Принцип многократного использования пара
25-04-2017, 17:18
Можно было бы все выпарные аппараты греть паром из паровых котлов. Это самый простой способ работы. Поэтому он и применялся в начальный период развития сахарной промышленности. Но при таком методе работы расходуется слишком много топлива.
Как уже показано выше, для выпаривания 1 кг воды требуется 1 кг пара. Из 100 кг свеклы требуется выпарить около 96 кг воды. Поэтому при простом однократном использовании пара расход его на 100 кг свеклы был бы равен тоже 96 кг. Кроме того, для прочих целей (нагревание различных соков и сиропов и т. п.) расходуется еще около 50 кг пара. Всего по заводу затрачивалось бы около 96 + 50 = 146 кг пара, или 146/8 = 18,3 кг угля, если считать, что 1 кг угля с теплотворной способностью 7000 ккал (29307,6 кдж) дает 8 кг пара.
В действительности же на современных сахарных заводах благодаря широко применяемому принципу многократного использования пара расходуют всего лишь 6—7 кг топлива на 100 кг свеклы, т. е. в 18,3/6,5 = 2,8 раза меньше, чем при примитивной тепловой схеме. Поэтому примитивная схема однократного пароиспользования нигде в сахарной промышленности более не применяется.
Выпарка с многократным использованием пара состоит из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, через которые и пропускается последовательно выпариваемый сок, который выходит из последнего корпуса уже в виде сиропа. Из этих нескольких выпарных корпусов лишь на обогрев первого расходуется пар. Обычно применяется отработавший пар из паровой машины или турбины, работающей с противодавлением; его называют иногда обратным, или ретурным, паром.
Соковый пар, получаемый при выпаривании сока в I корпусе выпарки, не выпускают без пользы на воздух, а направляют его для обогрева следующего, II корпуса выпарки, где поддерживается меньшее давление, чем в I корпусе. Таким образом, соковый пар I корпуса приводит в кипение сок во II корпусе выпарки, где температура кипения ниже, чем в I корпусе, так как здесь имеется пониженное давление пара.
Соковый пар II корпуса так же не выпускают на воздух, а направляют для обогрева следующего, III корпуса выпарки, в котором сок кипит при еще более низком давлении и, следовательно, при еще более низкой температуре. Соковый пар из последнего корпуса выпарки направляют в конденсатор, а неконденсирующуюся примесь газов (воздух, углекислый газ, аммиак) выкачивают воздушным насосом, создающим разрежение, например 620 мм рт. ст., что снижает температуру кипения сока в последнем корпусе до 58—60° С.
Допустим, что имеется выпарка из четырех корпусов. Килограмм обогревающего пара выпарит в I корпусе 1 кг воды, но полученный здесь килограмм сокового пара направляют во II корпус, где он выпарит еще 1 кг воды; килограмм сокового пара из II корпуса пойдет в III корпус выпарки и выпарит там уже третий килограмм воды; наконец, в IV корпусе выпарки испарится еще 1 кг воды. При таком многократном использовании соковых паров 1 кг свежего пара выпаривает в сумме 4 кг воды; четырехкорпусная выпарка оказывается в 4 раза экономнее однокорпусной.
Выпарка с многократным использованием пара для сахарных заводов была построена впервые французским инженером Рилье в 1840 г. и постепенно распространилась в промышленности (в период 1850—1870 гг.).
Казалось бы, чем больше кратность использования пара, тем лучше. В действительности же имеются некоторые пределы кратности. Обычно не встречается кратности выше пяти, так как дальнейшее повышение кратности оказывается нерентабельным.
Это обусловлено тем, что для теплопередачи и выпаривания нужна разность температур, но имеющаяся на выпарке суммарная разность температур ограничена. Температура отработавшего пара, греющего выпарку, обычно не превышает 135° С соответственно избыточному давлению его около 2,5 ат (0,25 Мн/м2). Более высокая температура и давление уже вызывают заметное разложение сахара. Кроме того, повышение давления обратного пара снижает мощность, получаемую в турбине.
