АНАЛИЗ НЕДОСТАТКОВ И ПУТЕЙ МОДЕРНИЗАЦИИ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ БАРБОТАЖНОГО ТИПА

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается применение выпарных аппаратов барботажного типа в промышленности, анализируется их недостатки и пути модернизации.

ABSTRACT

In the article application of various barbotage tupe evaporators in industry is considered, their shortcomings and ways of modernization are analyzed.

Ключевые слова: выпаривание, выпарной аппарат, природный газ, концентрирование.

Keywords: evaporation, evaporation apparatus, natural gas, concentration.

В производстве минеральных удобрений, в основном, используют выпа­ривание растворов и суспензий при атмосферном давлении или под вакуумом. При атмосферном давлении работают, как правило, выпарные аппараты кон­тактного типа (по принципу прямого контакта высокотемпературного теплоно­сителя с раствором: барботажный выпарной аппарат барабанного типа; барботажный выпарной аппарат с погружной горелкой; скоростной прямоточный распыливающий аппарат, имеющий форму труб Вентури), а под вакуумом - аппараты поверхностного типа (с обогревом раствора через стенку: выпарные аппараты со свободной, принудительной и направленной естественной цирку­ляцией и вертикальный выпарной аппарат пленочного типа) [4].

Выпаривание некоторых сильно агрессивных и высококипящих растворов, например, растворов серной, соляной, фосфорной кислот, растворов мирабилита: хлористого магния и других, производят при непосредственном соприкосновении раствора с нагретыми инертными газами [3].

Для химически агрессивных растворов, особенно при высоких температурах, например, H₂SO₄, СаС1₂, Na₂SO₄×10H₂O (мирабилит), применяют аппараты с погружным горением (рис.1.) - цилиндрические емкости из углеродистой стали, футерованные кислотоупорной плиткой или гуммированные. В них топочные газы, используемые как теплоноситель, образуются в результате сжигания топлива (напр., природный газа) в горелках, которые погружены в концентрируемый раствор. Эти газы барботируют через раствор и удаляются вместе со вторичным паром. Важное достоинство таких выпарных аппаратов - отсутствие поверхности теплообмена, что обеспечивает сравнительно простое решение вопросов коррозионной стойкости материалов, из которые изготовлены аппараты. Недостатки: большой расход топлива, невозможность использования вторичного пара в качестве теплоносителя (удаляется в смеси с газами), загрязнение атмосферы топочными газами и продуктами уноса раствора паром [2, 6].

Рисунок 1. Выпарной аппарат с погружным горением:

1 - горелка; 2 - корпус

Известен аппарат погружного горения для нагрева или упаривания жидкостей, такие аппараты состоят из корпуса, установленных в нем камер сгорания, барботера, патрубков для ввода, вывода жидкости и удаления газов [1]. В таких аппаратах с отходящими газами теряется много тепла, кроме того, не происходит конденсации водяных паров, в результате чего скрытая теплота конденсации паров, содержащихся в продуктах сгорания, не используется.

Также известен аппарат для выпаривания пульпы, состоящий из корпуса, погружной горелки, барботажной трубы, на верхнем конце выполнены боковые отверстия для выхода газа. Кислоту концентрируют топочными газами, полученными при сжигании природного газа в топке [5].

Барботажные концентраторы по своему устройству и принципу действия аналогичны применяемым для упаривания серной кислоты и представляют собой камеры из кислотоупорного материала, в ко­торых выпарка производится при барботаже горячих топочных газов через поверхностный слой кислоты. Недостатком барботажных концентраторов является интенсивная коррозия барботажных труб и образование туманообразной фосфорной кислоты [3].

На рис.2 представлен выпарной аппарат барботажного типа, который использовано в производстве минеральных удобрений, в частности при упаривании пульп нитрофосфатных растворов, аммофоса и других слабокислых растворов [5]. Недостатком данного аппарата является то, что в аппарате при перемешивании жидкости за счет горячего газа происходит проскок неконцентрированный пульпы в готовый продукт. Это приводит к уменьшению концентрации выходящей пульпы, то есть выходящая пульпа будет, содержать влаги больше, чем можно было бы получить в этом аппарате. С другой стороны в этой зоне температура жидкости будет близка к температуре кипения выходящей жидкости. Из-за этого температура выходящего газа будет соответственно относительно высокой.

