книги из ГПНТБ / Бушмелев, В. А. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства учебник

По уравнению (10-2) общее количество тепла D [I—cKtK\t которое при выпаривании передает пар, расходуется на подогрев раствора до температуры кипения в количестве G [c2t2—crtr ], на испарение воды

вколичестве W [і—c2t2] и на покрытие тепловых потерь. Следова­ тельно, выпарной аппарат работает не только как испаритель, но и как подогреватель. Поскольку выпарные аппараты сложнее и дороже, чем обычные подогреватели, нужно стремиться использовать их для чистого выпаривания, а подогрев растворов осуществлять предвари­ тельно в специальных подогревателях.

Величину тепловых потерь в расчетной практике выражают через тепловой коэффициент полезного действия е, который равен отноше­ нию полезно затраченного тепла к общему его расходу. Он составляет

в= 0,97 н- 0,98. С учетом вентиляции выпарных аппаратов его ве­ личина снижается до в = 0,9 -4- 0,92. Исходя из сказанного, расход греющего пара по уравнению (10-2) равен

Количество греющего пара, отнесенное к количеству испаряемой воды, есть удельный расход пара

Если пренебречь тепловыми потерями и предположить, что раствор поступает на выпарку при температуре кипения, то c2t2 s сх/і и удель-

І _ Qf

ный расход пара d = -------— . Это отношение приближенно равно

I cKtк

единице. Следовательно, в однокорпусной выпарке при отсутствии расхода тепла на подогрев раствора-1 кг первичного пара можно вы­ парить примерно 1 кг воды и можно получить 1 кг вторичного пара. Если t±< ttг. удельный расход пара 1. При ігі> і2 раствор в аппа­ рате будет вскипать и получим d<< 1.

Уравнение (10-3) решим относительно количества испаряемой водьь

1 кг первичного пара. Коэффициент испарения приближенно равен еди­ нице.

самоиспарения положителен и из раствора будет испарено наибольшее количество воды.

197

При подстановке значений а и ß в формулу (10-5) она примет вид

Отношение количества испаряемой воды к расходу первичного пара называется экономичностью выпаривания Э. Экономичность выпари­ вания — величина, обратная удельному расходу пара:

МНОГОКОРПУСНАЯ ВЫПАРКА

Принцип многократного выпаривания

Как уже указывалось, при отсутствии тепловых потерь и при по­ ступлении в аппарат раствора с начальной температурой, равной тем­ пературе кипения, на 1 кг первичного пара образуется 1 кг вторичного пара. Если его использовать во втором выпарном аппарате, то можно получить еще 1 кг вторичного пара. Подав его в третий аппарат, можно испарить еще 1 кг воды и т. п. Выпаривание с многократным использо­ ванием вторичного пара в качестве греющего в последующих выпарных аппаратах называется многокорпусным или многократным выпарива­ нием. Число выпарных корпусов N и кратность выпаривания п могут и не совпадать. В некоторых системах выпарки, когда отдельные вы­ парные аппараты работают параллельно, n<C.N.

На основании сказанного можно сделать вывод, что затратив 1 кг греющего пара в первом корпусе выпарки при п-кратном выпаривании, получим п кг сокового пара в последующих аппаратах, т. е. будем иметь экономичность Э, равную п. В действительности это не так. Изза температурных и тепловых потерь экономичность всегда меньше кратности выпаривания. При этом, чем больше кратность выпарива­ ния, тем меньше относительная экономичность Э0, равная отношению

— . Ниже приведены значения относительной экономичности в зави­

симости от кратности выпаривания:

Кроме того, при увеличении числа корпусов возрастают начальная стоимость установки и расход на ее обслуживание и ремонт. Оптималь­ ная кратность выпаривания для выпарных установок целлюлозных заводов п = 5 -5- 7 и зависит от конкретных условий работы пред­ приятий. При меньшем значении п выпарка неэкономична по расходу пара, а при большом увеличении числа аппаратов экономия в расходе пара не компенсирует затрат на эксплуатацию и ремонт установки.

