Лекція 16. Методика розрахунку випарних установок

Вибір числа корпусів

 

     Зі  збільшенням числа корпусів БВУ  знижується витрата гріючої пари на кожен кг випарюваної води. Ми раніше говорили, що в однокорпусній  випарній установці на випарювання 1 кг води приблизно витрачається 1 кг гріючої пари. Відповідно в 2-х корпусній установці  витрата гріючої пари на випарювання 1 кг води - 1/2 кг, у 3-х корпусної - 1/3 кг, у 4-х корпусної - 1/4 кг і т.д.

     Таким чином, витрата гріючої пари на випарювання 1 кг води в багатокорпусній випарній установці приблизно обернено пропорційна числу корпусів.

     У дійсності  витрата гріючої пари на 1 кг води, що випарюється, більше і практично в залежності від числа корпусів випарної установки змінюється приблизно в такий спосіб: 

Число корпусів                                                   1        2        3        4       5               

Витрата гріючої пари, кг/кг                              1,1   0,57    0,4    0,3    0,27               

води, що випарюється

     Відзначимо, якщо при переході від однокорпусної установки до двохкорпусної економія гріючої пари складає приблизно 50%, то при переході від 4-х корпусної до 5 - корпусної - ця економія приблизно 10%.

     Зниження  економії гріючої пари зі збільшенням  числа корпусів випарної установки вказує на доцільність обмеження числа її корпусів.

     Однак основною причиною, що визначає межу числа  корпусів випарної  установки, є  зростання температурних утрат  зі збільшенням числа корпусів. Для  здійснення теплопередачі необхідно  забезпечити в кожнім корпусі деяку корисну різницю температур, тобто різниця температур між гріючою парою і киплячим розчином, рівну звичайно не менш 5-7° для апаратів із природною циркуляцією і не менш 3° для апаратів із примусовою циркуляцією.

     При збільшенні числа корпусів понад припустиму межу сума температурних утрат може стати рівної чи навіть більше загальної різниці температур, що не залежить від числа корпусів установки. У результаті випарювання розчину стане неможливим.

     Звичайне  число корпусів БВУ не менше 2, але  не перевищує 5-6. Найбільше часто БВУ мають 3-4 корпуса.

                  

Рис. 1. До визначення оптимального числа корпусів БВУ. 1 вартість пари; 2 амортизаційні витрати; 3 сумарна вартість випарювання 1 кг води 

     Як  ми сказали раніше, питома витрата  пари знижується зі збільшенням числа корпусів. Амортизаційні витрати можна приблизно вважати пропорційними числу корпусів. Складаючи ординати ліній 1 і 2, одержують загальну вартість випарювання 1к

Будова  випарних апаратів

 

     Різноманітні  конструкції випарних апаратів, застосовувані в промисловості, можна класифікувати по типу поверхні нагріву (парові оболонки, змійовики, трубчатки різних видів і т.д.) і по її розташуванню в просторі (апарати з вертикальною, горизонтальною, іноді з похилою нагрівальною камерою), по роду теплоносія (водяна пара, високотемпературні теплоносії, електричний струм і ін.), а також у залежності від того, чи рухається теплоносій зовні чи у середині труб нагрівальної камери.

     Однак більш істотною ознакою класифікації випарних апаратів, що характеризують інтенсивність їх дії, варто вважати вид і кратність циркуляції розчину. Розрізняють випарні апарати з неорганізованої, чи вільною; спрямованою природною і примусовою циркуляцією розчину.

     Випарні апарати поділяють також на апарати  прямоточні, у яких випарювання розчину відбувається за один його прохід через апарат без циркуляції розчину й апарати, що працюють з багаторазовою циркуляцією розчину.

     В залежності від організації процесу розрізняють  періодичні і безперервно-діючі  випарні апарати.

     Області переважного застосування випарних апаратів різних типів:

1. Для випарювання розчинів невеликої в'язкості (не перевищуючої ~8´10^-3 Hсек/м² (8спз)), без утворення кристалів найчастіше використовуються вертикальні випарні апарати з багаторазовою природною циркуляцією. З них найбільш ефективні апарати з виносною нагрівальною камерою і з виносними циркуляційними трубами, що не обігріваються.
2. Випарювання розчинів, що не кристалізуються, великої в'язкості (сягаючої приблизно (0,1 Hсек/м² (100спз)), роблять в апаратах із примусовою циркуляцією, рідше - у прямоточних апаратах з падаючою плівкою, але в роторних прямоточних апаратах (у роторних прямоточних апаратах забезпечуються сприятливі умови для випарювання розчинів, чуттєвих до підвищених температур).
3. Випарювання розчинів що кристалізуються чи в`язких розчинів роблять також в апаратах із примусовою циркуляцією, а також в апаратах з винесеною зоною кипіння, що працює при природній циркуляції.
4. Для сильно пінливих розчинів рекомендують апарати прямоточні з плівкою, що піднімається.

Розрахунок  багатокорпусних  випарних установок

 

     Технологічний (тепловий) розрахунок БВУ при її проектуванні зводиться до визначення поверхні нагрівання корпусів при заданих  умовах роботи. Особливість розрахунку (у порівнянні з однокорпусною  випарною установкою) полягає в тому, що загальну корисну різницю температур необхідно раціонально розподілити по корпусах і знайти кількість води, що випарюється, і витрати гріючої пари для кожного корпуса.

     При розрахунку звичайно задані наступні величини:

- витрата вихідного розчину;

, - його початкова і кінцева концентрації;

- температура,  з якою розчин надходить на  випарювання;

- температура  первинної пари, гріючої перший  корпус;

- температура  вторинної пари в конденсаторі  після останнього корпуса.