Рисунок 2. Барботажный выпарной аппарат
1-топка; 2-газо­ход: 3-бар­ботажная труба: 4-водоохлаждаемый наконечник; 5-патрубка для подвода исходной пульпы; 6-распределительная труба; 7-патрубок; 8-перфорированных секционирующих перегородок; 9-корпуса аппарата, 10-регулятора уровня и вывода продукционной пульпы; 11-брызгоуловитель

В барботажной выпарной аппарате (БВА) (рис.2) установление продольных секционирующих перегородок способствует уменьшению перемешивания жидкости, как по ширине аппарата, так и по его длине. Для этого случая имеет смысл уменьшить перемешивание жидкости по длине аппарата. Если в обыкновенных аппаратах имеет место полное перемешивание жидкости по всему объему, то в данном случае установленные продольные перегородки способствуют созданию последовательно соединенных аппаратов, то есть образуется многоячеечная структура аппарата, и гидродинамическая структура (ГС) жидкой фазы будет характеризоваться ячеечной моделью.

Для определения оптимальной ГС потока проведены вычислительные эксперименты. Применение метода линейного программирования, сущность которого заключается в нахождении оптимального решения путем движения в сторону ограничений (т.е. к ) по оптимизируемым параметрам процесса с учетом их структурных взаимосвязей в системе [7].

Также формализована математическая и компьютерная модель БВА с двухъячеечной структурой потоков жидкости.

Когда имеется подвод горячего газа в обычных условиях, тогда газовая фаза поступает через систему газоподвода. Газ с давлением   поступает в корпус и, ударяясь о нижнюю часть выпарного аппарата, распределяется по всему объему аппарата. Для газовой системы образуются условия как бы идеального перемешивания.

На рис.3. изображено сечение модернизированного выпарного аппарата, в котором достигается установление продольных секционирующих перегородок способствует уменьшению перемешивания жидкости, как по ширине аппарата, так и по его длине.

Рисунок 3. Сечение выпарного аппарата А-А:
1-распределительная труба; 2 - патрубок; 3 - перфорированные секционирующие перегородки

В выпарном аппарате распределительная труба 1 по всей длине отходящей стенки для распределенного отвода концентрированный пульпы. Внутри кубической емкости установлены перфорированные секционирующие перегородки 2.

Таким образом, осуществляя небольшие изменения в существующем аппарате, то есть, путем организации  распределенного подвода жидкости - пульпы и распределенного отвода концентрированной пульпы и созданием секционирования внутри аппарата можно будет получить хороший экономичный эффект.

Список литературы:

1. А.с. 700154. В 01 D 1/14. Лыков М.В., Попов Н.П., Коршунов Л.И. Аппарат для концентрирования фосфорной кислоты. Бюл. 1979, №44.
2. Алабовский А. Н., Удыма П. Г., Аппараты погружного горения. – М.: Издательство МЭИ,1994. – 256 с.
3. Гельперин Н.И. Выпарные аппараты. - М.: ГОСХИМИЗДАТ, 1974. - 379 с.
4. Дохолова А.Н., Кармышов В.Ф., Сидорина Л.В. Производство и применение аммофоса. - М.: Химия, 1977. - 240 с.
5. Попов Н.П., Лыков М.В., Селезнева Т.М. Подкопаев В.Д., Коханенко П.Н., Капчиц Б.М. Упаривание фосфорной кислоты в барботажном аппарате // Хим. пром. – Москва, 1968. - №11. - С. 846.
6. Попов Н.П. Выпарные аппараты в производстве минеральных удобрений.- М.: Химия, 1974. - 128 с.
7. Рейпназарова З.Д., Артиков А.А. Оптимизация процесса выпаривания в производстве аммофоса // Химическая промышленность. - Москва, 2009. т.86. - №4. - С. 184-188.