3.4. Сепарація вторинної пари у випарних установках

Чистота вторинної пари паро перетворювачів і випарних апаратів визначається кількістю рідини (води), що уноситься з паром у паропровід. Явище віднесення полягає в тому, що пара, що виділяється з киплячої рідини, захоплює із собою часточки рідини у вигляді тумана, окремих крапель або піни й несе в паропровід, а потім до споживачів, у конденсатор або у включений апарат, для якого вторинна пара попереднього контуру є гріючим. Солі, що втримуються в крапельках вологи, осаджуються на поверхні, що гріє, апарата, знижують коефіцієнт тепловіддачі, а отже, і теплопродуктивність апарата, вимагають зупинок його для очищення й прискорюють зношування.

Для осадження вологи у всіх пристроях, що сепарують, звичайно використають три фактори: дія сили ваги, під впливом якої крапельки води випадають із потоку пари; силу контактної взаємодії, тобто прилипання водяних краплі до поверхні сепаратора; відцентровий ефект, у результаті якого при русі вологої пари по кривої траєкторії крапельки рідини відкидаються до периферії, тобто до стінок сепаратора, і стікають униз. У більшості випадків ці три способи механічного впливу на вологу пару використаються одночасно або сполучаються в різноманітній послідовності й у різному ступені

Однак механічні способи сепарації пари недостатньо ефективні при кипінні сильно пінливих розчинів, тому в цей час для усунення піноутворення й викиду піни з апарата в припустимих випадках до розчину додають мікродози (1/10⁴—1/10^е вагарень часток) антипенітелей, наприклад КЭ-10-12, АМ-3 й ін., які забезпечують нормальну роботу випарних апаратів навіть при підвищених теплових навантаженнях.

Звичайно висоту парового простору над поверхнею киплячого розчину приймають не менш 1,5 м, а при випарюванні сильно пінливих розчинів 2,5-3м.

Необхідний об'єм парового простору над поверхнею киплячого розчину визначають по формулі

де W - кількість води, що випарюється, (вторинної пари), кг/г;

R_v-припустима масова напруга парового простору (кількість випарює води, що, на 1 м³ об'єму парового простору в годину), кг/(м³г).

Значення R_v приблизно можна визначити по формулі:

Значення при р=0,98-10⁵, Па, приймається для чистої води 2000 кг/м³г, а для розчинів 1000 кг/м³г. При розпарюванні пінливих розчинів зменшують ще в 2 рази. Для пінливих розчинів R_v = 500 кг/м³г.

3.5 Принципові схемі багатокорпусних випарних установок безперервної дії

Принцип багаторазового випару. Якщо пара, що утвориться з розчину (вторинна пара одного випарного апарата), направити в камеру, що гріє, іншого випарного апарата й підтримувати в другому апарату такий тиск, щоб температура цієї пари була більше температури кипіння розчину в другому апарату, то в ньому теж може відбуватися випарювання, як й у першому апарату. Сукупність декількох випарних апаратів, у яких вторинна пара з кожного попереднього апарата направляється в камеру, що гріє, наступного, називається багатокорпусною випарною установкою. Установки з багаторазовим випаром вірніше називати багатоступінчастими, але не багатокорпусними, тому що в одному щаблі може бути кілька корпусів, з'єднаних паралельно. Оскільки надалі розглядаються установки тільки з одним корпусом у кожному щаблі, ми вважаємо за можливе слово «щабель» замінити словом «корпус», більше вживаним на промислових підприємствах.

Для можливості кипіння розчину в кожному корпусі необхідно забезпечити відповідну різницю між температурами вторинної пари й попереднього корпуса й киплячого розчину наступного за ним корпуса. Застосуванням випарювання в багатокорпусних установках досягається значна економія пари, а отже, і палива в порівнянні з однокорпусним випарюванням при однакових значеннях продуктивності. Якщо приблизно прийняти, що за допомогою 1кг пари, що гріє, можна випарити в однокорпусному апарату 1кг води, то в багатокорпусній установці завдяки багаторазовому випару на 1кг пари, що гріє, що поступили в перший корпус, можна випарити кількість кілограмів води, рівна числу корпусів, тобто витрата пари на випарювання 1кг води в багатокорпусній випарній установці обернено пропорційний числу послідовно включених корпусів. У цьому й полягає зміст застосування багатокорпусних випарних установок.

З урахуванням втрат тепла витрата пари, що гріє, при багатокорпусному випарюванні може бути приблизно підрахований по формулі:

D = W/0,85n,

де W - кількість випарює води, що, у всіх корпусах, кг/г;

n - число корпусів;

0,85 - коефіцієнт, що враховує збільшення теплоти фазового переходу зі зниженням тиску, втрати тепла з неповним використанням конденсату, втрати в навколишнє середовище й т.п.

