Устройство выпарных аппаратов
Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемые в про- мышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (Паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных видов) и по ее рас- положению в пространстве (аппараты с вертикальной, горизонтальной/ иногда с наклонной нагревательной камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.), а также в зависимости от того, движется ли тецлоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим ин- тенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.
Различают выпарные аппараты с неорганизованной, или свободной, направленной естественной и при- нудительной циркуляцией раствора.
Выпарные аппараты делят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат б ез циркуляции раствора, и аппараты, работающие с много- кратной циркуляцией раствора.
В зависимости от организации процесса различают периодиче- ски и непрерывно действующие выпарные аппараты.
Ниже подробно рассмотрены лишь наиболее распространенные, глав- ным образом типовые, конструкции выпарных аппаратов.
Аппараты со свободной циркуляцией раствора. Простейшими аппара- тами этого типа являются периодически действующие открытые выпарные
оптимального числа корпусов многокорпусной выпарной установки:
1 — стоимость пара; 2 — амортизационные расходы; 3 — суммарная стоимость выпаривания. (Все на 1 кг воды.)
* См. Таубман Е. И. Расчет и моделирование выпарных установок. М., «Химия», 1970. 216 с.
4. Устройство выпарных аппаратов 365 чаши с паровыми рубашками (для работы при атмосферном давлении) и закрытые котлы с рубашками, работающие под вакуумом. В выпарных аппаратах с рубашками происходит малоинтен- сивная неупорядоченная циркуляция выпариваемого раствора вследствие разности плотностей более нагретых и менее нагретых частиц. Поэтому в аппаратах с рубашками коэффициенты теплопередачи низки. Поверхности нагрева рубашек и соответственно нагрузки этих аппа- ратов очень невелики. Поэтому выпарные аппараты с рубашками лишь изредка применяются в небольших производствах при выпаривании сильно- агрессивных и вязких, выделяющих твердые осадки, растворов, так как поверхность нагрева может быть от- носительно просто защищена от кор- розии с помощью химически стойких покрытий и легко очищена. Для ее очистки иногда используют мешалки, например якорные. Значительно большей поверхно- стью нагрева в единице объема обла- дают змеевиковые выпарные аппараты (рис. 1Х-7). В' корпусе 1 такого аппарата размещены паровые змеевики 2, а в паровом пространстве установлен брызгоуловитель 3. При проходе через брызгоуловитель по- ток вторичного пара изменяет напра- вление своего движения и из него выделяются унесенные паром капли жидкости. Змеевики выполняют из отдель- ных секций, так как у длинных змее- виков, вследствие накопления кон- денсата, поверхность нагрева плохо используется. Кроме того, при сек- ционировании змеевиков можно по- следовательно отключать отдельные секции по мере понижения уровня раствора в периодически действую- щем аппарате. Змеевиковые аппараты более ком- пактны, чем аппараты с рубашками, и отличаются несколько большей ин- тенсивностью теплопередачи.Однако очистка и ремонт змеевиков затруднены. В этих аппаратах также произ^ водят выпаривание небольших количеств химически агрессивных веществ К той же группе относятся выпарные аппараты с горизонталь ной трубчатой нагревательной камерой и с вер тикальным цилиндрическим корпусом (рис. 1Х-8). В ниж ней части корпуса 1 таких аппаратов находится нагревательная камера 2 состоящая из пучка горизонтальных прямых труб, по которым движете? греющий пар. Верхняя часть корпуса служит сепаратором 3, предназна ченным для уменьшения механического уноса жидкости паром. Известны также аналогичные аппараты с горизонтальным корпусо? (полуцилиндрической, или сундучной формы). Они выгодно отличаются О- вертикальных меньшей высотой слоя выпариваемого раствора, что зна чительно снижает температурные потери вследствие гидростатическо! депрессии. Кроме того, горизонтальные аппараты имеют больший объе( парового пространства, что облегчает выпаривание в них сильно пеня щихся растворов. Вместе с тем эти аппараты обладают и значительным! [Упаренный I раствор Рис. IX-7. Змеевиковый зыпарной агтпа. рат: t — корпус; 2 — паровые змеевики; 3 — брызгоуловитель.