198

Схемы выпарных установок

Установка, в которой все аппараты работают под давлением, на­ зывается выпаркой под давлением. Если часть аппаратов установки работает под давлением, а часть под разрежением, установка называ­ ется вакуум-выпаркой. При переходе от давления к разрежению один из аппаратов установки может находиться под атмосферным давле­ нием или давлением, близким к атмосферному. Счет аппаратов (кор­ пусов) в установке идет в направлении движения пара. Давление в корпусах понижается от первого корпуса к последнему. В первый кор­ пус подается первичный пар. Соковый пар движется от первого кор­ пуса к последнему, откуда отводится на конденсацию. Выпариваемый раствор может быть сначала подан в любой корпус установки, оттуда

вода.

он направляется в другие корпуса, проходя их в определенной после­ довательности. В зависимости от относительных направлений движе­ ния пара и выпариваемого раствора выпарные установки делятся на прямоточные, противоточные и установки смешанного питания.

Прямоточная выпарка (рис. 10-2) характеризуется тем, что упари­ ваемый раствор и пар движутся в одном направлении от первого кор­ пуса к последнему. Достоинство такой системы в наличии самотека и самоиспарения раствора (вскипания) при переходе его из корпуса

вкорпус. Однако при движении пара и раствора от первого корпуса

кпоследнему одновременно снижаются температуры пара и раствора и увеличивается его концентрация. Из-за этого в последних корпусах резко снижается интенсивность теплопередачи, а выпаренный раствор становится очень вязким. Для успешной перекачки этот раствор при­ ходится разогревать свежим паром в специальных аппаратах. Из-за снижения общего коэффициента теплопередачи в последних корпусах

общая поверхность нагрева в установке возрастает.

как следствие этого,— повышенный расход энергии и пара. Однако она имеет и ряд достоинств. Прежде всего у раствора при движении

199

от последнего корпуса к первому, кроме концентрации, постепенно повышается и температура, благодаря чему значительно улучшается теплопередача. Раствор выходит из первого корпуса подогретым и свободно перекачивается на дальнейшую обработку. Вследствие улуч­ шения теплопередачи уменьшается общая поверхность выпарки.

Выпарка со смешанной системой питания представляет собой раз­ личные комбинации прямоточной и противоточной систем. В пяти­ кратной выпарке со смешанной системой питания раствор движется в направлении корпусов или ІѴ-ѵѴ^-ІІІ-+ІІ->І.

Иногда, для того чтобы избежать термического разложения сухого остатка раствора в первом корпусе, выбирают движение в направле­ нии ІѴ ^ Ѵ -П ІІ^ І^ ІІ.

Использование отбросного тепла и повышение экономичности выпарки

Конденсат греющего пара первого корпуса за некоторыми исклю­ чениями отводится в котельную. Его избыточное тепло (в виде теплоты жидкости или паров вскипания) используется для подогрева раствора или для других целей. Тепло конденсата соковых паров, чаще всего в виде паров вскипания, также используют в выпарке для снижения расхода первичного пара. Конденсат сокового пара перепускается из корпуса в корпус (рис. 10-2 и 10-3). Выделяющиеся в межтрубных пространствах пары вскипания обогревают поверхности нагрева, вследствие чего из раствора выпаривается дополнительное количество воды. Это наиболее простой, но не лучший способ использования тепла конденсата, так как в последних корпусах объем конденсата увеличи­ вается и это может осложнить их эксплуатацию. Поэтому в современ­ ных выпарных установках вскипание конденсата осуществляют в спе­ циальных расширительных сосудах, установленных рядом с аппара­ тами. Пары вскипания присоединяются к основному потоку пара, идущему на обогрев данного корпуса. Конденсат соковых паров вы­ парки, прошедший через все расширители, еще содержит значитель­ ное количество тепла. Оно используется в теплоутилизационных тепло­ обменниках.

