Проектирование адиабатной выпарной установки термического обессоливания воды

1. Анализ состояния вопроса и обоснование актуальности темы

1.1 Обзор существующих методов деминерализации и выбор типа установки для получения обессоленной воды

1.2 Выбор типа выпарной установки и их классификация

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

1.4 Выбор схемы установки

2. Расчёт адиабатной выпарной установки

2.1 Выбор эжектора

2.2 Основные характеристики проектируемой адиабатной выпарной установки

2.3 Тепловой расчёт

2.4 Расчёт количества используемого пара

2.5 Расчёт сепарационного устройства и нахождение ожидаемого качества дистиллята

2.6 Очистка воды от растворённых газов

3. Конструкторский расчёт

3.1 Расчёт регенеративных конденсаторов

3.2 Выбор и расчёт переточных устройств и высоты уровней жидкости в камерах испарения

3.3 Компоновка и основные размеры установки

3.4 Расчёт основных параметров пароструйного эжектора

3.5 Выбор насосов

4. Электротехническая часть

4.1 Общая характеристика

4.2 Выбор электродвигателей

4.3 Расчёт электрических нагрузок

4.4 Выбор коммутирующей аппаратуры и сечения кабелей

4.5 Расчёт токов короткого замыкания

4.6 Проверка выбранного оборудования на действие токов короткого замыкания

4.7 Окончательный выбор коммутирующей аппаратуры, кабелей и проводов

5. Экономическая часть

6. Безопасность жизнедеятельности

7. Экологическая справка

8. Выводы и заключения Список использованных источников

Приложение А

Основным направлением экономического и технического развития в настоящее время стал перевод экономики в русло энергои ресурсосбережения, включая не только эффективное и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов, но и максимальное использование вторичных энергоресурсов (ВЭР), так как этот путь вдвое-втрое более выгодный, чем дополнительная добыча и транспортировка эквивалентного количества топлива. Вторичные энергетические ресурсы — это энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других.

В свете указанных задач наибольший интерес с точки зрения энергои ресурсосбережения вызывают предприятия химического комплекса. Они превосходит средние показатели промышленности (по данным 1985 г.) по энергоёмкости в 3 раза. При этом следует учитывать, что в химических отраслях потребление топливно-энергетических ресурсов на сырьевые нужды определяется условиями протекания реакций и ожидать его существенного снижения не следует.

Вместе с тем, располагая крупным энергетическим хозяйством, отрасли химического комплекса ежегодно расходуют около 23% промышленного потребления топливно-энергетических ресурсов.

С точки зрения энергопотребления предприятия химической промышленности имеют ряд признаков определяющих их энергоёмкость:

— органичное включение тепловых процессов в основную технологию;

— значительное количество вторичных энергоресурсов, сочетающихся с экологическими загрязнителями;

— крупные водоподготовительные комплексы;

— несовершенство тепломассообменного оборудования.

В то же время, потери энергии в отраслях химического комплекса связаны с технологией её использования.

Вторичные энергоресурсы с высоким температурным потенциалом (жидкости с температурой более 150 ^оС и газы с температурой более 300 ^оС) в большинстве случаев используются. С их помощью производится пар в котлах-утилизаторах, который направляется либо в технологический цикл, либо на привод турбомашин. Низкопотенциальные тепловые потоки используются хуже. Сюда относятся физическая теплота сточных жидкостей, циркулирующих и продукционных потоков, физическая теплота загрязнённого конденсата и отработанного пара, физическая теплота отходящих газов различных технологических печей и агрегатов. Основная причина относительно низкого уровня потребления ВЭР — это малая оснащённость технологических агрегатов освоенным утилизационным оборудованием, отсутствие в ряде случаев технических решений по использованию отдельных видов ВЭР (в основном низко потенциальных), неумение находить потребителей низко потенциальных ВЭР, малоэффективное применение нового и существующего утилизационного оборудования. Например, на агрегатах аммиака большой единичной мощности в атмосферу выбрасывается теплота пара выхлопа приводных турбин и теплота охлаждения газа в процессе его компримирования. Часто низкопотенциальную теплоту несут агрессивные, загрязнённые жидкости и запылённые газы, а её отвод в традиционных теплообменниках затруднён. В целом на предприятиях химического комплекса количество неиспользуемых вторичных энергоресурсов в 1985 году достигало 20 — 25 млн. т. условного топлива (или 580 — 730 млн. ГДж).

