Выпарные установки, принцип действия, основные конструкции аппаратов.

.

Рис. 1. Схема выпарных установок:

а — прямоточная с конденсатором; б — прямоточная с противодавлением; в — с ухудшенным ва­куумом; г —с нуль-корпусом; д — двухстадийная с обогревом аппарата второй стадии свежим па­ром; е— двухстадийная с обогревом аппарата второй стадии вторичным паром первой ступени; ж — противоточная; з —с параллельным током пара и раствора; и—с отбором экстрапаров по­сторонним потребителем; к — со смешанным током раствора; л — трехступенчатая с двумя корпу­сами в первой ступени; 1 — выпарной аппарат; 2 — конденсатор; 3 — солеотделитель; 4— насос: 5 — водосборник; в — вход первичного и выход вторичного пара; 7 — вход охлаждающей воды; S — вход и выход раствора; 9 — выход конденсата

Выпарные установки с аппаратами поверхностного типа

Принципиальные схемы промышленных выпарных установок непрерывного действия изображены на рис. 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.

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. 1,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. 1,а); в ней обеспечивайся 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. 1,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. 1,е). 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. 1,д).

5. По относительному движению греющего пара и выпариваемого раствора:

а) прямоточные выпарные установки для растворов, обладающих высокой темпе­ратурной депрессией (рис. 1,а—е);

б) противоточные выпарные установки для растворов с быстро растущей вязко­стью при повышении их концентрации (рис. 1,ж); в этих схемах между ступенями ставят насосы;

в) выпарные установки с параллельным питанием корпусов раствором при склонности его к кристаллизации (рис. 1,ж);

г) выпарные установки с отпуском части вторичных паров (экстрапаров) посторонним потребителям (рис. 1,з);

д) выпарные установки со смешанным питанием корпусов для растворов с повы­шенной вязкость (рис. 1,к).

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. 2. 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. В качестве основного агрегата теплового насоса при­меняют паровые инжекторы или турбокомпрессоры с электрическим или паровым приводом (рис. 2). 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.

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. На рис. 3 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, 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.

Рис. 3. 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

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 .

Рис. 4. 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

Установки, в которых испарение осуществляется непосредственно в греющий теп­лоноситель, а образующиеся пары уносятся с ним, получили название одноступенчатых контактных выпарных установок (рис. 5,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. 5,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. Сконцентрированный в ступенях адиабатного испарения раствор направляется на обезвоживание в топку.