Многокорпусные установки. Схема расчета.

Многократное выпаривание проводят в нескольких последовательно соединенных аппаратах, в которых давление поддерживают таким образом, чтобы вторичный пар предыдущего корпуса можно было использовать в качестве греющего пара в каждом последующем корпусе. Такая организация выпаривания приводит к значительной экономии греющего пара. Если приближенно принять, что 1 кг греющего первичного пара испаряет 1 кг воды с образованием 1 кг вторичного пара, который затем в последующем корпусе уже в качестве греющего испарит также 1 кг воды и т.д., то общий расход свежего греющего пара на процесс уменьшается пропорционально числу корпусов. Практически в реальных установках такое соотношение не выдерживается, оно как правило, ниже.

В зависимости от взаимного направления движения раствора и греющего пара из корпуса в корпус различают прямоточные и противоточные выпарные установки, а также установки с параллельной или со смешанной подачей раствора в аппараты. Наибольшее распространение в промышленных условиях получили прямоточные выпарные установки (рис. 7), в которых греющий пар и выпариваемый раствор направляют в первый корпус 1, затем частично упаренный раствор самотеком перетекает во второй корпус 2, и т. д.; вторичный пар первого корпуса направляют в качестве греющего пара во второй корпус, и т.д.

Прямоточная выпарная установка по сравнению с другими обладает некоторыми преимуществами: поскольку перетекание раствора из корпуса в корпус благодаря разности давлений идет самотеком, отпадает необходимость в установке насосов для перекачивания кипящих растворов. Температуры кипения раствора и давления вторичных паров в каждом последующем корпусе ниже, чем в предыдущем, поэтому раствор в корпуса (кроме 1-го) поступает перегретым. Теплота, которая выделяется при охлаждении раствора до температуры кипения в последующем корпусе, идет на дополнительное испарение растворителя из этого же раствора. Это явление получило название самоиспарения.

Недостатками прямоточной схемы выпарной установки являются понижение температуры кипения и повышение концентрации раствора от первого корпуса к последнему. Это приводит к повышению вязкости раствора и, следовательно, к снижению интенсивности теплоотдачи при кипении, уменьшению коэффициента теплопередачи и, как следствие, к увеличению общей поверхности теплопередачи. Однако, несмотря на увеличение потребной поверхности I теплопередачи, достоинства прямоточной схемы имеют превалирующее значение, что определяет их широкое распространение.

Материальный и тепловые балансы многокорпусных установок. Уравнения материальных и тепловых балансов для многокорпусных установок представляют собой системы уравнений, записанных для каждого корпуса в отдельности. Уравнения материального баланса позволяют определить общее количество испаренной воды в установке и концентрацию растворенного компонента по корпусам при условии, что задан закон распределения испаренной воды по корпусам:

где G_H, G_n-1 – расходы соответственно исходного и поступающего в n-й корпус растворов, кг/с; W_общ, W_i – общее количество испаренной воды в установке и i-м корпусе, кг/с; х_н, х_к, х_n-1 – концентрации растворов соответственно исходного, упаренного и в (n — 1)-м корпусе, кг упаренного раствора на 1 кг исходного раствора.

Концентрацию упаренного раствора х_х определяют по выражению

Уравнение теплового баланса для и-го корпуса без учета отбора экстра-пара:

где W_n-1, W_n расходы соответственно греющего и вторичного паров в n-м корпусе, кг/с; G_n-1, G_n- расходы соответственно исходного и упаренного раствора в и-м корпусе, кг/с; H_n-1, H_n.в.п. -энтальпии соответственно греющего и вторичного паров в n-м корпусе, Дж/кг; H_p(n-1), H_n.в.п., H _Г(n-1)- энтальпии соответственно исходного, упаренного растворов и конденсата греющего пара в n-м корпусе, Дж/кг; Q_nП - потери теплоты в окружающую среду в n-м корпусе.

С помощью уравнений тепловых балансов для всех корпусов (5) и уравнения баланса по испаренной жидкости (2) определяют расход греющего пара в первом корпусе, расходы упаренной воды в каждом корпусе и их тепловые нагрузки.

Одной из задач расчета многокорпусных выпарных установок является определение потребной поверхности теплопередачи корпусов, для чего необходимо знание полезной разности температур каждого корпуса.

Полезная разность температур в многокорпусной установке и ее распределение по корпусам. Суммарную полезную разность температур многокорпусной установки находят из уравнения:

где -общая разность температур многокорпусной установки, равная разности между температурой греющего пара в первом корпусе Т_Г и температурой вторичного пара, поступающего из последнего корпуса в барометрический конденсатор t_б.к.:

В выражении (6) величина характеризует суммарные температурные потери во всех корпусах установки:

Кроме указанных выше концентрационной Δ' и гидростатической Δ" депрессий в многокорпусной установке возникает еще одна температурная потеря - гидродинамическая температурная депрессия Δ'". Она вызывается потерей давления вторичных паров при переходе из одного аппарата в другой на преодоление местных сопротивлений и трения. Как правило, вторичные пары - насыщенные, поэтому потеря давления паром влечет за собой уменьшение его температуры. По разности давлений (температур) паров на выходе из предыдущего аппарата и на входе в последующий аппарат определяют гидродинамическую депрессию Δ"'. В инженерных расчетах потерянное давление не рассчитывают, а без большой ошибки принимают гидродинамическую депрессию для каждого аппарата 1,0—1,5 °С.

На рис. 8 представлены схема и температурный график выпарной установки с учетом всех видов депрессий, разность между температурами греющего пара (точка 2) и кипения раствора (точка 4) является полезной разностью температур.

Для определения полезной разности температур в каждом корпусе общую полезную разность распределяют между выпарными аппаратами различными способами. Наиболее распространены два способа распределения между корпусами.

Первый способ основан на принципе равенства поверхностей теплопередачи в каждом корпусе. По этому способу в установке возможно применение аппаратов с одинаковыми конструктивными характеристиками; при этом обеспечивается взаимозаменяемость аппаратов, упрощается и удешевляется их эксплуатация. Второй способ основан на принципе нахождения минимальной суммарной поверхности теплообмена корпусов установки и применяется для экономии дефицитного и дорогостоящего материала, из которого изготовляются выпарные аппараты.

В соответствии с первым способом распределения основным условием является следующее:

F₁=F₂=... = F_n = F, (8)

Полезная разность температур в корпусе:

Тогда суммарная полезная разность температур:

Тогда для произвольного корпуса:

Таким образом, при равенстве поверхностей теплопередачи в каждом корпусе суммарная полезная разность температур распределяется пропорционально отношению тепловой нагрузки к коэффициентам теплопередачи в каждом корпусе.

Согласно 2-му способу распределения (дается без вывода), для любого n-го корпуса:

т. е. при минимальной суммарной поверхности теплопередачи многокорпусной установки общая полезная разность температур рас пределяется пропорционально квадратному корню из отношения тепловой нагрузки к коэффициенту теплопередачи в каждом корпусе.

Зависимости (11) и (12) дают надежные результаты в том случае, если коэффициенты теплопередачи по корпусам несильно зависят от движущих сил в этих корпусах.