9.4. Очистка пара в испарителях и паропреобразователях

Загрязнение пара, выходящего из трубок греющей секции или образующегося при мгновенном вскипании в объеме обусловлено выносом капель воды из которой он генерируется. Количество уносимой паром влаги принято характеризовать с помощью коэффициента уноса w, который называют также влажностью пара, т.е. количество жидкости уносимое одним килограммом пара. Величина уноса может быть определена по содержанию нелетучих примесей в конденсате пара. Тогда, если содержание примесей в каплях уносимой влаги и в воде, из которой образуется пар одинаково, то величина w может быть определена из выражения

где C_д и C_к - содержание примесей в конденсате пара (дистилляте) и воде, из которой образуется пар (концентрате).

Унос капельной влаги при барботаже пара через слой жидкости обусловлен несколькими факторами. Это молекулярный унос, разрушение пузырьков пара на поверхности раздела фаз (на поверхности зеркала испарения), дробление жидкости струями пара, пенистый переброс и размыв паром двухфазного слоя.

Для диапазона давлений, в которых работают испарители и паропреобразователи, величина молекулярного уноса на несколько порядков ниже капельного уноса за счет разрушения пузырьков и дробления жидкости и им можно пренебречь. Размыв паром двухфазного слоя и полный унос всей массы жидкости (эрлифт) наступает при весьма высоких скоростях пара и более характерен для тонких двухфазных слоев (для испарителей к таким слоям можно отнести барботажные слои над дырчатыми паропромывочными листами).

При наличии в жидкости поверхностно-активных веществ или мелкодисперсных твердых частиц время разрушения пузырьков пара на поверхности зеркала испарения увеличивается и над слоем воды появляется слой пены, которая частично заполняет паровое пространство. Склонность водяного слоя к образованию пены зависит от присутствия в воде солей и поверхностно-активных веществ, влияющих на поверхностное натяжение и вязкость воды. Разрушение пены вызывает загрязнение пара каплями жидкости. При этом в паровое пространство могут выноситься хлопья пены, концентрация примесей в которых равна, а иногда и больше их концентрации в жидкости. В ряде случаев, в частности при резком снижении давления в паровом объеме, может происходить пенный переброс в паровое пространство и резкое ухудшение качества пара. Образование пены над зеркалом испарения связывают с содержанием примесей в воде, из которой образуется пар (концентрате). Интенсивное пенообразование наступает при содержании примесей в концентрате от 5000 мг/кг до 10000 мг/кг (по некоторым данным до 15000 мг/кг). При более высоком содержании примесей влияние пенного уноса не наблюдается.

Главным фактором, определяющим гидродинамику двухфазного слоя, от которой зависит унос капельной влаги, является скорость пара.

Для диапозона давлений, в которых работают испарители и паропреобразователи, величина влажности пара на некотором расстоянии H от зеркала испарения может быть определена из выражения

где w - скорость пара в паровом пространстве, м/с; В - коэффициент, учитывающий физические параметры пара и воды.

Значения В в зависимости от давления вторичного пара приведены на рис. 9.13.

Рис. 9.13. Значения коэффициента В в зависимости от давления

Количество примесей в паровом пространстве перед дырчатым паропромывочным листом C_п1, обусловленных влажностью пара, будет равно

В процессе осуществления промывки на паропромывочном листе устанавливается устойчивый двухфазный динамический слой. Проходящий через отверстия листа пар препятствует протеканию через них жидкости. При этом уровень жидкости на листе определяется высотой перелива ее в опускные трубы. Поддержание устойчивого слоя над дырчатым листом возможно лишь при его гидродинамической стабильности, которая обеспечивается динамическим воздействием парового потока при скорости пара выше значения w_кр.

Величина w_кр может быть определена из баланса сил действующих на паропромывочном листе.

,

(9.14)

где h - высота слоя воды над листом, м; R - радиус отверстий листа, м; z_отв - коэффициент сопротивления при прохождении пара через отверстия дырчатого листа, определяемый из графика, приведенного на рис. 9.14; r' и r'' - плотность пара и воды при давлении насыщения вторичного пара, кг/м³; s - поверхностное натяжение воды при давлении насыщения вторичного пара, н/м.

Значение среднего объемного паросодержания промывочного слоя f может быть определено из зависимости

где w₀ - скорость пара в паровом объеме испарителя, м/с.

Рис. 9.14. Значения коэффициента сопротивления в зависимости от относительной площади сечения отверстий дырчатого листа

В процессе контакта пара с промывочной водой (при соблюдении условия w₀ > w_кр), часть примесей пара переходят в промывочную воду. Количество примесей, проходящих "транзитом" через слой промывочной воды, оценивается коэффициентом проскока b. Общее количество примесей в паре после паропромывочного листа можно оценит как сумму примесей выносимых с проскоком и примесей выносимых из слоя промывочной воды капельной влагой. Последние могут быть определены из выражения (9.13) при подстановки в него влажности пара, обусловленной капельным уносом из слоя промывочной воды w_пр и содержания примесей в промывочной воде C_пр.в. Величина C_пр.в равна сумме примесей поступающих с питательной водой на паропромывочный лист и примесей пара задержанных барботажным слоем т.е.