200

Успешная работа выпарки зависит от эффективной вентиляции парового пространства выпарных аппаратов и удаления несконденси­ ровавшихся газов. При этом вместе с газами удаляется некоторое ко­ личество пара (до 10% от поступающего количества). В современных выпарных установках тепло парогазовой смеси используют для пред­ варительного подогрева раствора перед подачей его в выпарные аппа­ раты. Несконденсировавшиеся газы обычно отсасываются в конден­

рах. В первой ступени обычно работают спиральные теплообменни­ ки; в них конденсируется около 80—90% сокового пара. Остальные 10—20% пара и газы уходят в барометрический конденсатор.

Большое влияние на работу конденсационной установки оказы­ вают кратность выпаривания и система питания раствором. При од­ ной и той же производительности выпарки нагрузка конденсаторов при противотоке значительно меньше, чем при смешанной системе и особенно прямотоке. При этом она существенно уменьшается с уве­ личением кратности выпаривания. Чем больше кратность выпарива­ ния, тем меньше пара идет на конденсацию, меньше поверхность кон­ денсаторов первой ступени, меньше расход воды на конденсацию в барометрическом конденсаторе и меньше количество отсасываемого вакуум-насосом газа.

Конденсации соковых паров в поверхностных аппаратах придается большое значение. Она облегчает использование тепла конденсата и его обезвреживание перед спуском в водоемы, уменьшает нагрузку барометрического конденсата и вакуум-насоса. Тепло конденсата ба­ рометрического конденсата также улавливается в теплоутилизацион­ ных теплообменниках.

Выпарные аппараты

Для выпаривания щелоков целлюлозно-бумажного производства применяются выпарные аппараты с естественной и искусственной цир­ куляцией и аппараты пленочного типа с однократным проходом ще­ лока. Та часть аппарата, в которой происходит нагрев и испарение жидкости при кипении, называется кипятильником. Пространство аппарата с устройством для отделения щелока от сокового пара на­ зывается сепаратором. Кипятильник и сепаратор в аппарате могут располагаться один под другим по одной оси или на параллельных осях. Такие аппараты соответственно называются с о о с н ы м и и с в ы н о с н ы м с е п а р а т о р о м .

На рис. 10-4 показана схема выпарного аппарата пленочного типа с трубчатым кипятильником и выносным сепаратором. Щелок на вы­ паривание подается с небольшим расходом, благодаря чему он быстро нагревается и закипает. Образующийся в большом количестве соко­ вый пар с высокой скоростью поднимается вверх, увлекая щелок. По­ следний движется в трубках тонкой пленкой около стенок, а пар — в центре. Отсюда и название аппаратов — пленочные. Пройдя по труб­ кам, паро-жидкостная смесь выбрасывается в сепаратор, где щелок

201

отделяется от пара. Из сепаратора щелок подается на дальнейшее вы­ паривание в другой аппарат. Часть щелока может быть подана также

На рис. 10-6 показан выпарной аппарат Розенблада. Каждый кор­ пус имеет по два сепаратора барабанного типа. Щелок циркулирует по правой циркуляционной трубе (рис. 10-6, а). При этом правая кон­ денсатная линия отключена. Часть щелока отводится в соседний аппа­ рат. Пар на выпарку подается из левого сепаратора, куда он прихо­ дит из котельной или из соседнего выпарного аппарата. Образующийся конденсат стекает вниз и циркуляци­ онным насосом частично подается на орошение поверхности нагрева ки­ пятильника. Другая его часть ис­ пользуется в соседних аппаратах для промывки деталей сепараторов и ки­ пятильников. В данном аппарате эти детали также промываются конденса­ том других аппаратов. Греющий пар и конденсат, поступающий на про­ мывку, движутся по каналам кипя­ тильника одновременно, смывая всю накипь. Через некоторое время работы ход щелока и пароконденсатной смеси меняется (рис. 10-6, б). Там, где циркулировал щелок, будут прохо­ дить пар и кислый конденсат, а по очищенным каналам — щелок. Пере­ ключение ходов пара и щелока производится сразу по всей выпарной установке. На один сепаратор могут работать несколько кипятильников.

