4.3. Технологические схемы выпарных установок

4.3.1. Выпарные установки с аппаратами поверхностного типа. Принципиальные схемы промышленных выпарных установок непрерывного действия, изображены на рис. 4.6. 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.

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

1. По числу ступеней: одноступенчатые и многоступенчатые; при этом в одной ступени могут быть один, два и более параллельно включенных аппаратов выпарной установки (рис. 4.6,а и л).

2. 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. 4.6,а); в ней обеспечивается наибольшая разность температур между первичным греющим теплоносителем и вторичным паром последней ступени, поступающим в кон­денсатор, Однако при работе установки по такой схеме вся теплота пара последней ступени теряется с охлаждающей водой конденсатора;

б) выпарные установки с повышенным давлением в последней ступени (рис. 4.6,б). 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.);

в) выпарные установки с ухудшенным вакуумом (рис. 4.6,e). По такой схеме установка может работать или на конденсатор, или на потребителя низкопотенциаль­ной теплоты со сбросом излишков пара в конденсатор с ухудшенным вакуумом.

3. 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. 4.6,г);

в) выпарные установки с тепловыми насосами.

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 из довыпаривание в следующую ступень (вторая стадия, рис. 4.6,д).

5. По относительному движению греющего пара и выпариваемого раствора:

а) прямоточные выпарные установки для растворов, обладающих высокой темпе­ратурной депрессией (рис. 4.6,а–е, з);

б) противоточные выпарные установки для растворов с быстро растущей вязко­стью при повышении их концентрации (рис. 4.6,ж); в этих схемах между ступенями ставят насосы;

в) выпарные установки с параллельным питанием корпусов раствором при склон­ности eго к кристаллизации (рис. 4.6,з);

г) выпарные установки с отпуском части вторичных паров (экстрапаров) посто­ронним потребителям (рис. 4.6,и);

д) выпарные установки со смешанным питанием корпусов для растворов с повы­шенной вязкость (рис. 4.6,с).

4.3.2. Выпарные установки с тепловыми насосами. Выпаривание растворов прихо­дится иногда производить на базе низкотемпературного теплоносителя, т. е. при ма­лых давлениях и температурах пара. В аналогичных условиях выпаривают растворы, не выдерживающие высоких температур (термолабильные растворы). Для таких слу­чаев применяют одноступенчатое выпаривание, экономические показатели которого не­высоки.

Рис. 6., Схемы выпарных установок с тепловым насосом:

а – с паровым инжектором; б – с турбокомпрессором и турбоприводом; в – с турбокомпрессором и электроприводом

Можно повысить рентабельность такой выпарной установки путем использования вторичного пара для обогрева этой же установки с помощью теплового насоса (см. гл. 9). В качестве основного агрегата теплового насоса при­меняют паровые инжекторы или турбокомпрессоры с электрическим или паровым приводом. (рис. 4.7). Показателем целесообразности применения теплового насоса в выпарной установке может служить отношение стоимости энергии, затрачиваемой на сжатие вторичного пара в компрессоре, к стоимости дополнительной доли свежего пара, поступающего в установку при работе ее без теплового насоса. Турбокомпрессо­ры из-за своей сложности малоперспективны для сжатия вторичного пара. Паровые инжекторы просты, дешевы, поэтому нашли применение в выпарных установках для упаривания растворов с малой температурной депрессией.

4.3.3. Адиабатные выпарные установки. Выпаривание воды из растворов минераль­ных солей часто ведут в установках адиабатного испарения. Концентрирование раство­ра в этих установках происходит вследствие испарения предварительно перегретой жидкости, подаваемой в камеру мгновенного испарения, давление в которой ниже давления насыщения, соответствующего температуре поступающей в камеру жидкости [89]. На рис. 4.8 показаны схемы одноступенчатой и многоступенчатой адиабатных выпарных установок с рекуперативным головным подогревателем. В адиабатных выпарных установках подогрев раствора осуществляется в конденсаторе, и головном подогревателе, а выпаривание – в камере. Поэтому отложение солей на поверхностях нагрева незначительно.

Установки адиабатного испарения применяют для опреснения морской воды и дру­гих слабо минерализованных растворов. Из растворов, содержащих сульфат кальция CaS04, с повышением температуры в конденсаторе и головном рекуперативном подо­гревателе выделяются на поверхностях нагрева кристаллы, которые снижают интен­сивность теплообмена. Для таких растворов применение контактных теплообменников в качестве головных подогревателей повышает экономичность адиабатных выпарных установок. Греющим теплоносителем в контактном головном подогревателе могут быть горячие газы, продукты сгорания топлива в топках и печах, пар испарительного охлаж­дения печей.

4.3.4. Выпарные установки с контактными нагревателями. Концентрацию растворов можно повышать в установках, в которых жидкость не контактирует с поверхностью нагрева. В таких установках теплота от греющего теплоносителя к раствору передается непосредственным соприкосновением – без поверхности теплообмена. Схе­мы одноступенчатых выпарных установок с контактными аппаратами представлены на рис. 4.9 [89].

