Многокорпусные выпарные установки

Принцип действия выпарной установки

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 значительную 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.

Так, в двухкорпусной выпарной установке одним килограммом греющего пара, поступившим в первый корпус, выпаривается в нем 1 кг воды, а образовавшимся при этом одним килограммом вторичного пара выпаривается во втором корпусе еще 1 кг воды; таким образом, всего на 1 кг греющего пара выпаривается 2 кг воды, а расход пара на 1 кг выпариваемой воды составляет 0,5 кг. Аналогично можно найти, что расход греющего пара на 1 кг выпариваемой воды в трехкорпусной выпарной установке составляет 0,33 кг, в четырехкорпусной – 0,25 кг и т. д.

Действительный расход греющего пара на 1 кг выпариваемой воды несколько выше.

Вторичный пар, образующийся в каждом корпусе, можно не целиком направлять на обогрев следующего корпуса, а частично отводить на сторону и использовать для предварительного подогрева раствора, поступающего на выпаривание, или для других технологических целей, не связанных с выпариванием. Отводимый на сторону вторичный пар называется экстра-паром. Экстра-пар может быть отобран из любого корпуса, кроме последнего. Из последнего корпуса не производят отбора экстрапара, так как вторичный пар оттуда направляется в конденсатор; если же выпаривание ведется под давлением, вторичный пар можно полностью использовать вне выпарной установки.

Преимущество отбора заключается в том, что возрастание расхода греющего пара при отборе экстра-пара меньше, чем количество отбираемого экстра-пара; целесообразнее отбирать экстра-пар 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 будет 110 – 80 = 30° С, а во втором корпусе составит 80 – 50 = 30° С. Тепловая нагрузка каждого корпуса двухкорпусной установки в 2 раза меньше нагрузки однокорпусной установки, температурный напор в каждом корпусе тоже 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 температурные потери, то увеличение поверхности теплообмена многокорпусной установки будет еще больше.

В приведенном примере температура кипения в первом корпусе была выбрана произвольно для того, чтобы получить равные 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.

Таким образом, температуры в отдельных корпусах при работе установки не регулируются. Единственной возможностью регулирования этих температур является изменение отбора экстра-пара. При увеличении отбора экстра-пара из какого-либо корпуса количество пара, поступающего на обогрев следующего корпуса, уменьшится, и температура в нем понизится.

Схемы многокорпусных выпарных установок

В зависимости от способа подачи раствора различают следующие основные схемы многокорпусных выпарных установок.

Схема с прямоточным питанием, приведённая на рисунке 1, имеет наибольшее распространение.

Схема трехкорпусной выпарной установки с прямоточным питанием

Слабый раствор подается в первый корпус, из него поступает во второй, из второго в третий и т. д. Таким образом, раствор и вторичный пар движутся в одном направлении. Раствор переходит из одного корпуса в другой вследствие разности давлений в корпусах. Так как температура кипения в каждом последующем корпусе понижается, то 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 зкстра-паром или конденсатом).

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

При схеме с противоточным питанием (рисунок 2) слабый раствор подается в последний корпус, из него в предпоследний и т. д.; следовательно, раствор и вторичный пар движутся из корпуса в корпус в противоположных направлениях. Так как в этом случае раствор поступает из корпуса с меньшим давлением в корпус с более высоким давлением, то для передачи раствора между корпусами устанавливаются насосы.

Схема трехкорпусной выпарной установки с противоточным питанием

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 перед 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). В отношении расхода тепла противоточное питание выгоднее прямоточного при питании холодным раствором, но уступает ему при питании горячим раствором.

Основным недостатком противоточной схемы является необходимость в установке насосов между корпусами, что связано с дополнительным расходом электроэнергии, усложняет установку и затрудняет ее регулирование.

При схеме с параллельным питанием (рисунок 3) слабый раствор подается одновременно во все корпуса, а упаренный раствор отбирается из всех корпусов.

Схема трехкорпусной выпарной установки с параллельным питанием

Эта схема применяется редко, главным образом при незначительном повышении концентрации раствора и при выпаривании кристаллизующихся растворов, так как передача их из корпуса в корпус в этом случае затруднительна вследствие возможного закупоривания перепускных трубопроводов и арматуры.