Выпарные установки. Виды, устройство, принцип действия выпарных установок.
1. Выпаривание растворов
На современных крупных предприятиях выпарные процессы ведут преимущественно в многоступенчатых (многокорпусных) установках непрерывного действия с аппаратами поверхностного типа с использованием образующегося над раствором так называемого «вторичного пара» каждой ступени в последующих ступенях с более низким давлением или с передачей части вторичного пара (экстрапара) другим тепловым потребителям. часто встречаются термины «многокорпусные» или «многоступенчатые» выпарные установки. «Ступени» отличаются одна от другой по параметрам раствора в аппаратах (давлению, температуре, концентрации раствора) (рис. 1, а, б и др.) и могут состоять из одного, двух и более корпусов с одинаковыми параметрами, т. е. если одна или несколько ступеней выполнены из двух параллельно включенных корпусов (аппаратов), то выпарная установка может иметь четыре корпуса, а должна называться трехступенчатой.
Для производства веществ с резко выраженными агрессивными свойствами используют выпарные установки контактного типа, работающие по принципу непосредственного соприкосновения выпариваемого раствора с продуктами сгорания топлива или горячими газами, или погружного горения. Корпуса таких аппаратов изготовляют из углеродистой стали, а для избежания коррозии их внутри футеруют кислотоупорными материалами. Внутренние элементы аппарата — вытяжные трубы, сепараторы, сливные трубы — изготовляют из коррозионно-стойких материалов.
На рис. 1 изображены принципиальные схемы промышленных выпарных установок непрерывного действия.
Рис. 1. Схемы выпарных установок: а — прямоточная с конденсатором; б — прямоточная с противодавлением; в — с ухудшенным вакуумом; г — с нуль-корпусом; д — двухстадийная с обогревом аппарата второй стадии свежим паром; е — двухстадийная с обогревом аппарата второй стадии вторичным паром первой ступени; ж — противоточная; з — с параллельным током пара и раствора; и — с отбором экстрапаров посторонним потребителем; к — со смешанным током раствора; л — трехступенчатая с двумя корпусами в первой ступени: 1 — выпарной аппарат; 2 — конденсатор; 3 — солеотделитель; 4 — насос; 5 — водосборник; 6 — вход первичного и выход вторичного пара; 7 — вход охлаждающей воды; 8 — вход и выход раствора; 9 — выход конденсата
2. Классификация выпарных установок
Непрерывный процесс выпаривания растворов может производиться как в одноступенчатых, так и в двух-, трех- и многоступенчатых выпарных установках с использованием вторичного пара каждой ступени в последующих ступенях с более низким давлением или с передачей части вторичного пара некоторых ступеней другим тепловым потребителям.
По теплотехнологическим признакам промышленные выпарные установки непрерывного действия разделяют на несколько групп:
1. По числу ступеней: одноступенчатые и, многоступенчатые; при этом в одной ступени могут быть один, два и более параллельно включенных аппаратов выпарной установки.
2. По давлению вторичного пара в последней ступени:
а) выпарные установки с достаточно глубоким вакуумом в последней ступени (до 90 %) и следующим за ней конденсатором для поддержания этого вакуума, соответствующего температуре охлаждающей воды. Такая схема встречается наиболее часто (рис. 1, а); в ней обеспечивается наибольшая разность температур между первичным греющим теплоносителем и вторичным паром последней ступени, поступающим в конденсатор. Однако при работе установки по такой схеме вся теплота пара последней ступени теряется с охлаждающей водой конденсатора;
б) выпарные установки с повышенным давлением в последней ступени (рис. 1, б). Такая схема может быть более экономичной, если вторичный пар последней ступени может быть использован в других теплоиспользующих установках (при бытовом потреблении теплоты, в отоплении, и т. д.);
в) выпарные установки с ухудшенным вакуумом (рис. 1, в). По такой схеме установка может работать или на конденсатор, или на потребителя низкопотенциальной теплоты со сбросом излишков пара в конденсатор с ухудшенным вакуумом.
3. По подводу первичной теплоты:
а) выпарные установки с одним источником первичной теплоты;
б) выпарные установки с двумя источниками теплоты. Например, пар с большим давлением обогревает предвключенную ступень установки, называемую в такой схеме нуль-корпусом, а пар с меньшим давлением подается в следующую ступень, получившую название первого корпуса (рис. 1, г);
в) выпарные установки с тепловыми насосами.
