2. Выпарные аппараты

2.1. Выбор условий проведения процесса выпаривания

Приступая к выбору выпарного аппарата, необходимо прежде решить вопросы о том, будет процесс выпаривания идти под давлением или под вакуумом, будет установка однокорпусной или многокорпусной и какой греющий агент будет использован.

2.2. Выбор выпарного аппарата

По конструктивным особенностям поверхности нагрева все выпарные ап­параты можно разделить на следующие группы:

1.Аппараты с рубашкой;

2.Змеевиковые;

3. Трубчатые.

Наиболее простыми являются аппараты с рубашками (рис.16). Это вер­тикальные полые цилиндры, снабженные нагревательной рубашкой, куда по­дается насыщенный водяной пар или горячая жидкость. Поверхность нагре­ва в этих аппаратах легкодоступна для очистки или нанесения антикор­розионного покрытия, но они отличаются малой поверхностью нагрева на единицу рабочего объема и поэтому громоздки, малопроизводительны. Они применяются редко, в основном, в производствах небольшого масштаба.

Несколько большую удельную поверхность имеют змеевиковые аппараты (рис.17). Греющий пар поступает в трубы, изогнутые в виде змеевика, а кипящий раствор находится в межтрубном пространстве. Для интен­сификации процесса теплопередачи, а также для предотвращения выпаде­ния осадков в этих аппаратах (так же, как и в аппаратах с рубашкой) часто устанавливаются мешалки. Недостатком змеевиковых аппаратов является сложность очистки и ремонта змеевиков.

Трубчатые аппараты можно подразделить на аппараты с горизонтальны­ми, вертикальными и наклонными трубами (рис.18).

Наиболее существенным признаком классификации выпарных аппаратов является вид циркуляции выпариваемого раствора.

Различают аппараты со свободной (неорганизованной) циркуляцией, а также с направленной естественной либо принудительной циркуляцией раствора.

Примером аппаратов со свободной циркуляцией являются аппараты с рубашкой, змеевиковые и аппараты с горизонтальной трубчатой нагрева­тельной камерой.

Преимуществом аппаратов с горизонтальными трубами является меньшая (по сравнению с вертикальными трубами) высота слоя раствора в аппара­те, что приводит к уменьшению гидростатической депрессии. Кроме того, эти аппараты имеют большую поверхность испарения раствора, что спо­собствует более спокойному кипению и меньшему брызгоуносу.

Недостатки: 1) трудность очистки межтрубного пространства, вслед­ствие чего они не пригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов, 2) невысокие коэффициенты теплоотдачи внутри горизонтальных паровых труб из-за накапливающегося слоя конденсата; 3) громоздкость и большой расход металла.

В настоящее время наибольшее распространение получили более совер­шенные вертикальные трубчатые аппараты с направленной циркуляцией как естественной (рис.19), так и вынужденной (рис.20).

В отличие от аппаратов с горизонтальными трубами здесь раствор по­ступает в трубы (снизу или сверху), а греющий пар - в межтрубное про­странство. Движение раствора по трубам может осуществляться по-разному. По этому признаку аппараты делят на прямоточные, в которых выпарива­ние раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуля­ции, и аппараты, работающие с многократной циркуляцией раствора. Примером прямоточных аппаратов может служить пленочный аппарат с под­нимающейся пленкой (рис.21). Раствор на выпаривание поступает в пучок труб небольшого (15–25мм) диаметра и длиной 7–9 м. На уровне, соответствующем обычно 20–25 % высоты труб, наступает ин­тенсивное кипение. Бурно выделяющийся пар увлекает за собой раствор, который поднимается в виде тонкой пленки по внутренней поверхности труб, и дальнейшее выпаривание идет из тонкого слоя раствора.

В результате интенсивного процесса выпаривания время пребывания раствора в таких аппаратах невелико, что позволяет применять их для выпарки термически нестойких веществ. Эти аппараты применяются так­же для выпаривания сильно пенящихся растворов.

Однако они весьма чувствительны к изменению режима работы и требуют очень высоких производственных помещений.

Поэтому чаще всего в промышленности применяют вертикальные аппара­ты с многократной циркуляцией. Циркуляция может быть естественной за счет разности плотностей кипящего и холодного растворов или вы­нужденной, осуществляемой при помощи насосов.

На рис.19, а представлен аппарат, в котором естественная циркуляция происходит с помощью внутренней циркуляционной трубы.

Нагревательная камера состоит из двух трубных решеток, в которых закреплены тонкие кипятильные трубы длиной 2-4 м и циркуляционная труба большого диаметра, установленная по оси камеры. Раствор подается в аппарат над верхней трубной решёткой и опускается по циркуляционной трубе вниз, а затем поднимается по кипятильным трубам вверх, где на сравнительно небольшой высоте от нижней трубной решетки вскипает и дальше по трубам движется парожидкостная смесь.

Рисунок 16. Выпарной аппарат с рубашкой

Рисунок 17. Змеевиковый выпарной аппарат

Циркуляция раствора происходит за счет разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и кипятильных трубах, которые прогреваются значительно интенсивнее. Наличие циркуляции в аппарате улучшает теп­лопередачу и предотвращает образование отложений и накипи на поверх­ности труб.

Недостатком этой конструкции является то, что центральная труба обогревается, и в ней также идет парообразование, хотя и менее интен­сивное, чем в кипятильных трубках.

В аппарате, изображенном на рис.19 б, циркуляционная труба выне­сена за пределы корпуса аппарата, что способствует увеличению скорос­ти естественной циркуляции за счет большей разности плотностей раст­вора в выносной трубе и кипятильных трубах. Конструкция аппарата в этом случае оказывается несколько более сложной; увеличивается также гидравлическое сопротивление циркуляционного контура, но зато дости­гается более интенсивная теплопередача и нагревательная камера может быть гораздо компактнее.

Для того, чтобы устранить отложение накипи в трубах, особенно при выпаривании кристаллизующихся растворов, а также для улучшения тепло­передачи нужны большие скорости циркуляции раствора, чем при естест­венной циркуляции. Это достигается с помощью циркуляционного насоса в аппарате с принудительной циркуляцией (рис.20). Такие аппараты чаще всего выполняются с необогреваемой циркуляционной трубой, в кото­рую подается исходный раствор. Циркуляция раствора производится про­пеллерным или центробежным насосом. Упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ни­же верхнего среза кипятильных труб и, поскольку вся циркуляционная система заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается только на пре­одоление гидравлических сопротивлений. Скорость циркуляции определя­ется производительностью насоса и не зависит от уровня жидкости и па­рообразования в кипятильных трубах.

Поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур между греющим паром и раствором (до 3–5 град) и при выпаривании растворов с большой вязкостью, естественная циркуляция которых затруднена. Недостатком этих аппаратов является необходимость расхода энергии на циркуляцию раствора.

Аппараты с наклонной нагревательной камерой применяются реже. Их основное преимущество – меньшая гидростатическая депрессия по срав­нению с вертикально расположенными трубами. Однако они более громозд­ки и неудобны в эксплуатации.

Рисунок 18. Кожухотрубные выпарные аппараты:

а – с горизонтальными трубами;

б – с вертикальными трубами;

в – с наклонными трубами.

Рисунок 19. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией:

а – с внутренней циркуляционной трубой;

б – с внешней циркуляционной трубой

Рисунок 20. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией

Рисунок 21. Пленочный выпарной аппарат