МАШИНОСТРОЕНИЕ

ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ

Выпариванием называется процесс кон­центрирования растворов, заключающийся в частичном или полном удалении растворителя путем его испарения при кипении. При выпа­ривании удаляют часть растворителя, так как конечный продукт должен оставаться в теку­чем состоянии. Полное удаление растворителя в таких аппаратах возможно тогда, когда рас­творенное вещество является жидким (напри­мер, при выпаривании растворов глицерина) или при температуре процесса находится в расплавленном состоянии (например, при вы­паривании растворов аммиачной селитры или едкого натра).

В ряде случаев при выпаривании раство­ров твердых веществ достигается насыщение раствора. При дальнейшем удалении раствори­теля происходит его кристаллизация, т. е. выде­ление растворенного твердого вещества из раствора.

Выпаривание широко применяется для концентрирования разбавленных растворов в производстве минеральных солей, органиче­ских полупродуктов, белково-витаминных концентратов, кормовых дрожжей и других продуктов, для выделения из разбавленных растворов различных растворенных веществ путем кристаллизации, для выделения раство­рителя (например, при получении технической или питьевой воды в выпарных опреснитель­ных установках), а также для регенерации раз­личных растворов (с целью возврата их в тех­нологический цикл) и термического обезвре­живания промышленных стоков.

Можно выделить три способа выпарива­ния: поверхностное, адиабатное, при непосред­ственном контакте с теплоносителем (рис. 4.3.1). При поверхностном выпаривании кипение раствора происходит на поверхности теплооб­мена выпарного аппарата У. В процессе адиа­батного выпаривания перегретый раствор по­ступает в выпарной аппарат 2, в котором про­исходит его испарение при давлении ниже дав­ления насыщения, соответствующего темпера­туре поступающего раствора. Выпаривание при непосредственном контакте раствора с теплоносителем осуществляется за счет пред­варительного подогрева этого теплоносителя.

Процессы выпаривания проводятся под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлении. Выбор способа выпаривания связан со свойствами раствора и возможностью ис­пользования теплоты вторичного пара.

Выпарные аппараты классифицируются [40] по принципу действия. В зависимости от характера движения кипящей жидкости в вы­парном аппарате различают выпарные аппара­ты: с естественной циркуляцией; с принуди­тельной циркуляцией; пленочные и роторно - пленочные аппараты.

4.3.1. ВИДЫ ВЫПАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Естественная циркуляция воз­никает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной трубы 1 и обогреваемых кипятильных труб 2 (рис. 4.3.2). Если жидкость в кипятильных трубах нагрета до кипения, то в результате испарения ее части в этой трубе образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности жидко­сти. Таким образом, масса столба жидкости в циркуляционной трубе будет больше, чем в кипятильных трубах, вследствие чего произой­дет упорядоченная циркуляция кипящей жид­кости по пути: кипятильные трубы - паровое

Пространство - циркуляционная труба - кипя­тильные трубы и т. д.

Для упаривания маловязких некристалли - зующихся и неагрессивных растворов получил распространение вертикальный выпарной ап­парат с внутренней греющей камерой и цен­тральной циркуляционной трубой.

Выпарной аппарат с центральной цирку­ляционной трубой типа В В является одной из широко распространенных конструкций. Греющая камера состоит из ряда вертикальных кипятильных трубок У, обогреваемых снаружи паром (рис. 4.3.3). По оси греющей камеры расположена циркуляционная труба 2 значи­тельно большего диаметра, чем кипятильные трубки. В аппаратах большой производитель­ности вместо одной циркуляционной трубы устанавливают несколько труб меньшего диа­метра. Аппарат с центральной циркуляционной трубой отличается простотой конструкции и легко доступен для ремонта и очистки. В то же время наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции.

Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой имеет греющую камеру, снабженную кожухом 2 (рис. 4.3.4). Роль циркуляционной трубы в нем выполняет кольцевой зазор между корпусом аппарата и кожухом камеры. Грею­щий пар подводится в камеру по трубе 4. Греющая камера может быть извлечена из ап­парата для очистки и ремонта. В аппарате соз­даются благоприятные условия для организа-

Ции циркуляции, поскольку кольцевое про­странство со стороны корпуса не обогревается. Недостатками аппарата являются усложнение конструкции и большие габаритные размеры, так как часть площади сечения аппарата не используется из-за наличия кольцевого канала.

Выпарной аппарат с выносным кипя­тильником широко применяется для выпарки кристаллизующихся и пенящихся растворов и постепенно вытесняет аппараты других типов. Он имеет выносной кипятильник У и сепара­тор 3 (рис. 4.3.5). В кипятильнике, состоящем из пучка труб, обогреваемых снаружи паром, образуется парожидкостная смесь, поступаю­щая в сепаратор по трубе 2. В сепараторе про­исходит отделение вторичного пара от жидко­сти, которая по циркуляционной трубе 4 воз­вращается в кипятильник.

Трубы кипятильника могут достигать значительной длины (до 7 м), что способствует интенсивной циркуляции. Расположение кипя­тильника отдельно от сепаратора удобно для ремонта и очистки труб.

Выпарной аппарат для выпаривания кон­центрированных растворов (рис. 4.3.6) состоит из греющей камеры У, над которой расположе­на камера вскипания 2, в верхней части кото-

Рой размещены концентрические перегородки 3, образующие кольцевые каналы. Из камеры вскипания парожидкостная смесь поступает в сепаратор 5, откуда жидкость возвращается в греющую камеру по циркуляционной трубе 4

Через приемник 6 для кристаллов. В греющей камере происходит только подогрев раствора, а кипит он в каналах между перегородками 3, которые упорядочивают поток вскипающей жидкости и препятствуют образованию пуль­саций и вредных циркуляционных токов в зоне кипения.

В этом аппарате достигается большая ско­рость циркуляции (до 3,5 м/с вместо 1... 1,5 м/с в обычных аппаратах с естественной циркуля­цией), что наряду с отсутствием кипения в трубах приводит к значительному уменьшению выделений накипи на поверхности теплообме­на. Такой аппарат наиболее пригоден для вы­паривания концентрированных, кристалли­зующихся и вязких растворов.

Конструкции выпарных вертикальных трубчатых аппаратов общего назначения с паровым обогревом с естественной и прину­дительной циркуляцией, выпускаемые оте­чественной промышленностью. Обозначение штуцеров к этим аппаратам дано в табл. 4.3.1.

4.3.1. Обозначение штуцеров в выпарных аппаратах (рис. 4.3.7, 4.3.8, 4.3.10, 4.3.11, 4.3.14)

Выпарной аппарат с естественной цир­куляцией, соосной греющей камерой, вынесен­ной зоной кипения и солеотделением (тип I) состоит из греющей камеры /, сепаратора с трубой вскипания 2, циркуляционной трубы 3 и солеотделителя 4 (рис. 4.3.7). Греющая каме­ра 1 представляет собой одноходовой кожухо- трубчатый теплообменник, сепаратор - цилиндрический сосуд с верхним эллиптиче­ским и нижним коническим днищами. Внутри сепаратора установлен первичный каплеотбой- ник, а в верхней части закреплен брызгоотде - литель.

Раствор, подлежащий упариванию, пода­ется в аппарат через один из штуцеров III. При работе аппарата уровень раствора должен под­держиваться по верхней кромке трубы вскипа­ния. Снижение уровня приводит к уменьше - нию производительности, а повышение - вы­зывает гидравлические удары и повышенный унос раствора вторичным паром.

Циркуляция раствора в аппарате осущест­вляется по замкнутому контуру сепаратор - циркуляционная труба - солеотделитель - греющая камера - сепаратор. Образовавшаяся при упаривании часть кристаллов осаждается в солеотделителе и выводится с упаренным рас­твором через нижний штуцер IV. Греющий пар I подается в межтрубное пространство греющей камеры. В аппаратах этого исполнения кипение раствора происходит в трубе вскипания, ввиду чего отложение кристаллов на внутренней по­верхности греющих труб уменьшается, а рабо­та аппарата улучшается.

