АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Конструкция выпарных аппаратов

Общие сведения. Число конструкций выпарных аппаратов очень велико. Впервые однокорпусный вакуум-выпарной аппарат с паровой рубашкой был применен в 1812 г. для выпаривания сахарных растворов. В 1829 г. было осуществлено многократное использование греющего, пара в многокорпусной выпарной установке.

Позднее нагревательные устройства в виде рубашек были заменены горизонтальными паровыми трубами (сундучные выпарные аппараты),

И, наконец, широкое распространение получили аппараты с вертикаль­ной трубчатой паровой камерой (вертикальные выпарные аппараты).

С целью интенсификации процесса были созданы пленочные выпарные аппараты, работающие по принципу «всползания» жидкостной пленки по внутренней поверхности труб, выпарные аппараты с вынос­ными кипятильниками и, наконец, высокопроизводительные

Аппараты с искусственной циркуляцией раствора.

Отличительными признаками вы­парных аппаратов различной конструк­ции являются: вид поверхности тепло­обмена (паровые рубашки, змеевики, трубы) и ее расположение (горизон­тальные, вертикальные и наклонные аппараты), циркуляция выпариваемого раствора. Выпарные аппараты рабо­тают с естественной и искусственной циркуляцией раствора или без цирку­ляции. По принципу работы различают периодически и непрерывно действую­щие выпарные аппараты.

Выпарные аппараты с паровыми рубашками и змеевиками. Простей­шими периодически действующими вы­парными аппаратами являются откры­тые выпарные чаши или закрытые кот­лы с рубашками; в котлы (чаши) за­гружается исходный раствор, а выпа­ренный раствор удаляется через шту­цер в дне аппарата.

Аппараты такого типа удобны для выпаривания растворов, из кото­рых выделяются твердые осадки, за­грязняющие поверхность нагрева, а также для выпаривания химически агрессивных веществ. Котлы с рубаш­ками часто покрывают внутри корро- зионностойкими материалами и снаб­жают скребущими мешалками.

Однако поверхность нагрева, а следовательно, производительность котлов и чаш с рубашками очень невелика.

Наиболее простым способом развития поверхности нагрева является установка паровых змеевиков внутри выпарного аппарата (рис. 293).

Змеевики выполняют из отдельных секций с самостоятельным под­водом греющего пара и отводом конденсата, так как у длинных змееви­ков вследствие накопления в них конденсата поверхность нагрева исполь­зуется не полностью. При выпаривании в периодически действующих аппаратах отдельные секции могут отключаться по мере понижения уровня раствора в аппарате.

Установка змеевиков в выпарных аппаратах целесообразна при выпаривании кислых жидкостей, разъедающих углеродистую сталь. Стенки аппарата защищают от действия выпариваемой жидкости, а змее­вик изготовляют из кислотостойких материалов.

Выпаривание растворов, кипящих при очень высоких температурах, производят в аппаратах со стальными змеевиками, залитыми в стенки.

Горизонтальные выпарные аппараты. В этих аппаратах греющий пар движется в горизонтальных трубах, а раствор находится и кипит в корпусе сундучной формы (рис. 294), имеющем большую поверхность испарения.

В горизонтальных аппаратах высота слоя раствора не превышает 0,5 м, т. е. в несколько раз меньше, чем в вертикальных. Поэтому темпе - . ратурные потери за счет гидростатического эффекта в горизонтальных аппаратах незначительны. Эти аппараты имеют больший объем паро­вого пространства, что позволяет концентриро­вать в них сильно пеня­щиеся растворы.

Однако в горизон­тальных аппаратах трудно проводить механическую очистку наружной поверх­ности труб, вследствие чего такие аппараты не применяются для выпари­вания кристаллизующих­ся растворов; кроме того, внутри горизонтальных труб накапливается слой рис 295. Выпарной аппарат с горизонтальной нагрева - конденсата, ухудшающий тельной камерой,

Теплопередачу. По кон­струкции горизонтальные аппараты более громоздки, чем вертикальные, поэтому для их изготовления требуется больше металла, а для уста­новки—больше производственной площади. По этим причинам гори­зонтальные аппараты не получили широкого распространения в химиче­ской промышленности.

Иногда применяют вертикальные выпарные аппараты, имеющие горизонтальную трубчатую нагревательную камеру (рис. 295).

Вертикальные выпарные аппараты с внутренней нагревательной камерой. В вертикальных аппаратах греющий пар поступает в межтруб­
ное пространство аппарата, выпариваемый же раствор циркулирует по трубам нагревательной камеры. Для усиления циркуляции в современных конструкциях таких аппаратов устанавливают в центре циркуляционную трубу большого диаметра для обратного стока жидкости в нижнюю часть аппарата.

Циркуляция происходит в аппарате вследствие разности веса столба жидкости в циркуляционной трубе и кипятильных трубах. Поверх -

Ность теплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объема выпариваемого раствора, значительно больше, чем в циркуляционной трубе, так как величина поверхности трубы за­висит линейно от ее диаметра и объем жидкости пропорционален квадрату диа­метра. Следовательно, парообразо­вание в кипятильных трубах будет проте­кать значительно интенсивнее и удельный вес раствора в них будет меньше, чем удельный вес раствора в центральной трубе. Вследствие этого усиливается есте­ственная циркуляция раствора, улуч­шается теплопередача и уменьшается образование накипи в кипятильных тру­бах аппарата.

Широко распространенный верти­кальный выпарной аппарат (рис. 296) состоит из вертикального стального кор­пуса /, снабженного внутренней верти­кальной нагревательной камерой 2 из цельнотянутых труб и центральной цир­куляционной трубой 3, и сепаратора 4 с отбойником для отделения влаги из вторич­ного пара. После отделения влаги вто­ричный пар направляется либо на обогрев следующего корпуса выпарной установки либо в конденсатор.

Выпарной аппарат этого типа отли­чается простотой конструкции, что позво­ляет легко производить его чистку и ре­монт. Такие аппараты применяют для выпаривания растворов большой вязкости (благодаря небольшой длине нагревательных труб) и растворов, отлагаю­щих накипь и осадки.

Вертикальные аппараты с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой (типа ВВ) по нормалям Главхиммаша имеют номинальную поверхность нагрева 25, 50, 100, 150, 250 и 350 м?\ они снабжены кипятильными тру­бами с наружным диаметром 38 и 57 мм, длиной до 4000 мм и циркуляционной трубой диаметром 194—550 мм. Объем сепаратора 0,5-г-5,7 ж3 (при Р=1 ата) и 0,7-J-Ll MS (при Р=0,14 ата).

В аппаратах большой производительности вместо одной циркуля­ционной трубы устанавливают несколько труб меньшего диаметра. Вну­тренняя циркуляционная труба обогревается снаружи паром, вследствие чего в ней всегда возникает поток парожидкостной эмульсии, направлен­ный вверх. Поток эмульсии тормозит движение вниз выпариваемого рас­твора. Для улучшения циркуляции вертикальные выпарные аппараты
изготовляют с наружной циркуляционной трубой (рис. 297). В этих аппа­ратах паровая камера 1 и брызгоуловитель 2 помещены в кольцевое пространство вокруг нагревательной камеры 3 с трубами длиной до 6000 мм.

Паровое пространство сообщается с нижней камерой 4 наружной циркуляционной трубой 5, по которой раствор, увлекаемый парами, воз­вращается в нижнюю часть аппарата.

Начальный раствор подается таким образом, чтобы трубки были

Наполнены жидкостью всего на ~

298 показан верти - выпарной аппарат с вну -

/«•паровая камера; 2—брызгоуловитель; 3—на­гревательная камера; 4—нижняя камера; 5—наружная циркуляционная труба.

1—корпус; 2—паровая труба; S—отбойник; 4—подвесная нагревательная камера; б—слив­ная труба.

Тренней подвесной нагревательной камерой. В этом аппарате обратный сток раствора из верхней части в нижнюю осуществляется не по цен­тральной трубе, а по каналу кольцевого сечения, образованному наруж­ными стенками подвесной камеры и стенками аппарата.

По оси корпуса 1 аппарата расположена паровая труба 2 для греющего пара. Аппарат отдельного сепаратора не имеет; брызги улавли­вают при помощи отбойника,? и сепаратора над ним, отделение влаги про­исходит при изменении направления движения вторичного пара Вслед­ствие того что труба, подводящая греющий пар, помещена внутри аппарата, создаются благоприятные условия для испарения капелек, увлекаемых вторичным паром. Кроме того, при центральном вводе греющего пара и

Устройстве подвесной нагревательной камеры 4 в аппарате создаются благо­приятные условия для интенсивной циркуляции раствора; вверх раствор поднимается по трубам, а вниз опускается по широкому кольцевому каналу между камерой и стенками аппарата.

Аппарат этой системы хорошо приспособлен для выпаривания кри­сталлизующихся растворов и широко применяется в химической про­мышленности, например, для выпаривания электролитических щелоков.

Его преимуществом перед вы -

Парным аппаратом, изображен­ным на рис. 296, является воз­можность удаления и замены на­гревательной камеры; однако при одинаковой поверхности нагрева он имеет большие габаритные размеры.

