3. Пленочные выпарные аппараты

Пленочные выпарные аппараты отличаются от аппаратов с циркуляцией раствора тем, что выпаривание в них происходит при однократном прохождении раствора по трубкам греющей камеры в виде тонкой пленки на внутренней поверхности трубок. В центральной части трубок греющей камеры с большой скоростью движется вторичный пар. Такая организация движения потоков приводит к резкому увеличению коэффициентов теплопередачи от стенки к выпариваемому раствору и снижению температурных потерь.

В настоящее время в промышленности применяют пленочные аппараты с поднимающейся и опускающейся пленкой жидкости, устройство которых представлено на рис. 10.17.

Рисунок 10.17 – Пленочные выпарные аппараты: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – брызгоотделитель. Назаначения штуцеров см. текст к рис. 10.13

Выпарной аппарат с поднимающейся пленкой (рис. 10.17 а, б) состоит из греющей камеры 1, сепаратора 2, брызгоотделителя 3. Длина греющей камеры больше, чем у аппаратов других типов, и составляет 7 ÷ 9 м.

Раствор на выпаривание, в аппарате с поднимающейся пленкой, поступает в греющую камеру снизу через штуцер. На уровне около 20 % от общей высоты труб наступает интенсивное кипение раствора. Образовавшийся пар за счет трения увлекает за собой раствор, который в виде пленки движется вверх. Вторичный пар и выпаренный раствор удаляются из аппарата через соответствующие штуцера, 4 и 5.

Опыт эксплуатации этих аппаратов свидетельствует о том, что в них не обеспечивается условие прямоточности движения. Раствор движется вверх по трубкам неравномерно, не все частицы раствора проходят путь по трубке до верхнего ее конца. Многие из них, пройдя часть пути, обрываются вниз, увлекая частички, движущиеся им навстречу. Таким образом, в данном случае однопроходного режима движения раствора нет. К тому же в реальных условиях не выдерживается уровень раствора в трубках, и скорость ввода исходного раствора в трубный пучок, как правило, ниже оптимальной. Все это приводит к тому, что аппараты с поднимающейся пленкой работают, как аппараты с естественной циркуляцией, но с ухудшенным циркуляционным контуром. Область применения этих аппаратов – выпаривание маловязких растворов без твердой фазы, в том числе склонных к пенообразованию и термически нестойких.

При выпаривании вязких растворов более целесообразно использовать выпарные аппараты с падающей пленкой (рис. 10.17 б), в которых исходный раствор подается сверху через штуцер и стекает вниз в виде пленки под действием силы тяжести. Вторичный пар поступает в сепаратор, расположенный ниже греющей камеры, Условия пленкообразования в таких аппаратах лучше, однако значительные трудности вызывает распределение исходного раствора по трубкам греющей камеры (особенно при поверхности аппаратов больше 100 м²).

В целом, вследствие серьезных недостатков, пленочные аппараты вытесняются вертикальными аппаратами с циркуляцией раствора по контуру.

7. Основы теплового расчета выпарных аппаратов

Тепловые процессы при выпаривании растворов протекают в тесной взаимосвязи с конструктивными и гидромеханическими параметрами аппаратов. Поэтому конструктивные расчеты выпарных аппаратов неотделимы от тепловых и гидромеханических расчетов.

Тепловой расчет выпарного аппарата выполняют для определения поверхности теплопередачи и режима выпаривания раствора.

Вначале определяют общую тепловую нагрузку выпарного аппарата:

. (10.90)

При выпаривании растворов с выделением твердой фазы необходимо учесть теплоту кристаллизации

. (10.91)

Расход греющего пара на процесс выпаривания в аппарате определяют по уравнению

(10.92)

(– коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду; = = 1,03 ÷ 1,05).

Для выпарных аппаратов с вынесенной зоной кипения коэффициент теплопередачи рассчитывают по уравнению

. (10.93)

Рисунок 10.18 – Зависимость коэффициента загрязнений от давления в сепараторе

Вследствие отложения солей на поверхности греющих трубок при выпаривании солесодержащих растворов, величина действительного коэффициента теплопередачи мень­ше расчетного на величину поправки ε:

. (10.94)

Поправку ε определяют по графику.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара в межтрубном пространстве греющей камеры на наружной поверхности вертикальной трубки определяют из уравнения

, (10.95)

где  – соответственно плотность, теплопроводность и вязкость воды при температуре пленки конденсата

; (10.96)

. (10.97)

В формулах (10.96, 10.97) величину плотности теплового потока задают вначале в пределах  = 10 ÷ 40 кВт/м², а затем уточняют, добиваясь расхождения расчетных значений от принятых на величину не более 5 %.

Величина перегрева раствора в трубках греющей камеры зависит от многих факторов, и для упрощения расчета величину можно принять равной 2–3 °С.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору α₂ для выпарных аппаратов с естественной циркуляцией определяют по уравнению (10.98), с принудительной циркуляцией по уравнению – (10.99):

. (10.98)

В этом выражении

;;

; ; ; ;

(10.99)

(Рr_ст определяется при средней температуре поверхности стенки).

При наличии в циркулирующем растворе твердой фазы (до 20 %), вследствие локальной турбулизации потока, происходит увеличение коэффициента теплоотдачи. Определяется он в этом случае из выражения

; (10.100)

. (10.101)

В выпарных аппаратах с кипением раствора в трубках коэффициент теплоотдачи при длине зоны кипения, равной длине трубки, рассчитывают по уравнению

, (10.102)

где –  плотность пара при абсолютном давлении 0,1 МПа.

После расчета величины коэффициента теплопередачи определяют величины температурной и гидростатической депрессий по формулам (10.22, 10.25), температуру кипения раствора (10.21), полезную разность температур (10.21, 10.61) и, в итоге, поверхность теплопередачи выпарного аппарата

. (10.103)

Полученное значение поверхности теплопередачи выпарного аппарата увеличивают на 15 – 20% и округляют до ближайшего стандартного значения.

Рисунок 10.19 –Устройство роторного пленочного аппарата: 1 – корпус аппарата; 2 – паровая рубашка; 3 – роторная мешалка; 4 – конусное днище; 5 – штуцер для ввода исходного раствора; 6 – распределительное кольцо; 7 – вал привода мешалки; 8 – штуцер выхода вторичного пара