Призначення та область застосування випарного апарату з природною циркуляцією та співвісною гріючою камерою

Широко використовуються в хімічній промисловості випарні апарати з внутрішніми вертикальними нагрівальними камерами Останні являють собою вертикальний пучок труб, кінці яких розвальцьовані у двох трубних решітках.

Для забезпечення більшої  компактності нагрівальної камери застосовують апарати з зовнішніми циркуляційними трубами, що характеризуються, однак, дещо більшим гідравлічним опором циркуляційного контуру.

Перевагою підвісної нагрівальної камери є менша небезпека порушення щільності розвальцьовування нагрівальних труб внаслідок деформацій і дещо більш інтенсивна циркуляція розчину завдяки кільцевому каналу між корпусом апарату і нагрівальною камерою. Недоліки розглянутого апарату: менша компактність, а також ускладнення вузлів входу гріючого пара і виходу конденсату.

Рушійною силою природної  циркуляції є різниця гідростатичних тисків рідини в циркуляційної трубі або кільцевому каналі і парорідинної суміші

Отже, збільшення швидкості  циркуляції розчину можливо шляхом подовження нагрівальних труб.

Це призвело до створення  випарних апаратів з виносними нагрівальними камерами (рисунок 3.1), що дозволяють до того ж найбільш компактно зосередити більшу поверхню нагріву в одному апараті завдяки великій довжині труб (5-7 м). У промисловості знайшли застосування такі апарати двох типів: співвісними і виносними (розосередженими) нагрівальними камерами. Апарат з співвісним розташуванням сепаратора і нагрівальної камери відрізняється спокійним кипінням і особливо рекомендується для концентрування розчинів, що спінюються.

Рисунок 3.1 Випарний апарат з виносною нагрівальною камерою [1]

Дещо більшими габаритами відрізняються апарати з розосередженими сепараторами і нагрівальними камерами, але вони доступніші для ремонту та очищення. Істотною перевагою цих апаратів є також тангенціальний вхід парорідинної суміші в сепаратор по підйомній циркуляційній трубі; це полегшує відділення вторинної пари від розчину. Поверхня нагріву даних апаратів досягає 1000 м².

Нерідко застосовуються випарні апарати  з двома виносними нагрівальними  камерами, приєднаними до загального сепаратору. Перевагою таких апаратів, крім збільшеної поверхні нагрівання, є можливість відключення на робочому ходу однієї камери для її ремонту або заміни.

Швидкість природної  циркуляції розчину в розглянутих  апаратах рідко перевищує 1 м/с, що недостатньо для повного запобігання інкрустації поверхні нагрівання при випаровуванні кристалізуються розчинів. Один із шляхів боротьби з цим явищем полягає у виносі зони кипіння за межі нагрівальної камери. важливе значення в даному апараті має збірник твердого осаду (солевідділювач), оскільки для забезпечення нормальної роботи дуже важливо відокремити тверді частинки, що викристалізувалися з циркулюючого потоку розчину перед його входом в нагрівальну камеру.

Досвід показує, що інкрустація  поверхні нагрівання при концентрування розчинів може бути практично повністю виключена при високій швидкості циркуляції розчину в нагрівальних трубах (2,5-3,0 м/с). Такий робочий режим (примусова циркуляція розчину). може бути створений в випарної апараті будь-якої конструкції, зазвичай в апаратах з співвісними або виносними нагрівальними камерами, оснащеними відцентровими насосами. Недоліком апаратів з примусовою циркуляцією розчину є значна витрата енергії на циркуляційний насос.

