Конструкции выпарных аппаратов

Аппараты с паровым обогревом. Наибольшее распространение получили вертикальные выпарные аппараты с трубчатой поверхностью нагрева, которые хорошо компонуются и занимают меньшую площадь.

Во всех конструкциях выпарных аппаратов для облегчения очистки поверхности нагрева от накипеобразований пар поступает в межтрубное пространство, а раствор подогревается и кипит в трубках.

Выпарные аппараты с паровым обогревом можно разбить на три группы: с естественной циркуляцией раствора, с принудительной циркуляцией раствора и пленочные аппараты.

Аппараты с естественной циркуляцией раствора. Движущей силой естественной циркуляции раствора является разность весов столба жидкости в опускных трубах и парожидкостной эмульсии в подъемных за счет разницы плотностей ρ_ж и ρ_э. Движущий напор ∆р = Н(ρ_ж-ρ_э) расходуется на преодоление трения Σ∆р_тр, местных сопротивлений Σ∆р_м и на создание динамического напора потока , который определяет скорость циркуляции , т. е.:

. (6.1)

В конструкциях этих аппаратов с короткими трубками естественная циркуляция раствора создается за счет устройства в трубной доске одной центральной или нескольких опускных труб большого диаметра, чем диаметр трубок (рис. 6.1 с). В таких аппаратах не удавалось получить достаточные скорости циркуляции.

В современных конструкциях выпарных аппаратов с более длинными трубками (рис. 6.1 б и в) при наличии одной или нескольких не обогреваемых циркуляционных опускных труб при разности температур греющего пара и раствора 7 - 10 °С достигается достаточно высокая скорость и кратность циркуляции.

Кратностью циркуляции К называют отношение количества раствора G, кг/с, циркулирующего в контуре выпарного аппарата, к паропроизводительности аппарата W, кг/с:

. (6.2)

. (6.3)

где d - внутренний диаметр кипятильной трубки; n - число трубок; ω_ц - скорость циркуляции, м/с; ρ_р - плотность раствора, кг/м³.

В выпарных аппаратах с естественной циркуляцией кратность циркуляции равна 20 - 30.

Рисунок 6.1 - Вертикальные выпарные аппараты с естественной циркуляцией

а - с внутренней центральной опускной трубой; б - с выносной опускной трубой;
в - с выносным расположением сепаратора и опускной трубы; 1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - опускная (циркуляционная) труба; 4 - брызгоуловитель

При работе выпарного аппарата образующаяся в трубках парожидкостная эмульсия поступает в сепаратор, где происходит сепарация, - пар уходит в паропровод вторичного пара, а жидкость поступает в циркуляционную трубу и при непрерывной выпарке смешивается с раствором, поступающим на выпарку, и вновь поступает в греющие трубки.

Аппарат, представленный на рис. 6.1 в, применяется для упаривания растворов, не образующих осадков на греющей поверхности, а аппарат 6.1 б - для упаривания растворов, образующих осадок на греющей поверхности.

При выпарке кристаллизующихся растворов при осаждении кристаллов на теплопередающих трубках резко снижается производительность выпарного аппарата. На рис. 6.2 показан аппарат со сниженным (низко поставленным) кипятильником, в котором выпариваемую жидкость в циркуляционной трубе держат на высоком уровне (часто на уровне выхода эмульсии в сепаратор). Под влиянием столба жидкости в кипятильнике возрастает давление и жидкость не кипит, а перегревается; поэтому кристаллы из раствора в кипятильнике почти не выделяются. В сепараторе происходит вскипание жидкости за счет тепла перегрева ее и образование кристаллов, которые отводятся по опускной трубе через нижний патрубок в солеотделитель или фильтр и осаждаются там.

Рисунок 6.2 - Выпарной аппарат со сниженным расположением греющей камеры

1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - опускная труба; 4 - отбойный щиток;
5 - стабилизатор

Для устойчивой работы аппарата на выпускной трубе, подающей парожидкостную эмульсию в сепаратор, устанавливают стабилизатор (трубчатку из полых трубок).