4. По технологии обработки раствора:
а) одностадийные выпарные установки (рис. 1, а, г, ж), в которых раствор проходит при выпаривании последовательно все ступени и не отводится для других промежуточных операций обработки;
б) двух- и более стадийные выпарные установки, в которых раствор после одной из промежуточных ступеней может быть направлен для дополнительной обработки (для осветления, центрифугирования и т. п.), а затем снова поступает на довыпаривание в следующую ступень (вторая стадия, рис. 1, д).
5. По относительному движению греющего пара и выпариваемого раствора:
а) прямоточные выпарные установки для растворов, обладающих высокой температурной депрессией (рис. 1, а, е, з);
б) противоточные выпарные установки для растворов с быстро растущей вязкостью при повышении их концентрации (рис. 1, ж); в этих схемах между ступенями ставят насосы;
в) выпарные установки с параллельным питанием корпусов раствором при склонности его к кристаллизации (рис. 1, з);
г) выпарные установки с отпуском части вторичных паров (экстрапаров) посторонним потребителям (рис. 1, и);
д) выпарные установки со смешанным питанием корпусов для растворов с повышенной вязкость (рис. 1, к).
3. Основные схемы выпарных установок
Выпарная установка включает следующие основные элементы: выпарные аппараты с трубчатыми (внутренними) или рубашечными (наружными) паровыми обогревателями, с трубчатыми электрическими нагревателями (ТЭН) или с погружными горелками для контактной передачи теплоты непосредственно от газов к раствору, сепараторы и брызгоотделители, конденсатоотводчики, подогреватели раствора, конденсаторы, сборные баки и емкости, насосы, запорную и предохранительную арматуру, регулирующие и контрольно-измерительные приборы.
Выпарные аппараты с поверхностью нагрева представляют собой теплообменники-испарители, как правило, с паровым обогревом. В большинстве из них предусматривается значительное надрастворное пространство для сепарации из вторичного пара жидкой и твердой фаз (сепараторы). По движению раствора в греющих трубах различают аппараты с естественной и принудительной циркуляцией, а также аппараты пленочного типа, в которых раствор проходит по поверхности нагрева однократно в виде тонкой пленки. На рис. 2...5 представлены основные типы выпарных аппаратов. Греющая камера выпарного аппарата с трубчатой поверхностью нагрева представляет собой пучок труб с двумя трубными решетками, вставленный в кожух-обечайку. В аппаратах жесткой конструкции греющая камера встраивается между фланцами днища и парового пространства, в аппаратах с подвесной греющей камерой она свободно подвешена или опирается на кронштейны внутри растворного пространства. 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. Для выпаривания маловязких некристаллизующихся и неагрессивных растворов получил применение выпарной аппарат типа ВВ с внутренней греющей камерой и с центральной циркуляционной трубой (рис. 2, а).
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). 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.
Рис. 2. Выпарные аппараты с естественной циркуляцией: а — с центральной циркуляционной трубой; б — с совмещенной зоной нагрева и кипения; в — с вынесенной зоной кипения; г — с вынесенной греющей камерой: 1 — вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — выход неконденсирующихся газов; 7 — греющая камера; 8 — паровое пространство; 9 — брызгоотделитель; 10 — зона парообразования —стабилизатор; 11 — сливная труба
Выпарные аппараты с подвесной греющей камерой применяют для выпаривания кристаллизующихся, химически агрессивных и умеренно вязких растворов.
Выпарные аппараты с совмещенной зоной нагрева и кипения раствора и вынесенной опускной трубой обладают лучшей циркуляцией раствора. Такой аппарат с длиной труб до 4000 мм изображен на рис. 2, б. Устанавливаемый над верхней трубной решеткой конический раструб-стабилизатор (рис. 2, в) предназначен для увеличения статического давления за счет столба жидкости в трубах и вынесения таким путем зоны кипения раствора выше труб. Такое приспособление способствует снижению солеобразования внутренней поверхности греющих труб. Выпаривание кристаллизующихся растворов затрудняется выпадением на поверхности нагрева кристаллов (инкрустацией). Очистка поверхности нагрева вызывает необходимость частых остановок и вскрытия аппарата.