С другой стороны важное значение имеет проблема рационального использования водных ресурсов. Острота этой проблемы для предприятий химического комплекса обусловлена не только необходимостью обезвреживания большого количества минерализованных сточных вод и создания малоотходных энерготехнологических циклов с замкнутыми системами водопользования, но и с созданием крупных водоподготовительных комплексов для получения деминерализованных вод. Деминерализованная вода используется в энергетике и промышленности для питания парогенераторов, в различных технологических циклах, умягчённая вода (лишённая солей жесткости) применяется для подпитки теплосетей и водооборотных циклов.

Получение деминерализованных вод может осуществляться на основе любых известных методов деминерализации: физико-химических (электродиализ, обратный осмос, ионный обмен и др.), холодильных (вымораживание на теплопередающей поверхности, под вакуумом, контактное вторичными хладоагентами, кристаллогидратный) и дистилляционных.

В настоящее время обессоленную воду на большинстве крупных предприятий получают с применением метода ионного обмена в специальных ионообменных фильтрах из поверхностных вод, затрачивая при этом большие количества дорогостоящих ионообменных смол и реагентов.

Однако дистилляция, являясь наиболее надёжным и распространённым методом деминерализации, может сегодня рассматриваться как наиболее перспективный способ для получения обессоленной воды. Это объясняется простотой конструктивных решений, высокой производительностью, приемлемой себестоимостью получаемой воды.

Современные дистилляционные опреснительные установки можно разделить на следующие типы: испарительные; мгновенного вскипания (адиабатные); с плёночными аппаратами; с промежуточным теплоносителем; с кипением в псевдоожиженном слое В аппаратах всех указанных типов можно получать дистиллят высокого качества в необходимом количестве. Однако лишь деминерализация в адиабатных выпарных установках признана наиболее перспективным методом создания крупных деминерализационных установок (с производительностью более 10 000 м³/сутки), поскольку характеризуются высокой энергетической эффективностью, повышенной компактностью, хорошими эксплуатационными показателями, возможностью практической реализации больших мощностей в одной установке, малым накипеобразованием, относительно низкой себестоимостью получаемого дистиллята.

Рассматривая эти две проблемы в едином ракурсе, возникает вопрос о возможности применения дистилляционных опреснительных установок, работающих на вторичных энергоресурсах, для получения деминерализованной воды для нужд предприятий химической промышленности.

При подготовке к дипломному проекту была проделана работа по поиску возможностей для применения дистилляционной опреснительной установки, работающей по принципу мгновенного вскипания, на АО «Акрон». В ходе обследования некоторых производств указанного химического предприятия (в частности «Аммиак-2», «Аммиак-3», «Нитроаммофоска») и имеющегося комплекса подготовки деминерализованной воды (цех «ХВП») была определёна конкретная цель проекта — рассмотреть возможность получения обессоленной воды в количестве, необходимом для всего предприятия, в установке мгновенного вскипания, работающей на вторичных низкопотенциальных энергоресурсах. Установка должна иметь производительность по дистилляту 750 м³/час и обеспечивать качество воды в соответствии с нормами для получения глубокообессоленной воды (ВГО), имеющимися на предприятии. В качестве источника теплоты предлагается использовать низкопотенциальный водяной пар, отработанный в турбинах привода компрессоров и насосов производств аммиака.

Основные задачи проекта: определить количество пара необходимое, для получения указанного количества деминерализованной воды в адиабатной выпарной установке; определить основные параметры установки и процессов; выбрать компоновку и конструкцию аппаратов, их количество; определить экономические показатели предложенной схемы получения обессоленной воды и целесообразность её применения взамен существующей на АО «Акрон»; рассмотреть возможность внедрения установки в действующее производство.

