Аппарат с подвесной нагревательной камерой

По способу циркуляции выпарной аппарат с подвесной нагревательной камерой (рис. 12.12) напоминает предыдущую конструкцию. По центру корпуса 5 через сальник проходит труба 4, подводящая пар и соединенная с нагревательной камерой, которая имеет самостоятельный корпус 7, свободно подвешиваемый в нем на кронштейнах 8 для ликвидации термических напряжений в аппарате. В целях создания естественной циркуляции предусмотрено кольцевое пространство между корпусами аппарата и греющей камеры. В этом пространстве малоэмульсированная суспензия опускается вниз, передавливая вверх находящуюся в трубках более легкую парожидкостную смесь.

Соковый пар, пройдя через брызгоуловитель 1, удаляется из аппарата, уловленные капли раствора по трубе 2 возвращаются обратно в греющую камеру. Кристаллы собираются в нижней части конического днища и отводятся в один из двух фильтров 9, работающих поочередно: пока в одном из них фильтруется суспензия, из второго выгружается кристаллический продукт. Для периодической промывки аппарата водой предусмотрено оросительное устройство 3.

По сравнению с предыдущей конструкцией аппарат обеспечивает более интенсивную и стабильную циркуляцию.

Так как в местах крепления трубных решеток с корпусом отсутствуют прокладки, обычно сильно разрушающиеся в щелочных средах, то аппараты с подвесной нагревательной камерой применяют главным образом при кристаллизации из щелочных растворов. Однако по сравнению с предыдущей конструкцией эти аппараты более сложны по устройству.

Аппарат с выносной нагревательной камерой

Из всех аппаратов с естественной циркуляцией раствора наиболее надежным в эксплуатации является выпарной аппарат с выносной нагревательной камерой (рис. 12.13). Он состоит из нагревательной камеры 4 и сепаратора 2, соединенных между собой циркуляционными трубами 3 и 6. В греющих трубках раствор испытывает дополнительное давление столба жидкости, находящейся в <подъемной> трубе 3, поэтому интенсивное парообразование начинается лишь при переходе перегретого раствора в <подъемную> трубу и сепаратор.

В сепараторе происходит разделение парожидкостной смеси: соковый пар отводится через штуцер 1, а суспензия, состоящая из маточного раствора и кристаллов, по трубе 6 поступает в солесборник 5. В конической части солесборника кристаллы осаждаются и периодически или непрерывно отводятся на центрифугу. Маточный раствор с наиболее мелкими кристаллами из солесборника возвращается в нагревательную камеру, многократно циркулируя по контуру аппарата.

Вынос зоны парообразования из греющих трубок является надежным способом предохранения их от инкрустаций лишь при кристаллизации солей, растворимость которых с повышением температуры увеличивается. Этой меры оказывается недостаточно при выпаривании растворов солей с обратной растворимостью, так как именно возле теплопередающей поверхности образуется пересыщенное состояние. К тому же в <подъемной> трубе, где раствор интенсивно вскипает и поддерживается его максимальное пересыщение, велика вероятность образования инкрустаций уже независимо от характера растворимости соли.

Чтобы избежать инкрустации стенок сепаратора, целесообразно полировать их внутренние поверхности, подавать на стенку низкочастотные механические вибрации, а также вводить питающий раствор через орошающее устройство. Развитый объем раствора в сепараторе способствует эффективному снятию пересыщения и уменьшает вероятность образования инкрустаций в обратной трубе 6.

При наличии солесборника из аппарата можно отводить более концентрированную суспензию, облегчая последующую работу центрифуги. Однако при этом уменьшается содержание кристаллов в циркулирующей суспензии, а следовательно, возрастает опасность кристаллообразования на стенках аппарата. Поэтому очень часто из циркуляционного контура исключается солесборник (рис. 12.14), что способствует увеличению концентрации кристаллов в суспензии и скорости снятия возникающего в растворе пересыщения.

 

Для поддержания постоянного уровня раствора в сепараторе суспензия отбирается через фонарь 1, в котором через трубу 2 поддерживается то же давление, что и в сепараторе.

Длина греющих трубок в аппаратах этого типа принимается до 3-4 и даже 5-7 м, диаметр - не менее 50 мм. В зависимости от длины трубок, полезной разности температур и давления в сепараторе скорость циркуляции раствора в трубках колеблется от 1,2-1,5 до 1,8-2,0 м/с. Коэффициент теплопередачи доходит иногда до 2100 Вт/(м² град) или 1800 ккал/(м² ч град).

Чтобы уменьшить сопротивление циркуляционного контура, отношение сечения подъемной трубы к сечению греющих трубок принимают в пределах 1,5-2,0, что отвечает увеличению объема образующейся парожидкостной эмульсии. С этой же целью в верхней части подъемной трубы делается небольшой раструб.

Если упаривают пенообразующие растворы, то подъемную трубу делают сужающейся, а тепловую нагрузку аппарата увеличивают с таким расчетом, чтобы приведенная скорость пара в трубе была не менее 10 м/сек (при атмосферном давлении в сепараторе). Этой скорости достаточно для механического разрушения пены.

Выпарные аппараты с выносной нагревательной камерой широко применяются для кристаллизации солей как с прямой растворимостью (например, сульфат аммония), так и с обратной (например, при выпаривании алюминатных щелоков с выделением из них соды и сульфата натрия). Эти аппараты удобны в эксплуатации, так как расположение нагревательной камеры вне аппарата облегчает ее ремонт, а при необходимости и чистку трубок. В случае, если по условиям работы требуется сравнительно частая остановка аппарата для чистки трубок или ремонта, к одному сепаратору могут быть присоединены две или больше нагревательных камер, из которых одна может быть резервной.

