Вакуумно - выпарная установка: принцип работы
Теплообменные технологические процессы широко применяются в разных областях промышленности для создания необходимых условий обработки или изменения температурного состояния оборудования, а также производственных заготовок. На предприятиях, где ставятся задачи изменения характеристик жидкостных сред, теплота может применяться как средство поддержки кипения. Технически подобные задачи решаются с помощью выпарных установок, обеспеченных специальным набором функциональных компонентов для организации теплообменного процесса.
Что такое процесс выпаривания?
В производственной сфере выпаривание рассматривается как способ концентрирования жидких растворов, основу которых составляют малолетучие или нелетучие вещества, растворенные в летучих активных смесях. Данный процесс выполняется в результате испарения растворителя в ходе кипения. Такой процедуре чаще всего подвергаются щелочи, соли, а также высококипящие жидкости. Но в каждом случае основной задачей процесса является получение чистого растворителя или отдельных веществ в высокой степени концентрации. Если речь идет о целенаправленной очистке определенно компонента раствора, то процесс выпаривания может дополняться и операцией кристаллизации, при которой возможно формирование целевого вещества в твердом виде.
С технологической точки зрения выпаривание – это совокупность целого ряда теплообменных операций. Сложность технической организации данного процесса обуславливает необходимость использования специального оборудования. В этом качестве и применяется вакуумно-выпарная установка с оптимизированной конструкцией, рассчитанной на выполнение основных процессов испарения, а также вспомогательных операций. Важно иметь в виду, что выпаривание предполагает использование агрессивных сред – горячих жидкостей, газов, водяного пара и т. д. К этому же добавляется и неблагоприятный фон от целевых химически активных веществ. Эти и другие факторы неблагоприятного технологического воздействия требуют применения специальных материалов для сборки выпаривателей, что повышает защитные свойства конструкций.
Принципиальное устройство выпарного аппарата
В большинстве современных промышленных выпаривателей используется многокомпонентная система на базе теплообменника с конденсатором и камерой испарения. Для оптимизации процесса и более эффективной концентрации растворов предусматривается и наличие сепаратора – это блок, который подключается в отдельном порядке по газоходу и организует выведение вторичного пара. Чаще используются сепараторы выносного типа, которые работают в условиях центробежного усилия. Чем же принципиально отличается вакуумно-выпарная установка? Создание вакуума позволяет добиться эффекта мягкого выпаривания. Это обеспечивает два положительных момента – ускорение процесса выпаривания (обслуживаемый раствор меньше времени проводит в камере) и повышение качества концентрированного вещества. Выходные же продукты могут применяться в других технологических операциях на том же предприятия целевой переработки. Для этого организуют подключение отдельных модулей с выпускными перетоками, благодаря которым не просто выполняется отвод лишних газовых смесей, а обеспечивается регуляция потока с нужными параметрами доставки по силе давления и скорости перемещения. Более того, опционально многие выпарные аппараты допускают возможность сопряжения с блоками для предварительной обработки или разбавления отходов в соответствии с требованиями технологических процессов, в которых тот же газ может применяться вторично.
Аппараты с принудительной циркуляцией
Основу конструкции формирует вертикальный или горизонтальный кожухотрубный теплообменник с нагревательной камерой и концентрическим сепаратором. Рабочий процесс поддерживается циркуляционной насосной станцией и сосудом мгновенного испарения. Обычно принудительный процесс движения рабочих смесей реализуется в двухкорпусных выпарных установках с противоточной схемой циркуляции. В составе таких аппаратов также присутствует устройство дистилляции и очистки пара от органических и солевых соединений. Средняя производительность выпарного оборудования с принудительной циркуляцией составляет порядка 9000 кг/час, а коэффициент концентрации достигает 65 %.
В процессе работы такого агрегата жидкость циркулирует по контурам нагревательной камеры за счет усилия, обеспечиваемого насосом. В камере температура жидкости доводится до точки кипения, после чего резко снижается давление в сепараторном блоке. С этого момента начинается процесс активного испарения части жидкости. Чем выгодно использование агрегатов такого типа? Это наиболее эффективное решение, если требуется обслуживание вязких и проблемных загрязненных смесей. Например, для выпаривания солевых растворов такой вариант использовать целесообразнее, чем однокорпусные выпарные установки, которые могут показать более высокую скорость циркуляции, но их мощности будет недостаточно для обеспечения даже среднего уровня производительности. К слову, современные выпариватели с принудительной циркуляцией производят операции кипения и испарения не на стенках нагрева в основной камере, а в сепараторе, поэтому загрязнение основного рабочего блока минимизируется.