Разрежение в последнем корпусе выпарки, создаваемое воздушным насосом, обычно бывает около 63 см рт. ст., чему соответствует температура кипения воды 57° С. Но там кипит не вода, а уже сироп с концентрацией около 60% СВ, что повышает температуру кипения приблизительно на 3°С. Следовательно, температура кипения в последнем корпусе выпарки оказывается равной 60° С. Общий перепад температуры будет 135—60 = 75°.
Если вместо однократного выпаривания применить пятикратное, то, правда, получится пятикратная экономия пара, по зато потребуется и поверхность нагрева, в 5 раз большая, так как на каждую ступень выпаривания придется лишь пятая часть общей разности температур.
При более точном анализе найдем, что для выпарок повышенной кратности дело обстоит еще хуже, так как каждый новый корпус приносит с собой дополнительную бесполезную потерю разности температур, потому что температура кипящего раствора всегда оказывается выше, чем температура получаемого при этом пара, обогревающего следующий корпус выпарки. Это зависит от «депрессии» — повышения температуры кипения растворов по сравнению с температурой кипения чистой воды. Кроме того, соковый пар, переходя по трубе в паровую камеру следующего корпуса, понижает несколько свое давление вследствие трения, что также дополнительно понижает его температуру.
Между тем экономия пара при дальнейшем возрастании кратности выпаривания оказывается незначительна. Например, чтобы выпарить 100 кг воды при однократном выпаривании, надо 100 кг пара, при двукратном — 100/2 = 50 кг, при трехкратном — 100/3 = 33 кг, при четырехкратном — 100/4 = 25 кг и при пятикратном—100:5 = 20 кг. Следовательно, переход от однократного к двукратному выпариванию позволяет получить экономию 100 — 50 = 50 кг. Но переходя от четырехкратного к пятикратному выпариванию, имеем экономию лишь 25 — 20 = = 5 кг, т. е. в 10 раз меньше.
Пятикратное выпаривание под разрежением в настоящее время применяется главным образом в США, где на диффузии работают с большими откачками сока (около 140%) и где поэтому приходится выпаривать на 100 кг свеклы много воды (около 120 кг).
Как уже показано выше, для выпаривания 1 кг воды требуется 1 кг пара. Из 100 кг свеклы требуется выпарить около 96 кг воды. Поэтому при простом однократном использовании пара расход его на 100 кг свеклы был бы равен тоже 96 кг. Кроме того, для прочих целей (нагревание различных соков и сиропов и т. п.) расходуется еще около 50 кг пара. Всего по заводу затрачивалось бы около 96 + 50 = 146 кг пара, или 146/8 = 18,3 кг угля, если считать, что 1 кг угля с теплотворной способностью 7000 ккал (29307,6 кдж) дает 8 кг пара.
В действительности же на современных сахарных заводах благодаря широко применяемому принципу многократного использования пара расходуют всего лишь 6—7 кг топлива на 100 кг свеклы, т. е. в 18,3/6,5 = 2,8 раза меньше, чем при примитивной тепловой схеме. Поэтому примитивная схема однократного пароиспользования нигде в сахарной промышленности более не применяется.
Выпарка с многократным использованием пара состоит из нескольких выпарных аппаратов, или корпусов, через которые и пропускается последовательно выпариваемый сок, который выходит из последнего корпуса уже в виде сиропа. Из этих нескольких выпарных корпусов лишь на обогрев первого расходуется пар. Обычно применяется отработавший пар из паровой машины или турбины, работающей с противодавлением; его называют иногда обратным, или ретурным, паром.
Соковый пар, получаемый при выпаривании сока в I корпусе выпарки, не выпускают без пользы на воздух, а направляют его для обогрева следующего, II корпуса выпарки, где поддерживается меньшее давление, чем в I корпусе. Таким образом, соковый пар I корпуса приводит в кипение сок во II корпусе выпарки, где температура кипения ниже, чем в I корпусе, так как здесь имеется пониженное давление пара.
Соковый пар II корпуса так же не выпускают на воздух, а направляют для обогрева следующего, III корпуса выпарки, в котором сок кипит при еще более низком давлении и, следовательно, при еще более низкой температуре. Соковый пар из последнего корпуса выпарки направляют в конденсатор, а неконденсирующуюся примесь газов (воздух, углекислый газ, аммиак) выкачивают воздушным насосом, создающим разрежение, например 620 мм рт. ст., что снижает температуру кипения сока в последнем корпусе до 58—60° С.
Допустим, что имеется выпарка из четырех корпусов. Килограмм обогревающего пара выпарит в I корпусе 1 кг воды, но полученный здесь килограмм сокового пара направляют во II корпус, где он выпарит еще 1 кг воды; килограмм сокового пара из II корпуса пойдет в III корпус выпарки и выпарит там уже третий килограмм воды; наконец, в IV корпусе выпарки испарится еще 1 кг воды. При таком многократном использовании соковых паров 1 кг свежего пара выпаривает в сумме 4 кг воды; четырехкорпусная выпарка оказывается в 4 раза экономнее однокорпусной.
Выпарка с многократным использованием пара для сахарных заводов была построена впервые французским инженером Рилье в 1840 г. и постепенно распространилась в промышленности (в период 1850—1870 гг.).
Казалось бы, чем больше кратность использования пара, тем лучше. В действительности же имеются некоторые пределы кратности. Обычно не встречается кратности выше пяти, так как дальнейшее повышение кратности оказывается нерентабельным.
Это обусловлено тем, что для теплопередачи и выпаривания нужна разность температур, но имеющаяся на выпарке суммарная разность температур ограничена. Температура отработавшего пара, греющего выпарку, обычно не превышает 135° С соответственно избыточному давлению его около 2,5 ат (0,25 Мн/м2). Более высокая температура и давление уже вызывают заметное разложение сахара. Кроме того, повышение давления обратного пара снижает мощность, получаемую в турбине.
Разрежение в последнем корпусе выпарки, создаваемое воздушным насосом, обычно бывает около 63 см рт. ст., чему соответствует температура кипения воды 57° С. Но там кипит не вода, а уже сироп с концентрацией около 60% СВ, что повышает температуру кипения приблизительно на 3°С. Следовательно, температура кипения в последнем корпусе выпарки оказывается равной 60° С. Общий перепад температуры будет 135—60 = 75°.
Если вместо однократного выпаривания применить пятикратное, то, правда, получится пятикратная экономия пара, по зато потребуется и поверхность нагрева, в 5 раз большая, так как на каждую ступень выпаривания придется лишь пятая часть общей разности температур.
При более точном анализе найдем, что для выпарок повышенной кратности дело обстоит еще хуже, так как каждый новый корпус приносит с собой дополнительную бесполезную потерю разности температур, потому что температура кипящего раствора всегда оказывается выше, чем температура получаемого при этом пара, обогревающего следующий корпус выпарки. Это зависит от «депрессии» — повышения температуры кипения растворов по сравнению с температурой кипения чистой воды. Кроме того, соковый пар, переходя по трубе в паровую камеру следующего корпуса, понижает несколько свое давление вследствие трения, что также дополнительно понижает его температуру.
Между тем экономия пара при дальнейшем возрастании кратности выпаривания оказывается незначительна. Например, чтобы выпарить 100 кг воды при однократном выпаривании, надо 100 кг пара, при двукратном — 100/2 = 50 кг, при трехкратном — 100/3 = 33 кг, при четырехкратном — 100/4 = 25 кг и при пятикратном—100:5 = 20 кг. Следовательно, переход от однократного к двукратному выпариванию позволяет получить экономию 100 — 50 = 50 кг. Но переходя от четырехкратного к пятикратному выпариванию, имеем экономию лишь 25 — 20 = = 5 кг, т. е. в 10 раз меньше.
Пятикратное выпаривание под разрежением в настоящее время применяется главным образом в США, где на диффузии работают с большими откачками сока (около 140%) и где поэтому приходится выпаривать на 100 кг свеклы много воды (около 120 кг).