Общим недостатком выпарных аппаратов с естественной циркуляцией является сравнительно небольшая скорость движения жидкости, что не всегда может предупредить образование инкрустаций. К тому же скорость циркуляции в большой степени зависит от стабильности параметров греющего пара и его подачи. Кроме того, для поддержания возможно больших скоростей циркуляции требуется иметь значительную разность температур между греющим паром и раствором (до 20-25°С), что не позволяет варьировать тепловую нагрузку аппарата в сторону ее уменьшения с целью получения более крупнокристаллического продукта. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией раствора лишены указанных недостатков.

Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией

Выше указывалось, что увеличение скорости движения раствора в аппарате является одним из общих методов борьбы с образованием инкрустаций. Это в полной мере относится к случаю выпаривания кристаллизующихся растворов.

В специально проведенной работе по упариванию растворов солей с прямой и обратной растворимостью было показано, что скорость образования кристаллов на поверхности теплопередачи является функцией степени турбулентности дви-жущегося раствора. Последняя, в свою очередь, определяет интенсивность теплопередачи. Из этого следует, что при одинаковой скорости кристаллообразования на поверхности существует связь между числом Рейнольдса и тепловой нагрузкой. Увеличение турбулентности потока снижает скорость кристаллообразования. Так, для растворов Nа₂SО₄, Nа₂НР0₄7Н₂О, Nа₂НРО₄12Н₂О и некоторых других эта связь выражается зависимостью

                  Q_кр = K Re^0,43

Где Q_кр  - тепловое напряжение поверхности, соответствующее определенной условной скорости кристаллообразования; К - постоянная, зависящая от природы раствора и поверхности теплообмена.

 

Из последнего уравнения следует, что с повышением турбулентности потока можно увеличивать тепловую нагрузку, не изменяя скорость образования инкрустаций.

Итак, увеличение скорости циркуляции раствора в аппарате уменьшает вероятность образования в нем инкрустаций и увеличивает надежность его работы.

Принудительная циркуляция в выпарных аппаратах создается специальными насосами, которые помещаются снаружи или внутри аппарата и могут обеспечивать любую скорость движения раствора.

В аппаратах небольших размеров для создания циркуляции могут быть использованы быстроходные пропеллерные мешалки. Одна из таких конструкций, изображенная на рис. 12.15, представляет собой короткотрубчатый выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой, снабженной пропеллерной мешалкой /. Спускная труба 2 служит для отвода из аппарата наиболее крупных кристаллов, мелкие же кристаллы уносятся обратно в циркуляционный контур восходящим потоком питающего раствора. Нижняя часть отмучивающего колена служит для улавливания сравнительно больших кусков соли, которые могут отваливаться с внутренних стенок аппарата и периодически выгружаться через нижний штуцер.

На рис. 12.16 показан усовершенствованный вариант подобного аппарата с более длинными трубками и с подвесной нагревательной камерой. Циркуляция в аппарате осуществляется при помощи пропеллерного насоса 2, установленного сверху над нагревательной камерой 3. Для создания равномерного потока суспензии и уменьшения гидравлических сопротивлений насос снабжен направляющим патрубком 1, а под нагревательной камерой расположена отражательная перегородка 4. Образующиеся кристаллы циркулируют по контуру аппарата и отводятся вместе с маточным раствором через штуцер 5.

Более простым и надежным в эксплуатации является аппарат с выносной нагревательной камерой (рис. 120), для циркуляции раствора в котором используется насос /, установленный вне аппарата. Питающий раствор, подаваемый в обратную трубу 2, смешивается с большим количеством циркулирующего маточного раствора, после чего подается в нагревательную камеру 3. Небольшая величина перегрева жидкости, а также наличие подъемной трубы 4 устраняют закипание раствора в греющих трубках; оно переносится в верхнюю часть трубы 4 и сепаратор 5. Для предупреждения отложений соли подъемную трубу иногда помещают на 1,0-1,5 м ниже уровня раствора. Таким образом, парообразование происходит в сепараторе.

Суспензию отводят через фонарь 6, позволяющий поддерживать постоянный уровень раствора в сепараторе. Наличие выносной нагревательной камеры, помимо эксплуатационных преимуществ (свободный доступ для осмотра и ремонта), позволяет осуществить тангенциальный безударный ввод парожидкостной смеси в сепаратор, что улучшает сепарацию пара от капелек раствора. Оптимальной скоростью циркуляции раствора по греющим трубкам следует считать 2,0-3,0 м/сек. При меньших скоростях возможно отложение соли на теплопередающей поверхности. Увеличение скорости циркуляции не экономично из-за резкого возрастания гидравлического сопротивления контура, а следовательно, и расхода энергии на привод насоса. К тому же при скорости движения раствора свыше 3,0-3,5 м/сек становится заметным механическое истирание кристаллов. Чтобы уменьшить измельчение кристаллов в циркуляционном насосе, скорость вращения рабочего колеса не должна превышать 50-60 рад/сек, или 480-570 об/мин. Так как сопротивление циркуляционного контура аппарата невелико, целесообразно использовать пропеллерные насосы, обладающие большой производительностью при сравнительно небольшом расходе энергии.