logo
КАСАТКИН

3. Многокорпусные выпарные установки

355

пара создается требуемое разрежение. Воздух и- неконденсирующиеся газы, попадающие в установку главным образом с охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через неплотности трубопроводов и резко ухуд­шающие теплопередачу, отсасываются через ловушку-брызгоулавлива- тель 6 вакуум-насосом 7.

С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый ва­куум, так как остаточное давление в конденсаторе может изменяться с ко­лебанием температуры воды, поступающей в конденсатор.

Необходимым условием передачи тепла в каждом корпусе должно быть наличие некоторой полезной разности температур, определяемой раз­ностью температур греющего пара и кипящего раствора. Вместе с тем, дав­ление вторичного пара в каждом предыдущем корпусе должно быть больше его давления в последующем. Эти разности давлений создаются при избы­точном давлении в первом корпусе, или вакууме в последнем корпусе, или же при том и другом одновременно.

Основные схемы многокорпусных установок. Применяемые схемы мно­гокорпусных выпарных установок различаются по давлению вторичного пара в последнем корпусе. В соответствии с этим признаком установки де­лятся на работающие под разрежением и под избыточ­ным давлением.

Наиболее распространены выпарные установки первой группы. По­мимо установки, показанной на рис. 1Х-2, в промышленной практике применяют установки аналогичного типа, обладающие повышенной эко­номичностью за счет использования тепла пара низкого потенциала. Так, например, иногда обогрев первого корпуса производят отработанным па­ром из паровых турбин, который является в данном случае первичным паром.

Дросселированный свежий пар, например из ТЭЦ, добавляется только для поддержания стабильного режима работы выпарной установки при колебаниях нагрузки турбины.

В выпарных установках, работающих под некоторым избыточным дав­лением вторичного пара в последнем корпусе, этот пар может быть шире использован на посторонние нужды, т. е. в качестве экстра-пара. Наряду с этим повышение давления вторичного пара в последнем корпусе умень­шает возможную кратность использования свежего (первичного) пара, греющего первый корпус.

При работе под избыточным давлением требуется несколько большая толщина стенок аппаратов, но установка в целом упрощается, так как отпадает необходимость в постоянно действующем конденсаторе паров (небольшой конденсатор используют лишь в период пуска установки).

В выпарных установках под давлением труднее поддерживать постоян­ный режим работы, чем в установках под вакуумом, и для этой цели требуется автоматическое регулирование давления пара и плотности упа­ренного раствора. Для повышения устойчивости режима работы уста­новок под давлением используют различные схемы *.

Выбор давления вторичного пара в последнем корпусе установки зави­сит от соотношения между количеством тепла, которое может отдать этот пар, и количеством тепла пара низкого потенциала, требующегося на другие производственные нужды. Оптимальное давление вторичного пара в последнем корпусе можно установить в каждом конкретном случае путем технико-экономического расчета.

Многокорпусные выпарные установки различаются также по взаим­ному направлению движения греющего пара и выпаривае­мого раствора. Кроме наиболее широко распространенных установок с прямоточным движением пара и раствора (см. рис. 1Х-2), применяются

* См., например: Чернобыльский И. И. Выпарные установки. Киев, Изд-во Киевск. Ун-та. 1960. 272 с.

356

Гл. IX. Выпаривание

также противоточные выпарные установки, в которых греющий пар и выпариваемый раствор перемещаются из корпуса в корпус во взаимно противоположных направлениях (рис. 1Х-3).

Исходный раствор подается насосом в последний по ходу греющего пара (третий) корпус, из которого упаренный раствор перекачивается во второй корпус, и т. д., причем из первого корпуса удаляется оконча­тельно упаренный раствор. Свежий (первичный) пар поступает в первый корпус, а вторичный пар из этого корпуса направляется для обогрева второго корпуса, затем вторичный пар из предыдущего корпуса исполь­зуется для обогрева последующего. Из последнего корпуса вторичный пар удаляется в конденсатор.

Отметим одно существенное достоинство многокорпусных выпарных установок, работающих по противоточной схеме.