Аппараты с подвесной нагрева­тельной камерой обычно имеют поверх­ности нагрева 50, 75, 95, 150 м? и раз­меры труб 57,5/63,5 и 64/70 мм', длина труб 1300—1700 мм.

Выпарные аппараты с вы­носной нагревательной камерой. Размещение нагревательной ка­меры вне корпуса аппарата дает возможность уменьшить его вы­соту и повысить эффективность действия. Аппараты с выносной нагревательной камерой работают при интенсивной естественной циркуляции раствора, так как циркуляционная труба находится вне аппарата и не обогревается, а высота столбов раствора, опу­скающегося вниз, и эмульсии, поднимающейся вверх, довольно значительна. Аппараты с вынос­ной камерой (рис. 299) изгото­вляют также пленочного типа, с трубами высотой 7000 мм\ процесс выпаривания в них протекает в тонком слое жидкости. Вынос­ная камера легко доступна для чистки и ремонта, причем эти операции можно производить без остановки аппарата, присоединяя два (и более) попеременно работающих кипятильника к корпусу аппарата. В аппара­тах этой конструкции корпус выполняет также функции сепаратора.

Аппараты с выносной нагревательной камерой применяют для вы­паривания любых растворов, в том числе кристаллизующихся и пеня­щихся. Благодаря универсальности, компактности, удобству эксплуата­ции и хорошей теплопередаче выпарные аппараты с выносной камерой получили широкое распространение в химической промышленности.

Аппараты этого типа нормализованы Главхиммашем и выпускаются с номиналь­ной поверхностью нагрева 100, 150, 250, 350, 500, 700 и 900 ж2. Вертикальные одно - ходовые выпарные аппараты типа ВН имеют нагревательные трубы с наружным диа­метром 38 и 57 мм. Длина труб 3000-^7000 мм. Объем сепаратора 0,9-^6,9 м3 (при Р= 1 ата) и 2,7^-24.5 ms (при Р=0,14 ата).

Для того чтобы облегчить очистку трубок, выпарные аппараты изготовляют также с наклонно установленной выносной камерой и наружной циркуляционной трубой (рис. 300).

Крышка нижней коробки камеры аппарата закреплена на откид­ных болтах, а так как камера установлена наклонно, крышка может быть открыта для очистки трубок.

В аппаратах с горизонтальной выносной нагревательной камерой (рис. 301) выпаривают главным образом растворы, отлагающие накипь и осадки на стенках нагрев атель -

Ных трубок.

Корпус / аппарата из чугу­на установлен вертикально, а на­гревательная камера 2 из листо­вой стали расположена горизон­тально. Камера размещена на тележке и может быть отделена от аппарата для чистки и ремонта.

Выпарные аппараты с на­клонной выносной камерой при­меняют для выпаривания концен­трированных растворов электро­литических щелоков (аппарат устанавливают в этом случае за выпарным агрегатом с подвес­ными камерами) и для выпарива­ния растворов различных солей.

В аппарате, показанном на рис. 302, производится концентри­рование насыщенных растворов с выделением растворенных в них солей, т. е. проводится выпарива­ние с одновременной кристалли­зацией растворенных веществ. Ко­ническое днище аппарата имеет угол наклона больший угла есте­ственного откоса материала; ап­парат соединен со сборником или фильтром для кристаллов.

При непрерывном выпаривании выпарной аппарат работает с дву­мя фильтрами; в одном происходит фильтрация выпадающего из рас­твора осадка, а другой в это время разгружают от осадка. Фильтры рабо­тают поочередно.

Пленочные выпарные аппараты. В пленочных выпарных аппа­ратах достигается снижение гидростатического эффекта и, следовательно, повышение интенсивности выпаривания. Выпаривание происходит в тон­ком слое (пленке) раствора, поднимающегося с большой скоростью вверх по нагревательным трубам.

Стальной корпус аппарата (рис. 303) состоит из нижней части 5 и более широкой верхней части 1, в которой находится паровое про­странство. В нижней части имеется нагревательная камера 6, состоящая из цельнотянутых трубок диаметром до 50 мм и длиной -—7000 мм. Нагревательные трубки развальцованы в решетках 3. Раствор, подлежа­щий выпариванию, поступает в аппарат через два штуцера.

Сверху трубки нагревательной камеры сообщаются с расширенной частью корпуса, в которой непосредственно над трубами расположен
центробежный сепаратор 2 для отделения капель раствора от вторичного пара. Сепаратор состоит из стальных листов, изогнутых спирально, по форме лопаток турбинных колес. В верхней части корпуса имеются шту­церы для выхода упаренного раствора, штуцеры для выхода вторич­ного пара, лаз и предохранительный клапан. Скапливающиеся в нагре­вательной камере воздух и газы отводятся через трубку 4.

Греющий пар поступает в нагревательную камеру, а паровой кон­денсат удаляется через штуцер внизу. Так как трубки омы -

Ваются паром снизу только на очень не­большой высоте, при кипении раствора об­разуется значительное количество пузырьков вторичного пара, ко­торые, поднимаясь быстро по трубкам, увлекают за собой раствор. Выпариваемый раствор быстро поднимается по внутренней поверхности трубок в виде тонкой пленки или, как говорят, «всползает» по ним. Выходя из трубок с большой скоростью, пар увлекает за собой и не­которое количество выпаренного раствора в виде мельчайших капель. Для их отделения служит спиралевидный сепаратор; влажный пар, уда­ряясь снизу о поверхность спиралей сепаратора, приходит во вращатель­ное движение, вследствие чего развивается центробежная сила, отбра­сывающая капли жидкости к периферии. Жидкость (конденсат) собирается в нижней расширенной части корпуса и удаляется через штуцер.

Таким образом, в аппарате этой системы происходит интенсивное выпаривание раствора в тонком слое. Поверхность фазового контакта между жидкостью и паром значительна, но отсутствует циркуляция раствора, • так как раствор не стекает обратно на дно аппарата.

При однократном прохождении раствора по трубкам эффективность работы аппарата зависит от уровня раствора в нем, причем нормаль­но раствор заполняет трубки на их высоты.

Так как большая часть трубок наполнена паром, то гидростатиче­ское давление на дно практически отсутствует и температурные потери от гидростатического эффекта ни­чтожны, а благодаря большой ско­рости движения пленки жидкости (20 місек) усиливается теплопере­дача. Эти особенности выгодно от­личают аппараты пленочного типа от выпарных аппаратов, рассмотрен­ных выше.

Аппараты пленочного типа при­меняют для выпаривания густых и сильно пенящихся растворов, так как пузырьки пены хорошо разби­ваются при ударе о сепаратор. Од­нако они непригодны для выпа­ривания очень густых и кристал­лизующихся растворов.

Для выпаривания очень густых растворов применяют двухходовые пленочные аппараты с опуска­ющейся пленкой; раствор в них поднимается по части труб вверх, а затем вместе со вторичным паром опускается по трубам второго хода вниз в сепаратор.

Аппараты пленочного типа имеют поверхность нагрева от 100 до 800 мг.

Выпарные аппараты с прину­дительной циркуляцией. В современ­ных крупных химических производ­ствах приходится выпаривать очень большие количества воды, для чего требуются выпарные установки с по­верхностью нагрева, достигающей иногда 10 000 м?

Для таких крупных установок применяют выпарные аппараты ин­тенсивного действия и высокой про­изводительности — выпарные аппа­раты с принудительной циркуляцией; раствор перемещается при помо­щи насосов, помещенных снаружи или внутри аппарата.

На рис. 304 изображен выпарной аппарат с принудительной цирку­ляцией, сконструированный для выпаривания электролитического щелока. Вертикальная трубчатая нагревательная камера 1 аппарата состоит из

Труб диаметром 20 мм и длиной 3—4 м. Трубчатка на-|--------------------- своей длины

Входит в паровую камеру 2. Жидкость нагнетается циркуляционным на­сосом 3 и проходит через трубчатку снизу вверх. Свежий раствор
подается в нижнюю часть трубчатки. Упаренный раствор отбирается из нижней части конусообразного дна сепаратора.

Парообразование происходит только на небольшом участке верх­ней части труб. Так как количество жидкости, перекачиваемой насосом, во много раз больше количества испаряемой воды, то выходящая из труб

Паро-водяная смесь состоит (по весу) почти целиком из жидкости. Выходя из трубчатки, струя жидкости ударяет­ся об отбойник 4, который отбрасы­вает ее в нижнюю часть сепаратора, вследствие чего достигается хорошее отделение пара от жидкости.

Из нижней части сепаратора жидкость снова подается насосом на циркуляцию. Уровень жидкости в ап­парате поддерживается на 200—300 мм ниже верхнего края трубчатки. По­ступающий в аппарат пар направляется

Вторичный F Nop

З

Греющий пар

Яагревательую камеру 2, затем по трубопроводу 3 выбрасывается в сепа­ратор 4. Таким образом, над греющими трубами находится столб жидкости, благодаря чему кипение жидкости в них не происходит. Ниж­няя часть сепаратора служит солеотстойником. Суспендированные в жидкости кристаллы оседают в нижней части конического днища 5, откуда периодически спускаются в нутч-фильтр 6.

Образующиеся в аппарате кристаллы значительно мельче полу­чающихся при выпаривании с естественной циркуляцией. Для того чтобы мелкие кристаллы могли оседать в вязком насыщенном растворе, необходи­мо, чтобы скорость движения жидкости в солеотстойнике была небольшой.

В аппаратах с принудительной цирку­ляцией выпаривается большое количество жидкости, поэтому сепаратор-солеотстойник имеет относительно большие размеры.

В выпарном аппарате с подвесной Растбор h нагревательной камерой (рис. 306) цирку­ляция осуществляется при помощи про­пеллерного насоса 1, помещенного внутри аппарата, над нагревательной трубчатой камерой 2. Движение раствора в нагрева­тельных трубах происходит сверху вниз. Для создания равномерного потока жидко­сти и уменьшения гидравлических сопро­тивлений, над пропеллерным насосом поме­щена направляющая перегородка 3, а под нагревательной камерой — направляющая перегородка 4.

В аппаратах с принудительной цир­куляцией жидкость перекачивается через нагревательные трубы с большой скоро­стью. Поднимаясь в трубах, жидкость на­гревается; так как она находится под боль­шим давлением, чем давление в паровом пространстве аппарата, то она нагревается выше температуры кипения. Величина пе­регрева жидкости зависит от общего тем­пературного перепада и скорости протека­ния жидкости в нагревательных трубах.

При скоростях, обычно применяемых в выпарных аппаратах, с искусственной

Циркуляцией (—2 місек), уровень кипения находится у верхнего края трубок, причем чем выше скорость циркуляции, тем выше уровень кипения жидкости. Практически принимают скорость циркуляции от 1,5 до 3,5 м/сек. Применение циркуляции со скоростью менее 1 м/сек нецелесообразно, потому что в этом случае уровень кипения жидкости в трубках располагается низко и выпаривание с принудительной цирку­ляцией приближается к выпариванию с естественной циркуляцией. Цир­куляция с очень большой скоростью также не эффективна, так при скоро­стях более 4 м/сек коэффициент теплопередачи не возрастает. Если вы­париваемый раствор отлагает на трубках накипь или образует кристаллы, то скорость должна быть не ниже 2,5 м/сек.

Коэффициент теплопередачи от пара к кипящему раствору в аппа­ратах с принудительной циркуляцией можно вычислить по общим фор­мулам для жидкостей, протекающих по трубам.

Однако для данного частного случая можно также рекомендовать формулу

1,08

K=12500(, + V5)^r (2-237)

Где /(—^коэффициент теплопередачи в ккал/м2-час-°С; d—средний диаметр трубы в м; w—скорость протекания жидкости в трубах в м! сек\ I—длина трубы в м\ {х—вязкость жидкости в сантипуазах; М—разность температур пара и жидкости в °С. Формула выведена на основе опытов по выпариванию воды в тру­бах с внутренним диаметром 10—21 мм и длиной 2400-^-3600 мм.

Проверка показала, что для разных растворов результаты рас­четов согласуются с экспериментальными данными с точностью +20%.

Выпарные аппараты с тепловым насосом. На рис. 307 изображен выпарной аппарат с выносным сепаратором и пароструйным эжектором (тепл ов ым насосом).

Подлежащий выпариванию раствор поступает через штуцер под трубную решетку корпуса 1 аппарата и равномерно поднимается по труб­кам, обогреваемым снаружи паром. Раствор быстро вскипает, поэтому уже в средней части трубок жидкость не заполняет всего их сечения, а увлекается потоком вторичного пара вверх в виде капелек, покрываю­щих внутреннюю поверхность стенок трубок. По выходе из трубок капли жидкости уносятся вторичным паром в сепаратор (брызгоуловитель) 2.

Здесь под действием центробежной силы жидкость отделяется от пара. Часть жидкости по трубопроводу 4 возвращается в аппарат, а остальная часть выходит и поступает в следующий корпус выпарной установки. Вторичный пар проходит по центральной трубе сепаратора и частично засасывается пароструйным эжектором 3, а частично уходит на обогрев следующего корпуса.

В аппарате этой конструкции происходит интенсивное выпари­вание раствора, так как выпаривание протекает на значительной части каждой трубки в тонком слое, капли жидкости из трубок сразу увлекаются в сепаратор и над трубками не образуется слоя жидкости; кроме того, в сепараторе центробежного действия хорошо разделяются жидкость и пар.

Использование вторичного пара в эжекторе для обогрева выпарного аппарата повышает экономичность процесса.