5. Многокорпусные выпарные установки

В современных выпарных установках выпариваются очень большие количества воды, достигающие нескольких сот тонн в час. Поскольку на выпаривание 1 кг воды расходуется более 1 кг греющего пара, то уменьшение его расхода является чрезвычайно актуальной задачей. Одним из вариантов ее решения является объединение нескольких выпарных аппаратов в многокорпусную выпарную установку.

Применение многокорпусных выпарных установок (МВУ) позволяет значительно уменьшить расход теплоты на выпаривание благодаря использованию теплоты вторичного пара. Принцип работы МВУ состоит в том, что выпаривание производят в нескольких, соединенных между собой аппаратах. Давление в аппаратах поддерживают таким образом, что вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего в последующем. Давление вторичного пара в первом корпусе определяют исходя из располагаемого давления греющего пара и физико-химических свойств выпариваемого раствора.

При работе многокорпусных выпарных установок часть вторичного пара часто используют для обогрева других аппаратов (подогревателей раствора, отопительной системы и т. д.). Этот извлекаемый из системы выпарной установки пар называетсяэкстра-паром.Его можно выводить из любого корпуса установки. При этом необходимо учитывать, что чем дальше от первого корпуса отбирается экстра-пар, тем меньше расход греющего пара и, следовательно, экономичнее работает установка.

1. Типовые схемы многокорпусных выпарных установок

Многокорпусные выпарные установки в зависимости от относительного движения греющего пара и выпариваемого раствора разделяются на: прямоточные,противоточные,с параллельным питанием корпусовраствором,смешанного тока. Нумеруют корпуса установки по ходу пара.

Прямоточнаяустановка состоит из нескольких (в данном случае трех) корпусов. Исходный раствор из емкости1насосом2нагревают в подогревателе 3 до температуры, близкой к температуре кипения и подают в первый корпус установки4, который обогревается свежим паром. Вторичный пар из первого корпуса направляют в качестве греющего во второй корпус5, в котором, вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом. Аналогично вторичный пар из второго корпуса направляют в качестве греющего в третий корпус6, а из третьего – в барометрический конденсатор7.

В барометрическом конденсаторе вторичный пар охлаждается водой, конденсируется и вследствие этого в конденсаторе и последнем корпусе выпарной установки создается разрежение. Степень разрежения определяется условиями конденсации пара и высотой барометрической трубы. Воздух и другие неконденсирующиеся газы, поступающие в конденсатор с охлаждающей водой, вторичным паром и через уплотнения арматуры и фланцевых соединений трубопроводов, отсасываются через ловушку-брызгоотделитель 8вакуум-насосом. Смесь конденсата вторичного пара и воды удаляется в канализацию через бак-гидрозатвор9.

Рисунок 10.2 – Принципиальная схема многокорпусной прямоточной выпарной установки: 1 – емкость исходного раствора; 2 – насос 3 – подогреватель исходного раствора; 4, 5, 6 – корпуса выпарной установки; 7 – барометрический конденсатор смешения; 8 – ловушка; 9 – бак-гидрозатвор; 10 – емкость упаренного раствора

Выпариваемый раствор из первого корпуса самотеком перетекает во второй корпус, давление в котором ниже, чем в первом, и охлаждается здесь до температуры кипения. При этом за счет выделяющегося при снятии перегрева тепла образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление происходит во всех корпусах выпарной установки, кроме первого, и называется самоиспарениемраствора. Аналогично из второго корпуса раствор перетекает в третий корпус, в котором выпаривается до конечной концентрации. Упаренный раствор собирают в емкости10и насосом отправляют на склад продукции или на дальнейшую переработку.

На практике давление вторичного пара в первом корпусе в большинстве случаев составляет 0,30,5 МПа, в последнем корпусе 0,010,02 МПа. При работе многокорпусной выпарной установки часть вторичного пара, называемуюэкстра-паром, можно использовать для подогрева исходного раствора или других технологических нужд. Количество корпусов выпарной установки определяют путем технико-экономического расчета при минимальных издержках производства.

Преимущества прямоточной установки: раствор движется из корпуса в корпус самотеком, понижение температуры кипения раствора происходит по мере увеличения его концентрации (что особенно важно для сохранения качества растворов термолабильных веществ), поступление в выпарной аппарат перегретой жидкости улучшает процесс выпаривания.