     Крім  того, у випадку відбирання екстра-пари задаються кількістю екстра-пари, що відбирається з корпусів, Е₁, Е₂ і т.д.

     Шуканими  величинами є:

     W - загальна  кількість води, що випарюється;

     W₁,W₂, …,W_n - кількості води, що випарюється по корпусах за одиницю часу;

     D₁ - витрата свіжої пари, гріючої перший корпус;

     F₁, F₂, …,F_n - поверхні нагрівання корпусів.

       Наближений розрахунок

 

     Розрахунок  полягає в рішенні системи  рівнянь матеріального, теплового  балансів і теплопередачі, з урахуванням  додаткових умов (добір екстра-пари та ін.). Число невідомих змінних у рівнянні, більше числа самих рівнянь. Тому розрахунок здійснюється методом послідовних наближень.

     У першому  наближенні приймаємо, що в будь-якому  корпусі випарної установки для  випарювання 1 кг води потрібно 1 кг гріючої пари. Допускаємо також, що можна зневажити втратами тепла в навколишнє середовище і теплом самовипару розчину, які можна вважати компенсуючими один одного.

     Якщо  при n корпусах із усіх корпусів, крім останнього, відбирається екстра-пара у кількостях Е₁, Е₂, …, Е_n-1 і витрата свіжої пари на перший корпус складає D₁, то при допущеннях (про які говорили раніше) кількості води W₁,W₂, …, W_n, що випарюється в окремих корпусах, рівні:

           (18)

          (19)

         (20)

     Відповідно  загальна кількість води складає:

  (21)

     Звідси  визначаємо витрату свіжої пари, гріючої  перший корпус:

     (22)

     З цього  виразу можна зробити висновок, що величина D₁ є функцією загальної кількості води, що випарюється, числа корпусів і кількості пари, що відбирається. Також відзначимо, що на кожен кг екстра-пари, що відбирається, затрачається менше 1 кг первинної пари, гріючої перший корпус. Тому добір екстра-пари підвищує загальну економічність роботи випарної установки. Аналіз рівняння показав також, що витрата первинної пари на кожен кг екстра-пари, що відбирається, тим менше, чим ближче до останнього корпуса. Тому бажано відбирати екстра-пару з останніх корпусів установки, якщо є можливість використовувати на виробничі нестатки тепло вторинної пари більш низького тиску.

     Метод І.А.Тищенко, навіть при використанні спрощень, приводить до досить складних і громіздких залежностей, крім того в них не враховується теплота концентрування  розчину.

Схема розрахунку багатокорпусної  випарної установки

 
     

1. Обчисливши  загальну кількість води W, що випарюється  в установці, розподіляють її по корпусах. При попередньому розрахунку W може бути розподілена нарівно між корпусами. Якщо число корпусів n, то в кожнім корпусі випарюється W/n кг води за одиницю часу.
2. З матеріального балансу по абсолютно сухій речовині знаходять кінцеві концентрації розчину в корпусах.
3. Загальний перепад тисків Dр в установці, рівний різниці між тиском р₁ первинної пари, гріючої перший корпус, і тиском пари р_к у конденсаторі, розподіляють попередньо нарівно між корпусами; тоді при n корпусах на кожен корпус приходиться перепад тисків Dр_кор=Dр/n.
4. По заданому тиску вторинної пари в конденсаторі і прийнятих перепадах його тиску в корпусах знаходять тиск вторинної пари р_вт у корпусах установки.

     Підставляючи  значення D₁ у вираз для W_n, знаходимо кількість води, що випарюється в останньому корпусі установки:

.    (23)

     Звичайно  екстра-пара з останнього корпуса  не відбирається.

     Наближеність  розглянутого розрахунку обумовлена тим, що він не враховує тепло самовипару розчину, що звичайно є значним в  останньому корпусі вакуум-випарної установки.

  Уточнений розрахунок

 

     Більш точний метод розрахунку багатокорпусних випарних установок - це метод І.А.Тищенко.

     Якщо  не враховувати теплоту концентрування і втрати тепла в навколишнє середовище, то рівняння теплового балансу можна  записати для будь-якого n-го корпуса:

  (24)

де D_n, I_гп - витрата і ентальпія пари, гріючої n-й корпус установки;

С_n, Q_n - питома теплоємність і температура парового конденсату, що видаляється з n-го корпуса.

     Вирішуючи це рівняння відносно W_n, одержимо вираз для кількості води, що випарюється в n-му корпусі:

 (25)

де  – коефіцієнт випару         (26)

 – коефіцієнт самовипару     (27)

a_n – показує, яка кількість вторинної пари може утворюватися в корпусі випарного апарату при використанні тепла 1 кг гріючої пари.

     Коефіцієнт  самовипару b_n дорівнює кількості вторинної пари, що може утворитися в корпусі випарного апарата за рахунок теплоти самовипару 1 кг розчину, що надходить на випарювання в цей корпус.

     І так: у n-ому корпусі випаровується в одиницю часу W_n кг води, тобто утворюється W_n кг вторинної пори. Ця пара в загальному випадку поділяється на дві частини: одна частина D_n+1 направляється гріючою у наступний (n+1)-ий корпус, а інша частина Е_n видаляється на сторону як екстра-пара. У такий спосіб:

,           (28)

чи

.          (29)

     З огляду на вирази, отримані раніше, запишемо:

.    (30)

     Для визначення витрати пари, гріючої перший корпус випарної установки, виразимо кількості води, що випарюється по корпусах:

;         (31)

;       (32)

.     (33)

     Значення  витрати гріючої пари по корпусах, починаючи з другого, складають:

           (34)

          (35)

           (36)