Устройство выпарных аппаратов

Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемые в про­мышленности, можно классифицировать:

- по типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики, трубчатки различных видов);

- по ее рас­положению в пространстве (аппараты с вертикальной, горизонтальной, иногда с наклонной нагревательной камерой);

- по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.);

- в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры.

Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим ин­тенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.

Различают выпарные аппараты с неорганизованной, или свободной, направленной естественной и при­нудительной циркуляцией раствора.

Выпарные аппараты делят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора, и аппараты, работающие с много­кратной циркуляцией раствора.

В зависимости от организации процесса различают периодиче­ски и непрерывно действующие выпарные аппараты.

Аппараты со свободной циркуляцией раствора. Простейшими аппара­тами этого типа являются периодически действующие открытые выпарные чаши с паровыми рубашками (для работы при атмосферном давлении) и закрытые котлы с рубашками, работающие под вакуумом.

В выпарных аппаратах с рубашками происходит малоинтен­сивная неупорядоченная циркуляция выпариваемого раствора вследствие разности плотностей более нагретых и менее нагретых частиц. Поэтому в аппаратах с рубашками коэффициенты теплопередачи низки.

Поверхности нагрева рубашек и соответственно нагрузки этих аппа­ратов очень невелики. Поэтому выпарные аппараты с рубашками лишь изредка применяются в небольших производствах при выпаривании сильно­агрессивных и вязких, выделяющих твердые осадки, растворов, так как поверхность нагрева может быть от­носительно просто защищена от кор­розии с помощью химически стойких покрытий и легко очищена. Для ее очистки иногда используют мешалки, например якорные.

Значительно большей поверхно­стью нагрева в единице объема обла­дают змеевиковые выпарные аппараты (рис. XIII-5). В корпусе 1 такого аппарата размещены паровые змеевики 2, а в паровом пространстве установлен брызгоуловитель 3. При проходе через брызгоуловитель по­ток вторичного пара изменяет напра­вление своего движения и из него выделяются унесенные паром капли жидкости.

Змеевики выполняют из отдель­ных секций, так как у длинных змее­виков, вследствие накопления кон­денсата, поверхность нагрева плохо используется. Кроме того, при сек­ционировании змеевиков можно по­следовательно отключать отдельные секции по мере понижения уровня раствора в периодически действую­щем аппарате.

Змеевиковые аппараты более ком­пактны, чем аппараты с рубашками, и отличаются несколько большей ин­тенсивностью теплопередачи. Однако очистка и ремонт змеевиков затруднены. В этих аппаратах также произ­водят выпаривание небольших количеств химически агрессивных веществ.

К той же группе относятся выпарные аппараты с горизонталь­ной трубчатой нагревательной камерой и с вер­тикальным цилиндрическим корпусом (рис. XIII-6). В ниж­ней части корпуса 1 таких аппаратов находится нагревательная камера 2, состоящая из пучка горизонтальных прямых труб, по которым движется греющий пар. Верхняя часть корпуса служит сепаратором 3, предназна­ченным для уменьшения механического уноса жидкости паром.

Известны также аналогичные аппараты с горизонтальным корпусом (полуцилиндрической, или сундучной формы). Они выгодно отличаются от вертикальных меньшей высотой слоя выпариваемого раствора, что зна­чительно снижает температурные потери вследствие гидростатической депрессии. Кроме того, горизонтальные аппараты имеют больший объем парового пространства, что облегчает выпаривание в них сильно пеня­щихся растворов. Вместе с тем эти аппараты обладают и значительными недостатками по сравнению с вертикальными: более громоздки и метал­лоемки; непригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов из-за трудности механической очистки наружной поверхности труб; имеют не­высокие коэффициенты теплоотдачи в горизонтальных паровых трубах (внутри которых накапливается слой конденсата).

Вследствие указанных недостатков выпарные аппараты со свободной циркуляцией раствора в настоящее время вытеснены в большинстве про­изводств выпарными аппаратами более совершенных конструкций, в част­ности вертикальными трубчатыми аппаратами.

