6. Конструкции выпарных аппаратов

В настоящее время известно большое количество самых разнообразных конструкций выпарных аппаратов. Одни из них представляют сугубо исторический интерес, другие широко используются на практике. Единой классификации выпарных аппаратов нет, и их обычно подразделяют по принципу действия, типу циркуляции, способу подвода тепла, характеру движения раствора и расположения зоны испарения, ориентации поверхности нагрева и другим параметрам. Наибольшее распространение получила классификация по характеру движения раствора, и в соответствии с нею в данном разделе рассмотрены только основные типы выпарных аппаратов.

1. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией

Естественная циркуляция раствора в этих аппаратах происходит за счет разности плотностей раствора в сепараторе выпарного аппарата и парорастворной смеси в зоне кипения. На рис. 10.11 представлен выпарной аппарат с внутренней циркуляционной трубой.

Выпарной аппарат (рис. 10.11) состоит из греющей камеры 1, которая представляет собой кожухотрубный теплообменник с нагревательными трубками 2, закрепленными между трубными решетками 3, циркуляционной трубы 4, сепаратора 5, установленного над греющей камерой, каплеотделителя 6 и конического днища 7.

Пар для нагрева раствора подают в межтрубное пространство греющей камеры, где он конденсируется и отдает теплоту конденсации раствору, циркулирующему в трубках. Исходный раствор подают в циркуляционную трубу, так как при этом улучшаются условия циркуляции раствора в выпарном аппарате. Образовавшийся при кипении раствора вторичный пар очищается в сепараторе и каплеотделителе от капель и брызг раствора и выводится из аппарата. Выпаренный раствор выводится из аппарата через штуцер в коническом днище 7.

Рисунок 10.11 – Выпарной аппарат с внутренней циркуляционной трубой: 1– греющая камера;2– нагревательные трубки;3– трубные решетки;4– циркуляционная труба;5– сепаратор;6– каплеотделитель;7– днище

Аппараты этого типа просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Применяют их для концентрирования высоковязких растворов или расплавов некоторых веществ, например, сахара,.

Основными недостатками аппаратов этого типа являются:

– низкий коэффициент теплопередачи 700÷1400 Вт/(м²·К);

– малая скорость циркуляции раствора 0,5÷0,8 м/с;

– частые остановки аппарата на промывку (через 8–20 ч), вследствие зарастания солями теплопередающей поверхности;

– жесткое крепление трубного пучка к корпусу аппарата, что является причиной нарушения плотности соединения труб с трубной решеткой.

В ряде отраслей промышленности для выпаривания электролитических щелоков, раствора сернистого натрия, хлористого кальция применяют выпарные аппараты с подвесной греющей камерой (рис. 10.12)

Выпарной аппарат, представленный на рис. 10.12., состоит из корпуса 1, греющей камеры 2, брызгоотделителя 3. Греющий пар подают в камеру по трубе 4, а конденсат отводится из нижней части камеры через штуцер 5. Раствор в аппарате циркулирует по контуру: трубки греющей камеры – кольцевой канал между стенками аппарата и камерой. Наличие на трубе ввода пара линзовых компенсаторов и отсутствие жесткого крепления в верхней части камеры позволяют компенсировать разность удлинений корпуса и камеры и устранить нарушение плотности в соединениях труб с трубной решеткой.

Недостаток этих аппаратов – неравномерность распределения раствора по трубам при поверхностях больше 200 м², что приводит к снижению эффективности выпаривания.

Рисунок 10.12 – Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой

Учитывая специфические особенности выпаривания кристаллизующихся растворов, институтом УКРНИИХИММАШ разработаны специальные конструкции выпарных аппаратов с вынесенной зоной кипения. В аппаратах такого исполнения кипение происходит не в греющих трубках, а в установленной над ними трубе вскипания. Выпарные аппараты с вынесенной зоной кипения имеют высокий коэффициент теплопередачи до 2000 Вт/(м²·К) и длительное время работы между промывками (до 100 ч).

В промышленности применяют выпарные аппараты с соосной и вынесенной греющими камерами. Выпарные аппараты с соосной греющей камерой имеют меньшее гидравлическое сопротивление и, следовательно, их удельная производительность выше, чем аппаратов с вынесенной греющей камерой. Однако при соосном расположении греющей камеры затрудняется доступ к греющим трубкам, усложняется их чистка и ремонт. Если на поверхности теплообмена в процессе эксплуатации образуется труднорастворимая накипь, которую удаляют механическим, гидромеханическим или гидравлическим способом, то необходимо применять аппараты с вынесенной греющей камерой. Такие аппараты целесообразно применять также и в тех случаях, когда возникает необходимость в их частых остановках на ремонт.

Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой без частичного осветления циркулирующей суспензии, представлен на рис. 10.13. Он состоит из греющей камеры 1, сепаратора 2, каплеотделителя 3, трубы вскипания 4, циркуляционной трубы 5.

Рисунок 10.13 – Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – брызгоотделитель; 4 – труба вскипания; 5 – циркуляционная труба

Циркуляция раствора в аппарате осуществляется по контуру:сепаратор – циркуляционная труба – греющая камера– сепаратор.