366 Гл. IX. Выпаривание недостатками по сравнению с вертикальными: более громоздки и метал- лоемки; непригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов из-за трудности механической очистки наружной поверхности труб; имеют не- высокие коэффициенты теплоотдачи в горизонтальных паровых трубах (внутри которых накапливается слой конденсата). Вследствие указанных недостатков выпарные аппараты со свободной циркуляцией раствора в настоящее время вытеснены в большинстве про- изводств выпарными аппаратами более совершенных конструкций, в част- ности вертикальными трубчатыми аппаратами. Вертикальные аппараты с направленной естественной циркуляцией« В аппаратах этого типа выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему полу- чили широкое распространение в промышленности. Основным достоинством таких аппаратов является улучшение тепло- отдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отло- жения накипи на поверхности труб. Большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта. Как будет показано ниже, развитие конструк- ции таких аппаратов происходит в направлении усиления естественной циркуляции. Последнее воз- можно путем увеличения разности весов столбов Конденсат жидкости в опускной трубе и паро-жидкостной смеси в подъемной части контура. Это достигается посредством: 1) увеличения высоты кипятильных (подъемных) труб и повышения интенсивности паро- образования в них с целью уменьшения плотности паро-жидкостной смеси, образующейся из кипящего раствора; 2) улучшения естественного охлаждения циркуляционной трубы для того, чтобы опускающая- ся в ней жидкость имела возможно большую плот- ность; 3) поддержания в опускной трубе определен- ного уровня жидкости*, необходимого для уравновешивания столба паро- жидкостной смеси в подъемных трубах при заданной скорости ее движения. Аппараты с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой. В нижней части вертикального корпуса 1 (рис. 1Х-9) находится нагревательная камера 2, состоящая из двух трубных решеток, в которых закреплены, чаще всего развальцованы, кипятильные трубы 3 (длиной 2—4 м) и циркуляционная труба 4 большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубное пространство нагревательной камеры подается греющий пар. Раствор поступает в аппарат над верхней трубной решеткой и опушается по циркуляционной трубе вниз, затем поднимается по кипятильным трубам и на некотором расстоянии от их нижнего края вскипает. Поэтому на большей части длины труб происходит движение вверх паро-жидкостной ;меси, содержание пара в которой возрастает по мере ее движения. Вто- эичный пар поступает в сепарационное (паровое) пространство 5, где : помощью брызгоуловителя 6, изменяющего направление движения пазового потока, от пара под действием инерционных сил отделяется уне- ;енная им влага. После этого вторичный пар удаляется через штуцер сверху шпарата. Упаренный раствор удаляется через нижний штуцер конического днища шпарата в качестве промежуточного или конечного продукта. Как отмечалось, циркуляция раствора в аппарате происходит вслед- :твие разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и паро Рис. 1Х-8. Выпарной аппарат с горизонтальной трубчатой нагревательной камерой и вертикальным цилиндрическим корпусом: 1 — корпус; 2 — нагревательная камера; 3 сепаратор.
4. Устройство выпарных аппаратов 367 жидкостной смеси в кипятильных трубах. Возникновение достаточной разности плотностей обусловлено тем, что поверхность теплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объема выпариваемого раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы, так как поверхность трубы находится в линейной зависимости от ее диаметра, а объем жидкости в трубе пропорционален квадрату ее диаметра. Следовательно, парообразование в кипятильных трубах должно протекать значительно интенсивней, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в этой трубе. В результате обеспечивается естествен- Вторичный Рис. 1Х-9. Выпарной аппарат с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой: 1 — корпус; 2 —’нагревательная камера; 3 кипятильные трубы; 4 — циркуляционная труба; 5 — сепарационное (паровое) пространство; 6 брызгоуловнтель. ная циркуляция, улучшающая теплопередачу и препятствующая образованию накипи на поверхности теплообмена. Рис. ІХ-10. Выпарной аппарат с подвесной нагревательной камерой: / — нагревательная камера; 2 — корпус; 3 — паровая труба; 4 — брызгоуловнтель: 5 — сливные трубы; 6 — перфорированная труба для промывки. В аппаратах этой конструкции циркуляционная труба, как и кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и паро-жидкостной смеси и может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком является также жесткое крепление кипятильных труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата. Аппараты с подвесной нагревательной камерой. В аппарате такого типа (рис. 1Х-10) нагревательная камера 1 имеет собственную обечайку и свободно установлена в нижней части корпуса 2 аппарата. Греющий пар подается через трубу 3 и поступает в межтрубное пространство нагревательной камеры, снизу которого отводится конденсат. Поступающий на выпаривание раствор опускается вниз по каналу кольцевого поперечного сечения, образованному стенками обечайки подвесной камеры и стенками корпуса аппарата. Раствор поднимается по кипятильным трубам, и, таким образом, выпаривание происходит при естественной циркуляции раствора.
