logo
КАСАТКИН

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 горизонтальной выносной нагревательной камерой, показанный на рис. 1Х-13.

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.

/ ■■

\\\\ 1П1

И

1_ _=

Конденсат

Рис. 1Х-13. Выпарной аппарат с горизонтальной выносной на­гревательной камерой:

Упаренный і раствор

— корпус; камера;

3

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 спадающей 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.

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 по­

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 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.

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.

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.

  1. Yandex.RTB R-A-252273-3
    Yandex.RTB R-A-252273-4