Описание выпарных аппаратов

В литературе описано большое количество конструкций ап­паратов, применяемых как ранее, так и сейчас в химической, сахарной и других отраслях промышленности. Строгой и общепринятой классификации выпарных аппаратов нет, однако их можно классифицировать по ряду признаков:

− по расположению поверхности нагрева — на горизонтальные, вертикальные и, реже, наклонные;

− по роду теплоносителя — с паровым обогревом, газовым обогревом, обогревом высокотемпературными теплоносителями (масло, даутерм, вода под высоким давлением), с электрообогревом (чаще всего применяют паровой обогрев, поэтому в даль­нейшем внимание будет уделено аппаратам с паровым обогревом);

− по способу подвода теплоносителя — с подачей теплоносителя внутрь трубок (кипение в большом объеме) или в межтрубное пространство (кипение внутри кипятильных труб);

− по режиму циркуляции — с естественной и искусственной (принудительной) циркуляцией;

− по кратности циркуляции — с однократной и многократной циркуляцией;

− по типу поверхности нагрева — с паровой рубашкой, змеевиковые и, наиболее распространенные, с трубчатой поверхностью различной конфигурации.

К конструкции выпарных аппаратов должны быть предъявлены следующие требования:

простота, компактность, надежность, технологичность изготовления, монтажа и ремонта;

стандартизация узлов и деталей;

В промышленности наиболее часто применяют вертикальные выпарные аппараты. Их достоинства: компактность, естественная циркуляция (благодаря наличию циркуляционной трубы), значительная кратность циркуляции, малая занимаемая площадь, большое паровое пространство, удобство обслуживания и ремонта. Для большей компактности эти аппараты в последнее время изготовляют с удлиненными трубками (3—3,5 м). Схема выпарного аппарата с центральной циркуляционной трубой 1 приведена на рисунке 1.2.

Для упаривания кристаллизующихся растворов применяют аппараты с коническим днищем с углом наклона больше угла естественного откоса кристаллизующейся массы.

1 - центральная циркуляционная труба; 2 – коническое днище.

Рисунок 1.2 - Схема выпарного аппарата с центральной циркуляционной трубой

Некоторое распространение имеют пленочные аппараты с однократной циркуляцией раствора (рисунок 1.3). Основная особенность этой конструкции заключается в возможности сни­жения потерь полезной разности температур от гидростатической депрессии. Подаваемый в нижнюю часть трубок 1 аппарата раствор вскипает; при этом образуется много паровых пузырьков, увлекающих за собой раствор.

Парожидкостная эмульсия, выходящая из трубок, ударяется о поверхность сепаратора 2 с изогнутыми лопатками, получает вращательное движение и отбрасывается центробежной силой к периферии, благодаря чему происходит довольно совершенная сепарация пара. Таким образом, выпаривание происходит в тонком слое при однократной циркуляции раствора. При большой длине кипятильной трубки (более 5 м) возможны разрыв и высыхание пленки жидкости в верхней части трубки с понижением при этом коэффициента теплоотдачи.

1 – трубки; 2 – сепаратор.

Рисунок 1.3 - Схема пленочного выпарного аппарата

Пленочные аппараты не характеризуются большой интенсивностью теплоотдачи при кипении. Некоторым преимуществом пленочного аппарата является однократная циркуляция с быстрым прохождением раствора через трубы, что предохраняет растворы, чувствительные к высокой температуре, от порчи. Недостатки этих аппаратов: значительная длина трубок, затрудняющая ремонт, малая аккумулирующая способность, не обеспечивающая постоянную производительность и затрудняющая получение раствора равномерной концентрации. Труба, отводящая упаренный раствор на следующий корпус, должна иметь гидравлический затвор соответствующей высоты для предотвращения возможного прорыва пара в трубное пространство следующего корпуса. Эти аппараты дороже обычных вертикальных аппаратов.

Выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева (рисунок 1.4) целесообразно применять для пенящихся растворов, так как в основном в нем происходит самоиспарение перегретой в трубах 2 жидкости при поступлении ее в сепаратор 1. При этих условиях жидкость испаряется спокойно, и при достаточных размерах сепаратора не происходит уноса капелек жидкости и пены с вторичным паром.

1 — сепаратор; 2 — греющая камера.

Рисунок 1.4 - Выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева

В некоторых случаях применяют аппараты с принудительной циркуляцией (рисунок 1.5). В этих аппаратах жидкость движется по трубкам с большой скоростью (2—3 м/с) под давлением; зона кипения находится у верхнего конца трубок. Благодаря значительной скорости движения раствора в трубках отложения на поверхности теплообмена меньше, чем в обычных вертикальных аппаратах. Аппараты с принудительной циркуляцией целесообразно применять в определенном интервале тепловых нагрузок и, главным образом, при упаривании вязких жидкостей, когда естественная циркуляция затруднена. В этих условиях достигается более высокий коэффициент теплоотдачи к кипящей жидкости, чем в обычных аппаратах, что позволяет соответствующим образом уменьшить поверхность нагрева аппарата по сравнению с вертикальным аппаратом с естественной циркуляцией раствора. С другой стороны, на привод циркуляционного насоса требуются довольно значительные затраты мощности, поэтому целе­сообразность применения подобных аппаратов следует обосновать соответствующим технико-экономическим расчетом.

Выпарной аппарат с паровым обогревом состоит из греющей камеры 1, растворного пространства 3, сепарирующих устройств 2.

1 — нагревательная камера: 2 — сепаратор: 3 — циркуляционная труба;

4 — циркуляционный насос.

Рисунок 1.5 - Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией

Греющая камера выпарного аппарата представляет собой трубный пучок, составленный из цельнотянутых труб, развальцованных в двухтрубных досках. Материал (углеродистая сталь легированные стали, латунь, медь, алюминий и др.) выбирается из соображений химической устойчивости в среде выпариваемого раствора.

Греющую камеру снабжают штуцерами для подвода пара, отвода конденсата, оттяжки неконденсирующихся газов. Для предотвращения прямого удара струи пара о греющие трубки, что может вызвать эрозию трубок, против парового патрубка устанавливают отбойные щитки или направляющие цилиндрические вставки. Расположение (соосное или рассредоточенное) и конструктивное оформление нагревательной камеры определяют конкретный тип выпарного аппарата.

Широко используются в химической промышленности выпарные аппараты с внутренними вертикальными нагревательными камерами. Аппараты отличаются компактностью и значительно меньшим расходом металла на единицу поверхности, чем аппараты с горизонтальной нагревательной камерой.

Улучшенная по сравнению с рассмотренной выше циркуляция раствора достигается в аппаратах с подвесной нагревательной камерой благодаря большему сечению кольцевого канала и меньшему нагреву раствора в опускном участке циркуляционного контура. Кроме того, свободное размещение греющей камеры в корпусе аппарата исключает нарушение плотности вальцовочных соединений, которые вызываются термическими деформациями. Для того, чтобы полностью исключить обогрев жидкости в опускном участке, целесообразно использование аппаратов с внешними циркуляционными трубами. Являясь более компактными, эти аппараты обеспечивают и более высокую скорость циркуляции, что, в свою очередь приводит к интенсификации процесса теплообмена и уменьшает опасность инкрустации поверхности теплообмена.

Наиболее компактно сосредоточить большую поверхность нагрева в одном аппарате позволяет использование выпарных аппаратов с выносными нагревательными камерами, благодаря удлинению нагревательных труб (до 5 — 7 м).

В этом аппарате обеспечивается быстрое и удобное отделение греющей камеры или отдельных ей секций от остальных элементов конструкции. Выпарные аппараты с выносной греющей камерой могут изготавливаться без циркуляционной трубы. В этом случае они работают как прямоточные, т. е. раствор в греющих трубках проходит только один раз. Подобные плёночные аппараты применяются для выпаривания термостабильных и вспенивающихся растворов.