Основные положения дипломного проекта доложены на четвёртой научной конференции кафедры промышленной теплоэнергетики.

1. Анализ состояния вопроса и обоснование актуальности темы

1.1 Обзор существующих методов деминерализации и выбор типа установки для получения обессоленной воды

Получать деминерализованную воду в настоящее время можно в установках использующих любой из известных методов деминерализации. Различают следующие методы:

физико-химические; (электродиализ, обратный осмос, ионный обмен и др.);

холодильные; (вымораживание на теплопередающей поверхности, под вакуумом, контактное вторичными хладоагентами, кристаллогидратный);

дистилляционные.

Остановимся подробнее на каждом из приведённых методов.

Физико-химические способы обработки воды включают в себя следующие методы:

— ионообменный метод;

— опреснение методом гиперфильтрации (обратный осмос);

— электродиализный метод

Ионообменный метод обработки минерализованных вод является на сегодняшний день самым распространенным способом получения технической, питательной и подпиточной воды на предприятиях и энергетических комплексах. Он основан на последовательном осуществлении процессов катионирования и анионирования с использованием зернистых ионообменных материалов. При катионировании, содержащиеся в воде катионы заменяются на ионы H⁺, Na⁺, или NH₄⁺, а в процессе анионирования, содержащиеся в воде анионы заменяются на ионы OH^- или Cl^-. Все процессы протекают последовательно в фильтрах, которые разделяются по типу содержащихся в них ионообменных смол на катионитовые (Na-катионитовые и т. д.), анионитовые (OH-анионитовые и т. д.), и фильтры смешанного действия (ФСД); а также на фильтры первой и второй ступени.

При подготовке добавочной воды основных циклов современных энергетических комплексов и технологических аппаратов наиболее широко используется метод обессоливания воды, основанный на последовательном осуществлении процессов H-катионирования и OH-анионирования. В процессе катионирования содержащиеся в воде катионы заменяются на ионы Н⁺; в процессе ОН-анионирования содержащиеся в воде анионы заменяются на ионы ОН^-. Взаимодействуя друг с другом, ионы H⁺ и OH^- образуют молекулы H₂O. Схема H⁺-OH^--ионирования представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Принципиальная схема Н-ОН — ионирования Этот метод в настоящее время применяется для получения деминерализованной воды на АО «Акрон». Однако кроме описанной выше схемы существует множество других, обеспечивающих необходимое качество обрабатываемой воды, которые образуются соединением в определённой последовательности фильтров различного типа. Кроме того, в схему включают декарбонизатор, обеспечивающий удаление образующейся при обработке углекислоты.

Обессоливание воды методом гиперфильтрации (обратного осмоса) основано на прохождении воды через полупроницаемую мембрану, полностью или частично задерживающую молекулы или ионы растворенных веществ под действием давления, превышающего осмотическое.

Движущая сила обратного осмоса — градиент давления Р:

Р = Р — (П₁ — П₂),

где Р — рабочее давление обрабатываемой воды;

П1 — осмотическое давление обрабатываемой воды;

П2 — осмотическое давление обработанной воды.

Осмотическое давление зависит от концентрации растворенного вещества и его природы.

Применяют мембраны на полимерной (полиамидной) основе. Мембранная пленка — это активный поверхностный слой толщиной 0,25 — 0,5 мкм, нанесенный на инертную подложку толщиной 100 — 200 мкм.

Различают несколько видов аппаратов для осуществления процессов гиперфильтрации. На рисунке 2 представлена схема аппарата с ячейками тубчато-змеевикового типа.

1 — насос; 2 — пористые трубы; 3 — полупроницаемая мембрана;

4 — гидравлическая турбина; 5 — бак.

