Многокорпусные выпарные установки

В однокорпусном аппарате на выпаривание 1 кг воды требуется более 1 кг греющего пара, что привело бы к его большому расходу. Однако расход пара на выпаривание можно значительно снизить, если проводить процесс в многокорпусной выпарной установке, принцип действия которой сводится к многократному использованию теплоты греющего пара, поступающего в первый корпус установки, путем обогрева каждого последующего корпуса (кроме первого) вторичным паром из предыдущего корпуса.

Основные схемы многокорпусных установок. Многокорпусные выпарные установки классифицируются:

– по давлению вторичного пара в последнем корпусе на работающие под разряжением и избыточным давлением. В пищевой промышленности из-за термолабильности пищевых растворов наиболее распространены выпарные установки, работающие под разряжением.

– по взаимному направлению движения греющего пара и выпариваемого раствора на установки с прямоточным и противоточным движением пара и раствора.

Рис. 2. Схема трехкорпусной выпарной установки: 1, 2, 3 – корпуса; 4 – подогреватель; 5 – барометрический конденсатор; 6 – ловушка-брызгоулавливатель; 7 – вакуум-насос

Установка состоит из нескольких (в данном случае трех) корпусов (рис. 2). Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом.

Ввиду более низкого давления во втором корпусе раствор, упаренный в первом корпусе, перемещается самотеком во второй корпус, и здесь охлаждается до температуры кипения в этом корпусе. За счет выделяющейся при этом теплоты образуется дополнительно некоторое количество вторичного пара. Такое явление, происходящее во всех корпусах установки, кроме первого, носит название самоиспарения раствора.

Аналогично упаренный раствор из второго корпуса перетекает самотеком в третий корпус, который обогревается вторичным паром из второго корпуса.

Предварительный нагрев исходного раствора до температуры кипения в первом корпусе производится в отдельном подогревателе 4, что позволяет избежать увеличения поверхности нагрева в первом корпусе.

Вторичный пар из последнего корпуса (в данном случае из третьего) отводится в барометрический конденсатор 5, в котором при конденсации пара создается требуемое разрежение. Воздух и неконденсирующиеся газы, попадающие в установку с паром и охлаждающей водой (в конденсаторе), а также через неплотности трубопроводов и резко ухудшающие теплопередачу, отсасываются через ловушку-брызгоулавливатель 6 вакуум-насосом 7.

С помощью вакуум-насоса поддерживается также устойчивый вакуум, 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.

Выбор числа корпусов. С увеличением числа корпусов многокорпусной выпарной установки снижается расход греющего пара на 1 кг выпариваемой воды. Если в однокорпусном выпарном аппарате на выпаривание 1 кг воды приближенно расходуется 1 кг греющего пара, то в двухкорпусной выпарной установке наименьший расход греющего пара на выпаривание 1 кг воды составляет 0,5 кг, в трехкорпусной – 0,33 кг, в четырехкорпусной – 0,25 кг и т. д.

Однако, 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.

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.

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.

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. 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.

Выбор числа корпусов производят 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 капитальные затраты и амортизационные расходы.

Как было показано, удельный расход пара снижается сначала быстро, а затем все медленнее с увеличением числа корпусов. Поэтому если нанести на график (рис. 3) зависимость стоимости выпаривания 1 кг воды от числа корпусов, то стоимость пара изобразится кривой 1. Амортизационные расходы можно приближенно считать пропорциональными числу корпусов (линия 2, близкая к прямой). Складывая ординаты линий 1 и 2, получают общую стоимость выпаривания 1 кг воды (кривая 3). Точка минимума на этой кривой соответствует наименьшим суммарным расходам на выпаривание и отвечающее ей число корпусов n_опт, может быть в первом приближении принято в качестве оптимального.

Вертикальные аппараты с естественной циркуляцией. В аппаратах этого типа выпаривание осуществляется при многократной естественной циркуляции раствора. Они обладают рядом преимуществ сравнительно с аппаратами других конструкций, благодаря чему получили широкое распространение в промышленности.

Основным достоинством таких аппаратов является улучшение теплоотдачи к раствору при его многократной организованной циркуляции в замкнутом контуре, уменьшающей скорость отложения накипи на поверхности труб. Кроме того, большинство этих аппаратов компактны, занимают небольшую производственную площадь, удобны для осмотра и ремонта.