В данном случае используются аппараты, как с соосным, так и рассредоточенным расположением нагревательной камеры, как с восходящим, так и с нисходящим движением пленки. Внутреннее пространство выпарного аппарата можно представить как состоящее из двух частей: растворной и надрастворной (сепарационной).

Растворным пространством называется пространство выпарного аппарата, заполняемое раствором. Различают выпарные аппараты с большим и малым растворным пространством. Все выпарные аппараты с многократной циркуляцией имеют большое растворное пространство, а пленочные аппараты отличаются: малым растворным пространством. Большое растворное пространство уменьшает также опасность оголения верхних частей поверхности нагрева и их инкрустации, но способствует бурному пенообразованию, заполнению пеной сепарационного пространства и уносу пены вторичным паром. По этой причине при выпаривании вспенивающихся растворов предпочтительны аппараты с небольшим растворным пространством.

Растворное пространство выпарного аппарата снабжается штуцерами для подачи слабого раствора и удаления выпаренного раствора, спускающим штуцером, зрительными стёклами для наблюдения за уровнем раствора, штуцерами для отбора проб и, в отдельных случаях, лазом.

Наиболее распространённым способом подвода раствора в аппарат является подвод сбоку над верхней трубной решеткой, а для аппаратов с подвесной греющей камерой — сбоку кольцевого пространства между корпусом аппарата и обечайкой греющей камеры.

Назначение сепарационного пространства заключается в возможно полном отделении (сепарации) вторичного пара от капель выпариваемого раствора.

Последние загрязняют пар, затрудняя использование его конденсата для питания паровых котлов, а также являются причиной инкрустации обогреваемых им поверхностей и источником безвозвратных потерь самого раствора.

Паровое пространство выпарного аппарата должно иметь такие размеры, которые обеспечивают достаточно полное отделение вторичного пара от выпариваемого раствора. Однако иногда приходится работать с большим паросъемом, чем рекомендовано, или же упаривать жидкости, склонные к брызго- или пенообразованию, В таких случаях понадобились бы слишком большие габариты сепарационного пространства для отделения брызг. Вместо этого предпочитают устанавливать дополнительные сепараторы, встроенные в корпусы выпарных аппаратов или выполненные в виде самостоятельных установок.

Установка брызгоуловителей рассматривается как дополнительная мера для обеспечения сухости вторичного пара, особенно целесообразная в тех случаях, когда выпарные аппараты должны работать с неизбежными колебаниями рабочего давления.

Для сепарации выбрасываемой влаги применяют различные сепарирующие устройства, использующие либо действие силы тяжести, резкое изменение скорости и направления вторичного пара, силы контактного взаимодействия, либо центробежный эффект, отбрасывающий капельки жидкости к периферии, т.е. к стенкам аппарата по которым они стекают. В связи, с чем выделяют сепараторы инерционного, центробежного типа и поверхностные сепараторы или элиминаторы. В большинстве случаев эти способы механического воздействия на парожидкостную эмульсию используются совместно при самом разнообразном сочетании. Необходимым элементом оборудования выпарных установок, работающих под вакуумом является конденсационное устройство, принцип действия которых заключается в конденсации образующегося вторичного пара.

Конденсация пара может осуществляться либо в поверхностных конденсаторах, либо в конденсаторах смешения. В поверхностных конденсаторах пар конденсируется на охлаждаемой металлической поверхности и получающийся конденсат не смешивается с охлаждающей жидкостью. Такие конденсаторы применяются либо тогда, когда необходимым условием является получение чистого дистиллята, либо тогда, когда в конденсате имеются химически агрессивные или вредные вещества, сброс которых в канализацию или использование для технических нужд представляет опасность.

Дата добавления: 2015-10-28