Вертикальные аппараты с направленной естественной циркуляцией. В аппаратах этого типа выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему полу­чили широкое распространение в промышленности.

Основным достоинством таких аппаратов является улучшение тепло­отдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отло­жения накипи на поверхности труб. Большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

Как будет показано ниже, развитие конструк­ции таких аппаратов происходит в направлении усиления естественной циркуляции. Последнее воз­можно путем увеличения разности весов столбов жидкости в опускной трубе и парожидкостной смеси в подъемной части контура. Это достигается посредством:

1) увеличения высоты кипятильных (подъемных) труб и повышения интенсивности паро­образования в них с целью уменьшения плотности парожидкостной смеси, образующейся из кипящего раствора;

2) улучшения естественного охлаждения циркуляционной трубы для того, чтобы опускающая­ся в ней жидкость имела возможно большую плотность;

3) поддержания в опускной трубе определен­ного уровня жидкости, необходимого для уравновешивания столба парожидкостной смеси в подъемных трубах при заданной скорости ее движения.

Аппараты с внутренней нагревательной камерой и центральной цирку­ляционной трубой. В нижней части вертикального корпуса 1 (рис. XIII-7) находится нагревательная камера 2, состоящая из двух трубных решеток, в которых закреплены, чаще всего развальцованы, кипятильные трубы 3 (длиной 2-4 м) и циркуляционная труба 4 большого диаметра, установ­ленная по оси камеры. В межтрубное пространство нагревательной камеры подается греющий пар.

Раствор поступает в аппарат над верхней трубной решеткой и опу­скается по циркуляционной трубе вниз, затем поднимается по кипятильным трубам и на некотором расстоянии от их нижнего края вскипает. Поэтому на большей части длины труб происходит движение вверх парожидкостной смеси, содержание пара в которой возрастает по мере ее движения. Вто­ричный пар поступает в сепарационное (паровое) пространство 5, где с помощью брызгоуловителя 6, изменяющего направление движения па­рового потока, от пара под действием инерционных сил отделяется уне­сенная им влага. После этого вторичный пар удаляется через штуцер сверху аппарата.

Упаренный раствор удаляется через нижний штуцер конического днища аппарата в качестве промежуточного или конечного продукта.

Как отмечалось, циркуляция раствора в аппарате происходит вслед­ствие разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и парожидкостной смеси в кипятильных трубах. Возникновение достаточной раз­ности плотностей обусловлено тем, что поверхность теплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объема выпариваемого раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы, так как поверхность трубы находится в линейной зависимости от ее диаметра, а объем жидкости в трубе пропорционален квадрату ее диаметра. Следо­вательно, парообразование в кипятильных трубах должно протекать зна­чительно интенсивней, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в этой трубе. В результате обеспечивается естествен­ная циркуляция, улучшающая теп­лопередачу и препятствующая об­разованию накипи на поверхности теплообмена.

В аппаратах этой конструкции циркуляционная труба, как и кипя­тильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси и может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком яв­ляется также жесткое крепление кипятильных труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.

Аппараты с подвесной нагревательной камерой. В аппарате такого типа (рис. XIII-8) нагревательная камера 1 имеет собственную обечайку и свободно установлена в нижней части корпуса 2 аппарата. Греющий пар подается через трубу 3 и поступает в межтрубное пространство нагрева­тельной камеры, снизу которого отводится конденсат. Поступающий на выпаривание раствор опускается вниз по каналу кольцевого поперечного сечения, образованному стенками обечайки подвесной камеры и стенками корпуса аппарата. Раствор поднимается по кипятильным трубам, и, таким образом, выпаривание происходит при естественной циркуляции раствора.

Вторичный пар проходит брызгоуловитель 4 и удаляется сверху ап­парата. Отделенная от вторичного пара жидкость сливается по трубам 5. Для периодической промывки аппарата в него подводится вода, которая распределяется с помощью перфорированной трубы 6.

В этом аппарате циркуляционный кольцевой канал имеет большое по­перечное сечение и находится вне нагревательной камеры, что оказывает благоприятное влияние на циркуляцию раствора. Благодаря свободному подвесу нагревательной камеры устраняется опасность нарушения плот­ности соединения кипятильных труб с трубными решетками вследствие разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата. Подвесная нагре­вательная камера может быть относительно легко демонтирована и заме­нена новой. Однако это достигается за счет некоторого усложнения кон­струкции аппарата; кроме того, расход металла на единицу поверхности теплообмена для этих аппаратов выше, чем для аппаратов с центральной циркуляционной трубой.

Интенсивность циркуляции в аппаратах с подвесной нагревательной камерой (как и в аппаратах с центральной циркуляционной трубой) недостаточна для эффективного выпаривания высоковязких и особенно кристаллизующихся растворов, обработка которых приводит к частым и длительным остановкам этих аппаратов для очистки рабочих поверх­ностей.

Аппараты с выносными циркуляционными трубами. Как отмечалось, естественная циркуляция раствора может быть усилена, если раствор на опускном участке циркуляционного контура будет лучше охлаждаться. Этим увеличивается скорость естественной циркуляции в выпарных аппа­ратах с выносными циркуляционными трубами (рис. XIII-9). При распо­ложении циркуляционных труб вне корпуса аппарата диаметр нагрева­тельной камеры 1 может быть уменьшен по сравнению с камерой аппарата на рис. IX-9, а циркуляционные трубы 2 компактно размещены вокруг нагревательной камеры. На рис. XIII-9 показан аппарат с одной выносной циркуля-ционной трубой, причем центробежный брызгоулови-тель 3 для осушки вторичного пара также вынесен за пределы сепарации-онного (па­рового) простран-ства 4 аппарата.

Конструкции таких аппаратов несколько более сложны, но в них до­стигается более интенсивная тепло-передача и уменьшается расход ме­талла на 1 м² поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

Аппараты с выносной нагревательной камерой. При размещении нагре­вательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счет увеличения разности плот­ностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Аппарат с выносной нагревательной камерой (рис. XIII-10) имеет кипя­тильные трубы, длина которых часто достигает 7 м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что цирку­ляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки цир­куляционного контура имеют значительную высоту.

Выносная нагреватель-ная камера 1 легко отде-ляется от корпуса аппа­рата, что облегчает и ускоряет ее чистку и ремонт. Ревизию и ремонт на­гревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к его корпусу две камеры.

Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагрева­тельной камеры и, под-нимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу исходного раствора производят, как показано на рисунке, в циркуляционную трубу. Вторичный пар отделяется от жидкости в се­параторе 2. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

Скорость циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной каме­рой может достигать 1.5 м/сек, что позволяет выпаривать в них концентри­рованные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплооб­мена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередаче аппараты такого типа - получили широкое распро­странение.

Разновидностью выпарных аппаратов с выносной камерой является также аппа­рат с горизонтальной выносной нагревательной камерой, показанный на рис. XIII-11.

XIII-11.

В отличие от аппаратов с естественной циркуляцией, рассмотренных выше, кипение раствора здесь происходит в горизонтальных трубах, присоединенных к корпусу 1 нагре­вательной камеры 2. В межтрубном пространстве камеры движется греющий пар. Вторич­ный пар удаляется сверху корпуса аппарата, пройдя брызгоуловитель 3, а упаренный рас­твор — через штуцер в нижней части конического днища корпуса аппарата. Если выпари­вание проводится одновременно с кристаллизацией, то из конического днища удаляются кристаллы и аппарат соединяется со сборником или фильтром.

Условия кипения раствора в трубах неблагоприятны, так как в них образуются застой­ные зоны, снижающие интенсивность циркуляции и ухудшающие теплопередачу, а иногда приводящие к местной кристаллизации веществ.

Основным достоинством такого аппарата, применяемого для выпаривания концентри­рованных, а также кристаллизующихся растворов (например, электролитических щелоков), является возможность легкого отсоединения нагревательной камеры, установленной на тележке, для чистки, ремонта или замены. Однако конструкция аппарата громоздка, очистка U-образных труб затруднена, а расход металла на единицу поверхности нагрева значите­лен. Для облегчения очистки U-образные трубы заменяют прямыми горизонтальными, раз­вальцованными в трубных решетках.

