Выбор конструкции выпарного аппарата.

Если по заданию требуется выбрать конструкцию аппарата для выпарной установки, тоследует руководствоваться нормалями на них, в которых приводятся типы, области применения,значения поверхности теплопередачи и, соответствующие им, основные размеры выпарных аппаратов, выпускаемых машиностроительными заводами [4,5].

При выборе выпарного аппарата учитывают свойства выпариваемого раствора: вязкость, возможность кристаллизации, агрессивность, пенообразование, наличие достаточного температурного перепада.

Преимущественное распространение в промышленности получили поверхностные выпарные аппараты с трубчатыми греющими камерами, у которых греющий пар направляется в межтрубное пространство греющей камеры, а выпариваемый раствор в трубное (таблица Таблица 1.1).

Таблица 1.1 – Основные типы поверхностных выпарных аппаратов

Тип аппарата	Исполнение	Наименование аппарата	Рекомендуемая область применения
I	1	Аппараты выпарные с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой и кипением раствора в трубах	Для выпаривания растворов, не образующих осадка на поверхности нагрева
	2	Аппараты выпарные с естественной циркуляцией, соосной греющей камерой, вынесенной зоной кипения и солеотделением	Для выпаривания растворов, выделяющих кристаллы и образующих на поверхности нагрева растворимый осадок, удаляемый при промывке
II	1	Аппараты выпарные с естественной циркуляцией, вынесенной греющей камерой и кипением раствора в трубах	Для выпаривания пенящихся растворов, с незначительным образованием нерастворимого осадка на поверхности нагрева, удаляемого механическим способом
	2	Аппараты выпарные с естественной циркуляцией, вынесенной греющей камерой и зоной кипения	Для выпаривания растворов, образующих на поверхности нагрева осадок, удаляемый механическим способом
III	1	Аппараты выпарные с принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и вынесенной зоной кипения	Для выпаривания вязких растворов и растворов, образующих на поверхности нагрева незначительный труднорастворимый осадок, удаляемый механическим способом и промывкой
	2	Аппараты выпарные с принудительной циркуляцией, соосной греющей камерой и солеотделением	Для выпаривания растворов, выделяющих кристаллы и образующих на поверхности нагрева осадок, удаляемый при промывке
IV	-	Аппараты выпарные с принудительной циркуляцией, вынесенными греющей камерой и зоной кипения	Для выпаривания растворов, образующих на поверхности нагрева труднорастворимый осадок, удаляемый механическим способом
V	-	Аппараты выпарные пленочные с восходящей пленкой и соосной греющей камерой	Для выпаривания пенящихся или термонестойких растворов, не образующих осадка на поверхности нагрева

Основными достоинствами этих аппаратов являются: высокая скорость процесса передачи тепла и степень чистоты целевого продукта, возможность многократного использования теплоты вторичного пара и создания аппаратов большой единичной мощности, легкость удаления отложений с поверхности кипятильных труб. В большинстве аппаратов этих конструкций организуют многократную циркуляцию раствора – естественную и принудительную. Различают выпарные аппараты с многократной циркуляцией раствора и однократной – так называемые однопроходные, или пленочные.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией делятся на аппараты с соосной и вынесенной греющими камерами, с кипением раствора в трубах греющей камеры (кипятильных трубах) и с кипением раствора вне кипятильных труб в зоне кипения. Принципиальная схема поверхностного выпарного аппарата на примере конструкции с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Выпарной аппарат с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой:

1 – греющая камера; 2 – кипятильные трубы; 3 – циркуляционная труба; 4 – трубная решетка; 5 – сепаратор; 6 - брызгоотделитель

Выпарной аппарат состоит из сепаратора, греющей камеры и циркуляционной трубы. Сепаратор представляет собой цилиндрическую емкость с эллиптической крышкой, присоединенную с помощью болтов к греющей камере. В сепараторе для отделения капелек жидкости от вторичного пара устанавливают брызгоотделители различной конструкции. Греющая камера выполнена в виде вертикального кожухотрубчатого теплообменника, в межтрубное пространство которого поступает греющий пар, а в греющих трубках кипит раствор. Нижние части сепаратора и греющей камеры соединены циркуляционной трубой.

