Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
курсова / ªãàᮢ  / Davydyuk2013_2_formatA4.doc
Скачиваний:
141
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
2.48 Mб
Скачать

4. Конструкції випарних апаратів

Різноманітні конструкції випарних апаратів, що використовуються у промисловості, можна класифікувати за типом поверхні нагрівання (парові оболонки, змійовики тощо) та за її розташуванням у просторі (апарати з вертикальною, горизонтальною, іноді з нахиленою нагрівальною камерою), за родом теплоносія (водяна пара, електричний струм тощо), а також за тим, чи рухається теплоносій ззовні чи всередині труб нагрівальної камери. Проте істотнішою ознакою класифікації апаратів, що характеризує інтенсивність їх дії, слід вважати вид і кратність циркуляції розчину.

Розрізняють випарні апарати з неорганізованою, або вільною, спрямованою природною та примусовою циркуляцією розчину. Випарні апарати поділяють також на прямоточні, у яких випарювання розчину відбувається за один його прохід через апарат без циркуляції розчину, і апарати, що працюють з багатократною циркуляцією розчину.

В апаратах з вільною циркуляцією розчину відбувається малоінтенсивна неупорядкована циркуляція випарюваного розчину внаслідок різниці густин більш нагрітих та менш нагрітих шарів. Тому у таких апаратів коефіцієнти теплопередачі мають низькі значення. Поверхні нагрівання, а отже, і теплові навантаження таких апаратів невеликі. Зазначені недоліки призвели до того, що апарати даного типу в наш час майже не використовуються і замінені на досконаліші апарати.

Основною перевагою вертикальних випарних апаратів зі спрямованою природною циркуляцією є покращення тепловіддачі до розчину при його багатократній організованій циркуляції у замкненому контурі, що зменшує швидкість відкладання накипу на поверхні труб. Більшість таких апаратів компактні, займають невелику виробничу площу, зручні для огляду та ремонту.

Посилення природної циркуляції в апаратах даного типу досягається завдяки 1) збільшенню висоти кип’ятильних (підйомних) труб і підвищенню інтенсивності пароутворення в них з метою зменшення густини паро-рідинної суміші, утвореної з киплячого розчину; 2) покращення природного охолодження циркуляційної труби для того, щоб рідина, яка опускається у ній, мала якмога більшу густину; 3) підтримання в опускній трубі певного рівня рідини, небхідного для врівноваження стовпа паро-рідинної суміші у підйомних трубах за заданої швидкості її руху.

В апарата з внутрішньою нагрівальною камерою і центральною циркуляційною трубою (рис. 12.7) у нижній частині корпусу 1 знаходиться нагрівальна камера 2, що складається з двох трубних решіток, у яких закріплені кип’ятильні труби 3 (завдовжки 2-4 м) і циркуляційна труба 4 великого діаметру, встановлена по осі камери. У міжтрубний простір нагрівальної камери надходить гріюча пара.

Розчин подається в апарат над верхньою трубною решіткою та опускається по циркуляційній трубі вниз, потім підіймається по кип’ятильних трубах і на деякій відстані від їх нижнього краю закипає. Тому на більшій частині довжини труб відбувається рух угору паро-рідинної суміші, вміст пари у якій збільшується по ходу руху. Вторинна пара надходить до сепараційного простору 5, де за допомогою бризковловлювача 6, від парового потоку відділяються краплі і бризки води. Після цього вторинна пара вилучається через верхній штуцер.

Упарений розчин видаляється через нижній штуцер конічного дна апарату як проміжний або кінцевий продукт.

