Конструкции выпарных аппаратов

Классификация выпарных аппаратов

1. По способу организации процесса во времени выпарные аппараты могут быть периодического и непрерывного действия. Однако установки периодического действия не нашли широкого распространения из-за низкой экономической эффективности. Они могут применяться для малых производств или при высокой концентрации получаемых продуктов.

2. В зависимости от организации кипения выпариваемого раствора аппараты можно подразделить: с парообразованием в зоне теплообмена; адиабатное испарение; парообразование при непосредственном контакте с теплоносителем. При парообразовании в зоне теплообмена кипение раствора проходит на поверхности, через которую проходит передача тепла от греющего агента, или вблизи нее. В аппаратах адиабатного испарения кипение раствора проводится вне зоны подвода тепла. Кипение проходит в специальной камере с пониженным давлением. Такие аппараты называют аппаратами с вынесенной зоной кипения. Необходимость их появления связана с тем, что при кипении в зоне подвода тепла на поверхности теплопередачи могут выделяться отложения растворенных веществ. Такие отложения резко снижают теплопередачу и уменьшают производительность аппаратов. В аппаратах с кипением, вызванным непосредственным контактом раствора и теплоносителя, образующиеся пары необходимо отделять от теплоносителя. Использование газа в качестве такого теплоносителя приводит к образованию парогазовой смеси, разделять которую можно путем конденсации пара. При этом отсутствуют отложения, препятствующие теплообмену между раствором и теплоносителем.

3. По агрегатному состоянию теплоносителя, используемому в качестве греющего агента, аппараты можно подразделить на использующие теплоноситель в газообразном (продукты сгорания, горячий воздух), парообразном (водяной пар), жидком (вода, масло, высокотемпературные теплоносители и др.), твердом состоянии или обогрев ведется с помощью электричества. Наиболее распространен обогрев водяным паром.

4. По типу циркуляции раствора в аппаратах различают аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также без циркуляции раствора (прямоточные). Естественная циркуляция раствора может быть свободной (неорганизованной) или направленной (организованной). Естественная циркуляция осуществляется под действием силы тяжести за счет разности плотностей раствора в различных точках аппарата. Принудительная циркуляция обеспечивается с помощью насосов, мешалок, подачи пара (газа), вращением или вибрацией частей самого аппарата. Свободная (неорганизованная) циркуляция осуществляется в объеме аппарата, и движение раствора специальным образом не организуется. При направленной циркуляции движение раствора организуется за счет специальных устройств (циркуляционных труб). В аппаратах без циркуляции проводят выпаривание за один проход раствора. В аппаратах с циркуляцией раствор за время процесса множество раз циркулирует в объеме аппарата, что увеличивает скорость его движения и приводит к росту коэффициента теплоотдачи, а также уменьшению отложения накипи.

5. По типу поверхности нагрева – поверхностные (трубчатые, змеевиковые, аппараты с рубашкой и т.д.) и контактные (при непосредственном контакте с нагревающим агентом.)

6. По ориентации греющей камеры в пространстве – аппараты с вертикальной, горизонтальной, наклонной камерами.

Кроме того, выпарные аппараты могут подразделяться по многим другим признакам: по степени концентрирования раствора, по производительности, по степени заполнения сечения греющей камеры раствором и т.д. Конструкции выпарных аппаратов очень разнообразны. При выборе конструкции выпарного аппарата для конкретного производства необходимо учитывать множество факторов: расход упариваемой жидкости, начальную и конечную концентрации раствора, возможную кристаллизацию и отложения на стенках греющей камеры и т.д. Обилие конструкций выпарных аппаратов обусловлено наличием множества способов и условий проведения процесса, разнообразием свойств концентрируемых растворов, многообразием теплоносителей.

За основу классификации выпарных аппаратов обычно принимают тип циркуляции раствора.

Конструкции выпарных аппаратов

Аппараты со свободной неорганизованной циркуляцией раствора. Наиболее прост по конструкции выпарной аппарат с паровой рубашкой со свободной неорганизованной циркуляцией (рис. 12.1). Применяются такие аппараты в небольших производствах для упаривания водных растворов, склонных к отложениям и обладающих агрессивными свойствами. Аппараты такой конструкции появились одними из первых. Они отличаются простотой изготовления, доступностью поверхности теплопередачи для коррозионной защиты и очистки от отложений.

Однако аппаратам со свободной неорганизованной циркуляцией присущ низкий коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору. Это объясняется тем, что скорость движения раствора невелика и определяется свободной конвекцией. Низкие коэффициенты теплоотдачи и соответственно теплопередачи приводят к необходимости иметь большую поверхность теплопередачи, что влечет высокие капитальные затраты. Необходимость увеличения поверхности нагрева в единице объема аппарата привела к появлению змеевиковых и трубчатых выпарных аппаратов.