Естественная циркуляция возникает в замкнутой системе, состоящей из необогреваемой циркуляционной трубы и кипятильных труб. Если жидкость в кипятильных трубах нагрета до кипения, то при подводе теплоты к ней часть жидкости испаряется и в этих трубах образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самой жидкости. В результате этого давление, создаваемое столбом жидкости в циркуляционной трубе, будет превышать давление, создаваемое столбом парожидкостной смеси в кипятильных трубах, что приведет к упорядоченному движению раствора по пути циркуляционная труба –кипятильные трубы –сепаратор. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и замедляется процесс образования накипи на внутренней поверхности труб.

Для естественной циркуляции требуются два условия: 1) достаточная высота уровня жидкости в циркуляционной трубе, чтобы уравновесить столб парожидкостной смеси и придать этой смеси необходимую скорость; 2) достаточная интенсивность парообразования в кипятильных трубах, чтобы парожидкостная смесь имела малую плотность.

При небольшом уровне жидкости в циркуляционной трубе парожидкостная смесь не может подняться до верха кипятильных труб. При этом не происходит циркуляции, и работа аппарата сопровождается резким снижением производительности и быстрым отложением накипи на поверхности труб.

С повышением уровня жидкости в циркуляционной трубе возрастает скорость циркуляции, увеличивается коэффициент теплоотдачи и, соответственно, теплопередачи.

Однако повышение коэффициента теплопередачи происходит с повышением уровня лишь до некоторой определенной величины (оптимальный уровень), соответствующей покрытию кипятильных труб по всей их высоте парожидкостной смесью. При дальнейшем повышении уровня коэффициент теплопередачи несколько снижается, так как вследствие возрастания давления внизу кипятильных труб жидкость начинает кипеть не в нижней их части, а несколько выше.

Парообразование в кипятильных трубах определяется физическими свойствами раствора (главным образом вязкостью) и разностью температур между стенкой трубы и жидкостью – движущей силой процесса теплоотдачи со стороны раствора. Чем ниже вязкость раствора и чем больше разность температур, тем интенсивнее парообразование и больше скорость циркуляции. Для создания интенсивной циркуляции разность температур между греющим паром и раствором, называемая полезной разностью температур и являющаяся движущей силой процесса выпаривания, должна быть не ниже 10°.

Оптимальный уровень жидкости при соответствующих условиях процесса находится опытным путем. Если при выпаривании раствора не образуется кристаллов, оптимальный уровень обычно составляет 75-80% высоты кипятильных труб.

Для насыщенных растворов хорошо растворимых солей, не выпадающих при концентрировании в осадок и не образующих накипи (например, NaNO₂, NaNO₃, NH₄NO₃, КСl), применяют выпарные аппараты, в кипятильных трубах которых раствор не только нагревается, но и кипит (тип I и тип II, исполнения 1).

Если при выпаривании выпадают кристаллы (кристаллообразующие растворы), уровень жидкости поддерживают выше верха кипятильных труб.В этом случае давление раствора в кипятильных трубах повышается, и он не кипит, а лишь перегревается относительно температуры кипения при давлении в паровом пространстве. Раствор закипаетв пространстве выше кипятильных труб (вынесенная зона кипения),расположенном над греющей камерой. При отсутствии кипения в кипятильных трубах они не загрязняются накипью.

В аппаратах с вынесенной зоной кипения (тип I и тип II, исполнения 2)над греющей камерой установлена дополнительная подъемная труба (труба вскипания), которая обеспечивает высокую скорость естественной циркуляции. Кипение происходит в трубе (поскольку труба заполнена раствором, давление в греющих трубах выше, чем давление насыщенного вторичного пара). Эти аппараты предназначены для растворов плохо растворимых веществ, которые при концентрировании выпадают в осадок и образуют на поверхности нагрева значительный слой накипи (NaCl, Na₂CO₃, CaCO₃ и др.), а также при опреснении морской воды.