Рис. 12.7. Випарний апарат з внутрішньою нагрівальною камерою та центральною циркуляційною трубою:

1 – корпус; 2 – нагрівальна камера; 3 – кип’ятильні труби; циркуляційна труба; 5 – сепараційний (паровий) простір; 6 – бризковловлювач

Виникнення достатньої різни­ці густин зумовлене тим, що поверхня теплообміну кожної кип’ятильної труби, що припадає на одиницю об’єму випарюваного розчину, значно більша, ніж у циркуляційної труби, оскільки поверхня труби знаходиться у лінійній залежності від її діаметру, а об’єм рідини у трубі пропорційний до її діаметру. Отже, пароутворення у кип’ятильних трубах має відбуватися значно інтенсивніше, ніж у циркуляційній трубі, а густина розчину в ній буде нижча, ніж у цій трубі. В результаті забезпечується природ­на циркуляція, яка покращує теплопередачу та перешкоджає утворенню накипу на поверхні теплообміну.

Недоліком такого апарату є нагрівання розчину у циркуляційній трубі, що може призводити до небажаного пароутворення у ній. Інший недолік – жорстке кріплення кип’ятильних труб, що не допускає значної різниці теплових подовжень труб і корпусу апарату.

В апаратах з підвісною нагрівальною камерою (рис. 11.8) нагрівальна камера 1 вільно встановлена у нижній частині корпусу 2 апарату. Гріюча пара подається через трубу 3 і надходить до міжтрубного простору нагрівальної камери, знизу якого відводиться конденсат. Випарюваний розчин опускається униз по каналу кільцевого поперечного перерізу біля стінок корпусу апарата. Розчин піднімається по кип’ятильних трубах і випарювання відбувається за природної циркуляції розчину.

Рис. 12.8. Випарний апарат з підвісною нагрівальною камерою:

1 – нагрівальна камера; 2 – корпус; 3 – парова труба; 4 – бризковловлювач; 5 – зливні труби; 6 – перфорована труба для промивання

Вторинна пара проходить бризковловлювач 4 і видаляєтья нагорі апарата. Відділена від вторинної пари рідина зливається по трубах 5. Для періодичного промивання апарату до нього підводиться вода, яка розподіляється за допомогою перфорованої труби 6.

Вільне підвішування нагрівальної камери запобігає небезпеці порушення щільності з’єднання кип’ятильних труб з трубними решітками внаслідок різниці теплових подовжень труб і корпусу апарата. Але це досягається за рахунок збільшення витрати металу та ускладнення конструкції.

При розміщенні нагрівальної камери поза корпусом апарата є можливість підвищити інтенсивність випарювання також за рахунок довжини кип’ятильних труб. Апарат з виносною нагрівальною камерою (рис. 12.9) має кип’ятильні труби, довжина яких сягає 7 м. Він працює за інтенсивнішої природної циркуляції, зумовленої тим, що циркуляційна труба не обігрівається, а підйомна та опускна ділянки циркуляційного контура мають значну висоту. Вихідний розчин надходить під нижню трубну решітку нагрівальної камери 1 і, підіймаючись по кип’ятильних трубах, випарюється. Іноді подачу вихідного розчину здійснюють у циркуляційну трубу. Вторинна пара відділяється від рідини у сепараторі 2. Рідина опускається по необігріваній циркуляційній трубі 3, змішується з вихідним розчином, і цикл циркуляції повторюється знову. Вторинна пара, пройшовши бризковл­овлювач 4, видаляється згори сепаратора. Упарений розчин відбирається через бічний штуцер у конічному дні сепаратора.

Рис. 12.9. Випарний апарат з виносною нагрівальною камерою:

1 – нагрівальна камера; 2 – сепаратор; 3 – необігрівана циркуляційна труба; 4 – бризковловлювач

Швидкість циркуляції в апаратах з виносною нагрівальною камерою може сягати 1.5 м/с, що дозволяє випарювати в них концентровані розчини та розчини, що кристалізуються, не боячись надто швидкого забруднення поверхні теплообміну. Площа поверхні теплопередачі у них складає від 10 до 1200 м2, довжина кип’ятильних труб – від 3 до 9 м залежно від їх діаметра. Діаметри кип’ятильних труб складають 25, 38 і 57 мм. Надлишковий тиск у гріючій камері 0.3-1.6 МПа, а у сепараторі вакуум приблизно 93.0 кПа. Співвідношення площ перерізів циркуляційної труби та нагрівальної камери складає не менше 0.3. Ці апарати універсальні, прості за конструкцією, зручні в експлуатації, мають хорошу теплопередачу, що зумовило їх широке використання.

