Формирование технологических схем МВУ

Процесс выпаривания – энергоемкий процесс, особенно если теплота испарения растворителя велика, как, например у воды. Поэтому составляющая на энергозатраты при выпаривании может быть весьма существенной составляющей в себестоимости производства того или иного товарного продукта, особенно если цены на сырье невысоки, а производство крупнотоннажное. Одним из наиболее эффективных способов снижения энергопотребления при выпаривании является применение выпарных батарей – многокорпусных выпарных установок. Корпус выпарной батареи представляет собой выпарной аппарат той или иной конструкции. Корпуса МВУ работают под разным давлением. При этом греющая камера корпуса с менее высоким давлением служит одновременно и конденсатором вторичных паров из корпуса с более высоким давлением, т. е. испарение растворителя в корпусе с меньшим давлением происходит за счет конденсации вторичных паров из корпуса с большим давлением. Корпус МВУ с наибольшим давлением (корпус первой ступени) обогревается за счет внешнего источника тепла. Вторичные пары из корпуса с наименьшим давлением (корпус последней ступени) направляются на конденсацию в отдельный конденсатор. Таким образом, энергозатраты сокращаются в число раз, пропорциональное количеству корпусов МВУ.

Снижение энергозатрат достигается путем разбивки полного температурного напора (разностью между температурой теплоносителя в корпусе первой ступени и температурой вторичного пара, выходящего из корпуса последней ступени,) на части между корпусами. За счет этого при одинаковой тепловой нагрузке Q необходимая площадь поверхности теплообмена увеличивается в число раз, пропорциональное количеству корпусов МВУ , и даже больше, поскольку в выпарных аппаратах некоторых типов и коэффициент a₂ пропорционален в определенной степени удельной тепловой нагрузке q. Таким образом, сокращение энергозатрат при применении МВУ вызывает значительное увеличение затрат на основное лабораторное оборудование . При выборе технологической схемы МВУ проводится сопоставление факторов сокращения энергозатрат, увеличения затрат на основное лабораторное оборудование , имеющихся возможностей по энергообеспечению производства (реально располагаемые параметры теплоносителя для первого корпуса и хладагента для конденсатора), а также величины полезного температурного напора для одного корпуса, при котором работа этого корпуса еще эффективна.

МВУ нашли широкое применение преимущественно в тех процессах, где растворителем является вода, т. е. при концентрировании продуктов в пищевой промышленности, растворов солей и щелочей, сточных вод, в опреснительных установках. Помимо высоких теплоты испарения и коэффициента теплоотдачи при конденсации водяных паров у воды есть еще то преимущество, что допустимо ее смешивание с самым распространенным теплоносителем – водяным паром. Использование в МВУ паров органических соединений применяется крайне редко по следующим причинам. Теплота испарения и теплопроводность органических соединений значительно меньше, чем у воды (например, у большинства углеводородов теплота испарения меньше в 5–6 раз, теплопроводность – в 3–4 раза), что в свою очередь значительно снижает коэффициент теплоотдачи при конденсации паров. Кроме того, небольшая теплота испарения и сравнительно высокая стоимость сырья в производствах органической химии уменьшает составляющую на энергозатраты
в себестоимости производства товарного продукта. Тем не менее, определенные перспективы использования энергетического потенциала вторичных паров органических продуктов есть, особенно в крупнотоннажных производствах.

Существуют две основные схемы формирования выпарных батарей. Схема, где жидкость по мере концентрирования поступает из корпуса с большим давлением в корпус с меньшим давлением, называется прямоточной. Такая схема представлена на рис. 11.3.1.1. Здесь в качестве корпусов использованы выпарные аппараты с естественной циркуляцией.

Рисунок 11.3.1.1. Прямоточная многокорпусная выпарная установка

Схема, где жидкость по мере концентрирования поступает из корпуса с меньшим давлением в корпус с большим давлением, называется противоточной. Такая схема представлена на рис. 11.3.1.2. Здесь в качестве корпусов использованы выпарные аппараты со свободно стекающей пленкой и принудительной циркуляцией.

Рисунок 11.3.1.2. Противоточная многокорпусная выпарная установка

Здесь и далее нумерация корпусов будет производиться от наибольшего давления к наименьшему. Отметим преимущества и недостатки этих схем. При применении прямоточной схемы возможна подача раствора из корпуса в корпус самотеком за счет перепада давлений. Более полно используется энергетический потенциал самого раствора, поскольку конечный концентрат выводится из корпуса МВУ с наименьшим давлением, а стало быть, и с наименее возможной в данных условиях температурой. Но снижение температуры раствора по мере роста концентрации раствора, которое имеет место в прямоточных МВУ, сопровождается ростом вязкости, поскольку и возрастание концентрации, и снижение температуры способствуют увеличению вязкости. Увеличение вязкости в свою очередь вызывает снижение коэффициента теплоотдачи a₂. Поэтому при такой схеме за счет увеличения вязкости возможна сильная неравномерность в распределении температурных напоров между корпусами, или же необходимо использовать для последнего корпуса выпарной аппарат с большей площадью поверхности теплообмена.

