Многокорпусные выпарные установки (МВУ).

На современных предприятиях экономичность и интенсификация процессов выпаривания достигается применение многокорпусных (многоступенчатых) установок непрерывного действия. В МВУ греющий пар поступает только на обогрев I-го корпуса, последующие корпуса обогреваются вторичным паром предыдущих, что снижает потребление греющего пара.

Для кипения раствора в каждом корпусе необходимо обеспечить разность между температурами вторичного пара в предыдущем корпусе и кипящего раствора следующего за ним корпуса. Эта разность температур создается благодаря снижению давления в каждом последующем корпусе по сравнению с предыдущим.

Первые корпуса МВУ обычно работают при атмосферном и повышенном давлении, а последующие – под вакуумом. Ввиду низкого давления в последнем корпусе получающийся в нём вторичный пар (с низкой температурой) не используется как ТН, а конденсируется в барометрическом конденсаторе смешения (рис. 4-13). В результате конденсации за счет непосредственного контакта охлаждающей воды с паром образуется вакуум, который обеспечивает оптимальный режим работы МВУ.

Рис.4-13.Барометрический конденсатор:

1 – корпус; 2 – сегментные полки;

3 – газоотделитель; 4 – барометрическая труба;

5 – барометрический ящик

Температура кипения раствора в МВУ понижается до I-го корпуса к последнему, и раствор при переходе из какого-либо корпуса в последующий за ним попадает в пространство, где давление и температура ниже, поэтому он охлаждается. Выделяется тепло и за счет него испаряется некоторое количество воды из растворителя без участия теплоты греющего пара. Это происходит во всех корпусах МВУ кроме I-го, и носит название самоиспарения раствора.

В МВУ многократное использование теплоты значительно снижает удельный расход греющего пара; расход пара на выпаривание 1 кг воды обратно пропорционален числу корпусов.

С увеличением числа корпусов возрастают температурные потери., уменьшается полезная разность температур между корпусами и, кроме того, повышается расход металла, начальные затраты ты на установку и амортизационные отчисления, расходы на текущие ремонты, усложняется эксплуатация. Наиболее часто применяют трех- и четырех-корпусные МВУ.

 

Схемы МВУ

По технологическим признакам различают следующие схемы промышленных ВУ непрерывного действия:

1) по числу ступеней – одноступенчатые и многоступенчатые (в одной ступени может быть несколько корпусов, соединенных параллельно);

2) по давлению вторичного пара в последней ступени – работающие под разряжением, под давлением, при ухудшенном вакууме;

3) в зависимости от технологии обработки раствора – одностадийные и многостадийные, где раствор может поступать на дополнительную обработку с возвратом на допаривание;

4) по подводу греющего пара – с подачей пара в первую ступень, с нуль-корпусов, где используется пар двух давлений;

5) по наличию отбора пара – на подогрев раствора или для отпуска пара на сторону;

6) по направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора – прямоточные, противоточные, с параллельным и смешанным питанием корпусов.

Наибольшее применение нашли ВУ с прямоточным питанием (рис 4-14). В которых греющий пар, вторичный пар и выпариваемый раствор проходят в одном направлении.

Рис.4-14.Схема с прямоточным питанием:

1 – подогреватель; 2 - 4 – корпуса; 5 – барометрический конденсатор

 

В такой установке предварительно подогретый в подогревателе 1 раствор переходит из одного корпуса в другой (2-4) благодаря разности давлений в корпусах. Из корпуса 4 вторичный пар направляется в барометрический конденсатор 5. За счет конденсации пара в ВУ создается необходимое разряжение. Выпаренный раствор отбирается из последнего корпуса 4. Достоинство – возможность перемещения упариваемого раствора без применения насосов, только за счет понижения давления от первого корпуса к последнему. Недостатки – повышенная вязкость раствора в последнем корпусе вследствие снижения температуры и повышения конденсации от I-го корпуса к последнему. В результате резко снижаются КТП в той же последовательности.

 

Рис.4-15.Схема с противоточным питанием

 

При схеме с противоточным питанием (рис 4-15) этот недостаток устраняется, так как раствор и вторичный пар движутся в противоположных направлениях и по мере концентрирования раствора от последнего корпуса к первому температура в корпусах повышается, вследствие этого вязкость раствора и КТП изменяются по корпусам значительно меньше, чем при прямотоке. Противоточными МВУ пользуются при упаривании растворов, вязкость которых резко возрастает с увеличением концентрации. Недостатки – увеличение расхода пара (на 10-15°) по сравнению с прямотоком и дополнительный расход электроэнергии на перекачку раствора из корпуса в корпус в направлении возрастающих давлений.

 

 

Рис.4-16.Схема с параллельным питанием

 

С параллельным питанием (рис. 4-16) применяются МВУ при выпаривании кристаллизующихся растворов и когда не требуется большого концентрирования раствора. Выпариваемый раствор поступает одновременно во все корпуса, греющий пар поступает в первый корпус, а вторичные пары – из корпуса в корпус. Упаренный раствор отбирается из каждого корпуса. Достоинство – простота схемы коммуникаций для подачи исходного и отбора упаренного раствора.

 

Рис.4-17.Схема смешанного тока

 

Схема смешанного тока (рис. 4-17) применима тогда, когда применятся схема противотока. Преимущество – уменьшение числа единицы перекачивающих насосов. Схема используется для упаривания растворов с повышенной вязкостью.

В промышленных МВУ аппараты часто соединяются коммуникациями так, что бы их можно было собирать в различные схемы. Таким образом, часть корпусов включается параллельно, другая часть – последовательно.

 

Расчет МВУ

 

А. Материальный баланс двухкорпусной установки:

где х_К2 и (G_H-W₁-W₂) – концентрация и количество упаренного раствора, уходящего из второго корпуса ВУ.

Материальный баланс для МВУ состоящий их n корпусов:

(4-12)

где х_Kn – концентрация раствора на выходе из n-го корпуса МВУ.

Общее количество выпариваемой во всех корпусах воды:

(4-13)

здесь х_Н и х_К – концентрация исходного и упаренного растворов.

Общее количество выпаренной воды:

где - количество воды, выпариваемой в I-м, II-м, III-м и последнем корпусах, кг/с.

Концентрация раствора на выходе из I-го, III-го, … n-го корпуса МВУ:

(4-14)

Б. Тепловые расчеты.

Определение общей разности температур Δt_ОБЩ ведется по (4-10)

Общая полезная разность температур в МВУ равна разности между температурой греющего пара I-го корпуса и температурой насыщения в конденсаторе за вычетом суммы температурных потерь ∑Δt_ПОТ во всех корпусах:

где - сумма температурных потерь во всех корпусах.

При распределении Δt_ПОЛ между отдельными корпусами применяют следующие:

а) Δt_ПОЛ необходимо увеличить от I-го корпуса последнему, для ВА с естественной циркуляцией минимальная величина для каждого корпуса должна быть Δt_ПОЛ=6-7К.

б) При расчете МВУ ее корпуса могут иметь одинаковые поверхности нагрева или минимальную поверхность нагрева, а также что бы суммарная поверхность нагрева всей МВУ была минимальной и одновременно поверхности нагрева всех ВА были одинаковы.

В случае расчета на равную площадь поверхности нагрева корпусов, т.е. F₁=F₂=F₃=…=F_n, полезная разность температур между отдельными корпусами распределяется пропорционально отношениям тепловых нагрузок к КТП:

где Q_i – тепловая нагрузка корпуса; К_i – КТП.

При расчете на минимальную общую поверхность нагрева полезная разность температур распределяется по корпусам пропорционально квадратным корням из отношений тепловых нагрузок к КТП, т.е.:

С точки зрения унификации оборудования, а также удобства монтажа и обслуживания, целесообразно ориентирование на МВУ с корпусами одинаковой греющей поверхности (F₁=F₂=…)

Количество греющего пара D_ПП, поступающего в корпус П, равно количеству воды W_П-1, выпаренной в корпусе (п-1) за вычетом количества экстра-пара ε_П-1, отбираемого из корпуса (п-1):

.

Если МВУ работает без отбора экстра-пара:

Расход греющего пара, подаваемого в I-й корпус, равен качеству воды, выпаренной в этом корпусе:

Для любого n-го корпуса расход греющего пара D_ПП может быть определен по уравнению:

(4-15)

здесь – удельные энтальпии конденсата, греющего пара и вторичного пара, Дж/кг; - удельные теплоемкости поступающего уходящего растворов, Дж/(кгК); - концентрация уходящего раствора; - удельная теплота изменения концентрации раствора, Дж/кг твердого вещества; - потери теплоты в окружающею среду, Вт.

Все указанные величины и физические константы выбираются конкретно для n-го корпуса.

 

В. Выбор числа корпусов

Расход греющего пара снижается с увеличением числа корпусов ВУ, но растут температурные потери, а полезная разность температур в каждом корпусе уменьшается. Это вызывает увеличение поверхности нагрева и каждого корпуса и ограничивает возможное число корпусов.

Число корпусов, при котором полезная разность температур принимает минимальное (для ВА с естественной циркуляцией 5-7К) положительное значение, является предельным, т.е. увеличение числа корпусов ограничено необходимостью обеспечения каждого корпуса требуемой полезной разностью температур. Обычно для различных условий принимается от 2 до 6 корпусов, по наиболее часто эксплуатируются установки с 3-4 корпусами.

 

Рис.4-18.Определение оптимального числа корпусов многокорпусной выпарной установки:

1 – суммарные расходы; 2 – расходы на производство греющего пара; 3 – амортизационные расходы;

4 – затраты на обслуживание
Если представить экономические затраты на процесс выпаривания в виде трех основных характеристик стоимости теплоты, затрат на обслуживание и амортизацию расходов, то общие расходы на выпаривание в установках представить в виде графика (рис 4-18). С увеличением числа корпусов:

1) расход пара снижается;

2) затраты на обслуживание не изменяются;

3) амортизационные расходы растут пропорционально числу корпусов.

Складывая ординаты получим кривую суммарных расходов на выпаривание, имеющую минимум, при котором общие расходы будут наименьшими, что для современных ВУ соответствуют 3-4 корпусам.