Для випарювання термолабільних та спінюючих розчинів знайшли застосування плівкові апарати, що складаються з довготрубної (до 6-7 м) вертикальної нагрівальної камери і співвісного сепаратора. Рівень заповнення нагрівальних труб розчином, вступників знизу, становить звичайно 1/4 їх висоти. Особливістю розглянутого апарату є одноразовий прохід розчину через нагрівальну камеру (відсутня циркуляція), що триває 60 – 90 с. При деякому збільшенні площі застосовують не співвісне, а розосереджене розташування сепаратора і нагрівальної камери. Нарешті, при випаровуванні дуже в'язких розчинів використовують не описані вище апарати з висхідним, а апарати з низхідним рухом плівки. У цьому випадку вихідний розчин надходить у верхню частину нагрівальної камери і відводиться в суміші з вторинною парою з нижньої частини; сепаратор розташовується вже не вгорі, а внизу. 

Перевагами розглянутих  плівкових апаратів є короткочасний  контакт розчину з поверхнею  нагріву і деяке зростання  коефіцієнта теплопередачі. До числа  їх недоліків відносяться велика висота, важкість ремонту та очистки, велика чутливість до вмісту твердих частинок у випарюваному розчині і відносно невеликий обсяг останнього, що обумовлює нестійкість робочого режиму (коливання продуктивності і кінцевої концентрації). Поверхня нагріву плівкових апаратів досягає 2500 м².

Для випарювання термолабільних та в'язких розчинів знаходять все більш широке застосування плівкові роторні апарати. Усередині корпусу розміщений ротор у вигляді вертикального валу з насадженими на ньому лопатями. Ротор приводиться в обертання електромотором через клиноподібну передачу. Вихідний розчин надходить по штуцерів, часто розташованим тангенціально, підхоплюється обертовими лопатями, рівномірно розподіляється і стікає у вигляді тонкої плівки по внутрішній поверхні, що обігрівається корпусу. Концентрований розчин стікає в нижню конічну камеру, звідки він безперервно відводиться.  Найважливішими перевагами плівкових роторних апаратів є: короткочасний контакт розчину з поверхнею нагріву, високий коефіцієнт теплопередачі, можливість випарювання не тільки високов'язких (до 0,3 мПа·с), але також розчинів, що кристалізуються аж до отримання сухого залишку (поверхня нагріву безперервно очищується лопатями). До числа недоліків цих апаратів відносяться: обмежена продуктивність (поверхня нагріву не перевищує 25 м²), складність конструкції і відносно висока вартість [1].

Виходячи із огляду конструкцій випарних апаратів, при проектуванні випарного апарату для концентрування розчину лимонної кислоти, було вирішено прийняти двокорпусний випарний апарат з природною циркуляцією та співвісною гріючою камерою як найбільш доцільний.

Гріюча камера являє  собою одноходовий кожухотрубчастий теплообмінник, у верхній і нижній трубних решітках якого розвальцовані  кінці гріючих труб. Первинна пара подається в неї через вирізи в циліндричній обичайці камери. Вихідний розчин (якщо він нагрітий до температури кипіння) уводиться в нижню частину циркуляційного контуру через штуцер. Розчин піднімається по кип'ятильних трубах нагору, перетворюючись внаслідок підведення до нього тепла від первинної пари в парорідинну суміш.

Такий напрямок руху розчину  в апараті пояснюється тим, що в кип'ятильних трубах у результаті підведення тепла перебуває суміш  рідини з паром, а в циркуляційній  трубі внаслідок відсутності  обігріву втримується тільки  рідина. Густина рідини більше густини парорідинної суміші, а рух у циркуляційному контурі відбувається із зон з більшою густиною в зони з меншою густиною. Підвищення інтенсивності випарювання відбувається не тільки за рахунок збільшення різниці густин рідини і парорідинної суміші у циркуляційному контурі, а й за рахунок довжини кип’ятильних труб [5, 9].

 Вибираємо  конструкційний матеріал, стійкий  у середовищі киплячого розчину  лимонної кислоти в інтервалі зміни концентрацій від 10% до 65% .

Так як водний розчин лимонної кислоти є корозійно-активною речовиною, то в якості конструкційного матеріалу для основних деталей обираємо нержавіючу сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 380–94, що  має швидкість корозії менше, ніж 0,1 мм у рік, коефіцієнт теплопровідності λ_СТ = 17,5 Вт/(м∙К).