Аппараты с вынесенной зоной кипения. При скоростях 0.25—1.5 м/сек, с которыми движется раствор в аппаратах с естественной циркуляцией, описанных ранее, не удается предотвратить отложения твердых осадков на поверхности теплообмена. Поэтому требуется периодическая остановка аппаратов для очистки, что связано со снижением их производительности и увеличением стоимости эксплуатации.

Загрязнение поверхности теплообмена при выпаривании кристалли­зующихся растворов можно значительно уменьшить путем увеличения скорости циркуляции раствора и вынесением зоны его кипения за пре­делы нагревательной камеры.

В аппарате с вынесенной зоной кипения (рис. XIII-12) выпариваемый раствор поступает снизу в нагревательную камеру 1 и, поднимаясь вверх по ее трубам (длиной 4-7 м), нагревается, но, вследствие гидростатического давления, в них не закипает. При выходе из труб перегретый раствор поступает в общую расширяющуюся кверху трубу вскипания 2, установленную в нижней части сепаратора 5. Вследствие значительно более низкого гидростатического давле­ния в этой трубе раствор вскипает, и, таким образом, парообразование происходит за пределами поверхности нагрева.

Циркулирующий раствор опускается по наружной необогреваемой трубе 4. Упаренный раствор отводится из кармана в нижней части сепа­ратора 3.

Вторичный пар, пройдя отбойник 5 и брызгоуловитель 6, уда­ляется сверху аппарата. Исходный раствор поступает либо в нижнюю часть аппарата (под трубную решётку нагревательной камеры), либо сверху в циркуляционную трубу 4.

XIII-13.

XIII-12.

Вследствие большой поверхности испарения, которая создается в объеме кипящего раствора, и частичного самоиспарения капель, унесенных вторичным паром, значительно снижается брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает отложение накипи.

Ввиду значительного перепада температур (до 30 ^оС) между греющим паром и раствором и малой потери напора в зоне кипения скорость цирку­ляции в этих аппаратах достигает значительной величины.

Увеличение скорости приводит к увеличению производительности и интенсификации теплообмена. Коэффициенты теплопередачи в таких аппара­тах достигают 3000 вт/(м²·град) [2580 ккал/(м²×ч×град)].

Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применяться для выпаривания кристаллизующихся растворов умеренной вязкости.

Прямоточные (пленочные) аппараты. Принципиальное отличие этих аппаратов от аппаратов с естественной циркуляцией состоит в том, что выпаривание в них происходит при однократном прохождении выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры. Таким обра­зом, выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. Кроме того, раствор выпаривается, перемещаясь (на большей части высоты кипятиль­ных труб) в виде тонкой пленки по внутренней поверхности труб. В цен­тральной части труб вдоль их оси движется вторичный пар. Это приводит к резкому снижению температурных потерь, обусловленных гидростати­ческой депрессией.

Различают прямоточные выпарные аппараты с поднимающейся и опу­скающейся пленкой.

Аппарат с поднимающейся пленкой (рис. XIII-13) со­стоит из нагревательной камеры 1, представляющей собой пучок труб небольшого диаметра (15-25 мм) длиной 7-9 м, и сепаратора 2.

Раствор на выпаривание поступает снизу в трубы нагревательной ка­меры, межтрубное пространство которой обогревается греющим паром. На уровне, соответствующем обычно 20-25% высоты труб, наступает интенсивное кипение. Пузырьки вторичного пара сливаются и пар, бы­стро поднимаясь по трубам, за счет поверхностного трения увлекает за собой раствор. При этом жидкость перемещается в виде пленки, «всползающей» по внутренней поверхности труб, и выпаривание происходит в тонком слое.

