Многокорпусные выпарные установки непрерывного действия

В многокорпусной выпарной установке вторичный пар каж­дого корпуса (кроме последнего) используется для обогрева следующего корпуса. Давление от корпуса к корпусу уменьша­ется так, чтобы температура кипения раствора в каждом кор­пусе была ниже температуры насыщения пара, обогревающего этот корпус.

Применение многокорпусных выпарных установок дает значитель-ную экономию пара. Если приближенно принять, что с по­мощью 1 кг греющего пара в однокорпусном аппарате выпа­ривается 1 кг воды, то в многокорпусной выпарной установке на 1 кг греющего пара, поступившего в первый корпус, прихо­дится количество килограммов выпаренной воды, равное числу корпусов, т. е. расход греющего пара на выпаривание 1 кг воды обратно пропорционален числу корпусов. Действительный рас­ход греющего пара на 1 кг выпариваемой воды выше и в сред­нем составляет:

Выпарная установка Расход пара, кг

Однокорпусная ................................................ 1,1

Двухкорпусная ................................................ 0,57

Трехкорпусная ............................................... 0,4

Четырехкорпусная .......................................... 0,3

Пятикорпусная ................................................. 0,27

Вторичный пар, образующийся в каждом корпусе, можно не целиком направлять на обогрев следующего корпуса, а частично отводить и использовать для предварительного подо­грева раствора, поступающего на выпаривание, или для других технологических целей, не связанных с выпариванием. Отводимый вторичный пар называется экстрапаром. Экстрапар может быть отобран из любого корпуса, кроме по­следнего. Из последнего корпуса не производят отбора экстра­пара, поскольку вторичный пар оттуда направляется в конден­сатор. Если же выпаривание проводится под давлением, вто­ричный пар можно полностью использовать вне выпарной установки.

Преимущество отбора заключается в том, что возрастание расхода греющего пара при отборе экстрапара меньше, чем ко­личество отбираемого экстрапара. Целесообразнее отбирать экстрапар не из первых, а из последующих корпусов.

В многокорпусных выпарных установках экономия пара до­стигается за счет увеличения поверхности теплообмена. Срав­ним, например, однокорпусную и двухкорпусную установки, ра­ботающие при одинаковой температуре греющего пара, равной 110 °С, и одинаковом вакууме в конденсаторе, соответствующем температуре конденсации вторичного пара 50 °С. В этом случае, пренебрегая температурными потерями, получим для однокорпусной установки температурный напор 110 – 50 = 60 °С. В двухкорпусной установке температура кипения в первом корпусе должна быть выше 50 °С и ниже 110 °С; примем ее равной 80° С, так что температурный напор в первом корпусе составит 110 – 80 = 30 °С, а во втором корпусе 80 – 50 = 30 °С. Тепловая нагрузка каждого корпуса двухкорпусной установки в 2 раза меньше нагрузки однокорпусной установки, температурный на­пор в каждом корпусе также в 2 раза меньше. Следовательно, поверхность каждого корпуса будет такой же, как поверхность однокорпусного аппарата. Полная поверхность обоих корпусов двухкорпусной установки будет в 2 раза больше, чем поверх­ность однокорпусного аппарата. Обобщая этот вывод, можно сказать, что поверхность многокорпусной установки больше по­верхности однокорпусной в число раз, равное количеству кор­пусов. Если учесть потери теплоты, то увеличение поверхности теплообмена многокорпусной установки будет еще больше.

В рассмотренном примере температура кипения в первом корпусе выбрана произвольно для того, чтобы получить одина­ковые температурные напоры по корпусам. В действительности температуры кипения по корпусам устанавливаются сами собой в зависимости от поверхности отдельных корпусов и коэффи­циентов теплопередачи в них. Если, например, в одном из кор­пусов коэффициент теплопередачи понизится, то поступающий на обогрев этого корпуса вторичный пар из предыдущего кор­пуса не будет полностью конденсироваться и давление (а, следо­вательно, и температура) в предыдущем корпусе повысится, пока не установится новое распределение температур. Следова­тельно, температуры в отдельных корпусах при работе уста­новки не регулируются. Единственной возможностью регулиро­вания этих температур является изменение отбора экстрапара.

При увеличении отбора экстрапара из какого-либо корпуса ко­личество пара, поступающего на обогрев следующего корпуса, уменьшится и температура в нем понизится.

В зависимости от способа подачи раствора различают сле­дующие основные схемы многокорпусных установок (рис. 3.9).

