Лекція 14.

Багатокорпусні  випарні установки. Основні схеми

Багатокорпусні  випарні установки

 

     У сучасних випарних установках випарюються дуже великі кількості води.

     На  попередній лекції ми установили, що в  однокорпусному апараті на випарювання 1 кг води потрібно більш 1 кг гріючої пари. Це призвело б до надзвичайно великих його витрат. Однак витрати пари на випарювання можна значно знизити, якщо проводити процес у багатокорпусній випарній установці. Принцип її дії зводиться до багаторазового використання тепла гріючої пари, що надходить у перший корпус установки, шляхом обігріву кожного наступного корпуса (крім першого) вторинною парою з попереднього корпуса.

     Розглянемо  схему багатокорпусної вакуум-випарної установки, що працює при прямотечійному русі гріючої пари і розчину (Рисунок 1).

     

Рисунок 1. Багатокорпусна прямоточна вакуум-випарна установка

1-3 – корпуса установки; 4 – підігрівач вихідного розчину; 5 – конденсатор;

6 – пастка (бризгоуловлювач); 7 – вакуум-насос.

     Установка складається з декількох (у даному випадку 3) корпусів. Вихідний розчин, попередньо нагрітий до температури кипіння, надходить у перший корпус, що обігрівається свіжою (первинною) парою. Вторинна пара з цього корпуса направляється вже як гріюча в другий корпус, де внаслідок зниженого тиску розчин кипить при більш низький температурі, ніж у першому.

     В наслідок більш низького тиску в другому  корпусі розчин, упарений у першому  корпусі, переміщується самопливом у другий корпус і тут охолоджується  до температури кипіння в цьому корпусі. За рахунок тепла, що виділяється при цьому, утвориться додатково деяка кількість вторинної пари. Таке явище, що відбувається у всіх корпусах установки, крім першого, називається самовипар розчину.

     Аналогічно, упарений розчин із другого корпуса перетікає в третій корпус, що обігрівається вторинною парою з другого корпуса.

     Попереднє нагрівання початкового розчину  до температури кипіння в першому  корпусі провадиться в окремому підігрівачу 4. Це дозволяє уникнути збільшення поверхні нагрівання у першому корпусі.

     Вторинна  пара з останнього корпуса потрапляє  в барометричний конденсатор 5, у  якому при конденсації пари створюється  необхідне розрідження. Повітря  і гази, що не сконденсуються і попадають  в установку з парою й охолодною  водою, а також через нещільності трубопроводів, і різко погіршують теплопередачу, відсмоктуються через пастку - бризкоуловлювач 6 вакуум-насосом 7.

     За  допомогою вакуум-насоса підтримується  також стійкий вакуум, тому що залишковий тиск у конденсаторі може змінюватися з коливанням температури води, яка надходить у конденсатор.

     Необхідною  умовою передачі тепла в кожнім корпусі  повинна бути наявність деякої корисної різниці температур, яка обумовлена різницею температур гріючої пари і  киплячого розчину. Разом з тим, тиск вторинної пари в кожному попередньому корпусі повинний бути більше її тиску в наступному. Ці різниці тисків створюються при надлишковому тиску в першому корпусі, чи вакуумі в останньому корпусі, чи ж при тому та іншому одночасно.

Основні схеми багатокорпусних випарних установок (БВУ)

 

     Застосовувані схеми БВУ розрізняються по тиску  вторинної пари в останньому корпусі. Відповідно до цієї ознаки установки  поділяються на працюючі під розрідженням і під надлишковим тиском.

     Найбільш  поширені БВУ першої групи. У БВУ, що працюють під деяким надлишковим тиском вторинної пари в останньому корпусі, ця пара може бути ширше використана на сторонні нестатки, тобто як екстра-пара. Поряд з цим підвищення тиску вторинної пари в останньому корпусі зменшує можливу кратність використання свіжої (первинної) гріючої пари у першому корпусі.

     У БВУ  під тиском важче підтримувати постійний  режим роботи, чим в установках під вакуумом, і для цієї мети потрібне автоматичне регулювання  тиску пари і щільності упареного  розчину.

     Вибір оптимального тиску вторинної пари в останньому корпусі в кожному конкретному випадку встановлюється шляхом техніко-економічного розрахунку.

     Багатокорпусні  випарні установки розрізняються  також по взаємному напрямку руху гріючої пари і розчину, що випарюється. Крім найбільш розповсюджених установок із прямотечійним рухом пари і розчину застосовуються також протитечійні випарні установки, в яких гріюча пара і розчин, що випарюється, переміщаються з корпуса в корпус у взаємно протилежних напрямках (Рисунок 2).

     Початковий  розчин подається насосом в останній по ходу гріючої пари корпус, з якого  упарений розчин перекачується в  другий корпус, і т.д.,  причому  з першого корпуса видаляється  остаточно упарений розчин. Свіжа (первинна) пара надходить у перший корпус, а вторинна пара з цього корпуса направляється для обігріву другого корпуса, потім вторинна пара з попереднього корпуса використовується для обігріву наступного. З останнього корпуса вторинна пара видаляється в конденсатор.

     Відзначимо  одну істотну перевагу БВУ, що працюють за протилежною схемою. У першому корпусі випарної прямоточної установки найменш концентрований розчин одержує необхідне для випарювання тепло від гріючої пари найбільш високих робочих параметрів, а в останньому корпусі найбільш концентрований (і найбільш в`язкий) розчин випарюється за допомогою вторинної пари найбільш низьких параметрів. Таким чином, від першого корпуса до останнього (по ходу розчину) підвищується концентрація і знижується температура розчину, який випарюється, що приводить до зростання його в'язкості. У результаті коефіцієнт теплопередачі зменшується від першого корпуса до останнього.

