Расчёт барометрического конденсатора

 

Большим распространением пользуются многокорпусные выпарные установки, включающие несколько соединенных  друг с другом аппаратов (корпусов), работающих под давлением, понижающимся по направлению от первого корпуса  к последнему. В таких установках можно применять вторичный пар, образующийся в каждом предыдущем корпусе, для обогрева последующего корпуса. При этом свежим паром обогревается только первый корпус. Образующийся в  первом корпусе вторичный пар  направляется на обогрев второго  корпуса, в котором давление ниже, и т. д. Вторичный пар из последнего корпуса поступает в конденсатор (если этот корпус работает при разрежении) или используется вне установки (если последний корпус работает при  повышенном давлении). Таким образом, в многокорпусных выпарных установках осуществляется многократное использование  одного и того же количества тепла (тепла, отдаваемого греющим паром в  первом корпусе), что позволяет сэкономить значительное количество потребляемого  свежего пара.

 

Многократное  использование тепла возможно также  в однокорпусных выпарных установках, если сжать вторичный пар при  помощи компрессора или пароструйного  инжектора до давления, позволяющего применять пар для обогрева того же аппарата, в котором этот пар  образовался.

 

Выпарные  установки с сжатием вторичного пара, называемые аппаратами с тепловым насосом (или с термокомпрессией).

1. Литературный обзор

 

Разнообразные конструкции выпарных аппаратов, применяемые  в промышленности, можно классифицировать по типу поверхности нагрева (паровые  рубашки, змеевики, трубчатки различных  видов) и по ее расположению в пространстве (аппараты с вертикальной, горизонтальной, иногда с наклонной нагревательной' камерой), по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители, электрический ток и др.). а также в зависимости от того, движется ли теплоноситель снаружи или внутри труб нагревательной камеры. Однако более существенным признаком классификации выпарных аппаратов, характеризующим интенсивность их действия, следует считать вид и кратность циркуляции раствора.

Различают выпарные аппараты с неорганизованной, или свободной, направленной естественной и принудительной циркуляцией раствора.

Выпарные  аппараты делят также на аппараты прямоточные, в которых выпаривание  раствора происходит за один его проход через аппарат без циркуляции раствора, и аппараты, работающие с  много - кратной циркуляцией раствора.

В зависимости  от организации процесса различают  периодически и непрерывно действующие  выпарные аппараты.

Ниже  подробно показаны лишь наиболее распространённые, главным образом типовые, конструкции  выпарных аппаратов.

Аппараты  со свободной циркуляцией раствора.

Простейшими аппаратами этого типа являются периодически действующие открытые выпарные чаши с паровыми рубашками (для работы при атмосферном давлении) и закрытые котлы с рубашками, работающие под  вакуумом.

В выпарных аппаратах с рубашками происходит малоинтенсивная неупорядоченная .циркуляция выпариваемого раствора вследствие разности плотностей более нагретых и менее нагретых частиц. Поэтому в аппаратах с рубашками коэффициенты теплопередачи низки.

Значительно большей поверхностью нагрева в  единице объема обладают з м е е в и к о в ы е выпарные аппараты (рис. 1). В корпусе1 такого аппарата размещены паровые змеевики 2, а в паровом пространстве установлен брызгоуловитель 3. При проходе через брызгоуловитель поток вторичного пара изменяет направление своего движения и из него выделяются унесенные паром капли жидкости.

Змеевики  выполняют из отдельных секции, так  как у длинных змеевиков, вследствие • накопления конденсата, поверхность  нагрева плохо используется. Кроме того, при секционировании змеевиков можно последовательно отключать отдельные секции по мере понижения уровня раствора в периодически действующем аппарате.

 

 

Рисунок 1 Змеевиковый выпарной аппарат:

1 –  корпус; 2 – паровые змеевики; 3 –  брызгоуловитель.

 

Вертикальные  аппараты с направленной естественной циркуляцией.

 

В аппаратах  этого типа выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое распространение в промышленности.