Рисунок 2 — Схема аппарата Хавенса для осуществления процессов гиперфильтрации В рассмотренном аппарате полупроницаемая мембрана уложена на внутреннюю поверхность пористых труб из стеклопластика. Осветлённая минерализованная вода прокачивается через секции пористых труб насосом, фильтруется через мембрану и стенку пористой трубы, опресняется и собирается в сборном баке. Рассол, покидающий аппарат, поступает на гидротурбину, где доиспользуется энергия, затрачиваемая на создание начального давления.

Метод электродиализа основан на удалении из воды ионов растворенных солей с помощью электрического поля. Вода, содержащая растворённые соли, является электролитом. Растворы электролитов являются проводниками второго рода — в постоянном электрическом поле катионы раствора движутся к катоду, а анионы — к аноду. В переносе электричества также участвуют образующиеся в результате диссоциации воды ионы Н⁺ и ОН^-. Для предотвращения переноса ионов Н⁺ и ОН^-, образующихся в процессе, электрохимический аппарат (электродиализатор) разделяют на отсеки с помощью специальных селективных катионои анионопроницаемых мембран. В крайних камерах помещают катод и анод, изготовленные из инертных материалов. При направленном движении ионов растворённых солей к электродам катионы, встречая на своём пути катионопроницаемую мембрану, свободно проникают через неё. В то же время для анионов эти мембраны представляются практически непроницаемыми. Аналогично происходит движение анионов через анионопроницаемую мембрану, препятствующую одновременно переносу катионов.

Электродиализные аппараты конструируются по типу фильтр-пресса и включаются в схему опреснительных установок последовательно или параллельно в зависимости от условий применения. Эти аппараты состоят из чередующихся обессоливающих и рассольных камер, образованных прокладками-рамками из диэлектрика и отделённых друг от друга ионитными мембранами. Катод и анод аппарата с изолированными тоководами монтируются в торцевых плитах. Схема установки деминерализации с применением электродиализных аппаратов представлена на рисунке 3.

1, 2, 3, 4 — электродиализные аппараты; 5 — угольный фильтр;

6 — механические фильтры.

Рисунок 3 — Принципиальная схема установки обессоливания с применением электродиализных аппаратов

Дистилляция — один из самых эффективных методов переработки, позволяющий получить высокий коэффициент очистки раствора и эффективно сконцентрировать нелетучие примеси в продувочной воде. Кроме того, это один из наиболее старых и распространённых способов получения обессоленной воды из минерализованных вод.

При нагревании водных растворов молекул воды вследствие теплового и колебательного движения приобретают энергию, превышающую силы межмолекулярного притяжения, и выносятся в паровое пространство. Когда давление насыщенного пара воды становится равным внешнему давлению, вода начинает кипеть. Ионы и молекулы примесей воды, находясь в гидратированном состоянии, не имеют такого запаса энергии и попадают в пар в результате растворимости в нем в весьма малом количестве.

Существует большое количество типов дистилляционных аппаратов, на рисунке 4 представлена схема наиболее простой одноступенчатой дистилляционной установки.

1 — корпус; 2 — сепаратор; 3 — конденсатор; 4 — насос охлаждающей воды; 5 — нагревательный элемент.

Рисунок 4. — Принципиальная схема одноступенчатого дистилляционного аппарата

Дистилляционная установка, изображённая на рисунке, состоит из испарителя включающего нагревательный элемент, в который подводится тепло от внешнего источника (чаще всего пар) для испарения минерализованной воды, и конденсатора, охлаждаемого солёной водой. Солёная вода, отбирая в конденсаторе тепло фазового перехода, нагревается. Часть её идёт на подпитку испарителя, а остальное количество сбрасывается. Образовавшийся при кипении рассола в испарителе пар очищается сепарацией от капельного уноса во встроенном устройстве.

Холодильные методы обессоливания основаны на вымораживании молекул вводы из раствора на теплообменной поверхности, с применением холодильных установок. Однако установки, использующие подобные методы обработки воды не нашли широкого применения для получения деминерализованной воды.

Приведём краткие характеристики основных типов установок получения деминерализованной воды.

