Конструкции наиболее распространенных выпарных аппаратов с паровым обогревом

Наибольшее распространение получили вертикальные выпарные аппараты с трубчатой поверхностью нагрева, которые хорошо компонуются и занимают меньшую площадь. Во всех конструкциях для облегчения очистки поверхности нагрева от накипеобразований пар поступает в межтрубное пространство, а раствор подогревается и кипит в трубках.

На рис. 2-10 представлен выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой. Естественная циркуляция раствора в аппарате происходит благодаря тому, что на единицу объема жидкости в кипятильных трубках приходится значительно большая поверхность нагрева, чем в циркуляционной трубе (поверхность нагрева трубок пропорциональна их диаметру, а объем жидкости в трубках пропорционален квадрату их диаметра). Поэтому удельный вес раствора, находящегося в циркуляционной трубе, больше, чем в тонких трубках, в которых образование пузырьков пара протекает интенсивнее. Благодаря устройству циркуляционной трубы усиливается естественная циркуляция, увеличивается коэффициент теплообмена и уменьшается осаждение накипи и твердых частичек на внутренних поверхностях кипятильных трубок. Иногда вместо одной центральной циркуляционной трубы делают несколько труб меньшего диаметра.

Пар из раствора выделяется в паровое пространство, проходит через ловушку, в которой происходит сепарация его от влаги, и поступает в паропровод вторичного пара.

Большое распространение получили пленочные выпарные аппараты. На рис.2-11 показан выпарной аппарат с поднимающейся пленкой (при кипении раствора в трубках). 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 за собой раствор, распределяя его тонким слоем по внутренней поверхности трубки. Испарение жидкости происходит при этом в тонком слое, движущемся с большой скоростью (до 20 м/сек), что увеличивает коэффициент теплообмена по сравнению с аппаратом, имеющим циркуляционную трубку. 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 описываемом 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 теплообмена 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 вся превращается в пар, не достигнув верхних концов трубок. В этом случае производительность аппарата падает почти до нуля, но не за счет уменьшения коэффициента теплообмена, как в первом случае, а за счет выключения из работы верхней зоны трубок, т.е. уменьшения активной поверхности нагрева. Таким образом, существует оптимальная высота уровня раствора в кипятильных трубках, устанавливаемая опытным путем. Этой высоте соответствует и достаточно высокий коэффициент теплообмена, и нужное 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.

Рис.2-10. Вертикальный выпарной аппарат Рис.2-11. Выпарной аппарат пленочного типа ВВ с центральной циркуляционной с длинными трубками.

трубой. 1 – корпус; 2 – сепаратор; 3 – камера для раствора;

1 – греющая камера с трубками; 2 – центральная 4 – отражательный зонт; 5 – смотровое стекло;

циркуляционная труба; 3 – паровое пространство; 6 – газоотводная трубка; 7 – опорные лапы;

4 – сепаратор; 5 – отражательный зонт. 8 – продувка шлама.

Для получения максимального эффекта от процесса кипения раствора в пленке греющие трубки в аппаратах этой системы имеют длину 6-9 м. Большой длиной трубок достигаются увеличение скорости движения парожидкостной эмульсии и уменьшение средней толщины пленки раствора. Увеличение скорости пара, образующегося при кипении пленки, происходит вследствие роста его удельного объема с понижением температуры кипения раствора в направлении к верхнему концу трубок за счет уменьшения гидростатического давления. В результате этих явлений повышается коэффициент теплообмена между стенкой и пленкой.

Аппараты с поднимающейся пленкой имеют более высокий коэффициент теплопередачи, чем аппараты с циркуляционной трубой, но имеют большую высоту, т.е. большие затраты на строительство цеха. Кроме того, они непригодны для выпарки кристаллизующихся растворов.

Эти недостатки отсутствуют в аппаратах с выносными кипятильниками, которые в последние годы получили большое распространение и вытесняют аппараты других систем.

Рис.2-12. Выпарной аппарат с выносными подогревателями-кипятильниками.

I – корпус аппарата; II – выносные кипятильники; 1 – соединительная труба; 2 – сепаратор; 3 – разделитель раствора и кристаллов; 4 – циркуляционная труба; 5 – вентиль для греющего пара; 6 – выход конденсата.

Выпарной аппарат с выносной греющей камерой показан на рис.2-12. В таких аппаратах наружная циркуляционная труба обеспечивает интенсивную естественную циркуляцию раствора; аппараты выполняются с трубками длиной от 1,5 до 7 м; они могут работать по принципу всползания пленки, как и предыдущий аппарат. Кратность циркуляции в этих аппаратах можно регулировать уровнем раствора в кипятильных трубках. По практическим наблюдениям кратность циркуляции составляет 20-30 (по весу). На кратность циркуляции влияют уровень раствора в аппарате, физические свойства раствора, разность температур между греющим паром и раствором и коэффициент теплопередачи.

Конструкция указанного на рис.2-12 выпарного аппарата предусматривает возможность включения нескольких кипятильников на один сепаратор, с тем чтобы обеспечить бесперебойную работу аппарата и возможность чистки одного из кипятильников во время работы остальных. Такие аппараты могут применяться как для кристаллизующихся, так и для пенящихся растворов. Для работы с кристаллизующимися растворами устанавливается солеотделитель. В аппаратах с выносными кипятильниками для выпарки вязких растворов ставят насос на циркуляционной трубе

Скорость жидкости в кипятильных трубках выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией составляет обычно от 1,5 до 3,5 м/сек. Поддержание скорости раствора меньше 1,5 м/сек в аппаратах с искусственной циркуляцией нецелесообразно, так как в этом случае уровень закипания жидкости в трубках располагается низко и процесс выпаривания происходит примерно так же, как и при естественной циркуляции. Применение очень высоких скоростей неэкономично, так как уже при скоростях более 4 м/сек увеличение расхода электроэнергии на привод насоса не окупается увеличением тепловой производительности. Если при упаривании раствора может происходить кристаллообразование, то рекомендуется иметь скорости не менее 2,5 м/сек.

