Материал: Гидравлический расчет продуктовой линии и подбор нагнетательного оборудования

Корпус аппарата сундучной или цилиндрической формы. В первом случае при работе аппарата под избыточным давлением или вакуумом требуется добавочное крепление плоских стенок во избежание их деформации.

К числу достоинств аппарата относятся: большое зеркало испарения, большое паровое пространство, большая аккумулирующая способность, удобство очистки поверхности нагрева путем выемки трубок из аппарата, малые потери полезной разности температур от гидростатического эффекта ввиду небольшой высоты уровня раствора в аппарате. По опытным данным К приближается к значениям для вертикальных аппаратов с организованной циркуляцией. Недостатки аппарата: громоздкость, большая площадь пола, занимаемая аппаратом, удорожание ремонта, что связано с выемкой и обратной постановкой трубок на резиновом уплотнении.

Рисунок 3. Горизонтальный выпарной аппарат.

- корпус; 2 - паровая камера; 3 - ловушка.

К числу горизонтальных аппаратов относятся аппараты с горизонтальными трубками, внутри которых кипит упариваемый раствор (рисунок 4), пар подается снаружи трубок. Трубки имеют U-образную форму, поверхность нагрева при необходимости откатывается на тележке.

К достоинствам аппарата относится удобство ремонта, благодаря возможности откатки поверхности нагрева, большое паровое пространство.

Недостатком его является трудность внутренней очистки U-образных трубок (в последнее время U-образные трубки заменены прямыми вальцованными в две трубные решетки). Кипение внутри горизонтальных трубок небольшого диаметра затруднено.

По весовым показателям этот аппарат значительно уступает современным вертикальным аппаратам, ввиду чего он не оправдывает себя из-за значительного перерасхода металла.

Рисунок 4. Выпарной аппарат с горизонтальной выносной нагревательной камерой.

- корпус; 2 - нагревательная камера; 3 - брызгоулавливатель.

Для упаривания кристаллизующихся растворов применяют аппараты с коническим днищем, имеющим угол наклона, больший, чем угол естественного откоса кристаллизующейся массы.

Одно время сравнительно большое распространение получили пленочные аппараты с однократной циркуляцией раствора (рисунок 5). Основная идея этой конструкции заключается в снижении потерь полезной разности температур от гидростатической депрессии. В аппарат подается мало раствора (на 1/4 высоты трубок), в нижнюю же часть подается и греющий пар, вследствие чего образуется много паровых пузырьков, увле-кающих за собой раствор, всползающий вверх по стенке тонкой пленкой.

Парожидкостная эмульсия, выходящая из трубок ударяется о поверхность спирального сепаратора, получает вращательное движение и отбрасывается центробежной силой па периферию, благодаря чему происходит довольно совершенная сепарация пара. Упаренный раствор через штуцер по трубе переходит в следующий аппарат.

Таким образом, при использовании эффекта всползания происходит выпаривание в тонком слое при однократной циркуляции раствора. При большой длине кипятильной трубки не вся поверхность нагрева используется эффективно, так как в верхней части возможны разрыв и высыхание пленки и здесь имеет место теплоотдача от стенки к влажному пару. В этих аппаратах не наблюдается ожидавшаяся большая интенсивность теплоотдачи при кипении. Если при этом учесть значительную высоту трубок, требующих устройства в крыше "фонаря” для их выемки при ремонте, и неудобство замены длинных трубок, то станет понятным, почему в последнее время эти аппараты больше не выпускаются.

Пленочный аппарат, как было уже указано, характеризуется однократной циркуляцией и быстрым прохождением раствора, что предохраняет растворы, чувствительные к высоким температурам, от порчи, что является его некоторым преимуществом, особенно при применении установки под давлением; однако вследствие однократного прохождения раствора и малой аккумулирующей способности аппарата, он чувствителен к колебаниям в работе завода, и трудно получить упаренный раствор равномерной концентрации, что является его недостатком.

Труба, отводящая упаренный раствор на следующий аппарат, должна иметь гидравлический затвор (сифон) соответствующей высоты для предотвращения возможного прорыва пара в трубное пространство следующего аппарата.

Ко всему сказанному следует добавить, что он и дороже обычного вертикального аппарата при отсутствии веских преимуществ.

Рисунок 5. Пленочный выпарной аппарат.

