Аппараты со свободной неорганизованной циркуляцией раствора. Наиболее прост по конструкции выпарной аппарат с паровой рубашкой со свободной неорганизованной циркуляцией (рис. 11.1). Применяются такие аппараты в небольших производствах для упаривания водных растворов, склонных к отложениям и обладающих агрессивными свойствами. Аппараты такой конструкции появились одними из первых. Они отличаются простотой изготовления, доступностью поверхности теплопередачи для коррозионной защиты и очистки от отложений.
Рис. 11.1. Выпарной аппарат с паровой рубашкой
Однако аппаратам со свободной неорганизованной циркуляцией присущ низкий коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору. Это объясняется тем, что скорость движения раствора невелика и определяется свободной конвекцией. Низкие коэффициенты теплоотдачи и соответственно теплопередачи приводят к необходимости иметь большую поверхность теплопередачи, что влечет высокие капитальные затраты. Необходимость увеличения поверхности нагрева в единице объема аппарата привела к появлению змеевиковых и трубчатых выпарных аппаратов. На рис. 11.2, 11.3 показаны такие аппараты со свободной неорганизованной циркуляцией.
Аппараты со змеевиковой и горизонтальной трубчатой греющими камерами более компактны, чем аппараты с рубашкой, греющий пар в них движется по трубам, обеспечивая большую удельную поверхность теплопередачи, но сложность их очистки и защиты от коррозии, возможность образования паровых пробок, ремонт внутренних устройств (змеевиков, труб) значительно затрудняют их эксплуатацию. Змеевики в выпарных аппаратах выполняются обычно в виде нескольких секций, что облегчает удаление конденсата, а также представляет возможность последовательного их отключения при понижении уровня раствора в случае периодического процесса.
Рис. 11.2. Змеевиковый выпарной аппарат: 1 – корпус; 2 – секции змеевика; 3 – брызгоуловитель
Рис. 11.3. Выпарной аппарат с горизонтальной трубчатой греющей камерой и вертикальным цилиндри-ческим корпусом: 1 – корпус; 2 – трубчатая греющая камера; 3 – сепарационное пространство
Аппараты с естественной организованной циркуляцией раствора. Неэкономичность аппаратов со свободной неорганизованной циркуляцией привела к появлению аппаратов с естественной направленной циркуляцией раствора. С этой целью в аппарате с сосной греющей камерой и центральной циркуляционной трубой (рис. 11.4) в вертикальной греющей камере соосной с сепаратором установлена циркуляционная труба, имеющая больший диаметр, чем кипятильные трубы. Исходный раствор поступает в аппарат и через циркуляционную трубу опускается вниз. Поднимаясь вверх по кипятильным трубам, раствор нагревается и закипает. При этом вверх поднимается парожидкостная смесь. По мере выхода из кипятильных труб пар поступает в сепаратор, где отделяется от брызг раствора и удаляется из аппарата. Отделение капелек жидкого раствора от вторичного пара происходит в сепарационном пространстве 5 за счет осаждения под действием сил тяжести. Для улова мелких капель в верхней части сепаратора может устанавливаться брызгоуловитель, действующий за счет силы инерции, возникающей при изменении направления движения (см. рис. 11.4), или центробежной – при закручивании парожидкостного потока (рис.11.6). Упаренный раствор удаляется снизу аппарата. Направленная циркуляция обусловлена разностью плотностей среды в циркуляционной и кипятильных трубах. Это достигается за счет того, что поверхность теплопередачи каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объема выпариваемого раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы. Поэтому теплообмен в кипятильных трубах проходит интенсивнее и плотность парожидкостной смеси будет значительно меньше плотности раствора в ц 
иркуляционной трубе. Вследствие естественной конвекции среда с большей плотностью будет опускаться по циркуляционной трубе вниз, а с меньшей – подниматься по кипятильным трубам вверх. Скорость движения раствора в таком аппарате значительно выше, чем в аппаратах с неорганизованной циркуляцией. Увеличение скорости движения раствора приводит к повышению его коэффициента теплоотдачи, лимитирующего процесс теплопередачи, а также уменьшения образования накипи на стенках труб.
