Учебно-методический комплекс по предмету обсуждена на заседании кафедры «Химическая технология»

Пластинчатые теплообменники (рис. 6.1, а) имеют щелевидные каналы в параллельно установленных пластинах 1. Пластины подвешиваются на направляющих балках (штангах) 2 между неподвижной 5 и подвижной 3 плитами. Последняя прижимает пластины друг к другу и герметизирует пространство между ними. В каждой пластине (рис. 6.1, б) и плитах просверлены совпадающие отверстия, образующие сплошные каналы: два – для подвода и отвода одной из теплообменивающихся сред I, два – для другой II. Первая среда поступает через патрубок 4 в плите 3 в один из этих каналов, направляется в каналы между чередующимися (через одну) нечетными пластинами и, перемещаясь по ним, выходит в отводящий канал. Вторая среда движется также по чередующимся четным каналам. Для создания жесткости, увеличения теплопередающей поверхности и турбулентности потока пластины снабжены штампованными выступами.

К достоинствам пластинчатого теплообменника относятся:

• 
  большая удельная теплопередающая поверхность (200 м²/м³ и более), компактность и значительная экономия материала;
  
• 
  большие значения коэффициентов теплоотдачи, а следовательно, и коэффициента теплопередачи благодаря использованию фасонной формы пластин;
  
• 
  легкость изменения величины теплопередающей поверхности в результате установки соответствующего числа пластин;
  
• 
  легкость разборки и сборки теплообменника, обеспечивающие возможность чистки теплопередающей поверхности.
  

В спиральных теплообменниках поверхность теплообмена образована двумя стальными лен­тами 2 толщиной 3,5-6 мм и шириной 400-1250 мм (рис. 6.2), свернутыми в спираль так, что получаются каналы а и б прямоугольного профиля, по которым противоточно движутся теплоносители. Первый (от центра аппарата) виток спирали закреплен распорными дисками 4, которые фиксируются продольными распор­ками 3. На поверхности спирали с шагом 70-100 мм приварены штифты 6 для придания теплообменнику жесткости. Кроме штиф­тов при навивке спирали между ее витками устанавливают поло­совые дистанционные вставки 5. Эти вставки вместе со штифтами обеспечивают требуемый зазор между лентами, который для стан­дартных теплообменников составляет 8-12 мм. С торцов аппарат1 закрыт крышками 8 на прокладках 7. В зависимости от спо­соба уплотнения спиральных каналов с торцов различают те­плообменники с тупиковыми и сквозными каналами.

ОПОРНЫЕ СЛОВА

U-образные трубы, типа У, удлинение труб, извлечение трубного пучка, с плавающей головкой, платформа, одноходовые, кожух, распредели­тельная камера, теплообменные трубы, трубная решетка, соединение, перегородка, интенсификация теплообмена, турбулизаторы, оребрение, турбулизирующие вставки

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назначения и принцип работы теплообменников с U – образними трубами.

2. Достоинства и недостатки аппаратов типа У.
3. Назначение и принцип работи теплообменних аппаратов с плавающей головкой?
4. Для чего предназначены распределительные камеры теплообменного аппарата?
5. Назначение фланцев теплообменников?
6. Как размешают труб в трубных решетках?
7. Для чего устанавливаются перегородки в трубном и межтрубном пространствах теплообменника?
8. Какие виды перегородок применяются?
9. Что является главным фактором, снижающим интенсивность теплообмена?
10. За счет чего повышается эффективность теплообменника при применении оребрения?
11. Как повышает интенсивность теплообмена турбулизирующие вставки?
ЛЕКЦИЯ № 7, «Экстракторы» (4 часа)
7.1. Классификация выпарных аппаратов
7.2. Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой
7.3. Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой
7.4. Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения
7.5. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора
7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ

Выпарной аппарат должен отвечать ряду требований: быть простым, компактным, надежным в эксплуатации; иметь высокую производительность; допускать, возможно большие напряжения поверхности нагрева и высокие коэффициенты теплопередачи при минимальном весе и стоимости.

Разнообразие конструкций выпарных аппаратов усложняет их классификацию. Так, выпарные аппараты могут подразделяться в зависимости:

• 
  от взаимного расположения основных элементов аппарата;
  
• 
  от расположения зоны кипения;
  
• 
  от организации циркуляции.
  
