29

Тема 2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫПАРНЫХ АППАРАТОВ И УСТАНОВОК

Выпаривание – термический процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ при кипении и удалении жидкого летучего растворите-

У

ля в виде паров. Жидкие смеси, концентрирование которых осуществляется

выпариванием, отличаются большим разнообразием как физических парамет-

Т

ров (вязкость, плотность, температура кипения и т.д.), так и других характери-

стик (кристаллизующиеся, пенящиеся растворы). Свойства смесей определяют

основные требования к условиям проведения процесса (вакуум-выпаривание,

Б

прямо- и противоточные, одно- и многокорпусные выпарные установки), а так-

же к конструкциям выпарных аппаратов.

Н

Такое разнообразие требований вызывает определенные сложности при

новки

, типа аппарата, числа ступеней

правильном выборе схемы выпарной уста

Решение этой задачи с с

итвыбораиз :

в многокорпусной выпарной установке.

й

вора

2.1 Выбор схемы выпарн й установки

аппаратов

−

числа

;

схемы подогрева рас

−

схемы п тан я

раствором;

−

оптимального

ступеней установки;

−

рацизнальной системы использования вторичной энергии.

ет

Выборсхемы подогрева раствора

Р

2.1.1

о

Условиептеплообмена между греющим паром и кипящим раствором требу-

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 С для

выпарных аппаратов с естественной циркуляцией и t

гр

−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

Рап1 , θ1

Рап2 , θ2

Рап3 , θ3

вторичный пар

вторичный пар

вторичный пар

в конденсатор

1

1

1

У

греющий пар,

РГР

I

II

III

Н

Неконцентрированный

Концентрированный

Т

раствор

раствор

конденсат

конденсат

прямоточной

конденсат

и

Б

1 - выпарной аппарат

Рисунок 2.1 -

Схема трехкорпусной

выпарной установки

гр

>

1

>

2

> ...> р

n

.

(2.1)

т

Для многокорпусной выпарнрй установки полезная разность температур

и

t

о

−

n

(

+

+

)

,

(2.2)

полезн

=

t

гр

−θ

∑

1

2

n

i =1

3 i

о

где tгр

– температура пара, поступающего в I корпус установки; θn – тем-

пература вт ричн го пара из последнего (n-ого корпуса);

,

и

- физико-

п

з

1

2

3

химическая

, гидр статическая и гидравлическая температурная депрессия, со-

ответств нно, в каждом корпусе установки.

Р

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 уменьшает-

У

ся. Но повышение давления свежего пара – это недовыработка электроэнергии

на ТЭЦ (если пар взят из отборов турбин) или повышение расхода топлива (ес-

Т

ли пар из котельной).

Н

Раствор перед поступлением в I корпус желательно нагревать вплоть до

температуры кипения. Для этой цели в первую очередь необходимо использо-

Б

вать вторичный пар последней ступени, а затем последовательно подогревать

раствор в каскаде подогревателей

-йпаром из ступеней более высокого

давления (регенеративный

ев). И закончить подогрев свежим паром в

и

специальном подогревателе,

же па ом, который подается в I корпус выпар-

ной установки (рисунок 2.2).

экстра

подог

тем

и

1

1

1

з

I

II

III

о

п

е

исунок 2.2 – Прямоточная схема многокорпусной выпарной установки с подогревом

неконцентрированного раствора вторичным и свежим паром

Р

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 ми-

нимальна (т.е. с «холодного» конца).									У
	2.1.2 Схемы питания аппаратов раствором
								Т
	Наиболее распространенными схемами многокорпусных выпарных уста-
новок являются:							Н
а) прямоточная (рисунок 2.2)
						Б
Практически в любой многокорпусной установке, в том числе и прямоточной,
распределение давлений по корпусам подч няется следующему неравенству
					й
ргр > р1 > р2 > ... > рn . Обычно пе вый ко пус работает при повышенном давле-
				и
нии, второй – при давлении близк м или выше атмосферного, а последний под
		р
разрежением. В прямо очн й схеме и пар и раствор движутся от первого кор-
пуса к последнему, пр чем рас			движется от корпуса к корпусу самотёком,
		вор
что снижает как кап тальные(на установку насосов), так и эксплуатационные
затраты (на их привод). Схема применяется для большинства растворов, кроме
		и
вязких и скл нныхзк активному кристаллообразованию.
б) ротив т чная (рисунок 2.3)
		о
Прим ня тся для выпаривания вязких растворов. Вязкость зависит от вида рас-
	п
твора, концентрации и температуры его. При выпаривании концентрация рас-
е
твора увеличивается, а значит, повышается его вязкость. В то же время, т.к. ос-
тается справедливым неравенство			ргр > р1 > р2 > ... > рn , а значит температура ки-
Р

пения 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

33

Рап1 , θ1

Рап2 , θ2

Рап3 , θ3

вторичный пар

вторичный пар

вторичный пар

В конденсатор

1

1

1

греющий пар, РГР

I

II

II

I

У

концентрированный

неконцентрированный

раствор

раствор

2

2

Т

Н

конденсат

конденсат

конденсат

Б

1 - выпарной аппарат; 2- насос

Рисунок 2.3 - Схема трехкорпусной противоточной выпарной установки

схемы. При выпаривании раствора в многокорпусной противоточной установке

и

раствор подается в последний корпус, где давление, а значит и температура са-

р

мые низкие. При движении раство а от последнегойк первому корпусу темпера-

тура кипения повышается,

что

способствует снижению вязкости. Но т.к. рас-

т

твор движется в сторону п вешения давления, он перемещается с помощью на-

сосов 2. Это требует

ельных капитальных и эксплуатационных затрат.

вязких раств р в. Вдополниданной схеме неконцентрированный раствор подается во

в) со смешанным током

з

Так же как и схема с прот воточным движением применяется для выпаривания

осле

п

второй к р ус, вт р й и третий корпуса (рисунок 2.3) соединены последова-

тельно

третьего корпуса раствор подается в первый насосом, что сни-

, а

жа т затраты на насосы.

Р

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.