Технологические схемы выпарных установок

2.1. Выпарные установки с аппаратами поверхностного типа[1-5]

Принципиальная схема промышленной выпарной установки непрерывного действия изображена на рис. 2.1. Непрерывный процесс выпаривания растворов может производиться как в одноступенчатых, так и в двух-, трех- и многоступенчатых выпарных установках с использованием вторичного пара каждой ступени в последующих ступенях с более низким давлением или с передачей части вторичного пара некоторых ступеней другим тепловым потребителям.

Рис. 2.1. Многокорпусная прямоточная выпарная установка:

1-3 – корпуса; 4 – барометрический конденсатор; 5 – вакуум-насос; 6 – подогреватель исходного раствора

По теплотехнологическим признакам промышленные выпарные установки непрерывного действия разделяют на несколько групп.

1. По числу ступеней: одноступенчатые (рис. 1.1) и многоступенчатые (рис. 2.1); при этом в одной ступени могут быть один, два и более параллельно включенных аппаратов выпарной установки.

2. По относительному движению греющего пара и выпариваемого раствора:

а) прямоточные выпарные установки для растворов, обладающих высокой температурной депрессией (рис. 2.1);

б) противоточные выпарные установки для растворов с быстро растущей вязкостью при повышении их концентрации (рис. 2.2.); в этих схемах между ступенями ставят насосы;

в) выпарные установки с параллельным питанием (рис. 2.3);

г) выпарные установки со смешанной схемой питания (рис. 2.4).

Наибольшее распространение в промышленных условиях получили прямоточные выпарные установки (рис. 2.1), в которых греющий пар и выпариваемый раствор направляют в первый корпус 1, затем частично упаренный раствор самотеком перетекает во второй корпус 2 и т.д.; вторичный пар первого корпуса направляют в качестве греющего пара во второй корпус и т.д.

Рис. 2.2. Противоточная выпарная установка

Прямоточная выпарная установка по сравнению с другими обладает некоторыми преимуществами: поскольку протекание раствора из корпуса в корпус благодаря разности давлений идет самотеком, отпадает необходимость в установке насосов для перекачивания кипящих растворов. Температуры кипения раствора и давления вторичных паров в каждом последующем корпусе ниже, чем в предыдущем, поэтому раствор в корпуса (кроме 1-го) поступает перегретым. Теплота, которая выделяется при охлаждении раствора до температуры кипения в последующем корпусе, идет на дополнительное испарение растворителя из этого же раствора. Это явление получило название самоиспарения.

Недостатками прямоточной схемы выпарной установки являются понижение температуры кипения и повышение концентрации раствора от первого корпуса к последнему. Это приводит к повышению вязкости раствора и, следовательно, к снижению интенсивности теплоотдачи при кипении, уменьшению коэффициента теплопередачи и, как следствие, к увеличению общей поверхности теплопередачи.

Противоточные установки применяются для выпаривания вязких растворов, которые в условиях прямоточного выпаривания становятся настолько вязкими, что плохо продвигаются по трубопроводам. При противоточном питании наиболее высокая концентрация раствора достигается в первом корпусе, где и температура раствора наибольшая. Поэтому значительного падения коэффициента теплопередачи в корпусе с наиболее концентрированным раствором не происходит и коэффициенты теплопередачи мало изменяются по корпусам. Это является наиболее существенным преимуществом противоточного питания перед прямоточным. Кроме того, при противоточном питании количество воды, выпариваемой в последнем корпусе, меньше, чем при прямоточном питании, что уменьшает нагрузку на конденсатор (при выпарке в вакууме). По расходу теплоты противоточное питание выгоднее прямоточного при питании холодным раствором, но уступает ему при питании горячим раствором.

Недостатками противоточной схемы по сравнению с прямоточной (при одинаковом режиме работы) являются увеличение расхода греющего пара (на 5-10 %) и дополнительный расход электроэнергии на работу насосов.

При схеме с параллельным питанием (рис. 2.3) слабый раствор подается одновременно во все корпуса, а упаренный раствор из всех корпусов отбирается. Эта схема применяется редко, главным образом при незначительном повышении концентрации раствора и при выпаривании кристаллизующихся растворов, поскольку передача их из корпуса в корпус в этом случае затруднительна вследствие возможного закупоривания перепускных трубопроводов и арматуры.

Рис. 2.3. Схема с параллельным питанием

На рис. 2.4 показана схема выпарной установки со смешанной подачей раствора.

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

Рис. 2.4. Схема со смешанным током раствора

3. По давлению вторичного пара в последней ступени:

а) выпарные установки с достаточно глубоким вакуумом в последней ступени (до 90 %) и следующим за ней конденсатором для поддержания этого вакуума, соответствующего температуре охлаждающей воды. Такая схема встречается наиболее часто (рис. 2.1); в ней обеспечивается наибольшая разность температур между первичным греющим теплоносителем и вторичным паром последней ступени, поступающим в конденсатор.

