные аппараты с совмещенной зоной нагрева и кипения раствора и вынесен­ной опускной трубой обладают лучшей циркуляцией раствора. Такой аппарат с дли­ной труб до 4000 мм изображен на рис. 4.14д

Устанавливаемый над верхней трубной решеткой конический раструб-стабилизатор (рис. 4.14,е) предназначен для увеличения статического давления за счет столба жид­кости в трубах и вынесения таким путем зоны кипения раствора выше труб. Такое приспособление способствует снижению солеобразования внутренней поверхности грею­щих труб. Недостатком аппаратов, типа изображенных на рис. 4.14,б и в является сложное конструктивное решение узлов ввода пара и вывода конденсата.

Выпаривание кристаллизующихся растворов затрудняется, как известно, выпаде­нием на поверхности нагрева кристаллов (инкрустацией). Очистка поверхности нагре­ва вызывает необходимость частого останова и вскрытия аппарата. Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой и вынесенной, за пределы аппарата опускной циркуля­ционной трубой (рис. 4.14,г) оказался конструктивно удачным для выпаривания таких растворов. В опускной трубе раствор охлаждается, увеличивается его плотность, что способствует увеличению динамического напора для циркуляции раствора. В аппарате установлены удлиненные до 5–7 м трубы. Возникающая в связи с этим повышенная скорость циркуляции раствора затрудняет отложение кристаллов на стенках труб.

Имеются конструкции аналогичных аппаратов с вынесенными горизонтальными и наклонными присоединенными к одному аппарату тремя-четырьмя греющими каме­рами, позволяющими быстро частично демонтировать отдельные камеры для чистки труб.

Устранить инкрустацию поверхности нагрева при выпаривании кристаллизующихся растворов можно повышением до 2–3 м/с скорости движения раствора. Если такую скорость нельзя получить температурным перепадом между теплоносителями, при естественной циркуляции, проектируют выпарные аппараты с принудительной цирку­ляцией раствора, создаваемой насосами, устанавливаемыми снаружи или внутри аппа­рата (рис. 4.15). Аппараты с принудительной циркуляцией применяют также для упа­ривания растворов с повышенной вязкостью.

Часто в технологии встречаются растворы, кипение которых сопровождается цено­образованием. При вспенивании увеличивается унос капель и кристаллов из раствора с вторичным паром, быстрее засоляются греющие поверхности в последующих аппа­ратах, где этот пар конденсируется. Для упаривания пенящихся растворов применяют пленочные (с опускающейся или поднимающейся пленкой) аппараты. На рис. 4.16 пред­ставлен выпарной аппарат с поднимающейся пленкой раствора. Раствор вводится, в аппарат снизу под трубную решетку и заполняет трубы на 1/4–1/5 их высоты. Образующиеся при кипении паровые пузырьки увлекают за собой вверх раствор, рас­пределяют его тонким слоем по внутренней поверхности труб и движутся с ним в виде парожидкостной эмульсии со скоростью до 15–20 м/с. Из труб эмульсия поступает в центробежный разделитель-отбойник, где происходит отделение жидкости от пара.

Вторичный пар, минуя отбойный зонт, поступает в выводящий паропровод, а концен­трированный раствор сливается в «карманы» и через сливные патрубки выводится в следующую ступень выпаривания или на склад. В таком аппарате благодаря высо­кой скорости движения раствора достигается повышение интенсивности теплообмена в трубах. Раствор только 1 раз проходит по поверхности греющих труб, т. е. рецир­куляция в аппарате отсутствует. Готовность или выходная концентрация раствора мо­жет регулироваться отношением длин затопленной раствором части трубы и ее верх­ней части, где происходит интенсивное испарение растворителя из пленки. Чем больше длина этой части, тем выше концентрация раствора, сливающегося из труб в приемный карман. Существует оптимальная высота заполнения трубок раствором, которая опре­деляется свойствами и конечной концентрацией раствора. Конструкция аппарата с поднимающейся пленкой отличается повышенной длиной труб (до 7–9 м), что усложняет монтажные и ремонтные работы.

В выпарных аппаратах с опускающейся пленкой раствор поступает в трубы свер­ху через специальные насадки, предназначенные для равномерного распределения его в виде тонкой пленки на стенках труб и закручивания. Пройдя по трубе сверху вниз 1 раз, раствор достигает нужной концентрации. При недостаточной плотности ороше­ния в таких аппаратах возможно оголение и инкрустация нижних концов труб.

Очень вязкие, пастообразное и термолабильные растворы выпаривают в роторных аппаратах со скребками. Один из таких аппаратов показан на рис. 4.17. Раствор, по­даваемый в роторный аппарат посредством дозировочного насоса, распределяется вра­щающимися посаженными на общий вал скребками по стенке, которая обогревается; паром. По мере выпаривания растворителя на стенке образуется твердый продукт или паста, которые соскабливаются и выводятся из аппарата через нижний патрубок и шлюзовой затвор.

При проектировании выпарной установки необходимо выбрать рациональную кон­струкцию выпарного аппарата, учитывая свойства упариваемого раствора и общие экономические задачи проекта, а затем произвести тепловой и конструктивный расчеты аппаратов для определения необходимой площади поверхности нагрева в соответствии с их производительностью по ступеням выпаривания.

Выпарной аппарат с погружными горелками для выпаривания агрессивных и за­грязненных растворов представляет собой сварной стальной цилиндр с плоской верх­ней крышкой и коническим дном (рис. 4.18). Металлические стенки аппарата футеро­ваны изнутри кислотоупорным кирпичом. В аппарате установлены от одной до трех погружных горелок. Одна из конструкций погружной горелки схематически представ­лена на рис. 4.19. Корпус камеры сгорания и крышка горелки выполнены из кислото­упорного чугуна и соединены болтами. В корпус горелки вставлена огнеупорная фу­теровка. Погружная горелка является ответственейшим узлом выпарного аппарата и должна отвечать всем требованиям для обеспечения полноты сгорания топлива и предотвращения взрыва смеси.

4.5.2. Сепарация пара. Брызгоотделители. Паровое пространство над кипящим раствором в выпарном аппарате определяет чистоту и су­хость вторичного пара, выходящего из выпарного аппарата. Унос вместе с паром жидкости, содержащей концентрируемый продукт, загрязняет конденсат этого пара и тем самым накладывает ограничения на его использование для питания котлов и для обогрева в теплообменных аппаратах. Унос уменьшает выход готового продукта и тем самым увеличивает его стоимость.

Рис. 4.18. Принципиальная схема выпарного аппарата с погружной горелкой: 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – горелка; 4 – выход парогазовой смеси; 5 – брызгоотделитель; 6 – регулятор уровня; 7 – ввод раствора; S – взрывная мембрана; 9 – выпускной патрубок

Рис. 4.19. Погружная горелка туннельного типа:

1 – корпус камеры сгорания; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – крышка; 4 – электроискровая свеча для зажигания горючей смеси; 5 – трубка свечи; 6 – пробка; 7 – камера смешения; 8 – перфо­рированная трубка для воздуха; 9 – ввод газа

Унос, возрастающий с повышением производительности выпарного аппарата, характеризуется объемным напряжением парового простран­ства R_v', м³/(кг³·ч), т. е. количеством образующегося пара на 1 м³ па­рового пространства. Наибольшее его значение, при котором пар может быть достаточно сухим, называется предельным напряжением парового пространства. Оно сильно снижается с повышением давления и зависит от уровня кипящей жидкости над поверхностью нагрева, высоты паро­вого объема, свойств жидкости и других факторов.

4.5.3. Подогреватели раствора. Для предварительного нагревания раствора перед подачей в выпарные аппараты применяют рекупера­тивные трубчатые и пластинчатые теплообменники с паровым или во­дяным обогревом (теплотой конденсата). Раствор обычно поступает в трубы (внутренняя сторона труб легче поддается чистке), а греющий пар или конденсат – в межтрубное пространство. Расчет подогрева­телей раствора и их конструктивная разработка проводятся по ранее изложенным формулам и нормам.

4.6.7. Расчет выпарных аппаратов. Методика расчета поверхности нагрева выпарных аппаратов ничем не отличается от аналогичных расчетов рекуперативных теплообменников (гл. 2). Площадь поверхности нагрева выпарного аппарата определяют по формуле

,

где Q –тепловая мощность аппарата, определяемая расходом греющего пара; k – общий коэффициент теплопередачи:

;

Δt– полезная разность температур в рассчитываемом аппарате.

После конструктивного расчета греющей ка­меры (определения длины и диаметров труб, площадей проходных сечений трубного и меж­трубного пространств, диаметров греющей ка­меры и обечаек аппарата, перегородок и т. д.) производят расчет циркуляции раствора. Для устранения инкрустации поверхности нагрева скорость раствора на входе в греющие трубы должна быть не менее 2,5 м/с. При многократ­ной циркуляции раствора существует понятие «кратности циркуляции» Z, т. е. отношения коли­чества циркулирующего в трубах выпарного аппарата раствора G_ц к количеству выпаренной в нем влаги W:

Z=Gц/W.

В выпарных аппаратах кратность циркуля­ции Z=20÷40.