Сравнивая имеющиеся характеристики различных методов деминерализации приходим к выводу, что на сегодняшний день наиболее приемлемым методом обессоливания воды является дистилляция, как простой и высокопроизводительный метод. В нашем случае этот метод привлекателен ещё и тем, что в выпарных установках можно использовать вторичные энергоресурсы, идея использования которых и является целью дипломного проекта.

Таблица 1 — Сравнительная характеристика наиболее распространённых методов деминерализации

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, однои многоступенчатые, однорядные и многорядные, башенного типа;

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

По данным 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 вертикальнои 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 10 000 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 различаются:

1. По числу ступеней испарения — однои 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 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 P_вак=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 t_р=375^оC (230 ^оС и 280 ^оС).

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

2.1.3.3 Температура эжектируемого пара t_н=70^оС.

2.1.3.4 Давление эжектируемого пара P_н=3,116 110⁴ Па.

2.1.3.5 Температура смеси на выходе t_с=101^оС.

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

2.1.4 Для заданных параметров сред найдём по таблицам 2−1 и 2−3 значения энтальпий h

h_р⁴⁰= 3158,8 кДж/кг; h_р²⁷=2966,9 кДж/кг; h_р¹⁰= 2897,9 кДж/кг;

h_н=2626,8 кДж/кг;

h_c=2680,7 кДж/кг.

2.1.5 По формуле (2−29) определим величину коэффициента инжекции u для случая использования пара 40

принимаем коэффициент инжекции равный u=9.

2.1.6 Уточним значение энтальпии смеси на выходе из эжектора h_с^д по формуле (2−29) [23]

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

2.2 Основные характеристики проектируемой адиабатной выпарной установки

2.2.1 Для улучшения характеристик установки принимаем температуру воды поступающей на испарение на выходе из головного подогревателя равной t₁=100 ^оС. Согласно рекомендациям на стр. 107 температуру рассола на выходе из последней ступени принимают равной 35 — 40 ^оС. Исходная вода на установку подается после предочистки из корпуса 174 с температурой t_исх=30 ^оС.

Распределение располагаемого температурного напора по ступеням предполагаем равный, как технологически наиболее выгодный. Кратность концентрирования в установке принимается равной 3.

Общее количество ступеней установки делим на два контура. Первый контур состоит из ступеней отвода теплоты, в которых теплота конденсации образующегося пара передаётся охлаждающей воде; второй представляет собой ряд ступеней регенерации, где теплота воспринимается нагреваемым рассолом. Согласно число ступеней в первом контуре принимается равным трём, так как увеличение числа ступеней ведёт к потере теплоты со сбрасываемой водой. Оптимальное же число ступеней, входящих в регенеративный контур, чаще всего равно 5 — 6, что связано с расположением конденсаторов в корпусах. Основываясь на имеющихся данных число ступеней в установке принимается равным 9.

Для предотвращения накипеобразования на поверхностях теплообмена в циркулирующий рассол добавляется антинакипин в количестве до 10 мг/л в зависимости от типа.

Установка имеет горизонтальную компоновку и устанавливается в помещении. Это позволит защитить выпарные аппараты от воздействия внешней среды и обеспечить необходимый температурный режим.

2.3 Тепловой расчёт

2.3.1 Исходные данные теплового расчёта

2.3.1.1 Число ступеней испарения N=9 шт.;

2.3.1.2 Производительность по дистилляту G_д=750 т/час=208,3 кг/с;

2.3.1.3 Общее солесодержание исходной воды bисх=300 мг/кг;

2.3.1.4 Температура греющего пара t_г. п.=101 ^оС;

2.3.1.5 Температура рассола, поступающего в первую ступень установки (после головного подогревателя) t₁=100 ^оС;

2.3.1.6 Температура исходной осветлённой воды (летний режим) t_исх.=30 ^оС;

2.3.1.7 Температура кипения раствора в последней ступени (принимается по технико-экономическим показателям) tк=40 ^оС;

2.3.1.8 Температура воды водооборотного цикла составляет: подающей t_охл1=28 ^оС и обратной t_охл2=35 ^оС.