В первом корпусе выпарной прямоточной установки (см. рис. 1Х-2) наименее концентрированный раствор получает необходимое для выпари­вания тепло от греющего пара наиболее высоких рабочих параметров, а в последнем корпусе наиболее концентрированный (и наиболее вязкий) раствор выпаривается при помощи вторичного пара наиболее низких па­раметров. Таким образом от первого корпуса к последнему (по ходу рас­твора) повышается концентрация и понижается температура выпаривае­мого раствора, что приводит к возрастанию его вязкости. В результате коэффициенты теплопередачи уменьшаются от первого корпуса к послед­нему.

Вторичный пар

Рис. 1Х-3. Многокорпусная противоточная выпарная установка: 1*-3 •= корпуса; 4 насосы.

В многокорпусных противоточных установках (см. рис. 1Х-3) в первом корпусе наиболее концентрированный раствор выпаривается за счет тепла пара наиболее высоких параметров, в то время как в последнем корпусе исходный раствор самой низкой концентрации получает тепло от вторич­ного пара, имеющего наиболее низкие давления и температуру. Поэтому при противотоке коэффициенты теплопередачи значительно меньше изме­няются по корпуеам, чем при прямотоке.

Однако необходимость перекачивания выпариваемого раствора из корпусов, где давление меньше, в корпуса с более высоким давлением яв­ляется серьезным недостатком противоточной схемы, так как применение промежуточных насосов (насосы 4 и 5 на рис. 1Х-3) связано со значитель­ным возрастанием эксплуатационных расходов.

Противоточные выпарные установки используют при выпаривании растворов до высоких конечных концентраций, когда в последнем корпусе (по ходу раствора) возможно нежелательное выпадение твердого вещества.

3. Многокорпусные выпарные установки

357

Кроме того, по такой схеме выпаривают растворы, вязкость которых резко возрастает с увеличением концентрации раствора.

По схеме с параллельным питанием корпусов (рис. 1Х-4) исходный раствор поступает одновременно во все три корпуса установки. Упаренный раствор, удаляемый из всех корпусов, имеет одина­ковую конечную концентрацию.

Установки такой схемы используют, главным образом, при выпарива­нии насыщенных растворов, в которых находятся частицы выпавшей твердой фазы (что затрудняет перемещение выпариваемого раствора из корпуса в корпус), а также в тех процессах выпаривания, где не требуется значительного повышения концентрации раствора.

Рис. ІХ-4. Многокорпусная выпарная установка с параллельным питанием корпусов (1—3).

Материальный баланс. По аналогии с уравнением (IX,4) материаль­ного баланса однокорпуснога выпарного аппарата составляют материаль­ный баланс для многокорпусной установки, согласно которому общее количество воды №, выпариваемой во всех корпусах, составляет

117

(IX,17)

где би и ЬИ — расход и концентрация исходного раствора; Ьп —-, концентрация упарен­ного раствора, удаляемого из последнего корпуса.

На основе уравнений (IX, 1) и (IX,2) для однокорпусного аппарата могут быть определены концентрации раствора на выходе из каждого корпуса многокорпусной установки (индексы 1, 2, 3 п соответ­ствуют порядковому номеру корпуса):

Оц&н

бцЬц

(IX,18)

(IX,18а)

(IX,186)

Ьп-

0н6н ■ 1^1 — ^2,

(IX,18л)

Тепловой баланс. Для каждого корпуса многокорпусной выпарной установки тепловой баланс составляют, пользуясь уравнением (IX,7) для однокорпусного аппарата,

358

Гл. IX. Выпаривание

Рассмотрим тепловой баланс трехкорпусной вакуум-выпарной пря- моточной установки (рис. IX-5), первый корпус которой обогревается све- жим насыщенным водяным паром. Расход свежего (первичного) пара кг/сек, его энтальпия /г, кдж/кг и температура 0Х °С.