Основным  достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

Как будет  показано ниже, развитие конструкции таких аппаратов происходит в направлении усиления естественной циркуляции. Последнее возможно путем увеличения разности весов столбов жидкости в опускной трубе и паро-жидкостной смеси в подъемной части контура. Это достигается посредством:

1) увеличения  высоты кипятильных (подъемных)  труб и повышения интенсивности  парообразования в них с целью уменьшения плотности парожидкостной смеси, образующейся из кипящего раствора;

2) улучшения  естественного охлаждения циркуляционной  трубы для того, чтобы опускающаяся в- ней жидкость имела возможно большую плотность;

3) поддержания  в опускной трубе определенного  уровня жидкости, необходимого для  уравновешивания столба парожидкостной  смеси в подъемных трубах при  заданной скорости ее движения.

 

 

 

Рисунок 2 Выпарной аппарат с горизонтальной трубчатой нагревательной камерой и вертикальным цилиндрическим корпусом:

1 –  корпус; 2- нагревательная камера; 3 –  сепаратор.

 

Аппараты  с внутренней нагревательной камерой  и центральной циркуляционной трубой.

В нижней части  вертикального корпуса / (рис. 3) находится  нагревательная камера 2, состоящая  из двух трубных решеток, в которых  закреплены, чаще всего развальцованы, кипятильные трубы 3 (длиной 2—4 м) и  циркуляционная труба 4 большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубное пространство нагревательной камеры подается греющий пар.

Раствор поступает  в аппарат над верхней трубной  решеткой и опускается по циркуляционной трубе вниз, затем поднимается кипятильным трубам и на некотором расстоянии от их4 нижнего края вскипает. Поэтому на большей части длины труб происходит движение вверх паро-жидкостной смеси, содержание пара в которой возрастает по мере ее движения. Вторичный пар поступает в сепарационное (паровое) пространство 5, где с помощью брызгоуловителя 6, изменяющего направление движения парового потока, от пара под действием инерционных сил отделяется унесенная им влага. После этого вторичный пар удаляется через штуцер сверху аппарата.

 

 

Рисунок 3 Выпарной аппарат с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой:

1 –  корпус; 2 – нагревательная камера; 3 – кипятильные трубы; 4 – циркуляционная  труба; 5 – сепарационное пространство; 6 – брызгоуловитель.

 

Рисунок 4 Выпарной аппарат с подвесной нагревательной камерой:

1 –  нагревательная камера; 2 – корпус; 3 – паровая труба; 4 – брызгоуловитель; 5 – сливные трубы; 6 – перфорированная труба для промывки.

Аппараты  с подвесной нагревательной камерой.

В аппарате такого типа (рис. 4) нагревательная камера 1 имеет собственную обечайку и  свободно установлена в нижней части  корпуса 2 аппарата. Греющий пар подается через трубу 3 и поступает в  межтрубное пространство нагревательной камеры, снизу которого отводится конденсат. Поступающий на выпаривание раствор опускается вниз по каналу кольцевого поперечного сечения, образованному стенками обечайки подвесной камеры и стенками корпуса аппарата. Раствор поднимается по кипятильным трубам, и, таким образом, выпаривание происходит при естественной циркуляции раствора.

 

Аппараты  с выносными циркуляционными  трубами.

Как отмечалось, естественная циркуляции раствора может  быть усилена, если раствор на опускном участке циркуляционного контура  будет лучше охлаждаться. Этим увеличивается  скорость естественной циркуляции в  выпарных аппаратах с выносными циркуляционными трубами (рис. 5). При расположении циркуляционных труб вне корпуса аппарата диаметр нагревательной камеры / может быть уменьшен по сравнению с камерой аппарата на рис. 3, а циркуляционные трубы 2компактно размещены вокруг нагревательной камеры. На рис. 5 показан аппарат с одной выносной циркуляционной трубой, причем центробежный брызгоуловитель 3 для осушки вторичного пара также вынесен за пределы сепарацибнного (парового) пространства 4 аппарата.

