В вертикальных аппаратах с направленной естественной циркуляцией выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляции раствора.

В аппаратах с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой обеспечивается естественная циркуляция, улучшающая теплопередачу и препятствующая образованию накипи на поверхности теплообмена. Недостатком является жесткое крепление кипятильных труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинении труб и корпуса аппарата.

В аппаратах с подвесной нагревательной камерой благодаря свободному подвесу нагревательной камеры устраняется опасность нарушения плотности соединения кипятильных труб с трубными решетками вследствие разности тепловых удлинении труб и корпуса аппарата. Интенсивность циркуляции в аппаратах с подвесной нагревательной камерой недостаточна для эффективного выпаривания высоковязких и особенно кристаллизирующихся растворов.

В аппаратах с выносными циркуляционными трубами достигается более интенсивная теплопередача и уменьшается расход метала на 1м2 поверхности нагрева по сравнению с аппаратами с подвесной нагревательной камерой или центральной циркуляционной трубой.

В аппаратах с выносной нагревательной камерой скорость циркуляции может достигать 1,5м/с, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизирующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена.

Аппараты с вынесенной зоной кипения могут эффективно применятся для выпаривания кристаллизирующихся растворов умеренной вязкости. Коэффициенты теплопередачи в таких аппаратах достигают 3000 Вт/(м2град).

В отличии от аппаратов с естественной циркуляцией в прямоточных аппаратах выпаривание происходит при однократном прохождение выпариваемого раствора по трубам нагревательной камеры. Таким образом, выпаривание осуществляется без циркуляции раствора. Различают аппараты с восходящей пленкой (упаривание кипящих растворов) и со стекающей пленкой (упаривание вязких и термоноестойких растворов).

Для того чтобы устранить отложение накипи в трубах, особенно при выпаривании кристаллизирующихся растворов, необходима скорость циркуляции не менее 2-2,5 м/с. Такие условия можно создать в аппаратах с принудительной циркуляцией. Скорость циркуляции определяется производительностью циркуляционного насоса и не зависит от высоты уровня жидкости в трубах, и также от интенсивности парообразования.

По технологическим причинам использование многокорпусных выпарных аппаратов иногда может оказаться неприемлемым. Так, например, приходится отказываться от многокорпусного выпаривания тех чувствительных к высоким температурам растворов, для которых температура кипения в первых корпусах многокорпусных установок слишком высоки и могут вызвать порчу продукта.

Проанализировав физические свойства выпариваемого раствора выбираем выпарной трубчатый аппарат с естественной циркуляцией и соосной греющей камерой.

3. Технологический расчет

Поверхность теплопередачи корпуса выпарного аппарата определяется по основному уравнению теплопередачи:

(3.1)

где F- площадь теплообменника, м2; Q -количество передаваемой теплоты, Дж; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); Dtп - полезная разность температур, К.

Для определения тепловых нагрузок Q, коэффициентов теплопередачи k, и полезной разности температур Dtп, необходимо знать количество упаренной воды, концентрацию раствора и ее температуру кипения в корпусе.

Производительность установки по выпариваемой воде определяют из уравнения материального баланса:

(3.2)

где W - производительность установки по упариваемой воде, кг/с; xн - начальная концентрация, xк - конечная концентрация, Gн - производительность установки (кг/с).

Температура кипения раствора в корпусе :

tk=132C0

3.1 Материальный баланс

На выпаривание поступает кг/с исходного раствора с концентрацией xн и удаляется Gк кг/с упаренного раствора с концентрацией xк. Если в аппарате выпаривается W кг/с растворителя, то общий материальный баланс выражается уравнением:

Производительность аппарата по упаренному раствору:

Производительность установки по выпариваемой воде:

В аппарат входит поток № 401 со следующим составом:

- карбамид - 95%;

- вода - 5%.

С аппарата выходят потоки № 402 и 709 со следующим составом:

Расчет статьи прихода:

;

.

Расчет статьи расхода:

Поток № 402

;

.

Поток № 709

;

;

;

;

;

Таблица 3.1

Материальный баланс