После первого корпуса отбирается Ег кг1сек и после второго корпуса Ег кг/сек экстра-пара. Соответственно расход вторичного пара из первого корпуса, направляемого в качестве греющего во второй корпус, состав- ляет (№1—’ Ег) кг!сек и вторичного пара из второго корпуса, греющего третий корпус (^ — Е2) кг!сек, где и 157 2 — массы воды, выпаривае- мой в первом и втором корпусах соответственно.

Н Вакуум-

" насосу

Вода —»(

£, ЯгЕ,

&н>с0’ Ьо

Р,;1г

(£ц~М>)і сіЛ\

ІВИ7г),сгк2 р

Т"і$ Т'//$т 1

Рис. ІХ-5. К составлению теплового баланса многокорпусной выпар­ной установки:

2—3 <— корпуса; 4 — барометрический конденсатор; 5 = ловушка; 6 насоо.

Уравнения тепловых балансов корпусов: первый корпус

<?1 = О, (/,, - <&) = ОИс0 кї _'/0) + ^ (/, - с{ікї) + Зконц1 + <гп1 (IX, 19) второй корпус

<32 = ^ - Ег) (.I! - 40г) = ,(°Н - Щ с, к2 - ік1) +

+ — с2^к2) + ^конц 2 + @п2

третии корпус

<13=(\Г22)(/2-с&) =

: (ов «72) с2 (/к3 _ (к2) + «73 (/8 _ з) + <зконц3 + Зп3

(IX,20)

(IX,21)

где — температура исходного раствора; с0 — средняя удельная теплоемкость исход­ного раствора; <К1, /К2, /кз — температуры кипения раствора по корпусам; с1, с2, с3 — сред­ние теплоемкости раствора по корпусам; 0*, 02, 03 — температура конденсации греющего пара по корпусам; с2, с3 — средние удельные теплоемкости конденсата греющего пара по корпусам; сг, с2, Сд — средние удельные теплоемкости воды (в пределах от 0 “С до соот­ветствующих температур кипения раствора по корпусам); (2конщ> Qкoнц2> Сконцз — теп" лоты концентрирования раствора по корпусам; <2Ш, <3П2, <Эпз — потери тепла в окружаю­щую среду по корпусам.

Потери тепла в окружающую среду по корпусам принимают равными 3—5% от <$!, ($2 и (}3 соответственно.

Если раствор поступает в первый корпус предварительно нагретым до температуры его кипения в этом корпусе, т. е. ta ?К1, то в уравнении

3. Многокорпусные выпарные установки

359

(IX, 19) член Онс0 к1 — /0) = 0. Вместе с тем в вакуум-выпарной уста­новке с параллельным движением греющего пара и раствора (см. рис. IХ-2) вследствие ■ самоиспарения последнего члены теплового баланса, выра­жающие расход Тепла на нагревание раствора до температуры кипения в данном корпусе, во всех корпусах (кроме первого) будут иметь отрица­тельное значение. В частности, для трехкорпусной вакуум-установки ^к21 И ^кЗ ^к2-

В систему уравнений теплового баланса входит число неизвестных, на единицу больше числа самих уравнений. Так, уравнения (IX, 19)—(IX,21) включают четыре неизвестных: 3. Для того чтобы сделать

эту систему уравнений разрешимой, ее дополняют уравнением мате­риального баланса по выпариваемой воде, которое в данном случае имеет вид

и7 = Ц57! + + Й73 (IX,22)

где 47 — общее количество выпариваемой в установке воды, определяемое по уравне­нию материального баланса.

Обобщая уравнения теплового баланса, напишем выражение его для любого я-го корпуса многокорпусной выпарной прямоточной установки:

<2« = (»^1 - Еп-\) ('«_ 1 -с;в„) =

= (<?« — ^1 — ^2 • • • — й7,!—1)сп—1 (1кп (кп— 0 + №п {1 п ~ с'п1кп) + Фконц п + Фпп

(IX,23)

Соответственно уравнение материального баланса по воде:

+ + + «7т+...+«7„ (IX,24)

где п — число корпусов установки.