Конструкций таких аппаратов несколько более  сложны, во в них достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход металла на 1 мг поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

 

Аппараты  с выносной нагревательной камерой.

 

При размещении нагревательной камеры вне корпуса" аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только, за счет увеличения разности плотностей жидкости и паро-жидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Аппарат с  выносной нагревательной камерой (рис. 6) имеет кипятильные трубы, длина  которых часто достигает 7 м. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что  циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту. Выносная нагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает в ускоряет её чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки' аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоеденить к его корпусу две камеры.

 

Рисунок 5 Выпарной аппарат с выносной циркуляционной трубой:

1 –  нагревательная камера; 2 – циркуляционная  труба; 3 – центробежный брызгоуловитель; 4 – сепарационное пространство.

 

Рисунок 6 Выпарной аппарат с выносной нагревательной камерой:

1 –  нагревательная камера; 2 – сепаратор; 3 – необогреваемая циркуляционная труба; 4 – брызгоуловитель.

 

Аппараты  с вынесенной зоной кипения.

 

При скоростях 0,25—1,5 м/сек с которыми движется раствор в аппаратах с естественной циркуляцией, описанных ранее, не удается предотвратить отложения твердых осадков на поверхности теплообмена. Поэтому требуется периодическая остановка аппаратов для очистки, что связано со снижением их производительности и увеличением стоимости эксплуатации.

Загрязнение поверхности теплообмена при выпариваний кристаллизующихся растворов можно значительно уменьшить путем увеличения скорости циркуляции раствора и вынесением зоны его кипения за пределы нагревательной камеры.

Циркулирующий раствор опускается по наружной необогреваемой трубе 4. Упаренный раствор отводится из кармана в нижней части сепаратора 3. Вторичный пар, пройдя отбойник 5 и брызгоуловитель 6, удаляется сверху аппарата. Исходный раствор поступает либо в нижнюю часть аппарата (под трубную решетку нагревательной камеры), либо сверху в циркуляционную трубу 4.

Вследствие  большой поверхности испарения, которая создается в объеме кипящего раствора, и частичного самоиспарення капель, унесенных вторичным паром, значительно снижается брызгоунос. Кипящий раствор не соприкасается с поверхностью теплообмена, что уменьшает, отложение накипи.

Рисунок 7  Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения:

1 –  нагревательная камера; 2 – труба  вскипания; 3 – сепаратор; 4  –  необогреваемая циркуляционная труба; 5 – отбойник; 6 – брызгоуловитель.

Рисунок 8  Выпарной аппарат с поднимающейся плёнкой:

1 –  нагревательная камера; 2 – сепаратор; 3 – отбойник; 4 – брызгоуловитель

 

Прямоточные аппараты.

 

Принципиальное  отличие этих аппаратов от аппаратов  с естественной циркуляцией состоит  в том, что выпаривание в них  происходит при однократном прохождении  выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры. Таким образом, выпаривание  осуществляется без циркуляции раствора. Кроме того, раствор выпаривается, перемещаясь на большей части  высоты; кипятильных труб в виде тонкой пленки по внутренней поверхности  трубы. В центральной части труб вдоль их оси движется вторичный  пар, Это приводит к резкому снижению температурных потерь, обусловленных  гидростатической депрессией.

Различают прямоточные  выпарные аппараты с поднимающейся  и опускающейся пленкой.

Аппарат с  поднимающейся пленкой (рис. 8) сотоит из нагревательной камеры 1, представляющей собой пучок труб небольшого диаметра/(15—25 мм) длиной 7—9 м, и сепаратора 2.

Раствор на выпаривание поступает снизу  в трубы нагревательной камеры, межтрубное пространство которой обогревается греющим паром. На уровне, соответствующем обычно 20—25% высоты труб, наступает интенсивное кипение. Пузырьки вторичного пара сливаются и пар, быстро поднимаясь по трубам, за счет поверхностного трения увлекает за, собой раствор.

 

Роторные  прямоточные аппараты.