2.3.1.9 Нагрузка 1 м² поверхности камеры испарения _S=0,85 кг/м².

2.3.2 Определим расход рассола, поступающего в первую камеру испарения G

где r_ср= 2331,85 кДж/кг — средняя теплота парообразования в установке;

С_ср=4,198 кДж/кг*К — средняя теплоёмкость воды, поступающей на испарение по таблице 2−8 [18];

Kот = 1% - коэффициент, учитывающий величину оттяжек парогазовой смеси из камер испарения по рекомендациям на стр. 184.

2.3.2 Средний температурный напор между ступенями t

2.3.3 Полагая равенство перепада температур по ступеням находим температуру кипения рассола по ступеням t_кi

2.3.3.1 В первой ступени t_к1=t₁-t=100−6,67=93,33 ^оС;

2.3.3.2 Во второй ступени t_к2=t_к1-t=93,33−6,67=86,66 ^оС;

2.3.3.1 В третьей ступени t_к3=t_к2-t=86,66−6,67=79,99 ^оС;

2.3.3.1 В четвёртой ступени t_к4=t_к3-t=79,99−6,67=73,32 ^оС;

2.3.3.1 В пятой ступени t_к5=t_к4-t=73,32−6,67=66,65 ^оС;

2.3.3.1 В шестой ступени t_к6=t_к5-t=66,65−6,67=59,98 ^оС;

2.3.3.1 В седьмой ступени t_к7=t_к6-t=59,98−6,67=53,31 ^оС;

2.3.3.1 В восьмой ступени t_к8=t_к7-t=53,31−6,67=46,64 ^оС;

2.3.3.1 В девятой ступени t_к9=t_к8-t=46,64−6,67=40 ^оС.

2.3.4 Найдём количество выпаренной воды по ступеням G_i

2.3.4.1 В первой ступени G₁

где С₁=4,205 кДж/кг*К — изобарная теплоёмкость воды при температуре кипения в первой ступени по таблице 2−4 [18];

r₁=2274,7 кДж/кг — удельная теплота парообразования при температуре в первой камере испарения по таблице 2−1.

2.3.4.2 Во второй ступени G₂

2.3.4.3 В третьей ступени G₃

2.3.4.4 В четвёртой ступени G₄

2.3.4.5 В пятой ступени G₅

2.3.4.6 В шестой ступени G₆

2.3.4.7 В седьмой ступени G₇

2.3.4.8 В восьмой ступени G₈

2.3.4.9 В девятой ступени G₉

2.3.4.10 Количество пара на оттяжку, поступающего в конденсатор теплоиспользующих ступеней G_от'

2.3.4.11 Количество пара на оттяжку, поступающего в конденсатор теплоотводящих ступеней G_от^"

2.3.5 Определим температуру вторичного пара по ступеням установки ts_i с учётом величины физико-химической ₁', гидростатической ₁^" и гидродинамической депрессий ₁'''

2.3.5.1 В первой ступени ts₁

ts₁=t_к1-₁'-(₁^«-₁''')=93,33−0,4−0,4=92,53 ^оС;

где ₁'=0,4 ^оС — физико-химическая температурная депрессия, вычисленная по формуле на стр. 95 (одинаковая для всех ступеней испарения) где bср=0,04% - средняя концентрация рассола в установке;

₁^«-₁'''=0,4 ^оС — сумма гидростатической и гидродинамической депрессий в первом аппарате по рекомендациям на стр. 96.

2.3.5.2 Во второй ступени ts₂

ts₂=t_к2-₂'-(₂^«-₂''')=86,66−0,4−0,6=85,66 ^оС;

где ₂^«-₂'''=0,6 ^оС — сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям на стр. 96.

2.3.5.3 В третьей ступени ts₃

ts₃=t_к3-₃'-(₃^«-₃''')=79,99−0,4−0,8=78,79 ^оС;

где ₃^«-₃'''=0,8 ^оС — сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям на стр. 96.

2.3.5.4 В четвёртой ступени ts₄

ts₄=t_к4-₄'-(₄^«-₄''')=73,32−0,4−1,0=71,92 ^оС;

где ₄^«-₄'''=1,0 ^оС — сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям на стр. 96.

2.3.5.5 В пятой ступени ts₅

ts₅=t_к5-₅'-(₅^«-₅''')=66,65−0,4−1,2=65,05 ^оС;

где ₅^«-₅'''=1,2 ^оС — сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям на стр. 96.

2.3.5.6 В шестой ступени ts₆

ts₆=t_к6-₆'-(₆^«-₆''')=59,98−0,4−1,4=58,18 ^оС;

где ₆^«-₆'''=1,4 ^оС — сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям на стр. 96.

2.3.5.7 В седьмой ступени ts₇

ts₇=t_к7-₇'-(₇^«-₇''')=53,31−0,4−1,6=51,31 ^оС;

где ₇^«-₇'''=1,6 ^оС — сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям на стр. 96.

2.3.5.8 В восьмой ступени ts₈

ts₈=t_к8-₈'-(₈^«-₈''')=46,64−0,4−1,8=44,44 ^оС;

где ₈^«-₈'''=1,8 ^оС — сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям на стр. 96.

2.3.5.9 В девятой ступени ts₉

ts₉=t_к9-₉'-(₉^«-₉''')=39,97−0,4−2,0=37,57 ^оС;

где ₉^«-₉'''=2,0 ^оС — сумма гидростатической и гидродинамической депрессий во втором аппарате по рекомендациям на стр. 96.

2.3.5.10 Определим среднюю температуру пара на оттяжку, поступающего в конденсатор из теплоиспользующих ступеней t_Sср1

2.3.5.11 Определим среднюю температуру пара на оттяжку, поступающего в конденсатор из теплоиспользующих ступеней t_Sср2

2.3.6 Находим количество оборотной воды, необходимое для конденсации паров парогазовой смеси оттяжек в каждом из конденсаторов

2.3.6.1 Количество оборотной воды, подаваемое в конденсатор теплоиспользующих ступеней G_охл1

где r_ср1=2320,4 кДж/кг — удельная теплота парообразования при средней температуре пара поступающего в конденсатор по таблице 2−1 [18];

С_охл.ср=4,179 кДж/кгК — теплоёмкость охлаждающей воды при средней температуре по таблице 2−8.

2.3.6.2. Количество охлаждающей воды, подаваемое в конденсатор теплоотводящих ступеней G_охл2

где r_ср1=2395,8 кДж/кг — удельная теплота парообразования при средней температуре пара поступающего в конденсатор по таблице 2−1 [18];

2.3.7 По температуре насыщения по таблице 2−1 определим удельные теплоты парообразования в каждой ступени r_i

r₁=2276,8 кДж/кг;

r₂=2294,5 кДж/кг;

r₃=2311,9 кДж/кг;

r₄=2329,0 кДж/кг;

r₅=2346,1 кДж/кг;

r₆=2362,9 кДж/кг;

r₇=2379,5 кДж/кг;

r₈=2395,8 кДж/кг;

r₉=2406,5 кДж/кг.

2.3.7 Рассмотрим несколько вариантов тепловой схемы установки

2.3.7.1 Первый вариант

2.3.7.1.1 В схеме ступени разделены на два контура: шесть — теплоиспользующие и три — теплоотводящие. Конденсация пара в последних трёх ступенях осуществляется оборотной водой. Кроме того, для снижения расхода охлаждающей воды в седьмую и восьмую ступени заводится рассол из последней ступени испарения, а исходная вода перед подачей на испарение нагревается в теплоотводящих ступенях. Кратность концентрирования в данной схеме принимаем по рекомендациям на стр. 85 a=3.

2.3.7.1.1. По тепловой схеме составляем материальные балансы потоков с учётом известной величины кратности концентрирования

2.3.7.1.2 Из совместного решения уравнений (2.39) и (2.41) находим величину расхода продувочной воды G_пр

2.3.7.1.3 Тогда расход исходной воды G_исх