Схемы установок для выпаривания и конструкции выпарных аппаратов

   Прямоточные выпарные аппараты ближе к аппаратам  идеального вытеснения, в то время  как аппараты с многократной циркуляцией  приближаются к аппаратам идеального смешения. Вместе с тем в прямоточных  аппаратах раствор проходит по кипятильным трубкам однократно. Поэтому время пребывания его мало и аккумулирующая способность этих аппаратов низка, что важно при выпаривании термически нестойких веществ.

   Прямоточные аппараты чувствительны к изменению  режима работы и требуют для эффективного выпаривания поддерживания некоторого оптимального «кажущегося» уровня раствора в кипятильных трубах. «Кажущийся» уровень соответствует высоте столба холодного раствора, которым может быть уравновешен столб парожидкостной смеси в трубах. При «кажущемся» уровне ниже оптимального верхняя часть поверхности труб не омывается жидкостью и практически не участвует в теплообмене; «оголенная» часть поверхности труб при испарении на ней брызг жидкости покрывается накипью При «кажущемся» уровне выше оптимального на большей части поверхности труб раствор только нагревается; соответственно уменьшается высота зоны кипения, где теплопередача интенсивнее; это приводит к снижению средней величины коэффициента теплопередачи. Кроме того, для вертикальных прямоточных аппаратов необходимы высокие производственные помещения. Область применения аппаратов с поднимающейся пленкой - выпаривание маловязких растворов, в том числе пенящихся и чувствительных к высоким температурам. Эти аппараты не рекомендуются для выпаривания кристаллизующихся растворов ввиду возможности забивания труб кристаллами.

   В прямоточных (пленочных) аппаратах  трудно обеспечить равномерную толщину  пленки выпариваемой жидкости (что  необходимо для, эффективной работы аппарата), кроме того, эти аппараты весьма чувствительны к неравномерной подаче раствора, а чистка длинных труб малого диаметра затруднительна. Поэтому пленочные аппараты вытесняются вертикальными выпарными аппаратами с циркуляцией раствора.

   Роторные  прямоточные аппараты. Для выпаривания нестойких к повышенным температурам вязких и листообразных растворов применяют роторные прямоточные аппараты (рис, 15). Внутри цилиндрического корпуса 1 аппарата, снабженного паровыми рубашками 2, вращается ротор 3, состоящий из вертикального вала (расположенного по оси аппарата) и шарнирно закрепленных на уем скребков 4.

   Выпариваемый  раствор поступает в аппарат сверху, захватывается вращающимися скребками, под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам аппарата и перемещается по их внутренней поверхности в виде турбулентно движущейся пленки. Постепенно происходит полное выпаривание пленки, и на стенках аппарата образуется тонкий слой порошка или пасты, который снимается вращающимися скребками (зазор между наружной кромкой скребков и стенкой аппарата составляет менее 1 мм). Твердый или пастообразный продукт удаляется через специальный секторный затвор из днища аппарата.

   В роторных прямоточных аппаратах  достигается интенсивный теплообмен при небольшом уносе жидкости вторичным паром. Вместе с тем  роторные аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой стоимостью эксплуатации, вследствие наличия вращающихся частей (ротора) Имеется несколько разновидностей роторных прямоточных выпарных аппаратов, в том числе аппараты с горизонтальным корпусом.

   Аппараты с принудительной циркуляцией. Для того чтобы устранить. отложение накипи в трубах, особенно при выпаривании кристаллизующихся растворов, необходимы скорости циркуляции не менее 2—2,5 м/сек т.е. больше тех скоростей, при которых работают аппараты с естественной циркуляцией. В принципе такие высокие скорости достижимы и в условиях естественной циркуляции, но при этом необходимы очень большие полезные разности температур (между греющим паром и кипящим раствором).

   В аппаратах с принудительной циркуляцией  скорость ее определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровня жидкости в трубах, а также от интенсивности парообразования Поэтому в аппаратах с принудительной циркуляцией выпаривание эффективно протекает при малых полезных разностях температур,. не превышающих 3—5 °С и при значительных вязкостях растворов

    Одна из конструкций выпарного  аппарата с принудительной циркуляцией  показана на рис 16. Аппарат имеет  выносную вертикальную нагревательную камеру 1,  сепаратор 2 и не обогреваемую циркуляционную трубу 3, в которую подается исходный раствор. Циркуляция раствора производится насосом 4.

