Многоступенчатые выпарные установки Майоров В.В Портнов В.В

ВВЕДЕНИЕ

Выпаривание – термический процесс концентрирования растворов нелетучих твердых веществ при кипении и частичном удалении жидкого растворителя в виде пара. В технике процесс выпаривания (упаривания) получил широкое распространение, так как многие вещества (сахар, поваренная соль, соли щелочных металлов, аммиачная селитра и многие другие) получают в виде слабых водных растворов, а в готовом для потребления, хранения или транспорта виде они должны быть полностью или частично обезвожены.

Впервые выпаривание, как технологический процесс, получило применение в производстве сахара. В России в 1802 году был построен первый сахарный завод с применением упаривания сахарного сиропа. Глубокое научное обоснование и анализ процессов выпаривания дан в 1915 году русским ученым И.А.Тищенко в монографии «Современные выпарные аппараты и их расчет». Российские ученые Н.И. Гельперин, В.Н. Стабников, И.И. Чернобыльский внесли большой вклад в теорию и практику выпарной техники.

Материал учебного пособия соответствует программе подготовки дипломированных специалистов по направлению 650800 «Теплоэнергетика». Оно ориентировано главным образом на изучение студентами специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» дисциплины «Тепломассообменное оборудование предприятий». Пособие может быть использовано при выполнении курсового проекта и в процессе дипломного проектирования.

3

1. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ВЫПАРНОЙ УСТАНОВКИ (МВУ)

Выпарная установка предназначена для осуществления термического процесса кипения раствора с выделением практически чистого пара растворителя, в результате которого в растворе происходит повышение концентрации растворенного вещества. В технологических процессах промышленности преимущественно выпариваются водные растворы различных нелетучих веществ, поэтому весь дальнейший материал изложен применительно к водным растворам.

Для выполнения проекта выпарной установки необходимо иметь следующие исходные данные:

1.Теплофизические свойства выпариваемого раствора во всем диапазоне изменения концентрации и температуры.

2.Расход начального (слабого) раствора G H или сгу-

щенного (крепкого) раствора GK .

3. Начальную и конечную концентрацию раствора bH

и bK .

4. Температуру раствора, поступающего в I ступень

МВУ, t′H .

Кроме того, могут быть заданы или выбраны следующие дополнительные параметры:

1.Давление и температура греющего пара, поступающего на МВУ, P1 и t1 .

2.Давление пара в конденсаторе или последней ступени

МВУ, PK .

3.Тип установки.

4.Число ступеней выпаривания МВУ, n .

5.Тип выпарных аппаратов.

Рекомендуется следующая последовательность проведения расчета многоступенчатой выпарной установки.

4

1. Выбирают тепловую схему выпарной установки, увязывают ее с тепловой схемой промышленного предприятия и

определяют расходы вторичного пара Ei , кг/ч, для внешних

потребителей. Так как режим работы МВУ не всегда известен в начале расчета, то давление отбираемых вторичных паров предварительно принимается ориентировочно.

2.Производят тепловой расчет выпарной установки с целью определения поверхности теплообмена выпарных аппаратов и расхода греющего пара на 1-ю ступень МВУ.

3.Производят конструктивный и прочностной расчеты аппаратов.

4.Выполняют все необходимые расчеты теплообменных аппаратов, входящих в состав МВУ.

5.Рассчитывают конденсационную установку: конденсатор и вакуум – насос, а также определяют расход охлаждающей воды.

6.Подбирают насосы для подачи раствора в выпарные аппараты.

7.Выбирают вспомогательное оборудование: систему сбора и отвода конденсата, расширители, тепловую изоляцию, паровые, конденсатные и растворные трубопроводы, различные емкости.

8.Разрабатывают систему теплового и технологического контроля и автоматики МВУ, а также определяют техникоэкономические показатели работы выпарной установки.

Интенсивность теплопередачи – самая главная проблема при проектировании выпарного аппарата и МВУ в целом, так как наибольшая часть капитальных затрат приходится на сооружение поверхности теплообмена. При прочих равных условиях останавливаются на том типе выпарного аппарата, который имеет самый высокий, в данном случае, коэффициент теплопередачи. Отделение пара от жидкости в паровом пространстве имеет также большое значение для предупреждения уноса раствора, в противном случае неизбежны потери про-

5

дукта, загрязнение вторичного пара, загрязнение или коррозия поверхности, на которой конденсируется вторичный пар.