Рис. 11.4. Выпарной аппарат с соосной греющей камерой и центральной циркуляционной трубой: 1 – корпус; 2 – греющая камера; 3 – кипятильные трубы; 4 – циркуляционная труба; 5 – сепаратор; 6 – брызгоуловитель
В аппарате с подвесной греющей камерой её иногда помещают в собственную обечайку и свободно устанавливают в нижней части корпуса аппарата (рис. 11.5).
Рис. 11.5. Выпарной аппарат с подвесной греющей камерой: 1 – греющая камера; 2 – корпус; 3 – паровая труба; 4 – брызгоуловитель; 5 – сливные трубы; 6 – перфорированная труба для промывки
Роль циркуляционной трубы выполняет кольцевое пространство, образованное обечайкой греющей камеры и стенками выпарного аппарата. Раствор по нему опускается вниз, а затем поднимается вверх по кипятильным трубам, закипает и образует парожидкостную смесь.
В 
аппарате с выносной циркуляционной трубой её располагают вне греющей камеры (рис. 11.6), что позволяет интенси-фицировать циркуляцию раствора за счет большей разности температур и плотностей в кипятильных и циркуляционной трубах, так как последняя в этом случае не обогревается греющим паром.
Рис. 11.6. Выпарной аппарат с соосной греющей камерой и выносной циркуляционной трубой: 1 – сепаратор; 2 – брызгоуловитель; 3 – греющая камера; 4 – циркуляционная труба
Для увеличения скорости циркуляции раствора применяют также выпарные аппараты с выносной греющей камерой. Применение выносной греющей камеры позволяет компактно сосредоточить большую поверхность н 
агрева в одном аппарате при большой длине труб (5-7 м) (рис. 11.7).
Рис. 11.7 Выпарной аппарат с выносной греющей камерой: 1 – сепаратор; 2 – брызгоуловитель; 3 – греющая камера; 4 – циркуляционная труба
С 
корость естественной циркуляции раствора редко превышает 1 м/с, что недостаточно для предотвращения отложений на поверхности нагрева при выпаривании кристаллизующихся раство-ров. Один из путей решения данной проблемы состоит в выносе зоны кипения за пределы греющей камеры. Раствор перегревается в греющей камере, а затем поступает в зону кипения. В аппарате с вынесенной зоной кипения испарительную трубу размещают над греющей камерой (рис. 11.8).
Рис. 11.8. Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – испаритель-ная труба; 4 – циркуляц-ионная труба; 5 – каплеот-бойник; 6 – брызгоулови-тель
Высота испарительной зоны выбирается такой, чтобы за счет избыточного гидростатического давления раствор перегревался в греющей камере относи-тельно его температуры насыщения в сепараторе. Кипение раствора проходит в верхней части испарительной трубы. Однако производительность такого аппарата ограничена реальными возможностями по созданию гидростатического давления. Для создания большего перегрева раствора потребовалась бы значительная высота аппарата.
Аппараты с принудительной циркуляцией раствора. Отложения на стенках нагревательной камеры могут быть уменьшены, а коэффициенты теплоотдачи увеличены за счет роста скорости циркуляции раствора в нагревательных трубах до 2,5–3,5 м/с. Такой скорости можно достичь только принудительной циркуляцией раствора. Принудительная циркуляция организуется, как правило, насосами (рис. 11.9). Аппараты с принудительной циркуляцией могут использоваться при концентрировании растворов до предельной концентрации (состояние кристаллизации), а также сильно вязких растворов. Их устройство может быть подобно аппаратам, изображенным на рис. 11.6 – 11.8, с добавлением насоса, обеспечивающего циркуляцию раствора (рис. 11.9).
Рис. 11.9. Выпарной аппарат с принудительной циркуляцией раствора: 1 – насос
Выпарные аппараты с естественной циркуляцией могут эффективно работать при полезной разности температур не менее 10–12 градусов. Аппараты с принудительной циркуляцией могут работать при полезной разности темпера-тур – 3–5 градусов вследствие увеличения в них коэффици-ентов теплоотдачи от стенки к раствору, а также малой зависимостью интенсивности циркуляции от полезной разности температур. Недостат-ком таких аппаратов является значительный расход энергии на обеспечение вынужденной циркуляции раствора.