368 Гл. IX. Выпаривание Вторичный пар проходит брызгоуловитель 4 и удаляется сверху аппарата. Отделенная от вторичного пара жидкость сливается по трубам 5. Для периодической промывки аппарата в него подводится вода, которая распределяется с помощью перфорированной трубы 6. В этом аппарате циркуляционный кольцевой канал имеет большое поперечное сечение и находится вне нагревательной камеры, что оказывает благоприятное влияние на циркуляцию раствора. Благодаря свободному подвесу нагревательной камеры устраняется опасность нарушения плотности соединения кипятильных труб с трубными решетками вследствие разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата. Подвесная нагревательная камера может быть относительно легко демонтирована и заменена новой. Однако это достигается за счет некоторого усложнения конструкции аппарата; кроме того, расход металла на единицу поверхности теплообмена для этих аппаратов выше, чем для аппаратов с центральной циркуляционной трубой. Интенсивность циркуляции в аппаратах'с подвесной нагревательной камерой (как и в аппаратах с центральной циркуляционной трубой) недостаточна для эффективного выпаривания высоковязких и особенно кристаллизующихся растворов, обработка которых приводит к частым и длительным остановкам этих аппаратов для очистки рабочих поверхностей. Аппараты с выносными циркуляционными трубами. Как отмечалось, естественная циркуляция раствора может быть усилена, если раствор на опускном участке циркуляционного контура будет лучше охлаждаться. Этим увеличивается скорость естественной циркуляции в выпарных аппаратах с выносными циркуляционными трубами (рис. IX-11). При расположении циркуляционных труб вне корпуса аппарата диаметр нагревательной камеры 1 может быть уменьшен по сравнению с камерой аппарата на рис. 1Х-9, а циркуляционные трубы 2 компактно размещены вокруг нагревательной камеры. На рис. 1Х-11 показан аппарат с одной выносной циркуляционной трубой, причем центробежный брызгоуловитель 3 для осушки вторичного пара также вынесен за пределы сепарациониого (парового) пространства 4 аппарата. Конструкции таких аппаратов несколько более сложны, но в них достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1 ж2 поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой. Аппараты с выносной нагревательной камерой. При размещении нагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и паро-жидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб. Аппарат с выносной нагревательной камерой (рис. IX-12) имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7 м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту. Выносная нагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет ее чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две камеры. Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу исходного раствора производят, как показано на рисунке, в циркуляционную трубу. Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе 2. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повто
4. Устройство выпарных аппаратов 369 ряется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора. Скорость циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной каме- рой может достигать 1,5 м/сек, что позволяет выпаривать в них концентри- рованные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплооб- мена. Благодаря универсальности, ' удобству эксплуатации и хорошей теплопередаче аппараты такого типа получили широкое распро- странение. ной циркуляционной трубой: / — нагревательная камера; 2 — циркуляционная труба; 3 — центробежный брызгоуловитель; 4 — сепарационное (паровое) . пространство. Рис. 1Х-12. Выпарной аппарат с выносной нагревательной камерой: / —> нагревательная камера; 2 — сепаратор; 3 —* необогреваемая циркуляционная труба; 4 — брызгоуловитель. Разновидностью выпарных аппаратов с выносной камерой является также аппа- рат с В отличие от аппаратов с естественной циркуляцией, рассмотренных выше, кипение раствора здесь происходит в горизонтальных трубах, присоединенных к корпусу 1 нагревательной камеры 2. В межтрубном пространстве камеры движется греющий