2.2 Основные типы выпарных аппаратов

Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемые в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных типов) и по её расположению в пространстве (аппараты с вертикальной, горизонтальной, иногда наклонной нагревательной камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.), а также в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора. Выпарные аппараты делят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора, и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора [2].

Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

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

2. сепаратор – пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

Необходимость в паровом пространстве (сепараторе) составляет основное конструктивное отличие выпарных аппаратов от теплообменников.

Различают выпарные аппараты:

1. с неорганизованной или свободной конвекцией;

2. с направленной или естественной циркуляцией;

3. с принудительной циркуляцией;

4. пленочные выпарные аппараты [6].

5. барботажные выпарные аппараты (с погружными горелками).[4]

Выпарные аппараты с неорганизованной или свободной конвекцией

К ним относят:

• чаши с паровыми турбинами;

• закрытые котлы с рубашками под вакуумом;

• змеевиковые выпарные аппараты;

• аппараты с горизонтальной нагревательной камерой.

Аппараты данного типа используются редко, в периодических процессах или при небольшой производительности.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией

Одна из конст­рукций таких аппаратов - с центральной циркуляционной трубой показана на рис.1. Циркуляция раствора в таких аппаратах вызывается различием плотностей парожидкостной смеси в цирку­ляционной трубе и кипятильных трубах. Скорость (кратность) циркуляции здесь невелика (скорость движения парожидкостной смеси составляет 0,3-0,8 м/с). Поэтому коэффициенты теплопере­дачи также относительно низкие [4]. За счёт циркуляции раствора меньше отлагается накипи на стенках, однако и центральная труба, и кипятильные трубки обогреваются паром, что снижает разность плотностей. Кроме того, недостатком является жёсткое крепление трубок, что не допускает высоких разностей температур. Поэтому используют аппараты с вынесенными циркуляционными трубами [2].

Рис. 2. Выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой:

1 - нагревательная камера; 2 - кипятильные трубки; 3- сепаратор; 4 - брызгоотбойник; 5 -цирку­ляционная труба

На рис.2. показан выпарной аппарат с вынесенной циркуля­ционной трубой 5. В этом аппарате циркуляционная труба не обогревается, за сёт чего и увеличивается циркуляция раствора. Диаметр камеры за счёт этого может быть уменьшен. Разность плотностей парожидкостной смеси в кипятильных трубах 2 и раствора в циркуляционной трубе больше, чем в аппаратах с центральной циркуляционной трубой, поэтому кратность циркуляции и коэффициенты теплопередачи несколько выше. Повышение скорости движения парожидкостной смеси в кипятильных трубах уменьшает возможность отложения солей, которые могут выделяться при концентрировании растворов. Недостатком является более сложная конструкция аппарата [2,4].

Рис. 3. Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения:

1-нагревательная камера; 2-сепаратор; 3 - брызгоотбойник; 4-труба вскипания; 5 -циркуля­ционная труба

Существенного снижения отложения солей можно достичь при использовании аппаратов с вынесенной зоной кипения (рис.3). В таких аппаратах вследствие увеличенного гидростатического давления столба жидкости кипения в трубах нагревательной камеры 1 не происходит, упариваемый раствор только перегревается. При выходе перегретого раствора из этих труб в трубу вскипания 4 он попадает в зону пониженного гидростатического давления, где и происходит интенсивное его закипание. Таким образом, предот­вращается возможность отложения накипи на теплообменной по­верхности труб и, следовательно, увеличиваются коэффициент теплопередачи и время эксплуатации аппарата между профилактиче­скими ремонтами [4].

Для естественной циркуляции требуются два условия:

1. достаточная высота уровня жидкости в опускной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубках и сообщить этой системе необходимую скорость;

2. достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела возможно малую плотность.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией

В аппаратах данного типа достигаются скорости 2-2,5 м/с, поэтому в них можно выпаривать вязкие растворы. В аппаратах с принудительной циркуляцией (рис. 4) скорость ее определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровня жидкости в трубах, а также от интенсивности парообразования [2].

Повышение кратности циркуляции обеспечивается установкой в циркуляцион­ной трубе осевых насосов 5, обладающих высокой производитель­ностью. В связи с более высокими скоростями движения жидкости в этих аппаратах достаточно высоки коэффициенты теплопередачи - более 2000 Вт/(м²×К), поэтому такие аппараты могут эффективно работать при меньших полезных разностях температур (равных 3-5 °С). В аппаратах с принудительной циркуляцией можно с успе­хом концентрировать высоковязкие или кристаллизующиеся рас­творы.

В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной цирку­ляцией выполняют с вынесенной нагревательной камерой (рис.4,а). В этом случае появляется возможность производить замену нагревательной камеры при ее загрязнении, а иногда к одно­му сепаратору подсоединять две или три нагревательные камеры. Роль зоны вскипания выполняет труба, соединяющая нагреватель­ную камеру и сепаратор. Достоинством выпарного аппарата с соосными греющей камерой и сепаратором (рис.4, 6) является меньшая производственная площадь, необходимая для его разме­щения.

