Схемы установок для выпаривания и конструкции выпарных аппаратов

align="justify">   Развитие  конструкции таких аппарат происходит в направлении усиления естественной циркуляции Последнее возможно путем  увеличения разности весов столбов  жидкости в опускной трубе и парожидкостной смеси в подъемной части контура. Это достигается посредством: 1) увеличения высоты кипятильных (подъемных труб и повышения интенсивности парообразования в них с целью уменьшения плотности парожидкостной смеси, образующейся из кипящего раствора; 2) улучшения естественного охлаждения циркуляционной трубы для того, чтобы опускающаяся в ней жидкость имела как возможно большую плотность; 3) поддержания в опускной трубе определенного уровня жидкости, необходимого для уравновешивания столба парожидкостной смеси в подъемных трубах при заданной скорости ее движения.

   Аппараты  с внутренней нагревательной камерой и центральной  циркуляционной трубой. В нижней части вертикального корпуса 1 (рис. 8) находится нагревательная камера 2, состоящая из двух трубных решёток, в которых закреплены, чаще всего развальцованы, кипятильные трубы 3 (длиной 2—4 м) и циркуляционная труба 4 большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубное пространство нагревательной камеры подается греющий пар.

   Раствор поступает в аппарат над верхней  трубной решеткой и опускается по циркуляционной трубе вниз, затем поднимается по кипятильным трубам и на некотором расстоянии от их нижнего края вскипает. Поэтому на большей части длины труб происходит движение вверх парожидкостной смеси, содержание пара в которой возрастает по мере ее движения. Вторичный пар поступает в сепарационное (паровое) пространство 5, где с помощью брызгоуловителя б, изменяющего направление движения парового потока, от пара под действием инерционных сил отделяется унесенная им влага После этого вторичный пар удаляется через штуцер сверху аппарата.

   Упаренный раствор удаляется через нижний штуцер конического днища аппарата в качестве промежуточного или конечного  продукта.

   Циркуляция  раствора в аппарате происходив вследствие разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и парожидкостной смеси в кипятильных трубах. Возникновение достаточной разности плотностей обусловлено тем, что поверхность теплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объема выпариваемого раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы, так как поверхность трубы находится в линейной зависимости от ее диаметра, а объем жидкости в трубе пропорционален квадрату ее диаметра. Следовательно, парообразование в кипятильных трубах должно протекать значительно интенсивней, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в этой трубе. В результате обеспечивается естественная циркуляция, улучшающая теплопередачу и препятствующая образованию накипи на поверхности теплообмена.

    В аппаратах этой конструкции циркуляционная труба, как и кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси и может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком является также жесткое крепление кипятильных труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.

   Аппараты  с подвесной нагревательной камерой. В аппарате такого типа (рис. 9) нагревательная камера 1 имеет собственную обечайку и свободно установлена в нижней части корпуса 2 аппарата. Греющий пар подаётся через трубу 3 и поступает в межтрубное пространство нагревательной камеры, снизу которого отводится конденсат. Поступающий на выпаривание раствор опускается вниз по каналу кольцевого поперечного сечения, образованному стенками обечайки подвесной камеры и стенками корпуса аппарата. Раствор поднимается по кипятильным трубам, и таким образом выпаривание происходит при естественной циркуляции раствора.

   Вторичный пар проходит брызгоуловитель 4 и удаляется сверху аппарата. Отделенная от вторичного пара жидкость сливается по трубам 5 .

   Для периодической промывки аппарата в  него подводится вода, которая распределяется с помощью перфорированной трубы  6.

   В этом аппарате циркуляционный кольцевой  канал имеет большое поперечное сечение и находится вне нагревательной камеры, что оказывает благоприятное влияние на циркуляцию раствора. Благодаря свободному подвесу нагревательной камеры устраняется опасность нарушения плотности соединения кипятильных труб с трубными решетками вследствие разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата. Подвесная нагревательная камера может быть относительно легко демонтирована и заменена новой. Однако это достигается за счёт некоторого усложнения конструкции аппарата; кроме того, расход металла на единицу поверхности теплообмена для этих аппаратов выше, чем для аппаратов с центральной циркуляционной трубой.