Развитие конструкции этих аппаратов происходит в направлении усиления естественной циркуляции. Последнее возможно с помощью увеличения разности весов столбов жидкости в опускной трубе и парожидкостной смеси в подъемной части контура. Это достигается посредством:

– увеличения высоты кипятильных (подъемных) труб и повышения интенсивности парообразования в них с целью уменьшения плотности парожидкостной смеси, образующейся из кипящего раствора;

– улучшения естественного охлаждения циркуляционной трубы, для того чтобы опускающаяся в ней жидкость имела возможно большую плотность;

– поддержания в опускной трубе определенного уровня жидкости, необходимого для уравновешивания столба парожидкостной смеси в подъемных трубах при заданной скорости ее движения.

Аппараты с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой. В нижней части вертикального корпуса 1 (рис. 4) находится нагревательная камера 2, состоящая из двух трубных решеток, в которых закреплены, чаще всего развальцованы, кипятильные трубы 3 и циркуляционная труба 4 большого диаметра, установленная по оси камеры. В межтрубное пространство нагревательной камеры подается греющий пар.

Раствор поступает в аппарат над верхней трубной решеткой и опускается по циркуляционной трубе вниз, затем поднимается по кипятильным трубам и на некотором расстоянии от их нижнего края вскипает. Поэтому на большей части длины труб происходит движение вверх парожидкостной смеси, содержание пара в которой возрастает по мере ее движения. Вторичный пар поступает в сепарационное (паровое) пространство 5, где с помощью брызгоуловителя 6, изменяющего направление движения парового потока, от пара под действием инерционных сил отделяется унесенная им влага. После этого вторичный пар удаляется через штуцер сверху аппарата.

Упаренный раствор удаляется через нижний штуцер конического днища аппарата в качестве промежуточного или конечного продукта.

Как отмечалось, циркуляция раствора в аппарате происходит вследствие разности плотностей раствора в циркуляционной трубе и парожидкостной смеси в кипятильных трубах. Возникновение достаточной разности плотностей обусловлено тем, что поверхность теплообмена каждой кипятильной трубы, приходящаяся на единицу объема выпариваемого раствора, значительно больше, чем у циркуляционной трубы, поверхность трубы находится в линейной зависимости от ее диаметра, а объем жидкости в трубе пропорционален квадрату ее диаметра. Следовательно, парообразование в кипятильных трубах должно протекать значительно интенсивней, чем в циркуляционной трубе, а плотность раствора в них будет ниже, чем в этой трубе. В результате обеспечивается естественная циркуляция, улучшающая теплопередачу и препятствующая образованию накипи на поверхности теплообмена.

В аппаратах этой конструкции циркуляционная труба, как и кипятильные трубы, обогревается паром, что снижает разность плотностей раствора и парожидкостной смеси и может приводить к нежелательному парообразованию в самой циркуляционной трубе. Их недостатком является также жесткое крепление кипятильных труб, не допускающее значительной разности тепловых удлинений труб и корпуса аппарата.

Аппараты с выносной нагревательной камерой. При размещении нагревательной камеры вне корпуса аппарата имеется возможность повысить интенсивность выпаривания не только за счет увеличения разности плотностей жидкости и парожидкостной смеси в циркуляционном контуре, но и за счет увеличения длины кипятильных труб.

Аппарат с выносной нагревательной камерой (рис. 5) имеет кипятильные трубы. Он работает при более интенсивной естественной циркуляции, обусловленной тем, что циркуляционная труба не обогревается, а подъемный и опускной участки циркуляционного контура имеют значительную высоту.

Выносная нагревательная камера 1 легко отделяется от корпуса аппарата, что облегчает и ускоряет ее чистку и ремонт. Ревизию и ремонт нагревательной камеры можно производить без полной остановки аппарата (а лишь при снижении его производительности), если присоединить к eго корпусу две камеры.

Исходный раствор поступает под нижнюю трубную решетку нагревательной камеры и, поднимаясь по кипятильным трубам, выпаривается. Иногда подачу исходного раствора производят, как показано на рисунке, в циркуляционную трубу. Вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе 2. Жидкость опускается по необогреваемой циркуляционной трубе 3, смешивается с исходным раствором, и цикл циркуляции повторяется снова. Вторичный пар, пройдя брызгоуловитель 4, удаляется сверху сепаратора. Упаренный раствор отбирается через боковой штуцер в коническом днище сепаратора.

Скорость циркуляции в аппаратах с выносной нагревательной камерой может достигать 1,5 м/с, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена. Благодаря универсальности, удобству эксплуатации и хорошей теплопередаче, аппараты такого типа получили широкое распространение. Разновидностью выпарных аппаратов с выносной камерой является также аппараты с горизонтальной выносной нагревательной камерой.