Общество с
ограниченной ответственностью
"Эжектор"
Пароэжекторные вакуумные насосы для масложировой промышленности
А.И.Белевич, ООО "Эжектор"
С.В.Кузнецов, "Ойл Индастри инжиниринг"
Масложировая промышленность, № 2, 2000, с. 24-27
(после публикации текст исправлен)
Для cоздания и поддержания вакуума в различных технологических процессах широкое применение нашли пароструйные аппараты.
Впервые пароструйный аппарат для этой цели в 1903 году применил английский инженер и владелец турбостроительного завода в г. Гитоне (Англия) Чарльз Альджернон Парсонс (1854-1931 гг). Этот аппарат, который был назван "эжектором", удалял паровоздушную смесь из конденсатора паровой турбины и, тем самым, поддерживал в нём требуемый вакуум. Следует отметить, что впервые использованный Парсонсом пароструйный эжектор являлся первой ступенью повышения давления в устройстве, сочетающим кожухотрубчатый конденсатор и мокровоздушный насос – прообраз современного водокольцевого насоса, который играл роль эксгаустера.
Пароструйные эжекторы в дальнейшем получили широкое распространение как в энергетике, так и в других отраслях промышленности. Их преимуществом перед поршневыми, плунжерными или водокольцевыми вакуумными насосами является простота конструкции и отсутствие движущихся частей, что обеспечивает высокую надёжность работы.
В масложировой промышленности нашли применение многоступенчатые пароэжекторные вакуумные насосы (ПЭВН), которые состоят из последовательно включенных по эжектируемой (пассивной) среде пароструйных эжекторов и конденсаторов. В эжекторах происходит повышение давления пассивной среды от давления в технологическом аппарате до атмосферного, а в конденсаторах – конденсация водяного пара. Благодаря использованию конденсаторов происходит отвод большей части водяного пара из парогазового тракта ПЭВН. При этом общий расход рабочего пара на ПЭВН снижается, так как эжекторы, установленные за конденсаторами, должны сжимать не всю парогазовую смесь, выходящую из эжекторов предыдущих ступеней, а только ее небольшую часть, состоящую из неконденсирующихся газов и некоторого расхода водяного пара, который не сконденсировался.
Наряду с указанными выше преимуществами в условиях работы масложировой промышленности ПЭВН оказываются вне конкуренции по сравнению с другими типами вакуумных насосов, поскольку только они способны обеспечивать большие объёмные подачи при низких значениях давлений и высоких температурах сред в технологических аппаратах. Например, у ПЭВН, работающих в составе установок для дезодорации растительного масла, объемная подача достигает величин порядка 400 000 м3/ч при давлении среды в дезодораторе 2 мм рт. ст. (0.27 кПа) и ее температуре 220° С.
Широкое распространение в масложировой промышленности получили ПЭВН с конденсаторами смешивающего типа, в которых конденсация водяного пара происходит на струях или каплях охлаждающей воды. Конденсаторы смешивающего типа дешевле кожухотрубчатых, но их недостатком является то, что охлаждающая вода в них загрязняется выносимым из дезодоратора жиром и требует очистки в специальных системах.
Ниже рассматриваются ПЭВН с кожухотрубчатыми конденсаторами специальной конструкции.
В зависимости от глубины вакуума, которую необходимо поддерживать в технологической ёмкости и принятого сочетания "экономичность – стоимость" ПЭВН, число его ступеней может быть различным. Обычно, для поддержания остаточного давления среды в вакуум-сушильных, вакуум-отбельных аппаратах в схемах рафинации на уровне 15 - 20 мм рт. ст. (2 - 2.7) кПа достаточно иметь трехступенчатый аппарат. Степень повышения давления эжектируемой среды*) в них не превышает 760/15 » 51.
В России и других странах СНГ широкое распространение нашли трехступенчатые ПЭВН германских фирм "WIEGAND" или "KOERTING". ПЭВН производства этих фирм имеют конденсаторы смешивающего типа, вода в которые подается тремя параллельными потоками.
Для поддержания меньших значений остаточных давлений среды в современных установках непрерывной дезодорации, на уровне 2 - 5 мм рт. ст. (0.27 - 0.67 кПа), требуются четырех- или пятиступенчатые ПЭВН. Такими насосами обычно в настоящее время комплектуются и дезодораторы периодического действия. Степень повышения давления эжектируемой среды в них составляет не менее 760/(2 - 5) = 380 - 152, то есть в три и более раз больше, чем для вакуум-сушильных аппаратов.