Выпарные аппараты с пластинчатым теплообменником
Особенность конструкции таких установок заключается в наличии специальных пластин, за счет которых рабочая среда направляется через нагревательную камеру по чередующимся каналам. Для уплотнения пластин используются специальные прокладки – они же выполняют функцию теплоизоляции, что повышает эффективность теплообмена.
Как правило, это многокорпусные выпарные установки производительностью порядка 15 т/час. Греющие потоки воды и целевой продукт движутся в противотоке по своим каналам, отдавая часть энергии. Усилие для движения сред генерируется тем же циркуляционным насосом, однако конструкция пластин разрабатывается с расчетом на поддержку эффекта турбулентности в контуре, что снижает требуемый мощностный потенциал для поддержки переноса продукта и теплоносителя. В результате активного теплообмена происходит кипение рабочей среды, после чего образуется пар. Остаточные жидкостные продукты отсекаются в сепараторном блоке за счет центробежной силы.
Это один из немногих случаев, когда речь идет об универсальном аппарате для выпаривания с точки зрения возможностей работы с разными технологическими средами. В частности, принцип работы выпарной установки с пластинчатым теплообменником допускает применение парогазовых и водных сред. В то же время обеспечивается высокое качество концентрации, так как испарение производится равномерно в мягком режиме за один проход. Сама конструкция максимально оптимизирована по размерам, что облегчает и монтажно-технические мероприятия. Так, высота монтажного пространства со всеми коммуникациями и соединительной обвязкой для такого аппарата составляет 3-4 м.
Трехкорпусные выпарные установки с естественной циркуляцией
В конструкционном отношении такие аппараты отличаются наличием короткого вертикально расположенного теплообменника и верхним размещением сепаратора. Подача рабочей жидкости выполняется снизу, после чего происходит ее подъем по нагревательным трубам через камеру. Реализуется принцип восходящей пленки или газлифта. Если в нефтегазовых месторождениях попутный газ выносит продукт, то в случае с трехкорпусной выпарной установкой горячие пары поднимают жидкость по кожухотрубным контурам. Весь процесс происходит на фоне кипения. Отделенная от пара жидкость выносится по обратной трубе в теплообменник, после чего вновь направляется в сепаратор для очередного сеанса отделения. Так процесс повторяется несколько раз, пока не будет достигнут заданный уровень концентрации.
Интенсивность испарения в данном случае определяется температурной разностью в камере нагрева и блоке кипения. Оба показателя можно регулировать автоматикой управления. Естественная циркуляция в вакуум-выпарной установке позволяет добиться высокой удельной производительности с быстрым пуском. Но рассчитывать на обслуживание растворов, в составе которых присутствуют сложные или термически неустойчивые соединения, не следует. Это узкоспециализированное оборудование, расчет в котором делается на химическую и пищевую промышленность, где требуется выполнение точечных сепарационных операций с небольшой загрузкой мощностей. Например, аппараты для выпаривания глицериновых смесей обеспечивают скорость обработки на уровне 3600 кг/час.
Принцип действия барометрического конденсатора
Разновидность смесительных теплообменников, которые выполняют не поверхностное разделение рабочих сред в процессе перетока, а допускают их смешивание. Иными словами, условный концентрируемый раствор может в момент нагрева контактировать с технологической горячей средой, представленной паром или водой. Непосредственно барометрический конденсатор является частью комплексной выпарной установки, которая выполняет процессы смешения охлаждающей воды и вторичного пара. Поскольку объемы новообразованного конденсата меньше, чем объем пара, то возникает естественный вакуум. Для его поддержания требуется удаление из конденсатора атмосферного воздуха, который туда направляется вместе с потоками охлаждающей жидкости. В некоторых конструкциях возможно проникновение воздуха и через дефекты в корпусе конденсатора. Вывод смешанных смесей из конденсатора осуществляется по барометрической трубе. Она предварительно погружается в жидкость и формирует гидравлический затвор, который препятствует прохождению воздуха в конденсатор.