К числу конструкций, нормализованных Главхиммашем, относится выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева (рисунок 6), который целесообразно применять для пенящихся растворов, так как не будет уноса капелек жидкости и пены со вторичным паром. Эти аппараты работают при интенсивной естественной циркуляции, благодаря наличию необогреваемой циркуляционной трубы и достаточной высоты циркуляционного столба жидкости. Выносная паровая камера облегчает очистку и ремонт аппарата, благодаря хорошему доступу к трубкам. Эта конструкция допускает и секционирование аппарата путем присоединения нескольких трубчаток к одному сепаратору. Наличие нескольких секций позволяет выключить одну из них для ремонта и очистки при бесперебойной работе аппарата в целом. Стоимость единицы поверхности этого аппарата не превышает стоимости обычного.

Рисунок 6. Выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева.

В некоторых случаях применяются аппараты с принудительной циркуляцией (рисунок 7).

Как видно из рисунка 7, свежий раствор поступает в аппарат снизу, концентрированный раствор отбирается в нижней части сепаратора. Парообразование имеет место в верхней части кипятильных трубок, причем ввиду большой кратности циркуляции парожидкостная эмульсия содержит в основном жидкую фазу.

Струя парожидкостной эмульсии выбрасывается из трубок. Благодаря наличию здесь довольно совершенного сепаратора происходит хорошее отделение капелек жидкости от пара.

Рисунок 7. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора.

Так как в этих аппаратах жидкость движется по трубкам с большой скоростью (2-3 м/сек) под давлением, поэтому в трубках температура раствора выше температуры кипения и точка закипания находится у верхнего конца трубки. Благодаря большой скорости движения раствора отложения здесь меньше.

Аппараты с принудительной циркуляцией целесообразно применять в определенном интервале нагрузок и главным образом при упаривании вязких жидкостей, когда естественная циркуляция затруднена. В этих условиях а₂ получается более высоким, чем в обычных аппаратах, но зато на привод циркуляционного насоса требуется довольно значительная затрата мощности, поэтому целесообразность применения подобных аппаратов должна быть обоснована соответствующим технико-экономическим расчетом.

Рисунок 8. Выпарной аппарат с усиленной естественной циркуляцией.

В последнее время предложен и испытан с положительными результатами новый выпарной аппарат с усиленной естественной циркуляцией для выпаривания кристаллизующихся растворов.

Принципиальная схема аппарата следующая (рисунок 8): аппарат состоит из корпуса 1 и трубных решеток 2, в которых развальцованы греющие трубки 3. Над ними на высоте 3 метра установлены концентрические перегородки 4, образующие кольцевые каналы. Внутри аппарата расположена циркуляционная труба 5, внизу камера 6 для осаждения кристаллов.

В греющих трубках происходит только подогрев раствора, закипает же он в каналах, образованных концентрическими перегородками. Так как размеры каналов невелики, относительная скорость паровых пузырьков, величина которых ограничена размерами каналов, мала, следовательно, высота кипящего слоя будет значительной.

В зависимости от размеров каналов должна меняться высота концентрических перегородок. С увеличением высоты перегородок возрастает высота кипящего слоя и поэтому увеличивается движущий напор, который обусловливает циркуляцию, увеличивается скорость циркуляции в греющих трубках и улучшается работа аппарата. Установка концентрических перегородок в зоне кипения позволяет упорядочить поток вскипающей жидкости, предупреждает образование вредных обратных циркуляционных потоков в зоне вскипающего слоя, а также пульсацию. Таким образом, подобрав высоту слоя раствора над греющими трубками, высоту перегородок и расстояние между ними, можно сконструировать аппарат, удовлетворяющий требованиям, предъявляемым при выпаривании кристаллизующихся растворов.

2. Технические описания и расчеты

2.1 Описание принципа работы технологической схемы

Сыворотка подсырная поступает в емкость Е1 откуда подается на выпаривание центробежными насосами Н1 и Н2 и с начальной температурой 20⁰С в пластинчатый подогреватель ПП2, который состоит из десяти секций. Там она нагревается до температуры 30⁰С при помощи конденсата, который образовался из вторичного пара выпарного аппарата с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой. После этого сыворотка подсырная подается в пластинчатый подогреватель ПП2, который состоит из восемнадцати секций. Там она подогревается до температуры 55⁰С который образовался из греющего пара. После чего сыворотка подсырная подается в выпарной аппарат АВ1 с естественной циркуляцией и вынесенной греющей камерой. В выпарном аппарате сыворотка кипит и в результате чего выпаривается влага из продукта. Образовавшийся вторичный пар делится на две части, одна из которых идёт на термокомпресор ТК, где смешивается с острым паром и образуется греющий пар. А вторая часть подается в качестве греющего пара во второй вакуум аппарат. Сыворотка подсырная подается из первого аппарата во второй вакуум - выпарной аппарат со свободно стекающей плёнкой АВ2, при помощи центробежного насоса НЦ1, где сыворотка стекая по трубкам концентрируется и направляется в емкость Е2 на хранение. Образовавшийся вторичный пар идет в конденсатор кожухотрубный КК где конденсируется благодаря подаваемой холодной воды до температуры 45⁰С.