Рис. 1 Принципиальная схема четырёхступенчатого ПЭВН с кожухотрубчатыми конденсаторами специальной конструкции. 1 – вакуумируемая ёмкость; 2 – паровой коллектор; 3, 4, 5, 6 – пароструйные эжекторы; 7, 8, 9 – конденсаторы; 10 – выхлоп газов в атмосферу; 11, 12, 13 – слив конденсата; 14, 15 – вход и выход охлаждающей воды.
Как видно из схемы на рисунке 1, четырехступенчатый ПЭВН не имеет конденсатора после эжектора 1-й ступени. Это обусловлено тем, что температура конденсации водяного пара (tк), соответствующая его парциальному давлению в парогазовой смеси (Рпп) на выходе из эжектора 1-й ступени и равная значениям порядка (15 - 18)° С, меньше температуры охлаждающей воды (tо), которая имеет место в летний период (при оборотной системе водоснабжения с градирнями температура обычно не менее 27 - 30° С), то есть конденсация пара невозможна.
Кратко напомним процессы, происходящие в эжекторах и конденсаторах ПЭВН.
Пароструйный эжектор - устройство, в котором происходит обмен энергиями между активным потоком (рабочим паром) и пассивным потоком (эжектируемой парогазовой смесью) посредством их контакта с образованием в результате смешанного парогазового потока, имеющего энергию меньшую, чем активный и большую, чем пассивный.
На рисунке 2 представлен схематично струйный аппарат и эпюра давлений потоков по длине этого аппарата.
Рис. 2. Распределение давлений рабочего, эжектируемого и смешанного потоков по длине аппарата.
Рабочая среда (рабочий пар) перед контактом с эжектируемым потоком разгоняется в сопле. Далее в виде струи она поступает в приемную камеру, куда подается также пассивная среда. В результате наличия вязкостного трения на границе рабочей струи образуется струйный турбулентный пограничный слой (результат захвата - эжекции пассивной среды). Через этот слой происходит обмен энергиями между активым и пассивным потоками. Струя рабочей среды, окружённая струйным турбулентным пограничным слоем, нарастающим вниз по течению и сопровождающий ее, не захваченный еще пограничным слоем, поток пассивной среды из приёмной камеры поступают в камеру смешения. В камере смешения продолжается интенсивный обмен энергиями между активным и пассивным потоками, выравнивание профиля скоростей с некоторым повышением статического давления потока по течению. При этом активный поток замедляется, а пассивный разгоняется. Смешанный поток из камеры смешения вытекает в диффузор, где происходит его торможение, сопровождающееся дальнейшим возрастанием статического давления до величины, определяемой сопротивлением оборудования, в которое нагнетается смешанная среда.
При изменяющемся массовом расходе пассивной среды (Gн) и неизменных параметрах рабочего пара (Рр, tр) работа эжектора характеризуется зависимостями Рс =f(U) и Рн =f(U), приведёнными на рисунке 3, которые называют характеристиками. Рс – давление смешанной (сжатой) среды, которое может обеспечить эжектор, Рн – давление эжектируемой среды на входе в эжектор, U – массовый коэффициент эжекции, равный отношению расходов эжектируемой и рабочей сред: Gн/Gр.
Характеристики состоят из двух зон, то есть соответствуют двум режимам работы аппарата: допредельному и предельному. Характеристика вида Рс =f(U) имеет пологую и вертикальную ветви. Точки характеристики, лежащие на пологой ветви отвечают допредельным режимам, то есть таким, в которых подача эжектора зависит от его противодавления. Точки характеристики на вертикальной ветви отвечают предельным режимам работы эжектора, то есть таким, в которых его подача не зависит от его противодавления. Предельные режимы работы определяются достижением эжектируемым или смешанным потоками критической скорости в каком-либо сечении проточной части аппарата.
Рис. 3. Характеристики эжектора.
Предельные режимы работы эжектора возникают в случае, если фактическое противодавление (Pc)ф = f(U) не превышает предельное (Рс)пр =f(U).
Рабочими режимами работы эжектора в многоступенчатых пароэжекторных вакуумных насосах являются предельные. Расчетный режим эжектора при его проектировании определяется точками пересечения предельной и фактической характеристик (точки А и Б).
Энергетическая эффективность струйного аппарата характеризуется коэффициентом эжекции (U): отношением расхода пассивной среды, который эжектируется единицей расхода рабочей среды, то есть: U = Gн/Gр. Чем больше U при выбранных параметрах потоков, тем эффективней аппарат.
В паровом или газовом эжекторе может быть достигнута степень повышения давления пассивного (Рс/Рн) потока равная » 20. При таких высоких значениях степеней повышения давления коэффициенты эжекции очень малы, соответственно и расходы рабочего пара для таких условий слишком велики. Поэтому обычно при конструировании одиночного эжектора его степени повышения давления пассивной среды ограничивают величинами от 3 до 6. При таких степенях повышения давления коэффициенты эжекции обычно равны значениям в диапазоне: 0.6 - 0.2, соответственно, расходы рабочего пара для сжатия единицы массы эжектируемой среды составляют 1.7 - 5.