Плівкові апарати використовують при концентруванні розчинів, чутливих до високих температур. За необхідного часу перебування у зоні високих температур розчин не встигає перегріватися і його якість не знижується. Принциповою відмінністю прямоточних (плівкових) апаратів від апаратів з природною циркуляцією полягає у тому, що випарювання в них відбувається при однократному проходженні випарюваного розчину по трубах нагрівальної камери. Отже, випарювання здійснюється без циркуляції розчину. Крім того, розчин випарюється, переміщуючись (по більшій частині висоти кип’ятильних труб) у вигляді тонкої плівки по внутрішній поверхні труб. У центральній частині труб вздовж їх осі рухається вторинна пара. Це приводить до різкого зниження температурних втрат, зумовлених гідростатичною депресією.

Розрізняють апарати з висхідною та падаючою (нисхідною) плівкою. Апарат з висхідною плівкою (рис. 12.10) складається з нагрівальної камери 1, яка представляє собою пучок труб невеликого діаметра (15-25 мм) завдовжки 5-9 м, і сепаратора 2. Розчин на випарювання надходить знизу у труби нагрівальної камери, міжтрубний простір якої нагрівається гріючою парою. На рівні близько 20-25% висоти труб починається інтенсивне кипіння. Бульбашки вторинної пари зливаються і пара, швидко піднімаючись по трубах, захоплює з собою розчин. При цьому рідина переміщується у вигляді плівки, що ніби повзе вгору по внутрішній поверхні труб, і випарювання відбувається у тонкому шарі.

Вторинна пара, що виходить з труб, звільняється від крапель рідини за допомогою відбійника 3 та відцентрового бризковловлювача 4.

Рис. 12.10. Випарний прямоточний апарат з висхідною плівкою:

1 – нагрівальна камера; 2 – сепаратор; 3 – відбійник; 4 – бризковловлювач

В апаратах з падаючою плівкою вихідний розчин надходить згори у нагрівальну камеру, а концентрований розчин виводиться з нижньої частини сепаратора, розташованого нижче нагрівальної камери.

Плівкові апарати виготовляють з площею поверхні теплопередачі від 63 до 2500 м2 з діаметром труб 36 і 57 мм. Надлишковий тиск у нагрівальній камері від 0.3 до 1.0 МПа, а вакуум у сепараторі 93.0 кПа.

Прямоточні апарати чутливі до зміни режиму роботи і потребують для ефективного випарювання підтримання певного оптимального рівня розчину у кип’ятильних трубах. При порушенні режиму роботи апарат можна перевести на роботу з циркуляцією розчину як у апаратах з примусовою циркуляцією. Область застосування плівкових апаратів – випарювання малов’язких розчинів, у тому числі таких, що піняться та чутливі до високих температур.

Рис. 12.11. Випарний апарат з примусовою циркуляцією:

1 – нагрівальна камера; 2 – сепаратор; 3 – циркуляційна труба; 4 – циркуляційний насос

Для того, щоб запобігти відкладанню накипу в трубах, особливо при випарюванні розчинів, що кристалізуються, необхідні швидкості циркуляції не менші за 2-2.5 м/с. В апаратах з примусовою циркуляцією її швидкість визначається продуктивністю циркуляційного насоса і не залежить від висоти рівня рідини в трубах, а також від інтенсивності пароутворення. Тому в апаратах з примусовою циркуляцією випарювання ефективно відбувається за малих корисних різниць температур, що не перевищують 3-5 °С, і за значних в’язкостей розчинів.