Аппараты без циркуляции раствора (прямоточные). В этих аппаратах раствор выпаривается за один проход и движется, как правило, в виде тонкой пленки. Гидродинамическая структура потока раствора в прямоточных аппаратах близка к модели идеального вытеснения, в то время как в аппаратах с циркуляцией – к модели идеального смешения. Для выпаривания термонестабильных и вспенивающихся растворов были разработаны пленочные аппараты. Полезная разность температур в таких аппаратах составляет 2–3 градуса. Пленочные выпарные аппараты могут быть горизонтальными; вертикальными с падающим (нисходящим) и восходящим движением пленки; роторными.
В 
ертикальный пленочный аппарат с восходящей пленкой (рис. 11.10) состоит из длиннотрубной (6–7 м) вертикальной греющей камеры, заполненной раствором, занимающим около 1/4 высоты труб. Образующийся в этой зоне вторичный пар увлекает тонкую пленку раствора и перемещает ее вверх. При своем движении пленка раствора упаривается и на выходе из труб вместе с вторичным паром поступает в сепаратор. Такой аппарат применяется для выпаривания маловязких растворов.
Рис. 11.10. Вертикальный пленочный выпарной аппарат с восходящим движением пленки: 1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – брызгоотбойник; 4 – брызгоуловитель
В пленочных аппаратах с нисходящей пленкой она формируется с помощью специальных пленкообразующих устройств. Пленкообразующие устройства могут быть в виде насадок (цилиндрических, конических, спиральных), сопел, параллельно расположенных над трубной решеткой сеток, решеток, дырчатых дисков и т.п. Раствор, стекая вниз по трубам в виде пленки, упаривается. Такие аппараты применяются при выпаривании более вязких растворов.
Преимуществами рассмотренных пленочных аппаратов являются кратковременный контакт раствора с поверхностью нагрева, низкая полезная разность температур, относительно высокий коэффициент теплопередачи.
При выпаривании термонестабильных и сильно вязких растворов применяются роторные пленочные аппараты. Пленка в таких аппаратах образуется при вращении ротора. Устройство роторного пленочного выпарного аппарата показано на рис. 11.11. Цилиндрический корпус снабжен нагревательной рубашкой и сепаратором. Внутри корпуса установлен приводимый во вращение ротор. Исходный раствор ротором распределяется в виде пленки по стенкам корпуса, стекает вниз и удаляется в виде упаренной жидкости. Сверху аппарата отводится вторичный пар.
Д 
остоинства роторных пленочных аппаратов: кратковременный контакт раствора с теплопередающей поверхностью, высокий коэффициент теплопередачи, возможность использования для мало- и высоковязких растворов, для проведения процесса с выделением кристаллов, вплоть до получения сухого остатка (поверхность нагрева очищается специальными лопастями).
Рис. 11.11. Роторный пленочный выпарной аппарат: 1 – вращающийся ротор
Аппараты контактного типа. Степень концентрирования растворов может быть существенно повышена отсутствием контакта раствора с поверхностью нагрева. Это позволит исключить отложения, препятствующие теплопереносу. Такой подход реализован в аппаратах контактного типа. Перенос тепла осуществляется непосредственным контактом раствора и нагревающего агента, который может быть в газообразном, жидком или твердом состоянии. Наибольшее распространение получили контактные аппараты с теплоносителем в газообразном состоянии. В барботажном выпарном аппарате (рис. 11.12) при барботаже горячего газообразного теплоносителя образуется значительная межфазная поверхность, происходит перемешивание упариваемого раствора. В результате интенсифицируется теплообмен. Преимущество контактных аппаратов заключается также в возможности их использования для выпаривания химически агрессивных растворов. При этом корпус аппарата изготавливается из обычной углеродистой стали, футерованной изнутри стойкими, но малопрочными материалами (графит, керамика, пластмасса и т.д.). Недостатками барботажных выпарных аппаратов являются: большие габариты, что объясняется значительным расходом газовой фазы; необходимость разделять образующуюся парогазовую смесь (вторичный пар обычно конденсируют). Иногда образующуюся парогазовую смесь выбрасывают в атмосферу.
Р 
ис. 11.12. Барботажный выпарной аппарат: 1 – барботер
Выбор конструкции выпарного аппарата основывается на конкретных данных для проектирования: физико-химических свойствах упариваемого раствора и имеющегося нагревающего агента, требуемой степени концентрирования, производительности установки, санитарных нормах и т.д. Такой выбор из всего имеющегося многообразия конструкций, возможен лишь на основе технико-экономических расчетов.