2.2.4.2. Сепараторы
Сепараторы служат для снижения давления нагретого раствора или пульпы, выходящих из автоклава. При резком снижении давления в сепараторе нагретая жидкая фаза пульпы закипает, выделяя пар, и за счет затраты скрытой теплоты испарения охлаждается до температуры, соответствующей давлению в сепараторе. По конструкции, технологии изготовления и условиям эксплуатации сепараторы аналогичны автоклавам. Различают сепараторы повышенного давления (выше 0,17 МПа) и низкого давления (ниже 0,17 МПа).
Конструктивно сепаратор (рис. 91) представляет собой сварной корпус из цилиндрической обечайки и двух сферических днищ. Пульпа поступает в аппарат по загрузочной трубе, верхняя часть которой делается двойной для увеличения срока службы. Количество поступающей в сепаратор пульпы регулируется вентилем. Для защиты нижнего днища от удара струи пульпы служит броневое устройство из стальных или чугунных сегментов. Сепарированный пар проходит через металлическую сетку, каплеуловитель и используется на технологические нужды. Для уменьшения тепловых потерь корпус сепаратора покрывают теплоизоляцией.
Рис. 91. Сепараторы высокого (а) и низкого (б) давления: 1 – горловина; 2 – сферическое днище; 3 – опорные лапы; 4 – сетка; 5 – цилиндрическая обечайка; 6 – загрузочная труба; 7 – брызгоуловитель; 8 – ремонтный люк; 9 – броневое устройство
Вместимость сепаратора высокого давления (рис. 91, а) 25 м3, диаметр корпуса 1,6 м, масса 23,7 т; рассчитан на давление 1 МПа и рабочую температуру 250 °С.
Сепаратор низкого давления (рис. 91, б) вместимостью 40 м3 и диаметром 3 м имеет массу 8 т; рассчитан на рабочее давление 0,1 МПа и температуру 160 0С.
2.3. Теплообменное оборудование
Процесс переработки глиноземсодержаших руд связан с большим потреблением пара средних и низких параметров. Поэтому для экономии пара решающее значение имеет регенерация тепла.
В схемах, применяемых для регенерации тепла, используют теплообменники, соединенные последовательно и параллельно.
По способу передачи тепла теплообменные аппараты делят на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного материала, а в смесительных аппаратах тепло передается при смешении рабочих сред.
Смесительные теплообменники по конструкции проще поверхностных: тепло в них используется полнее. Но они пригодны лишь в тех случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.
Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, делят на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. В регенеративных теплообменниках теплоносители поочередно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева. При этом направление теплового потока в каждой точке стенки периодически меняется.
2.3.1. Поверхностные теплообменники
Наибольшее распространение в промышленности получили рекуперативные поверхностные теплообменники непрерывного действия. Конструктивно их можно разделить на три группы – кожухотрубные, змеевиковые и нетрубные.
Кожухотрубный теплообменник (рис. 92) состоит из следующих основных элементов: корпуса, крышек, подводящих и отводящих патрубков, пучков труб, трубных решеток. Концы труб крепят в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции.
Рис. 92. Кожухотрубные теплообменники: 1 – корпус; 2 – подводящий и отводящий патрубки; 3 – трубная решетка; 4 – патрубок для выпуска воздуха и неконденсирующихся газов; 5 – крышка; 6 – пучок труб; 7 – перегородка; 8 – сальниковое уплотнение; 9 – компенсатор
Аппараты жесткой конструкции (рис. 92, а) используют при сравнительно небольших разностях температур (до 30 – 40 °С) корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой конструкции.
В кожухотрубных теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается подвижной (плавающей) головкой (рис. 92, б), пучком U-образных труб (рис. 92, в), сальниковым уплотнением на патрубке или корпусе (рис. 92, г).
В аппаратах полужесткой конструкции (рис. 92, д) температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных на корпусе. Полужесткие конструкции надежно работают, если температурная деформация и давление в межтрубном пространстве не превышают соответственно 10 – 15 мм и 1,6 МПа.
Кожухотрубные теплообменники рекомендуется применять при давлении до 6,4 МПа (чаще до 2,5 МПа) и температуре до 400 – 500 0С. Поверхность кожухотрубных теплообменников достигает 4000 м2, диаметр обычно не превышает 2 м, длина труб в крупных конструкциях достигает 9 м.
Для увеличения скорости движения теплоагента в трубном пространстве теплообменники изготовляют многоходовыми. Для этого в крышках устанавливают перегородки (см. рис. 92, в), чтобы теплоагент последовательно проходил через отдельные пучки труб. Применяют двух-, трех-, четырех- и шестиходовые теплообменники. Иногда теплообменники делают двухходовыми и по межтрубному пространству, однако это требует установки продольных перегородок и хорошего их уплотнения, что представляет известные трудности.
Основной элемент кожухотрубных теплообменников – трубы. Масса трубного пучка обычно составляет 60 – 80 % массы аппарата. Чем меньше диаметр труб, тем теплообменник компактнее и меньше расход металла, но при этом существенно повышается трудоемкость изготовления аппарата и затрудняется его очистка.
В настоящее время для стальных и титановых теплообменников широко применяют трубы размером 25 х 2 и 20 х 2 мм. Трубки большего диаметра используют только при выделении отложений из теплоагентов. До недавнего времени кожухотрубные теплообменники изготовляли из бесшовных труб; сейчас успешно начали применять более дешевые электросварные трубы.
Если коэффициенты теплоотдачи по обе стороны стенки трубы существенно различаются, то применяют оребренные трубы, что позволяет увеличить поверхность той стороны, где коэффициент теплоотдачи меньше. Оребрение труб может быть выполнено накаткой ребер из пластичных материалов или их наваркой на поверхность трубы. Теплопередача через сварной шов вполне удовлетворительна.
Крепление труб в трубной решетке должно быть прочным, плотным и вместе с тем обеспечивать легкую замену поврежденной трубы. Одним из способов крепления труб из пластичных материалов является развальцовка, при которой деформированный конец трубы плотно прижимается к стенкам гнезда в трубной решетке. Материал решетки должен быть тверже материала трубы, чтобы обеспечить целостность гнезда при многократной замене трубы. При давлении в теплообменнике свыше 1,6 МПа на поверхности гнезд протачивают канавки, а концы труб разбортовывают.
В последнее время развальцовку труб с успехом заменяют сваркой. Сварное соединение позволяет уменьшить толщину трубной решетки и шаг труб, оно более надежно, так как обеспечивает лучшую герметизацию. В случаях, когда смешение продуктов в теплообменнике недопустимо, обварка труб обязательна.
Трубы в трубной решетке располагают по вершинам квадратов или треугольников. В первом случае трубной пучок доступнее для очистки снаружи; вторая схема компактнее и поэтому ее применяют чаще.
Змеевиковые теплообменники по сравнению с кожухотрубными более громоздки и металлоемки; их используют, когда нежелательно или невозможно применение кожухотрубных. По конструктивному оформлению различают теплообменники погружные, оросительные и типа "труба в трубе".
Наиболее простой по конструкции погружной змеевик был показан на рис. 87. Теплообменники этого типа состоят из плоских или цилиндрических змеевиков, погруженных в сосуд с жидкой рабочей средой. Вследствие малой скорости смывания жидкостью коэффициент теплоотдачи змеевика мал.
Оросительные теплообменники представляют собой плоский змеевик, орошаемый снаружи водой. Вода подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов. Оросительные теплообменники довольно громоздкие сооружения, характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации.
Теплообменники типа "труба в трубе" состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой съемными участками труб (коленами).
Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждение сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания. Недостатки – громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность чистки кольцевого пространства.
Из нетрубных теплообменников широкое распространение получили теплообменная рубашка, спиральный и пластинчатый аппараты.
Установка теплообменной рубашки (рис. 93, а) на поверхности реакционного сосуда является наиболее простым способом подвода (отвода) тепла. К недостаткам следует отнести малую интенсивность теплообмена, а также появление в корпусе реактора дополнительных термических напряжений, возникающих вследствие разности температур внутренней и наружной поверхностях стенки. Поэтому теплообменные рубашки не рекомендуются для аппаратов, работающих при повышенном давлении.
Рис. 93. Нетрубные теплообменники
В спиральных теплообменниках (рис. 93, б) поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами 3, приваренными к разделительной перегородке (керну) 2 и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы имеют прямоугольное сечение, с торцов закрыты крышками 1 с уплотнением 4, которое осуществляют различными способами. Наиболее распространен способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. При этом предотвращается смещение теплоносителей, а в случае неплотности прокладки наружу может просачиваться только один из теплоносителей. Кроме того, такой способ уплотнения позволяет легко чистить каналы.
Если материал прокладки разрушается одним из теплоносителей, то один канал ("глухой") заваривают с обеих сторон, а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом "глухой" канал недоступен для механической очистки.
Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь в тех случаях, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не влияет на качество теплоносителей.
Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.
Спиральные теплообменники применяют для нагрева сырой пульпы перед выщелачиванием бокситов, нагрева растворов, схемах обескремнивания. Направление потоков в теплообменнике может быть противоточным (теплообмен между двумя жидкостями или пульпами), перекрестным (нагрев жидкости паром) и комбинированным.
Одно из главных преимуществ спирального теплообменника – его компактность. Например, аппарат с поверхностью теплообмена 80 м2 имеет размеры 1000 х 1060 мм. Спиральные теплообменники отличаются самоочищаемостыо вследствие протекания с большой скоростью абразивной пульпы по длинному каналу, малым гидравлическим сопротивлением и высоким коэффициентом теплопередачи благодаря повышенным скоростям движения теплоносителей. К недостаткам аппарата относятся сложность в изготовлении и ремонте, а также невозможность применения их при давлении рабочих сред свыше 1 МПа.
Пластинчатые разборные теплообменники (рис. 93, в) характеризуются интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малым гидравлическим сопротивлением, удобством монтажа и очистки от загрязнений.
Теплообменник такого типа состоит из отдельных пластин 2, разделенных прокладками 3, двух нажимных пластин 1, рамы и стяжных болтов. Пластины штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя рабочую часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены "елочкой" (шаг гофра 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4 – 7 мм).
К пластинам приклеены прокладки (чаще резиновые) круглой или специальной формы для герметизации. Теплоноситель проходит вдоль пластины и через отверстие попадает в зазор между следующей парой пластин.
Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может быть организовано противотоком, прямотоком или по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 500 м2, число пластин – от 7 до 303. НИИхиммаш рекомендует следующие стандартные размеры пластин: рабочая поверхность 0,2; 0,3; 0,5 м2; длина 1000; 1250; 1400 мм; ширина 315; 380; 500 мм.
В пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя ограничена свойствами резиновой прокладки и составляет 150 0С, а давление не должно превышать 1 МПа.
Теплообменники смешения представляют особую группу высокоинтенсивных компактных аппаратов. Их целесообразно применять там, где разбавление существенно не отражается на технологическом процессе. Стоимость теплообменников смешения по сравнению с поверхностными подогревателями низка, а монтаж и демонтаж не вызывает затруднений. В практике работы глиноземных заводов применяют для нагрева воды и растворов струйные, полочные, пленочные и барботажные подогреватели.
Нагрев жидкости в струйном подогреве (рис. 94, а) осуществляется эжектируемым или эжектирующим водяным паром. Разность между температурами насыщенного пара и раствора обычно составляет 15 – 20 0С.
Раствор с большой скоростью поступает через сопло 1 в приемную камеру 2. Струя раствора эжектирует пар в приемную камеру, где происходит его конденсация и смешение с раствором. Полученная смесь через диффузор 3 отводится из аппарата. Оптимизация работы подогревателя достигается подбором расстояния между срезом сопла и промежуточными конусами 4. Недостатком таких аппаратов является их быстрое зарастание.
Рис. 94. Теплообменники смешения
В полочных подогревателях (рис. 94, б) холодный раствор, проходя через распределительное устройство 1 и систему решеток 2, образует множество струек. Водяной пар поступает через патрубок в нижней части аппарата и, поднимаясь вверх, конденсируется на падающих струйках раствора, нагревая его. Патрубок 3 сообщает аппарат с гидрозатвором.
Отличительная особенность полочных подогревателей – относительно небольшой недогрев (~ 5 0С). Недостатком аппаратов является зарастание распределительных решеток.
Подогреватель пленочного типа (рис. 94, в) менее чувствителен к зарастанию поверхностей, позволяет нагреть раствор практически до температуры насыщения пара. Струя холодного раствора разбивается о распределительное устройство 1 и стекает, образуя пленку, по стенкам коаксиально расположенных цилиндров 2. Навстречу падающей пленке жидкости поднимается пар и, конденсируясь, нагревает ее. Недостаток этого аппарата в повышенной металлоемкости.
Для нагрева инкрустирующих сред до высоких температур широко используют барботажные подогреватели, представляющие собой аппараты с пневмоперемешиванием (см. рис. 86).