пар. Вторичный пар удаляется сверху корпуса аппарата, пройдя брызгоуловитель 3, а упаренный раствор — через штуцер в нижней части конического днища корпуса аппарата. Если выпаривание проводится одновременно с кристаллизацией, то из конического днища удаляются кристаллы н аппарат соединяется со сборником или фильтром. Условия кипения раствора в трубах неблагоприятны, так как в них образуются застойные зоны, снижающие интенсивность циркуляции и ухудшающие теплопередачу, а иногда приводящие к местной кристаллизации веществ. Основным достоинством такого аппарата, применяемого для выпаривания концентрированных, а также кристаллизующихся растворов (например, электролитических щелоков), является возможность легкого отсоединения нагревательной камеры, установленной на тележке, для чистки, ремонта или замены. Однако конструкция аппарата громоздка, очистка 11-образных труб затруднена, а расход металла на единицу поверхности нагрева значителен. Для облегчения очистки и-образные трубы заменяют прямыми горизонтальными, развальцованными в трубных решетках.горизонтальной выносной нагревательной камерой, показанный на рис. 1Х-13.
| ||
| / ■■ | \\\\ 1П1 |
И | 1_ _= |
|
Конденсат Рис. 1Х-13. Выпарной аппарат с горизонтальной выносной нагревательной камерой: Упаренный і раствор — корпус; камера;
2 — нагревательная ■ брызгоуловитель.
ратора 3. Вследствие значительно более низкого гидростатического давления в этой трубе раствор вскипает, и, таким образом, парообразование происходит за пределами поверхности нагрева.
Циркулирующий раствор опускается по наружной необогреваемой трубе 4. Упаренный раствор отводится из кармана в нижней части сепаратора 3. Вторичный пар, пройдя отбойник 5 и брызгоуловитель 6, удаляется сверху аппарата. Исходный раствор поступает либо в нижнюю часть аппарата (под трубную решетку нагревательной камеры), либо сверху в циркуляционную трубу 4.
Вследствие большой поверхности испарения, которая создается в объеме кипящего раствора, и частичного самоиспарения капель, унесенных вторичным паром, значительно снижается брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи.
Ввиду значительного перепада температур (до —30я С) между греющим паром и раствором и малой потери напора в зоне кипения скорость циркуляции в этих аппаратах достигает значительной величины.
Увеличение скорости приводит к увеличению производительности и ин- аенсификации теплообмена. Коэффициенты теплопередачи в таких аппаратах достигают 3000 вт1(м2-град) [2580 ккал/(м2 -ч - град) ].
4. Устройство выпарных аппаратов 371 Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизующихся растворов умеренной вязкости. Прямоточные (пленочные) аппараты. Принципиальное отличие этих аппаратов от аппаратов с естественной циркуляцией состоит в том, что выпаривание в них происходит при однократном прохождении выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры. Таким обра> зом, выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. Кроме того, Вторичный пар ^Исходный I раствор Упарвнный раствор^-' Греющии пар ~ Конденсат Исходный раствор Рис. 1Х-14. Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения: 1 — нагревательная камера; 2 — труба вскипания; 3 — сепаратор; 4 — кеобо- греваемая циркуляционная труба; 5 = отбойник; 6 »гг- брызгоуловитель. Вторичный Рис. ІХ-15. Выпарной пря* моточный аппарат с поднимающейся пленкой: / — нагревательная камера; 2 — сепаратор; 3 — отбойник; 4 — брызгоуловитель. раствор выпаривается, перемещаясь (на большей части высоты кипятильных труб) в виде тонкой пленки по внутренней поверхности труб. В центральной части труб вдоль их оси движется вторичный пар. Это приводит к резкому снижению температурных потерь, обусловленных гидростатической депрессией. Различают прямоточные выпарные аппараты с поднимающейся и опускающейся пленкой. Аппарат с поднимающейся пленкой (рис. IX-15) состоит из нагревательной камеры /, представляющей собой пучок труб небольшого диаметра (15—25 мм) длиной 7—9 м, и сепаратора 2. Раствор на выпаривание поступает снизу в трубы нагревательной камеры, межтрубное пространство которой обогревается греющим паром. На уровне, соответствующем обычно 20—25% высоты труб, наступает интенсивное кипение. Пузырьки вторичного пара сливаются и пар, быстро поднимаясь по трубам, за счет поверхностного трения увлекает за собой раствор. При этом жидкость перемещается в виде пленки, «всползаю