Аппараты с естественной циркуляцией применяют для маловязких растворов. Основныехарактеристики: скорость циркуляции раствора обычно не более 0,6-1,5 м/с, поверхность нагрева до 1000м², коэффициент теплопередачи 1,2-1,8 кВт/( ·К), продолжительность работы между промывкой или механической очисткой 3-4 суток. Достоинство – отсутствие расхода электроэнергии; недостаток –зависимость интенсивности выпаривания от тепловой нагрузки, которая снижается при загрязнении поверхности нагрева.Выпарные аппараты с естественной циркуляцией характеризуются простотой конструкции и легкодоступны для ремонта и очистки.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора (тип III исполнение 1 и 2, тип IV) позволяют повысить интенсивность циркуляции раствора и коэффициент теплопередачи.Циркуляция жидкости в них производится осевым насосом. Свежий раствор подается в нижнюю часть греющей камеры, а упаренный раствор отводится из нижней части сепаратора. Обычно аппараты с принудительной циркуляцией имеют вынесенную зону кипения и уровень жидкости в них поддерживается по верху трубы вскипания. Поскольку вся циркуляционная система почти полностью заполнена жидкостью, работа насоса затрачивается лишь на преодоление гидравлических сопротивлений.

Давление в нижнем сечении кипятильных труб больше, чем в верхнем, на величину давления столба жидкости в трубах плюс их гидравлическое сопротивление. Из-за этого на большей части высоты кипятильных труб жидкость не кипит, а перегревается. Закипание происходит только на небольшом участке верхней части трубы. Количество перекачиваемой насосом жидкости во много раз превышает количество испаряемой воды, поэтому отношение массы жидкости к массе пара в парожидкостной смеси, выходящей из кипятильных труб, очень велико.

Скорость жидкости в кипятильных трубах определяется только производительностью циркуляционного насоса и не зависит от уровня жидкости в циркуляционной трубе и интенсивности парообразования. Поэтому аппараты с принудительной циркуляцией пригодны при работе с малыми полезными разностями температур и при выпаривании растворов с большой вязкостью.

Основные характеристики: вязкость растворов до 1 Па⋅с, скорость циркуляции раствора 2,0÷2,5 м/с, поверхность нагрева до 1000м², коэффициент теплопередачи до 3 кВт/(м²·К), продолжительность работы между промывкой или механической очисткой до 30 суток. Важное достоинство – независимость интенсивности выпаривания раствора от тепловой нагрузки. Недостатки: необходимость использования насосов, затратыэлектроэнергии на циркуляцию раствора.Применение принудительной циркуляциицелесообразно при изготовлении аппарата из дорогого металла для выпаривания кристаллизующихся и вязких растворов.

Пленочные выпарные аппараты (тип 5) применяют для сильно пенящихся и термочувствительных продуктов, например, в производстве дрожжей, ферментов, антибиотиков, фруктовых соков, растворимого кофе. Концентрирование происходит в результате однократного движения тонкого слоя (пленки) раствора вместе с вторичным паром вдоль труб длиной 5-9 м (поверхность нагрева до 2500 м²).

 Различают: аппараты с прямоточным восходящим движением раствора за счет силы трения на границе между жидкостью и паром, который движется снизувверх с достаточно большой скоростью и снисходящим движением жидкости, свободно стекающей по поверхности нагрева. Достоинства пленочных аппаратов: отсутствие гидростатической депрессии, малое гидравлическое сопротивление, высокий коэффициент теплопередачи (до 2500 Вт/м⋅К), большая производительность при относительно небольших объемах аппаратов и занимаемой площади, малая продолжительность контакта раствора с поверхностью теплообмена. Недостатки: чувствительность к неравномерности подачи исходного раствора, трудоемкость очистки поверхности нагрева.

Греющие камеры выпарных аппаратов представляют собой пучок цельнотянутых труб, развальцованных в двух трубных решетках [6]. Расположение труб в пучках шахматное (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Расположение труб в трубных решетках греющей камеры

Используемые размеры труб и межосевой шаг показаны в таблицеТаблица 1.2

Таблица 1.2 – Параметры трубных пучков

Материал труб и трубных решеток, как и остальных элементов выпарных аппаратов, выбирают по условиям химической стойкости в среде выпариваемого раствора. В большинстве случаев применяют трубы из углеродистой стали, для выпариваниякоррозионно-активных растворов применяют легированные стали, главным образом хромоникелевые. При выборе материала следует исходить из обеспечения необходимого срока службы аппарата, обычно 10-12 лет. При одинаковой коррозионной стойкостипредпочтение следует отдавать менее дорогому материалу, содержащему меньше таких элементов, как никель, хром, ванадий, молибден и т.п. Выбор материала, устойчивого кдействию среды в аппарате, производится по справочникам, содержащим соответствующие рекомендации[7].

