Испарители роторно-пленочные

Роторный пленочный испаритель для очистки сточных вод

Главными особенностями выпарных установок пленочного типа являются практическое отсутствие перепада давления по высоте установки и малый объем жидкости в установке. Первый фактор способствует отсутствию в установках этого типа гидростатической депрессии, а второй – малому времени пребывания жидкости в установке по сравнению со временем пребывания продукта в выпарных установках объемного заполнения. Эти факторы обусловливают область их применения: выпаривание или дистилляция под вакуумом термически нестойких продуктов, теряющих свои потребительские свойства в результате длительного пребывания под воздействием высоких температур.

Наиболее распространенными установками пленочного типа являются пленочные аппараты со свободно стекающей пленкой. Конструкция установки этого типа представлена на рис.1. Здесь изображен кожухотрубный пленочный испаритель с нижним расположением сепаратора (с прямоточным течением пленки жидкости и вторичных паров в греющей камере) и оборудованный внешним контуром циркуляции выпариваемого продукта. Это наиболее распространенный вариант конструкции пленочного испарителя со свободно стекающей пленкой. Размеры промышленных установок данной конструкции имеют площадь поверхности теплообмена от 100 до 900 м².

Рис.1. Пленочный испаритель для очистки сточных вод

Для выпарных установок имеющих меньшую площадь поверхности теплообмена разработано большое число различных конструкций, на некоторые из которых имеются отраслевые стандарты (на конструкции с внутренним или внешним циркуляционными контурами или без таковых, прямоточные или противоточные, с распределительными устройствами различных типов).

Конструкции с верхним расположением сепаратора (противоточные) обеспечивают лучшее фазовое разделение компонентов, чем прямоточные конструкции, но прямоточные аппараты могут работать без срыва пленочного режима при скоростях вторичных паров в теплообменных трубах примерно вдвое больших, чем противоточные аппараты, что особенно важно при проведении процесса под вакуумом при небольшом абсолютном давлении. Кроме того, при прочих равных геометрических параметрах прямоточные аппараты имеют значительно меньшую высоту. Поэтому аппараты с верхним расположением сепаратора применяются в тех процессах, в которых важна не столько производительность по вторичным парам, сколько качественная отгонка, например при удалении остатков растворителя из высококипящей жидкости, когда процесс из выпарки переходит в сушку.

В настоящее время пленочные испарители со свободно стекающей пленкой, как правило, оснащаются контуром циркуляции продукта по установке, что сразу же позволяет использовать греющие камеры с короткими (2–3 м) теплообменными трубами для обеспечения равномерности линейной плотности орошения и снижения скорости вторичных паров в теплообменных трубах. При этом внешний контур предпочтительнее внутреннего, поскольку позволяет устанавливать циркуляционный насос стандартных конструкций и использовать этот насос для перекачки отводимого из аппарата продукта, в том числе из-под вакуума в сборник под атмосферным давлением.

Оснащенные контуром циркуляции продукта пленочные аппараты со свободно стекающей пленкой могут эффективно работать с продуктами повышенной вязкости, как и кожухотрубные аппараты объемного заполнения с принудительной циркуляцией, но при этом у пленочных аппаратов есть целый ряд преимуществ: отсутствие какой-либо депрессии, кроме температурной, обусловленной физическими свойствами продукта, значительно меньшее время пребывания продукта в аппарате, существенно меньшие высота аппарата (в 2 и более раза) и производительность циркуляционного насоса (почти на порядок) при одинаковых производительностях по вторичному пару. Основным недостатком циркуляционных пленочных испарителей по сравнению с выпарными аппаратами объемного заполнения с принудительной циркуляцией является их неудовлетворительная работа с растворами при интенсивном образовании твердой фазы и большая склонность к образованию накипи на внутренней поверхности теплообменных труб.

Для устойчивой эксплуатации на очистных сооружения для промышленной очистки воды пленочных испарителей со свободно стекающей пленкой необходима надежная работа распределительных устройств, образующих пленку жидкости в верхней части теплообменных труб, в противном случае жидкость будет стекать по трубам ручьями, и установка не будет работать.

Существующие многочисленные конструкции распределительных устройств пленочных испарителей можно разделить на 3 основных типа: а) простейшие, использующие эффект поверхностного натяжения (прорезные и зубчатые устройства переливного типа, расположенные непосредственно на выступающих за верхнюю трубную доску торцах теплообменных труб);
б) усложненные, содержащие дополнительные конструктивные элементы (тарелки, желоба, особые втулки-вставки), более равномерно распределяющие жидкость по трубной доске, как правило, за счет небольшого гидростатического подпора; в) напорные, в которых осуществляется протекание жидкости сквозь отверстия малого диаметра под действием напора циркуляционного насоса.

Опыт применения распределительных устройств показывает, что наиболее надежными в работе и практически не зависящими от диаметра аппарата и величины перекоса при установке испарителя являются напорные распределители, но применять их можно не всегда из-за необходимости обеспечивать напор жидкости на входе 0,1–0,3 МПа и наличия значительного несбрасываемого при остановке объема жидкости в распределительном устройстве.

Из пленочных выпарных установок с механическими перемешивающими устройствами наибольшее распространение получили роторные пленочные испарители:

Конструкция роторного испарителя представлена на рис. 2. Греющая камера роторного испарителя представляет из себя теплообменник типа «труба в трубе», причем межтрубное пространство, как правило, разделено перемычками на несколько секций для улучшения коэффициента теплоотдачи a₁ при обогреве паром и для возможности подавать в разные секции теплоноситель с различными температурами. Вал расположен по оси аппарата и приводится во вращение от расположенного в верхней части аппарата электродвигателя через клиноременную передачу или специальный понижающий редуктор. Продукт подается в верхнюю часть обогреваемой зоны РПИ и распределяется по внутренней поверхности теплообменной трубы устройством, надетым на вал. Далее продукт под действием гравитации стекает вниз, при этом равномерность его распределения по теплообменной поверхности, а также его интенсивное перемешивание и турбулизацию обеспечивают лопатки, приводимые в движение валом. Вторичные пары движутся в противотоке пленки жидкости, поступают в расположенный над греющей камерой сепаратор и далее отводятся из аппарата. Вал оснащен двумя подшипниковыми узлами. Верхний узел – вынесенный. Нижний узел может быть как вынесенным (как, например, в РПИ по ОСТ 26-01-1045–74), так и внутренним (подавляющее большинство импортных конструкций). В первом случае аппарат оснащен двумя торцевыми уплотнениями вала: верхним и нижним, во втором – только верхним.

Рис.2. Испаритель роторно-пленочный

Промышленная очистка воды в гальваническом производстве

Испарители в гальваническом производстве, как правило, применяются для выпаривания промывных вод при многоступенчатой (каскадной) промывке, а также воды из ванн улавливания. Использование роторных пленочных испарителей на очистных сооружениях позволяет вернуть в технологический процесс ценные компоненты и снизить либо полностью исключить сброс сточных вод, содержащих токсичные соединения тяжелых металлов: меди, цинка никеля, хрома, свинца и пр. При использовании данной технологии значительно сокращаются эксплуатационные затраты на очистку сточных вод.

Рис.3. Испаритель для промышленной очистки воды

Статья подготовлена специалистами Технопарка РХТУ им Д.И. Менделеева и с учетом личного опыта сотрудников наших организаций, а также материалов книги «Новый справочник химика и технолога» и сайта www.enviropark.ru