Обеспечение конденсации водяного пара в первом по ходу эжектируемой смеси конденсаторе, охлаждение которого производится водой оборотной системы, накладывают определенное ограничение на распределение степеней повышения давления по ступеням ПЭВН. Обычно для конденсации пара на входе конденсатора требуется температурный напор (tк – tо)**) не менее (8 - 10)° С, соответственно, температура конденсации пара должна быть в диапазоне (36 - 40)° С, что соответствует парциальным давления пара в парогазовой смеси на выходе из эжектора (6 - 7.4) кПа. Следовательно, давление парогазовой смеси на входе в конденсатор должно быть выше чем (6 - 7.4) кПа по меньшей мере на величину парциального давления неконденсирующихся газов в этой смеси. Обычно парциальное давление газов в смеси на входе в конденсатор пренебрежимо мало. Следовательно, повышение давления эжектируемой смеси в первых двух ступенях ПЭВН всегда составляет величину не менее (6 - 7.4) / 0.67 » 8.9 - 11.0. Соответственно, исходя из этих значений давлений смеси перед конденсатором второй ступени (6 - 7.4 кПа) однозначно определяется степень повышения давления эжектируемого потока в двух или трех последних ступенях: 101/(6 - 7.4) = 16.8 - 13.5, где 101 кПа – барометрическое давление (760 мм рт. ст.).
На рисунке 4 в качестве примера для одного из вариантов исходных данных показаны зависимости суммарного расхода пара на эжекторы первых двух ступеней ПЭВН (SG) от степени повышения давления эжектируемой среды в эжекторе первой ступени (Рс/Рн)1 при фиксированном давлении среды на выходе из эжектора второй ступени (Рс2). Между эжекторами первой и второй ступеней конденсатор отсутствует.
Как видно из этого рисунка, зависимость SG = f(Рс/Рн)1 имеет ярко выраженный минимум, соответствующий оптимальному значению (Рс/Рн)1.
Это подтверждает важность правильного выбора режимных параметров работы эжекторов для проектирования экономичного ПЭВН.
Рис. 4. Зависимость суммарного расхода рабочего пара на эжекторы двух первых ступеней ПЭВН от степени повышения давления в эжекторе 1-й ступени.
Суммарный расход рабочего пара на эжекторы последующих ступеней также зависит от распределения степеней повышения давления пассивной среды в них и также имеет минимум.
Процесс тепломассопереноса в бинарных парогазовых смесях, который происходит в кожухотрубчатых конденсаторах, весьма сложен. Наличие неконденсирующихся газов в парогазовой смеси резко снижает коэффициент теплоотдачи от парогазовой смеси к стенкам трубок по сравнению со значениями этого коэффициента при конденсации чистого пара. В начальный момент конденсации пара (первые ряды трубок) относительное содержание газов в парогазовой смеси мало и не отражается на процесс тепломассопереноса. Но в дальнейшем при продвижении смеси вглубь трубного пучка, по мере конденсации пара, относительное содержание газов в смеси возрастает и при выходе из конденсатора оно доходит до 80%. В этом случае газы оказывают уже весьма сильное влияние на процесс конденсации: при относительном содержании в смеси 1% неконденсирущихся газов коэффициент теплоотдачи от парогазовой смеси к наружной стенке трубок снижается почти на половину.
На рисунке 5 изображена зависимость изменения местных тепловых нагрузок (q) по ходу движения парогазовой смеси в конденсаторе ПЭВН.
Рис. 5. Распределение местных тепловых нагрузок по ходу паровоздушной смеси в конденсаторе ПЭВН.
Из рассмотрения кривой на рисунке 5 ясно выявляются две различные зоны процесса: первая зона – "зона массовой конденсации пара", имеющая высокие тепловые нагрузки, быстро падающие при переходе во вторую зону, - "зону охлаждения паровоздушной смеси", характеризующуюся меньшими тепловыми нагрузками, меняющимися в более узких пределах. Граница между этими зонами непостоянна и смещается в сторону отсоса газов из конденсатора с возрастанием температуры охлаждающей воды.
Величина среднего коэффициента теплоотдачи с парогазовой стороны по всей поверхности охлаждения зависит от распределения тепловых нагрузок в конденсаторе. При развитой "зоне охлаждения паровоздушной смеси" она будет ниже, чем тогда, когда "зона массовой конденсации" распространяется на большую часть теплообменной поверхности. Поскольку распределение тепловых нагрузок меняется в течение года, то в соответствии с этим меняется и общий средний коэффициент теплоотдачи с паровой стороны, а вместе с ним и общий коэффициент теплопередачи.
