Адиабатные и контактные выпарные установки

2.3.1. Адиабатные выпарные установки [1]

Выпаривание воды из растворов минеральных солей часто ведут в установках адиабатного испарения. Концентрирование раствора в этих установках происходит вследствие испарения предварительно перегретой жидкости, подаваемой в камеру мгновенного испарения, давление в которой ниже давления насыщения, соответствующего температуре поступающей в камеру жидкости. На рис. 2.11 показаны схемы одноступенчатой и многоступенчатой адиабатных выпарных установок с рекуперативным головным подогревателем. В адиабатных выпарных установках подогрев раствора осуществляется в конденсаторе и головном подогревателе, а выпаривание – в камере. Поэтому отложение солей на поверхностях нагрева незначительно.

Установки адиабатного испарения применяют для опреснения морской воды и других слабо минерализованных растворов. Из растворов, содержащих сульфат кальция CaSO₄, с повышением температуры в конденсаторе и головном рекуперативном подогревателе выделяются на поверхностях нагрева кристаллы, которые снижают интенсивность теплообмена. Для таких растворов применение контактных теплообменников в качестве головных подогревателей повышает экономичность адиабатных выпарных установок. Греющим теплоносителем в контактном головном подогревателе могут быть горячие газы, продукты сгорания топлива в топках и печах, пар испарительного охлаждения печей.

Рис. 2.11. Схемы адиабатных выпарных установок с рекуперативным (поверхностным) головным подогревателем:

а – одноступенчатая; б – многоступенчатая; 1 – насосы; 2 – конденсаторы; 3 – головной подогреватель; 4 – камеры выпаривания; 5 – поддоны

2.3.2. Выпарные установки с контактными нагревателями [1]

Концентрацию растворов можно повышать в установках, в которых жидкость не контактирует с поверхностью нагрева. В таких установках теплота от греющего теплоносителя к раствору передается непосредственным соприкосновением – без поверхности теплообмена. Схемы одноступенчатых выпарных установок с контактными аппаратами представлены на рис. 2.12.

Установки, в которых испарение осуществляется непосредственно в греющий теплоноситель, а образующиеся пары уносятся с ним, получили название одноступенчатых контактных выпарных установок (рис. 2.12а). Установки, в которых раствор нагревается в контактном аппарате, а затем испаряется в камере адиабатного испарения, называют одноступенчатыми адиабатными выпарными установками с контактным теплообменником (рис. 2.12б). Основным недостатком одноступенчатых контактных выпарных установок является большой удельный расход теплоты на испарение воды – до 8000 кДж/кг. Более эффективными установками для выпаривания минерализованных вод являются многоступенчатые адиабатные выпарные установки с использованием в качестве теплоносителя горячего воздуха, продуктов сгорания и других газов и смесей. В таких установках в контактном теплообменнике типа газ-жидкость раствор нагревается, а в многоступенчатом аппарате-испарителе осуществляется выпаривание воды. Образующиеся пары конденсируются на поверхности труб, охлаждаемых концентрированным раствором или другой жидкостью (рис. 2.13). Сконцентрированный в ступенях адиабатного испарения раствор направляется на обезвоживание в топку.

Рис. 2.12. Схемы одноступенчатых контактных выпарных установок:

а – испарение в камере контактного теплообменника; б – испарение в адиабатном расширителе с конденсатором; 1 – насос; 2 – адиабатный расширитель с конденсатором; 3 – контактный испаритель; 4 – камера выпаривания; 5 – поддон

Рис. 2.13. Схема многоступенчатой контактной выпарной установки с доупариванием в топке:

1 – насос; 2 – конденсаторы; 3 – контактный подогреватель; 4 – камеры выпаривания; 5 – поддоны; 6 – топка

Сочетание контактных нагревателей и адиабатных ступеней испарения позволяет эффективно использовать подводимую теплоту и избежать контакта раствора с поверхностями нагрева и, следовательно, отложения солей на них.

