Проектирование адиабатной выпарной установки термического обессоливания воды

Классификация современных дистилляционных опреснительных установок может быть проведена по следующим основным признакам:

1)                принципу действия – испарительные (поверхностного типа), мгновенного вскипания, с плёночными аппаратами, с промежуточным теплоносителем, контактного типа;

2)                гидродинамике режима – с естественной и принудительной циркуляцией исходной воды;

3)                способу использования теплоты вторичного пара – с регенерацией и без неё;

4)                роду теплоносителей, обогревающих поверхности – с паровым, газовым (горячий газ, продукты сгорания от котлов, печей и других технологических агрегатов), жидкостным (вода, технологические растворы, масло, парафин и др.) и электрическим обогревом;

5)                конструктивному исполнению – трубчатые, пластинчатые, спиральные, с ребристой, волнистой и желобообразной поверхностями; вертикальные, горизонтальные и наклонные, одно- и многоступенчатые, однорядные и многорядные, башенного типа;

6)                по способу организации движения раствора – проточные и рециркуляционные.

По данным [20] из 664 эксплуатируемых в мире в 1976 году стационарных опреснительных установок 138 были выполнены по схеме с испарением. Дистилляция исходной воды в таких установках протекает путём теплообмена между греющей поверхностью, выполненной в виде трубной змеевиковой батареи, погружённой в большой объём, или прямых трубок с естественным или принудительным движением воды по всему сечению. Процесс парообразования происходит при глубоком вакуумировании всех элементов установки, способствующем снижению накипеобразования.

Позднее была разработана усовершенствованная конструкция опреснительной установки, в которой применены испарительные аппараты с вынесенным кипением и подачей опресняемой воды по прямоточной схеме. В испарительном аппарате подобной конструкции температура поддерживается несколько ниже температуры её кипения в вынесенной зоне, представляющей собой специальный расширитель. Такое решение обеспечивает плавный пуск установки, отсутствие пульсаций, быстрый выход на заданные вакуум и производительность. Установки такого типа работают с устойчивой циркуляцией.

Изучение возможных путей интенсификации процесса теплообмена в опреснительных установках привело к созданию испарительных плёночных аппаратов, с улучшенными массовыми и габаритными характеристиками. Существующие установки такого типа используют вертикально- и горизонтально-трубчатые плёночные теплообменники. Принцип действия испарительных аппаратов таких установок основан на создании различными способами тонкой плёнки опресняемой воды на поверхности нагрева. Организация плёночного движения может достигаться путём струйного орошения поверхности жидкостью, гравитационного её течения или принудительной подачи. Установки, содержащие в своём составе аппараты такого типа, получили название дистилляционных опреснительных установок с испарительными аппаратами с нисходящей или восходящей плёнкой жидкости или испарительными горизонтально-трубчатыми плёночными аппаратами со струйным (напорным) или свободным (безнапорным) орошением теплообменной поверхности.

Находят широкое применение дистилляционные установки контактного типа, в которых теплоноситель непосредственно контактирует с исходной жидкостью без поверхности теплообмена.

К числу дистилляционных опреснительных установок относятся и установки с промежуточным теплоносителем, процесс дистилляции в которых происходит за счёт взаимодействия поступающей на опреснение воды и нагретых до соответствующей температуры углеводородов или их смесей, не вступающих в реакцию с водой и способных в последующем легко разлагаться.

И, наконец, наибольшее количество проектируемых, строящихся и действующих установок используют испарительные устройства, опреснение исходной воды в которых производится по принципу мгновенного вскипания. В таких установках горячая жидкость (речная вода или промышленные стоки) поступают в камеру испарения, где поддерживается низкое давление (вакуум). Вакуум соответствует температуре насыщения, которая несколько ниже температуры поступающей жидкости. За счёт скрытой теплоты парообразования происходит вскипание, как с поверхности жидкости, так и с поверхности струй и капель, образующихся при подводе её в камеру испарения. Над камерой испарения располагается конденсатор-охладитель пара, образовавшегося в процессе мгновенного вскипания. Само название «мгновенное» вскипание свидетельствует о том, что процесс парообразования происходит практически одновременно с поступлением жидкости в камеру испарения. Процесс в испарительной части аппарата протекает адиабатно, без подвода тепла извне. Отсюда название – адиабатная выпарная установка. Установки этого типа характеризуются высокой производительностью, малым накипеобразованием, низкой стоимостью вырабатываемого дистиллята.