372 Гл. IX. Выпаривание щей» по внутренней поверхности труб, и выпаривание происходит в тонком слое. ВторИЧНБ1Й пар, ВБ1ХОДЯЩИЙ из труб, содержит капли жидкости, которые отделяются от пара с помощью отбойника 3 и центробежного брызго- уловителя 4. В брызгоуловитель влажный пар поступает тангенциально и ему сообщается вращательное движение. Под действием центробежной силы капли жидкости отбрасываются к периферии, жидкость стекает вниз, а пар удаляется сверху из аппарата. Прямоточные выпарные аппараты ближе к аппаратам идеального вытеснения, в то время как аппараты с многократной циркуляцией приближаются к аппаратам идеального смешения. Вместе с тем в прямоточных аппаратах раствор проходит по кипятильным трубкам однократно. Поэтому время пребывания его мало и аккумулирующая способность этих аппаратов низка, что важно при выпаривании термически нестойких веществ. Прямоточные аппараты чувствительны к изменению режима работы и требуют для эффективного выпаривания поддерживания некоторого оптимального «кажущегося» уровня раствора в кипятильных трубах. «Кажущийся» уровень соответствует высоте столба некипящего раствора, которым может быть уравновешен столб паро-жидкостной смеси в трубах. При «кажущемся» .уровне ниже оптимального верхняя часть поверхности труб не омывается жидкостью и практически не участвует в теплообмене; «оголенная» часть поверхности труб при испарении на ней брызг жидкости покрывается накипью. При «кажущемся» уровне выше оптимальног® на большей части поверхности труб раствор только нагревается; соответственно уменьшается высота зоны кипения, где теплопередача интенсивнее; это приводит к снижению средней величины коэффициента теплопередачи. Кроме того, для вертикальных прямоточных аппаратов необходимы высокие производственные помещения. Область применения аппаратов с поднимающейся пленкой — выпаривание маловязких растворов, в том числе пенящихся и чувствительных к высоким температурам. Эти аппараты не рекомендуются для выпаривания кристаллизующихся растворов ввиду возможности забивания труб кристаллами. При выпаривании вязких, густых растворов работа аппаратов с поднимающейся пленкой ухудшается из-за значительной неравномерности «всползающей» пленки. В этом случае более целесообразно использовать аппараты В прямоточных (пленочных) аппаратах трудно обеспечить равномерную толщину пленки выпариваемой жидкости (что необходимо для эффективной работы аппарата), кроме того, эти аппараты весьма чувствительны к неравномерной подаче раствора, а чистка длинных труб малого диаметра затруднительна. Поэтому пленочные аппараты вытесняются вертикальными выпарными аппаратами с циркуляцией раствора. Роторные прямоточные аппараты. Для выпаривания нестойких к повышенным температурам вязких и пастообразных растворов применяют роторные прямоточные аппараты (рис. IX-16). Внутри цилиндрического корпуса / аппарата, снабженного паровыми рубашками 2, вращается ротор 3, состоящий из вертикального вала (расположенного по оси аппарата) и шарнирно закрепленных на нем скребков 4. Выпариваемый раствор поступает в аппарат сверху, захватывается вращающимися скребками, под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам аппарата и перемещается по их внутренней поверхности в виде турбулентно движущейся пленки. Постепенно происходит полное выпаривание пленки, и на стенках аппарата образуется тонкий слой поспадающей пленкой, которые отличаются от аппарата, приведенного на рис. 1Х-15, тем, что исходный раствор подается сверху и стекает в виде пленки под действием силы тяжести по трубам, а вторичный пар поступает в сепаратор, расположенный ниже нагревательной камеры. При стекании пленки сводится к минимуму опасность нарушения сплошности пленки и обнажения некоторой части поверхности нагрева. Для кристаллизующихся растворов такие аппараты также непригодны.