Толщина стенки обечаек аппаратов может быть принята из таблицыТаблица 1.3.

Таблица 1.3 – Минимальная толщина стенки обечаек аппаратов

Указанные толщины стенок при возможности коррозии увеличивают на коррозионную прибавку,которая при правильном выборе материала может быть принята равной 0,1 мм/год.

В греющих камерах выпарных аппаратов за счет высоких значений разности температур, например, корпус – кипятильная труба, возникают температурные напряжения. Нарушается прочность конструкций в местах развальцовки труб, появляются дополнительные нагрузки на корпусе греющей камеры. Наиболее часто для предотвращения этого явления используют линзовые компенсаторы. В выпарных аппаратах с вынесенными греющими камерами или выносной циркуляционной трубой линзовые компенсаторыустанавливают, как на корпусе греющей камеры, так и на циркуляционной трубе.

Греющую камеру снабжают штуцерами для подвода пара, отвода конденсата и неконденсирующихся газов. Для подачи пара в центр трубного пучка греющей камеры целесообразно устройство каналов в межтрубном пространстве путем разрядки труб в местах подачи греющего пара. Для предотвращения прямого удара струи пара о теплообменные трубы и уменьшения эрозии этих труб против парового патрубка устанавливают различные отбойные устройства.

Штуцер для отвода конденсата из греющей камеры необходимо располагать как можно ближе к нижней трубной решетке. Для контроля за отводом конденсата некоторые камеры снабжены уровнемерами.

Неконденсирующиеся газы могут быть как тяжелее (воздух, СО₂), так и легче (NH₃) греющего пара, поэтому они могут скапливаться в различных местах греющей камеры. Рекомендуется устанавливать два-три газоотводящих штуцера по высоте греющей камеры.

В выпарных аппаратах устанавливают люки для осмотра, ремонта и чистки. Аппараты снабжают штуцерами для подачи исходного раствора, вывода упаренного раствора, вывода вторичного пара, ввода греющего пара, вывода конденсата греющего пара. Кроме основных штуцеров аппараты оборудуются штуцерами для установки устройств замера давления и температуры, для отбора проб, для измерения уровня и т.п. Для наблюдения за процессом на поверхности аппарата оборудуют смотровые окна. На поверхности сепаратора смотровые окна располагают либо на просвет, либо вертикально (не менее двух) для подсветки внутреннего пространства. Для очистки внутренней поверхности смотровых окон предусмотрены омыватели.

Ослабление стенок, крышек и днищ выпарных аппаратов вследствие вырезов для оборудования люков, штуцеров и пр. бывает достаточно велико и должно быть компенсировано соответствующим их укреплением. Наиболее часто для этого используют усиливающее кольцо, которое должно быть расположено по возможности ближе котверстию и иметь сечение равновеликое сечению выреза. Толщину усиливающего кольца рекомендуется принимать равной толщине стенки аппарата. Диаметр неукрепляемого отверстия не должен превышать 0,6 диаметра обечайки, причем его абсолютная величина не должна превышать 200 мм. Следует иметь в виду, что предельный диаметр отверстия ( ) из-за условий прочности обечаек зависит от их диаметра ( ). Связь между ними представлена в таблице Таблица 1.4.

Таблица 1.4 – Предельные диаметры отверстий в обечайках аппаратов

, мм	500	600	(700)	800	(900)	1000	(1100)	1200	1300	≥1400 (до 3000)
, мм	200	250	300	350	400	450	500	500	500	500

В аппаратах с сильной коррозионной средой укрепляются все отверстия с диаметром более 50 мм. Неукрепленные отверстия не должны располагаться на сварных швах, а расстояние между центрами этих отверстий не должно быть меньше суммы их диаметров.

