Процес випарювання

Вступ.

       Випарювання – це процес підвищення концентрації  розчинів твердих нелетких речовин  шляхом часткового випаровування розчинника при кипінні рідини.

Випарювання застосовують для підвищення концентрації розчинів нелетких речовин, виділення  з розчинів чистого розчинника (дистиляція) і кристалізації розчинених речовин, тобто нелетких речовин в твердому вигляді.

Як приклад  випарювання з виділенням чистого  розчинника з розчину можна привести опріснення морської води, коли водяну пару, що утворюється, конденсують і отриману воду використовують для різних цілей.

Для нагрівання випаровуваних розчинів до кипіння  використовують пічні гази, електрообігрів і високотемпературні теплоносії, але  найбільше використоаують водяну пару, що характеризується  високою питомою теплотою конденсації і високим коефіцієнтом тепловіддачі.

Процес  випарювання проводиться у випарних апаратах. За принципом роботи випарні  апарати розділяються  на періодичні і безперервно діючі.

Періодичне  випарювання застосовується при  малій продуктивності установки або для отримання високих концентрацій. При цьому що подається в апарат розчин випаровується до необхідної концентрації, зливається і апарат завантажується новою порцією початкового розчину.

В установках безперервної дії початковий розчин безперервно подається в апарат, а випарений розчин безперервно виводиться з нього.

В хімічній промисловості в основному застосовують безперервно діючі випарні установки  з високою продуктивністю за рахунок  великої поверхні нагріву (до 2500 м2 в  одиничному апараті).

Найбільше застосування в хімічній технології знайшли випарні апарати поверхневого типу, особливо вертикальні трубчасті  випарні апарати з паровим  обігрівом безперервної дії.

Залежно від  режиму руху киплячої рідини у випарних апаратах їх розділяють на апарати з вільною, природною і примусовою циркуляцією, плівкові випарні апарати, до яких відносяться і апарати роторного типу. В сучасних випарних апаратах випарюється дуже великі кількості води. Вище було показано, що в однокорпусному випарному апараті на випаровування 1 кг води витрачається 1 кг гріючого пару, а це приводить до його великих витрат. Витрати пару можуть бути значно знижені, якщо процес випарки проводити в багатокорпусному випарному апараті (принцип дії такої установки полягає в багатократному використанню тепла гріючого пару, який поступає в перший корпус установки і в якості вторинного пару подається в наступний корпус. 
 
 
 
 
 
 

1.  Аналіз технологічного  процесу як об’єкта  керування.

1.1. Опис  технологічного процесу.

Для розгляду технологічного процесу випарювання розглянемо  технологічну схему, яка зображена на рисунку 1. 

 

Рис.1.Схема  багатокорпусної випарної установки

Робота  установки.

Процес  випарювання в цукровому виробництві  призначений для підвищення концентрації цукру в розчині шляхом видалення з нього води в вигляді пару.

Для економії палива випарна станція конструктивно  виконується у вигляді 5 послідовно підключених випарних апаратів.Випарний апарат першого корпуса обігрівається ретурною парою від колектора, а наступні корпуси і споживачі живляться екстра парами I-IV корпусів, цим забезпечується економія умовного палива. Але така пара буде з меншим потенціалом меншою температурою і тиском. Тому по корпусам випарної установки різний тиск.

 Випарні корпуси розташовують на відстані, достатньому для установки регулюючої арматури з мінімальним числом колін і поворотів для одержання мінімального гідравлічного опору. На соковому потоці застосовують регулювальні клапани нормально – закритого типу, які монтують на байпасних комунікаціях. У випадку здвоювання циркуляційних корпусів перший апарат установлюють на 250-300 мм вище другого, при цьому відвід вторинної пари з корпусів здійснюють трубопроводами з урахуванням гідравлічного опору й навантаження по парі. Розміри збірників конденсату вибирають із умови сепарації пари кипіння конденсату. Вони повинні відповідати не менш чим двоххвилинній витраті конденсату при номінальній продуктивності заводу.

Алгоритм  управління випарної станцією дозволяє:

• стабілізувати  потік соку корпусам випарної станції;

• оптимізувати подачу ретурного пара і розподіл споживачів екстра-парів за результатом  теплового розрахунку для чіткого  підтримки співвідношення сік-пар  і температурного режиму. При введенні в експлуатацію системи автоматизації  випарної станції економічний ефект досягається за рахунок економії ретурного пара, забезпечений оптимальним випарюванням по корпусах випарної станції й підтриманням співвідношення сік-пар.  

1.2. Техніко-економічне  обґрунтування проекту. 

Автоматизація технологічних процесів є найважливішим засобом підвищення продуктивності праці. Впровадження автоматизації призводить до скорочення витрат матеріалів та енергії, покращення якості продукції і підвищення надійності роботи.

      В сучасних випарних установках теплотехнічний контроль за роботою устаткування здійснюється за допомогою різних контрольно-вимірювальних приладів. Вони призначені для автоматичного відновлення заданого режиму всієї станції випарювання. По показах цих приладів ведуть оптимальний експлуатаційний режим роботи випарних агрегатів, їх випробування й налагодження, а також стежать за надійністю і економічністю роботи установки. Контрольно-вимірювальні прилади мають винятково важливе значення для нормальної роботи процесу видалення надлишку води, тому що являються надійним засобом відтворення та обробки інформації про технологічні й теплотехнічні процеси, що протікають у випарній установці.