Приведём краткие характеристики основных типов выпарных аппаратов.

Таблица 2 - Сравнительные характеристики выпарных аппаратов различного типа.

Анализируя приведённые характеристики, следует отметить, что при всех прочих равных условиях необходимо учитывать и затраты на эксплуатацию установки.

Рассмотрение различных типов технологических схем показывает, что наибольшей тепловой и экономической эффективностью обладают схемы с аппаратами мгновенного вскипания. Это связано в первую очередь с тем, что в качестве греющего теплоносителя здесь может быть использовано “бросовое” тепло, т. е. низкопотенциальные вторичные энергоресурсы. Причём, нижним пределом температуры греющего теплоносителя, которого ещё можно использовать, является 60 – 80 оС. В нашей установке предполагается использовать водяной пар, отработанный в турбинах приводов компрессоров и насосов, с температурой 70 – 80 оС. По капитальным затратам многоступенчатая установка мгновенного вскипания примерно на 20% дешевле установки с плёночными аппаратами [8], а показатель использования греющего пара несколько выше, что характеризуется более высокой допустимой кратностью концентрирования. К тому же, деминерализация в адиабатных выпарных установках признана наиболее перспективным методом создания крупных деминерализационных установок (с производительностью более 10000 м3/сутки), поскольку характеризуются высокой энергетической эффективностью, повышенной компактностью, хорошими эксплуатационными показателями, возможностью практической реализации больших мощностей в одной установке.

Актуальность применения именно установок мгновенного вскипания доказывается ещё и тем, что в последнее время ряд предприятий освоили серийный выпуск подобных аппаратов

1.3 Анализ действующей схемы получения деминерализованной воды на АО “Акрон” и возможностей применения схемы с адиабатной выпарной установкой

По имеющимся на предприятии данным потребность АО “Акрон” в деминерализованной воде составляет примерно 750 м3/час. В настоящее время необходимое количество воды получают в цехе химводоподготовки (ХВП) методом ионного обмена с применением схемы Н-ОН - ионирования. Действующие схемы получения и потребления воды на АО “Акрон” представлены на рисунках 5 и 6.

Имеющаяся схема обеспечивает качественное бесперебойное снабжение производств водой необходимого качества. Согласно регламентам предприятия показатели качества глубоко обессоленной воды (ВГО) составляют:

-                     PH – 6,0-7,5;

-                     Жёсткость общая – 0,002 мгэкв/л;

-                     Удельная электропроводность – не более 1,0 мкСим/см;

-                     Железо – не более 0,02 мг/л;

-                     Содержание кремнезема в пересчёте на SiO2 – не более 0,05 мг/л;

-                     Хлор Cl – отсутствует;

-                     Окисляемость перманганатная – не более 1,0 мгO2/л;

-                     Аммиак NH3 – не более 2,0 мг/л.

Надо отметить, что имеющаяся схема подготовки воды предполагает значительные затраты, связанные с необходимостью в ионообменных смолах и химических реагентах для регенерации фильтров. В связи с чем себестоимость обессоленной воды получается достаточно высокой.

В связи с этим возникает потребность в разработке схемы получения деминерализованной воды, которая по своим основным показателям способна служить заменой существующего водоподготовительного комплекса и при этом иметь более низкую себестоимость дистиллята. К основным показателям мы относим производительность, надёжность и качество получаемого дистиллята.

1.4 Выбор схемы установки

В адиабатных выпарных установках деминерализация вод осуществляется путём испарения перегретой жидкости в камере, давление в которой ниже давления насыщения, соответствующего температуре жидкости, поступающей в камеру. Таким образом, процесс испарения происходит не на поверхностях нагрева (как в традиционных выпарных установках), а в объёме камер испарения под вакуумом.

