1.1 Конструкції випарних апаратів

Найбільшого поширення в промисловості набули типи випарних апаратів, у яких гріюча пара прямує в міжтрубний простір гріючої камери, а в трубках кипить випарюваний розчин:

1 апарати з природною циркуляцією;

2 апарати з примусовою циркуляцією;

3 прямоточні (плівкові) апарати.

Найчастіше на промислових підприємствах зустрічаються апарати з природною циркуляцією. До них відносяться апарати системи Роберта з центральною внутрішньою циркуляційною трубою (рис.1.1.1) і апарати із зовнішніми циркуляційними трубами (рис.1.1.2), у яких повністю усунений нагрів розчину в опускних каналах.

Для того, щоб понизити втрати на тертя в циркуляційній трубі, площа перетину циркуляційної труби повинна бути такою же, як і сумарна площа перетину кип'ятильних трубок.

Випарні апарати з підвісною гріючою камерою (рис.1.1.3) застосовуються для випарювання тих розчинів, що кристалізуються, агресивних і помірно в'язких розчинів. У таких апаратах унаслідок великого перетину кільцевого каналу між обичайкою і внутрішньою паровою камерою покращена циркуляція розчину, а вільна підвіска гріючої камери виключає порушення герметичності вальцювальних з'єднань кип'ятильних труб.

Переваги апаратів з природною циркуляцією:

- високий коефіцієнт теплопередачі при великій різниці температур;

- простота механічного очищення від накипу;

- відносно невисока вартість.

Недоліки апаратів з природною циркуляцією:

- низький коефіцієнт теплопередачі при малій різниці температур і низькій температурі кипіння;

- погана теплопередача при випарювання в'язких рідин;

- великі виробнича площа і маса;

- відносний великий час перебування продукту в апараті.

Області застосування апаратів з природною циркуляцією:

- випарювання чистих розчинів;

- випарювання малоагресивних рідин (корпус з хімічно стійких матеріалів має дуже високу вартість);

- випарювання розчинів, які створюють м'який накип, що допускає механічне очищення поверхні теплообміну.

Рисунок 1.1.1–Випарний апарат системи Роберта з центральною внутрішньою циркуляційною трубою.

Рисунок 1.1.2 – Випарні апарати із зовнішніми циркуляційними трубами

Рисунок 1.1.3 – Випарний апарат з підвісною гріючою камерою

Апарати з примусовою циркуляцією (рис. 1.1.4) застосовуються для випарювання розчинів підвищеної в'язкості, коли 0,008 < µ < 0,1 Па-с, а також для усунення інкрустацій на поверхні теплообміну при випарювання розчинів, що кристалізуються, за рахунок збільшення швидкості циркуляції до 2..3 м/с.

У цих апаратах швидкість розчину повинна бути не менше 1,2 м/с і не більше 3 м/с. Нижня межа встановлюється початком сольових відкладень, верхня - перевищенням витрат на електроенергію для перекачування над економією у витратах на поверхню теплообміну за рахунок підвищеної швидкості розчину.

Рисунок 1.1.4 – Випарний апарат з примусовою циркуляцією.

Більшість випарних апаратів з примусовою циркуляцією складають апарати з виносною гріючою камерою (рис. 1.1.5). Часто у випарних апаратів цього типу гріюча камера горизонтальна. Це звичайно двоходовий кожухотрубний теплообмінний апарат (рис. 1.1.6).

Рисунок 1.1.5 – Випарний апарат з примусовою циркуляцією і виносною гріючою камерою.

Рисунок 1.1.6–Випарний апарат з примусовою циркуляцією і горизонтальною виносною гріючою камерою.

Переваги апаратів з примусовою циркуляцією:

- високий коефіцієнт теплопередачі;

- підвищена швидкість циркуляції;

- відносно повільне відкладення кристалів, накипи і забруднення гріючої поверхні (з боку розчину).

- недоліки апаратів з примусовою циркуляцією:

- висока вартість;

- додаткова витрата електроенергії на циркуляційний насос;

- відносний високий час перебування продукту в апараті.

Області застосування апаратів з примусовою циркуляцією:

- отримання кристалічних продуктів;

- випарювання агресивних розчинів;

- випарювання в'язких розчинів.

Прямоточні апарати з висхідною (типу Кестнера) (рис. 1.1.7) і падаючою (рис. 1.1.8) плівками зручно застосовувати для випарювання термолабільних розчинів. Час перебування розчину в апараті складає декілька секунд. Діаметр трубок зазвичай складає 25-50 мм, довжина трубок лежить в межах від 6 до 10,5 м. Процес випарювання закінчується в апараті за один прохід розчину і пари по кип'ятильній трубці: за цей час розчин досягає заданої концентрації. Апарати з висхідною плівкою використовують для випарювання розчинів, що дають м'який накип, а також для доведення розчинів до стану пересичення. Апарати з падаючою плівкою не застосовуються для випарювання розчинів, що містять тверді речовини - кристали.

Рисунок 1.1.7 – Прямоточний випарний апарат з висхідною плівкою

Рисунок 1.1.8 – Прямоточний випарний апарат з падаючою плівкою

Переваги прямоточних апаратів:

- низька вартість;

- велика поверхня теплообміну в одному корпусі;

- малий час перебування продукту в апараті;

- невелика виробнича площа;

- хороший коефіцієнт теплопередачі при помірній різниці температур (при висхідній плівці);

- хороший коефіцієнт теплопередачі при будь-яких різницях температур (при падаючій плівці).

Недоліки прямоточних апаратів:

- необхідність високого приміщення;

- непридатність для розчинів, що кристалізуються, або створюють твердий накип розчинів;

- низький коефіцієнт теплопередачі (при висхідній плівці і низькій різниці температур).

Області застосування прямоточних апаратів:

- випарювання чистих рідин;

- випарювання пінистих рідин;

- випарювання агресивних розчинів;

- високі різниці температур при висхідній плівці і низькі при падаючій;

- робота при низьких температурах кипіння при падаючій плівці.

При виборі типу випарного апарату, окрім режиму теплопередачі, також мають важливе значення фізичні властивості випарюваного розчину і кінцевого продукту. Слід враховувати можливість кристалізації розчину, необхідність видалення накипу, зміну якості продукту, корозію і спінювання.