Научно-исследовательскими институтами разработаны выпарные аппараты с обогревом электрическими спиралями или инфракрасным излучением. Раствор кипит в жаростойких прозрачных стеклянных трубках. Применение инфракрасных лучей по сравнению с паровым обогревом позволяет передавать большие тепловые потоки через меньшую поверхность нагрева. При этом могут быть созданы условия высокой стерильности, которая имеет важное значение для растворов, не допускающих металлических загрязнений.

До настоящего времени в теплообменниках и выпарных аппаратах для сильно корродирующих веществ для аппаратов с серной кислотой применяли свинец, для аппаратов с азотной кислотой – нержавеющую сталь, для аппаратов с уксусной кислотой – медь; для работы с соляной кислотой применяли керамику и фарфор, отличающиеся плохой теплопроводностью и малой механической прочностью. В настоящее время для греющих поверхностей нагрева применяют специальный графит, отличающийся высокой теплопроводностью (75-110 ккал/м²чград) и хорошей химической и механической стойкостью. Выпаривание в этих аппаратах производится при атмосферном или небольшом давлении. В качестве защитных средств от коррозии металлов огромные перспективы открывает применение стеклопластиков и полимерных материалов.

В настоящее время для нагрева и выпаривания до высоких концентраций растворов

серной, соляной, фосфорной и других химически агрессивных кислот, а также растворов мирабилита, хлористого магния, хлористого кальция, сульфита алюминия, медного и железного купоросов и других солей получили применение аппараты с погружным горением.

Корпуса аппаратов изготовляют из углеродистой стали, а во избежание коррозии их внутри футеруют кислотоупорными материалами.

В упариваемый раствор погружаются горелки с барботажными устройствами, которые также изготовляются из материалов, обладающих стойкостью к термическим и химическим воздействиям среды (легированные стали, графит, пластические массы). Для погружного горения могут применяться туннельные, диафрагмовые и циклонные горелки с трубчатыми, решетчатыми и тарельчатыми барботерами, распределяющими продукты сгорания по объему выпариваемой жидкости. Лучшие результаты в отношении равномерного распределения продуктов сгорания по объему жидкости дают решетчатые распределители.

На рис.2-13 показаны некоторые типы горелок для погружного горения. Давление газа перед горелкой должно быть на несколько миллиметров водяного столба больше глубины погружения ее, так как необходимо учитывать гидравлическое сопротивление собственно горелки с барботажным устройством. Горение в горелке может происходить на некоторой глубине под уровнем раствора, находящегося в аппарате. Продукты сгорания выходят из горелки через распределительное устройство и барботируют через раствор.

Рис.2-13. Горелки для погружного горения.

а - для сжигания жидкого топлива; б – циклонного типа для сжигания газа фирмы Нордак; в – для сжигания газа; 1 – форсунка для топлива; 2 – трубка для зажигания; 3 – штуцер для запальника; 4 – электрическая свеча; 5 – завихритель; 6 – смотровая трубка; 7 – смотровое окно; 8- погружная футерованная труба (камера горения); 9 – колокол для распределения газового потока; 10 – решетчатый распределитель газового потока.

Барботаж продуктов сгорания является эффективным способом 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 путем насыщения водяным паром газовых пузырьков, которые всплывают на поверхность раствора, лопаются и таким образом выносят парогазовую смесь в надрастворное пространство аппарата. Температура парогазовой смеси в надрастворном пространстве превышает температуру кипящей жидкости на 2-5^оС. Коэффициент использования теплоты сгорания топлива при выпаривании растворов методом погружного горения достигает 90%.

На рис.2-14 показана схема установки для погружного горения, а на рис.2-15 – выпарной аппарат с погружной горелкой. Парогазовая смесь из аппарата уходит в конденсатор, где конденсируются пары растворителя, а газ удаляется в атмосферу или поступает в абсорбер. Удаление крепкого раствора из аппарата производят при помощи эрлифта.

Достоинствами аппарата с погружным горением являются: высокая коррозионная стойкость, простота устройства, отсутствие греющих поверхностей нагрева и высокий коэффициент теплообмена. Недостатки аппарата: меньшая тепловая экономичность по сравнению с установками, использующими пар от ТЭЦ (когда газ используется для выработки электроэнергии), и необходимость более строгого контроля за его работой (процессом горения), чтобы исключить возможность взрыва газовой смеси в аппарате.

Рис.2-14. Схема выпарной установки с погружным горением газа.

1 – газодувка с ресивером для газа; 2 – компрессор для воздуха с ресивером; 3 – выпарной аппарат; 4 – погружная горелка; 5 – эрлифтное устройство; 6 – отстойник; 7 – шнековый питатель; 8 – центрифуга; 9 – ленточный транспортер готового концентрата; 10 – взрывная мембрана; 11 – конденсатор поверхностного типа; 12 – регулирующий вентиль для подачи раствора; 13 – расходный бачок; 14 – центробежный насос; 15 – бак для неконцентрированного раствора.

Рис.2-15. Аппарат с погружной горелкой для выпаривания раствора серной кислоты

(фирмы Нордак).

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.