2.2 Описание принципа работы проектируемого аппарата

Аппараты этого типа условно подразделены на две группы - А и Б. Аппараты группы А с зоной кипения раствора в греющих трубах рекомендуется применять для упаривания растворов, не выделяющих осадок на внутренней поверхности греющих труб, а также растворов, выделяющих незначительный осадок, удаляемый механическим способом.

Аппараты группы Б с вынесенной зоной кипения рекомендуется применять для упаривания растворов, выделяющих на внутренней поверхности греющих труб значительный осадок, удаляемый механическим способом.

Аппараты состоят из греющей камеры, сепаратора, циркуляционной трубы с коленом и конусом, подсоединенным к нижней части греющей камеры, и трубы вскипания (для аппарата группы Б).

Греющая камера представляет собой одно ходовой пучок труб, заключенных в обечайке. Концы труб завальцованы в нижнюю и верхнюю трубные решеки, приваренные к обечайке. Подача пара - через штуцер А, вваренный в расширительную камеру, предназначенную для равномерного распределения пара в межтрубном пространстве. Обечайка расширительной камеры соединена с обечайкой греющей камеры полулинзами, которые обеспечивают компенсацию температурных удлинений труб и обечайки греющей камеры. В нижней части греющей камеры вварены штуцера для выхода конденсата греющего пара и технологические штуцера для промывки. В верхней и нижней частях греющей камеры установлены штуцера для сдувки неконденсирующегося газа. Над греющей камерой в аппаратах группы А установлена парорастворная камера со съемной верхней крышкой для чистки труб, в аппаратах группы Б - труба вскипания

В отличие от аппаратов группы А в аппаратах группы Б кипение раствора происходит в трубе вскипания. Кипение раствора в греющих трубах уменьшается за счет гидростатического давления столба жидкости в трубе вскипания. Таким образом, образование накипи на внутренней поверхности греющих труб значительно замедляется, а следовательно, длительность работы аппарата между промывками и чистками увеличивается. При пуске аппараты заполняют раствором до рабочего уровня, соответствующего оси штуцера, соединяющего парорастворную камеру с сепаратором. После заполнения раствором в аппарат подают греющий пар. Пар конденсируется в межтрубном пространстве, конденсат отводится через штуцер. Циркуляция раствора - по замкнутому контуру. В трубах выпариваемый раствор вскипает и поднимается в парорастворную камеру, а затем тангенциально - в сепаратор. В сепараторе происходит разделение жидкой и паровой фаз. Вторичный пар через каплеотделитель удаляется из сепаратора, а жидкая фаза по циркуляционной трубе направляется в нижнюю часть греющей камеры. Подача раствора в аппарат и отбор упаренного раствора осуществляется непрерывно.

Естественная циркуляция при выпаривании происходит благодаря тому, что на единицу объема жидкости в кипятильных трубках приходится большая поверхность нагрева, и образование пузырьков пара в них протекает интенсивно, в связи с чем удельный вес выпариваемого продукта, находящегося в кипятильных трубках калоризатора, будет меньше, чем у продукта протекающего через циркуляционную трубу большего диаметра, в которой он не подогревается.

Таким образом, естественная циркуляция в контуре создается вследствие разности удельных весов кипящего продукта в подъемном участке и не кипящего - в опускном. При этом движущий напор Р_дв определяется как произведение высоты подъемного участка L на разность удельных весов продукта γ_пр и парожидкостной смеси γ_см.

Р_дв = L (γ_пр - γ_см) кг/м²

Из этого уравнения видно, что при прочих равных условиях увеличить скорость циркуляции, а следовательно, и движущей напор можно, уменьшив γ_см, т.е. повысив содержание пара в парожидкостной смеси. Это может быть достигнуто увеличением степени нагрева продукта в кипятильных трубках.

При увеличении скорости естественной циркуляции улучшается теплоотдача и, как было уже сказано, уменьшается образование накипи на внутренней поверхности кипятильных трубок калоризатора. В таком случае установка работает более эффективно.

Скорость естественной циркуляции в среднем можно считать равной 1.0-1,2 м/сек.

Для улучшения естественной циркуляции выпариваемой жидкости в вакуум-аппарате с выносным калоризатором необходимо стремиться к минимальной длине циркуляционных труб, чтобы свести к минимуму гидравлическое сопротивление системы.

2.3 Материальный расчет установки

X_нач = 6% - концентрация сухих веществ в сыворотке подсырной до упаривания;