ВЫПАРИВАНИЕ С ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ

Многокорпусным выпарным установкам присущ ряд недостатков: высокая стоимость оборудования, большая занимаемая площадь, высокая температура кипения раствора в первых корпусах. Эти недостатки устраняются при однокорпусном выпаривании с тепло­вым насосом. Вторичный пар, образующийся при упаривании раствора, с помощью турбокомпрессора или парового инжектора

372

сжимают до давления греющего пара и вновь подают в нагрева­тельную камеру этого же аппарата.

Таким образом, первичный греющий пар необходим в основном для пуска аппарата в работу, а затем-в небольшом количестве - для компенсации снижения теплоты конденсации пара после его сжатия в тепловом насосе и потерь теплоты в окружающую среду.

Принципиальная схема выпарного аппарата с тепловым насосом показана на рис. 14-6. В данном случае вторичный пар полностью поступает в турбокомпрессор с приводом от электродвигателя или, реже,-паровой турбины. Затем этот пар направляют в нагреватель­ную камеру.

Расход греющего пара D для выпарного аппарата с тепловым насосом может быть определен из уравнения, аналогичного уравне­нию (14.7):

(14.31)

где H_впс -энтальпия сжатого вторичного пара (после сжатия в компрессоре).

Первичный пар

Однако необходимость исполь­зования для работы дорогостоя­щей электрической энергии сужа­ет области применения выпарных аппаратов с турбокомпрессора­ми. Экономически целесообраз­нее использование для этих целей более дешевых видов энергии, в частности энергии пара, например с помощью пароструйных инжек­торов. В этом случае вторичный пар подают в инжектор, где он сжимается до давления греющего пара посредством рабочего пара более высоких термодинамичес­ких параметров. Если массовая единица рабочего пара инжекти­рует п массовых единиц вторич­ного пара, то в результате инжек­ции образуется греющий пар в ко­личестве D_р (1 + n) (где D_р-рас­ход рабочего пара), который по­дают в греющую камеру. Вторая часть вторичного пара, равная W- , может быть направлена на другие производственные нуж-

ды. Тепловой баланс выпарного аппарата для этого случая записы­вается в следующем виде:

(14.32)

Величину n часто называют коэффициентом инжекции. По физическому смыслу он представляет собой отношение расходов вторичного D _в и рабочего D_р паров, т.е. D_в/D_р. В реальных условиях работы выпарных установок коэффициент инжекции со­ставляет 0,2-0,5. Таким образом, расход рабочего греющего пара в выпарном аппарате с пароструйным инжектором обратно пропор­ционален коэффициенту инжекции. Наибольшие коэффициенты ин­жекции характерны для невысоких степеней сжатия. Такие условия обеспечиваются при выпаривании растворов, имеющих сравнитель­но небольшую температурную депрессию (не более 10-15°С) и не­высокую полезную разность температур. Расчеты показывают, что при использовании высокопроизводительных турбокомпрессоров выпарные аппараты с тепловым насосом могут выдержать конку­ренцию с многокорпусными выпарными установками.

14.5.КОНСТРУКЦИИ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

Наибольшее распространение в химической и смежных отраслях промышленности получили высокопроизводительные выпарные ап­параты непрерывного действия, особенно трубчатые выпарные аппараты разл 1чных типов. Нагревательные камеры таких аппара­тов могут быть непосредственно соосно соединены с сепараторами в единое устройство. Возможно и устройство, состоящее из двух самостоятельных элементов: нагревательной камеры и сепаратора.

Выпарные аппараты классифицируются по различным призна­кам. Наиболее существенной является классификация по принципу организации циркуляции кипящего раствора в аппарате. Различают выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией раствора, пленочные и барботажные (с погружными горелками) аппараты.

Хорошая циркуляция раствора в аппарате способствует интен­сификации теплообмена, в первую очередь со стороны кипящей жидкости. Как известно, увеличение скорости движения жидкости приводит к уменьшению толщины теплового пограничного слоя, снижению его термического сопротивления и повышению коэффи­циента теплоотдачи. Кроме того, циркуляция раствора предотвра­щает быстрое отложение на стенках кипятильных труб твердой фазы (накипи). Появляется возможность осуществ 1кть выпаривание кристаллизующихся и высоковязких растворов.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией. Одна из конст­рукций таких аппаратов-с центральной циркуляционной трубой- показана на рис. 14-1. Циркуляция раствора в таких аппаратах вызывается различием плотностей парожидкостной смеси в цирку­ляционной трубе и кипятильных трубах. Скорость (кратность)

циркуляции здесь невелика (скорость движения парожидкостной смеси составляет 0,3-0,8 м/с). Поэтому коэффициенты теплопере­дачи также относительно низкие. Несмотря на достаточную просто­ту, аппараты этого типа заменяются на другие-с более интенсив­ной циркуляцией.

На рис. 14-7 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.