Аппараты с принудительной циркуляцией раствора. Для выпарки вязких растворов, когда получается малая разность температур греющего пара и раствора (3 - 4°), получили применение аппараты, в которых циркуляция жидкости обеспечивается пропеллерным или центробежным насосом, перекачивающим раствор из сепараторов в греющую камеру (рис. 6.3).

Рисунок 6.3 - Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией растворов

а - с соосной греющей камерой; б - с выносной греющей камерой;

1 - греющая камера; 2 - сепаратор; 3 - опускная труба; 4 - сепарирующее устройство; 5 - осевой насос; 6 - центробежный насос

Количество прокачиваемого раствора при вынужденной циркуляции во много раз превышает количество испаряемой воды. Поэтому выходящая из кипятильных трубок парожидкостная эмульсия почти целиком состоит из жидкости. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части кипятильных трубок.

Пленочные аппараты.Для выпарки чистых некристаллизирующихся растворов и растворов, чувствительных к высоким температурам, получили применение пленочные выпарные аппараты.

Рисунок 6.4 - Выпарные аппараты пленочного типа с длинными трубками

а - с поднимающейся пленкой; б - с падающей пленкой; 1 - греющая камера;
2 - сепарирующее устройство; 3 - сепаратор; 4 - вторичный пар; 5 - упаренный раствор, 5- раствор; 7 - греющий пар.

На рисунке 6.4 а показан выпарной аппарат с поднимающейся пленкой (при кипении раствора в трубках). Кипятильные трубки заполняются раствором только на 1/4 - 1/5-ая их высоты. При достижении температуры кипения в растворе бурно образуются пузырьки пара, которые, двигаясь вверх, увлекают за собой раствор, распределяя его тонким слоем по внутренней поверхности трубки. Парожидкостная эмульсия из трубок поступает в центробежный сепаратор, где происходит отделение жидкости от пара.

В описываемом аппарате циркуляция раствора отсутствует, т. е. каждая частица раствора однократно омывает греющую поверхность.

Для густых чистых некристаллизирующихся растворов применяются аппараты с падающей пленкой (рис. 4-9 б). В некоторых аппаратах раствор поступает в нижнюю крышку, имеющую перегородку, и после подъема парожидкостной эмульсии в первой половине пучка кипятильных труб густой раствор под влиянием силы тяжести опускается по трубкам второй половины пучка к сепаратору, расположенному внизу.

Аппараты с погружным горением. В упариваемый раствор погружаются горелки с барботажными устройствами.

Для погружного горения могут применяться туннельные, диафрагмовые и циклонные горелки с трубчатыми, решетчатыми, тарельчатыми и эрлифтными барботерами, распределяющими продукты сгорания по объему выпариваемой жидкости.

Давление газа перед горелкой должно быть на несколько миллиметров водяного столба больше глубины погружения ее, так как необходимо учитывать гидравлическое сопротивление собственно горелки с барботажным устройством.

На рисунке 6.5 показана схема установки для погружного горения. Парогазовая смесь из аппарата уходит в конденсатор, где конденсируются пары растворителя, а газ удаляется в атмосферу или поступает в абсорбер. Удаление крепкого раствора из аппарата производят при помощи эрлифта.

Рисунок 6.5 - Схема выпарной установки с погружным горением газа

1 - газодувка с ресивером для газа; 2 - компрессор для воздуха с ресивером;
3 - выпарной аппарат; 4 - погружная горелка; 5 - эрлнфтное устройство;
6 - отстойник; 7 - шнековый питатель; 8 - центрифуга; 9 - ленточный транспортер готового концентрата; 10 - взрывная мембрана; 11 - конденсатор поверхностного типа; 12 - регулирующий вентиль для подачи раствора: 13 - расходный бачок;
14 - центробежный насос; 15 - бак для неконцентрированного раствора