4. Устройство выпарных аппаратов 373 рошка или пасты, который снимается вращающимися скребками (зазор между наружной кромкой скребков и стенкой аппарата составляет менее 1 мм). Твердый или пастообразный продукт удаляется через специальный секторный затвор из днища аппарата (на рис. IX-16 не показан). В роторных прямоточных аппаратах достигается интенсивный теплообмен при небольшом уносе жидкости вторичным паром. Вместе с тем роторные аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой стоимостью эксплуатации вследствие наличия вращающихся частей (ротора). Имеется несколько разновидностей роторных прямоточных выпарных аппаратов, в том числе аппараты с горизонтальным корпусом. Эти аппараты описываются в специальной литературе. Вторичный Рис. 1Х-16. Роторный прямоточный выпарной аппарат: 1— корпус; 2 — паровая рубашка; ротор; 4—скребки. Рис. ІХ-17. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией: / — нагревательная камера; 2 — сепаратор; 3 — циркуляционная труба; 4 — циркуляционный насос. Аппараты с принудительной циркуляцией. Для того чтобы устранить отложение накипи в трубах, особенно при выпаривании кристаллизующихся растворов, необходимы скорости циркуляции не менее 2—2,5 м!сек, т. е. больше тех скоростей, при которых работают аппараты с естественной циркуляцией. В принципе такие высокие скорости достижимы и в условиях естественной циркуляции, но при этом необходимы очень большие полезные разности температур (между греющим паром и кипящим раствором). В аппаратах с принудительной циркуляцией скорость ее определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровня жидкости в трубах, а также от интенсивности парообразования. Поэтому в аппаратах с принудительной циркуляцией выпаривание эффективно протекает при малых, полезных разностях температур, не превышающих 3—5 °С, и при значительных вязкостях растворов. Одна из конструкций выпарного аппарата с принудительной циркуляцией показана на рис. IX-17. Аппарат имеет выносную вертикальную нагревательную камеру 1, сепаратор 2 и необогреваемую циркуляционную
374 Гл. IX. Выпаривание трубу 3, в котор\ю подается исхедкый раствор. Циркуляция раствора производится насосом 4. При большой скорости движения выпариваемого раств®ра кипение его происходит на коротком участке перед выходом из кипятильных труб. Таким образом, зона кипения оказывается перемещенной в самую верх- нюю часть нагревательной камеры. Набольшей чаети длины труб жидкость лишь несколько перегревается. Это объясняется тем, что давление внизу трубы больше давления у ее верхнего края на величину гидростатического давления столба жидкости и гидравлического сопротивления грубы. Вследствие высокого уровня раствора в кипятильных трубах значи- тельная часть всего циркуляционного контура заполнена жидкостью, а яаросодержание смеси жидкости и вторичного пара, выбрасываемей из труб, невелико. В связи с этим цирку- ляционный насос должен перекачивать большие объемы жидкости (иметь боль- шую производительность) при умеренном расходе энергии, затрачиваемой в основ- ном на преодоление гидравлического со- противления труб. Таким требованиям удовлетворяют пропеллерные насосы (см. стр. 146), которые обычно используются в аппаратах е принудительной циркуля- цией. Скорость ее ограничена возраста- нием гидравлического сопротивления и соответственно расходом энергии на циркуляцию. Поэтому желательно выби- рать оптимальную скорость циркуляции, которую устанавливают на основе тех- нико-экономических расчетов. Выпарные аппараты с тепловым насо- сом. По технологическим причинам ис- пользование многокорпусных выпарных аппаратов иногда может оказаться не- приемлемым. Так, например, приходится отказываться от многократного выпари- вания тех чувствительных к высоким тем- пературам растворов, для которых тем- пературы кипения в первых корпусах многокорпусных установок слишком вы- соки и могут вызвать порчу продукта. В подобных и некоторых других случаях возможно и экономически целесообразно использовать для выпаривания однокорпусные выпарные аппараты с тепловым насосом. С помощью теплового насоса, представляющего собой трансформатор тепла, повышают экономичность работы одно