     

Рисунок 2. Багатокорпусна випарна протитечійна установка

1-3 – корпуси; 4-6 – насоси.

     У БВУ  протитечійного типу в першому корпусі найбільш концентрований розчин випарюється за рахунок тепла пари найбільш високих параметрів, у той час як в останньому корпусі початковий розчин найнижчої концентрації одержує тепло від вторинної пари, що має найбільш низький тиск і температуру. Тому при протитечії коефіцієнт теплопередачі значно менше змінюється по корпусах, чим при прямотечіїі.

     Однак необхідність перекачки розчину, що випарюється, з корпусів, де тиск менше, у корпуси з більш високим  тиском є серйозним недоліком  протитечійної схеми, тому що застосування проміжних циркуляційних насосів зв'язано зі значним зростанням експлуатаційних витрат.

     Протитечійні  випарні установки використовуються при випарюванні розчинів до високих  кінцевих концентрацій, коли в останньому корпусі (по ходу розчину) можливо небажане випадання твердої речовини. Крім того, за такою схемою випарюють  розчини, в'язкість яких різко зростає зі збільшенням концентрації розчину.

     Існує також схема з паралельним  живленням корпусів, де початковий розчин надходить одночасно в  усі три корпуси установки. Упарений розчин, що видаляється з усіх корпусів, має однакову кінцеву концентрацію.

     Установки такої схеми використовуються, головним чином, при випарюванні насичених  розчинів, у яких знаходяться частки твердої фази, що випала, (що утрудняє переміщення розчину, що випарюється, з корпуса в корпус), а також  у тих процесах випарювання, де потрібно значне підвищення концентрації розчину

Матеріальний  баланс

 

      Рисунок 3. До складання матеріального балансу БВУ

1-3 – корпуси; 4 – барометричний конденсатор; 5 – вловлювач; 6 – насос.

     За  аналогією з матеріальним балансом для однокорпусної випарної установки складаємо матеріальний баланс для БВУ, відповідно до якого загальна кількість води W, що випарюється у всіх корпусах, складає

,          (1)

     де G_н і в_н - витрата і концентрація початкового розчину;

     в_п - концентрація упареного розчину, що видаляється з останнього корпуса.

     Виходячи  з рівнянь для однокорпусної  установки, можна визначити концентрації розчину на виході з кожного корпуса  БВУ (індекси 1, 2, 3, . . . , n відповідають порядковому  номеру корпуса).

 ;          (2)

;         (3)

 ;         (4)

.       (5)

  Тепловий баланс

 

     Розглянемо  тепловий баланс три корпусної вакуум-випарної прямотечійної установки, перший корпус якої обігрівається свіжою насиченою водяною парою (рисунок 3.).

     Витрати свіжої (первинної) пари (кг/сек), його ентальпія і температура .

     Після першого корпуса відбирається (кг/сек) і після другого корпуса (кг/сек) екстра-пари. Відповідно витрати вторинної пари з першого корпуса, що направляється як гріюча у другий корпус, складає ( ) кг/сек і вторинної пари з другого корпуса, гріючої третій корпус ( ) кг/сек, де , - кількості води, що випарюється в I і II корпусах відповідно.

     Рівняння  теплових балансів корпусів:

     I корпус

  (6)

     II корпус

   (7)

     III корпус

  (8)

де  - питомі теплоємності парового конденсату при температурах конденсації відповідно;

 - питомі теплоємності розчину по корпусах (при середній температурі розчину в кожнім корпусі);

- питомі теплоємності  води при температурі t_k1; t_k2; t_k3;

 - температура початкового розчину і температура кипіння розчину по корпусах;

- теплоти концентрування  розчину по корпусах;

- утрати тепла  в навколишнє середовище по корпусах.

     Утрати  тепла в навколишнє середовище приймають  рівним 3..5% від  відповідно.

     У вакуум-випарній установці з паралельним рухом  гріючої пари і розчину в наслідок самовипару останнього члени теплового балансу, що виражають витрату тепла на нагрівання розчину до температури кипіння в даному корпусі, у всіх корпусах (крім першого) будуть мати негативне значення.

     Зокрема, для трьохкорпусної випарної установки:

 і  ,

     Для рішення системи рівнянь, які  ми розглянули вище, їх доповнюють рівнянням  матеріального балансу по воді, що випарюється, яке має вигляд

,          (9)

де W - загальна кількість  води, що випарюється в установці, визначена з рівняння матеріального балансу.

     З рівнянь  теплового балансу визначають витрати  гріючої пари і теплові навантаження корпусів.

Загальна  корисна різниця  температур і її розподіл по корпусах

 

     Загальна  різниця температур багатокорпусної прямотечійної установки являє собою різницю між температурою первинної пари, гріючої перший корпус, і температурою вторинної пари що надходить з останнього корпуса в конденсатор

,          (10)

     Загальна  різниця температур не може бути цілком використана через наявність  температурних утрат. Тому корисна  різниця температур для всієї  установки буде менше  .

     Для БВУ загальна корисна різниця температур дорівнює різниці між температурою свіжої пари, гріючої перший корпус, і температурою конденсації вторинної пари, що виходить з останнього (n-го) корпуса, за винятком суми температурних утрат S∆ в усіх корпусах установки (з обліком ∆'''), тобто

.         (11)