Вторичный пар, выходящий из труб, содержит капли жидкости, ко­торые отделяются от пара с помощью отбойника 3 и центробежного брызгоуловителя 4. В брызгоуловитель влажный пар поступает тангенциально и ему сообщается вращательное движение. Под действием центробежной силы капли жидкости отбрасываются к периферии, жидкость стекает вниз, а пар удаляется сверху из аппарата.

Прямоточные выпарные аппараты ближе к аппаратам идеального вы­теснения, в то время как аппараты с многократной циркуляцией при­ближаются к аппаратам идеального смешения. Вместе с тем в прямоточ­ных аппаратах раствор проходит по кипятильным трубкам однократно. Поэтому время пребывания его мало и аккумулирующая способность этих аппаратов низка, что важно при выпаривании термически нестойких веществ.

Прямоточные аппараты чувствительны к изменению режима работы и требуют для эффективного выпаривания поддерживания некоторого опти­мального «кажущегося» уровня раствора в кипятильных трубах. «Кажу­щийся» уровень соответствует высоте столба некипящего раствора, ко­торым может быть уравновешен столб парожидкостной смеси в трубах. При «кажущемся» уровне ниже оптимального верхняя часть поверхности труб не омывается жидкостью и практически не участвует в теплообмене; «оголенная» часть поверхности труб при испарении на ней брызг жидкости покрывается накипью. При «кажущемся» уровне выше оптимального на большей части поверхности труб раствор только нагревается; соответ­ственно уменьшается высота зоны кипения, где теплопередача интенсив­нее; это приводит к снижению средней величины коэффициента теплопе­редачи. Кроме того, для вертикальных прямоточных аппаратов необхо­димы высокие производственные помещения. Область применения аппа­ратов е поднимающейся пленкой — выпаривание маловязких растворов, в том числе пенящихся и чувствительных к высоким температурам. Эти аппараты не рекомендуются для выпаривания кристаллизующихся рас­творов ввиду возможности забивания труб кристаллами.

В прямоточных (пленочных) аппаратах трудно обеспечить равномерную толщину пленки выпариваемой жидкости (что необходимо для эффектив­ной работы аппарата), кроме того, эти аппараты весьма чувствительны к неравномерной подаче раствора, а чистка длинных труб малого диаметра затруднительна. Поэтому пленочные аппараты вытесняются вертикальными выпарными аппаратами с циркуляцией раствора.

Роторные прямоточные аппараты. Для выпаривания нестойких к по­вышенным температурам вязких и пастообразных растворов применяют роторные прямоточные аппараты (рис. XIII-14). Внутри цилиндрического корпуса 1 аппарата, снабженного паровыми рубашками 2, вращается ротор 3, состоящий из вертикального вала (расположенного по оси аппа­рата) и шарнирно закрепленных на нем скребков 4.

XIII-15.

XIII-14.

Выпариваемый раствор поступает в аппарат сверху, захватывается вращающимися скребками, под действием центробежной силы отбрасы­вается к стенкам аппарата и перемещается по их внутренней поверхности в виде турбулентно движущейся пленки. Постепенно происходит полное Выпаривание пленки, и на стенках аппарата образуется тонкий слой порошка или пасты, который снимается вращающимися скребками (зазор между наружной кромкой скребков и стенкой аппарата составляет менее 1 мм). Твердый или пастообразный продукт удаляется через специальный секторный затвор из днища аппарата (на рис. XIII-14 не показан).

В роторных прямоточных аппаратах достигается интенсивный тепло­обмен при небольшом уносе жидкости вторичным паром. Вместе с тем роторные аппараты сложны в изготовлении и отличаются относительно высокой стоимостью эксплуатации вследствие наличия вращающихся частей (ротора). Имеется несколько разновидностей роторных прямоточных выпарных аппаратов, в том числе аппараты с горизонтальным корпусом. Эти аппараты описываются в специальной литературе.

Аппараты с принудительной циркуляцией. Для того чтобы устранить отложение накипи в трубах, особенно при выпаривании кристаллизую­щихся растворов, необходимы скорости циркуляции не менее 2-2.5 м/сек, т.е. больше тех скоростей, при которых работают аппараты с естественной циркуляцией. В принципе такие высокие скорости достижимы и в усло­виях естественной циркуляции, но при этом необходимы очень большие полезные разности температур (между греющим паром и кипящим рас­твором).