Выпарной аппарат с естественной цир­куляцией, вынесенной греющей камерой и кипе­нием раствора в трубках (тип И) состоит из греющей камеры /, сепаратора 2 с брызгоотде - лителем, циркуляционной трубы 3, нижней и верхней камер 4, 5 (рис. 4.3.8).

Конструкция греющей камеры аналогич­на конструкции греющей камеры аппарата типа I. Сепаратор 2 - цилиндрический сосуд с коническим днищем и верхней эллиптической крышкой, в верхней части которого установлен брызгоотделитель.

В циркуляционном контуре выпарного аппарата совершается многократная циркуля­ция выпариваемого раствора. Из сепаратора по циркуляционной трубе раствор поступает в нижнюю часть греющих трубок, в которых по мере продвижения вверх нагревается и вскипа­ет. Образующаяся парожидкостная смесь из греющих гр>б поступает в сепаратор, в кото­ром разделяется на жидкую и паровую фазы. Вторичный пар, проходя сепаратор и брызго­отделитель, очищается от брызг и выходит из аппарата. Аппарат обогревается конденси­рующимся в межтрубном пространстве грею­щей камеры водяным паром, а конденсат уда­ляется из него. Уровень раствора в сепараторе поддерживается постоянным, соответствую­щим нижней образующей штуцера для ввода парожидкостной смеси в сепаратор.

Аппарат рассчитан на непрерывную и пе­риодическую работу.

Выпарные аппараты другого исполнения рассмотрены в специальной литературе [41].

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией. Для повышения интенсивности циркуляции и коэффициента теплопередачи применяют аппараты с принудительной цирку­ляцией. В аппарате с наружной циркуляцион­ной трубой 3 циркуляция раствора обеспечива­ется пропеллерным или центробежным насо­сом 2 (рис. 4.3.9). Свежий раствор подается в нижнюю часть кипятильника, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Уровень жидкости поддерживается несколько ниже верхнего среза кипятильных труб. Давле­ние нижней части кипятильных труб больше, чем верхней на сумму давления столба жидко­сти в трубах и гидравлического сопротивления на прокачивание парожидкостной смеси. Вви­ду этого на большей части высоты кипятиль­ных труб жидкость не кипит, а перегревается по сравнению с температурой кипения, соот­ветствующей давлению в сепараторе. Закипа­ние происходит только на небольшом участке верхней части трубы.

Принудительную циркуляцию применя­ют также в аппаратах с выносным кипятильни­ком и в аппаратах других типов.

Скорость циркуляции жидкости в кипя­тильных трубах (1.5...3;5 м/с), определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от уровня жидкости и парообразо­вания в кипятильных трубах. Поэтому аппара­ты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми разностями температур
между греющим паром и раствором (3...5 °С) и при выпаривании растворов с большой вязко­стью, естественная циркуляция которых за­труднена.

Достоинствами аппаратов с принуди­тельной циркуляцией являются высокие коэф­фициенты теплопередачи (в 3 - 4 раза больше, чем при естественной циркуляции), а также отсутствие загрязнений поверхности теплооб­мена при выпаривании кристаллизующихся растворов и возможность работы при неболь­ших разностях температур.

Недостаток этих аппаратов - необходи­мость расхода энергии на работу насоса. При­менение принудительной циркуляции целесо­образно при изготовлении аппарата из дорого­стоящего материала, при выпаривании кри­сталлизующихся и вязких растворов.

Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и соле - отделением (тип III) состоит из греющей каме­ры 1, сепаратора 2 с трубой вскипания, отбой­ником 3 и брызгоотделителем, циркуляционно­го насоса 4, циркуляционной трубы 5 и солес - борника 6 (рис. 4.3.10). Конструкция греющей камеры 1 аналогична конструкции этого узла

Аппарата типа II. К верхней трубной решетке греющей камеры присоединена труба вскипа­ния, над которой (во внутренней части сепара­тора) расположен отбойник 3. Кипение раство­ра в аппарате происходит непосредственно в трубе вскипания, установленной над греющей камерой. Кипение в трубах предотвращается благодаря гидростатическому давлению столба жидкости в трубе вскипания.