корпусного аппарата, сжимая вторичный пар на выходе из аппарата до давления свежего (первичного) пара и направляя его в качестве греющего в нагревательную камеру того же аппарата. Сжатие вторичного пара производят главным образом в турбокомпрессорах с приводом от электродвигателя или турбины или же в струйных компрессорах (инжекторах). Вследствие компактности, простоты устройства и надежности эксплуатации в качестве тепловых насосов наиболее широко применяют струйные компрессоры, несмотря на их невысокий к. п. д. На рис. 1Х-18 приведена схема однокорпусной выпарной установки, состоящей из выпарного аппарата 1 и струйного компрессора 2. Первичный пар поступает по оси компрессора и инжектирует вторичный пар более низкого давления. Смесь первичного и ^торичного пара по выходе из компрессора (при давлении р2 <5 рг) делится на две части: большая часть Рис. 1Х-18. Схема однокорпусной выпарной установки с тепловым насосом: I — выпарной аппарат; 2 — струйный компрессор (инжектор).
4. Устройство выпарных аппаратов 375 смеси направляется в нагревательную камеру выпарного аппарата, а остальная, избыточная часть отводится на сторону, к другим потребителям тепла. При выпаривании растворов с небольшой температурной депрессией применение теплового насоса в многокорпусной выпарной установке, например для первого корпуса, может существенно снизить расход свежего пара на выпаривание. Экономичность применения теплового насоса определяется отношением стоимости энергии, затрачиваемой на сжатие вторичного пара в компрессоре, к стоимости расходуемого в выпарной установке первичного пара. В отдельных случаях это отношение может быть настолько малым, что выпарные аппараты с тепловым насосом могут успешно конкурировать с многокорпусными выпарными установками. 1 *—• выносная топка; 2 — цилиндрический корпус; 3 — труба для подачи слабого раствора кислоты; 4=^7 «= барботажные трубы; 8 — труба для отвода упаренной кислоты. Расход энергии на тепловой насос приблизительно пропорционален разности температур насыщения свежего и вторичного пара, которая, в свою очередь, зависит от температурной депрессии выпариваемого раствора. Поэтому для выпаривания растворов, обладающих значительной температурной депрессией, использование теплового насоса оказывается нецелесообразным. Обычно его применение рентабельно при невысокой степени сжатия вторичного пара, соответствующей повышению температуры насыщения пара не более чем на 10—15 °С. • Расчет выпарных аппаратов с тепловым насосом приводится в специальной литературе *.
Барботажные выпарные аппараты. Выпаривание некоторых сильно агрессивных и высоко^ипящих растворов, например растворов серной, соляной, фосфорной кислот, растворов мирабилита, хлористого магния и других, производят при непосредственном соприкосновении раствора с нагретыми инертными газами. Для таких растворов передача через стенку тепла, необходимого для выпаривания, оказывается практически неосуществимой из-за трудностей, связанных с выбором конструкционного материала, который должен сочетать хорошую теплопроводность с коррозионной и термической стойкостью.
Выпаривание при непосредственном соприкосновении раствора и теплоносителя осуществляют обычно с помощью топочных газов или нагретого воздуха в аппаратах с металлическим кожухом, футерованным изнутри коррозионностойкими материалами, например диабазовой и керамической плиткой, кислотоупорным и шамотным кирпичом и т. д. Барботажные трубы, по которым поступают в раствор газы, изготавливаются из термосилида, графита и других коррозионностойких материалов.
Типичный барботажный аппарат для концентрирования серной кислоты (рис. ГХ-19) состоит из выносной топки 1 и горизонтального цилиндрического ксрлуса 2. Часть объема аппарата заполняется слабым раствором кислоты, подаваемой по трубе 3. Топочные газы поступают по трубам 4, концы которых погружены в раствор кислоты. При перемеширании раствора и теплоносителя происходит интенсивное испарение растворителя и частично кислоты. Из камеры III (третьей по ходу кислоты) газы поступают по бзрботажной трубе 5
* См., например: КІ о л а ч Т. А., Р а д у н Д. В. Выпарные станции. М., Машгиз, 1963. 400 с.
