4.4.3. Вертикальні апарати з напрямленою природною циркуляцією
В апаратах цього типу випарювання здійснюється багаторазово природною циркуляцією розчину. Через певні переваги, притаманні вертикальним апаратам з напрямленою природною циркуляцією, вони часто використовуються в хімічній промисловості.
Основною перевагою таких апаратів є покращання тепловіддачі до розчину за його багатократної організованої циркуляції в замкнутому контурі, що зменшує швидкість відкладення накипу на поверхні труб. Крім того, ці апарати є компактними, займають невелику виробничу площу, зручні для огляду і ремонту.
Розвиток конструкції таких апаратів відбувається у напрямку посилення природної циркуляції збільшенням різниці ваг стовпів рідини в опускній трубі і парорідинній суміші в підйомній частині контура. Це досягається: 1) збільшенням висоти кип’ятильних (підйомних) труб і підвищенням інтенсивності пароутворення в них з метою зменшення густини парорідинної суміші, що утворюється з киплячого розчину; 2) покращанням природного охолоджування циркуляційної труби для того, щоб рідина, що опускається в ній, мала більшу густину; 3) підтриманням в опускній трубі певного рівня рідини, необхідного для зрівноваження стовпа парорідинної суміші в підіймальних трубах за заданої швидкості її руху.
4.4.4. Апарати з внутрішньою нагрівальною камерою і центральною циркуляційною трубою
Схему випарного апарата з внутрішньою нагрівальною камерою і центральною циркуляційною трубою показано на рис. 4.9. У нижній частині корпусу 1 знаходиться нагрівальна камера 2, що містить дві трубні решітки, в яких закріплені здебільшого розвальцьовані кип’ятильні труби 3 (завдовжки 2–4 м) і циркуляційна труба 4 великого діаметра, встановлена по осі камери. В міжтрубний простір нагрівальної камери подається гріюча пара.
Розчин надходить в апарат над верхніми трубними решітками і опускається циркуляційною трубою вниз, потім підіймається кип’ятильними трубами і на деякій відстані від їхнього нижнього краю закипає. Тому на більшій частині довжини труб відбувається рух вгору парорідинної суміші, вміст пари в якій зростає у міру її піднімання. Вторинна пара надходить в сепараційний (паровий) простір 5, де за допомогою краплевловлювача 6, який змінює напрям руху парового потоку, від пари під дією інерційних сил відділяється винесена ним волога. Після цього вторинна пара видаляється через штуцер зверху апарата. Випарений розчин видаляється через нижній штуцер конічного днища апарата як проміжний або кінцевий продукт.
Рис. 4.9. Випарний апарат з внутрішньою нагрівальною камерою і центральною циркуляційною трубою: 1 – корпус; 2 – нагрівальна камера; 3 – кип’ятильні труби; 4 – циркуляційна труба; 5 – сепараційний (паровий) простір; 6 – краплевловлювач
Циркуляція розчину в апараті відбувається внаслідок різниці густин розчину в циркуляційній трубі і парорідинній суміші в кип’ятильних трубах. Виникнення достатньої різниці густин зумовлено тим, що поверхня теплообміну кожної кип’ятильної труби, що припадає на одиницю об’єму випарюваного розчину, є значно більшою, ніж у циркуляційної труби, оскільки поверхня труби знаходиться в лінійній залежності від її діаметра, а об’єм рідини в трубі пропорційний до квадрата її діаметра. Отже, пароутворення в кип’ятильних трубах повинно відбуватися значно інтенсивніше, ніж в циркуляційній трубі, а густина розчину в них буде нижчою, ніж в цій трубі. У результаті забезпечується природна циркуляція, яка покращує теплопередачу і перешкоджає утворенню накипу на поверхні теплообміну.
У цих апаратах циркуляційна труба, як і кип’ятильні труби, обігрівається парою, що знижує різницю густин розчину і парорідинної суміші і може призводити до небажаного пароутворення в самій циркуляційній трубі. Їх недоліком є також жорстке кріплення кип’ятильних труб, що не допускає значної різниці теплових подовжень труб і корпусу апарата.