Ця сталь  відноситься до корозійностійких сталей аустенітно-феритного класу. Сталі цього типу отримали широке використання у різноманітних галузях промисловості, і перш за все у харчовій, в якості корозійностійкого матеріалу. При підготовці лимонної кислоти, наприклад, для харчової промисловості така властивість сталі, як корозійна стійкість є дуже важливою. Це зумовлено тим, що лимонна кислота є агресивним середовищем, а також необхідністю частої мийки і видалення накипу з апарату. Емальовані поверхні не є в даному випадку ідеальними, так як можливі сколи емалі, алюмінієві матеріали не підходять через можливість утворення подряпин, в яких розвивається несприятлива для лимонної кислоти мікрофлора [8].

Зборка апарату  проходить наступним чином (рисунок 3.2):

Спочатку до гріючої камери прикріплюється днище, потім – перехідник. До перехідника прикріплюється сепаратор із днищем (кришкою), у якому встановлений бризковловлювач. Для можливості закріплення труби бризковловлювача призначений додатковий люк у верхній частині сепаратора.

Рисунок 3.2 Складальні одиниці випарного апарату з  природною циркуляцією розчину  та співвісною гріючою камерою

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Технічна  характеристика випарного апарату

 

1. Апарат призначено для упарювання розчину лимонної кислоти від   

          початкової концентрації 10 % до кінцевої 65%.

2. Продуктивність за вихідним продуктом, кг/с           3,3.
3. Площа поверхні теплообміну, м²                 160.
4. Абсолютний тиск, МПа:

-гріючої водяної пари                   0,15;

-в барометричному конденсаторі               0,015.

5. Максимальна температура, ^оС:

-в трубному просторі                  111,3;

-в міжтрубному просторі                 111,3.

6. Середовище:

-в трубному просторі:                розчин лимонної кислоти;

-в міжтрубному просторі:                               водяна пара.

7. Маса, кг                           8600.
8. Напрямок руху пару та розчину                прямоток
9. Габаритні розміри, мм:

-довжина                 3000;

-ширина                  2500;

-висота                12500.

 

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  

 

 

 

5. Технологічні розрахунки

5.1 Матеріальний та тепловий баланс випарного апарату

Вихідні дані для розрахунку

 

Назва випарюваного розчину                                                  Лимонна кислота

Кількість розчину, що надходить G_н, кг/с                                            3,33 

Початкова масова концентрація x_н, %                                         10

Кінцева масова концентрація, x_к, %                                             65

Тиск гріючої пари Р_г.п., МПа                                                    0,15

Тиск в барометричному конденсаторі, Р_б.к, МПа                            0,015 

Напрямок руху пару та розчину                                                      прямоток

                                                                                                                                                                               

Матеріальний баланс

 

Розрахунок проводимо  за методикою [10].

Матеріальний баланс випарного апарату може бути складений  по всій кількості речовини:

                

де G_н - кількість розчину, що надходить в аппарат (продуктивність), [м³/с]

G_к - кількість розчину, що виходить з апарату, [кг/с]

W- продуктивність по випаровуваній воді.

Матеріальний баланс по розчину:

      

Кількість води, що випаровується:

 кг/с.

Розрахунок  концентрацій випарюваного розчину.

Приймаємо, що продуктивність кожного корпусу по випарюваній воді визначається співвідношенням w₁:w₂ = 1,0:1,1, тоді

Розраховуємо концентрації розчину по корпусах.

x₂ відповідає заданій концентрації упареного розчину x_к.

У першому наближенні загальний перепад тисків в установці  розподіляється по корпусах порівну. Загальний перепад тисків дорівнює:

,

де P_г1 і P_бк – тиск гріючої пари і тиск у барометричному конденсаторі відповідно

Перепад тисків в установці розподіляється по корпусах порівну, тоді на кожний корпус приймемо:

Тоді тиски по корпусах дорівнюють:

,

По тиску  знаходимо їхні температури та ентальпії парів [11]: