Принципова схема однокорпусної випарної установки
Вторинна
пара До
вакуум-
насоса
3
вода
1
Гріюча
пара
.
2
7
7
Конденсат
вторинної пари
П очатковий
р
озчин
6 5
6
Концентрований
розчин
4
Конденсат гріючої пари
1 – випарний апарат; 2 – підігрівач розбавленого розчину; 3 – барометричний конденсатор; 4 – ємність розбавленого розчину; 5 – ємність випареного розчину; 6 – насос; 7 – конденсатовідвідник
Рис.2.1.
2.5. Вибір конструкції та принцип дії випарного апарата
Випарні апарати можна класифікувати в такий спосіб:
1. За принципом дії – на апарати періодичної і безперервної. Періодично діючі апарати мають ряд переваг перед безперервними: при одній і тій же початковій і кінцевій концентраціях розчину в них досягаються більш високі коефіцієнти теплопередачі; полегшується перекачування концентрованого в'язкого розчину. Однак ці апарати можуть використовуватися лише при невеликих продуктивностях.
2. За первинним теплоносієм – на апарати з паровими, газовими і рідинними теплоносіями, а також з електрообігрівом. Для даного процесу найбільше підходить апарат з паровим обігрівом, тому що при цьому забезпечується високе значення коефіцієнта теплопередачі поряд із простотою регулювання параметрів процесу та невисокою вартістю.
3. За сполученням стадій нагрівання і пароутворення – на апарати, у яких ці стадії сполучені та апарати з винесеною зоною пароутворення або з винесеною гріючою камерою. Для даного випадку застосуємо останній тип – апарат з винесеною гріючою камерою, для запобігання відкладень на поверхні нагрівання.
4. За способом організації руху розчину – на апарати з природною і примусовою циркуляцією. Природна циркуляція може здійснюватися в об'ємі апарата, або забезпечуватися спеціальними циркуляційними трубами. Примусова циркуляція організується за допомогою насосів, мішалок або подачі пари (газу). Циркуляція (переміщення) розчину може створюватися також шляхом обертання або вібрацій поверхні нагрівання. У даному випадку найбільше підходить природна циркуляція, тому що розчин не утворює кристалів і має невелику в'язкість.
За напрямком руху пари і рідини – на апарати, у яких рідина рухається знизу нагору, або ж зверху вниз. Остання обставина сприятливо позначається на режимі теплообміну, тому що рух пари і плівки в одному напрямку сприяє збільшенню швидкості руху плівки і турбулізацій.
На основі аналізу, враховуючи середню продуктивність установки, достатньо значне значення концентрації та в’язкості випарюваного розчину, з метою інтенсифікації процесу випарювання приймаємо випарний апарат безперервної дії з винесеною гріючою камерою та солевідділенням.
Ескіз випарного апарата показано на рис.2.2. В апараті такої конструкції при розміщенні гріючої камери за межами корпусу створюється можливість підвищити інтенсивність випарювання як за рахунок різниці густин парорідинної емульсії в циркуляційній трубі і кип’ятильних трубках, так і за рахунок збільшення висоти самих кип’ятильних труб, довжина яких часто досягає 7 м. Він працює при більш інтенсивній природній циркуляції завдяки тому, що циркуляційна труба не обігрівається, а підіймальні та спускові ділянки циркуляційного контуру мають значну висоту .
Розбавлений розчин надходить під нижню трубну решітку гріючої камери 1 і, піднімаючись по кип’ятильним трубкам 5, випарюється. Інколи розбавлений розчин підводиться в циркуляційну трубу, як показано на рис 2.2. Гріюча пара подається в міжтрубний простір гріючої камери 1, конденсується і віддає тепло стінкам кип’ятильних трубок. За рахунок цього тепла розчин кипить в кип’ятильних трубках. Утворена парорідинна емульсія надходить в сепаратор 2, в якому вторинна пара відділяється від киплячого розчину і виводиться із сепаратора через каплевідбійник 4. Звільнений від вторинної пари киплячий розчин опускається по циркуляційній трубі 3, яка не обігрівається, змішується з початковим розбавленим розчином, і циркуляція повторюється знову.
Ескіз випарного апарата
Вторинна пара
4
2
Концентрований
Гріюча
пара
розчин
5
1
Розбавлений розчин
Конденсат гріючої пари 3
Розбавлений
розчин
1 – гріюча камера; 2 –сепаратор; 3 – циркуляційна труба;
4 – каплевідбійник; 5 – кип'ятильні трубки
Рис.2.2.
Швидкість циркуляції розчину в апаратах такої конструкції досягає 1,5 м/с, забезпечуючи більш інтенсивне проведення процесу, і дає можливість випарювання в них концентрованих та здатних до кристалізації розчинів. Завдяки універсальності, зручності та інтенсивній теплопередачі ці апарати мають досить широке застосування в промисловості.
2.6. Вибір конструкційного матеріалу
При виборі конструкційних матеріалів необхідно враховувати його теплостійкість, корозійну стійкість, характеристику на міцність та вартість, рекомендації до вибору конструкційних матеріалів детально представлені в довідковій літературі [6].
Конструкційні матеріали повинні мати високу корозійну стійкість не тільки для забезпечення довговічності апаратів, але й для запобігання забруднення середовища в апараті продуктами корозії, що призводить до порушення технологічного режиму та погіршення якості продуктів.
Основними конструкційними матеріалами для випарних апаратів і допоміжного обладнання є чавун та сталь.
Чавун використовують до тиску 0,6 МПа і діаметром апаратів до 2 м, чавун має полімерну і хімічну стійкість проти агресивних середовищ. Стійкими проти розчинів лугів є спеціальні чавуни СЧЩ – 1 та СЧЩ – 2, а також чавуни, леговані нікелем або міддю; чавун з вмістом хрому до 30 % стійкий проти дії НNO3, хлористих сполук, сірки та її сполук, недоліком чавунів є їх невисока механічна міцність.
Сталі в порівнянні з чавунами мають більш високі міцнісні характеристики; вуглецеві сталі Ст.20, Ст.201С застосовуються в апаратах, які працюють при температурі до 4500С і тиску до 6,4 МПа. Стійкими в пароводяному середовищі є низьколеговані молібденові сталі 15М та 20М, хромомолібденові сталі 12МХ та 15МХ. Велику стійкість в середовищах азотної кислоти, нітратів, нітритів, оцтової та фосфорної кислот, лугів має аустенітна сталь 1Х18Н11Т, 1Х18Н12М2Т та сталь 1Х18Н10Т.
При концентруванні розчинів карбонату натрію від початкової концентрації 15 до 30% мас. до установки приймаємо за Держстандартом 11987-81 випарний апарат із природною циркуляцією і винесеною гріючою камерою, тип 1, виконання 2. Апарат складається з гріючої камери з кип'ятильними трубками з d = 38x2 мм і висотою Н = 4 м [5], та парового (сепараційного) простору.
Матеріал корпусу і деталей випарного апарата знаходиться в лужному середовищі киплячого розчину карбонату натрію. Для апаратів, що працюють в такому середовищі рекомендована в посібнику [6] сталь таких марок: 1Х13, 2Х13, Х17, Х28, Х18Н10Т.
Приймаємо низьколеговану сталь 2Х13, стійку в агресивному середовищі.