Апарат з примусовою циркуляцією (рис. 12.11) має виносну нагрівальну камеру 1, сепаратор 2 і необігрівану циркуляційну трубу 3, в яку подається вихідний розчин. Циркуляція розчину здійснюється насосом 4.

За великої швидкості руху випарюваного розчину його кипіння відбувається на короткій ділянці перед виходом з кип’ятильних труб. Отже, зона кипіння виявляється переміщеною у верхню частину нагрівальної камери. На більшій частині довжини труб рідина лише дещо перегрівається, оскільки тиск внизу труби вищий за тиск поблизу її верхнього краю на величину гідростатичного тиску стовпа рідини та гідравлічного опору труби.

Внаслідок високого рівня розчину у кип’ятильних трубах значна частина всього циркуляційного контуру заповнена рідиною, а паровміст суміші рідини і вторинної пари невеликий. Тому циркуляційний насос повинен перекачувати великі об’єми рідини за помірної витрати електроенергії, що витрачається переважно на подолання гідравлічного опору труб. Таким вимогам задовільняють пропелерні насоси, які зазвичай використовуються в апаратах із примусовою циркуляцією. Швидкість її обмежена збільшенням гідравлічного опору і відповідно витратою енергії на циркуляцію. Тому бажано вибирати оптимальну швидкість циркуляції, яку встановлюють на основі техніко-економічних розрахунків.

Випарні апарати з примусовою циркуляцією мають площу поверхні теплопередачі від 25 до 1200 м2, довжину кип’ятильних труб від 4 до 9 м залежно від їх діаметрів, які складають 25, 38 і 57 мм. Надлишковий тиск у нагрівальній камері від 0.3 до 1.0 МПа, а вакуум у сепараторі 93.0 кПа. Співвідношення площ перерізів циркуляційної труби та нагрівальної камери не менше 0.9. Основна перевага таких апаратів – високі коефіцієнти теплопередачі (у 3-4 рази вищі, ніж у апаратів з природною циркуляцією), а, отже, і значно менші поверхні теплопередачі під час випарювання розчинів. Основний недолік – витрати енергії на роботу насоса.

Рис. 12.12. Роторно-плівковий випарний апарат:

1 – привід; 2 – ущільнення;

3 – ротор; 4 – прапорці;

5 – корпус; 6 – сорочка

Роторно-плівкові випарні апарати використовують при концентруванні високов’язких і пастоподібних термолабільних розчинів, зокрема харчових розчинів і суспензій, а також у багатьох мікробіологічних виробництвах

Роторно-плівковий апарат являє собою циліндричний або конічний корпус 5 з обігріваною сорочкою 6 (рис. 12.12). Всередині корпусу обертається ротор 3, який розподіляє розчин по циліндричній поверхні корпусу у вигляді плівки, у деяких випадках – у вигляді струменів і крапель. Роторно-плівкові апарати виготовлені зазвичай з нержавіючої сталі. Висота апаратів сягяє 12.5 м при діаметрі 1 м, площа поверхні теплообміну від 0.8 до 16 м2.

Для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі запропоновано рівняння

,

де n – частота обертання ротора; μ – динамічна в’язкість; λ – теплопровідність середовища.

Коефіцієнт тепловіддачі можна розрахувати і за іншою залежністю:

,,

де ;z – кількість лопатей ротора.

Роторно-плівкові апарати бувають з жорстким і розмазуючим ротором. Жорсткий ротор виконують порожнистим з лопатями. Проміжок між лопатями і стінкою апарату складає від 0.4 до 1.5 мм. Вихідний розчин подається у верхню частину апарату і лопатями розподіляється по циліндричній стінці у вигляді плівки. Лінійна швидкість обертання лопатей сягає 12 м/с. При роботі під вакуумом (тиск до 100 Па) вал ротора ущільнюється спеціальним торцевим ущільненням 2. Нижній підшипник змащується матеріалом, що переробляється.

