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.

Заключение

Обобщить изученные вопросы. Подвести итоги лекции. Ответить на вопросы.

Выдать задание для самостоятельного изучения – изучить материал лекции по конспекту, рекомендуемую литературу.

Задание для самостоятельного обучения:

1. Выпарные и кристаллизационные установки: Учеб. пособие / Конахин А.М., Конахина И.А. и др. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2006. [6-36]

2. Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. - 3-е издание. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. [235-350].

Кандидат технических наук,

доцент Е.Е.Костылева

Дата добавления: 2014-01-06