3.3 Конструкции выпарных аппаратов

В химической промышленности широко применяют трубчатые выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией с площадью поверх­ности нагрева от 10 до 1800 м² и различным расположением греющей камеры. В ряде случаев для интенсификации процесса выпаривания используют раз­личные конструкции пленочных выпарных аппаратов.

При выборе конструкции выпарного аппарата учитываются теплофизические свойства раствора, склонность к кристаллизации, чувствительность к высоким температурам, полезная разность температур в каждом корпусе, площадь поверхности теплообменного аппарата, технологические особенно­сти.

Выпарные аппараты изготавливаются из углеродистой, коррозионностойкой и двухслойной стали.

3.3.1 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора

Данные аппараты просты по конст­рукции и применяются для выпаривания растворов с невысокой вязкостью, не склонных к кристаллизации.

Выпарной аппарат (рисунок 3.7, а) состоит из сепаратора, греющей камеры и циркуля­ционной трубы. Сепаратор представляет собой цилиндрическую емкость с эллиптической крышкой, присоединенную с помощью болтов к греющей каме­ре. В сепараторе для отделения капелек жидкости от вторичного пара уста­навливают различной конструкции отбойники. Греющая камера выполнена в виде вертикального кожухотрубчатого теплообменника, в межтрубное пространство которого поступает греющий пар, а в греющих трубках кипит раствор. Нижние части сепаратора и греющей камеры соединены циркуляционной трубой.

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной трубы и кипятильных труб. Если жидкость в трубах нагрета до кипения, то в результате выпаривания части жидкости в этих трубах образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. Таким образом, давление столба жидкости в циркуляци­онной трубе больше, чем в кипятильных трубах, вследствие чего происходит циркуляция кипящей жидкости по пути: кипятильные трубы – паровое пространство - циркуляционная труба - трубы и т. д. При циркуляции повыша­ется коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и снижается образование накипи на поверхности труб.

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 от 0,3 до 0,8 м/с). Поэтому коэффициенты теплопередачи также относительно низкие. Несмотря на достаточную простоту, аппараты этого типа заменяются на другие - с более интенсивной циркуляцией.

Обогрев паром применяют в большинстве случаев, так как он обеспечивает высокий коэффициент теплопередачи наряду с удобством регулирования установки.

Выпарные аппараты с вынесенной зоной парообразования (рисунок 3.7, б) применяются для уменьшения загрязнения поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизующихся растворов умеренной вязкости вследствие вынесения зоны кипения за пределы нагревательной камеры.

а б

1 – исходный раствор; 2 – подвод теплоносителя; 3 – вторичный пар;

4 – концентрированный раствор; 5 – неконденсирующиеся газы; 6 – сепаратор; 7 – испарительная труба;

а- выпарной аппарат с совмещенными зонами нагрева и парообразования; б - выпарной аппарат с вынесенной зоной парообразования

Рисунок 3.7 – Однокорпусные выпарные аппараты с

е стественной циркуляцией

1 – исходный раствор; 2 – подвод теплоносителя; 3 – вторичный пар;

4 – концентрированный раствор; 5 – неконденсирующиеся

газы; 6 – сепаратор

Рисунок 3.8 – Выпарной аппарат с выносной нагревательной камерой

Аппарат с выносной нагревательной камерой (рисунок 3.8) 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 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет ее чистку и ремонт. 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 6. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

Скорость циркуляции в аппаратах с вынесенной поверхностью нагрева может достигать 1,5 м/с, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Так же облегчается очистка поверхности от отложений, так как доступ к трубам легко осуществляется при открытой верхней крышке.

1 – нагревательная камера;

2 – кипятильные трубки; 3 – сепаратор;

4 – брызгоотбойник;

5 – циркуляционная труба

Рисунок 3.9 – Выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной

трубой

1 – нагревательная камера;

2 – сепаратор; 3 – брызгоотбойник;

4 – труба вскипания;

5 – циркуляционная труба

Рисунок 3.10 – Выпарной

аппарат с вынесенной зоной

кипения

(

В аппарате, представленном на рисунке 3.9, циркуляционная труба не обогревается, следовательно, раствор в ней не кипит и парожидкостная смесь не образуется. 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.

Существенного снижения отложения солей можно достичь при использовании аппаратов с вынесенной зоной кипения (рисунок 3.10). 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.

1 – диски поверхности нагрева; 2 – трубка отвода конденсата из греющей камеры; 3 – вертикальные конденсаторы; 4 – лопасти; 5 – паровые трубки; 6 – паровая камера; 7 – камера конденсата; 8 – вал ротора

Рисунок 3.11 - Выпарной аппарат с подвижной (вращающейся) поверхностью теплообмена

В аппаратах с вращающейся поверхностью теплообмена (рисунок 3.11) скорость движения жидкости относительно поверхности нагрева высока, вследствие чего существенно повышается интенсивность теплообмена; отложения уменьшаются либо предотвращаются полностью. При этом существенно повышается степень концентрирования растворов.

1 – корпус; 2 – кожух греющей камеры; 3 – кипятильные трубы; 4 – труба для ввода пара в греющую камеру;

5 – кронштейн

Рисунок 3.12 – Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой

1 – нагревательная камера;

2 – корпус; 3 – паровая труба;

4 – брызгоулавитель; 5 – сливные трубы; 6 – перфорированная труба для промывки

Рисунок 3.13 – Выпарной

аппарат с подвесной

нагревательной камерой

Благодаря свободному подвесу нагревательной камеры (рисунки 3.12 и 3.13) 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 недостаточна для эффективного выпаривания высоковязких и особенно кристаллизующихся растворов, обработка которых приводит к частым и длительным остановкам этих аппаратов для очистки рабочих поверхностей.

Для естественной циркуляции требуются два условия:

первое – достаточная высота уровня жидкости в циркуляционной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси в кипятильных трубах и создать необходимую скорость;

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

Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими свойствами раствора (главным образом, вязкостью) и разностью температур между стенкой трубы и жидкостью. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и больше скорость циркуляции. Для создания интенсивной циркуляции разность температур ме­жду греющим паром и раствором должна быть не ниже 10 °С. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией отличаются простотой конструкции и легкодоступны для ремонта и очистки.