2.3.3. Выпарные установки с аппаратами погружного горения (АПГ) [1]

Технологическая схема выпарной установки для выпаривания агрессивных, загрязненных, с механическими примесями и выделяющих кристаллы растворов показана на рис. 2.14. Из расходного бака 1 раствор закачивается насосом 2 в мерник 3, из которого непрерывно поступает в выпарной аппарат 4 с погружной горелкой 13. Упаренный насыщенный раствор, содержащий минеральные соли, из аппарата 4 самотеком поступает в кристаллизатор 5. После охлаждения в нем образуются кристаллы соли, которые легко отделяются на центрифуге 6 и транспортером 7 направляются на склад. Фильтрат откачивается насосом 8 в сборник 9 и направляется в производство для повторного использования. Парогазовая смесь из выпарного аппарата 4 отводится через каплеотделитель 10 в скруббер 11, где охлаждается проточной холодной водой. В результате при охлаждении пары воды конденсируются и конденсат сливается в систему водоочистки, а газ вентилятором 12 выбрасывается в атмосферу или улавливающее устройство. Химические анализы выбрасываемых газов показали, что они по составу не
отличаются от обычных дымовых газов, полученных при сжигании природного газа, и содержат вредные примеси в пределах санитарных норм.

Рис. 2.14. Технологическая схема выпарной установки с аппаратом погружного горения

Камера сгорания горелки 13 представляет собой металлическую трубу, футерованную изнутри огнеупорным материалом. Огнеупорная футеровка кроме огнестойкости обеспечивает равномерность горения топлива по длине камеры. Продукты сгорания из камеры поступают в барботажное устройство, погруженное в раствор на определенную глубину, для равномерного распределения в виде пузырьков по всему объему жидкости. Барботажные устройства могут быть выполнены в виде трубы с конусным рассекателем или решетчатой тарелки.

Газовые пузырьки при всплывании отдают теплоту жидкости и одновременно насыщаются парами воды. Интенсивность процесса тепло- и массообмена определяется площадью межфазной поверхности, образованной газовыми пузырьками в жидкости, и разностью температур контактируемых потоков. Выпаривание жидкости в этом случае протекает при равновесной температуре, которая зависит от температурной депрессии и температуры продуктов сгорания, поступающих в барботажное устройство. В аппаратах с погружными горелками процессы испарения растворов протекают при атмосферном давлении и равновесная температура на 15-16^оС ниже температуры кипения раствора. Характерными для таких процессов являются разрушение пузырьков на свободной поверхности раствора и выброс парогазовой смеси с температурой, не более чем на 1-2^оС превышающей температуру самого раствора, что свидетельствует о минимальных теплопотерях при тепло- и массообмене между продуктами сгорания и жидкостью.

Вопросы для самоконтроля

1. Охарактеризуйте методы проведения процесса выпаривания под вакуумом, при атмосферном давлении и под повышенным давлением. Раскройте особенности однокорпусного и многокорпусного выпаривания, периодического и непрерывного выпаривания.

2. Что понимается под вторичным паром и экстра-паром?

3. Во сколько примерно раз больше расход пара на 1 кг выпаренной воды в однокорпусной установке по сравнению с трехкорпусной при их одинаковых производительностях?

4. Для выпаривания каких растворов применяют противоточную многокорпусную установку?

5. Какой коэффициент теплоотдачи имеет большое значение: от конденсирующегося пара к стенке или от стенки к кипящему концентрированному раствору?

6. Какие выпарные установки имеют большой удельный расход пара на 1 кг выпаренной воды: периодического или непрерывного действия?

7. Требуется ли установка насоса для подачи раствора, если выпарной аппарат работает под вакуумом?

8. Какие преимущества имеет применение вакуума в выпарной установке?

9. Назовите и объясните технические способы выпаривания растворов.

10. Изобразите схемы выпарных установок с аппаратами поверхностного типа.

11. Объясните схемы контактного выпаривания растворов.

12. Для каких целей применяют выпарные установки с тепловыми насосами?

13. Какое значение имеет многоступенчатый принцип выпаривания?

14. Объясните назначение конденсаторов пара и подогревателей раствора в схемах выпарных установок.

15. Назовите источники вторичной теплоты в выпарных установках и пути ее использования.

16. Расскажите о выпаривании с тепловым насосом. Когда этот вид выпаривания экономически целесообразен?

17. Из какой ступени четырехкорпусной выпарной установки более экономичен отбор экстра-пара?

18. Для каких растворов применяется схема с параллельным питанием?

19. Объясните назначение нулевого корпуса.

20. Когда применяется схема с двумя греющими агентами?

21. Расскажите принцип работы адиабатной парной установки и ее область применения.

22. Для каких растворов применяются установки с аппаратами погружного горения?