В аппаратах с принудительной циркуляцией скорость ее опреде­ляется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровня жидкости в трубах, а также от интенсивности парообра­зования. Поэтому в аппаратах с принудительной циркуляцией выпари­вание эффективно протекает при малых полезных разностях температур, не превышающих 3-5 °С, и при значительных вязкостях растворов.

Одна из конструкций выпарного аппарата с принудительной циркуля­цией показана на рис. XIII-15. Аппарат имеет выносную вертикальную на­гревательную камеру 1, сепаратор 2 и необогреваемую циркуляционную трубу 5, в которую подается исходный раствор. Циркуляция раствора производится насосом 4.

При большой скорости движения выпариваемого раствора кипение его происходит на коротком участке перед выходом из кипятильных труб. Таким образом, зона кипения оказывается перемещенной в самую верх­нюю часть нагревательной камеры. Набольшей части длины труб жидкость лишь несколько перегревается. Это объясняется тем, что давление внизу трубы больше давления у ее верхнего края на величину гидростатического давления столба жидкости и гидравлического сопротивления трубы.

Вследствие высокого уровня раствора в кипятильных трубах значи­тельная часть всего циркуляционного контура заполнена жидкостью, а паросодержание смеси жидкости и вторичного пара, выбрасываемой из труб, невелико. В связи с этим цирку­ляционный насос должен перекачивать большие объемы жидкости (иметь боль­шую производительность) при умеренном расходе энергии, затрачиваемой в основ­ном на преодоление гидравлического со­противления труб. Таким требованиям удовлетворяют пропеллерные насосы, которые обычно используются в аппаратах с принудительной циркуля­цией. Скорость ее ограничена возраста­нием гидравлического сопротивления и соответственно расходом энергии на циркуляцию. Поэтому желательно выби­рать оптимальную скорость циркуляции, которую устанавливают на основе тех­нико-экономических расчетов.

Выпарные аппараты с тепловым насо­сом. По технологическим причинам ис­пользование многокорпусных выпарных аппаратов иногда может оказаться не­приемлемым. Так, например, приходится отказываться от многократного выпари­вания тех чувствительных к высоким тем­пературам растворов, для которых тем­пературы кипения в первых корпусах многокорпусных установок слишком вы­соки и могут вызвать порчу продукта. В подобных и некоторых других случаях возможно и экономически целесообразно использовать для выпаривания однокорпусные выпарные аппараты с тепловым насосом.

С помощью теплового насоса, представляющего собой трансформатор тепла, повышают экономичность работы однокорпусного аппарата, сжимая вторичный пар на выходе из аппарата до давления свежего (первичного) пара и направляя его в качестве греющего в нагревательную камеру того же аппарата. Сжатие вторичного пара производят главным образом в турбокомпрессорах с приводом от электродвигателя или турбины или же в струйных компрессорах (инжекторах). Вследствие компактности, простоты устройства и надежности эксплуатации в качестве тепловых насосов наиболее широко применяют струйные компрессоры, несмотря на их невысокий к. п. д.

На рис. XIII-16 приведена схема однокорпусной выпарной установки, состоящей из выпарного аппарата 1 и струйного компрессора 2. Первичный пар поступает по оси компрессора и инжектирует вторичный пар более низкого давления. Смесь первичного и вторичного пара по выходе из компрессора (при давлении p₁ < p₂) делится на две части: большая часть смеси направляется в нагревательную камеру выпарного аппарата, а ос­тальная, избыточная часть D_изб отводится на сторону, к другим потреби­телям тепла.

При выпаривании растворов с небольшой температурной депрессией применение теплового насоса в многокорпусной выпарной установке, например для первого корпуса, может существенно снизить расход свежего пара на выпаривание.