• 
  от конфигурации и компоновки поверхности нагрева.
  

По методу выпаривания выпарные установки бывают:

• 
  Поверхностного типа, где раствор контактирует с поверхностью теплообмена;
  
• 
  Контактного типа, где нагревание осуществляется без разделяющей поверхности теплообмена;
  
• 
  Адиабатного испарения.
  

Рассмотрим наиболее распространенные в промышленности конструкции выпарных аппаратов.
7.2. ВЫПАРНОЙ АППАРАТ С ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ТРУБОЙ

Выпарной аппарат с центральной циркуляционной трубой (рис. 7.1) имеет нагревательную камеру, состоящую из корпуса 1 с кипятильными трубками 2 и центральной трубой 3 большого диаметра, закрепленными в трубных решетках. Греющий пар подается в межтрубное пространство, конденсируется и отводится из аппарата в виде конденсата. Исходный упариваемый раствор также непрерывно удаляется через штуцер, находящийся в днище аппарата, или через фонарь 7, который предназначен для поддерживания постоянного уровня раствора в аппарате. В нем с помощью трубы 6 поддерживается то же давление, что и в сепараторе 5. Парообразование внутри центральной трубы значительно меньше, чем в кипятильных трубах, так как на единицу объема жидкости в ней приходится меньшая теплопередающая поверхность. Вследствие этого плотность парожидкостной эмульсии (практически жидкости) в центральной трубе больше, чем в кипятильных трубах. Это вызывает естественную циркуляцию раствора: гидростатическим давлением столба жидкости в циркуляционной трубе раствор передавливается в кипятильные трубки, поднимается по ним вверх, частично выпаривается и, освобожденный вверху от пара, возвращается вниз по центральной трубе. Образующийся пар удаляется в верхней части аппарата, пройдя предварительно через каплеуловитель 4. Недостатком данного аппарата является жесткая конструкция греющей камеры, не имеющая температурной компенсации.

7.3. ВЫПАРНОЙ АППАРАТ С ВЫНЕСЕННОЙ ГРЕЮЩЕЙ КАМЕРОЙ

Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой (рис. 7.2) состоит из нагревательной камеры (кипятильника) 2 и сепаратора 6, соединенных между собой патрубком 3 и циркуляционной трубой 8. Через эту трубу большая часть концентрируемого раствора возвращается обратно в нижнюю часть кипятильника, смешиваясь с исходным раствором, который подается через патрубок 1. Часть концентрированного раствора отводится из сепаратора в виде готового продукта через патрубок 7. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 5, удаляется из сепаратора через верхний патрубок 4.

Высота трубок в таких аппаратах составляет 5…7 м. Сечение циркуляционной трубы равно или больше площади поперечного сечения всех кипятильных трубок. Следствием большой движущей силы циркуляции (разности давлений столба сплошной, некипящей жидкости в циркуляционной трубе 8 и парожидкостной эмульсии внутри кипятильных трубок) при небольшом гидравлическом сопротивлении циркуляционного контура является значительная скорость циркуляции раствора (до 1,5 м/с). В результате повышается коэффициент теплоотдачи и уменьшается опасность отложения пристенных осадков. Чистка и замена трубок выпарных аппаратов с выносной нагревательной камерой достаточно удобны.

7.4. ВЫПАРНОЙ АППАРАТ С ВЫНЕСЕННОЙ ЗОНОЙ КИПЕНИЯ

Выпарного аппарата с вынесенной зоной кипения (рис. 7.3) применяют для разделения раствора на растворитель и растворенное вещество. В этих условиях вещество часто выпадает из раствора в виде кристаллов. В этих случаях обычно применяются аппараты с выносной нагревательной камерой с вынесенной зоной кипения. Нагревательная камера 1 соединена с сепаратором 2 трубой 3. Уровень жидкости в сепараторе поддерживается на линии верхнего обреза трубы 3, что достигается отбором суспензии через фонарь 4. В нагревательных трубах раствор испытывает дополнительное давление столба жидкости, находящейся в трубе 3. Высота подъемной трубы, т.е. гидростатическое давление столба жидкости, подбирается таким, чтобы в нагревательных трубах происходил только нагрев раствора. Интенсивное парообразование начинается лишь при переходе раствора в подъемную трубу и сепаратор. Разность давлений столба жидкости в сепараторе и парожидкостной эмульсии в подъемной трубе обеспечивает естественную циркуляцию раствора. Чтобы уменьшить сопротивление циркуляционного контура, отношение сечения подъемной трубы к сечению греющих трубок принимают (с учетом увеличения объема образующейся парожидкостной эмульсии) равным 1,5 …2,0. В зависимости от длины трубок, разности температур пара и жидкости, а также давления в сепараторе скорость циркуляции раствора в трубах колеблется в пределах 1,2 …2,0 м/с.