Основная цель проектирования МВУ – получение продукта высокого качества при минимальных затратах. Достижение этой цели требует анализа и учета большого числа факторов. К важнейшим факторам процесса выпаривания относятся:

1)начальное давление греющего пара (учитывается его стоимость);

2)конечное давление (в зависимости от температуры охлаждающей воды, ее стоимости, режима теплопередачи и качества конечного раствора);

3)число ступеней выпаривания (стоимость пара, воды и электроэнергии для перекачивающих насосов);

4)распределение площади поверхности теплообмена между корпусами (стоимость МВУ);

5)тип выпарного аппарата (стоимость и продолжительность процесса выпаривания);

6)конструкционные материалы (их влияние на качество сгущенного раствора, продолжительность службы трубок и аппарата, а также его стоимость);

7)коррозия, эрозия и расход электроэнергии (учитывается скорость жидкости в кипятильных трубках);

8)продолжительность ремонтного периода;

9)эксплуатационные расходы;

10)способы подачи слабого раствора и использование систем для рекуперации тепла;

11)стоимость рекуперационных теплообменников;

12)возможность отбора пара из промежуточных ступеней для использования на промышленном предприятии.

Наибольшее влияние на стоимость МВУ оказывает число ступеней. Технико-экономическим расчетом можно установить оптимальное число ступеней там, где оно не ограничивается вязкостью, агрессивностью, температурой кристаллизации, повышением температуры кипения или термочувстви-

6

тельностью раствора. Обычно экономия воды и пара оправдывает дополнительные капиталовложения, эксплуатационные расходы и стоимость электроэнергии приблизительно до семи ступеней (при благоприятных свойствах раствора).

2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ВЫБОР МВУ

По технологическим признакам промышленные выпарные установки непрерывного действия можно разделить на несколько групп:

1.По числу ступеней выпарные установки могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми (МВУ), при этом в одной ступени могут быть один, два и более включенных корпусов выпарной установки.

2.По давлению вторичного пара в последней ступени выпарные установки бывают:

- с разрежением; - с повышенным давлением;

- с ухудшенным вакуумом.

3.По относительному движению греющего пара и выпариваемого раствора:

- прямоточные – для растворов, имеющих высокую температурную депрессию (рис. 1, а);

- противоточные – для растворов с быстро растущей вязкостью при повышении их концентрации (рис. 1, б);

- с параллельным питанием корпусов выпариваемым раствором при склонности его к кристаллизации (рис. 1, в);

- со смешанным питанием корпусов для растворов с повышенной вязкостью (рис. 1, г).

Чтобы правильно спроектировать МВУ для заданного раствора, необходимо экономически обоснованно выбрать:

- схему подогрева раствора; - схему питания аппаратов раствором;

7

Исходный Концентрированный раствор

раствор г)

Рис. 1 Схемы МВУ

8

В противоточных МВУ ступенчатый регенеративный подогрев не применяется, так как слабый раствор поступает на выпаривание в ″холодном″ конце выпарной установки.

Прямоточная схема подачи раствора в МВУ наиболее проста и экономична и получила наиболее широкое распространение в промышленности.

В особых случаях, когда МВУ предназначена для обработки растворов с сильно возрастающей вязкостью в процессе выпаривания, можно остановиться на варианте противоточной схемы питания. В такой схеме одновременно с увеличением концентрации и вязкости по ходу раствора от ступени к ступени повышается его температура, что вызывает снижение вязкости. Недостатком противоточной схемы является необходимость применения насосов для перекачивания раствора перед каждой ступенью установки.

Схемы с параллельным питанием применяют для упаривания кристаллизирующихся растворов, близких к насыщению, в которых при незначительной разнице в концентрациях образуются кристаллы, усложняющие эксплуатацию установки.

Смешанный ток может найти применение в тех же случаях, в каких применяется противоток. Преимуществом смешанного тока перед противотоком является уменьшение количества насосов при сохранении положительных качеств противоточной схемы.

Если отсутствует постоянный потребитель низкопотенциального тепла, то МВУ проектируется с конденсатором за последней ступенью, в котором поддерживается Pk =0,1…0,25

бар.

При наличии в схеме МВУ или на производстве потребителей низкопотенциального тепла целесообразно проектировать установку с ухудшенным вакуумом или с противодавлением вторичного пара в последней ступени. Температура вторичного пара из МВУ должна быть в этом случае на

11

8…10°С выше конечной температуры теплоносителя у потребителя тепла.

Если потребителю низкопотенциального тепла необходим подогрев теплоносителя до температуры большей, чем температура вторичного пара последней ступени, то нужно применять многоступенчатый подогрев с использованием вторичных паров промежуточных ступеней МВУ (от низкого потенциала к высокому).

2.1.Выбор числа ступеней выпаривания

Сучетом потерь тепла расход греющего пара D в установке с n ступенями приближенно определяется по формуле

где W , кг/ч, - количество выпариваемого растворителя

во всех ступенях установки.

Из (1) ясно, что увеличение числа ступеней в обратной пропорциональности снижает расход пара на МВУ, но также в прямой пропорции увеличивает общую поверхность теплообмена выпарных аппаратов, т. е. увеличивает капитальные затраты.

Разработана методика технико-экономического анализа и определения оптимального числа ступеней МВУ по эксплуатационным затратам в зависимости от стоимости обслуживания установки, а также затрат на греющий пар, воду и электроэнергию [1]. Оптимальное число ступеней по названной методике nОПТ ориентировочно можно определять по формуле

12