Циркуляция раствора в аппарате осуще­ствляется по замкнутому контуру сепаратор - циркуляционная труба - циркуляционный на­сос - греющая камера - сепаратор. Исходный раствор III может подаваться через один из штуцеров. Выпариваемый раствор, перегретый в греющей камере, поднимается по трубе вски­пания и по достижении давления, соответст­вующего температуре насыщения, вскипает. Образующаяся парожидкостная смесь вместе с выделившимися кристаллами соли выбрасыва­ется в сепаратор, в котором происходит отделе­ние паровой фазы. Кристаллы соли в виде пуль­пы попадают в солесборник и выводятся из аппарата через штуцер IV. Вместе с исходным раствором, поступающим в аппарат через со­лесборник, в аппарат уносятся мелкие кристал­лы, которые способствуют снижению инкру­стации. Уровень раствора в аппарате поддер­живается по верхней кромке трубы вскипания.

Насос обеспечивает скорость потока в греющих трубках 2...2,5 м/с. Греющий пар подается в межтрубное пространство аппарата, где конденсируется. Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, освобождается от капель раствора и выходит из аппарата. Ап­парат рассчитан на непрерывную и периодиче­скую работу.

Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и выне­сенной зоной кипения аналогичен предыдущему аппарату.

Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией, вынесенными греющей камерой и зоной кипения (тип IV) имеет те же элементы. Конструкция греющей камеры 1 аналогична конструкции греющей камеры аппарата типа III (рис. 4.3.11). В верхней части сепаратора (не показан) расположен брызгоотделитель. Уро­вень раствора в аппарате должен поддержи­ваться по нижней образующей штуцера входа парожидкостной смеси в сепаратор.

Циркуляция раствора в аппарате осуще­ствляется осевым насосом, который обеспечи­вает скорость потока в трубах 2.. .2,5 м/с.

Выпариваемый раствор, поднимаясь по трубам, перегревается и по мере выхода из трубы вскипания в сепаратор закипает. Обра­зовавшаяся парожидкостная смесь направляет­ся тангенциально в сепаратор, где разделяется на жидкую и паровую фазы. Вторичный пар, проходя сепаратор и брызгоотделитель, осво­бождается от капель и выходит из аппарата через штуцер II.

Аппарат рассчитан на непрерывную ра­боту. Конструкция аппарата предусматривает возможность механической очистки внутрен­ней поверхности греющих трубок.

Пленочные и роторно-пленочные вы­парные аппараты. Прямоточные (пленочные) аппараты отличаются от аппаратов с естест­венной циркуляцией тем, что выпаривание в них происходит при однократном прохожде­нии выпариваемого раствора по трубам нагре­вательной камеры (без циркуляции раствора). Раствор выпаривается, перемещаясь в виде тонкой пленки по внутренней поверхности труб. В центральной части труб вдоль их оси движется вторичный пар, что приводит к рез­кому снижению температурных потерь, обу­словленных гидростатической депрессией. Различают прямоточные выпарные аппараты с поднимающейся и опускающейся пленкой [40].

Аппарат с поднимающейся пленкой со­стоит из нагревательной камеры /, представ­ляющей собой пучок труб небольшого диамет­ра (15... 25 мм) длиной 7...9 м, и сепаратора 2 (рис. 4.3.12).

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, поднимающейся 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 брызгоуловителя 4. В брызгоуловитель влажный пар поступает тангенциально и ему сообщается вращательное движение. Под дей-

Ствием центробежной силы капли жидкости отбрасываются к периферии, жидкость стекает вниз, а пар удаляется сверху из аппарата.

Аппараты с поднимающейся пленкой применяют для выпаривания маловязких рас­творов, в том числе пенящихся и чувствитель­ных к высоким температурам и не рекоменду­ются для выпаривания кристаллизующихся растворов ввиду возможности забивания труб кристаллами.

