4.4. Конструкції випарних апаратів
4.4.1. Класифікація апаратів для випарювання
Випарні апарати, які використовуються в промисловості, класифікують:
за типом поверхні нагрівання (парові сорочки, змійовики, трубчатки різних видів);
за розміщенням поверхні нагрівання в просторі (апарати з вертикальною, горизонтальною, інколи з похилою нагрівальною камерою);
за видом теплоносія (водяна пара, високотемпературні теплоносії, електричний струм тощо);
за рухом теплоносія (рухається ззовні або усередині труб нагрівальної камери);
за видом циркуляції розчину;
за кратністю циркуляції розчину.
Розрізняють випарні апарати з вільною, направленою природною і примусовою циркуляціями розчину, а також прямотечійні, в яких випарювання розчину відбувається за одне його проходження через апарат без циркуляції розчину, і апарати, що працюють з багаторазовою циркуляцією розчину. Залежно від організації процесу розрізняють періодично і безперервно працюючі випарні апарати.
Нижче детально розглянуто тільки найпоширеніші, передусім типові конструкції випарних апаратів.
4.4.2. Апарати з вільною циркуляцією розчину
Періодично працюючі відкриті випарні чаші з паровими сорочками (для роботи за атмосферного тиску) і закриті котли з сорочками, що працюють під вакуумом, є найпростішими апаратами цього типу. У випарних апаратах з сорочками відбувається малоінтенсивна неврегульована циркуляція випарюваного розчину через різницю густин більш нагрітих і холодніших частинок, тому коефіцієнти теплопередачі є низькими.
Випарні апарати з сорочками тільки зрідка використовують в невеликих виробництвах для випарювання сильно агресивних і в’язких розчинів та розчинів, які дають тверді осади (коли поверхня нагрівання може бути захищеною від корозії за допомогою хімічно стійких покриттів і легко очищеною), оскільки поверхні нагрівання сорочок і відповідно навантаження цих апаратів є незначним. Для очищення поверхні нагрівання інколи використовують мішалки.
Змійовикові випарні апарати мають велику поверхню нагрівання на одиницю об’єму (рис. 4.7). В корпусі 1 апарата розміщені парові змійовики 2, а в паровому просторі встановлено краплевловлювач 3. Під час проходження через краплевловлювач потік вторинної пари змінює напрямок свого руху, і з нього виділяються винесені парою краплі рідини.
Рис. 4.7. Змійовиковий випарний апарат: 1 – корпус; 2 – парові змійовики; 3 – краплевловлювач
Оскільки у довгих змійовиків через накопичення конденсату поверхня нагрівання погано використовується, то їх виготовляють з окремих секцій, які можна послідовно відключати, залежно від зміни допустимого рівня розчину в періодично працюючому апараті.
В апаратах цього типу здійснюють випарювання хімічно агресивних речовин у невеликих кількостях. Вони є компактнішими і відрізняються дещо більшою інтенсивністю теплопередачі порівняно з апаратами з сорочками. Проте обслуговування змійовиків є складним.
Випарні апарати з горизонтальною трубчастою нагрівальною камерою із вертикальним циліндричним корпусом (рис. 4.8) відносяться до цієї ж групи. В нижній частині корпусу 1 таких апаратів знаходиться нагрівальна камера 2, що містить пучок горизонтальних прямих труб, якими рухається гріюча пара. Для зменшення механічного винесення рідини парою призначена верхня частина апарата, яка є сепаратором 3.
Рис. 4.8. Випарний апарат з горизонтальною трубчастою нагрівальною камерою і вертикальним циліндричним корпусом: 1 – корпус; 2 – нагрівальна камера; 3 – сепаратор
Відомі також аналогічні апарати з горизонтальним корпусом (напівциліндричної або скриньової форми), які відрізняються від вертикальних меншою висотою шару випарюваного розчину, що значно знижує температурні втрати внаслідок гідростатичної депресії. Крім цього, горизонтальні апарати мають більший об’єм парового простору, що полегшує випарювання в них сильно пінистих розчинів. Однак ці апарати мають і значні недоліки порівняно з вертикальними: є громіздкими і металомісткими; є не придатними для випарювання розчинів, що кристалізуються, через складність механічного очищення зовнішньої поверхні труб; мають невисокі коефіцієнти тепловіддачі в горизонтальних парових трубах (всередині яких нагромаджується шар конденсату).
Через вказані недоліки випарні апарати з вільною циркуляцією розчину заміняють на випарні апарати досконаліших конструкцій, зокрема вертикальні трубчасті апарати.