Значения w и w_пр не столь резко отличаются друг от друга, а величина C_к существенно больше C_пр.в. В этих условиях основное влияние на загрязнение пара прошедшего паропромывочное устройство оказывает проскок капельной влаги.

При гидродинамической стабильности работы паропромывочного листа, когда на нем устойчиво поддерживается барботажный слой, высота которого определяется высотой перелива, значения b остаются практически неизменными и равными 0.1 - 0.15.

Суммарная величина примесей в паре прошедшего промывку C_п2 может быть определена из выражения

При одной ступени промывки пар с содержанием примесей C_п2 поступает в жалюзийный сепаратор, конструкция которого приведена на рис. 9.15.

Рис. 9.15. Конфигурация пластин жалюзийного сепаратора

В жалюзийном сепараторе за счет гравитационных и центробежных сил, действующих на капли влаги, происходит осушка пара. Эффективность отделения капель влаги от пара в жалюзийном сепараторе оценивается величиной h_ж, которая имеет значение 0.8 - 0.85. Тогда содержание примесей в паре покидающем испаритель определится из выражения

При двух ступенях промывки пара, вторая осуществляется в слое основного конденсата турбины. При этом количество конденсата подаваемого на дырчатый паропромывочный лист составляет не более 4-х процентов производительности испарителя. Механизм работы второго паропромывочного листа не отличается от описанного выше. Проскок влаги через двухфазный слой для второго листа b₂ имеет те же значения 0.1 - 0.15. Тогда содержание примесей в паре перед поступлением его в жалюзийный сепаратор C_п3 определится из выражения

где C_пр.в2 - содержание примесей в промывочной воде на втором паропромывочном листе.

Величина C_пр.в2 определяется из уравнения баланса солей в промывочном слое. Пренебрегая величиной примесей в конденсате, подаваемом на промывку, получим

C_пр.в2 = C_п2 · (1 - b₂) · D_и/ D_к.

Содержание примесей в паре отводимом из испарителя в этом случае будет равно

Применение двух промывок пара позволяет получать от испарителей дистиллят с содержанием примесей не более 50 мкг/кг.

Пример расчета качества пара получаемого от испарителя.

Испаритель имеет производительность 20 т/ч, давление вторичного пара 0.12 МПа, солесодержание питательной воды 1000 мг/кг, внутренний диаметр корпуса d = 3 м и две ступени промывки.

Примем продувку испарителя в размере 2%. Тогда содержание примесей в концентрате

C_к = C_пв/0.02 + C_пв = 1000/0.02 + 1000 ≈ 50000 мг/кг.

Без учета конденсации части пара в промывочной воде на дырчатых листах, скорость его в паровом объеме

w₀ = D_и/(3600 · r" · 0.785 · d²) = 20000/(3600 · 0.7 · 0.785 · 3²)=1.126 м/с.

Влажность пара в паровом пространстве при высоте его от истинного уровня 0.8 м

w = В · w₀^2.76/Н^2.3 = 0.63 · 10^-4 · 1.126^2.76/0.8^2.3 = 0.103 · 10^-3.

Содержание примесей в паре перед первым паропромывочным листом

C_п1 = w · C_к = 0.103 · 10^-3 · 50000 = 5.2 мг/кг

Скорость пара в отверстиях дырчатого паропромывочного листа при диаметре отверстий 6 мм и живом сечении отверстий 0.075

w_отв = D_и/(3600 · r" · 0.075 · 0.785 · d²) = 20000/(3600 · 0.7 · 0.075 · 0.785 · 3²) = 15 м/с.

Скорость пара в отверстиях листа, соответствующая устойчивому поддержанию двухфазного промывочного слоя

 м/с

Здесь f = 0.731 определено из уравнения f² · (1 - f) = 1.126²/(9.81 · 0.065).

Содержание примесей в промывочной воде на первом паропромывочном листе

C_пр.в1 = C_пв + (1 - b₁) · C_п1 = 1000 + (1 - 0.15) · 5.2 = 1004.4 мг/кг.

Содержание примесей в паре перед вторым паропромывочном листом

C_п2 = b₁ · C_п1 + w C_пр.в1 = 0.15 · 5.2 + 0.103 · 10^-3 · 1004.4 = 0.884 мг/кг.

Содержание примесей в промывочной воде на втором паропромывочном листе

C_пр.в2 = (1 - b₂) · C_п2 · D_и/D_к = (1 - 0.15) · 0.884/0.04 = 18.775 мг/кг.

Содержание примесей в паре на входе в жалюзийный сепаратор

C_п3 = b₂ · C_п2 + w · C_пр.в2 = 0.15 · 0.884 + 0.104 · 10^-3 · 18.775 = 0.203 мг/ кг.

Содержание примесей в паре после жалюзийного сепаратора (в дистилляте)

C_д = C_п3 · (1 - h_ж) = 0.203 · (1 - 0.8) = 0.041 мг/ кг.

В приведенном примере приняты наиболее низкие значения b и h_ж. Реально h_ж = 0.8 - 0.85, а b = 0.10 - 0.15. В этих условиях значение величины примесей в дистилляте будет более низким.