При применении противоточной схемы увеличение вязкости с увеличением концентрации раствора в последних корпусах МВУ нейтрализуется ее уменьшением с ростом температуры. Но с температурной депрессией происходит совершенно обратное явление – она возрастает как с ростом концентрации, так и с ростом температуры. Кроме того, при применении противоточной схемы для подачи раствора из корпуса в корпус необходим насос, причем отдельный для каждого корпуса (возможно использование для этой цели циркуляционного насоса, если таковой имеется). Кроме того, конечный концентрат выводится из первого корпуса МВУ с наибольшей из возможных в данных условиях температур, а на нагрев раствора до этой температуры тратится дополнительная энергия.

Обычно рекомендуется при преобладании фактора температурной депрессии в распределении температурных напоров между корпусами использовать прямоточную схему (выпаривание растворов щелочей, некоторых солей), а при преобладании фактора вязкости – противоточную схему (растворы некоторых солей, нелетучих органических соединений). Часто трудно выделить преобладание какого-либо из этих факторов. Тогда во внимание принимаются дополнительные аспекты. Так, при больших давлениях в первых корпусах перепад между первым и вторым корпусом может достигать нескольких десятых долей мегапаскаля (что часто используется при выпаривании неорганических растворов). Тогда при применении противоточной схемы требования к характеристикам перекачивающего насоса повышенные, и использование для этой цели циркуляционного насоса невозможно. Кроме того, при равномерном распределении выпара между корпусами время пребывания раствора в корпусе растет с увеличением концентрации раствора, причем чем больше концентрация, тем многократнее увеличение продолжительности процесса. При концентрировании пищевых и прочих термолабильных (термически неустойчивых) продуктов длительное время пребывания конечного концентрата при температуре кипения в первых корпусах МВУ крайне нежелательно или же просто недопустимо.

Отсюда очевидно, что прямоточная схема более востребована и распространена. При этом для выравнивания температурных напоров зачастую используют
в качестве корпусов последней ступени испарители с принудительной циркуляцией, более эффективно работающие с растворами повышенной вязкости. Иногда при большой концентрации конечного продукта идут на следующий прием: на последней стадии концентрирования, где имеет место многократное ухудшение коэффициента теплопередачи даже для аппарата с принудительной циркуляцией, ставят эффективный роторно-пленочный испаритель, обогреваемый паром от внешнего источника, создавая таким образом повышенный температурный напор. Энергетические потери при этом, как правило, невелики, поскольку выпар из РПИ составляет незначительную часть общего выпара МВУ, но при этом время пребывания концентрата в зоне
нагрева сокращается многократно, что благоприятно сказывается на качестве продукта.

Противоточная схема МВУ в чистом виде используется редко: чаще применяют комбинации из прямо- и противоточных схем. В зависимости от свойств выпариваемого продукта и особенностей местных условий производства могут использоваться следующие варианты схем МВУ: МВУ с избыточным давлением, где последняя ступень МВУ работает при атмосферном или небольшом избыточном давлении, а предыдущие – при более высоком; вакуумные МВУ, когда первая ступень МВУ работает при атмосферном давлении или неглубоком вакууме, а последующие – при более низком остаточном давлении; комбинированные МВУ, когда первая ступень работает под избыточном давлении, а последняя – под вакуумом. Может применяться частичный отбор вторичного пара из установки при наличии источника потребления низкопотенциального пара, и наоборот: при наличии источника неутилизируемого низкопотенциального пара может применяться подача такого пара в один из промежуточных корпусов МВУ. Последний вариант МВУ, когда в ступень с наибольшим давлением подается сетевой пар повышенного давления, а в следующую ступень – помимо вторичного – пар низкого давления, получил название выпарной батареи с «нуль-корпусом».

В качестве ступеней МВУ чаще всего применяются выпарные аппараты с естественной циркуляцией различных конструкций, адиабатные испарители мгновенного вскипания, а также аппараты со свободно стекающей пленкой и циркуляционным контуром. Последние особенно часто применяются в пищевой промышленности.

При использовании выпарных аппаратов в качестве ступеней МВУ повышается требование к качеству сепарации вторичных паров от механически уносимых капель, особенно если выпариваемый раствор склонен к образованию осадка на поверхности теплообмена, поскольку очистка от такого осадка межтрубного пространства греющих камер является затруднительной,
а подчас и нереальной.

Значительное ухудшение работы МВУ могут вызвать растворенные в потоке питания МВУ неконденсирующиеся (инертные) газы. Даже незначительное их присутствие вызывает существенное снижение коэффициента теплоотдачи при конденсации паров и вызывает потери за счет равновесного уноса вторичных паров с отводимыми инертными газами. Если присутствие растворенных инертных газов в питании МВУ неизбежно, рекомендуется вводить перед МВУ стадию дегазации – адиабатный испаритель небольшой производительности. Отгон со стадии дегазации следует направлять прямиком в конденсатор, а еще лучше, если это возможно, – в линию сбора сдувок.[4]