   При большой скорости движения выпариваемого  раствора кипение его происходит на коротком участке перед выходом  из кипятильных труб. Таким образом, зона кипения оказывается перемещенной в самую верхнюю часть нагревательной камеры На большей части длины труб жидкость лишь несколько перегревается. Это объясняется тем, что давление внизу трубы больше давления у её верхнего края на величину гидростатического давления столба жидкости и гидравлического сопротивления трубы.

   Вследствие  высокого уровня раствора в кипятильных  трубах значительная часть всего  циркуляционного контура заполнена  жидкостью, а паросодержание смеси  жидкости и вторичного пара, выбрасываемой из труб, невелико. В связи с этим циркуляционный насос должен перекачивать большие объемы жидкости (иметь большую производительность) при умеренном расходе энергии, затрачиваемой в основном на преодоление гидравлического сопротивления труб. Таким требованиям удовлетворяют пропеллерные насосы, которые обычно используются в аппаратах с принудительной циркуляцией. Скорость ее ограничена возрастанием гидравлического сопротивления и соответственно расходом энергии на циркуляцию. Поэтому желательно выбирать оптимальную скорость циркуляции, которую устанавливают на основе технико-экономических расчетов.

   Выпарные  аппараты с тепловым насосом. По технолологическим причинам использование многоярусных выпарных аппаратов иногда может оказаться неприемлемым. Так, например, приходится отказываться от многократного выпаривания тех чувствительных к высоким температурам растворов для которых температуры кипения в первых корпусах многокорпусных установок слишком высоки и могут вызвать порчу продукта. В подобных и некоторых других случаях возможно и экономически целесообразно использовать для выпаривания однокорпусные выпарные аппараты с тепловым насосом.

   С помощью теплового насоса, представляющего  собой трансформатор тепла, повышают экономичность работы однокорпусного аппарата, сжимая вторичный пар на выходе аппарата до давления свежего (первичного) пара и направляя его в качестве греющего в нагревательную камеру того же аппарата. Сжатие (вторичного пара производят главным образом в турбокомпрессорах с приводом от электродвигателя или турбины или же в струйных компрессорах (инжекторах). Вследствие компактности, простоты устройства и надежности эксплуатации в .качестве тепловых насосов наиболее широко применяют струйные компрессоры, несмотря на их невысокий к.п.д.

    На рис. 17 приведена схема однокорпусной выпарной установки, состоящей из выпарного аппарата 1 струйного компрессора. Первичный пар поступает по оси компрессора и инжектирует вторичный пар более низкого давления. Смесь первичного и вторичного пара по выходе из компрессора (при давлении Р₂<Р₁) делится на две части: большая часть смеси направляется в нагревательную камеру выпарного аппарата а остальная, избыточная часть D_изб отводится на сторону, к другим потребителям тепла.

   При выпаривании растворов с небольшой  температурной депрессией применение тёплового насоса в многокорпусной выпарной установке, может существенно снизить расход свежего :пара на выпаривание.

   Экономичность применения теплового насоса определяется отношением стоимости энергий, затрачиваемой  на сжатие вторичного пара в компрессоре, к стоимостити pacxoдуемого в выпарной установке первичного пара. В отдельных случаях это отношение может быть настолько малый, что выпарные аппараты с тепловым насосом могут успешно конкурировать с многокорпусными выпарными установками.

   Расход  энергии на тепловой насос приблизительно пропорционален разности температур насыщения свежего и вторичного пара, которая в свою очередь, зависит от температурной депрессии выпариваемого раствора. Поэтому для выпаривания растворов, обладающих значительной температурной депрессией, использование теплового насоса оказывается нецелесообразным. Обычно ёго применение рентабельно при невысокой степени сжатия вторичного пара, соответствующей повышению температуры насыщения пара не более чем на 10—15 °С.

   Барботажные выпарные аппaраты. Выпаривание некоторых сильно агрессивных и высококипящих растворов, например растворов серной, соляной, фосфорной кислот, растворов мирабилита,: хлористого магния и других, производят при непосредственном соприкосновении раствора с нагретыми инертными газами. Для таких растворов передача через стенку тепла, необходимого для выпаривания, оказывается практически неосуществимой из-за трудностей, связанных с выбором конструкционного материала, который должен сочетать хорошую теплопроводность с коррозионной и термической стойкостью.