К основным рабочим процессам, происходящим в адиабатных выпарных установках, относятся: вскипание жидкости в камерах испарения, конденсация пара и нагрев жидкости в конденсаторах-регенераторах и головном подогревателе. Осуществляются процессы теплопередачи через поверхность теплообмена. При вскипании жидкости происходит унос капельной влаги, которая отделяется от пара в сепарационном объёме камер испарения и специальных сепараторах. В элементах установки протекают процессы отложения накипи, коррозии.

Для создания вакуума и обеспечения высоких коэффициентов теплопередачи в конденсаторах осуществляется оттяжка неконденсирующихся газов.

На практике используются различные виды адиабатных выпарных установок. Согласно классификации [14] различаются:

1.                По числу ступеней испарения – одно- и многоступенчатые.

2.                По способу организации движения раствора – проточные и рециркуляционные.

3.                По используемому первичному теплоносителю – установки с паровым, газовым, жидкостным, а также с электрическим обогревом.

4.                По способу соединения групп конденсаторов по воде – установки с последовательным соединением и параллельным.

5.                По количеству контуров рециркуляции – одноконтурные и многоконтурные.

6.                По количеству каскадов – однокаскадные и каскадные (то есть многокаскадные).

7.                По промежуточному теплоносителю – установки с одним или несколькими газовыми, жидкостными (гидрофобными) промежуточными теплоносителями, а также теплоносителем в виде твёрдых частиц.

8.                По способу подвода теплоты – установки с подводом теплоты через поверхность, контактным способом, через промежуточный теплоноситель.

Кроме этого, установки мгновенного вскипания классифицируются по способам отвода теплоты в окружающую среду, регенерации энергии и другим признакам.

Отвод теплоты в окружающую среду в адиабатных выпарных установках производится следующими способами: с охлаждающей конденсаторы водой, с концентрированным раствором и дистиллятом.

Осуществляется регенерация теплоты паров, образующихся при испарении раствора и дистиллята, для нагрева раствора, охлаждающего конденсаторы, и предварительного нагрева исходного раствора. Применяются также установки без регенерации.

Схемы основных типов адиабатных выпарных установок приведены на рисунке 7.

1 – ступень испарения; 2 – конденсатор; 3 – поддон; 4 – камера испарения;5 – головной подогреватель; 6 – насос.

1)                – одноступенчатая; 2) – рециркуляционная; 3) – многоконтурная;4) – каскадная

Рисунок 7 - Схемы установок мгновенного вскипания

В адиабатных выпарных установках реализуются различные способы оттяжки парогазовой смеси: с параллельным, последовательным и параллельно-последовательным отводом. На рисунке 9 представлены различные варианты схем оттяжек: на конденсатор (или эжектор) с перепуском парогазовой смеси во всех ступенях испарения установки; с оттяжками из всех ступеней без перепусков; с перепусками газов между всеми ступенями и оттяжкой из последней; с перепусками газов между всеми ступенями и их оттяжкой из последней и первой (где велика деаэрация жидкости); с перепусками между ступенями и оттяжками из последней и одной или нескольких промежуточных и т. д.

1- конденсатор-пароохладитель; 2 – поддон; 3 – камера испарения;

4 - конденсатор; 5 – вакуум-насос.

Рисунок 9 - Схема оттяжек и перепусков парогазовой смеси в адиабатных выпарных установках

В промышленности используются различные конструкции установок мгновенного вскипания. Применяются конструкции с совмещением ступеней испарения в одном корпусе и выполнением их в виде отдельных аппаратов.

Наиболее широко используются установки со встроенными конденсаторами-пароохладителями и головными подогревателями поверхностного типа. Применяются рифлёные трубки для изготовления поверхностей нагрева, что существенно интенсифицирует теплопередачу. Широко используются жалюзийные сепараторы.