Досвідчені дані показують, що у випарних установках з поверхнями, що гріють, нагрівання при переході від однокорпусного випарювання до двох корпусного економія в питомій витраті пари, що гріє, становить близько 50%, від чотирьох корпусного до п'яти корпусного - 10%, а від десяти корпусного до одинадцяти корпусного - менше 1%. Тому найбільше поширення мають чотирьох і три корпусні установки, однак іноді в промисловості зустрічаються навіть десяти корпусні.

Вибір числа корпусів випарної установки є техніко-економічним завданням. Оптимальне число корпусів випарної установки:

де k – середній коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м² °С);

t_н – температура насичення пари, що гріє, С;

t`₂ й t``₂ - початкова й кінцева температури охолодні води, °С;

t_п - температура кипіння розчину в останньому корпусі, °С;

i_п - ентальпія пари, що гріє, що йде з останнього корпуса, кдж/кг;

Р_до й Р_п - тиск у конденсаторі й парціальний тиск водяної пари й газовоз задушливої суміші, що відсмоктує вакуум-насосом, Па;

а - вартість 1 кг пари, що гріє, руб.;

b – вартість експлуатації1 м² поверхні нагрівання апарата (амортизація, ремонт, обслуговування будинку й т.п.), руб. /г.;

С - вартість 1кг охолодної води, руб.;

d - вартість 1 квт/ ч електроенергії, руб.

Необхідно відзначити, що зі збільшенням числа корпусів збільшується витрата металу, початкові витрати на установку й амортизаційні відрахування, витрати на поточні ремонти й, крім того, ускладнюється експлуатація, тому в більшості випадків на практиці застосовують випарні установки з поверхнями, що гріють, нагрівання із трьома або чотирма корпусами.

Застосування противотокової випарної установки в порівнянні із прямоточної (при однаковому робочому режимі) є: деяке збільшення витрати пари, що гріє ( на 5-10%) і трохи більшу витрату електроенергії на перекачування розчину з корпуса в корпус у напрямку зростаючих тисків.

Випарні установки з паралельним харчуванням розчином застосовуються при випарюванні що кристалізуються (насичених) розчинів, у яких видалення невеликих кількостей води з розчину викликає випадання кристалів. Якщо такі розчини упарювати у прямоточній або противотокової по розчині установці, то інтенсивно, що утворяться при випарюванні кристали, неминуче будуть попадати в трубопроводи й арматури, забивати їх, навіть, якщо будуть передбачені спеціальні камери-солевідділювачі для осадження кристалів. Взагалі ж при будь-якій схемі, якщо можливо хоча б незначне утворення кристалів, застосовується конструкції випарних апаратів із солевідділювачам, що мають унизу фільтруючу сітку.

Вторинна пара, що відбирає з якого-небудь корпуса для цілей підігріву розчину або для інших технологічних цілей (але не для випарювання), прийнято називати екстрапаром. Схема випарної установки зі змішаною подачею розчину й відбором екстрапара показана на рис.5-г. Екстрапар може бути взятий з будь-якого корпуса. Більш ощадливо відбирати пара з останніх корпусів, однак це не завжди можливо, тому що від корпуса до корпуса температура екстрапара знижується.

На рис.5 -д показана схема випарної установки з нульовим і подвійним корпусом. Нульовий корпус (нуль-корпус) є як би редуктором гострої пари, що дає додаткову пару при недоліку м'ятої пари. Системи з нуль-корпусом поширені в цукровій промисловості.

Необхідність подвійного корпуса може виникнути в тому випадку, коли, наприклад, поверхня нагрівання всіх корпусів повинна бути однакової, а перший корпус повинен використати як м'яту пару, так і вторинна пара з нуль-корпуса, для того, щоб забезпечити обігрів другого корпуса й відпустка значної кількості екстрапара, як показано на схемі.

Схеми двох корпусної випарної установки із двома агентами, що гріють, наприклад, парою й маслом, зазначене на рис.5-і. застосовується у випадках, коли збільшення концентрації розчину в першому корпусі різко підвищує температуру кипіння в другому корпусі й температура вторинної пари як гріє виявляється недостатньою.

У розглянутих схемах випарних установок останні корпуси можуть працювати при атмосферному тиску й під вакуумом. Розглянемо принципові схеми багатокорпусних випарних установок на рис.5.

Рисунок 5- Принципові схеми багатокорпусних випарних установок.

а - прямоточна; б - противотокова; в- з паралельним харчуванням; г- зі змішаною подачею розчину й відбору екстрапара; д- з нуль-корпусом і подвійним першим корпусом; е - із двома агентами, що гріють (парою й маслом).