Принцип работы емкостного аппарата
Особая разновидность оборудования для обеспечения процессов технологического выпаривания. Главным отличием емкостных агрегатов с точки зрения принципа действия является поддержка свободного режима циркуляции, что достигается за счет внутренней конфигурации расположения контуров в теплообменной системе. Инфраструктура сети теплового обмена формируется трубными пучками, змеевиками и другими элементами, которые создают условия для многоэтапного и во многом затрудненного процесса передачи тепловой энергии. К слову, емкостные выпарные установки практически не используются в работе с вязкими, термочувствительными и кристаллизующимися растворами именно по причине свободной, но медленной циркуляции потоков. Более того, и коэффициенты теплоотдачи в данной системе невелики, что негативно сказывается на общей производительности выпаривания. Чем же оправдывают себя емкостные аппараты? Их успешно применяют в малотоннажных производствах, где не так значим коэффициент теплоотдачи с объемами выпуска. Внутреннее устройство емкостных выпаривателей при всех своих недостатках открывает массу возможностей для организации направленной циркуляции, что очень важно на предприятиях с низкой конструкционной мобильностью при подключении коммуникационных каналов.
Расчет выпарной установки
В комплексном проектировании выпарного оборудования предусматривается выполнение отдельных расчетов для каждого компонента, поскольку характеристики производственного процесса могут меняться на каждом этапе. Как правило, в качестве исходных данных применяют:
- примерное давление пара;
- теплоту концентрирования;
- свойства исходного раствора;
- уровень тепловых потерь;
- коэффициент теплопередачи;
- конструкционные параметры, которые уже установлены и не могут меняться.
Для трехкорпусных выпарных установок расчет с вышеназванными исходными данными может производиться сразу по нескольким параметрам, среди которых мощность циркуляционного насоса, объем нагревательной камеры, максимальное количество обслуживаемой жидкости и т. д. К наиболее ответственным задачам проектирования можно отнести расчет конструкции того же барометрического конденсатора, сепаратора и определение характеристик элементов обвязки. В частности, от диаметров патрубков и длины переходных труб будет зависеть интенсивность испарения в системах с проточным выпариванием.
Требования к условиям рабочего процесса
Расчетные показатели для организации процесса выпаривания могут не дать ожидаемого эффекта, если не соблюдаются требования к внешней среде. Очень многое будет зависеть от условий внутри помещения, где используется оборудование. Согласно требованиям, прямоточные выпарные установки можно использовать только в помещениях площадью не менее 4,5 м2 и высотой от 3,2 м. В обязательном порядке для удаления испаряемых вредных веществ организуется технологический канал выброса отходов наподобие дымохода. Будет не лишним предусмотреть регулируемую вытяжку с шибером и настройкой тяги.
Система вентиляции проектируется по специальным правилам. В ее составе должны присутствовать каналы притока и вытяжные системы с прямым подключением к зонам, где непосредственно выполняется процесс выпаривания. Очевидно, что комплексная вентиляционная система, работающая в регулярном режиме в двух направлениях, потребует серьезной мощностной поддержки. Но при этом издаваемый шум от каналов и работающего оборудования не должен превышать 75 дБ. И это не говоря о соблюдении требований пожаро- и электробезопасности. Если выпарная установка регулярно работает с газовыми смесями, то должна быть организована и специальная система дегазации воздуха. Она может входить в единый комплекс теплообменных коммуникаций, что позволит в некоторых эксплуатационных аспектах взаимно дополнять функции обеих систем.
Заключение
Операции выпаривания и концентрации давно применяются на производствах и как основные, и как второстепенные технологические процессы. В большинстве случаев таким образом выполняется подготовка материалов к дальнейшим этапам изготовления продукции или подготовки технических средств. Вакуумные выпарные аппараты и установки можно поставить в ряд наиболее производительных инструментов для решения подобных задач. Высокие эксплуатационные показатели объясняются наличием функции циркуляционного испарителя, работающего от стороннего силового источника в виде насосной станции. Существуют разные комбинации взаимодействия циркуляционной группы с нагревательной камерой и сепаратором, но в принципе многокомпонентные системы такого типа обеспечивают наиболее высокие показатели технологической операции, как по качеству концентрации продукта, так и по динамике процесса выпаривания.