Варианты схем выпарки

Общие соображения. Нужно стараться уменьшить количество воды, выпариваемой в последнем корпусе выпарки. Какие можно для этого применить способы, будет ясно, если дать расчеты по выпарке в виде математических формул.


Количество воды, выпаренной в 1 корпусе (W1), и оно же — количество пара, израсходованного для обогрева выпарки (D), будет

Как видим, чтобы снизить потерю пара, уходящего в конденсатор, т. с. уменьшить (1), нужно или уменьшить общее количество выпариваемой воды W, или увеличить сумму (3Е3 + 2Е2 + E1).
1. Для уменьшения W нужно уменьшить откачку сока, что и практикуется, например, в Чехословакии. Однако следует заметить, что при уменьшении откачки уменьшается также немного и расход пара на всевозможные подогреватели соков (диффузионного, сатурационного), т. е. получается еще дополнительная экономия в расходе пара и немного меняются количества экстрапаров.
2. Чтобы увеличить вычитаемое (ЗЕ3 + 2Е2 + Е,) в формуле (1), нужно или увеличить количество экстрапаров, т. е. больше станций обогревать соковыми парами выпарки, или же перегруппировать обогрев аппаратов так, чтобы больше использовать пары возможно более отдаленных корпусов:
а) следуя по первому пути, можно бы, например, обогревать вакуум-аппараты (14 кг пара) не ретурным паром, а паром I корпуса выпарки. E1 увеличилось бы на 14, а бесполезная потеря пара на конденсатор уменьшилась бы на 14/5 = 2,8 кг. Правда, использование паров выпарки для уваривания в вакуум-аппаратах не совсем удобно, так как вакуум-аппараты работают не непрерывно, а периодически и потребление ими пара весьма неравномерно, что вредно отражается и на работе выпарки;
б) следуя по второму пути, можно бы, например, подогреватели перед отстойниками (около 4 кг пара) обогревать паром III корпуса выпарки, т. е. уменьшить Е2 на 4 и увеличить Е3 тоже на 4. Очевидно, вследствие этого потеря пара на конденсатор уменьшится на 4/5 = 0,8 кг. Можно, например, использовать для подогревателей диффузионного сока частично и пары IV корпуса выпарки с температурой 85° С вместо III. Для этого диффузионный сок пропускают последовательно через две группы подогревателей. Первая из них обогревается паром IV корпуса и нагревает сок, например, лишь до 65° С, а вторая группа обогревается паром III корпуса и доводит температуру до 85—90° С. Применяя перечисленные методы, достигают того, что

т. е. чтобы совершенно не терялся пар, уходящий в конденсатор. Тогда расход пара на выпарку будет, очевидно,

Последние два корпуса выпарки оказываются ненужными, так как в них ничего не выпаривается. Остаются лишь корпуса, в которых давление пара не ниже атмосферного. Такая выпарка называется трехкорпусной выпаркой под давлением.
Трехкорпусная выпарка под давлением. Выпарка под давлением может применяться лишь при малой сравнительно откачке диффузионного сока и малом количестве выпариваемой воды. Пусть выпаривается лишь 90 кг воды на 100 кг свеклы (будем иметь при откачке не более 115%). Кроме того, нужно позаботиться об увеличении использования экстрапаров, например расходовать на уваривание в вакуум-аппаратах лишь соковые пары.
Примерные расчеты для трехкорпусной выпарки под давлением приведены в табл. 24 и ниже.