Выражения тепловых балансов изменяются в соответствии со схемой движения потоков греющего пара и раствора в многокорпусной установке (противоток, параллельное .питание исходным раствором и т. д.). Из уравнений теплового баланса определяют расходы греющего пара и тепло­вые нагрузки корпусов.

Общая -полезная разность температур и ее распределение по корпусам. Общая разность температур Д^общ многокорпусной прямоточной уста­новки представляет собой разность между температурой Т1 первичного пара, греющего первый корпус, и температурой насыщения пара в кон­денсаторе Тконд:

Д^общ = ~' Т’конд (IX,25)

Общая разность температур не может быть полностью использована ввиду наличия температурных потерь. Поэтому полезная разность тем­ператур для всей установки будет меньше А/общ.

Как указывалось, в однокорпусном аппарате полезная разность тем­ператур равна разности между температурой конденсации Т греющего пара и температурой кипения раствора или с учетом выражения (IX, 16) д*„ол = Г —*К = Г — Г-(Д' + Д") (IX,26)

Для многокорпусной выпарной установки общая полезная разность температур равна разности между температурой Т1 свежего пара, греющего первый корпус, и температурой Ткд насыщения пара в конденсаторе за вычетом суммы температурных потерь £Д во всех корпусах установки (с учетом Д"), т. е.

ЕД;пол = 7’1-7’конд-2Д (-27)

Общая полезная разность температур £МП0Д должна быть распреде­лена между корпусами с учетом условий их работы. Как следует из основ­ного уравнения теплопередачи (VI 1,5), поверхность нагрева Т7 корпуса при заданных тепловой нагрузке 0. и коэффициенте теплопередачи К определяется величиной Мпол. Соответственно уменьшение коэффициен­

I!

<

Qi

*1 '

1

' 1'\

(IX, 28)

Д/2 =

q2

1

' F2

(IX,28а)

д

Qn

Кп’

1

Гп

(IX,28n)

2 =*

..

■■ FnF. Заменяя Flt F2,

...,Fn

Однако по условию =

величиной /*■ и складывая полезные разности температур отдельных корпусов, находим общую полезную разность температур выпарной уста- новки:

2 Д<пол - + А#, + ; • • + Ып - у- ( ^ ^ + • • • + |^)

ИЛИ

откуда

1 Д^ПОЛ

F V JL Zj к

Подставляя полученное значение 1IF в выражения (IX,28), (IX,28а), , , ,, (IX, 28л), находим

Д^пол

= -- (IX,29)

м2 = ^ (IX,29а)

“ 2

Q

К

Д^ПОЛ

2

Q

К

w s

_ J\n

Д^ПОЛ

Atn = (ІХ.29П)

где 2 Д^пол — общая полезная разность температур, определяемая по уравнению (IX,27).

* Здесь и далее индекс «пол* в обозначениях полезной разности температур по кор­пусам опущен.

3. Многокорпусные выпарные установки

361

Распределение 2 А/пол при условии минимальной суммарной поверхности нагрева корпусов. Для упрощения вывода применим этот принцип распре­деления £Л^пол п0 корпусам к двухкорпусной установке. Общая по­верхность нагрева такой установки:

Р — Р 4- Р — ^ 4-

1 + Кг М, + Кг

Учитывая, что £ А<пол = Д^-{- Д^а и, следовательно, Д^а = = 2 Д^пол— Дг!1. получим

/? = 1 ^ /Д\

+ ^(^Д^пол-Д^) (А)

Минимальная поверхность нагрева установки может быть найдена как минимум функции ^ = / (А^), т. е. при условии, что

-*£-= О й (Д*х)

Дифференцируя уравнение (А) и приравнивая первую производную нулю, находим

йр ^1 | 0г _ (?[ 5,- _

5Тду ~~~К1А^~г Кг(% МП0Л-М,)2 ~~К1 Д/? К2 Д4~

или

0\ О-^

откуда

Кг М\ К2 Аі\

п

Мг і/ р,К2

Д^з V ЯіКі -р/~ ф.

