Основні схеми багатокорпусних випарних установок (БВУ)

Застосовувані схеми БВУ розрізняються по тиску вторинної пари в останньому корпусі. Відповідно до цієї ознаки установки поділяються на працюючі під розрідженням і під надлишковим тиском.

Найбільш поширені БВУ першої групи. У БВУ, що працюють під деяким надлишковим тиском вторинної пари в останньому корпусі, ця пара може бути ширше використана на сторонні нестатки, тобто як екстра-пара. Поряд з цим підвищення тиску вторинної пари в останньому корпусі зменшує можливу кратність використання свіжої (первинної) гріючої пари у першому корпусі.

У БВУ під тиском важче підтримувати постійний режим роботи, чим в установках під вакуумом, і для цієї мети потрібне автоматичне регулювання тиску пари і щільності упареного розчину.

Вибір оптимального тиску вторинної пари в останньому корпусі в кожному конкретному випадку встановлюється шляхом техніко-економічного розрахунку.

Багатокорпусні випарні установки розрізняються також по взаємному напрямку руху гріючої пари і розчину, що випарюється. Крім найбільш розповсюджених установок із прямотечійним рухом пари і розчину застосовуються також протитечійні випарні установки, в яких гріюча пара і розчин, що випарюється, переміщаються з корпуса в корпус у взаємно протилежних напрямках (Рисунок 2.3.).

Початковий розчин подається насосом в останній по ходу гріючої пари корпус, з якого упарений розчин перекачується в другий корпус, і т.д., причому з першого корпуса видаляється остаточно упарений розчин. Свіжа (первинна) пара надходить у перший корпус, а вторинна пара з цього корпуса направляється для обігріву другого корпуса, потім вторинна пара з попереднього корпуса використовується для обігріву наступного. З останнього корпуса вторинна пара видаляється в конденсатор.

Відзначимо одну істотну перевагу БВУ, що працюють за протилежною схемою. У першому корпусі випарної прямоточної установки найменш концентрований розчин одержує необхідне для випарювання тепло від гріючої пари найбільш високих робочих параметрів, а в останньому корпусі найбільш концентрований (і найбільш в`язкий) розчин випарюється за допомогою вторинної пари найбільш низьких параметрів. Таким чином, від першого корпуса до останнього (по ходу розчину) підвищується концентрація і знижується температура розчину, який випарюється, що приводить до зростання його в'язкості. У результаті коефіцієнт теплопередачі зменшується від першого корпуса до останнього.

Рисунок 2.3. Багатокорпусна випарна протитечійна установка

1-3 – корпуси;

4-6 – насоси.

У БВУ протитечійного типу в першому корпусі найбільш концентрований розчин випарюється за рахунок тепла пари найбільш високих параметрів, у той час як в останньому корпусі початковий розчин найнижчої концентрації одержує тепло від вторинної пари, що має найбільш низький тиск і температуру. Тому при протитечії коефіцієнт теплопередачі значно менше змінюється по корпусах, чим при прямотечіїі.

Однак необхідність перекачки розчину, що випарюється, з корпусів, де тиск менше, у корпуси з більш високим тиском є серйозним недоліком протитечійної схеми, тому що застосування проміжних циркуляційних насосів зв'язано зі значним зростанням експлуатаційних витрат.

Протитечійні випарні установки використовуються при випарюванні розчинів до високих кінцевих концентрацій, коли в останньому корпусі (по ходу розчину) можливо небажане випадання твердої речовини. Крім того, за такою схемою випарюють розчини, в'язкість яких різко зростає зі збільшенням концентрації розчину.

Існує також схема з паралельним живленням корпусів, де початковий розчин надходить одночасно в усі три корпуси установки. Упарений розчин, що видаляється з усіх корпусів, має однакову кінцеву концентрацію.

Установки такої схеми використовуються, головним чином, при випарюванні насичених розчинів, у яких знаходяться частки твердої фази, що випала, (що утрудняє переміщення розчину, що випарюється, з корпуса в корпус), а також у тих процесах випарювання, де потрібно значне підвищення концентрації розчину

 

Матеріальний баланс

Рисунок 2.4. До складання матеріального балансу БВУ

1-3 – корпуси;

4 – барометричний конденсатор;

5 – вловлювач;

6 – насос.

За аналогією з матеріальним балансом для однокорпусної випарної установки складаємо матеріальний баланс для БВУ, відповідно до якого загальна кількість води W, що випарюється у всіх корпусах, складає

                                  ,                        (23)

де G_н і в_н  - витрата і концентрація початкового розчину;

в_п - концентрація упареного розчину, що видаляється з останнього корпуса.

Виходячи з рівнянь для однокорпусної установки, можна визначити концентрації розчину на виході з кожного корпуса БВУ (індекси 1, 2, 3,..., n відповідають порядковому номеру корпуса).

                                                                     (24)

                                                         (25)

                                                   (26)

                                   (27)

Тепловий баланс

 

Розглянемо тепловий баланс три корпусної вакуум-випарної прямотечійної установки, перший корпус якої обігрівається свіжою насиченою водяною парою (рис. 4.).

Витрати свіжої (первинної) пари D₁ (кг/сек), його ентальпія I_г1 і температура q₁ °C.

Після першого корпуса відбирається Е₁ (кг/сек) і після другого корпуса Е₂ (кг/сек) екстра-пари. Відповідно витрати вторинної пари з першого корпуса, що направляється як гріюча у другий корпус, складає (W₁ - E₁) кг/сек і вторинної пари з другого корпуса, гріючої третій корпус (W₂ - E₂) кг/сек, де W₁, W₂  - кількості води, що випарюється в I і II корпусах відповідно.

Рівняння теплових балансів корпусів:

I корпус

         (28)

II корпус

(29)

III корпус

(30)

де с'₁; с'₂; с'₃ - питомі теплоємності парового конденсату при температурах конденсації q₁; q₂; q₃ відповідно;

c₁; c₂; c₃ - питомі теплоємності розчину по корпусах (при середній температурі розчину в кожнім корпусі);

с''₁; с''₂; с''₃ - питомі теплоємності води при температурі t_k1; t_k2; t_k3;

t₀; t_k1; t_k2; t_k3 - температура початкового розчину і температура кипіння розчину по корпусах;

Q_конц1; Q_конц2; Q_конц3 - теплоти концентрування розчину по корпусах;

Q_п1; Q_п2; Q_п3 - утрати тепла в навколишнє середовище по корпусах.

Утрати тепла в навколишнє середовище приймають рівним 3..5% від Q₁, Q₂, Q₃ відповідно.

У вакуум-випарній установці з паралельним рухом гріючої пари і розчину в наслідок самовипару останнього члени теплового балансу, що виражають витрату тепла на нагрівання розчину до температури кипіння в даному корпусі, у всіх корпусах (крім першого) будуть мати негативне значення.

Зокрема, для трьохкорпусної випарної установки:

t_k2<t_k1 і t_k3<t_k2,

Для рішення системи рівнянь, які ми розглянули вище, їх доповнюють рівнянням матеріального балансу по воді, що випарюється, яке має вигляд

                                  W=W₁+W₂+W₃  ,                                     (31)

де W - загальна кількість води, що випарюється в установці, визначена з рівняння матеріального балансу.

З рівнянь теплового балансу визначають витрати гріючої пари і теплові навантаження корпусів.