     Для нормального протікання технологічного процесу випарювання дифузійного  соку в випарній установці обов’язковою умовою є дотримання заданих параметрів рівня по корпусам випарної станції. В разі пониження рівня в корпусі можливе закипання кип’ятильних трубок, що є недопустимим. При перевищенні рівня є ймовірність потрапляння сиропу на турбіну. У зв’язку з цим, до точності підтримки заданого значення рівня пред’являються дуже високі вимоги і від якості регулювання рівня залежить якість роботи випарної станції. Система автоматизації дає можливість точного контролю та регулювання рівня шляхом впливу на подачу соку та забезпечує захист та блокування від переповнення. Для вимірювання рівня можна використати такі засоби автоматизації, як УБ-ЭМ (буйковий рівнемір електричний), УБ-П (буйковий рівнемір пневматичний), кoндyктометричний рівнемір та інші. В залежності від тиску всередині випарної установки, габаритності та зовнішніх умов.

     Випарна установка є основним споживачем пари на цукровому заводі і від  того як вона використовується залежить її економічна ефективність. Для вимірювання  тиску пари, яка подається на випарну  станцію можна використати такі засоби, як манометр, датчик тиску Aplisens РС-28, САПФИР, Метран та інші.

     Температура є одним з найважливіших параметрів в технологічному режимі роботи випарної установки і має чітко встановлені  значення, дотримання яких забезпечує швидкість та якість процессу випарювання. В разі підвищення температури відбувається дегідратування цукрози з утворенням темнокольорових карамелей і вона піддається лужному розкладанню. Також відбувається інтенсифікація процесу утворення накипу на кип’ятильних трубах. В разі пониження температури значно уповільнюється та порушується технологічний режим роботи випарної установки. Пониження температури також призводить до порушення роботи інших станцій заводу (вакуум – апаратів, дифузії), так як вторинна пара з випарної установки використовується для їхньої роботи. Для вимірювання температури використовуються такі засоби автоматизації, як термометр розширення, термоперетворювач опору, термопари різних градуїровок.

     В випарній установці ретурна пара подається лише в перший корпус, а гріючим середовищем наступних є соковита пара (пара яка утворюється під час випаровування надлишку води з соку), який переходить з корпуса в гріючу камеру наступного корпусу. Цим забезпечується економія умовного палива. Але така пара буде з меншим потенціалом меншою температурою і тиском. Ось чому по корпусам випарної установки різний тиск. Впровадження системи автоматизації для даного параметру забезпечить надійність технологічного режиму.

     Регулювання розрідження на випарній установці  відбувається в концентраторі. Якщо розрідження знаходиться в заданих межах то випарна установка працює без перебоїв, відбувається нормальне перетікання соку по корпусам та нормальний температурний режим. Система автоматизації дає можливість точного контролю та регулювання розрідження на випарній установці. Для вимірювання розрідження використовуються такі засоби автоматизації, як манометр, датчик тиску Aplisens РС-28, Метран, та інші.

     Для нормального теплового режиму роботи випарної установки необхідно своєчасно  відводити конденсат з випарних камер. Це відбувається шляхом відкачки через конденсатні колонки в збірники конденсату.

     Сигналізація роботи випарної установки необхідна, тому що оператор не в силах встежити за всіма параметрами функціонуючого об’єкта. Внаслідок цього може виникнути аварійна ситуація. Сигналізація служить для попередження обслуговуючого персоналу про відхилення параметрів від норми або про аварійний стан устаткування.

     Система автоматизації повинна забезпечити  надійність й економічність роботи випарного агрегату, звести до мінімуму втрати фізичної праці й значно знизити чисельність обслуговуючого персонали. В сучасній автоматизації використовують мікропроцесорну техніку та персональнї електронно-обчислювальнї машини. В харчовій промисловості постійно вдосконалюється техніка і технологія виробництва шляхом впровадження прогресивних технологічних схем нового виду обладнання, передового досвіду.

     Тому, враховуючи вище зазначені особливості  випарної установки, необхідно з  особливою увагою підходити до питання його автоматизації, а саме вибір засобів автоматизації, з урахуванням економічного ефекту 
 
 
 
 

1.3. Теоретичні основи  технологічного процесу.

Поверхня  тепловіддачі кожного корпуса випарної установки визначається з основного  рівняння теплопередачі:

.

      Для визначення теплових навантажень  Q, коефіцієнтів теплопередачі К і корисних різниць температур необхідно знати розподіл соку, що випарюється,  концентрації розчинів і їх температури кипіння по корпусам. Ці величини знаходять за методом послідовних наближень.

Перше наближення

Продуктивність  установки соку, що випарюється визначається з рівняння матеріального балансу:

Теплове навантаження апарату.

• Тепло, що віддається більш нагрітим теплоносієм Q1, затрачується на нагрів більш холодного теплоносія Q2 і на втрати в оточуючу середовище Qпот_.:

                  Q1= Q2+ Qпот_.     (1)

  Оскільки Qпот= 2-3%, то їм можна нехтувати і вважати:

                  Q 1= Q2 = Q        (2)                                                                         

   де Q –  теплове навантаження апарату.

• Рівняння теплового балансу апарату.

      Q = G1*(I1Н-I1К)= G2*(I2К-I2Н)     (3)                                                     

де G1 і G2 - масові витрати теплоносіїв, кг/с;

     I_1Н і I_2Н - початкові ентальпії теплоносіїв, дж/кг;

      I_1К і I_2К - кінцеві ентальпії теплоносіїв, дж/кг. 

• Ентальпії теплоносіїв:

                                                                                      (4).