   Интенсивность циркуляции в аппаратах с подвесной  камерой (как и в аппаратах  с центральной циркуляционной трубой) недостаточна для эффективного выпаривания высоковязких и особенно кристаллизующихся растворов, обработка которых приводит к частым длительным остановкам этих аппаратов для очистки рабочих поверхностей.

    Аппараты  с выносными циркуляционными  трубами. Естественная циркуляция раствора может быть усилена, если раствор на опускном участке циркуляционного контура будет лучше охлаждаться. Этим увеличивается скорость естественной циркуляции в выпарных аппаратах с выносными циркуляционными трубами (рис. 10). При расположении циркуляционных труб вне корпуса аппарата диаметр нагревательной камеры может быть уменьшен по сравнению с камерой аппарата (рис. 8), а циркуляционные трубы 2 компактно размещены вокруг подогревательной камеры На рис 10 показан аппарат с одной выносной циркуляционной трубой, причем центробежный брызгоуловитель 3 для подачи вторичного пара также вынесен за пределы сепарационного пространства 4 аппарата. Конструкции таких аппаратов несколько более сложны, но в них добавляется более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1 м² поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной подогревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

   Аппараты  с выносной нагревательной камерой. При размещении нагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

   Аппарат с выносной нагревательной камерой (рис. 11) имеет кипятильные трубы, длина которых часто достигает 7м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

   Выносная  нагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает  и ускоряет ее чистку и ремонт. Ревизию  и ремонт нагревательной камеры можно  производить без полной остановки  аппарата (а лишь при снижении его  производительности), если присоединить к его корпусу две камеры.

   Исходный  раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным  трубам, выпаривается иногда подачу исходного  раствора производят. Вторичный пар  отделяется от жидкости в сепараторе 2. Жидкость опускается по не обогреваемой циркуляционной трубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется с сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище ceпapaтоpa.

    Скорость циркуляции в аппаратах  с выносной нагревательной камерой  может достигать 1,5 м/сек, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередаче аппараты такого типа получили широкое распространение.

   В некоторых конструкциях выпарных аппаратов  с выносной нагревательной камерой  циркуляционная труба отсутствует. Такие аппараты аналогичны аппарату, приведенному на рис. 11, у которого удалена циркуляционная труба.

   В этом случае выпаривание происходит за один проход раствора через нагревательную камеру, т.е. аппарат работает как  прямоточный. Выпарные аппараты прямоточного типа не пригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов.

   Разновидностью  выпарных аппаратов с выносной камерой  показан на рис. 12.

    В отличии от аппаратов с естественной циркуляцией, кипение раствора здесь  происходит в горизонтальных трубах, присоединенных к корпусу 1 нагревательной камеры 2. В межтрубном пространстве камеры движется греющий пар. Вторичный пар удаляется сверху корпуса аппарата, пройдя брызгоуловитель 3, а упаренный раствор – через штуцер в нижней части конического днища корпуса аппарата. Если выпаривание проводится одновременно с кристаллизацией, то из конического днища удаляются кристаллы и аппарат соединяется со сборником или фильтром.

   Условия кипения раствора в трубах неблагоприятны, так как в них образуются застойные зоны, снижающие интенсивность циркуляции и ухудшающие теплопередачу, а иногда приводящие к местной кристаллизации веществ.

   Основным  достоинством такого, аппарата, применяемого для выпаривания концентрированных, а также кристаллизирующихся  растворов, является возможность лёгкого отсоединения нагревательной камеры, установленной на тележке, для чистки, ремонта или замены. Однако конструкция аппарата громоздка, очистка U-образных труб затруднена, а расход металла на поверхность нагрева – значителен. Для облегчения очистки U-образные трубы заменяют прямыми горизонтальными, развальцованными в трубных решётках.

