Испарительные, опреснительные установки. Принцип действия, основные конструкции аппаратов, тепловые схемы

 

Широкое распространение получили испарительные аппараты с центральной циркуляционной трубой, с выносной (внешней) циркуляционной трубой и с выносной греющей камерой.

На рис. 1.7. приведена схема испарительного аппарата с центральной циркуляционной трубой типа ВВ. Он состоит из греющей камеры - 1, пучка кипятильных труб – 2, циркуляционной трубы – 3, сепарационного (парового) пространства – 4, брызгоотделителя (отбойника) - 5.

Рис. 1.7. Испарительный аппарат с центральной циркуляционной трубой

 

Скорость циркуляции раствора в нагревательных трубах зависит от его физических свойств, тепловой нагрузки поверхности нагрева и гидравлического сопротивления циркуляционного контура. Пространство аппарата над уровнем кипящей жидкости (высотой 1,5-2,5 м) называется сепарационным и служит для отделения брызг и капель раствора, уносимых потоком вторичного пара. Это пространство обычно оканчивается дополнительным брызгоуловителем. Нижнее днище аппарата бывает сферическим и коническим; последнее предпочтительно в случае выпаривания кристаллизующихся растворов.

Греющая камера выпарного аппарата представляет собой пучок труб 2 с двумя трубными решетками, вставленный в кожух – обечайку.

Греющий пар подается в межтрубное пространство, а раствор циркулирует в трубах. Такое направление тока теплоносителей благоприятствует условиям для очистки труб от отложения солей и накипи. Устойчивая циркуляция раствора в аппарате обеспечивается большой удельной поверхностью нагрева на единицу объема раствора в трубах малого диаметра (подъемных) (d=32 мм) в сравнении с центральной трубой большого диаметра (опускной) (d=194 мм и более). Большая скорость циркуляции раствора в трубах (до 2,0 м/с) обеспечивает высокие коэффициенты теплопередачи.

Аппараты компактны и имеют небольшую металлоемкость. Номинальная площадь поверхности нагрева – до 400 м². Аппарат типа ВВ применяется для упаривания маловязких (Па·с) не кристаллизующихся и неагрессивных растворов, так как он не обеспечивает достаточную скорость циркуляции (не более 0,3-0,8 м/с) из-за обогрева циркуляционной трубы. Поэтому и коэффициенты теплопередачи также относительно низкие.

Для достижения более высокой скорости циркуляции (до 2-3 м/с) применяются аппараты с внешней циркуляционной трубой (рис. 1.8).

Размер греющей камеры снижается (более высокая интенсивность теплопередачи), но эти аппараты имеют большие габариты и более сложную конструкцию.

На рис. 1.8 показан выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой 5. В этом аппарате циркуляционная труба не обогревается, следовательно раствор в ней не кипит и парожидкостная смесь не образуется. Разность плотностей парожидкостной смеси в кипятильных трубах 2 и раствора в циркуляционной трубе больше, чем в аппаратах с центральной циркуляционной трубой, поэтому кратность циркуляции и коэффициенты теплопередачи несколько выше. Повышение скорости движения парожидкостной смеси в кипятильных трубах уменьшает возможность отложения солей, которые могут выделяться при концентрировании растворов.

 

Рис. 1.8. Испарительный аппарат с вынесенной циркуляционной трубой:

1 – нагревательная камера; 2 – кипятильные трубки; 3 – сепаратор; 4 – брызгоотбойник; 5 – циркуляционная труба

 

Рис. 1.9. Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения:

1 – нагревательная камера; 2 – сепаратор; 3 – брызгоотбойник; 4 – труба вскипания; 5 – циркуляционная труба

 

Существенного снижения отложения солей можно достичь при использовании аппаратов с вынесенной зоной кипения (рис.1.9). В таких аппаратах вследствие увеличенного гидростатического давления столба жидкости кипения в трубах нагревательной камеры 1 не происходит, упариваемый раствор только перегревается. При выходе перегретого раствора из этих труб в трубу вскипания 4 он попадет в зону пониженного гидростатического давления, где и происходит интенсивное его закипание. Таким образом предотвращается возможность отложения накипи на теплообменной поверхности труб и, следовательно, увеличиваются коэффициент теплопередачи и время эксплуатации аппарата между профилактическими ремонтами.

Часто в технологии встречаются растворы, кипение которых сопровождается пенообразованием. При вспенивании увеличивается унос капель и кристаллов из раствора с вторичным паром, быстрее засоляются греющие поверхности в последующих аппаратах, где этот пар конденсируется. Для упаривания пенящихся растворов применяют выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева (рис. 1.10), так как в основном в нем происходит самоиспарение перегретой в трубах жидкости при поступлении ее в сепаратор. При этих условиях жидкость испаряется спокойно, и при достаточных размерах сепаратора не происходит уноса капелек жидкости и пены со вторичным паром.

 

 

 

Рис. 1.10. Испарительный аппарат с выносной поверхностью нагрева: 1 – сепаратор; 2 – греющая камера

Более высокие кратности циркуляции, соответствующие скоростям движения парожидкостной смеси более 2-2,5 м/с, достигаются в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией (рис. 1.11). Повышение кратности циркуляции обеспечивается установкой в циркуляционной трубе осевых насосов 5 (рис. 1.11,б), обладающих высокой производительностью. В связи с более высокими скоростями движения жидкости в этих аппаратах достаточно высоки коэффициенты теплопередачи – более 2000 Вт/(м²ּК), поэтому такие аппараты могут эффективно работать при меньших полезных разностях температур (равных 3-5 ºС). В аппаратах с принудительной циркуляцией можно с успехом концентрировать высоковязкие или кристаллизующиеся растворы.

Рис. 1.11. Опреснительный аппарат с принудительной циркуляцией и вынесенными нагревательной камерой (а) и циркуляционной трубой (б):

1 – нагревательные камеры; 2 – сепараторы; 3 – брызгоуловитель; 4 – циркуляционные трубы; 5 – насосы

 

В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной циркуляцией выполняют с вынесенной нагревательной камерой (рис. 1.11, а). В этом случае появляется возможность производить замену нагревательной камеры при ее загрязнении, а иногда к одному сепаратору подсоединять две или три нагревательные камеры. Роль зоны вскипания выполняет труба, соединяющая нагревательную камеру и сепаратор. Достоинством выпарного аппарата с соосными греющей камерой и сепаратором (рис. 1.11, б) является меньшая производственная площадь, необходимая для его размещения.

К общим недостаткам выпарных аппаратов с принудительной циркуляцией следует отнести повышенный расход энергии, связанный с необходимостью работы циркуляционного насоса.

Все рассмотренные выше конструкции аппаратов по структуре движения в них жидкости близки к моделям идеального перемешивания, поэтому при сравнительно большом объеме циркулирующего раствора последний находится при повышенных температурах достаточно длительное время (а отдельные частицы жидкости – бесконечно долго). Это существенно затрудняет выпаривание нетермостойких растворов. Для таких растворов можно использовать пленочные выпарные аппараты.