В схеме с прямоточным питанием (рис. 3.9, а)грею­щий пар, вторичный пар и раствор проходят в одном направлении. Раствор переходит из одного корпуса в другой за счет разности давлений в корпусах. Вследствие понижения темпе­ратуры кипения раствора в каждом последующем корпусе рас­твор поступает во все корпуса (кроме первого) с температурой более высокой, чем температура кипения. В результате раствор охлаждается, и за счет отдаваемого при этом тепла испаряется некоторое количество воды (самоиспарение). Однако при пи­тании первого корпуса холодным раствором значительное коли­чество греющего пара в этом корпусе затрачивается на подогрев раствора. Поэтому при прямоточном питании целесооб­разно подавать в первый корпус предварительно подогретый раствор (путем установки подогревателей, обогреваемых экстра­паром или конденсатом).

Недостаток схемы с прямоточным питанием заключается в том, что в последнем корпусе, где температура кипения самая низкая, выпаривается самый концентрированный раствор. Одно­временное понижение температуры и повышение концентрации раствора приводят к повышению его вязкости и снижению коэф­фициентов теплоотдачи, поэтому в данной схеме коэффициенты теплопередачи уменьшаются от первого корпуса к последнему.

Рис. 3.9. Принципиальные схемы многокорпусных выпарных установок:

а –прямоточная; б – противоточная; в – с параллельным питанием; г – со смешанной подачей раствора и отбором экстрапара; д – с нуль-корпусом и двойным первым кор­пусом; е –с двумя греющими агентами (паром и маслом);

I – мятый пар; II – острый пар; III – пар; IV–масло

В схеме противоточной выпарной установки (рис. 3.9, б) слабый раствор подается при помощи насосов в последний корпус, из него в предпо­следний и т. д. Раствор и вторичный пар движутся из корпуса в корпус в противоположных направле­ниях.

Противоточные установки применяются для выпаривания вязких растворов, которые в условиях прямоточного выпарива­ния становятся настолько вязкими, что плохо продвигаются по трубопроводам. При противоточном питании наиболее высокая концентрация раствора достигается в первом корпусе, где и температура кипения наибольшая. Поэтому значительного па­дения коэффициента теплопередачи в корпусе с наиболее кон­центрированным раствором не происходит и коэффициенты теплопередачи мало изменяются по корпусам. Это является наи­более существенным преимуществом противоточного питания по сравнению с прямоточным. Кроме того, при противоточном питании количество воды, выпариваемой в последнем корпусе, меньше, чем при прямоточном питании, что уменьшает нагрузку на кон­денсатор (при выпарке в вакууме). По расходу тепла противоточное питание выгоднее прямоточного при питании холодным раствором, но уступает ему при питании горячим раствором.

Недостатками противоточной схемы по сравнению с прямо­точной (при одинаковом рабочем режиме) являются увеличение расхода греющего пара (на 5–10 %) и дополнительный расход электроэнергии на работу насосов.

При схеме с параллельным питанием (рис. 3.9, в) слабый раствор подается одновременно во все корпуса, а упа­ренный раствор из всех корпусов отбирается. Эта схема приме­няется редко, главным образом при незначительном повышении концентрации раствора и при выпаривании кристаллизующихся растворов, поскольку передача их из корпуса в корпус в этом случае затруднительна вследствие возможного закупоривания перепускных трубопроводов и арматуры.

На рис. 3.9, г показана схема выпарной установки со сме­шанной подачей раствора и отбором экстрапара.

На рис. 3.9, в представлена схема выпарной установки с ну­левым корпусом и двойным первым корпусом.

Нулевой корпус (нуль-корпус) является редуктором острого пара, добавляющим пар при недостатке мятого пара. Системы с нуль-корпусом распространены в сахарной промыш­ленности.

Двойной корпус употребляется в том случае, когда поверхность нагрева всех корпусов должна быть одинако­вой, а первый корпус должен использовать как прямой пар, так и вторичный пар из нуль-корпуса, чтобы обеспечить обогрев второго корпуса и отпуск значительного количества экстрапара, как показано на схеме.

На рис. 3.9, е приведена схема двухкорпуснои выпарной уста­новки с двумя греющими агентами, например паром и маслом. Такая схема применяется в тех случаях, когда во втором кор­пусе резко повышается температура кипения раствора за счет роста его концентрации в первом корпусе и температура вто­ричного пара как греющего оказывается недостаточной.