Получили как будто очень хорошую выпарку:
1) она проста, имеет лишь три корпуса, а не пять, не требуется ни вакуум-насоса, ни конденсатора;
2) малый расход пара: всего лишь 44 кг + 3 кг (на вторую группу подогревателей перед выпаркой, обогреваемую ретурным паром), итого 47 кг, тогда как при пятикорпусной выпарке имели полную затрату пара: 43,7 кг (на выпарку) + 17,0 кг (на вакуум-аппараты и подогреватели перед выпаркой), итого 00,7 кг; совершенно нет потерь пара на конденсатор.
Однако попытки применения трехкорпусной выпарки в ее простейшей форме оказались неудачными, так как работу ее трудно регулировать и приспосабливать к колеблющимся условиям производства. Если увеличить откачку, то при выпаривании большего количества воды получаются излишки сокового пара, который приходится без пользы выпускать на воздух, и потери оказываются больше, чем при пятикратной выпарке.
Особенные затруднения вызывает неравномерность потребления сокового пара вакуум-аппаратами. В конце уваривания и в момент спуска утфеля потребление пара на вакуум-аппарат близко к нулю. При наличии нескольких вакуум-аппаратов и работе на них по строгому графику, даже при старании выровнять расход пара на них, все еще остаются значительные колебания. Таким образом, временами расход пара на вакуум-аппараты уменьшен на 4—5 кг, т. е. и будет уже не 15 кг, а 10—11 кг.
Получается избыток неиспользованного сокового пара I корпуса, в котором вследствие этого несколько повышается давление и температура, увеличивается количество воды, выпариваемой и во II и в III корпусах, что тоже приводит к потере пара на воздух. Все же суммарное количество выпаренной воды при всяком уменьшении отбора экстрапаров оказывается уменьшенным, т. е. получается сироп меньшей концентрации, например не 65%, а лишь 50% сухих веществ.
Поэтому к трем корпусам выпарки под давлением обычно добавляется еще один корпус, называемый концентратором, который соединяется с конденсатором, но регулируется и работает под небольшим разрежением, например с температурой кипения 85° С. Таким образом, при уменьшении отбора экстрапаров образующийся избыток соковых паров не выпускается на воздух, а обогревает концентратор, выпаривая там соответствующее дополнительное количество воды и повышая концентрацию сиропа, которая без этого была бы чрезмерно понижена. Такая трехкорпусная выпарка под давлением с концентратором (рис. 136) широко распространилась, например, в Чехословакии, где работают с минимальной откачкой диффузионного сока при длительном обороте диффузионной батареи (около 90 мин).

Четырехкорпусная выпарка с малым разрежением. При более быстрой работе на диффузии приходится повышать откачку диффузионного сока до 120—125%, и трехкорпусная выпарка с концентратором уже оказывается неудовлетворительной: повышенное количество неиспользуемых соковых паров приводит к постоянной значительной потере пара на конденсатор.
Чтобы избежать потери пара па конденсатор, нужно еще сдвинуть отъем экстрапаров к последним корпусам выпарной станции, например разделить подогреватели диффузионного сока на две группы и греть первую группу паром из концентратора, который таким образом перестает уже быть просто лишь концентратором, а делается IV корпусом выпарки; сок кипит в нем под небольшим разрешением, например при температуре 87° С, а пар, имеющий температуру 84° С, может нагреть диффузионный сок приблизительно до 65—70° С, вторая группа подогревателей, обогреваемая паром III корпуса, догревает сок до 90° С.
Для нагревания сока перед выпаркой можно тоже поставить три группы подогревателей, нагревая первую из них паром II корпуса, вторую — паром I корпуса и третью—ретурным паром.
При этих условиях отбор экстрапаров (табл. 25) и расчет выпарки примут следующий вид.

Как видим, этот тип выпарки позволяет выпаривать 98,0 кг воды на 100 кг свеклы без потерь на конденсатор, т. е. позволяет работать с откачкой 120—125%. Расход пара на выпарку и здесь, как для всякой выпарки, без потерь пара на конденсатор, составляет

Четырехкорпусная выпарка с малым разрежением наиболее подходит для условий работы сахарных заводов России (ускоренная работа на диффузии с умеренно повышенной откачкой). Схемы распределения экстрапаров могут быть, конечно, и иными.
Все же недостатком является необходимость применять соковые пары для вакуум-аппаратов, потребляющих пар весьма неравномерно. Кроме того, как только мы попытаемся осуществить дальнейшую экономию в расходовании пара на какой-либо станции, как немедленно вновь окажутся избытки соковых паров и потери их на конденсатор. Экономия же в расходовании пара, конечно, возможна и желательна. Например, было показано, что можно снизить расход пара на калоризаторы диффузии на 3— 4 кг, получая холодный диффузионный сок и нагревая его отходящим паром вакуум-аппаратов. Можно уменьшить расход пара на подогреватели диффузионного сока, нагревая его частично за счет теплоты конденсатов. Чтобы и при этих условиях не терять сокового пара па конденсатор, нужны особые дополнительные мероприятия, например компрессия сокового пара, для повышения его давления и температуры.

Выпарка с компрессией сокового пара. Редуцированный пар. Обычно тепловое хозяйство сахарного завода рассчитывают так, чтобы ретурного пара турбины не хватало для технологических нужд завода и чтобы приходилось добавлять к ретурному пару еще и редуцированный пар. Такая «недостача» редуцированного пара зависит от давления пара в паровых котлах и создается искусственно: если снизить давление пара в котлах, то для получения той же мощности пришлось бы затратить на паровую турбину больше пара и мог бы получиться даже значительный избыток ретурного пара, который было бы невозможно использовать на заводе; конечно, этого не допускают, а наоборот, ставят паровые котлы со столь высоким давлением, чтобы турбина потребляла меньше пара и чтобы одного ретура было недостаточно. Добавка редуцированного пара составляет обычно около 15% от общей потребности пара на технологические надобности. Эта добавка имеет огромное значение, так как она является регулирующей добавкой; смотря по потребности, ее то увеличивают, то уменьшают в зависимости от колеблющейся потребности в технологическом паре.
Компрессия пара. Обычно добавочный пар поступает в специальный редукционный вентиль, где его давление (избыточное) снижается, например, от 25 до 2,5 ат (2,5—0,25 Мн/м2), т.е. до давления ретурного пара. Таким образом, давление ретурного пара поддерживается автоматически на определенном заданном уровне независимо от колеблющегося потребления этого пара.
При редуцировании пар не производит никакой работы: получается перегретый пар, который затем искусственно увлажняют. Но можно получить работу при расширении добавочного пара и за счет этой работы сжать (компрессировать) некоторое количество сокового пара, повысив его давление, следовательно, и температуру и ценность. Например, можно часть сокового пара I корпуса выпарки компрессировать до давления и температуры ретурного пара и прибавить его к ретурному пару.
Для компрессии сокового пара применяют два типа аппаратов— турбокомпрессоры и термокомпрессоры, или инжекторы. Турбокомпрессор состоит из двух машин, вращающихся на общем валу: одна —паровая турбина, приводимая в движение паром высокого давления, который при этом редуцируется; другая машина — центробежный компрессор, в который поступает соковый пар и там сжимается. Турбокомпрессор сравнительно дорогая машина, но зато 1 кг пара в 25 ат избыточных (2,5 Мн/м2) может сжать 4—5 кг пара I корпуса до давления ретурного пара (т. е. повысить температуру его на 7—10°С).
Термокомпрессор, или инжектор, — очень простая и дешевая машина, в которой струя расширяющегося пара высокого давления захватывает, увлекает и сжимает пар низкого давления (рис. 137). Но коэффициент полезного действия инжектора низок и за счет 1 кг пара в 25 ат избыточных можно сжать лишь 1—2 кг пара I корпуса до давления ретурного пара, однако обычно и этого бывает уже достаточно.

Схема выпарки с компрессией сокового пара. Если в предыдущем примере расчета четырехкорпусной выпарки взять еще из I корпуса 8 кг сокового дара для компрессирования, то это будет равносильно увеличению количества экстрапара I корпуса на 8 кг, т. е. Е1 = 13 + 8 = 21 кг. Выполнив расчет для этих условий, найдем, что общее количество выпариваемой воды безо всяких потерь пара на конденсатор будет уже не 98 кг, а 106 кг, т. е. можно допустить откачку на диффузии примерно до 130%.
Можно также, например, сэкономить, т. е. уменьшить, расход пара на диффузию на 3 кг, причем

и все-таки пересчет покажет, что при этом можно без потерь на конденсатор выпаривать 97 кг воды.
В этих примерах все же остается неурегулированным вредное влияние колебаний отбора соковых паров, например, на обогревание вакуум-аппаратов. Но можно создать выпарку с автоматическим регулированием. Затруднения обычно получаются при временном снижении расхода экстрапара, что вызывает избыток пара на выпарке и потерю его на конденсатор, в то же время снижается общее количество выпаренной воды и получается сироп низкой концентрации. Чтобы избежать получения избытков пара, нужно иметь выпарку, которая бы при нормальной средней работе давала недостаточное количество сокового пара, восполняемое путем добавления некоторого количества х кг ретурного пара через особый редукционный вентиль, например, в соковый пар II корпуса.
Таким образом, давление этого пара поддерживалось бы постоянным независимо от всяких колебаний отбора пара. Величина же добавочного пара х будет автоматически меняться: при увеличении отбора экстрапаров она увеличивается, при уменьшении отбора — уменьшается.
На рис. 138 изображена схема четырехкорпусной выпарки с компрессированием 8 кг пара I корпуса и с регулирующей добавкой (х кг) ретурного пара в соковый пар II корпуса.

Количество экстрапаров оставим такими же, как в табл. 25 для четырехкорпусной выпарки, и общее количество выпариваемой воды оставляем также прежним — W = 98 кг.
Конечно, при отборе 8 кг пара I корпуса на компрессирование количество соковых паров окажется недостаточным и необходима будет добавка, равная х кг, которую можно легко вычислить (табл. 26).

В табл. 25 дан расчет для обычной средней работы, для которой регулирующая добавка ретурного пара в соковый оказалась х=4 кг, а в табл. 26 — для того случая, когда количество экстрапара I корпуса уменьшилось на 5 кг (вместо 13,0 кг лишь 8,0 кг). В этом случае оказалось, что x=1,5.
В выпарной установке (выпарке) выпаривается по-прежнему 98,0 кг воды, перепады температур, конечно, сами собой немного изменятся, так как несколько изменилось количество воды, выпариваемой в I и II корпусах.
Если желаем иметь большую экономию в расходе пара, т. е. снизить Е3 и E4, то для создания выпарки с недостатком соковых паров и с возможностью регулирования придется увеличить - компрессирование пара I корпуса, например, до 12 кг; для этого уже потребуется не инжектор, а турбокомпрессор.
Неточность упрощенного расчета выпарки. Упрощенный расчет выпарки весьма ценен, так как он при всей своей простоте дает результаты, довольно близкие к действительности, пригодные для практических целей. Но упрощенный расчет все же неточен. Имеются две причины неточности.
Не вполне правильно предположение, что будто бы 1 кг греющего пара всегда выпаривает 1 кг воды из сока, нагретого до температуры кипения. Правда, предположение это очень близко к действительности и дает лишь весьма малую ошибку.
Другим источником более грубых ошибок является пренебрежение «само-испарением». Дело в том, что сок, переходя по выпарке из корпуса в корпус, каждый раз попадает в пространства со все меньшим давлением пара и поэтому с более низкой температурой кипения. Сок при таком перепаде давления оказывается перегретым и кипит без получения тепла через поверхность нагрева, пока на образование пара не израсходуется избыточная теплота и температура сока не снизится и не сделается равной нормальной температуре кипения при давлении, имеющемся в данном корпусе. Вследствие такого самоиспарения воды выпаривается количество несколько большее, чем дает упрощенный расчет.
Кроме того, при точных подсчетах выпарки следует также учитывать потери тепла на конвекцию и лучеиспускание, которые, правда, компенсируют большую часть ошибки от недоучета самоиспарения.
Метод точного расчета выпарки был разработан проф. И.А. Тищенко, но здесь он не приводится.