Аппараты со змеевиковой и горизонтальной трубчатой греющими камерами более компактны, чем аппараты с рубашкой. Греющий пар в них движется по трубам, обеспечивая большую удельную поверхность теплопередачи, но сложность их очистки и защиты от коррозии, возможность образования паровых пробок, ремонт внутренних устройств (змеевиков, труб) значительно затрудняют их эксплуатацию. Змеевики в выпарных аппаратах выполняются обычно в виде нескольких секций, что облегчает удаление конденсата, а также предоставляет возможность последовательного их отключения при понижении уровня раствора в случае периодического процесса.

Аппараты с естественной организованной циркуляцией раствора. Неэкономичность аппаратов со свободной неорганизованной циркуляцией привела к появлению аппаратов с естественной направленной циркуляцией раствора. С этой целью в аппаратессоосной греющей камерой и центральной циркуляционной трубой (рис. 12.4) в вертикальной греющей камере, соосной с сепаратором, установлена циркуляционная труба, имеющая больший диаметр, чем кипятильные трубы. Исходный раствор поступает в аппарат и через циркуляционную трубу опускается вниз. Поднимаясь вверх по кипятильным трубам, раствор нагревается и закипает. При этом вверх поднимается парожидкостная смесь. По мере выхода из кипятильных труб пар поступает в сепаратор, отделяется от брызг раствора и удаляется из аппарата.

Отделение капелек жидкого раствора от вторичного пара происходит в сепарационном пространстве 5за счет осаждения под действием сил тяжести.

Для уловамелких капель в верхней часепаратора может устанавливаться брызгоуловитель,действующий за счет силы инерции, возникающей при изменении направления движения (см. рис. 12.4), или центробежной

– при закручивании парожидкостного потока (рис.12.6). Упаренный раствор удаляется снизу аппарата. Направленная циркуляция обусловлена разностью плотностей среды в циркуляционной и кипятильных трубах. Это достигается за счет того, что поверхность теплопередачи каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объема выпариваемого раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы. Поэтому теплообмен в кипятильных трубах проходитинтенсивнее и плотность парожидкостной смеси будет значительно меньше плотности раствора в циркуляционной трубе. Вследствие естественной конвекции среда с большей плотностью будет опускаться по циркуляционной трубе вниз, а с меньшей – подниматься по кипятильным трубам вверх. Скорость движения раствора в таком аппарате значительно выше, чем в аппаратах с неорганизованной циркуляцией. Увеличение скорости движения раствора приводит к повышению его коэффициента теплоотдачи, лимитирующего процесс теплопередачи, а также уменьшения образования накипи на стенках труб.

 

В аппарате с подвесной греющей камерой её иногда помещают в собственную обечайку и свободно устанавливают в нижней части корпуса аппарата (рис. 12.5).

Роль циркуляционной трубы выполняет кольцевое пространство, образованное обечайкой греющей камеры и стенками выпарного аппарата. Раствор по нему опускается вниз, а затем поднимается вверх по кипятильным трубам, закипает и образует парожидкостную смесь.

В аппарате с выносной циркуляционной трубой её располагают вне греющей камеры (рис. 12.6), что позволяет интенсифицировать циркуляцию раствора за счет большей разности температур и плотностей в кипятильных и циркуляционной трубах, так как последняя в этом случае не обогревается греющим паром.

Для увеличения скорости циркуляции раствора применяют также выпарные аппараты с выносной греющей камерой. Применение выносной греющей камеры позволяет компактно сосредоточить большую поверхность нагрева в одном аппарате при большой длине труб (5-7 м)
(рис. 12.7).

Скорость естественной циркуляции раствора редко превышает 1 м/с, что недостаточно для пре-дотвращения отложений на поверхности нагрева при выпаривании кристаллизующихся растворов. Один из путей решения данной проблемы состоит в выносе зоны кипения за пределы греющей камеры. Раствор перегревается в греющей камере, а затем поступает в зону кипения. В аппарате с вынесенной зоной кипения испарительную трубу размещают над греющей камерой (рис. 12.8). Высота испарительной зоны выбирается такой, чтобы за счет избыточного гидростатического давления раствор перегревался в греющей камере относительно его температуры насыщения в сепараторе. Кипение раствора проходит в верхней части испарительной трубы. Однако производительность такого аппарата ограничена реальными возможностями по созданию гидростатического давления. Для создания большего перегрева раствора потребовалась бы значительная высота аппарата.

Аппараты с принудительной циркуляцией раствора. Отложения на стенках нагревательной камеры могут быть уменьшены, а коэффициенты теплоотдачи увеличены за счет роста скорости циркуляции раствора в нагревательных трубах до 2,5-3,5 м/с. Такой скорости можно достичь только принудительной циркуляцией раствора. Принудительная циркуляция организуется, как правило, насосами (рис. 12.9). Аппараты с принудительной циркуляцией могут использоваться при концентрировании растворов до предельной концентрации (состояние кристаллизации), а также сильно вязких растворов. Их устройство может быть подобно аппаратам, изображенным на рис. 12.6 -12.8, с добавлением насоса, обеспечивающего циркуляцию раствора (рис. 12.9).

