2. Пристрій випарних апаратів
Однокорпусна випарна установка включає лише один випарний апарат (корпус). Розглянемо принципову схему одиночного безперервно діючого випарного апарата із природною циркуляцією розчину на прикладі апарата із внутрішньою центральною циркуляційною трубою (рис. 2).
Апарат складається з теплообмінного пристрою – нагрівальної (гріючої) камери 1 і сепаратора 2. Камера й сепаратор можуть бути об'єднані в одному апарату (див. рис. 2). Камера обігрівається звичайно водяною насиченою парою, що надходить у її міжтрубний простір. Конденсат відводять знизу камери.
Піднімаючись по трубах 3, що випарюється розчин нагрівається й кипить із утворенням вторинної пари. Відділення пари від рідини відбувається в сепараторі 2. Звільнений від бризів і крапель вторинна пара віддаляється з верхньої частини сепаратора.
Частина рідини опускається по циркуляційній трубі 4 під нижні трубні ґрати камери, що гріє. Внаслідок різниці густин розчину в трубі 4 і парорідинної емульсії в трубах 3 рідина циркулює по замкнутому контурі. Упарений (зконцентрований) розчин віддаляється через штуцер у днище апарата.
Якщо випарювання виробляється під вакуумом, то вторинна пара відсмоктується в конденсатор пар, з'єднаний з вакуум-насосом (на мал. 1 не показані).
Рис. 2. Схема пристрою одиночного (однокорпусного) випарного апарата:
1 - нагрівальна камера; 2 - сепаратор; 3 - кип'ятильні труби; 4 - циркуляційна труба.
Апарати з вільною циркуляцією розчину. Найпростішими апаратами цього типу є періодично діючі відкриті випарні чаші з паровими сорочками (для роботи при атмосферному тиску) і закриті казани із сорочками, що працюють під вакуумом.
У випарних апаратах із сорочками відбувається малоінтенсивна неупорядкована циркуляція розчину, що випарюється, внаслідок різниці густин більше нагрітих і менш нагрітих часток. Тому в апаратах із сорочками коефіцієнти теплопередачі низки.
Вертикальні апарати зі спрямованою природною циркуляцією. В апаратах цього типу випарювання здійснюється при багаторазовій природній циркуляції розчину. Вони володіють рядом переваг порівняно з апаратами інших конструкцій, завдяки чому одержали широке поширення в промисловості.
Основним достоїнством таких апаратів є поліпшення тепловіддачі до розчину при його багаторазовій організованій циркуляції в замкнутому контурі, що зменшує швидкість відкладення накипу на поверхні труб. Більшість цих апаратів компактні, займають невелику виробничу площу, зручні для огляду й ремонту.
Апарати із внутрішньою нагрівальною камерою й центральною циркуляційною трубою. У нижній частині вертикального корпуса 1 (рис. 3) перебуває нагрівальна камера 2, що складається із двох трубних ґрат, у яких закріплені, найчастіше розвальцьовані, кип'ятильні труби 3 (довжиною 2-4 м) і циркуляційна труба 4 великі діаметри, установлена по осі камери. У міжтрубний простір нагрівальної камери подається пара, що гріє.
Розчин надходить в апарат над верхніми трубними ґратами й опускається по циркуляційній трубі долілиць, потім піднімається по кип'ятильних трубах і на деякій відстані від їхнього нижнього краю скипає. Тому на більшій частині довжини труб відбувається рух нагору паро-рідинної суміші, вміст пари в якій зростає в міру її руху. Вторинна пара надходить у сепараційний (паровий) простір 5, де за допомогою бризкоуловлювача 6, що змінює напрямок руху парового потоку, від пари під дією інерційних сил відділяється віднесена їм волога. Після цього вторинна пара віддаляється через штуцер зверху апарата.
Упарений розчин віддаляється через нижній штуцер конічного днища апарата в якості проміжного або кінцевого продукту.
Як відзначалося, циркуляція розчину в апарату відбувається внаслідок різниці густин розчину в циркуляційній трубі й парорідинної суміші в кип'ятильних трубах. Виникнення достатньої різниці густин обумовлене тим, що поверхня теплообміну кожної кип'ятильної труби, що доводиться на одиниці об'єму розчину, що випарюється, значно більше, ніж у циркуляційної труби, тому що поверхня труби перебуває в лінійній залежності від її діаметра, а об'ємг рідини в трубі пропорційний квадрату її діаметра. Отже, паротворення в кип'ятильних трубах повинне протікати значно інтенсивніше, чим у циркуляційній трубі, а щільність розчину в них буде нижче, ніж у цій трубі. У результаті забезпечується природна циркуляція, що поліпшує теплопередачу й перешкоджає утворенню накипу на поверхні теплообміну.
2. Пристрій випарних апаратів
Однокорпусна випарна установка включає лише один випарний апарат (корпус). Розглянемо принципову схему одиночного безперервно діючого випарного апарата із природною циркуляцією розчину на прикладі апарата із внутрішньою центральною циркуляційною трубою (рис. 2).
Апарат складається з теплообмінного пристрою – нагрівальної (гріючої) камери 1 і сепаратора 2. Камера й сепаратор можуть бути об'єднані в одному апарату (див. рис. 2). Камера обігрівається звичайно водяною насиченою парою, що надходить у її міжтрубний простір. Конденсат відводять знизу камери.
Піднімаючись по трубах 3, що випарюється розчин нагрівається й кипить із утворенням вторинної пари. Відділення пари від рідини відбувається в сепараторі 2. Звільнений від бризів і крапель вторинна пара віддаляється з верхньої частини сепаратора.
Частина рідини опускається по циркуляційній трубі 4 під нижні трубні ґрати камери, що гріє. Внаслідок різниці густин розчину в трубі 4 і парорідинної емульсії в трубах 3 рідина циркулює по замкнутому контурі. Упарений (зконцентрований) розчин віддаляється через штуцер у днище апарата.
Якщо випарювання виробляється під вакуумом, то вторинна пара відсмоктується в конденсатор пар, з'єднаний з вакуум-насосом (на мал. 1 не показані).
Рис. 2. Схема пристрою одиночного (однокорпусного) випарного апарата:
1 - нагрівальна камера; 2 - сепаратор; 3 - кип'ятильні труби; 4 - циркуляційна труба.
Апарати з вільною циркуляцією розчину. Найпростішими апаратами цього типу є періодично діючі відкриті випарні чаші з паровими сорочками (для роботи при атмосферному тиску) і закриті казани із сорочками, що працюють під вакуумом.
У випарних апаратах із сорочками відбувається малоінтенсивна неупорядкована циркуляція розчину, що випарюється, внаслідок різниці густин більше нагрітих і менш нагрітих часток. Тому в апаратах із сорочками коефіцієнти теплопередачі низки.
Вертикальні апарати зі спрямованою природною циркуляцією. В апаратах цього типу випарювання здійснюється при багаторазовій природній циркуляції розчину. Вони володіють рядом переваг порівняно з апаратами інших конструкцій, завдяки чому одержали широке поширення в промисловості.
Основним достоїнством таких апаратів є поліпшення тепловіддачі до розчину при його багаторазовій організованій циркуляції в замкнутому контурі, що зменшує швидкість відкладення накипу на поверхні труб. Більшість цих апаратів компактні, займають невелику виробничу площу, зручні для огляду й ремонту.
Апарати із внутрішньою нагрівальною камерою й центральною циркуляційною трубою. У нижній частині вертикального корпуса 1 (рис. 3) перебуває нагрівальна камера 2, що складається із двох трубних ґрат, у яких закріплені, найчастіше розвальцьовані, кип'ятильні труби 3 (довжиною 2-4 м) і циркуляційна труба 4 великі діаметри, установлена по осі камери. У міжтрубний простір нагрівальної камери подається пара, що гріє.
Розчин надходить в апарат над верхніми трубними ґратами й опускається по циркуляційній трубі долілиць, потім піднімається по кип'ятильних трубах і на деякій відстані від їхнього нижнього краю скипає. Тому на більшій частині довжини труб відбувається рух нагору паро-рідинної суміші, вміст пари в якій зростає в міру її руху. Вторинна пара надходить у сепараційний (паровий) простір 5, де за допомогою бризкоуловлювача 6, що змінює напрямок руху парового потоку, від пари під дією інерційних сил відділяється віднесена їм волога. Після цього вторинна пара віддаляється через штуцер зверху апарата.
Упарений розчин віддаляється через нижній штуцер конічного днища апарата в якості проміжного або кінцевого продукту.
Як відзначалося, циркуляція розчину в апарату відбувається внаслідок різниці густин розчину в циркуляційній трубі й парорідинної суміші в кип'ятильних трубах. Виникнення достатньої різниці густин обумовлене тим, що поверхня теплообміну кожної кип'ятильної труби, що доводиться на одиниці об'єму розчину, що випарюється, значно більше, ніж у циркуляційної труби, тому що поверхня труби перебуває в лінійній залежності від її діаметра, а об'ємг рідини в трубі пропорційний квадрату її діаметра. Отже, паротворення в кип'ятильних трубах повинне протікати значно інтенсивніше, чим у циркуляційній трубі, а щільність розчину в них буде нижче, ніж у цій трубі. У результаті забезпечується природна циркуляція, що поліпшує теплопередачу й перешкоджає утворенню накипу на поверхні теплообміну.
 |  | |
| Рис. 3. Випарний апарат із внутрішньою нагрівальною камерою й центральною циркуляційною трубою: 1 - корпус; 2 - нагрівальна камера; 3 - кип'ятильні труби; 4 - циркуляційна труба; 5 - сепараційний (паровий) простір; 6 - бризкоуловлювач. | | Рис. 4. Випарний апарат з підвісною нагрівальною камерою: 1 - нагрівальна камера; 2 - корпус; 3 - парова труба; 4 - бризкоуловлювач: 5 - зливальні труби; 6 - перфорована труба для промивання. |
В апаратах цієї конструкції циркуляційна труба, як і кип'ятильні труби, обігрівається парою, що знижує різницю густин розчину й паро-рідинної суміші й може приводити до небажаного паротворення в самій циркуляційній трубі. Їхнім недоліком є також тверде кріплення кип'ятильних труб, що не допускає значної різниці теплових подовжень труб і корпуса апарата.
Апарати з підвісною нагрівальною камерою. В апарату такого типу (рис. 3) нагрівальна камера 1 має власну обичайку й вільно встановлена в нижній частині корпуса 2 апарату. Пара, що гріє, подається через трубу 3 і надходить у міжтрубний простір нагрівальної камери, знизу якого приділяється конденсат. Вступник на випарювання розчин опускається вниз по каналі кільцевого поперечного перерізу, утвореному стінками обичайки підвісної камери й стінками корпуса апарата. Розчин піднімається по кип'ятильних трубах, і, таким чином, випарювання відбувається при природній циркуляції розчину. Вторинна пара проходить бризкоуловлювач 4 і віддаляється зверху апарата. Відділена від вторинної пари рідина зливається по трубах 5. Для періодичного промивання апарата в нього підводить вода, що розподіляється за допомогою перфорованої труби 6.
У цьому апарату циркуляційний кільцевий канал має великий поперечний переріз і перебуває поза нагрівальною камерою, що впливає на циркуляцію розчину. Завдяки вільному підвісу нагрівальної камери усувається небезпека порушення щільності з'єднання кип'ятильних труб із трубними ґратами внаслідок різниці теплових подовжень труб і корпуса апарата. Підвісна нагрівальна камера може бути відносно легко демонтована й замінена нової. Однак це досягається за рахунок деякого ускладнення конструкції апарата; крім того, витрата металу на одиницю поверхні теплообміну для цих апаратів вище, ніж для апаратів із центральною циркуляційною трубою.