Экономичность применения теплового насоса определяется отношением стоимости энергии, затрачиваемой на сжатие вторичного пара в компрес­соре, к стоимости расходуемого в выпарной установке первичного пара. В отдельных случаях это отношение может быть настолько малым, что вы­парные аппараты с тепловым насосом могут успешно конкурировать с мно­гокорпусными выпарными установками.

Расход энергии на тепловой насос приблизительно пропорционален разности температур насыщения свежего и вторичного пара, которая, в свою очередь, зависит от температурной депрессии выпариваемого рас­твора. Поэтому для выпаривания растворов, обладающих значительной температурной депрессией, использование теплового насоса оказывается нецелесообразным. Обычно его применение рентабельно при невысокой степени сжатия вторичного пара, соответствующей повышению температуры насыщения пара не более чем на 10-15 °С.

Барботажные выпарные аппараты. Выпаривание некоторых сильно агрессивных и высококипящих растворов, например растворов серной, соляной, фосфорной кислот, растворов мирабилита, хлористого магния и других, производят при непосредственном со­прикосновении раствора с нагретыми инертными газами. Для таких растворов передача через стенку тепла, необходимого для выпаривания, оказывается практически неосуществимой из-за трудностей, связанных с выбором конструкционного материала, который должен сочетать хорошую теплопроводность с коррозионной и термической стойкостью.

Выпаривание при непосредственном соприкосновении раствора и теплоносителя осуществляют обычно с помощью топочных газов или нагретого воздуха в аппаратах с металлическим кожухом, футерованным изнутри коррозионностойкими материалами, например диабазовой и керамической плиткой, кислотоупорным и шамотным кирпичом и т.д. Барбо­тажные трубы, по которым поступают в раствор газы, изготавливаются из термосилида, графита и других коррозионностойких материалов.

XIII-17.

Типичный барботажный аппарат для концентрирования серной кислоты (рис. XIII-17) состоит из выносной топки 1 и горизонтального цилиндрического корпусa 2. Часть объема аппарата заполняется слабым раствором кислоты, подаваемой по трубе 3. Топочные газы поступают по трубам 4, концы которых погружены в раствор кислоты. При перемешивании раствора и теплоносителя происходит интенсивное испарение растворителя и частично кислоты. Из камеры III (третьей по ходу кислоты) газы поступают по барботажной трубе 5 в камеру II. Для повышения температуры парогазовой смеси в эту камеру по барботажной трубе 6 подается дополнительно некоторое количество свежих топочных газов. Из ка­меры II газы вместе с парами кислоты и воды по барботажной трубе 7 направляются в ка­меру I, где отдают тепло на подогрев исходного слабого раствора кислоты. Упаренная кис­лота удаляется по трубе 8 из камеры III.

Противоток кислоты и газов позволяет лучше использовать тепло топочных газов, но потери тепла с отходящими газами значительны. Кроме того, происходит большой унос газами паров кислоты, которые улавливаются в отдельном электрофильтре.

Более эффективное выпаривание осуществляется в современных выпарных аппаратах с погружными горелками; одна из конструкций таких аппаратов приведена на рис. XIII-18. При барботаже нагретых газов через слой раствора создается значительная межфазовая поверхность и происходит перемешивание жидкости пузырьками газа. В резуль­тате достигается интенсивный теплообмен.

В плоской крышке корпуса 1 аппарата расположена одна горелка 2 (как показано на рисунке) или несколько горелок, погруженных под уровень выпариваемого раствора. Уровень раствора в аппарате поддерживается постоянным с помощью переливной трубы 3.

Упаренный раствор отводится из конического дни­ща аппарата, а выпадающие здесь кристаллы от­сасываются посредством эрлифта. Парогазовая смесь отводится из пространства над жидкостью через сепаратор 4.

Для таких аппаратов обычно используют спе­циальные горелки беспламенного горения, снабжен­ные огнеупорной насадкой, которая в накаленном состоянии каталитически ускоряет процесс горения. В барботажных выпарных аппаратах, работающих при непосредст­венном соприкосновении выпариваемого раствора и греющего агента, достигаются более высокие коэф­фициенты теплопередачи, чем при выпаривании через стенку.

ЛЕКЦИЯ 5