3.3.2 Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора

Данные аппараты позволя­ют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопере­дачи. Повышение кратности циркуляции обеспечивается установкой в циркуляционной трубе осевых насосов, 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.

Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости под­держивается несколько ниже верхнего обреза кипятильных труб. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений. Давление внизу кипятильных труб больше, чем вверху, на величину суммы давления столба жидкости в трубах и их гидравлического сопротивления. Ввиду этого, на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а подогревается. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды, поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных труб, очень велико.

Скорость циркуляции жидкости в кипятильных трубах принимают равной от 1,5 до 3,5 м/с. Скорость циркуляции жидкости определяется производительностью циркуляционного насоса, поэтому аппараты с принудительной циркуля­цией пригодны при выпаривании растворов с большой вязкостью.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией (см. рисунок 3.14) имеют площадь по­верхности теплопередачи от 25 до 1200 м², длину кипятильных труб от 4 до 9 м в зависимости от их диаметров, которые составляют 25, 38, 57 мм. Избыточное давление в греющей камере от 0,3 до 1,0 МПа, а в сепараторе вакуум 93 кПа. Соотношение площадей сечения циркуляционной трубы и греющей камеры не менее 0,9.

1 – сепаратор; 2 - циркуляционные трубы; 3 – циркуляционный насос; 4 – испарительная труба

Рисунок 3.14 – Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией

В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной циркуляцией (рисунок 3.15, а) выполняют с вынесенной нагревательной камерой. 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 соосной греющей камерой и сепаратором (рисунок 3.15, б) является меньшая производительная площадь, необходимая для его размещения.

а б

1 – нагревательные камеры; 2 – сепараторы; 3 – брызгоуловитель;

4 – циркуляционные трубы; 5 – насосы

Рисунок 3.15 – Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенными нагревательной камерой (а) и циркуляционной трубой (б)

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора применяются для того, чтобы устранить отложение накипи в трубах, особенно при выпаривании кристаллизующихся растворов, когда необходимы скорости циркуляции не менее 2…2,5м/с, т. е. больше тех скоростей, при которых работают аппараты с естественной циркуляцией. При этом выпаривание эффективно протекает при малых полезных разностях температур, не превышающих 3…5°С и при значительных вязкостях растворов.

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

4 – концентрированный раствор; 5 – неконденсирующиеся газы;

6 – сепаратор; 7 – циркуляционный насос

Рисунок 3.16 – Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией и движением раствора сверху вниз.

На рисунке 3.16 изображен выпарной аппарат, в котором раствор движется сверху вниз.

Применение принудительной циркуляции целесообразно при изготовлении аппарата из дорогостоящего материала (в этом случае весьма существенно значительное сокращение поверхности теплообмена вследствие повышения коэффициентов теплопередачи), при выпаривании кристаллизующихся растворов (сокращаются простои во время очистки аппарата) и при выпаривании вязких растворов (что при естественной циркуляции требует наличия большой разности температур).

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.

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