В выпарных аппаратах с вынесенной греющей камерой и вынесенной за пределы аппарата опускной циркуляционной трубой (рис. 2, г) конструктивно более выгоден для выпаривания таких растворов. В опускной трубе раствор охлаждается, увеличивается его плотность, что способствует увеличению динамического напора для циркуляции раствора. В аппарате установлены удлиненные до 5...7 м трубы. Возникающая в связи с этим повышенная скорость циркуляции раствора затрудняет отложение кристаллов на стенках труб. Имеются конструкции аналогичных аппаратов с вынесенными горизонтальными и наклонными присоединенными к одному аппарату тремя-четырьмя греющими камерами, позволяющими быстро частично демонтировать отдельные камеры для чистки труб.
Устранить инкрустацию поверхности нагрева при выпаривании кристаллизующихся растворов можно повышением до 2...3 м/с скорости движения раствора. Если такую скорость нельзя получить температурным перепадом между теплоносителями при естественной циркуляции, проектируют выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора, создаваемой насосами, устанавливаемыми снаружи или внутри аппарата (рис. 3). Аппараты с принудительной циркуляцией применяют также для упаривания растворов с повышенной вязкостью.
Для упаривания пенящихся растворов применяют пленочные (с опускающейся или поднимающейся пленкой) аппараты. На рис. 4 представлен выпарный аппарат с поднимающейся пленкой раствора. Раствор вводится в аппарат снизу под трубную решетку и заполняет трубы на 1/4...1/5 их высоты. Образующиеся при кипении паровые пузырьки увлекают за собой вверх раствор, распределяют его тонким слоем по внутренней поверхности труб и движутся с ним в виде парожидкостной эмульсии со скоростью до 15...20 м/с. Из труб эмульсия поступает в центробежный разделитель-отбойник, где происходит отделение жидкости от пара. Вторичный пар, минуя отбойный зонт, поступает в выводящий паропровод, а концентрированный раствор сливается в «карманы» и через сливные патрубки выводится в следующую ступень выпаривания или на склад.
Рис. 3. Выпарный аппарат с принудительной циркуляцией: 1 — вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — греющая камера ; 7 — паровое пространство; 8 — брызгоотделитель; 9 — насос
Рис. 4. Выпарный аппарат с поднимающейся пленкой: 1 — вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — греющая камера; 7—паровое пространство; 8 — брызгоотделитель; 9 — сливная труба
Рис. 5. Выпарный аппарат роторного типа со скребками: 1 — вход слабого раствора; 2 — выход концентрированного раствора; 3 — вход греющего пара; 4 — выход конденсата; 5 — выход вторичного пара; 6 — греющая камера; 7 — паровое пространство; 8 — брызгоотделитель; 9 — ротор со скребками
В таком аппарате благодаря высокой скорости движения раствора достигается повышение интенсивности теплообмена в трубах. Раствор только один раз проходит по поверхности греющих труб, т. е. рециркуляция в аппарате отсутствует. Готовность или выходная концентрация раствора может регулироваться отношением длин затопленной раствором части трубы и ее верхней части, где происходит интенсивное испарение растворителя из пленки. чем больше длина этой части, тем выше концентрация раствора, сливающегося из труб в приемный карман. Существует оптимальная высота заполнения трубок раствором, которая определяется свойствами и конечной концентрацией раствора. Конструкция аппарата с поднимающейся пленкой отличается повышенной длиной труб (до 7...9 м), что усложняет монтажные и ремонтные работы. В выпарных аппаратах с опускающейся пленкой раствор поступает в трубы сверху через специальные насадки, предназначенные для равномерного распределения его в виде тонкой пленки на стенках труб и закручивания. Пройдя по трубе сверху вниз один раз, раствор достигает нужной концентрации. При недостаточной плотности орошения в таких аппаратах возможно оголение и инкрустация нижних концов труб. Очень вязкие, пастообразные и термолабильные растворы выпаривают в роторных аппаратах со скребками (рис. 5). Раствор, подаваемый в роторный аппарат посредством дозировочного насоса, распределяется вращающимися, посаженными на общий вал скребками по стенке, которая обогревается паром. По мере выпаривания растворителя на стенке образуется твердый продукт или паста, которые соскабливаются и выводятся из аппарата через нижний патрубок и шлюзовой затвор.