Інтенсивність циркуляції в апаратах з підвісною нагрівальною камерою (як і в апаратах із центральною циркуляційною трубою) недостатня для ефективного випарювання високов'язких і особливо, що кристалізуються розчинів, обробка яких приводить до частого й, тривалим зупинкам цих апаратів для очищення робочих поверхонь.
Апарати з виносними циркуляційними трубами. Природна циркуляція розчину може бути посилена, якщо розчин на опускній ділянці циркуляційного контуру буде краще прохолоджуватися. Цим збільшується швидкість природної циркуляції у випарних апаратах з виносними циркуляційними трубами (рис. 5). При розташуванні циркуляційних труб поза корпусом апарата діаметр нагрівальної камери 1 може бути зменшений у порівнянні з камерою апарата на рис. 2, а циркуляційні труби 2 компактно розміщені навколо нагрівальної камери. На рис. 4 показаний апарат з однієї виносною циркуляційною трубою, причому відцентровий бризкоуловлювач 3 для осушки вторинної пари також винесений за межі сепараційного (парового) простору 4 апарати.
Конструкції таких апаратів трохи більше складні, але в них досягається більше інтенсивна теплопередача й зменшується витрата металу на 1 м2 поверхні нагрівання в порівнянні з апаратами з підвісною нагрівальною камерою або центральною циркуляційною трубою.
Апарати з виносною нагрівальною камерою. При розміщенні нагрівальної камери поза корпусом апарата є можливість підвищити інтенсивність випарювання не тільки за рахунок збільшення різниці густин рідині й паро-рідинній суміші в циркуляційному контурі, але й за рахунок збільшення довжини кип'ятильних труб.
Апарат з виносною нагрівальною камерою (рис. 6) має кип'ятильні труби, довжина яких часто досягає 7 м. Він працює при більше інтенсивній природній циркуляції, обумовленої тим, що циркуляційна труба не обігрівається, а піднімальна й опускна ділянки циркуляційного контуру мають значну висоту.
Виносна нагрівальна камера 1 легко відділяється від корпуса апарата, що полегшує й прискорює її чищення й ремонт. Ревізію й ремонт нагрівальної камери можна робити без повної зупинки апарата (а лише при зниженні його продуктивності), якщо приєднати до його корпуса дві камери.
Вихідний розчин надходить під нижні трубні ґрати нагрівальної камери й, піднімаючись по кип'ятильних трубах, випарюється. Іноді подачу вихідного розчину роблять, як показано на малюнку, у циркуляційну трубу. Вторинна пара відділяється від рідини в сепараторі 2. Рідина опускається по циркуляційній трубі, що не обігрівається, 3, змішується з вихідним розчином, і цикл циркуляції повторюється знову. Вторинна пара, пройшовши бризкоуловлювач 4, віддаляється зверху сепаратора. Упарений розчин відбирається через бічний штуцер у конічному днищі сепаратора.
Швидкість циркуляції в апаратах з виносною нагрівальною камерою може досягати 1,5 м/сек, що дозволяє випарювати в них концентровані й розчини, що кристалізуються, не побоюючись занадто швидкого забруднення поверхні теплообміну. Завдяки універсальності, зручності експлуатації й гарній теплопередачі апарати такого типу одержали широке поширення.
 |  | |
| Рис. 5. Випарний апарат з виносною циркуляційною трубою: 1 - нагрівальна камера; 2 - циркуляційна труба; 3 - відцентровий бризкоуловлювач; 4 - сепараційний (паровий) простір. | | Рис. 6. Випарний апарат з виносною нагрівальною камерою: 1 - нагрівальна камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляційна труба, що не обігрівається; 4 - бризкоуловлювач. |
В апараті з винесеною зоною кипіння (рис. 7) розчин, що випарюється, надходить знизу в нагрівальну камеру 1 і, піднімаючись нагору по її трубах (довжиною 4—7 м), нагрівається, але, внаслідок гідростатичного тиску, у них не закипає. По виходу із труб перегрітий розчин надходить у загальну трубу, що розширюється догори, скипання 2, установлену над нагрівальною камерою в нижній частині сепаратора 3. Внаслідок значно більше низького гідростатичного тиску в цій трубі розчин скипає, і, таким чином, паротворення відбувається за межами поверхні нагрівання.