г

Согласно свойству пропорции

1/Ж 1/Ж

Д<1 _ Д^1 ... V Кг V к,

Ач+Ы' '”“ У% + У% ЪУ$

Следовательно, полезная разность температур в первом корпусе

2. д^ол уж

Д^1= —4==^- (IX,30)

2

Ут

Аналогично для второго корпуса

4,12 Ут' №3,>.

Обобщив этот вывод для любого т-го корпуса выпарной установки, состоящей из п корпусов, получим

о*


362

Гл. IX. Выпаривание

При распределении общей полезной разности температур по этому принципу получают неодинаковые поверхности нагрева корпусов, что удорожает изготовление и эксплуатацию выпарной установки. Распреде­ление 2 А^пол на основе равенства поверхностей нагрева корпусов, как правило, более экономично и поэтому особенно распространено. Распре­деление 2 А^пол по минимуму суммарной поверхности нагрева может ока­заться целесообразным лишь в отдельных случаях, например при необхо­димости изготавливать выпарные аппараты из дефицитных, дорогостоящих коррозионностойких материалов.

Возможно также совмещение условий, для которых разработаны при­веденные выше способы распределения общей полезной разности темпе­ратур,, т. е. распределение, удовлетворяющее одновременно условиям: Fi F2 = • • • = Fn = const и F = min. Однако эти условия практи­чески трудно выполнимы и поэтому указанный способ распределения по­лезных разностей температур обычно не применяют.

Кроме рассмотренных способов общую полезную разность температур можно распределить, исходя из температур вторичного пара в корпусах. Обычно этими температурами задаются, и по известным температурам пара 7\, греющего первый корпус, и вторичного пара Тконд, удаляющегося из последнего корпуса в конденсатор, находят, с учетом температурных потерь по корпусам, температуры кипения раствора в корпусах. Такой способ обычно используют при предварительном расчете многокорпусных аппаратов (см. ниже). Его применение возможно также в тех случаях, когда температурный режим работы выпарной установки, при равенстве поверхностей нагрева корпусов оказывается технически неприемлемым.

Выбор числа корпусов., С увеличением числа корпусов многокорпусной выпарной установки снижается расход греющего пара на каждый кило­грамм выпариваемой воды. Как было показа'но, в однокорпусном выпар­ном аппарате на выпаривание 1 кг воды приближенно расходуется 1 кг греющего пара. Соответственно в двухкорпусной выпарной установке наименьший расход греющего пара на выпаривание 1 кг воды должен составлять V2 кг, в трехкорпусной — 1/3 кг, в четырехкорпусной—V4 кг и т. д.

Таким образом, расход греющего пара на выпаривание 1 кг воды в многокорпусных выпарных установках приближенно обратно пропор­ционален числу корпусов.

В действительности расход греющего пара на 1 кг выпариваемой воды больше и практически в зависимости от числа корпусов выпарной уста­новки изменяется примерно следующим образом:

Число корпусов 1 2 3 4 5

Расход греющего пара, кг/кг выпариваемой воды 1,1 0,57 0,4 0,3 0,27

Из этих данных видно, что если при переходе от однокорпусной уста­новки к двухкорпусной экономия греющего пара составляет приблизи­тельно 50%, то при переходе от четырехкорпусной к пятикорпусной уста­новке эта экономия уменьшается до 10% и становится еще меньше при дальнейшем возрастании числа корпусов. Снижение экономии греющего пара с увеличением числа корпусов выпарной установки указывает на целесообразность ограничения числа ее корпусов.

Однако основной причиной, определяющей предел числа корпусов выпарной установки, является возрастание температурных потерь с уве­личением числа корпусов. Для осуществления теплопередачи необходимо обеспечить в каждом корпусе некоторую полезную разность температур, т. е. разность температур между греющим паром и кипящим раствором, равную обычно не менее 5—7 °С для аппаратов с естественной циркуля­цией и не менее 3 °С для аппаратов с принудительной циркуляцией.

3. Многокорпусные вь; парные установки

363

При увеличении числа корпусов сверх допустимого предела сумма температурных потерь может стать равной или даже больше общей раз­ности температур, которая не зависит от числа корпусов установки, В ре­зультате выпаривание раствора станет невозможным.

