Параграф 25. Термоэкономический метод оптимизации рабочих параметров выпарных установок.

Эффективность работы выпарной установки в значительной степени определяется числом последовательно соединенных корпусов. В связи с этим, выбор их оптимального числа, так же как и оптимальных параметров их работы, представляет собой важную и актуальную задачу. На практике процесс выпаривания растворов сопровождается не расходом эксергии теплоносителя, используемого в установке, а снижением эксергетического уровня почти постоянного теплового потока. Это относится как ко всему процессу в целом, так и к каждой из его стадий ‒ теплообмену, собственно процессу разделения исходного раствора на готовый продукт и растворитель, компенсации гидростатической и гидродинамической температурных депрессий, подогреванию исходного раствора до температуры кипения.

Затраты, связанные с обеспечением работы отдельного корпуса выпарной установки, равны

, (25.1)

где З_i ‒ удельные затраты на 1 моль выпариваемого растворителя в i-ом корпусе выпарной установки; ΔЕ_ДОПi ‒ уменьшение эксергии теплового потока в i-ом корпусе, обусловленное снижением его температурного уровня в процессе теплообмена

, (25.2)

где Q_ИСП ‒ теплота испарения растворителя; Т ‒ температура процесса выпаривания;

В ‒ стоимость эксергии; F ‒ удельная поверхность теплообмена; З_F ‒ затраты, связанные с обеспечением необходимой для протекания процесса теплообменной поверхности.

С достаточной для практических целей точностью температуру раствора, поступающего в рассматриваемый корпус, можно принять равной температуре кипения в нем, а затратами эксергии на компенсацию гидростатической и гидродинамической температурных депрессий в первом приближении пренебречь. Тогда

, (25.3)

где К_Эi, Δt_Эi ‒ соответственно коэффициент теплопередачи и средняя движущая сила процесса в эталонных условиях в i-ом корпусе выпарной установки.

Оптимальное значение полезной разности температур соответствует минимальному значению полученного выражения. Для нахождения этого минимума этой функции необходимо приравнять нулю ее первую производную, после чего получим выражение для определения оптимальной полезной разности температур в i-ом корпусе

, (25.4)

где Т_Эi ‒ температура процесса выпаривания в эталонных условиях в i-ом корпусе выпарной установки.

При принятых допущениях оптимальная полезная разность температур в отдельном корпусе выпарной установки не зависит от температуры кипения раствора в нем.

Проанализируем схему прямоточной многокорпусной выпарной установки с тепловым насосом ‒ устройством, повышающим температурный уровень теплоты, выделяющейся в процессе выпаривания (рисунок 25.1). Между температурой греющего пара и температурой кипения раствора в многокорпусных установках поддерживается разность температур всего в несколько градусов. Сжимая адиабатически вторичный пар в термокомпрессоре, можно повысить его температуру насыщения до необходимой для получения нужной разности температур и передачи кипящему раствору тепла в выпарном аппарате. При этом в самом выпарном аппарате испаряющееся количество воды приблизительно равно количеству расходуемого первичного пара, следовательно, применяя сжатие вторичного пара, можно теоретически обойтись одним этим паром, без добавления свежего. Перед пуском аппарата раствор должен быть подогрет свежим первичным паром, который вводят до начала кипения жидкости. После чего прекращают подачу греющего пара и ведут процесс за счет теплоты сжимаемого в термокомпрессоре вторичного пара. В рассматриваемой многокорпусной установке почти полностью исключено самоиспарение раствора в выпарных аппаратах, что приводит к выравниванию тепловых нагрузок по корпусам установки.

1 ‒ термокомпрессор; 2 ‒ выпарной аппарат;

3 ‒ подогреватель исходного раствора

I ‒ исходный раствор; II ‒ упаренный раствор;

III ‒ конденсат; IV ‒ вторичный пар

Рисунок 25.1 ‒ Схема одного корпуса многокорпусной

выпарной установки с тепловым насосом

Затраты на реализацию процесса выпаривания в рассматриваемой многокорпусной установке связаны с работой регенеративных подогревателей

, (25.5)

где n ‒ число корпусов выпарной установки; Т₁ ‒ температура процесса в первом корпусе; З_П ‒ затраты на содержание регенеративного подогревателя; П ‒ регенеративный подогреватель.

Полученное выражение принимает минимальное значение при полезной разности температур в регенеративном подогревателе

. (25.6)

Для определения оптимальной температуры процесса в первом корпусе выпарной установки необходимо сначала составить выражение для определения затрат в этом корпусе аналогично выражению (25.3) с добавлением слагаемых, относящихся к регенеративному подогревателю исходного раствора. После чего приравнять к нулю ее первую производную. В результате получим

. (25.7)

Соотношения (25.4), (25.6), (25.7) позволяют определить оптимальные технологические параметры выпарной установки, зная которые можно найти соответствующее оптимальное число корпусов. Для этого необходимо составить балансовое уравнение, определяющее расход первичного пара. При этом следует учесть, что тепло первичного пара расходуется на дегидратацию раствора постепенно, от корпуса к корпусу, а большая его часть вместе с основным тепловым потоком затрачивается на выпаривание. Фактический расход эксергии первичного теплового потока на компенсацию тепла дегидратации равен

, (25.8)

где ‒ средняя температура процесса в выпарной установке.

Эксергетический баланс всей выпарной установки выглядит следующим образом

. (25.9)

Исходя из эксергетического баланса, можно определить число корпусов, при котором процесс выпаривания протекает в оптимальном технологическом режиме

. (25.10)

Учитывая, что первое слагаемое в знаменателе является средней физико-химической температурной депрессией, уравнение (25.10) можно записать в более простой форме

. (25.11)

При любых условиях работы многокорпусных выпарных установок для оптимизации процесса требуется значительно увеличить параметры первичного греющего пара (давление, температура) и число корпусов установки по сравнению с традиционными решениями.

Повышение параметров первичного греющего пара снижает его расход, равно как снижает и расход топлива в котельной или ТЭЦ, снабжающих выпарную установку паром. Кроме того, это улучшает параметры выходящих из выпарных аппаратов вторичных паров, что позволяет полнее использовать их эксергетический потенциал как внутри установки, так и за ее пределами. В этом случае появляется возможность реализовать работу установки под противодавлением и получить за счет этого дополнительный экономический эффект. Также при этом уменьшается и общая металлоемкость выпарной установки, так как снижается необходимая поверхность теплообмена. Таким образом, давление первичного греющего пара является регулирующем параметром при оптимизации работы выпарных установок.

Оптимальные полезные разности температур зависят от принятых при проектировании поверхностей теплообмена, которые не меняются в процессе эксплуатации. Поэтому указанные параметры не являются регулирующими при оптимизации работы выпарных установок.

При неизменной поверхности теплообмена выпарной установки с увеличением температуры выпаривания снижаются средняя полезная разность температур и расход эксергии в установке. При неизменной средней полезной разности температур затраты эксергии в процессе теплообмена снижаются пропорционально квадрату абсолютной температуры процесса согласно уравнению (25.2) и не зависят от числа корпусов установки. От числа корпусов не зависят также потери эксергии, связанные с компенсацией гидростатической и гидродинамической температурных депрессий при постоянстве их среднего значения. Эти температурные депрессии уменьшаются с ростом температуры первичного греющего пара, в результате чего значительно сокращаются потери эксергии в установке, связанные с преодолением этих депрессий.