29

Тема 2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ И УСТАНОВОК

Выпаривание – термический процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ при кипении и удалении жидкого летучего растворителя в виде паров. Жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических параметров (вязкость, плотность, температура кипения и т.д.), так и других характеристик (кристаллизующиеся, пенящиеся растворы). Свойства смесей определяют основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание, прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные установки), а также к конструкциям выпарных аппаратов.

Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при правильном выборе схемы выпарной установки, типа аппарата, числа ступеней

вмногокорпусной выпарной установке.

2.1Выбор схемы выпарной установки

Решение этой задачи состоит из выбора:

−схемы подогрева раствора;

−схемы питания аппаратов раствором;

−оптимального числа ступеней установки;

−рациональной системы использования вторичной энергии.

2.1.1 Выбор схемы подогрева раствора

Условие теплообмена между греющим паром и кипящим раствором требует соблюдения градиента температур между названными теплоносителями, т.е. греющий пар для первой ступени выпарной установки (рисунок 2.1) должен иметь такую температуру tгр, чтобы выполнялось условие tгр −t р1 ≈ 8...10 оС для

выпарных аппаратов с естественной циркуляцией и tгр −t р1 ≥5 оС для аппаратов

30

с принудительной циркуляцией раствора. В приведенных выражениях tр1 -

температура кипения раствора в первом корпусе выпарной установки. Эта же зависимость распространяется на все последующие корпуса многоступенчатой n- корпусной установки, что приводит к выводу

1 - выпарной аппарат

Рисунок 2.1 - Схема трехкорпусной прямоточной выпарной установки

химическая, гидростатическая и гидравлическая температурная депрессия, соответственно, в каждом корпусе установки.

При проектировании многокорпусной выпарной установки ∆tполезн целесообразно распределять по корпусам так, чтобы поверхности всех корпусов были одинаковыми, что упрощает и удешевляет изготовление и обеспечивает унификацию деталей. Кроме того, предпочтительно, чтобы общая поверхность всех корпусов была минимальной.

31

Оба отмеченных фактора выполняются при условии распределения полезной разности температур ∆tполезн по корпусам поровну [7].

Многокорпусное выпаривание дает существенную экономию греющего пара, поступающего на первый корпус установки. Однако увеличение числа ступеней выпаривания сообразно с условием (2.1) приведет к закономерному повышению давления греющего пара. В то же время теплота конденсации пара слабо зависит от давления и с его повышением она незначительно уменьшается. Но повышение давления свежего пара – это недовыработка электроэнергии на ТЭЦ (если пар взят из отборов турбин) или повышение расхода топлива (если пар из котельной).

Раствор перед поступлением в I корпус желательно нагревать вплоть до температуры кипения. Для этой цели в первую очередь необходимо использовать вторичный пар последней ступени, а затем последовательно подогревать раствор в каскаде подогревателей экстра-паром из ступеней более высокого давления (регенеративный подогрев). И закончить подогрев свежим паром в специальном подогревателе, тем же паром, который подается в I корпус выпарной установки (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Прямоточная схема многокорпусной выпарной установки с подогревом

неконцентрированного раствора вторичным и свежим паром

В результате подогрева раствора свежим паром перед подачей его в выпарной аппарат не наблюдается экономия этого пара и это не уменьшает поверхность теплообмена выпарной установки в целом, но приводит к уменьш е-

32

нию поверхности выпарных аппаратов. Но так как удельная стоимость (1 м2 поверхности теплообмена) выпарного аппарата выше стоимости теплообменного аппарата (при прочих равных условиях) из-за большего расхода металла и сложности изготовления, то предварительный подогрев раствора выгоден.

Для противоточной схемы регенеративный подогрев не применяется, т.к. раствор поступает на выпаривание с того конца установки, где температура минимальна (т.е. с «холодного» конца).

2.1.2 Схемы питания аппаратов раствором

Наиболее распространенными схемами многокорпусных выпарных установок являются:

а) прямоточная (рисунок 2.2)

Практически в любой многокорпусной установке, в том числе и прямоточной, распределение давлений по корпусам подчиняется следующему неравенству ргр > р1 > р2 > ... > рn . Обычно первый корпус работает при повышенном давлении, второй – при давлении близком или выше атмосферного, а последний под разрежением. В прямоточной схеме и пар и раствор движутся от первого корпуса к последнему, причем раствор движется от корпуса к корпусу самотёком, что снижает как капитальные (на установку насосов), так и эксплуатационные затраты (на их привод). Схема применяется для большинства растворов, кроме вязких и склонных к активному кристаллообразованию.

б) противоточная (рисунок 2.3)

Применяется для выпаривания вязких растворов. Вязкость зависит от вида раствора, концентрации и температуры его. При выпаривании концентрация раствора увеличивается, а значит, повышается его вязкость. В то же время, т.к. остается справедливым неравенство ргр > р1 > р2 > ... > рn , а значит температура кипения раствора в корпусах t1 > t2 > ... > tn , вязкость раствора, подвергаемого выпариванию в прямоточной схеме, по всем факторам увеличивается, что делает проблематичным движение его самотеком, а значит применение прямоточной

1 - выпарной аппарат; 2- насос

Рисунок 2.3 - Схема трехкорпусной противоточной выпарной установки

схемы. При выпаривании раствора в многокорпусной противоточной установке раствор подается в последний корпус, где давление, а значит и температура самые низкие. При движении раствора от последнего к первому корпусу температура кипения повышается, что способствует снижению вязкости. Но т.к. раствор движется в сторону повешения давления, он перемещается с помощью насосов 2. Это требует дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат.

в) со смешанным током

Так же как и схема с противоточным движением применяется для выпаривания вязких растворов. В данной схеме неконцентрированный раствор подается во второй корпус, второй и третий корпуса (рисунок 2.3) соединены последовательно, а после третьего корпуса раствор подается в первый насосом, что снижает затраты на насосы.

г) с параллельным питанием по раствору (рисунок 2.4)

Применяется для выпаривания растворов, склонных к активному кристаллообразованию. Раствор разводится к корпусам по единому коллектору, так же отводится концентрированный раствор после аппаратов.