К общим недостаткам выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией следует отнести повышенный расход энергии, связан­ный с необходимостью работы циркуляционного насоса.

Все рассмотренные выше конструкции аппаратов по структуре движения в них жидкости близки к моделям идеального перемеши­вания, поэтому при сравнительно большом объеме циркулирующе­го раствора последний находится при повышенных температурах достаточно длительное время (а отдельные частицы жидкости - бесконечно долго). Это существенно затрудняет выпаривание нетермо­стойких растворов. Для таких растворов можно использовать пленочные выпарные аппараты [4].

Рис.4. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенными нагревательной камерой (а) и циркуляционной трубой (б):

1-нагревательные камеры; 2-сепараторы; 3 - брызгоуловитель; 4 - циркуляционные трубы; 5-насосы.

Пленочные выпарные 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 образом, выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. Кроме того, раствор выпаривается, перемещаясь в виде тонкой плёнки по внутренней поверхности труб. В центральной части труб вдоль их оси движется вторичный пар. Это приводит к резкому снижению температурных потерь, обусловленных гидростатической депрессией. Как правило, эти аппараты работают при прямоточном движе­нии раствора, поэтому их часто называют прямоточными. Для обеспечения заданных пределов измене­ния концентраций упариваемых растворов кипятильные трубы де­лают длинными (6-10м) [2].

а. б.

Рис. 5. Выпарные пленочные аппараты с восходящей (а) и нисходящей (б) пленкой жидкости:

1-нагревательные камеры; 2-сепараторы; 3-брызгоотбойник

Выпарной аппарат с восходящей пленкой жидкости (рис.5,а) работает следующим образом. Снизу заполняют раствором трубы на 1/4-1/5 их высоты, подают греющий пар, который вызывает интенсивное кипение. Выделяющийся вторичный пар, поднимаясь по трубам, за счет сил поверхностного трения увлекает за собой раствор. В сепараторе пар и раствор отделяются друг от друга.

В выпарном аппарате с нисходящей пленкой жидкости (рис.5,6) исходный раствор подают в верхнюю часть нагревательной камеры 7, где обычно расположен распределитель жидкости, из которого последняя по трубам стекает вниз. Образующийся вторич­ный пар также движется в нижнюю часть нагревательной камеры, откуда вместе с жидкостью попадает в сепаратор 2 для отделения от раствора.

Для снижения температуры кипения раствора процесс, как пра­вило, проводят под вакуумом. В этих аппаратах удается упаривать также растворы, склонные к интенсивному пенообразованию. Вмес­те с этим пленочным аппаратам свойствен ряд недостатков. Они очень чувствительны к изменениям нагрузок по жидкости, в особен­ности при малых расходах растворов. Существует определенный минимальный расход раствора, ниже которого не удается достиг­нуть полного смачивания поверхности теплопередачи. Это может приводить к местным перегревам трубок, выделению твердых осадков, резкому снижению интенсивности теплопередачи. В таких аппаратах не рекомендуется выпаривать кристаллизующиеся растворы. Для них также требуются большие производственные пло­щади.

Всем трубчатым выпарным аппаратам свойствен существенный недостаток: в них затруднительно, а часто и практически невозмож­но выпаривать агрессивные растворы. Для таких растворов приме­няют аппараты, в которых отсутствуют теплопередающие поверх­ности, а процесс теплообмена осуществляют путем непосредствен­ного соприкосновения теплоносителя (нагретых или топочных га­зов) с упариваемым раствором. [4]

Эти аппараты применяются для выпаривания пенящихся, а также чувствительных к высокой температуре растворов; при выпаривании очень вязких и кристаллизующихся растворов они мало пригодны.

Пленочные аппараты изготавливаются с поверхностью теплообмена от 100 до 900 м². [6]

В прямоточных (плёночных) аппаратах трудно обеспечить равномерную толщину плёнки выпариваемой жидкости, кроме того, эти аппараты весьма чувствительны к неравномерной подаче раствора, а чистка длинных труб малого диаметра затруднительна.

Барботажные выпарные аппараты с погружными горелками

Рис.6. Барботажный выпарной аппарат с погружной горелкой:

1 - форсунка; 2 - погружная горелка; 3 - корпус выпарного аппарата

Для выпаривания таких агрессивных жидкостей, как серная, фосфорная, хлороводородная кислоты, сульфаты и хлориды некоторых метал­лов и др., наиболее эффективным способом оказался барботаж дымовых газов с помощью погружных горелок 2 (рис.6), работающих на газообразном или жидком топливе. В этом методе выпаривания создаются хорошие условия для тепломассообмена между дымовыми газами и жидкостью, так как дымовые газы при барботаже в растворы распыляются в виде пузырьков, образуя газожидкостную смесь, обладающую большой межфазной поверх­ностью.

Интенсивное испарение раствора обеспечивается насыщением газовых пузырьков водяным паром.

Большим достоинством барботажных выпарных аппаратов яв­ляется возможность изготавливать их из обычной углеродистой стали, однако их приходится футеровать самыми разнообразными антикоррозионными материалами: керамикой, графитом, резиной, пластмассами и др. [7]