Большое значение для эффективной работы выпарных аппаратов имеет происходящее в его паровом пространстве, или сепараторе. Основное назначение сепаратора выпарного аппарата заключается в отделении вторичного пара от выпариваемого раствора. Объем этого пространства определяют исходя из условий обеспечения полного отделения вторичного пара от уносимых им капелек выпариваемого раствора во избежание потерь раствора, а также инкрустации поверхности нагрева последующего корпуса и загрязнения его конденсата. Унос происходит в результате попадания капель выпариваемого раствора в паровое пространство и их механического захвата вторичным паром. Для предотвращения этого скорость пара в сепараторе должна быть сравнительно невелика (2-4 м/с), а высота парового пространства – достаточно большой (1,6-3,0 м), чтобы увлеченные паром капли раствора, успевали оседать под действием силы тяжести.

Для улучшения сепарации пара применяют специальные ловушки, или брызгоотделители. Брызгоотделители располагаются в верхней части сепарационного пространства. Используют преимущественно два типа брызгоотделителей: инерционные и центробежные. В брызгоотделителях инерционного действия отделение капель от вторичного пара происходит за счет резкого изменения направления потока пара. Капли раствора под действием силы инерции отбрасываются на стенки брызгоотделителя и стекают в рабочую зону аппарата. Брызгоотделители инерционного типа не стандартизованы, их основные размеры принимают исходя из конструктивных соображений, полагая, что скорость парового потока в элементах брызгоотделителя должна быть в 5-7 раз больше скорости вторичного пара в сепарационном пространстве. Увеличение эффективности брызгоотделителя приводит к росту его гидравлического сопротивления и, соответственно, к росту гидродинамической депрессии.

Брызгоотделители центробежного типа(рис. 1.4)нормализованы. В этих брызгоотделителях за счет отогнутых внутрь направляющих лопаток закручивается поток пара и созданный центробежный эффект обеспечивает достаточно полное отделение капель раствора от вторичного пара.

Рис. 1.4. Конструкция брызгоотделителя центробежного типа

В приложенииПриложение 5приведены основные геометрические размеры брызгоотделителей центробежного типа [8].

Степень сепарации вторичного пара зависит также от свойств раствора и интенсивности образования пены (обильное пенообразование повышает унос раствора паром). Низкое поверхностное натяжение и высокая вязкость раствора способствуют появлению пены. Присутствие в растворе взвешенных частиц сообщает пене устойчивость. Для уменьшения пенообразования к раствору иногда добавляют вещества, которые повышают поверхностное натяжение (например, растительные масла, высшие спирты, керосин) или удаляют взвешенные вещества перед выпариванием путем фильтрования раствора.

Для пенящихся растворов, а также для выпарных аппаратов с вынесенной зоной кипения сепарационное пространство дополнительно оборудуют статическими отбойниками.

Одно из условий нормальной работы выпарных аппаратов – непрерывный отвод конденсата первичного пара. Накопление конденсата в греющей камере приводит к потере части активной поверхности нагрева и, следовательно, к снижению производительности аппарата. Для удаления конденсата без пропускане сконденсировавшегося (пролетного) пара применяют конденсатоотводчики. Наиболее распространены поплавковые, действие которых основано на различии плотностей пара и конденсата, и термодинамические устройства.

Интенсивность работы выпарных аппаратов, особенно при переработке растворов веществ, которые образуют отложения на поверхности нагрева, в значительной степени зависит от своевременного удаления накипи. Последняя сильно уменьшает коэффициент теплопередачи и, следовательно, производительность аппаратов, нарушает циркуляцию раствора, может быть причиной коррозии в сварных швах. Накипь удаляют путем периодической промывки или механической очистки выпарных аппаратов.

Для наблюдения за работой аппарата предусмотрены смотровые окна, а для установки манометров и термометров – бобышки.

Так как выпарные аппараты – это герметически закрытые емкости, предназначенные для ведения тепловых процессов, то они должны отвечать требованиям «Правил устройства и безопасности эксплуатации сосудов, работающих под давлением».