4.4.8. Апарати з винесеною зоною кипіння

За швидкостей 0,25–1,5 м/с, з якими рухається розчин в апаратах з природ­ною циркуляцією, описаних раніше, необхідна періодична зупинка апаратів для їхнього очищення, оскільки не вдається запобігти відкладенню твердих осадів на поверхні теплообміну, що спричиняє зниження продуктивності і збільшення вартості експлуатації апаратів.

Рис. 4.14. Випарний апарат з винесеною зоною кипіння: 1 – нагрівальна камера; 2 – труба закипання; 3 – сепаратор; 4 – необігрівальна циркуляційна труба; 5 – відбійник; 6 – краплевловлювач

Для зменшення забруднення поверхні теплообміну під час випарювання розчинів, що кристалізуються, зону кипіння розчину виносять за межі нагрівальної камери для збільшення його швидкості циркуляції. В апараті з винесеною зоною кипіння, показаному на рис. 4.14, випарюваний розчин надходить знизу в нагрівальну камеру 1 і, підіймаючись трубами (завдовжки 4–7 м) вгору, через гідростатичний тиск не закипає в них. Після виходу з кип’ятильних труб розчин надходить в трубу закипання 2, яка розширюється догори і встановлена над нагрівальною камерою в нижній частині сепаратора 3. Внаслідок пониження тиску в цій трубі розчин закипає і пароутворення відбувається за межами поверхні нагрівання.

Циркулюючий розчин опускається зовнішньою трубою 4, що не обігріва­ється. Випарений розчин відводиться з кишені в нижній частині сепаратора 3. Вторинна пара, пройшовши відбійник 5 і краплевловлювач 6, видаляється зверху апарата. Вихідний розчин надходить або в нижню частину апарата (під трубну решітку нагрівальної камери), або зверху в циркуляційну трубу 4.

Внаслідок великої поверхні випарювання, яка створюється в об’ємі киплячого розчину, і часткового самовипарювання крапель, винесених вторинною парою, значно знижується краплевинесення. Киплячий розчин не стикається з поверхнею теплообміну, що зменшує відкладення накипу.

Швидкість циркуляції в цих апаратах досягає 1,8–2 м/с, що спричинено значним перепадом температур (до – 30 °С) між гріючою парою, розчином і малою втратою напору в зоні кипіння. Збільшення швидкості призводить до збільшення продуктив­ності та інтенсифікації теплообміну. Коефіцієнти теплопередачі в таких апаратах досягають 3000 Вт/(м²град). Апарати з винесеною зоною кипіння можуть ефективно застосовуватися для випарювання розчинів з помірною в’язкістю, що кристалізуються.

4.4.9. Прямотечійні (плівкові) апарати

Принципова відмінність цих апаратів від апаратів з природною циркуляцією полягає в тому, що випарювання в них відбувається під час одноразового проходження випарюваного розчину трубами нагрівальної камери. Отже, випарю­вання здійснюється без циркуляції розчину. Крім цього, розчин випарюється, переміщаючись (на більшій частині висоти кип’ятильних труб) у вигляді тонкої плівки, внутрішньою поверхнею труб. В центральній частині труб вздовж їхньої осі рухається вторинна пара. Це призводить до різкого зниження температурних втрат, зумовлених гідростатичною депресією.

Розрізняють прямотечійні випарні апарати з плівкою, що підіймається і опускається.

Апарат з плівкою, що підіймається (рис. 4.15), складається з нагрівальної камери 1 з пучком труб невеликого діаметра (15–25 мм) завдовжки 7–9 м і сепаратора 2.

Рис. 4.15. Випарний прямотечійний апарат з піднімаючою плівкою: 1 – нагрівальна камера; 2 – сепаратор; 3 – відбійник; 4 – краплевловлювач

Розчин на випарювання надходить знизу в труби нагрівальної камери, міжтрубний простір якої обігрівається гріючою парою. На рівні, що відповідає 20–25 % від висоти труб, настає інтенсивне кипіння. Бульбашки вторинної пари об’єднуються і пара, швидко підіймаючись трубами, за рахунок поверхневого тертя захоплює за собою розчин. При цьому рідина переміщається у вигляді плівки, що сповзає внутрішною поверхнею труб, і випарювання відбувається в тонкому шарі.

Вторинна пара, що виходить з труб, містить краплі рідини, які відділяються від пари за допомогою відбійника 3 і відцентрового краплевловлювача 4. В крапле­вловлювач волога пара надходить тангенціально. Під дією відцентрової сили краплі рідини відкидаються до периферії, рідина стікає вниз, а пара видаляється з апарата зверху.

Прямотечійні випарні апарати наближені до апаратів ідеального витіснення, тоді як апарати з багаторазовою циркуляцією наближаються до апаратів ідеального змішування. У прямотечійних апаратах розчин проходить кип’ятильними трубками одноразово. Тому час перебування його є малим і акумулююча здатність цих апаратів є низькою, що є важливим під час випарювання термічно нестійких речовин.

Прямотечійні апарати чутливі до зміни режиму роботи і потребують для ефективного випарювання підтримки деякого оптимального “уявного” рівня розчину в кип’ятильних трубах. “Уявний” рівень відповідає висоті стовпа холод­ного розчину, яким може бути врівноважений стовп парорідинної суміші в трубах. За “уявного” рівня, нижчого за оптимальний, верхня частина поверхні труб не омивається рідиною і практично не бере участі в теплообміні; “оголена” частина поверхні труб під час випарювання на ній крапель рідини покривається накипом. За “уявного” рівня, вищого за оптимальний, на більшій частині поверхні труб розчин тільки нагрівається; відповідно зменшується висота зони кипіння, де теплопередача є інтенсивнішою; це призводить до зниження середньої величини коефіцієнта теплопередачі. Крім цього, для вертикальних прямотечійних апаратів необхідними є високі виробничі приміщення. Застосовують апарати з плівкою, що піднімається для випарювання малов’язких розчинів (пінистих і чутливих до високих температур). Ці апарати не рекомендуються для випарювання розчинів, що кристалізуються, через забивання труб кристалами.

У разі випарюваня в’язких і густих розчинів робота апаратів з плівкою, що піднімається, погіршується через значну нерівномірність “повзаючої” плівки. В цьому випадку доцільнішим є використання апаратів зі спадаючою плівкою, які відрізняються від апарата, показаного на рис. 4.15, тим, що вихідний розчин подається зверху і стікає у вигляді плівки під дією сили тяжіння трубами, а вторинна пара надходить в сепаратор, розміщений нижче від нагрівальної камери. У разі стікання плівки зводиться до мінімуму небезпека порушення суцільності плівки і оголення деякої частини поверхні нагрівання. Для розчинів, що кристалізуються, такі апарати також є непридатними.

В прямотечійних (плівкових) апаратах важко забезпечити рівномірну товщину плівки випарюваної рідини (що необхідно для ефективної роботи апарата), крім цього, ці апарати є чутливими до нерівномірної подачі розчину, а очищення довгих труб з малим діаметром є складним. Тому плівкові апарати поступаються вертикальним випарним апаратам з циркуляцією розчину.