   Выпаривание при непосредственном соприкосновении  раствора и теплоносителя осуществляют обычно с помощью топочных газов  или нагретого воздуха в аппаратах  с металлическим кожухом, футерованным изнутри коррозионно-стойкими материалами, например диабазовой и керамической плиткой, кислотоупорным и шамотным кирпичом и т.д. Барботажные трубы, по которым поступают в раствор газы, изготавливаются из термосилида, графита и других коррозионностойких материалов.

    Типичный барботажный аппарат  для концентрирования серной кислоты (рис 18) состоит из выносной топки и горизонтального цилиндрического корпуса 2 Часть объема аппарата заполняется слабым раствором кислоты, подаваемой по трубе 3 Топочные газы поступают по трубам 4, концы которых погружены в раствор кислоты При перемешивании раствора и теплоносителя происходит интенсивное испарение растворителя и частично кислоты. Из камеры III (третьей по ходу кислоты) газы поступают по барботажной трубе 5 в камеру II. Для повышения температуры парогазовой смеси в эту камеру по барботажной трубе б подается дополнительно некоторое количество свежих топочных газов. Из камеры II газы вместе с парами кислоты и воды по барботажной трубе 7 направляются в камеру I, где отдают тепло на подогрев исходного слабого раствора кислоты. Упаренная кислота удаляется по трубе 8 из камеры III.

   Противоток  кислоты и газов позволяет  лучше использовать тепло топочных газов, но потери тепла с отходящими газами значительны. Кроме того, происходит большой унос газами паров кислоты  которые улавливаются в отдельном электрофильтре.

    Более эффективное выпаривание осуществляется в современных выпарных аппаратах  с погружными горелками, одна из конструкций  таких аппаратов приведена на рис 19. При барботаже нагретых газов  через слой раствора создается значительная межфазовая поверхность и происходит перемешивание жидкости пузырьками газа. В результате достигается интенсивный теплообмен.

   В плоской крышке корпуса 1 аппарата расположена  одна горелка 2 (как показано на рисунке) или несколько горелок, погруженных под уровень выпариваемого раствора. Уровень раствора в аппарате поддерживается постоянным с помощью переливной трубы 3. Упаренный раствор отводится из конического днища аппарата, а выпадающие здесь кристаллы отсасываются посредством эрлифта. Парогазовая смесь отводится из пространства над жидкостью через сепаратор 4.

   Для таких аппаратов обычно используют специальные горелки беспламенного  горения, снабженные огнеупорной насадкой, которая в накаленном состоянии  каталитически ускоряет процесс горения. В барботажных выпарных аппаратах, работающих при непосредственном соприкосновении выпариваемого раствора и греющего агента, достигаются более высокие коэффициенты теплопередачи, чем при выпаривании через стенку.

   Области применения и выбор  выпарных аппаратов. Конструкция выпарного аппарата должна удовлетворять ряду общих требований, к числу которых относятся: высокая производительность и интенсивность теплопередачи при возможно меньших объеме аппарата и расходе металла на его изготовление, простота устройства, надежность в эксплуатации, легкость очистки поверхности теплообмена, удобство осмотра, ремонта и замены отдельных частей.

   Вместе  с тем выбор конструкции и  материала выпарного аппарата определяется в каждом конкретном случае физико-химическими  свойствами выпариваемого раствора (вязкость, температурная депрессия, кристаллизуемость, термическая стойкость, химическая агрессивность и др.).

   Как указывалось, высокие коэффициенты теплопередачи и большие производительности достигаются путем увеличения скорости циркуляции раствора. Однако одновременно возрастает расход энергии на выпаривание и уменьшается полезная разность температур, так как при постоянной температуре греющего пара с возрастанием гидравлического сопротивления увеличивается температура кипения раствора. Противоречивое влияние этих факторов должно учитываться при технико-экономическом сравнении аппаратов и выборе оптимальной конструкции.

   Для выпаривания растворов небольшой  вязкости, не превышающей                  ~8·10^-3 н·сек/м², без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные выпарные аппараты с многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с выносными необогреваемыми циркуляционными трубами.