Недостатком прямоточной схемы является уменьшение по корпусам коэффициента теплопередачи из-за увеличения концентрации раствора (повышения вязкости) и одновременного снижения температуры кипения.

Прямоточные установки широко применяют для концентрирования многокомпонентных растворов, у которых при повышении концентрации одного из компонентов уменьшается растворимость выводимой соли.

В противоточнойвыпарной установке (рис. 10.3) греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус в противоположных направлениях.

Рисунок 10.3 –Принципиальная схема противоточной выпарной установки: 1 – корпуса; 2 – насосы

Исходный раствор насосом подают в последний (третий) по ходу пара корпус, затем перекачивают из третьего во второй и из второго в первый. В первом корпусе раствор выпаривается до конечной концентрации и удаляется из установки.

Греющий пар подают в первый корпус установки. Вторичный пар из первого корпуса направляют на обогрев второго, а вторичный из второго корпуса – на обогрев третьего. Вторичный пар из последнего корпуса направляют в конденсатор.

По условиям теплопередачи противоточные установки предпочтительнее других типов схем. В противоточных установках исходный раствор с минимальной вязкостью кипит в последнем корпусе при минимальной температуре и давлении. Раствор конечной концентрации, т. е. наиболее вязкий, кипит в первом корпусе, в котором максимальная температура и давление. Так как более вязкий (концентрированный) раствор имеет более высокую температуру, средний коэффициент теплопередачи для этих установок наиболее высокий. Кроме того, коэффициенты теплопередачи значительно меньше изменяются по корпусам, чем при прямотоке, особенно, при выпаривании растворов, у которых с увеличением концентрации значительно увеличивается вязкость.

Рисунок 10.4 – Схема выпарной установки с параллельным питанием корпусов

Существенным недостатком противоточной схемы является необходимость установки насосов, которые перекачивают раствор из корпуса с меньшим давлением в корпус с большим давлением, и промежуточных подогревателей для нагревания раствора до температуры кипения в соответствующем корпусе. Кроме того, вывод из первого корпуса концентрированного раствора с высокой температурой приводит к большим потерям теплоты, чем для других схем.

Установки с параллельным питанием корпусов(рис. 10.4) применяют для выпаривания кристаллизующихся растворов, особенно при значительном (до 20 %) содержании твердой фазы в растворе.

В выпарных установках с параллельным питанием раствор в каждом корпусе выпаривается до конечной концентрации, следовательно, нет перетока кристаллизующегося раствора или суспензии из корпуса в корпус. В результате предотвращается закупоривание трубопроводов и регулирующей арматуры солевыми отложениями или пробками.

Недостатками установок с параллельным питанием корпусов является сложность регулирования процесса (необходимо регулировать процесс в каждом корпусе) и потери теплоты с уходящим раствором.

Рисунок 10.5 – Схема выпарной установки смешанного тока: 1– корпуса,2– насос

Установки смешанного тока. В производстве некоторых солей (минеральных удобрений) последний по ходу раствора корпус выпарной установки по технологическим требованиям должен работать под давлением, что ограничивает число корпусов установки и кратность использования теплоты пара. Для увеличения кратности использования теплоты пара в таких случаях применяют выпарные установки смешанного тока (рис. 10.5).

В этих установках исходный раствор поступает в один из промежуточных корпусов, а затем перетекает по одним корпусам прямоточно, а по остальным – противоточно. Применяют эти установки в случаях, когда в процессе производства необходимо из раствора раздельно выделить несколько солей или достигнуть максимальной растворимости солей, имеющих обратную растворимость(и др.), уменшить образование накипи.

Установки смешанного тока имеют недостатки и преимущества прямоточных и противоточных схем.

В итоге следует отметить, что выбор схемы выпарной установки является сложной задачей. Для того, чтобы правильно выбрать схему установки для конкретного раствора, необходимо экономически обоснованно и технологически оптимально выбрать схему подогрева раствора, схему питания аппаратов раствором, определить оптимальное число корпусов установки и разработать рациональную систему использованиявторичного тепла пара и конденсата.