Рис. 4.8. Схемы адиабатных выпарных установок с рекуперативным (поверхностным) головным подогревателем:

а– одноступенчатая; б – многоступенчатая; 1 – насосы; 2 – конденсаторы; 3 – головной подогре­ватель; 4 – камеры выпаривания; 5 – поддоны

Установки, в которых испарение осуществляется непосредственно в греющий теп­лоноситель, а образующиеся пары уносятся с ним, получили название одноступенчатых контактных выпарных установок (рис. 4.9,а), Установки, в которых раствор нагревает­ся в контактном аппарате, а затем испаряется в камере адиабатного испарения, назы­вают одноступенчатыми адиабатными выпарными установками с контактным тепло­обменником (рис. 4.9,б). Основным недостатком одноступенчатых контактных выпар­ных установок является большой удельный расход теплоты на испарение воды – до 8000 кДж/кг. Более эффективными установками для выпаривания минерализованных вод являются многоступенчатые адиабатные выпарные установки с использованием в качестве теплоносителя горячего воздуха, продуктов сгорания и других газов и сме­сей. В таких установках в контактном теплообменнике типа газ-жидкость раствор нагревается, а в многоступенчатом аппарате-испарителе осуществляется выпаривание воды. Образующиеся пары конденсируются на поверхности труб, охлаждаемых кон­центрированным раствором или другой, жидкостью (рис. 4.10). Сконцентрированный в ступенях адиабатного испарения раствор направляется на обезвоживание в топку.

Рис. 4.9. Схемы одноступенчатых контактных выпарных установок: а – испарение в камере контактного теплообменника; б – испарение в адиабатном расширителе-с конденсатором; 1 – насос; 2 – адиабатный расширитель с конденсатором; 3– контактный испа­ритель; 4 – камера выпаривания; 5 – поддон

Рис. 4.10. Схема многоступенчатой контактной выпарной установки с доупариванием

1 – насос конденсаторы; 3 – контактный подогреватель; 4 – камеры выпаривания; 5 – поддо­ны; б – топка

Рис. 4.11. Технологическая схема выпарной установки с аппаратом погружного горения

Сочетание контактных нагревателей и адиабатных ступеней испарения позволяет эффективно использовать подводимую теплоту и избежать контакта раствора с по­верхностями нагрева и, следовательно, отложения солей на них.

4.3.5. Выпарные установки с аппаратами погружного горения (АПГ). Технологи­ческая схема выпарной установки для выпаривания агрессивных, загрязненных, с ме­ханическими примесями и выделяющих кристаллы растворов показана на рис. 4.11. Из расходного бака 1 раствор закачивается насосом 2 в мерник 3, из которого не­прерывно поступает в выпарной аппарат 4 с погружной горелкой 13. Упаренный на­сыщенный раствор, содержащий минеральные соли, из аппарата 4 самотеком посту­пает в кристаллизатор 5. После охлаждения в нем образуются кристаллы соли, ко­торые легко отделяются на центрифуге 6 и транспортером 7 направляются на склад. Фильтрат откачивается насосом 8 в сборник 9 и направляется в производство для повторного использования. Парогазовая смесь из выпарного аппарата 4 отводится через каплеотделитель 10 в скруббер 11, где охлаждается проточной холодной водой. В результате при охлаждении пары воды конденсируются и конденсат сливается в си­стему водоочистки, а газ вентилятором 12 выбрасывается в атмосферу или улавли­вающее устройство. Химические анализы выбрасываемых газов показали, что они по составу не отличаются от обычных дымовых газов, полученных при сжигании природ­ного газа, и содержат вредные примеси в пределах санитарных норм [1, 98].

Камера сгорания горелки 13 представляет собой металлическую трубу, футеро­ванную изнутри огнеупорным материалом. Огнеупорная футеровка кроме огнестойко­сти обеспечивает равномерность горения топлива по длине камеры. Продукты сгорания из камеры поступают в барботажное устройство, погруженное в раствор на определен­ную глубину для равномерного распределения в виде пузырьков по всему объему жид­кости. Барботажные устройства могут быть выполнены в виде трубы с конусным рас­секателем или решетчатой тарелки.

Газовые пузырьки при всплывании отдают теплоту жидкости и одновременно на­сыщаются парами воды. Интенсивность процесса тепло- и массообмена определяется площадью межфазной поверхности, образованной газовыми пузырьками в жидкости, и разностью температур контактируемых потоков. Выпаривание жидкости в этом слу­чае протекает при равновесной температуре, которая зависит от температурной депрес­сии и температуры продуктов сгорания, поступающих в барботажное устройство. В аппаратах с погружными горелками процессы испарения, растворов протекают при атмосферном давлении и равновесная температура на 15–16 ^оС ниже температуры кипения раствора. Характерными для таких процессов являются разрушение пузырь­ков на свободной поверхности раствора и выброс парогазовой смеси с температурой, не более чем на 1–2 °С превышающей температуру самого раствора, что свидетельст­вует о минимальных теплопотерях при тепло- и массообмене между продуктами сго­рания и жидкостью.