Достоинства схемы:

- большая общая полезная разность температур благодаря вакууму, что позволяет многократно использовать теплоту и снизить расход греющего пара в установке;

- низкая температура кипения в последнем корпусе, которая предотвращает растворы органических сред от пригорания;

- меньшая чувствительность к колебаниям нагрузки, так как конденсатор служит буфером, воспринимающим эти колебания.

Недостатки схемы:

- несколько более сложное оборудование (требуется мощная конденсационная установка для создания вакуума и большая площадь для размещения аппаратов);

- потеря вторичного пара из последнего корпуса;

- пониженная температура вторичного пара последних корпусов, что влечет за собой необходимость увеличения поверхности теплообмена аппаратов, обогреваемых экстрапаром;

б) выпарные установки с повышенным давлением в последней ступени (рис. 2.5). Такая схема может быть более экономичной, если вторичный пар последней ступени может быть использован в других теплоиспользующих установках (при бытовом потреблении теплоты, в отоплении, пищеблоках, банно-прачечном хозяйстве и т.д.).

Рис. 2.5. Схема выпарной установки прямоточная, с противодавлением

Преимущества этих установок следующие:

- лучшее использование теплоты;

- более высокая температура вторичного пара, что позволяет устанавливать теплообменники с относительно небольшой поверхностью теплообмена;

- значительно меньшие размеры конденсационного аппарата, так как конденсатор необходим только при пуске установки;

- меньшая площадь, занимаемая аппаратом, так как в этой схеме их меньше, чем в вакуумной.

Недостатки этой схемы:

- большая чувствительность к колебаниям нагрузки, в связи с чем трудно поддерживать стабильный режим и получать раствор равномерной плотности;

- опасность порчи продуктов, чувствительных к высоким температурам, поскольку последний корпус работает под повышенной температурой.

Чтобы установка работала более гибко, к ней присоединяют еще один аппарат, называемый концентратором, воспринимающий на себя колебания нагрузки.

При нормальной работе вторичный пар последнего корпуса уходит весь на сторону, а в концентраторе происходит лишь самоиспарение раствора, поступающего из последнего корпуса. Если же потребление экстра-пара уменьшается, то излишки автоматически подаются в паровую камеру концентратора для доваривания раствора. Наличие концентратора обеспечивает более устойчивую работу выпарной установки и получения концентрированного раствора.

Выбор давления вторичного пара в последнем корпусе зависит от соотношения между количеством теплоты, которое может отдать этот пар, и количеством теплоты пара низкого потенциала, требующегося на другие производственные нужды. Оптимальное давление в каждом конкретном случае устанавливается технико-экономическим расчетом;

в) выпарные установки с ухудшенным вакуумом (рис. 2.9). По такой схеме установка может работать или на конденсатор, или на потребителя низкопотенциальной теплоты со сбросом излишков пара в конденсатор с ухудшенным вакуумом.

Рис. 2.6. Схема выпарной установки с ухудшенным вакуумом

4. По технологии обработки раствора:

а) одностадийные выпарные установки, в которых раствор проходит при выпаривании последовательно все ступени и не отводится для других промежуточных операций обработки;

б) двух- и более стадийные выпарные установки, в которых раствор после одной из промежуточных ступеней может быть направлен для дополнительной обработки (для осветления, центрифугирования и т.п.), а затем снова поступает на довыпаривание в следующую ступень (вторая стадия, рис. 2.7).

Рис. 2.7. Схема двухстадийная с обогревом аппарата второй стадии свежим паром.

5. По подводу первичной теплоты:

а) выпарные установки с одним источником первичной теплоты;

б) выпарные установки с двумя источниками теплоты. Например, пар с большим давлением обогревает предвключенную ступень установки, называемую в такой схеме нуль-корпусом, а пар с меньшим давлением подается в следующую ступень, получившую название первого корпуса (рис. 2.8).

Нулевой корпус (нуль-корпус) является как бы редуктором пара более высокого потенциала, добавляющим пар при недостатке пара, подаваемого в первый корпус. Системы с нуль-корпусом распространены в сахарной промышленности.

Двойной корпус употребляется в том случае, когда, например, поверхность нагрева всех корпусов должна быть одинаковой, а первый корпус должен использовать как мятый пар, так и вторичный пар из нуль-корпуса, чтобы обеспечить обогрев второго корпуса и отпуск значительного количества экстрапара, как показано на схеме.

На рис. 2.9 приведена схема двухкорпусной выпарной установки с двумя греющими агентами, например паром и маслом. Такая схема применяется в тех случаях, когда во втором корпусе резко повышается температура кипения раствора за счет роста его концентрации в первом корпусе и температура вторичного пара как греющего оказывается недостаточной.

Рис. 2.8. Схема выпарной установки с нуль-корпусом

Рис. 2.9. Схема выпарной установки с двумя греющими агентами

Дата добавления: 2014-01-07