Циркулюючий розчин опускається по зовнішній трубі, що не обігрівається 4. Упарений розчин приділяється з кишені в нижній частині сепаратора 3. Вторинна пара, пройшовши відбійник 5 і бризкоуловлювач б, віддаляється зверху апарата, вихідний розчин надходить або в нижню частину апарата (під трубні ґрати нагрівальної камери), або зверху в циркуляційну трубу 4.
Внаслідок великої поверхні випару, що створюється в обсязі киплячого розчину, і часткового самовипару краплі, віднесених вторинний пором, значно знижується бризкоунос. Киплячий розчин не стикається з поверхнею теплообміну, що зменшує відкладення накипу.
Через значний перепад температур (до 30° С) між парою, що гріє, і розчином і малою втратою напору в зоні кипіння швидкість циркуляції в цих апаратах досягає значної величини.
Збільшення швидкості приводить до збільшення продуктивності й інтенсифікації теплообміну. Коефіцієнти теплопередачі в таких апаратах досягають 3000 Вт/(м2 · град) [2580 ккал / (м2 · год · град)]. Апарати з винесеною зоною кипіння можуть ефективно застосовуватися для випарювання розчинів, що кристалізуються, помірної в'язкості.
 | |
| Рис. 7. Випарний апарат з винесеною зоною кипіння: 1 - нагрівальна камера; 2 - труба скипання; 3 - сепаратор; 4 - циркуляційна труба, що не обігрівається; 5 - отбойник; 6 - брызгоуловитель. | |
Роторні прямоточні апарати. Для випарювання нестійких до підвищених температур грузлих і пастообразных розчинів застосовують роторні прямоточні апарати (рис. 8). Усередині циліндричного корпуса 1 апарата, постаченого паровими сорочками 2, обертається ротор 3, що складається з вертикального вала (розташованого по осі апарата) і шарнірно закріплених на ньому шкребків 4.
Розчин, що випарюється, надходить в апарат зверху, захоплюється обертовими шкребками, під дією відцентрової сили відкидається до стінок апарата й переміщається по їхній внутрішній поверхні у вигляді турбулентної плівки, що рухається. Поступово відбувається повне випарювання плівки, і на стінках апарата утвориться тонкий шар порошку або пасти, що знімається обертовими шкребками (зазор між зовнішньою крайкою шкребків і стінкою апарата становить менш 1 мм). Твердий або пастообразний продукт віддаляється через спеціальний секторний затвор із днища апарата (на рис. 8) не показаний).
У роторних прямоточних апаратах досягається інтенсивний теплообмін при невеликому віднесенні рідини вторинною парою. Разом з тим роторні апарати складні у виготовленні й відрізняються щодо високою вартістю експлуатації внаслідок наявності обертових частин (ротора). Є кілька різновидів роторних прямоточних випарних апаратів, у тому числі апарати з горизонтальним корпусом. Ці апарати описуються в спеціальній літературі.
Апарати із примусовою циркуляцією. Для того щоб усунути відкладення накипу в трубах, особливо при випарюванні розчинів, що кристалізуються, необхідні швидкості циркуляції не менш 2-2,5 м/сек, тобто більше тих швидкостей, при яких працюють апарати із природною циркуляцією. У принципі такі високі швидкості досяжні й в умовах природної циркуляції, але при цьому необхідні дуже більші корисні різниці температур (між парою, що гріє, і киплячим розчином).
 |  | |
| Рис. 8. Роторний прямоточний випарний апарат: 1 - корпус; 2 - парова сорочка; 3 - ротор; 4 - шкребки. | | Рис. 9. Випарний апарат із примусовою циркуляцією: 1 - нагрівальна камера; 2 - сепаратор; 3 - циркуляційна труба; 4 - циркуляційний насос. |
В апаратах із примусовою циркуляцією швидкість її визначається продуктивністю циркуляційного насоса й не залежить від висоти рівня рідини в трубах, а також від інтенсивності паротворення. Тому в апаратах із примусовою циркуляцією випарювання ефективно протікає при малих корисних різницях температур, що не перевищують 3—5 °С, і при значних в'язкостях розчинів.