При выпаривании вязких, густых раство­ров работа аппаратов с поднимающейся плен­кой ухудшается из-за значительной неравно­мерности толщины пленки. В этом случае бо­лее целесообразно использовать аппараты с падающей пленкой (рис. 4.3.13), которые отли­чаются тем, что исходный раствор подается сверху и стекает в виде пленки под действием силы тяжести по трубам, а вторичный пар по­ступает в сепаратор, расположенный ниже нагревательной камеры. При стекании пленки сводится к минимуму опасность нарушения сплошности пленки и обнажения некоторой части поверхности нагрева. Для кристалли­зующихся растворов такие аппараты также непригодны.

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 очистка длинных труб малого диаметра затруднительна.

Конструкции пленочных аппаратов с под­нимающейся (восходящей) пленкой приведены в специальной литературе, в частности, в [41].

Роторно-пленочные выпарные аппараты (испарители) - универсальные аппараты, кото­рые нашли применение для процессов выпари­вания и дистилляции температуронеустойчи - вых (термолабильных) органических продук­тов большой вязкости в химической, нефтехи­мической, микробиологической и других от­раслях промышленности.

Одноступенчатый колонный роторный аппарат состоит из корпуса /, ротора 2, сепара­тора 3, верхнего и нижнего торцовых уплотне­ний, привода 5, опоры 6 и днища 7 (рис. 4.3.14).

В цилиндрическом корпусе / аппарата с секционной рубашкой для обогрева по высоте обеспечивается при необходимости различный температурный режим Верхняя часть корпуса служит сепаратором 3 для отделения брызг продукта, уносимых со вторичным паром. Верхний конец вала ротора 2 закреплен в под­шипниковом узле, который смонтирован на стойке привода 5, расположенной на крышке аппарата.

Шарнирно закрепленные лопатки при вращающемся роторе под действием центро­бежной силы прижимаются к поверхности теп­лообмена и распределяют по ней исходный продукт в виде тонкой пленки, стекающей вниз. При этом лопатки очищают поверхность теплообмена от различных отложений и за­грязнений. Для предотвращения износа лопа­ток на них предусмотрены упоры, ограничи­вающие максимальное удаление концов лопа­ток от оси корпуса.

Все фланцевые соединения в аппаратах с уплотнительной поверхности изготовлены по принципу шип - паз.

Промышленностью выпускаются аппара­ты с площадью поверхностью теплообмена 0,8. .24 м2

Выпарные установки с тепловым насо­сом. В выпарных аппаратах с тепловым насо­сом (или с термокомпрессией вторичного пара) вторичный пар сжимается до давления грею­щего пара и используется для обогрева того же аппарата, в котором он образуется. Для сжатия пара применяют компрессоры или пароструй­ные инжекторы. Таким образом, в тепловых насосах, или трансформаторах тепла, затрачи­ваемая извне энергия используется для повы­шения температуры вторичного пара.

В механических тепловых насосах пар сжимается с помощью турбокомпрессора; при малых производительностях применяют рота­ционные компрессоры.

На рис. 4.3.15 показана однокорпусная выпарная установка со сжатием всего вторич­ного пара в турбокомпрессоре 2. При пуске аппарата раствор подогревается свежим паром до кипения, после чего выпаривание произво­дится за счет работы, затрачиваемой в ком­прессоре (механическое выпаривание). При этом теоретически добавки свежего пара не

Рис. 4.3.16. Выпарная установка с пароструйным тепловым насосом:

1 - выпарной аппарат; 2 - инжектор

Требуется; на практике, в связи с расходом теплоты на подогрев раствора и потерями в окружающую среду, обычно добавляют немно­го пара со стороны.

В пароструйных тепловых насосах рабо­чий пар высокого давления расширяется в сопле инжектора 2 и засасывает вторичный пар давлением р\\ из инжектора выходит смесь

Паров при некотором среднем давлении pj (рис. 4.3.16). При применении пароструйного инжектора образуется избыток вторичного пара, который может быть использован для обогрева последующих корпусов многокор­пусной выпарной установки

Преимуществами пароструйных тепло­вых насосов по сравнению с механическими являются простота устройства, надежность в работе. Поэтому пароструйные насосы поль­зуются наибольшим распространением.

Дополнительное оборудование выпарных установок и методы их конструктивного и тех­нологического расчета приведены в специаль­ной и справочной литературе [35, 40, 50].