Для компенсации низких значений коэффициентов теплопередачи кожухотрубчатые конденсаторы ПЭВН, которые поставляются для предприятий масложировой промышленности традиционными изготовителями, имеют поверхности теплообмена намного превышающие поверхности конденсаторов для конденсации чистого пара. Изготовители пароэжекторных блоков обычно комплектуют их стандартными конденсаторами из каталога изделий предприятий нефтехимической промышленности. Такие конденсаторы имеют значительные габариты и массу, а также достаточно дороги.
ООО "Эжектор" разрабатывает и поставляет ПЭВН, которые оснащены кожухотрубчатыми конденсаторами специальной конструкции, в отличие от традиционных ПЭВН с конденсаторами смешивающего типа или кожухотрубчатого типа стандартной конструкции. Проходные сечения для парогазовой смеси в новом конденсаторе по ходам уменьшаются по ходу парогазовой смеси по определённой закономерности. Это позволяет компенсировать отрицательное влияние неконденсирующихся газов на процесс конденсации пара путём поддержания требуемой скорости парогазовой смеси по ее течению.
Процесс конденсации пара из парогазовой смеси и сопровождающий его процесс нагрева охлаждающей воды в кожухотрубчатых конденсаторах происходят в разных полостях аппарата: конденсация – в межтрубном пространстве, а нагрев воды – в трубках. При этом загрязненным оказывается только конденсат рабочего и эжектируемого пара, расход которых в сумме составляет не более 1.5% от расхода охлаждающей воды. Соответственно, вместо очистки суммарного расхода охлаждающей воды и присоединившегося к ней конденсата (более 150 т/ч), что имеет место в ПЭВН с конденсаторами смешения, очистке необходимо подвергать всего 1.5 - 2.0 т/ч конденсата.
Использование ПЭВН с кожухотрубчатыми конденсаторами специальной конструкции позволяет отказаться от дорогостоящего цеха флоатации или снизить нагрузку на него, если на предприятии такой цех имеется. В связи с этим, особенно привлекательными эти ПЭВН могут быть для небольших строящихся заводов.
Наши специалисты разрабатывают ПЭВН, работающие с любыми давлениями рабочего пара от 0.2 МПа и выше, которые могут поддерживать остаточное давление в дезодораторе в диапазоне 1 - 5 мм рт. ст.
При проектировании площадки для размещения блока следует предусмотреть, что для выдвижения трубного пучка из первого конденсатора для чистки и ремонтов, помимо площади, занимаемой блоком, необходимо дополнительное свободное пространство длиной около 3.5 - 5 м.
Блок смонтирован на раме и при монтаже требует только подсоединения к паровой магистрали, патрубку каплеуловителя и системе оборотного водоснабжения (всего четыре фланцевых соединения).
Еще одним отличием предлагаемого ПЭВН от традиционных является то, что он оснащается водоструйным эжектором, работающим на оборотной воде, то есть не потребляющим дополнительного расхода энергии. Он может выполнять две функции: пускового эжектора, используемого для сокращения времени вакуумирования технологического объема от атмосферного давления до давления пуска эжектора второй ступени (» 6.5 кПа); при эффективной сепарации капель жира из эжектируемой смеси в каплеуловителе и конденсаторе второй ступени (главном), водоструйный эжектор может заменить паровые эжекторы третьей и последующих ступеней ПЭВН, что даст экономию пара в 20 - 27%.
Рис. 6. Схема ПЭВН с обвязкой. 1 – каплеуловитель циклонного типа; 2 – эжекторы; 3 – кожухотрубчатые конденсаторы специальной конструкции; 5 – градирня; 6 – насос оборотной системы; 7 – барометрический бак.
Пароэжекторный блок с кожухотрубчатыми конденсаторами специальной конструкции на заводе-изготовителе
* Часто "степень повышения давления" эжектируемой среды в струйном аппарате (Рвх / Рвых) ошибочно называют "степенью сжатия", которая равна отношению удельных объемов (Vвх / Vвых). Равенство отношений давлений и объемов может иметь место только при изотермическом процессе в аппарате. В действительности реальный процесс в эжекторе происходит с повышением температуры, то есть является политропным, поэтому степень повышения давления в эжекторе не равна степени сжатия.
** где: tк – температура конденсации водяного пара из парогазовой смеси, соответствующая его парциальному давлению, tо – температура охлаждающей воды на входе в конденсатор.
ООО "Эжектор". Телефон: +7 903 540-12-00
E-mail: ejector@bk.ru - Алексей Игоревич Белевич