Портнов В.В. Выпаривание. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

сокую скорость циркуляции, что, в свою очередь, приводит к

интенсификации процесса теплообмена и уменьшает опас-

ность инкрустации поверхности нагрева.

На рисунке 3 показан аппарат, в котором паровая каме-

ра и все приспособления для отделения вторичного пара от

раствора размещаются в кольцевом пространстве вокруг на-

гревательной камеры. Циркуляция раствора осуществляется с

помощью внешней циркуляционной трубы, на которой иногда

Рис. 3. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией

раствора и вынесенной опускной трубой

устанавливают задвижку для регулирования кратности цирку-

ляции.

Аппараты ВЦ приняты для серийного изготовления в

сахарной промышленности. В этой конструкции трубные дос-

ки устанавливаются с небольшим наклоном к горизонтали, что

обеспечивает быстрый и полный отвод конденсата с нижней

части межтрубного пространства и устранение коррозии ниж-

них концов кипятильных труб. Наклон верхней трубной доски

при наличии широких сливов для раствора и циркуляционных

труб большого диаметра обеспечивает низкий уровень паро-

жидкостной эмульсии над верхней трубной доской даже при

сравнительно большой скорости циркуляции.

Аппараты с выносной греющей камерой. При выпар-

ке кристаллизующихся растворов, выпадающие кристаллы

оседают на поверхности нагрева, прикипают к ней, образуя

прочную корку инкрустов. В некоторых случаях быстрота об-

разования инкрустов настолько велика, что аппараты прихо-

дится останавливать через каждые 6-8 часов работы. Очистка

поверхности нагрева зачастую связана с отделением греющей

камеры от аппарата. В этих случаях предпочтительно приме-

нение такой конструкции выпарного аппарата, в которой обес-

печивается быстрое и удобное отделение греющей камеры или

отдельных ее секций от остальных элементов конструкции.

К таким конструкциям относятся выпарные аппараты с

выносной греющей камерой и обратной циркуляционной тру-

бой (рис. 4). Обозначение подобных аппаратов - типа ВН. Вы-

сота греющих трубок в таких аппаратах составляет 5-7 м.

В аппаратах с выносной греющей камерой создается

достаточно интенсивная циркуляция раствора, так как цирку-

ляционная труба находится вне аппарата и не обогревается, а

высота столбов раствора, опускающегося вниз по циркуляци-

онной трубе, и эмульсии, поднимающейся вверх внутри грею-

щих трубок, довольно значительна. Значительная скорость

циркуляции раствора (до 1,5 м/сек) препятствует интенсивно-

му отложению соли на поверхности нагрева.

Имеются конструкции аналогичных аппаратов с выне-

сенными горизонтальными и наклонными, присоединенными

к одному аппарату несколькими греющими камерами. Подоб-

Рис. 4. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией

раствора и вынесенной греющей камерой

ные конструкции позволяют производить чистку отдельных

камер без полного останова всего выпарного аппарата.

Аппараты с вынесенной зоной кипения. Выпарка

кристаллизующихся растворов в аппаратах с естественной

циркуляцией связана с необходимостью периодической очист-

ки поверхности нагрева от образовавшихся инкрустов. Инкру-

стация наиболее интенсивно происходит в зоне кипения рас-

твора, а ограниченная (до 1,5 м/с) скорость циркуляции рас-

твора не всегда способна предотвратить этот процесс.

Одним из возможных способов борьбы с выпадением и

прилипанием отложений является вынесение зоны кипения за

пределы зоны нагрева раствора. На рисунке 3 над местом вы-

хода теплообменных труб установлен конический раструб-

стабилизатор. В результате статического давления столба

жидкости в нем зона кипения находится вне труб.

3.2.1.1.2. Пленочные выпарные аппараты

В технологии выпаривания часто встречаются раство-

ры, кипение которых сопровождается сильным пенообразова-

нием. Это явление негативно влияет на процесс: увеличивается

унос капель и кристаллов из раствора с вторичным паром, что

в свою очередь приводит к инкрустации греющих поверхно-

стей, где этот пар конденсируется.

Еще одна категория растворов – т.н. термолабильные,

т.е. растворы, не выдерживающие длительного нагрева в связи

с изменением химического состава.

Для концентрирования подобных растворов использу-

ются вертикальные выпарные аппараты, в которых раствор

однократно проходит через греющую камеру. Для достижения

требуемой величины упаривания в этих устройствах зачастую

поддерживается высокая располагаемая разность температур

(до нескольких десятков градусов). В зависимости от направ-

ления движения различают аппараты с «восходящей» или под-

нимающейся пленкой раствора и аппараты с опускающейся

(«падающей») пленкой.