Большая скорость циркуляции, вынос зоны кипения из греющих трубок и поддержание постоянного количества кристаллов в циркулирующей суспензии (не менее 5 …10%) во многих случаях предотвращают образование накипи и кристаллов на греющих трубках.

Скорость циркуляции в этих аппаратах ограниченна. Для поддержания больших скоростей циркуляции необходима значительная разность температур греющего пара и раствора (до 20 …25 ºС). Поэтому в них не всегда можно предотвратить образование накипи и кристаллов.
7.5. ВЫПАРНОЙ АППАРАТ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ РАСТВОРА

Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора (рис. 7.4) применяют для создания больших скоростей движения упариваемого раствора относительно теплопередающей поверхности. Наиболее часто в этом случае используются аппараты с выносной греющей камерой. Раствор прокачивается через нагревательную камеру 1, сепаратор 2 и обратную трубу 4 насосом 5 (центробежным или осевым). Осевой насос более эффективен, так как перекачивает большие массы жидкости при малом противодавлении. Питающий раствор подается в обратную трубу и смешивается с большим количеством циркулирующего раствора. Суспензию отводят через фонарь 3.

Сооружение и эксплуатация таких выпарных аппаратов дороже из-за высокой стоимости насоса и большого расхода энергии на перекачку. Оптимальная скорость циркуляции раствора по трубкам – 2 …3 м/с.
При меньших скоростях возможно отложение соли на теплопередающей поверхности. Увеличение скорости циркуляции неэкономично из-за резкого возрастания гидравлического сопротивления контура, а следовательно, и большого расхода энергии на привод насоса. Кроме того, при скорости движения раствора выше 3,0 …3,5 м/с становится заметным механическое истирание кристаллов (при упаривании растворов до появления твердой фазы).

Большие скорости циркуляции в этих аппаратах могут быть обеспечены при любой малой разности температур между конденсирующимся паром и циркулирующим раствором. Поэтому в них создаются наиболее благоприятные условия для предупреждения образования пристенных осадков.

ОПОРНЫЕ СЛОВА

Высокая производительность, расположение основных элементов, расположение зоны кипения, организация циркуляции, центральная циркуляционная труба, нагревательная камера, греющий пар, подвесная греющая камера, подвешивается, вынесенная греющая камера, вынесенная зона кипения, гидростатическое давление, скорость циркуляции, принудительная циркуляция, осевой насос, поднимающейся пленка, парожидкостная эмульсия, падающая пленка, трубная решетка.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   В зависимости от каких факторов классифицируются выпарные аппараты?
   
2. 
   Какими бывают выпарные установки по методу выпаривания?
   
3. 
   Каким требованиям должен отвечать выпарной аппарат?
   
4. 
   Устройство и принцип работы выпарных аппаратов с центральной циркуляционной трубой?
   
5. 
   Устройство и принцип работы выпарного аппарата с подвесной греющей камерой.
   
6. 
   Устройство и принцип работы выпарного аппарата с вынесенной греющей камерой.
   

7. В чем заключается отличие выпарных аппаратов с вынесенной зоной кипения от аппаратов с кипением в трубах?
8. Устройства и принцип работы выпарного аппарата с вынесенной зоной кипения.
9. Устройства и принцип работы выпарного аппарата с принудительной циркуляцией раствора.
10. Принцип работы выпарного аппарата с поднимающейся пленкой.
11. Принцип работы выпарного аппарата с нисходящей (падающей) пленкой.
ЛЕКЦИЯ № 8, «Конверсия природного газа» (2 часа)
8.1. Пленочные выпарные аппараты
8.2. Интенсификация работы выпарных аппаратов
8.3. Кристаллизаторы

8.1. ПЛЕНОЧНЫЕ ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ

Выпарной аппарат с поднимающейся пленкой (рис. 8.1) состоит из кипятильных труб большой высоты (6…9 м), что позволяет выпаривать раствор от начальной до конечной концентрации за время одноразового прохода его через кипятильные трубы (без циркуляции).

