Испарители и кристаллизаторы
Варианты нагревания для установок терморазделения
Традиционно испаритель или кристаллизатор нагревается острым паром, но в качестве источника энергии можно использовать и отходящее тепло (например, повторно сжатый пар, более сухой пар, горячую воду или термальное масло), при условии, что задано количество энергии, необходимое для процесса термического разделения.
С паровым нагревом (с одной или несколькими ступенями)
A Продукт / B Концентрат / C Конденсат / D Греющий пар / E Пар
При испарении воды в одноступенчатом испарителе около 1 т/ч острого пара будет производить около 1 т/ч пара, поскольку значения удельной теплоты испарения на стороне нагрева и продукта примерно одинаковы.
Если пары продукта, образующиеся в результате испарения, используются для нагревания другого испарителя, работающего при более низком давлении, потребление пара всей системой будет соответственно снижено.
Если количество пара, производимого первичной энергией, используется в качестве пара для нагревания во второй ступени, потребление энергии всей системы снижается примерно на 50 %. Этот принцип можно использовать для дальнейших ступеней в целях экономии еще большего количества энергии.
| Острый пар [т/ч] | Пар [т/ч] | Удельный расход пара | |
| 1-ступенчатая установка | 1 | 1 | 100 % |
| 2-ступенчатая установка | 1 | 2 | 50 % |
| 3-ступенчатая установка | 1 | 3 | 33 % |
| 4-ступенчатая установка | 1 | 4 | 25 % |
Максимальная температура нагрева первой ступени в сочетании с самой низкой температурой кипения конечной ступени определяет общую разность температур, которую можно разделить между отдельными ступенями.
Это означает, что в случае увеличения количества ступеней разница температур на ступень соответственно уменьшается.
По этой причине размеры нагревательных поверхностей отдельных ступеней должны быть соответственно больше в целях достижения требуемой скорости испарения при более низкой средней разности температур (∆ Tm). Первое приближение показывает, что общая поверхность нагрева всех ступеней увеличивается пропорционально их числу. В результате инвестиционные затраты значительно возрастают, а количество сэкономленной энергии становится пропорционально ниже.
Термокомпрессия вторичного пара (TVR)
A Продукт / B Концентрат / C Конденсат / D Греющий пар / E Пар
Пар из сепаратора повторно сжимается до более высокого давления нагревательной стороны трубного пучка.
Приблизительно половина паров, образующихся в процессе испарения, может быть повторно использована для нагрева, при этом другая половина направляется в следующую камеру для запуска процесса. Определенное количество пара, так называемого «движущего пара», необходимо для теплового повторного сжатия паров.
Для термокомпрессии вторичного пара (TVR) используются пароструйные компрессоры. Они работают по принципу пароструйного насоса. Они не имеют движущихся и, следовательно, изнашиваемых частей, что обеспечивает их максимальную эксплуатационную надежность. Тепловые рекомпрессоры пара разработаны собственными силами.
Компания GEA обладает более чем столетним опытом поставок пароструйных насосов и компрессоров.
Механическая компрессия вторичного пара (MVR)
A Продукт / B Концентрат / C Конденсат / D Греющий пар / E Пар / El Электрическая энергия
В то время как пароструйные компрессоры сжимают только часть пара, выходящего из испарителя, механические рекомпрессоры пара (МВР) способны обеспечить рециркуляцию всего пара.
Пар повторно сжимается до давления, соответствующего температуре греющего пара, с потреблением небольшого количества электроэнергии по сравнению с внутренней энергией пара. Энергия конденсата вторичного пара зачастую используется для предварительного нагрева подаваемого сырья.
В зависимости от режима работы установки может потребоваться небольшое количество дополнительного пара или конденсация небольшого количества избыточного пара для сохранения общего теплового баланса выпаривателя и поддержания стабильных условий эксплуатации, в частности, при запуске.
В выпарных установках часто используются одноступенчатые центробежные вентиляторы (поставляются как высоконапорные вентиляторы) благодаря их простоте и удобству обслуживания. Они работают при высокой скорости потока и подходят для высокого расхода с коэффициентом сжатия пара 1:1.2 - 1:2. Частота вращения, как правило, составляет от 3000 до 12 000 об/мин. В случае резкого роста давления можно использовать несколько вентиляторов.
Пар в сравнении с электричеством
В зависимости от местных условий и стоимости энергии в рамках конкретного проекта наиболее экологичный и экономичный вариант нагрева может быть оценен на основе типичных показателей потребления.
Возможность использовать электричество из возобновляемых источников вместо пара из ископаемого топлива является одним из самых значительных преимуществ, которые предлагает электрический нагрев.
Удельное потребление энергоресурсов на тонну испарения
| Пар [т] | Электричество [кВтч] | Охлаждающая вода [м³ (∆T = 10K)] | |
| Острый пар | 1 | незначительное | 60 |
| 2-ступенчатый | 0,5 | незначительное | 30 |
| 3-ступенчатый | 0,33 | незначительное | 20 |
| 4-ступенчатый | 0,25 | незначительное | 15 |
| TVR | ~0,5 | незначительное | 30 |
| MVR | незначительное | ~30-50 | незначительное |
Не менее важно и особенно актуально для засушливых районов использование электрического нагрева, который позволяет резко снизить потребность в охлаждающей воде. В целом, учитывая, что экономика замкнутого цикла и новые тенденции к сокращению энергопотребления играют все более важную роль, MVR становится все более популярным вариантом.
Некоторые процессы кристаллизации осуществляются при низких температурах из-за ограничений фазовой системы или продуктов, чувствительных к температуре. Следовательно, требуется эффективное охлаждение, которое может быть основано либо на вакуумном охлаждении, либо поверхностном охлаждении.
Нагрев паром осушителя (выпарные установки)
Основным критерием использования пара осушителя для нагрева выпарных установок является точка росы смеси водяного пара и воздуха, определяемая наличием в ней инертных газов и (или) воздуха. Чем выше точка росы, тем выше содержание водяного пара и, следовательно, полезный объем энергии.
Если пары осушителя содержат пары пыли и жира, они могут попасть в каландры, нарушив или даже прекратив передачу тепла от нагревателя к камере кипения. Этого можно избежать путем очистки паров осушителя в скруббере паров от GEA. Обычно для этого применения идеально подходит форсуночный скруббер, самовсасывающий жидкостный струйный вентилятор.
Паровой скруббер может работать с конденсатом пара из выпарной установки. Таким образом, отсутствует необходимость в дополнительной технологической воде, тепловая энергия повторно используется для нагрева испарителя и одновременно осуществляется очистка отводимого из осушителя воздуха.
Вакуумное охлаждение (установки для кристаллизации)
Вакуумное охлаждение является предпочтительным методом, поскольку охлаждение создается только за счет адиабатического расширения растворителя, при этом не требуется активная охлаждающая поверхность. Такая активная охлаждающая поверхность должна быть относительно большой из-за ограниченных коэффициентов теплопередачи, при этом возникает риск образования накипи из-за снижения растворимости при более низких температурах.
Основным параметром, а также ограничением для вакуумного охлаждения является давление паров, образующихся в процессе. В зависимости от требуемого давления необходимо выбрать наиболее экономичную смесь из следующих доступных вариантов:
- Поверхностная или прямая конденсация
- Охлаждающая вода или охлажденная вода
- С паровым эжектором или без парового эжектора
Поверхностное охлаждение (установки для кристаллизации)
Поверхностное охлаждение применяется, когда требуемая температура не может быть достигнута за счет вакуумного охлаждения.
В этом методе используется активная охлаждающая поверхность (теплообменники с трубным пучком), охлаждаемая любой доступной охлаждающей средой, подходящей для требуемых температур процесса.
В этих системах существует риск образования накипи на трубах теплообменника из-за высокого локального перенасыщения на холодных поверхностях.
Чтобы максимизировать рабочий цикл таких агрегатов, их конструкция должна быть очень сложной в отношении профиля охлаждения, расчетных коэффициентов теплопередачи, плотности твердых частиц и скоростей в трубах, а также их качества. Кроме того, доступны эффективные процедуры очистки, сводящие время простоя до приемлемых значений.
Паровой эжектор в сравнении с чиллером (установки для кристаллизации)
Для охлаждения следует использовать либо паровой эжектор, либо чиллер.
В то время как паровые эжекторы сжимают пары до температурного уровня, обеспечивая конденсацию охлаждающей воды, чиллеры используют электрическую энергию для создания холодной среды, позволяющей конденсировать пары низкого давления.
В зависимости от местных условий на объекте, а также доступности и цен на энергоресурсы решение принимается индивидуально, чтобы можно было предложить каждому клиенту наиболее экономичное и энергосберегающее решение.
Учитывая, что экономика замкнутого цикла и новые тенденции к сокращению энергопотребления играют все более важную роль, чиллер становится все более популярным вариантом. Уже существующие установки были модернизированы с целью замены их парового эжектора на чиллер.