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией могут эффективно работать при полезной разности температур не менее 10-12 градусов. Аппараты с принудительной циркуляцией могут работать при полезной разности темпера-тур – 3-5 градусов вследствие увеличения в них коэффициентов теплоотдачи от стенки к раствору, а также малой зависимостью интенсивности циркуляции от полезной разности температур. Недостатком таких аппаратов является значительный расход энергии на обеспечение вынужденной циркуляции раствора.

Аппараты без циркуляции раствора (прямоточные). В этих аппаратах раствор выпаривается за один проход и движется, как правило, в виде тонкой пленки. Гидродинамическая структура потока раствора в прямоточных аппаратах близка к модели идеального вытеснения, в то время как в аппаратах с циркуляцией – к модели идеального смешения. Для выпаривания термонестабильных и вспенивающихся растворов были разработаны пленочные аппараты. Полезная разность температур в таких аппаратах составляет 2-3 градуса. Пленочные выпарные аппараты могут быть горизонтальными; вертикальными с падающим (нисходящим) и восходящим движением пленки; роторными.

Вертикальный пленочный аппарат с восходящей пленкой (рис. 12.10) состоит из длиннотрубной (6-7 м) вертикальной греющей камеры, заполненной раствором, занимающим около 1/4 высоты труб. Образующийся в этой зоне вторичный пар увлекает тонкую пленку раствора и перемещает ее вверх. При своем движении пленка раствора упаривается и на выходе из труб вместе с вторичным паром поступает в сепаратор. Такой аппарат применяется для выпаривания маловязких растворов.

В пленочных аппаратах с нисходящей пленкой она формируется с помощью специальных пленкообразующих устройств. Пленкообразующие устройства могут быть в виде насадок (цилиндрических, конических, спиральных), сопел, параллельно расположенных над трубной решеткой сеток, решеток, дырчатых дисков и т.п. Раствор, стекая вниз по трубам в виде пленки, упаривается. Такие аппараты применяются при выпаривании более вязких растворов.

Преимуществами рассмотренных пленочных аппаратов являются кратковременный контакт раствора с поверхностью нагрева, низкая полезная разность температур, относительно высокий коэффициент теплопередачи.

При выпаривании термонестойких и сильно вязких растворов применяются роторные пленочные аппараты. Пленка в таких аппаратах образуется при вращении ротора. Устройство роторного пленочного выпарного аппарата показано на рис. 12.11. Цилиндрический корпус снабжен нагревательной рубашкой и сепаратором. Внутри корпуса установлен приводимый во вращение ротор. Исходный раствор ротором распределяется в виде пленки по стенкам корпуса, стекает вниз и удаляется в виде упаренной жидкости. Сверху аппарата отводится вторичный пар.

Достоинства роторных пленочных аппаратов: кратковременный контакт раствора с теплопередающей поверхностью, высокий коэффициент теплопередачи, возможность использования для мало- и высоковязких растворов, для проведения процесса с выделением кристаллов, вплоть до получения сухого остатка (поверхность нагрева очищается специальными лопастями).

Аппараты контактного типа. Степень концентрирования растворов может быть существенно повышена отсутствием контакта раствора с поверхностью нагрева. Это позволит исключить отложения, препятствующие теплопереносу. Такой подход реализован в аппаратах контактного типа. Перенос тепла осуществляется непосредственным контактом раствора и нагревающего агента, который может быть в газообразном, жидком или твердом состоянии. Наибольшее распространение получили контактные аппараты с теплоносителем в газообразном состоянии. В барботажном выпарном аппарате (рис. 12.12.) при барботаже горячего газообразного теплоносителя образуется значительная межфазная поверхность, происходит перемешивание упариваемого раствора. В результате интенсифицируется теплообмен. Преимущество контактных аппаратов заключается также в возможности их использования для выпаривания химически агрессивных растворов. При этом корпус аппарата изготавливается из обычной углеродистой стали, футерованной изнутри стойкими, но малопрочными материалами (графит, керамика, пластмасса и т.д.). Недостатками барботажных выпарных аппаратов являются: большие габариты, что объясняется значительным расходом газовой фазы; необходимость разделять образующуюся парогазовую смесь (вторичный пар обычно конденсируют). Иногда образующуюся парогазовую смесь выбрасывают в атмосферу.

Выбор конструкции выпарного аппарата основывается на конкретных данных для проектирования: физико-химических свойствах упариваемого раствора и имеющегося нагревающего агента, требуемой степени концентрирования, производительности установки, санитарных нормах и т.д. Такой выбор из всего имеющегося многообразия конструкций, возможен лишь на основе технико-экономических расчетов.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: