+7 (343) 247-81-32

Инжиниринг Производство Строительство и монтаж

Публикации

5.06.2013

Аппаратурное оформление процесса выпаривания больших объемов слабоконцентрированных растворов

Ковзель В.М. директор по проектной работе и НИР, канд. техн. наук,

Малышев А.Б. ведущий специалист,

Шабуров В.Ю. ведущий специалист,

Молостова Л.В. ведущий специалист,

ЗАО НПП «Машпром», Россия, г. Екатеринбург

 

 

Рассмотрены варианты аппаратурного оформления процесса выпаривания слабоконцентрированных сточных вод, приведено сравнение энергетических затрат и стоимостных характеристик, показана экономическая целесообразность применения выпарных аппаратов с механическим паровым компрессором.

Ключевые слова: концентрирование сточных вод, очистка воды, многокорпусные выпарные батареи, механический паровой компрессор.

 

В настоящее время перед разработчиками выпарного и кристаллизационного оборудования часто ставится задача создания установок для концентрирования (термообессоливания) достаточно больших объемов растворов или сточных вод. Как правило, количество подлежащих выпариванию растворов варьируется от 20 до 700 м3/ч, а концентрация солей в них изменяется от 5 до 20 г/л. Конечными продуктами переработки должны стать обессоленная вода (конденсат вторичного пара) и концентрированный раствор или осадок солей с влажностью 10 – 15 % масс.

Одним из вариантов решения данной задачи является использование  в составе Установок многокорпусных выпарных батарей. Их применение обусловлено возможностью значительного уменьшения расхода энергоносителей: свежего греющего пара и оборотной воды. Аппаратурно-технологические схемы таких Установок достаточно подробно описаны в учебной и специализированной научно-технической литературе [1, 2, 3].

Следует отметить, что, в зависимости от исходного состава концентрируемых растворов и требований к конечным продуктам переработки, аппаратурно-технологические схемы и тип используемых выпарных аппаратов могут значительно отличаться друг от друга. Общим является  наличие достаточно экономичных выпарных батарей.

На рисунке 1 показана аппаратурно-технологическая Установки  для очистки сточных вод методом термообессоливания. Производительность Установки – 25 т/ч, солесодержание в исходном растворе – 3 г/л. Конечные продукты переработки: обессоленная вода с концентрацией примесей не более 80 мг/л и осадок солей с влажностью 10 – 15 % масс.

Установка включает три основных технологических передела: умягчение сточных вод, концентрирование раствора и упаривание раствора «на кристалл».

Работа установки осуществляется следующим образом. Исходные сточные воды, содержащие большое количество солей жесткости, поступают на узел умягчения, где осуществляется выделение основной части их в твердую фазу. Далее раствор направляется в трехкорпусную прямоточную выпарную батарею, оснащенную выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией. В батарее происходит выделение основной массы воды из раствора. В качестве теплоносителя используется свежий греющий пар, поступающий в первый корпус.

 Образующийся в этом корпусе вторичный пар направляется в греющую камеру второго корпуса. Аналогично вторичный пар из второго корпуса используется в качестве греющего в третьем корпусе. Таким образом, происходит трехкратное использование тепла свежего пара.

Получаемый в третьем корпусе концентрированный раствор в количестве 1,0 – 1,2 м3/ч отводится на стадию упаривания «на кристалл» в выпарной кристаллизатор. В процессе концентрирования происходит выделение в твердую фазу содержащихся в растворе солей. Полученная суспензия из аппарата направляется на центрифугу, где твердая фаза отделяется, а маточный раствор возвращается в кристаллизатор.

Вторичный пар, образующийся в третьем корпусе выпарной батареи и в аппарате-кристаллизаторе, отводится в конденсаторы. В качестве хладагента используется оборотная вода, поступающая с градирни.

Как видно из вышесказанного, применение на Установке трехкорпусной выпарной батареи позволяет значительно сократить расход свежего греющего пара и оборотной воды.

Следует также отметить, что при объемах растворов, подлежащих концентрированию, более 50 – 70 м3/ч, целесообразно использовать несколько выпарных батарей. Это позволяет уменьшить габариты аппаратов (обеспечить возможность их транспортировки по железной дороге или автотранспортом), избежать проблем при выборе циркуляционных насосов, уменьшить высоту зданий и т.д.

Вместе с тем, даже применение многокорпусных выпарных батарей не исключает использование значительных объемов свежего греющего пара и оборотной воды. Кроме этого, увеличение количества аппаратов приводит к большим дополнительным затратам на изготовление основного технологического оборудования, выполняемого, как правило, из коррозионностойких материалов.

Очень важным моментом является очистка теплообменной поверхности выпарных аппаратов от отложений. Как показывает практика эксплуатации выпарного оборудования, даже при концентрировании умягченных растворов на теплообменной поверхности аппаратов, особенно высокотемпературных корпусов, возможно образование инкрустаций. А образование отложений даже на одном из корпусов приводит к снижению производительности всей нитки. Поэтому батарею приходится останавливать, опорожнять и осуществлять промывку теплообменной поверхности одного аппарата или всей выпарной батареи. На период остановки производительность технологического передела резко снижается (от 20 до 50 %). С целью исключения данного результата приходится устанавливать дополнительную (резервную) батарею. А это, в свою очередь, обуславливает значительное увеличение капитальных затрат.

Альтернативным вариантом аппаратурного оформления технологического процесса выпаривания больших количеств слабоконцентрированных растворов является применение выпарных аппаратов с механической компрессией пара. Специалисты ЗАО НПП «Машпром» совместно с разработчиками компрессорного оборудования спроектировали ряд Установок для концентрирования растворов, основным элементом в которых являются выпарные аппараты, оснащенные механическим паровым компрессором.

На рисунке 2 представлен альтернативный вариант аппаратурного оформления Установки для очистки сточных вод методом термообессоливания.

Принципиальным отличием данной схемы от ранее рассмотренной является использование на технологическом переделе «концентрирование раствора» выпарного аппарата с механическим компрессором, а не трехкорпусной выпарной батареи. Особенностью работы данного аппарата является то, что нагрев циркулирующего раствора в аппарате осуществляется компремированным вторичным паром, образующимся в сепараторе при прокипании раствора. Свежий греющий пар используется только в период запуска аппарата и при выходе на режим. Вторичный пар поступает в компрессор КМ1, где дожимается до параметров греющего и направляется в теплообменную камеру. Там он конденсируется, отдавая тепло циркулирующему в аппарате раствору. Образующийся конденсат (обессоленная вода) и является одним из продуктов, получаемым при концентрировании технологических растворов или переработке сточных вод.

Как показывает практика эксплуатации выпарного оборудования, наиболее оптимальным является непрерывный режим работы аппаратов, а их остановка, как правило, обуславливается необходимостью промывки теплообменной поверхности. Следует отметить, что современные технические решения (в плане технологического режима эксплуатации и конструктивного оформления аппаратов) позволяют обеспечить межпромывочный период работы оборудования от 2 недель до 3 месяцев. Соответственно, доля свежего греющего пара, используемого при выводе аппарата на режим, не превышает 3 – 5 % от суммарного количества пара, поступающего в греющую камеру за межпромывочный период работы выпарной установки. Кроме этого, из эксплуатации выводится один аппарат, а не несколько.

Необходимо также отметить, что как в однокорпусных выпарных установках, не использующих механический паровой компрессор, так и в многокорпусных выпарных батареях (в последнем корпусе), образующийся вторичный пар направляется в конденсатор, где осуществляется его конденсация. В качестве хладагента, как правило, используется охлаждающая вода. Количество потребляемой воды зависит от производительности выпарной установки и начальной температуры хладагента.

Как правило, расход воды варьируется от сотен до нескольких тысяч метров кубических в час. Для получения таких объемов хладагента необходимо наличие достаточно больших градирен и мощных циркуляционных насосов для перекачки воды.

Вариант с использованием выпарных аппаратов с механическим компрессором позволяет в десятки раз уменьшить расход охлаждающей воды, а модернизация (повышение производительности стадии концентрирования) не повлечет за собой значительное увеличение мощности узла подготовки охлаждающей воды.

Наряду с несомненными преимуществами выпарных установок, оснащенных механическим паровым компрессором, имеется и ряд ограничений в их применении.

Как показали проведенные расчеты и опыт эксплуатации вышеуказанного оборудования, их применение наиболее целесообразно при выпаривании растворов, имеющих начальную концентрацию 3 – 15 г/л, а кратность упаривания 8 – 10 раз.

Это обусловлено техническими характеристиками механического парового компрессора. Максимальный коэффициент полезного действия компрессора достигается при сжатии вторичного пара на величину давления, соответствующую повышению температуры теплоносителя на 7 – 90С. Данный нагрев обеспечивает полезную разность между теплоносителем и нагреваемым раствором 7 – 8 0С при значении физико-химической депрессии 0,5 – 1,0 0С. С увеличением кратности упаривания концентрация солей в растворе повышается. Это приводит к возрастанию физико-химической депрессии и, как следствие, снижению температуры образующегося вторичного пара относительно температуры прокипающего раствора на 1,5 – 2,0 0С. Кроме этого, необходимо учитывать и гидравлическую депрессию ~1 0С.

Поэтому, при компремировании вторичного пара и, соответственно, его нагреве на 7,5 – 8,0 0С, фактическая полезная разность температур между циркулирующим раствором и греющим паром не будет превышать 5,0 – 5,5 0С.

Соответственно, для обеспечения требуемой производительности по выпаренной воде необходимо или устанавливать последовательно второй компрессор, чтобы еще больше поднять температуру пара и повысить полезную разность, или увеличивать, и при этом значительно, размеры греющей камеры аппарата.

Поэтому применение выпарных аппаратов с механическим компрессором наиболее целесообразно, по нашему мнению, на стадии предварительного концентрирования растворов, когда концентрация солей в них еще сравнительно невелика.

Последующее «глубокое» концентрирование раствора или упаривание «на кристалл» желательно осуществлять в выпарных аппаратах или двух-трехкорпусных батареях, где в качестве теплоносителя используется греющий пар котельной.

Но даже при таком аппаратурном оформлении процесса концентрирования раствора (или переработки стоков) 80 – 90 % воды будет отводиться на первой стадии и, соответственно, суммарное потребление свежего греющего пара и охлаждающей воды будет небольшим.

Предварительные расчеты энергозатрат показывают, что при прочих одинаковых условиях реализация технологии концентрирования с использованием выпарных аппаратов, оснащенных механическими паровыми компрессорами, позволяет значительно снизить расход свежего греющего пара и оборотной воды по сравнению с вариантом применения многокорпусных выпарных батарей.

В таблице 1 приведены результаты расчетов энергопотребления и стоимости оборудования, выполненные при разработке аппаратурно-технологических схем установок производительностью 25, 100 и 270 т/ч по выпаренной воде.


Результаты расчетов энергопотребления и стоимости оборудования

Вариант 1. Выпарная установка для очистки промышленных сточных вод производительностью 25 т/ч по выпаренной воде.

   Количество поступающего исходного раствора – 25,15 м3/ч;

   Солесодержание исходного раствора – 3,0 – 3,5 г/л.

   Концентрирование раствора осуществляется  «на кристалл».

Вариант 1 – 1. В состав выпарной установки входит трехкорпусная выпарная батарея (рис.1).

Вариант 1 – 2. В состав установки входит выпарной аппарат с механическим компрессором (рис. 2).

Вариант 2. Выпарная установка производительностью 100 т/ч по обессоленной воде.

Количество поступающего исходного раствора 107 т/ч;

Солесодержание исходного раствора – 4,2 – 4,5 г/л.

Вариант 2 – 1. В состав выпарной установки входят две четырехкорпусные выпарные батареи, оснащенные выпарными аппаратами с принудительной циркуляцией (рис. 3).

Вариант 2 – 2. В состав выпарной установки входят пять выпарных аппаратов с механическим компрессором (с учетом 25 % резерва по производительности) (рис. 4).

Вариант 3. Выпарная установка производительностью 270 т/ч по обессоленной воде.

Количество поступающего исходного раствора – 300 т/ч.

Солесодержание исходного раствора – 21 г/л.

Вариант 3 – 1. В состав выпарной установки входят три четырехкорпусные выпарные батареи, оснащенные аппаратами с принудительной циркуляцией.

Вариант 3 – 2. В состав установки входят десять (с учетом 10 % резерва по производительности) выпарных аппаратов, оснащенных механическим компрессором.

Как видно из таблицы, достаточно высокая стоимость свежего греющего пара, а  также затраты на изготовление основного технологического оборудования делают варианты технологии концентрирования с использованием выпарных аппаратов с механическим компрессором более привлекательными, чем варианты с использованием многокорпусных батарей. Особенно наглядно это видно при выпаривании растворов с низкими концентрациями (варианты 1 и 2). Практически на 35 – 40 % снижаются как капитальные затраты, так и текущие расходы на энергоносители.

Несколько иная картина при выпаривании более концентрированных растворов (вариант 3). Достаточно высокое солесодержание упаренного раствора, циркулирующего в аппарате, обуславливает повышение физико-химической депрессии.

С целью обеспечения требуемой производительности по выпаренной воде и исключения необходимости увеличивать греющие камеры выпарного аппарата, и, соответственно, его стоимость, приходится устанавливать последовательно 2 – 3 компрессора. А это, в свою очередь, приводит к резкому возрастанию затрат электроэнергии.

Поэтому в вариантах 3 – 1 и 3 – 2 суммарные затраты на энергоносители практически одинаковы, хотя стоимость поставляемого оборудования по варианту 3 – 2 значительно ниже, чем по варианту 3 – 1.

Следует также отметить, что в вариантах 2 и 3 рассматривался вариант упаривания раствора до определенной концентрации, в то время как в варианте 1 было рассмотрено выпаривание «на кристалл».

Можно предположить, что при упаривании растворов «на кристалл» или при концентрировании значительных объемов растворов, имеющих высокое начальное солесодержание, разница в затратах на изготовление основного технологического оборудования будет меньше.

Поэтому решение о выборе того или иного варианта аппаратурного оформления стадии концентрирования растворов (переработки сточных вод) может быть принято только после определения стоимости капитальных вложений и текущих энергозатрат по каждому варианту.

 

Комплекс оборудования для получения обессоленной воды производительностью 25 т/ч Комплекс оборудования для получения обессоленной воды производительностью 25 т/ч Комплекс оборудования для получения обессоленной воды производительностью 100 т/ч Комплекс оборудования для получения обессоленной воды производительностью 100 т/ч

Список используемых источников

  1. Колач Т.А., Радун Д.В. Выпарные станции [Текст] – М.: Машгиз, 1963. – 400 с.
  2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст] – М.: Химия, 1971. – 784 с.
  3. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст] – М.: Химия, 1981. В двух книгах. – 812 с.

Вернуться к списку публикаций