Существенного снижения отложения солей можно достичь при использовании аппаратов с вынесенной зоной кипения (рис. 14-8). 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 попадает 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.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией. Более высо­кие кратности циркуляции, соответствующие скоростям движения парожидкостной смеси более 2-2,5 м/с, достигаются в выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией (рис. 14-9). Повышение кратности циркуляции обеспечивается установкой в циркуляцион­ной трубе осевых насосов 5, обладающих высокой производитель­ностью. В связи с более высокими скоростями движения жидкости в этих аппаратах достаточно высоки коэффициенты теплопередачи- более 2000 Вт/(м²-К), поэтому такие аппараты могут эффективно работать при меньших полезных разностях температур (равных 3—5 °С). В аппаратах с принудительной циркуляцией можно с успе­хом концентрировать высоковязкие или кристаллизующиеся рас­творы.

В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной цирку­ляцией выполняют с вынесенной нагревательной камерой (см. рис. 14-9, 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 соос­

ными греющей камерой и сепаратором (см. рис. 14-9,6) 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 находился при повышенных температурах достаточно длительное время (а отдельные частицы жидкости - бес­конечно долго). Это существенно затрудняет выпаривагие нетермо­стойких растворов. Для таких растворов можно использовать пленочные выпарные аппараты.

Пленочные выпарные аппараты. Их относят к группе аппаратов, работающих без циркуляции; процесс выпаривания осуществляется за один проход жидкости по кипятильным трубам, причем раствор движется в них в виде восходящей или нисходящей пленки жидко­сти. Как правило, эти аппараты работают при прямоточном движе­нии раствора и образующегося вторичного пара, который занимает центральную часть труб. В связи с этим здесь отсутствует гидро­статический столб парожидкостной смеси и, следовательно, гидро­статическая депрессия. Для обеспечения заданных пределов измене­ния концентраций упариваемых растворов кипятильные трубы де­лают длинными (6-10 м).

Выпарной аппарат с восходящей пленкой жидкости (рис. 14-10, а) работает следующим образом. Снизу заполняют раствором трубы на ¹/₄-¹/₅ их высоты, подают греющий пар, который вызывает интенсивное кипение. Выделяющийся вторичный пар, поднимаясь по трубам, за счет сил поверхностного трения увлекает за собой раствор. В сепараторе пар и раствор отделяются друг от друга.

В выпарном аппарате с нисходящей пленкой жидкости (рис. 14- 10,а ) исходный раствор подают в верхнюю часть нагревательной камеры 1, где обычно расположен распределитель жидкости, из которого последняя по трубам стекает вниз. Образующийся вторич­ный пар также движется в нижнюю часть нагревательной камеры, откуда вместе с жидкостью попадает в сепаратор 2 для отделения от раствора.

Для снижения температуры кипения раствора процесс, как пра­вило, проводят под вакуумом. В этих аппаратах удается упаривать также растворы, склонные к интенсивному ценообразованию. Вмес­те с этим пленочным аппаратам свойствен рад недостатков. Они очень чувствительны к изменениям нагрузок по жидкости, в особен­ности при малых расходах растворов. Существует определенный минимальный расход раствора, ниже которого не удается достиг­нуть полного смачивания поверхности теплопередачи. Это может приводить к местным перегревам трубок, выделению твердых осадков, резкому снижению интенсивности теплопередачи. В таких аппаратах не рекомендуется выпаривать кристаллизующиеся раст-

Для них также требуются большие производственные пло­щади.

Всем трубчатым выпарным аппаратам свойствен существенный недостаток: в них затруднительно, а часто и практически невозмож­но выпаривать агрессивные растворы. Для таких растворов приме­няют аппараты, в которых отсутствуют теплопередающие поверх­ности, а процесс теплообмена осуществляют пугем непосредствен­ного соприкосновения теплоносителя (нагретых или топочных га­зов) с упариваемым раствором.

Барботажные выпарные аппараты с погружными горелками. Для выпаривания таких агрессивных жидкостей, как серная, фосфорная, хлороводородная кислоты, сульфаты и хлориды некоторых метал­лов и др., наиболее эффективным способом оказался барботаж дымовых газов с помощью погружных грелок 2 (рис. 14-11), работающих на газообразном или жидком топливе. В этом методе выпаривания создаются хорошие условия для тепломассообмена между дымовыми газами и жидкостью, гак как дымовые газы при барботаже в растворы распыляются в виде пузырьков, образуя газожидкостную смесь, обладающую большой межфазной поверх­ностью.

Интенсивное испарение раствора обеспечивается насыщением газовых пузырьков водяным паром.

Большим достоинством барботажных выпарных аппаратов яв­ляется возможность изготавливать их из обычной углеродистой стали, однако их приходится футеровать самыми разнообразными антикоррозионными материалами: керамикой, графитом, резиной, пластмассами и др.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: