Выпарные аппараты с естественной циркуляцией

Выпарные кожухотрубчатые аппараты с естественной циркуляцией относятся к наиболее распространенным выпарным аппаратам поверхностного типа. Это обусловлено тем, что по сравнению с аппаратами других типов (с той же площадью поверхности теплообмена) они значительно более дешевы в изготовлении, просты в обслуживании, и при этом во многих случаях обеспечивают высокие коэффициенты теплопередачи.

Конструктивно такие аппараты состоят из:

– кожухотрубчатой греющей камеры, в межтрубное пространство которой подается теплоноситель (как правило, водяной пар), а в трубах кипит продукт;

– сепаратора, где происходит отделение вторичного пара от жидкого продукта;

– циркуляционной трубы, соединяющей нижнюю часть сепаратора с нижней частью греющей камеры.

Естественная циркуляция выпариваемого продукта в таком аппарате осуществляется за счет разности плотностей парожидкостного потока в теплообменных трубах и жидкости в нижней части сепаратора и циркуляционной трубе.

Основные типы современных выпарных трубчатых аппаратов для химических производств, изготавливаемых в СНГ, приведены в каталоге [9]. Во многих литературных источниках, например в [2], так же как и в каталоге, приведены достаточно подробные описания аппаратов и даны их геометрические характеристики.

На рис. 4.12, а показана конструкция выпарного трубчатого аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой типа 1 исполнения 2 группы А. У аппаратов этого типа кипение выпариваемого раствора происходит в теплообменных трубах. У выпарного трубчатого аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой типа 1 исполнения 2 группы Б, представленного на рис. 4.12, б, зона кипения вынесена из греющей камеры в специальную трубу вскипания, соединяющую верхнюю часть греющей камеры с серединой сепаратора.

Аппараты этих конструкций обеспечивают достаточно легкий доступ к теплообменным трубам для их прочистки механическим способом при остановке.

Вследствие этого аппараты с вынесенной греющей камерой пригодны для выпаривания растворов, образующих на греющей поверхности осадок, удаляемый механическим способом. Осадок более интенсивно образуется при кипении, чем при течении жидкости, поэтому аппарат группы Б более предпочтителен, когда образование осадка может быть интенсивным. Эффект применения трубы вскипания достигается не всегда. Так, при выпаривании при давлениях выше атмосферного гидростатическая депрессия, создаваемая столбом парожидкостной смеси в трубе вскипания, незначительна и кипение в теплообменных трубах за счет нее не подавляется.

Рис. 4.12 Выпарные аппараты с естественной циркуляцией:
а) с вынесенной греющей камерой; б) с вынесенными греющей камерой и зоной кипения

Под вакуумом кипение в теплообменных трубах аппаратов группы Б надежно подавляется, и по этой причине аппараты группы Б работают под вакуумом более стабильно, чем аппараты группы А. В аппаратах группы А за счет кипения в трубах достигается более высокий коэффициент теплоотдачи со стороны выпариваемого продукта по сравнению с аппаратами группы Б.

На рис. 4.13 показана конструкция выпарного трубчатого аппарата с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой, вынесенной зоной кипения и солеотделителем типа 1 исполнения 3. Аппараты этого типа предназначены для выпаривания растворов, выделяющих кристаллы и образующих на греющей поверхности осадок, удаляемый при промывке. Солеотделитель, расположенный под нижней трубной решеткой греющей камеры, обеспечивает удаление кристаллического осадка из аппарата во время его работы. Механическая очистка греющих труб такого аппарата при остановке более затруднительна, чем аппаратов исполнения 2, из–за необходимости предварительного демонтажа сепаратора.

Рис. 4.13. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией,
соосной греющей камерой и солеотделителями

На рис. 4.14 показана конструкция широко распространенных ранее трубчатых аппаратов с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и центральной циркуляционной трубой.Такие аппараты предназначались для выпаривания некристаллизующихся растворов, не образующих накипь или с очень незначительным образованием накипи на греющих трубах, которая может быть удалена промывкой. К недостатку этих аппаратов можно отнести нагрев циркуляционной трубы, который замедляет циркуляцию. Из–за ограничений в применении таких аппаратов в настоящее время наблюдается тенденция к сокращению их использования.

Рис. 4.14. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и центральной циркуляционной трубой

На рис. 4.15 показана конструкция выпарного трубчатого аппарата с восходящей пленкой типа 3 исполнения 1. Аппарат предназначен для выпаривания пенящихся растворов, не выделяющих осадка. Пеногашение достигается за счет создания в теплообменных трубах аппарата устойчивого восходящего кольцевого двухфазного течения с высокими скоростями паровой фазы, что может быть достигнуто, например, при выпаривании под вакуумом. Особенности конструкции этого аппарата обеспечивают его работу в бесциркуляционном режиме, когда выпариваемый раствор подается под нижнюю трубную решетку и после прохождения через греющую камеру полностью удаляется из нижней части сепаратора. Аппарат этого типа относят к аппаратам объемного заполнения с естественной циркуляцией.

Рис. 4.15. Выпарной аппарат с восходящей пленкой

Испарители, представленные на рис. 4.12– 4.15, оснащены трубами с наружным диаметром 38 мм, и длиной 4–6 м и площадью поверхности теплообмена
от 10 до 630 и даже 800 м². Их сепараторы в своей верхней части оснащены брызгоотделителями циклонного типа.

В настоящее время нередко используются как выпарные аппараты различных устаревших конструкций, так и импортные.

К общим недостаткам кожухотрубчатых выпарных аппаратов с естественной циркуляцией можно отнести большой объем продукта, находящегося в аппарате, и, следовательно, большое время пребывания продукта в аппарате, а также неустойчивую работу таких аппаратов под вакуумом с небольшими остаточными давлениями. Считается, что при абсолютных давлениях в сепараторе менее 0,013 МПа использование таких аппаратов нецелесообразно. Высокая скорость паров, обусловленная их малой плотностью под вакуумом, приводит к нестабильности работы аппарата, а перепад давления по его высоте может превышать абсолютное давление в сепараторе в несколько раз, что снижает эффект от применения вакуума. Для снижения подобной гидростатической депрессии ранее практиковались аппараты с наклонным расположением труб, что в свою очередь ухудшало циркуляцию продукта и снижало коэффициент теплопередачи. Кроме того, применение выпарных аппаратов с естественной циркуляцией для выпаривания продуктов с повышенной вязкостью (выше 5–8 Па • с) нецелесообразно, поскольку при работе с такими продуктами коэффициент теплопередачи выпарных аппаратов с естественной циркуляцией сильно снижается.