Свежий раствор, подогретый до температуры кипения, подается в трубки снизу через патрубок 1 в днище аппарата. Закипая в нижней части трубок, раствор в виде парожидкостной эмульсии поднимается вверх, создавая кольцевой режим кипения почти по всей длине трубок. Этот кольцевой режим обеспечивает большие значения коэффициента теплоотдачи.
При большой длине трубок достаточно одноразового прохода раствора через аппарат для упаривания его до требуемой концентрации. Концентрированный раствор выбрасывается из трубок в верхней части аппарата в сепаратор 2 и в виде готового продукта отводится через патрубок 3.
Аппарат может работать при меньшей разности температур между греющим паром и раствором, чем выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора. Отсутствие циркуляции и большая скорость движения выпариваемого раствора по трубкам обусловливает небольшое время пребывания его в аппарате. Кипение в пленке, а не в объеме поднимающегося раствора, предупреждает образование пены. Поэтому применение данных аппаратов особенно целесообразно при выпаривании пенящихся растворов, а также растворов не терпящих перегрева и чувствительных к длительному нагреванию. Недостатком этих аппаратов является то, что в них нужно поддерживать постоянный термо- и гидродинамический режимы, так как при недостаточной подаче раствора здесь возможно обсыхание стенок, что совершенно недопустимо из-за обрастания их слоем кристаллов, а при избыточной подаче - уменьшение концентрации упаренного раствора. Эти аппараты непригодны для упаривания кристаллизующихся растворов.
Выпарной аппарат с нисходящей (падающей) пленкой (рис. 8.2) используют обычно для растворов, чувствительных к длительному воздействию высоких температур. В этом аппарате раствор подается на верхнюю трубную решетку 1, откуда стекает в виде тонкой пленки по стенкам кипятильных трубок 2. Для создания тонкой устойчивой пленки в верхней части трубок установлены специальные распределяющие устройства.
Упаренный раствор отделяется от вторично пара в сепараторе 3. В этом аппарате кольцевой режим с высоким значением коэффициента теплоотдачи существует по всей высоте греющих трубок, а время пребывания раствора в трубах еще меньше, так как пар увлекает за собой раствор, способствуя увеличению скорости стекания пленки.

Этот аппарат может работать при еще меньшей разности температур между конденсирующимся паром и раствором, чем выпарной аппарат с поднимающейся пленкой. В аппарате можно создать такой режим работы, при котором пар будет образовываться не на стенке, а на поверхности пленки со стороны парового пространства. В результате уменьшается опасность образования накипи и кристаллов, предупреждается пенообразование, облегчается сепарация вторичного пара.

8.2. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАБОТЫ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ
Интенсификация работы выпарных аппаратов реализуются в три основных направления: 1) интенсификация теплообмена - применение развитых поверхностей нагрева, например в виде набора стальных пластин, тонкостенных (1,2-1,5 мм) и ребристых труб, а также труб со специальными турбулизаторами в форме внутренних кольцевых выступов или проволочных спиральных вставок; 2) снижение накипеобразования - использование, например, затравочных кристаллов, способствующих массовой кристаллизации в объеме раствора, или антиадгезионных полимерных покрытий; 3) экономия энергозатрат - применение, например, экстра-пара и конденсата для нагревания исходного раствора либо его предварительное концентрирование с помощью мембранного разделения.
Одной из современной и высокоэффективной конструкцией выпарного оборудования являются аппараты Alfa Vap, которые разработаны на основе проведенных совместно с производителями сахара из сахарной свеклы в конце 80-х годов. Этот новый тип эффективных теплообменников с восходящей пленкой успешно применяется в сахарной промышленности при производстве свекловичного сахара и постепенно стал применяться в других отраслях промышленности. Сегодня более 1500 выпарных аппаратов Alfa Vap установлены и применяются во всем мире. Модельный ряд этих установок способен удовлетворить различные требования к производительности и условиям применения.