Вконструкции выпарного аппарата

ссемью выносными кипятильни­ ками барабаны сепараторов имеют длину 12 ж и диаметр 2200 мм. По­

циркуляцией, работающие по принципу вскипания перегретого щелока на выходе из трубок в сепаратор. По существу кипятильника в таком аппарате нет, его заменяет подогреватель, в трубках которого за счет давления столба жидкости щелок не кипит, и, следовательно, нет значительного отложения накипи,

/

203

Температурные потери при выпаривании

В отличие от простого нагревания при выпаривании существуют не только потери тепла на излучение, но и температурные потери. Они являются причиной существенного уменьшения движущей силы

Рис. 10-6. Схема выпарного аппарата Розенблада с пластинчатым кипя­ тильником:

а — выпарка с прямым ходом; б — выпарка с измененным ходом пара и щелока; / — кипятильник; 2 — сепараторы; 3 — насосы; 4 — циркуляционные трубы; 5 — подача конденсата для орошения поверхностей нагрева

процесса — разности температур между греющим паром и кипящим раствором, что приводит к значительному увеличению поверхностей выпарных аппаратов.

Концентрационная депрессия

При одном и том же давлении растворы кипят при более высокой температуре, чем растворители. Разность температуры кипения раст­ вора и чистого растворителя при одинаковых давлениях называется концентрационной депрессией. С увеличением концентрации раствора концентрационная депрессия возрастает. Например, при нормальном давлении 760 мм рт. ст. сульфатный черный щелок концентрацией 35% кипит при температуре 103°, а вода — при 100°. Концентрацион­ ная депрессия = 103 — 100 = 3°. При давлении 200 мм рт. ст. тот

ную депрессию сульфатных щелоков давление не оказывает сущест­ венного влияния.

Температура вторичного пара равна температуре кипения раство­ рителя. Следовательно, концентрационная депрессия иначе равна разности температур кипения раствора и образующегося вторичного

204

пара. Если принять температуру первичного пара 110° и выпаривать под атмосферным давлением щелок концентрацией 35%, который ки­

ратуру кипения и больший температурный напор, что приводит к уве­ личению скорости выпаривания. В тех же условиях выпаривание ще­ лока с концентрацией 35% неосуществимо, так как его температура кипения 112° и концентрационная депрессия А' = 12°. Для того чтобы

.обеспечить прежний температурный напор A t = 7°, требуется первич­ ный пар с температурой 112 + 7 = 119°. Этого же можно достичь сни­ жением давления при выпаривании до 545 мм рт. ст., которому соот­

оценки концентрационной депрессии.

Концентрационные депрессии щелоков целлюлозного производства

Повышение температуры кипения за счет увеличения давления

С увеличением давления температура кипения жидкости возрас­ тает. Обозначим:

205

Давление на границе кипящего и некипящего слоев раствора равно

Р ~ Ро“Ь А Рст+ ДРтр + Д Руск>

и пара в трубках в зоне кипения по сравнению со ско­ ростью движения жидкости в трубках до зоны кипения.

где все размерности в единицах СИ.

Повышение температуры кипения раствора, вызванное повышением гидростатического давления, называется гидростатической депрес­

Повышение температуры кипения, вызванное увеличением давления на величину гидравлических сопротивлений, называется гидравличе­ ской депрессией.

Увеличение объема среды в зоне кипения за счет образования пара приводит к возрастанию скорости ее движения по трубкам. В ре­ зультате давление на границе кипящей и некипящей зон в трубках

Повышение температуры кипения, вызванное увеличением давления на ускорение движения парожидкостной смеси, называется инерцион­ ной депрессией.

В уравнении (10-9) средняя плотность парожидкостной смеси оп­ ределяется как среднелогарифмическая:

Рі — Рпж

Р

2,3 1g-P^

Рпж

лам довольно сложен. На практике для этой цели пользуются эмпири­ ческими зависимостями.

Для определения Артр сначала вычисляют потерю давления на трение Ар' в трубке длиной 1 м при движении по ней некипящего

206