Аппараты с «восходящей» пленкой. Прямоточный

аппарат с поднимающейся пленкой (рис.5) (типа Кестнер) со-

стоит из греющей камеры и парового пространства, распо-

ложенного над греющей камерой. Греющая камера представ-

ляет собой трубный лучок, в котором длина кипятильных тру-

бок составляет от 6 до 10 м. Подлежащий выпарке раствор по-

дается в нижнюю камеру, далее попадает в кипятильные труб-

ки, где подогревается до температуры кипения и выпаривает-

ся. Вследствие интенсивного кипения пузырьки пара, двигаясь

вверх по кипятильным трубкам со скоростью до 15-20 м/с, ув-

лекают за собой раствор. Над греющей камерой в паровом

пространстве аппарата установлен центробежный брызгоотде-

литель, который осуществляет первичное разделение паро-

жидкостной эмульсии на вторичный пар и раствор. Вторичная

сепарация пара достигается установкой цилиндрической пере-

городки в паровом пространстве.

Эффективность действия прямоточных выпарных аппа-

ратов с поднимающейся пленкой в значительной мере опреде-

ляется высотой «кажущегося» уровня раствора в нем, под ко-

торым понимают высоту столба холодного раствора, уравно-

вешивающего столб парожидкостной эмульсии в трубках ап-

парата при его работе.

Наилучшие показатели достигаются при работе в усло-

виях, когда кажущийся уровень поддерживается в пределах

20-25 % высоты кипятильных трубок. Снижение кажущегося

уровня ниже указанного значения приводит к оголению верх-

ней части кипятильных трубок, что вызывает снижение сред-

него коэффициента теплопередачи вследствие уменьшения

площади поверхности теплообмена. Оголение верха труб по-

вышает риск зарастания труб.

Увеличение кажущегося уровня выше 25 % приводит к

удлинению зоны подогрева раствора до температуры кипения.

В зоне подогрева раствора коэффициент теплопередачи обыч-

но бывает в несколько раз ниже, чем в зоне кипения, поэтому

Рис. 5. Пленочный выпарной аппарат с восходящей плен-

кой раствора и соосной греющей камерой

удлинение указанной зоны связано с уменьшением среднего

коэффициента теплопередачи для всего аппарата.

Вследствие значительной длины трубок продолжитель-

ность чистки пленочных аппаратов с внутренней камерой при

механическом способе очистки составляет до 50 ч. Для повы-

шения удобства чистки и ремонта греющей камеры ее могут

выполнять вынесенной (рис. 6).

Рис. 6. Пленочный выпарной аппарат с восходящей плен-

кой раствора и вынесенной греющей камерой

Аппараты с падающей пленкой. Недостатком аппара-

тов с поднимающейся пленкой является опасность срыва и вы-

сыхания пленки на отдельных участках кипятильных труб. В

целях исключения указанного недостатка при использовании

преимущества выпарки в тонком слое была предложена конст-

рукция аппарата с падающей пленкой (рис. 7). В этом аппарате

раствор подается на верхнюю трубную решетку, откуда в виде

Рис. 7. Пленочный выпарной аппарат с падающей пленкой

раствора

пленки стекает в нижнюю камеру по стенкам обогреваемых

труб. Раствор проходит по трубкам однократно, выпариваясь

при этом до заданной концентрации.

Эффективность работы этих аппаратов зависит от рав-

номерности омывания поверхности нагрева пленкой стекаю-

щего раствора. Оголение поверхности нагрева, вызванное па-

ровыми пробками или случайными отложениями твердых час-

тиц, в случае выпарки кристаллизующихся или вязких раство-

ров вызывает зарастание трубок инкрустами.

Одним из эффективных способов создания тонкой, но

устойчивой пленки жидкости на внутренней поверхности тру-

бок является применение специальных насадок вставляемых в

верхнюю часть трубок. Из каждой насадки струя жидкости за-

кручивается и направляется касательно к поверхности трубы,

тем самым обеспечивая распределение ее тонким слоем по

внутренней поверхности трубы. Как следствие путь движения

раствора по трубкам и время пребывания его в трубках значи-

тельно увеличиваются.

Длительность пребывания раствора в аппарате с опус-

кающейся пленкой примерно такая же, как и в аппарате с под-

нимающейся пленкой. Поэтому в аппаратах с опускающейся

пленкой можно выпаривать только некристаллизующиеся рас-

творы умеренной вязкости.

3.2.1.2.Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией

раствора

Одним из способов борьбы с инкрустацией при выпарке

кристаллизующихся растворов является создание высоких

скоростей раствора у греющей поверхности. В случае скоро-

сти раствора свыше 2 м/сек засоление греющих поверхностей

практически не происходит. Для достижения указанной скоро-

сти в аппаратах с естественной циркуляцией раствора необхо-

димо создать значительный перепад температур между грею-

щим теплоносителем и нагреваемым раствором.

Рис. 8. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией

раствора и соосной вертикальной греющей камерой