Покажем это на примере выпаривания раствора в установке с естественной циркуляцией при температуре первичного пара Ті 160 °С и температуре конденсации удаляющегося из установки вторичного пара = 60*°С. Примем сумму температурных потерь для

одного аппарата (корпуса) Д = 25 °С и будем для упрощения считать, что величины Д оди­наковы для всех корпусов многокорпусной выпарной установки.

Тогда полезная разность температур составит: для однокорпусной установки

2 А'пол = Т1 - Сид - А = 160 - 60 - 25 == 75“ С 'для двухкорпусной установки

21 д^пол = Т1 Т’ковд — £ Д = 160 — 60 — 2- 25 = 50° С

Если принять, что 2 Д ^пол равномерно распределяется по корпусам, то полезная разность температур будет равна:

в каждом корпусе двухкорпусной установки

л; _ 2 Д^ол = _50 _ 25с

пол 2 2

Полезная разность температур для трехкорпусной установки £ Д*пол = 160 — 60 — 3-25 = 25° С Это соответствует полезной разности температур в одном корпусе:

У Д^пол 25

~ т

Д^пол = ~ 8.3° С

Аналогичный расчет для четырехкорпусной установки показывает, что для каждого ее корпуса полезная разность температур

160-60 — 4-25 .

Д^ПОЛ = ^ == о

Таким образом, при заданных условиях предельно возможное число корпусов равно трем.

Обычно число корпусов многокорпусных выпарных установок не меньше двух, но не превышает пяти-шести. Наиболее часто многокорпус­ные установки имеют три, четыре корпуса.

Чем больше число корпусов установки, тем меньшая полезная раз­ность температур приходится на каждый корпус и, следовательно, тем больше, при одной и той же производительности, общая поверхность на­грева выпарной установки. Приближенно общая поверхность нагрева выпарной установки увеличивается пропорционально числу ее корпусов. Практически вследствие температурных потерь, возрастающих с увели­чением числа корпусов, возрастание общей поверхности нагрева уста­новки является еще- большим. Таким образом, в многокорпусных уста­новках экономия греющего пара связана с увеличением общей поверхности нагрева установки.

Чем выше концентрация выпариваемого раствора, тем больше темпера­турные потери и тем меньшее число корпусов может быть последовательно соединено в одну установку. Вместе с тем чем интенсивней циркуляция раствора, тем меньше допустимая полезная разность температур в каж­дом корпусе и тем больше предельное число корпусов,

364

Гл. IX. Выпаривание

Практически выбор числа корпусов наиболее рационально произво- дить исходя из технико-экономических соображений.

С увеличением числа корпусов достигается все большая экономия греющего пара и снижается общая стоимость расходуемого на выпаривание пара. Одновременно с увеличением числа корпусов возрастают капиталь-

ные затраты и соответственно амортизацион- ные расходы.

Как было показано, удельный расход пара снижается сначала быстро, а затем все медлен- нее с увеличением числа корпусов (см. выше). Поэтому если нанести на график (рис. 1Х-6) зависимость стоимости выпаривания 1 кг воды от числа корпусов, то стоимость пара изоб- разится кривой 1. Амортизационные расходы можно приближенно считать пропорциональ- ными числу корпусов (линия 2, близкая к пря- мой). Складывая ординаты линий 1 и 2, полу- чают общую стоимость выпаривания 1 кг воды (кривая 3). Точка минимума на этой кривой соответствует наименьшим суммарным расхо- дам на выпаривание и отвечающее ей число корпусов п0ПТ может быть в первом приближе- нии принято в качестве оптимального.

Оптимальное число корпусов можно опре-

делять с помощью расчета на электронно-вычислительных машинах. Методы оптимизации параметров выпарных установок с использованием ЭВМ, а также методы математического моделирования этих установок рассматриваются в специальной литературе *.

  1. Yandex.RTB R-A-252273-3
    Yandex.RTB R-A-252273-4