Одна з конструкцій випарного апарата із примусовою циркуляцією показана на рис. 9. Апарат має виносну вертикальну нагрівальну камеру 1, сепаратор 2 і циркуляційну трубу, що не обігрівається, 3, у яку подається вихідний розчин. Циркуляція розчину виробляється насосом 4.
При великій швидкості руху розчину, що випарюється, кипіння його відбувається на короткій ділянці перед виходом з кип'ятильних труб. Таким чином, зона кипіння виявляється переміщеної в саму верхню частину нагрівальної камери. На більшій частини довжини труб рідина лише трохи перегрівається. Це пояснюється тим, що тиск унизу труби більше тиску в її верхнього краю на величину гідростатичного тиску стовпа рідини й гідравлічного опору труби.
Внаслідок високого рівня розчину в кип'ятильних трубах значна частина всього циркуляційного контуру заповнена рідиною, а паровміст суміші рідини й вторинної пари, що викидається із труб, невелико. У зв'язку із цим циркуляційний насос повинен перекачувати більші обсяги рідини (мати більшу продуктивність) при помірній витраті енергії, затрачуваної в основному на подолання гідравлічного опору труб. Швидкість її обмежена зростанням гідравлічного опору й відповідно витратою енергії на циркуляцію. Тому бажано вибирати оптимальну швидкість циркуляції, що встановлюють на основі техніко-економічних розрахунків.
Конструкція випарного апарата повинна задовольняти ряду загальних вимог, до числа яких ставляться: висока продуктивність і інтенсивність теплопередачі при можливо менших обсязі апарата й витраті металу на його виготовлення, простота пристрою, надійність в експлуатації, легкість очищення поверхні теплообміну, зручність огляду, ремонту й заміни окремих частин. Разом з тим вибір конструкції й матеріалу випарного апарата визначається в кожному конкретному випадку фізико-хімічними властивостями розчину, що випарюється, (в'язкість, температурна депресія, кристалізованість, термічна стійкість, хімічна агресивність і ін.).
Як вказувалося, високі коефіцієнти теплопередачі й більші продуктивності досягаються шляхом збільшення швидкості циркуляції розчину. Однак одночасно зростає витрата енергії на випарювання й зменшується корисна різниця температур, тому що при постійній температурі пари, що гріє, зі зростанням гідравлічного опору збільшується температура кипіння розчину. Суперечливий вплив цих факторів повинне враховуватися при техніко-економічному порівнянні апаратів і виборі оптимальної конструкції.
Нижче приводяться області переважного застосування випарних апаратів різних типів.
Для випарювання розчинів невеликої в'язкості, що не перевищує 8 · 10–3 н · сек/м2 (8 сПз), без утворення кристалів найчастіше використовуються вертикальні випарні апарати з багаторазовою природною циркуляцією. З них найбільш ефективні апарати з виносною нагрівальною камерою й з виносними циркуляційним трубами, що не обігріваються.
Випарювання розчинів, що не кристалізуються, великої в'язкості, що досягає
0,1 н · сек / м2 (100 сПз), роблять в апаратах із примусовою циркуляцією, рідше - у прямоточних апаратах з падаючою плівкою або в роторних прямоточних апаратах. У роторних прямоточних апаратах, як відзначалося, забезпечуються сприятливі умови для випарювання розчинів, чутливих до підвищених температур.
Апарати із примусовою циркуляцією широко застосовуються також для випарювання кристалізуючихся або грузлих розчинів. Подібні розчини можуть ефективно випарюватися й в апаратах з винесеною зоною кипіння, що працюють при природній циркуляції. Ці апарати при випарюванні розчинів, що кристалізуються, можуть конкурувати з випарними апаратами із примусовою циркуляцією.
Для сильно пінливих розчинів рекомендуються прямоточні апарати із плівкою, що піднімається.
1 2 3 4 5