   Аппараты  с вынесенной зоной  кипения. При скоростях 0,25—1,5 м/сек                с которыми движется раствор в аппаратах с естественной циркуляцией, не удается предотвратить отложения твердых осадков на поверхности теплообмена. Поэтому требуется периодическая остановка аппаратов для очистки, что связано со снижением их производительности и увеличением стоимости эксплуатации.

    Загрязнение поверхности теплообмена при выпаривании кристаллизующихся растворов можно значительно уменьшить путем увеличения скорости циркуляции раствора и вынесением зоны его кипения за пределы нагревательной камеры.

   В аппарате с вынесенной зоной кипения (рис. 13) выпариваемый раствор поступает  снизу в нагревательную камеру 1 и, поднимаясь по трубам (длиной 4—7 м) вверх, вследствие гидростатического давления не закипает в них. При выходе из кипятильных труб раствор поступает в расширяющуюся кверху трубу вскипания 2, установленную над нагревательной камерой в нижней части сепаратора 3. Вследствие понижения давления в этой трубе раствор вскипает и таким образом, парообразование происходит за пределами поверхности нагрева.

   Циркулирующий раствор опускается по наружной не обогреваемой трубе 4. Упаренный раствор отводится из кармана в нижней части сепаратора 3. Вторичный пар, пройдя отбойник 5 и брызгоуловитель 6, удаляется сверху аппарата. Исходный раствор поступает либо в нижнюю часть аппарата (под трубную решетку нагревательной камеры), либо сверху в циркуляционную трубу 4.

   Вследствие  большой поверхности испарения, которая создается в объеме кипящего раствора, и частичного самоиспарения  капель, унесенных вторичным паром, значительно снижается брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи.

   В виду значительного перепада температур (до~30°С) между греющим паром и  раствором и малой потери напора в зоне кипения скорость циркуляции в этих аппаратах достигает 1,8—2 .м/сек.

   Увеличение  скорости приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Коэффициенты теплопередачи в таких аппаратах  достигают 3000 вт/(м²·град) [2580 ккал/( м²·ч·град)].

   Аппараты  с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизующихся растворов умеренной вязкости.

   Прямоточные (пленочные) аппараты. Принципиальное отличие этих аппаратов от аппаратов с естественной циркуляцией состоит в том, что выпаривание в них происходит при однократном прохождении выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры. Таким образом, выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. Кроме того, раствор выпаривается, перемещаясь (на большей части высоты кипятильных труб) в виде тонкой пленки по внутренней поверхности труб. В центральной части труб вдоль их оси движется вторичный пар. Это приводи к резкому снижению температурных потерь, обусловленных гидростатической депрессией.

   Различают прямоточные выпарные аппараты с  поднимающейся и опускающейся пленкой.

    Аппарат с поднимающейся пленкой (рис. 14) состоит из нагревательной камеры, представляющей собой пучок труб небольшого диаметра (15—25мм) длиной 7—9м, и сепаратора 2.

   Раствор на выпаривание поступает снизу  в трубы нагревательной камеры, межтрубное пространство которой обогревается греющим паром. На уровне, соответствующем обычно          20 – 25 % высоты труб, наступает интенсивное кипение. Пузырьки вторичного пара сливаются и пар, быстро поднимаясь по трубам, за счет поверхностного трения увлекает за собой раствор. При этом жидкость перемещается в виде пленки, всползающей по внутренней поверхности труб, и выпаривание происходит в тонком слое.

   Вторичный пар, выходящий из труб, содержит капли  жидкости, которые отделяются от пара с помощью отбойника 3 и центробежного брызгоуловитель 4. В брызгоуловитель влажный пар поступает тангенциально и ему сообщается вращательное движение. Под действием центробежной силы капли жидкости отбрасываются к периферии, жидкость стекает вниз, а пар удаляется сверху из аппарата.