К числу основных элементов установок мгновенного вскипания относятся камеры испарения, конденсаторы-пароохладители, сепараторы, поддоны для сбора дистиллята, головной подогреватель. Кроме того, в число элементов установки входят вспомогательные теплообменники и конденсаторы (для конденсации паров, поступающих на оттяжку), насосы, эжекторы, вакуум-насосы.

Современные технологические схемы адиабатных выпарных установок выполняются многоступенчатыми. Это связано с тем, что при мгновенном вскипании воды в отдельной ступени температура проходящего через неё предварительно нагретого рассола понижается незначительно и при одноступенчатом испарении для обеспечения заданной производительности потребуется подать на опреснение большое количество исходной воды, а теплоту рассола потерять при этом безвозвратно.

Многоступенчатая конструкция опреснительной установки мгновенного вскипания влияет на удельный расход теплоты. Согласно [20] с повышением числа ступеней значение удельного расхода теплоты уменьшается, чем и объясняется имеющаяся тенденция к увеличению числа ступеней установок большой производительности.

К числу основных параметров и характеристик дистилляционной опреснительной установки относят предельную температуру исходной воды в первой и последней ступенях и определяющие их значение давления и температуры греющей среды, температурный напор и подогрев воды по ступеням, производительность установки и число ступеней в ней, а также допустимая степень концентрирования исходной воды. Правильный выбор параметров установки позволит в значительной степени сократить стоимость её строительства.

Учитывая имеющиеся данные и рекомендации источников, выбираем для проектирования схему двухконтурной многоступенчатой адиабатной выпарной установки с регенерацией теплоты вторичного пара.

2. Расчёт адиабатной выпарной установки

2.1 Выбор эжектора

2.1.1 В качестве основного греющего пара в установке используем низкопотенциальный водяной пар, отработанный в турбинах привода основного оборудования производств аммиака, с параметрами на выходе Pвак=69,8 – 53,2 кПа и t=63 – 80 оC.

Для повышения потенциала греющего пара устанавливается пароструйный эжектор. Это позволит повысить температуру используемого пара с 70 оС до 100-101 оС. Тем самым удастся увеличить температурный перепад в ступенях установки адиабатного вскипания, что приведёт к снижению расхода воды, поступающей на испарение, охлаждающей воды и уменьшению капитальных затрат.

Принимаем в качестве рабочего пар 40 из общезаводской сети с параметрами P=4,0 МПа и t=375 оС. В месте с тем, рассмотрим возможность работы эжектора на паре других параметров, а именно: пар 10 (P=1 МПа и t=230 оС) и пар 27 (P=2,4 МПа и t=280 оС).

2.1.2 Найдём значения коэффициентов эжекции при использовании рабочего пара различных параметров

2.1.3 Исходные данные для расчёта

2.1.3.1 Температура рабочего пара tр=375оC (230 оС и 280 оС).

2.1.3.2 Давление рабочего пара Рр=4,0 МПа (0,98 МПа и 2,4 МПа).

2.1.3.3 Температура эжектируемого пара tн=70оС.

2.1.3.4 Давление эжектируемого пара Pн=3,1161´104 Па.

2.1.3.5 Температура смеси на выходе tс=101оС.

2.1.3.6 Давление смеси на выходе Рс=0,0981МПа=1ата.

2.1.4 Для заданных параметров сред найдём по таблицам 2-1 и 2-3 [18] значения энтальпий h

hр40= 3158,8 кДж/кг; hр27=2966,9 кДж/кг; hр10= 2897,9 кДж/кг;

hн=2626,8 кДж/кг;

hc=2680,7 кДж/кг.

2.1.5 По формуле (2-29) [23] определим величину коэффициента инжекции u для случая использования пара 40

	(2.1)

 

принимаем коэффициент инжекции равный u=9.

2.1.6 Уточним значение энтальпии смеси на выходе из эжектора hсд по формуле (2-29) [23]

	(2.2)

 

2.1.7 Аналогично находим значения коэффициентов эжекции для случаев применения в качестве рабочего пара 10 и пара 27 и при заданных параметрах эжектируемого пара и получаемой смеси. Полученные результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Коэффициент эжекции пароструйного эжектора при различных параметрах рабочего пара

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10