Движущийся по греющим трубкам раствор перегревается в них относительно температуры его кипения в сепараторе и, попадая в трубу вскипания, закипает. Кипение раствора в трубе вскипания происходит в зоне, где давление достигает величины, соответствующей температуре насыщения. Образующаяся в трубе вскипания парорастворная смесь вместе с кристаллами соли поступает в сепаратор, где разделяется на паровую, жидкую и твердую фазу. Вторичный пар проходит через брызгоотделитель, освобождается от капель раствора и выходит из аппарата через штуцер Б. Кристаллы соли вместе с раствором циркулируют по контуру аппарата и выводятся через штуцер Д. Обогрев аппарата осуществляют греющим паром, подаваемым в межтрубное пространство греющей камеры через штуцер А. Образовавшийся конденсат удаляется через штуцер В, а сдувка воздуха из греющей камеры происходит через штуцер Е.

Особо следует рассмотреть способ ввода исходного раствора в аппарат. Исходный раствор в выпарной аппарат может подаваться через штуцеры Г₁, Г₂или Г₃в зависимости от режима работы аппарата и температуры раствора. Если температура исходного раствора ниже температуры его кипения в аппарате, то раствор подают в штуцера Г₁ или Г₂(в зависимости от условий монтажа). Если выше – он поступает через штуцер Г₁. Если в процессе выпаривания из раствора выделяются и отлагаются на стенках сепаратора соли, то часть раствора (до 10%) подают через штуцер Г₃. При этом необходимо помнить, что температура раствора, поступающего через штуцер Г_3, должна быть ниже температуры кипения раствора в сепараторе.

Выпарные аппараты без частичного осветления суспензии имеют следующие основные недостатки: уменьшение скорости циркуляции вследствие увеличения вязкости и плотности при наличии большого количества твердой фазы в контуре (30 – 40 %); закупоривание трубок греющей камеры комками соли. Эти явления приводят к снижению межпромывочного пробега и усложнению промывки из-за необходимости промывать каждую трубку отдельно. По этим причинам применять выпарные аппараты без частичного осветления циркулирующей суспензии для выпаривания солесодержащих растворов на стадии выделения твердой фазы нецелесообразно.

Указанного недостатка лишены выпарные аппараты с частичным осветлением циркулирующей суспензии, показанные на рис. 10.14 (позиции и назначение штуцеров те же, что на рис. 10.13).

В отличие от аппарата, представленного на рис. 10.13, эти аппараты имеют в своем контуре зону отстоя в виде солеотделителя 6. Его наличие обеспечивает частичное отделение твердой фазы от раствора, что позволяет предохранить греющие трубки от попадания комков соли и образования наростов, что предотвращает их закупоривание. Время работы аппаратов с частичным осветлением между промывками значительно превышает время работы аппаратов без осветления раствора. Выпарной аппарат с солеотделителем (рис. 10.14 а), наиболее целесообразно применять для растворов солей аморфной или мелкокристаллической структуры (например, MnSO₄), требующих длительного времени для снятия пересыщения (до 25 с). Для выпаривания солей крупнокристаллической структуры (NaCl., NaCO₃), пересыщение которых можно снять за несколько секунд, целесообразно применять аппараты, представленные на рис. 10.14б, и 10.14в.

Если из раствора при выпаривании выделяется незначительное количество твердой фазы, то вывод ее из аппаратов с солеотделителем необходимо осуществлять как через штуцер Д₁(сгущенная суспензия), так и через штуцер Д₂(осветленный раствор). Соотношение твердой и жидкой фаз (Т:Ж) в выводимой из аппарата суспензии составляет для аппаратов без частичного осветления твердой фазы 1:3, для аппаратов с частичным осветлением твердой фазы – от 1:1 до 1:1,5. Для обеспечения нормальной работы выпарных аппаратов уровень раствора в них необходимо поддерживать (например, в аппарате с выносной камерой – по нижней кромке штуцера ввода в сепаратор парожидкостной смеси). Как понижение, так и превышение оптимального уровня раствора в аппарате приводит к уменьшению его производительности и нарушениям в работе (уменьшение скорости циркуляции, вибрации аппарата).

а б в

Рисунок 10.14 – Выпарные аппараты с частичным осветлением циркулирующей суспензии: позиции 1–5 те же что и на рис. 10.13, 6 – солеотделитель. Назначение штуцеров аппаратов  – см. текст к рис. 10.13

Эффективность работы выпарных аппаратов с естественной циркуляцией зависит от полезной разности температур, конструктивного оформления контура циркуляции, физико-химических свойств раствора, условий проведения процесса выпаривания и его стабильности. Минимальное значение полезной разности температур, обеспечивающей устойчивую циркуляцию по контуру аппарата, в зависимости от приведенных выше факторов, колеблется в пределах (12÷20) °С, при этом скорость движения раствора по трубкам греющей камеры 1–1,8 м/с, коэффициент теплоотдачи 1400–2200 Вт/м².