Принципова відмінність випарного апарата з розмазуючим ротором полягає у використанні ротора з шарнірно закріпленими на валу прапорцями 4. Під час обертання ротора прапорці притискаються відцентровою силою до внутрішньої поверхні корпусу і розмазують по ній продукт у вигляді плівки. Такі апарати використовують також для проведення суміщеного процесу концентрування та сушіння. Діаметр апаратів сягає 1 м, площа – від 0.8 до 12 м2, лінійна швидкість обертання ротора з прапорцями – 5 м/с.

Конструкція апаратів дозволяє завдяки осьовому переміщенню ротора регулювати товщину плівки і тим самим швидкість процесу. Час перебування рідини в апараті (залежно від продуктивності, фізичних властивостей, розчину, частоти обертення ротора тощо) складає 10-30 с, що запобігає розкладанню термолабільних речовин.

Роторно-плівкові апарати мають вищі коефіцієнти теплопередачі, ніж апарати з падаючою плівкою, вони сягають значень 2300-2700 Вт/(м2K) порівняно з 1500-1600 Вт/(м2K) у апаратів з падаючою плівкою.

У мікробіологічних виробництвах на завершальних стадіях упарювання рідини, що містять термочутливі речовини, використовують малогабаритні скляні випарні апарати періодичної дії чеської фірми «Simax» (рис. 12.13).

Рис. 12.13. Схема випарного апарату фірми «Simax»:

1 – корпус; 2 – змійовик;

3 – зігнута труба

Вихідний розчин завантажують у скляний кулеподібний корпус 1, апарат ізолюють від атмосфери і під’єднують до конденсатора, приймача конденсату та вакуумної системи. У змійовиковий теплообмінник подають пару або інший теплоносій (воду, гаряче мінеральне масло тощо). Змійовик разом із зігнутою трубою 3 утворює пристрій, подібний до аерліфта. При закипанні розчину утворена паро-рідинна суміш за рахунок меншої густини підіймається догори та викидається на внутрішню поверхню корпусу, а на її місце надходить рідина без бульбашок. У результаті забезпечується природна циркуляція розчину, а на поверхні корпусу утворюється рідка плівка, з якої здійснюється випаровування розчинника. Після випарювання заданого об’єму розчинника нагрівання припиняють, апарат від’єднують від вакуумної системи, з’єднують з атмосферою та зливають концентрований розчин.

Фірма «Simax» випускає випарні апарати з ємністю скляного корпусу 0.01, 0.25, 0.05 і 0.1 м2.

Конструкції випарних апаратів повинні задовольняти ряду загальних вимог: висока продуктивність і інтенсивність теплопередачі при найменших об’ємі апарату і витратах металу на його виготовлення; простота будови; надійність у експлуатації, легкість очищення поверхні. Крім цього, вибір випарного апарату залежить від фізико-хімічних властивостей розчину: в’язкості, термічної стійкості, температурної депресії, здатності до кристалізації.

Високі коефіцієнти теплопередачі та продуктивності досягаються шляхом збільшення швидкості циркуляції розчину. Однак при цьому зростає витрата енергії на випарюваня і зменшується корисна різниця температур. Протиріччя цих факторів повинно враховуватися при порівнянні та виборі оптимальної конструкції.

Для випарювання розчинів невеликої в’язкості без утворення кристалів використовують вертикальні апарати з багаторазовою природною циркуляцією. З них найефективніші апарати з виносною нагрівальною камерою і з виносними необігріваними циркуляційними трубами.

Випарювання розчинів з великою в’язкістю проводять в апаратах з вимушеною циркуляцією, рідше – у прямоточних з падаючою плівкою. У роторних прямоточних апаратах випарюють розчини, чутливі до підвищених температур. Для розчинів, які сильно піняться, рекомендують прямоточні апарати з висхідною плівкою.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.