376 Гл. IX. Выпаривание в камеру II. Для повышения температуры паро-газовой смеси в эту камеру по барботаж- ной трубе 6 подается дополнительно некоторое количество свежих топочных газов. Из ка- меры II газы вместе с парами кислоты и воды по барботажной трубе 7 направляются в ка- меру /, где отдают тепло на подогрев исходного слабого раствора кислоты. Упаренная кис- лота удаляется по трубе 8 из камеры III. Противоток кислоты и газов позволяет лучше использовать тепло топочных газов, но потери тепла с отходящими газами значительны. Кроме того, происходит большой унос газами паров кислоты, которые улавливаются в отдельном электрофильтре. Более эффективное выпаривание осуществляется в современных выпарных аппаратах с В плоской крышке корпуса I аппарата расположена одна горелка 2 (как показано на рисунке) или несколько горелок, погруженных под уровень выпариваемого раствора. Уровень раствора в аппарате поддерживается постоянным с помощью переливной трубы 3. Упаренный раствор отводится из конического дни- ща аппарата, а выпадающие здесь кристаллы от- сасываются посредством эрлифта. Паро-газовая смесь отводится из пространства над жидкостью через сепаратор 4. Для таких аппаратов обычно используют спе- циальные горелки беспламенного горения, снабжен- ные огнеупорной насадкой, которая в накаленном состоянии каталитически ускоряет процесс горения (эти горелки описаны в главе XV). В барботажных выпарных аппаратах, работающих при непосредст- венном соприкосновении выпариваемого раствора и греющего агента, достигаются более высокие коэф- фициенты теплопередачи, чем при выпариваиин через стенку. Области применения и выбор выпар- ных аппаратов. Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду об- щих требований, к числу которых отно- сятся: высокая производительность и ин- тенсивность теплопередачи при возможно меньших объеме аппарата и расходе металла на его изготовление, про- стота устройства, надежность в эксплуатации, легкость очистки поверх- ности теплообмена, удобство осмотра,, ремонта и замены отдельных частей. Вместе с тем выбор конструкции и материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристалли- зуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.). Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путем увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и уменьшается полезная разность температур, так как при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора. Противоречивое влияние этих факторов должно учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции. Ниже приводятся области преимущественного применения выпарных аппаратов различных типов. Для выпаривания растворов небольшой вязкости, не превышающей —-8-10~3 «• сек!м.2 (8 спз), без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми циркуляционными трубами. Выпаривание некристаллизующихся растворов большой вязкости, достигающей —0,1 н-сек/м2 (100 спз), производят в аппаратах с принудительной циркуляцией, реже — в прямоточных аппаратах с падающей пленкой или в роторных прямоточных аппаратах. Рис. 1Х-20. Выпарной аппарат с погружной горелкой: 1 <— корпус; 2 — горелка; 3 — переливная труба; 4 — сепаратор.погружными горелками; одна из конструкций таких аппаратов приведена на рис. 1Х-20. При барбо'таже нагретых газов через слой раствора создается значительная межфазовая поверхность и происходит перемешивание жидкости пузырьками газа. В резуль- тате Достигается интенсивный теплообмен.
5. Расчет многокорпусных выпарных аппаратов 377 В роторных прямоточных аппаратах, как отмечалось, обеспечиваются благоприятные условия для выпаривания растворов, чувствительных к' повышенным температурам. Аппараты с принудительной циркуляцией широко применяются также для выпаривания кристаллизующихся или вязких растворов. Подобные растворы могут эффективно выпариваться и в аппаратах с вынесенной зоной кипения, работающих при естественной циркуляции. Эти аппараты при выпаривании кристаллизующихся растворов могут конкурировать с выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией. Для сильно пенящихся растворов рекомендуются прямоточные аппараты с поднимающейся пленкой.