1.2 Выбор типа выпарной установки и их классификация
Процесс выпаривания применяется для достижения различных целей – опреснение воды, разделение смесей, концентрирование растворов и т. д. Отсюда наличие большого числа различных типов и модификаций выпарных установок. Остановимся на опреснительных дистилляционных установках, так как именно они применяются для производства обессоленной (деминерализованной) воды.
Дистилляционные опреснительные установки обладают следующими достоинствами:
1) простотой конструкции;
2) высокой производительностью;
3) хорошим качеством получаемого дистиллята;
4) простотой и высокой надёжностью в эксплуатации;
5) низкой стоимостью получаемой воды;
6) возможностью полной автоматизации процессов;
7) возможностью использования низкопотенциальной теплоты (в том числе и теплоты вторичных энергоресурсов);
8) возможностью многоцелевого использования, включая переработку рассола.
Отталкиваясь от поставленной задачи, в последние годы уделяется большое внимание созданию новых и совершенствованию существующих схем опреснения дистилляцией. Каждая из них характеризуется своими параметрами, схемой организации выпаривания исходной воды, регенерацией теплоты, кратностью концентрирования, связью с циклом технологической установки, конструктивным исполнением, использованием и рядом других признаков.
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.
| Недостатки | - чувствительность к изменениям режима; повышенное накипеобразование; высокий температурный напор поверхности нагрева; недостаточное использование теплоты; большие габариты. - большие габариты по высоте; на поверхности теплообмена образуется накипь. | - сравнительно высокие затраты на эксплуатацию и обслуживание; чувствительность к образованию накипи; чувствительность к изменению эксплуатационных условий. | - большие габариты; высокая материалоёмкость; сложность в эксплуатации и автоматизации. | - большие габариты; сравнительно сложная конструкция и высокая материалоёмкость; при непосредственном контакте теплоносителя с выпариваемым раствором вредные вещества из первого могут переходить во второй; в случае использования дымовых газов раствор нельзя нагреть выше точки росы теплоносителя. | |
| Достоинства | - простота конструкции; высокий коэффициент теплопередачи. - высокий коэффициент теплопередачи; обеспечение устойчивой циркуляции; плавный пуск. | - высокий коэффициент теплопередачи; кратковременный контакт жидкости с поверхностью нагрева; большая удельная паропроизводительность; малые габариты. | - возможность использования в качестве греющего “грязных” теплоносителей. | - высокий коэффициент теплопередачи; возможность использования в качестве греющего теплоносителя различных вторичных энергоресурсов (в т.ч. и дымовых газов); высокая степень концентрирования; низкий удельный расход теплоты. | |
| Типы выпарных установок | 1 Испарительные выпарные установки 1.1 С кипением в объёме камеры 1.2 С вынесенным кипением | 2 Плёночные выпарные аппараты | 2 Выпарные аппараты с промежуточным теплоносителем | 3 Выпарные аппараты контактного типа | |
| Недостатки | - большие габариты; сравнительно высокая материалоёмкость; необходимость поддерживать вакуум в системе. | ||||
| Достоинства | - возможность использования в качестве греющего теплоносителя низкотемпературных вторичных энергоресурсов; высокая степень концентрирования; низкий удельный расход теплоты на единицу испаряемой влаги; возможность размещения на значительном расстоянии отдельных узлов аппарата; способностью работать на природных водах любого качества с использованием минимального количества антинакипина; практически полностью исключают использование реагентов (поваренной соли, щелочи, кислоты). | ||||
| Типы выпарных установок | 5 Адиабатные выпарные установки | ||||
Анализируя приведённые характеристики, следует отметить, что при всех прочих равных условиях необходимо учитывать и затраты на эксплуатацию установки.