Многоступенчатые выпарные установки (МВУ) широко распространены в различных областях промышленности: химической, пищевой, металлургической и др. Они используются также при термическом опреснении соленых вод.

Основное назначение выпарных установок — это повышение концентрации раствора и выделение растворителя из раствора (дистилляция). Кроме того, они используются для побочных целей — снабжения различного рода технологических потребителей парами.

В связи с чем большое значение имеют проектирование новых выпарных установок с высокими технико-экономическими показателями, рационализация и оптимизация процессов выпаривания. Особое значение имеет разработка мощных опреснительных испарительных установок, источником энергии для которых служит атомный реактор.

Для решения этих задач необходимы соответствующие методы расчета и анализа. Их можно подразделить на методы расчета и анализа при проектировании и эксплуатации и методы расчета установок как объектов управления. Это выделение условно, так как проектирование нового объекта должно выполняться совместно с проектирование системы его управления, а совершенствование системы управления действующего объекта выполняется обычно совместно с его рационализацией и оптимизацией.

При проектировании и эксплуатации выпарных установок возникает необходимость в решении ряда задач:

2. Определение оптимального режима работы действующих установок.

3. Анализ установившихся и переходных процессов, необходимый в связи с автоматизацией выпарных установок (расчет и анализ статических и динамических характеристик), и оценка влияния переходных процессов на производительность, качество готового продукта и другие показатели установки, а также выбор конструктивных и режимных параметров, обеспечивающих наилучшую регулируемость установки (производится совместно с проектированием системы автоматического управления). Методы проектного расчета выпарных установок разработаны в основном применительно к задаче определения поверхности нагрева. Методы проектирования этих установок с целью обеспечения экстремума какого-либо технико-экономического критерия оптимизации развиты недостаточно.

Основной задачей при поверочных расчетах выпарных установок является возможность установления оптимального режима работы (размеры поверхности нагрева отдельных аппаратов заранее известны). В качестве оптимального принимается режим, обеспечивающий заданную производительность установки. Вопросы определения режимов работы установки, обеспечивающих оптимальные значения технико-экономических и других критериев эффективности, рассмотрены в литературе недостаточно полно.

Задачи анализа установившихся и переходных режимов МВУ возникают в связи с тем, что в условиях эксплуатации меняются параметры пара и раствора, поступающего на выпаривание, нагрузки потребителей (для установок с пароотбором) и т. п. Вследствие значительной инерционности объекта он зачастую не успевает войти в установившейся режим до воздействия нового возмущения. Поэтому выпарные установки работают практически в переходном режиме. Большой интерес представляет его изучение для оценки влияния на производительность, экономичность установки и качество готовой продукции.

Задачи расчета и исследования переходных процессов возникают также в связи с автоматизацией установок. Для проектирования систем автоматического управления выпарных установок, их наладки и эксплуатации нужны данные о статических и динамических свойствах этих объектов. Необходимо проектировать объекты так, чтобы они обладали свойствами самоуправляемости, хорошей регулируемости и обладали соответствующими статическими и динамическими характеристиками, облегчающими задачу осуществления регулирования и создания современной системы управления.

Несмотря на то, что процессы выпаривания изучаются свыше 100 лет и достигнуты значительные успехи в разработке методов расчета выпарных установок, современную информацию об этом объекте трудно назвать достаточно полной, а методы расчета и анализа, необходимые для решения прикладных задач, обладают рядом существенных, с нашей точки зрения, недостатков:

Выполнено множество работ по исследованию основных рабочих процессов в выпарных установках. Эти работы охватывают вопросы теплообмена, гидродинамики, накипеобразования, сепарации паров и другие процессы, характерные для техники выпаривания. Над решением этих задач работали и работают многие ученые. В основе современных методов расчета теплообмена в выпарных установках лежат работы Кутателадзе С.С., Толубинского В. И., Лабунцова Д.А., Стермана Л.С. и др.

Кроме задач исследования процессов в элементах выпарных установок, возникают задачи изучения этого объекта как системы, взаимосвязанных элементов при наличии полной или неполной информации об элементах. Изучение многоступенчатых выпарных установок как системы взаимосвязанных элементов имеет принципиальное значение.

В то же время анализ работ, выполненных в области изучения и расчета МВУ, указывает на определенный пробел в изучении выпарных установок как системы взаимодействующих элементов. Следует продолжить исследование выпарных установок на основе совместного использования методов теории тепло- и массообмена при изучении процессов в элементах и их связей, и методов системотехники при исследовании этих установок как систем большого количества взаимосвязанных элементов.

Дальнейшее изучение процессов в выпарных установках, совершенствование методов расчета выпарных установок при их проектировании и эксплуатации связано в той или иной мере с необходимостью достаточно полного и точного математического описания МВУ, являющегося основой дальнейшего развития теории этих установок и методов их расчета.

Имеется множество уравнений, описывающих отдельные процессы в выпарных установках, например системы уравнений тепловых и материальных балансов И. А. Тищенко и других авторов, системы уравнений, примененные Н. И. Гельпериным, уравнения Г.Н. Костенко для расчета процессов снижения производительности установки в связи с накипеобразованиями. Получены математические модели для расчета динамики изменения некоторых параметров одноступенчатого выпарного аппарата (уравнения А. Г. Левачева, Джонсона и Лея). Однако отсутствует достаточно полное математическое описание МВУ, позволяющее получать математические модели различных выпарных установок.

Математическое описание выпарных установок должно разрабатываться на основе обширного экспериментального материала, полученного в результате многочисленных исследований отдельных процессов, связанных с выпариванием разнообразных жидкостей и растворов. Необходимо, чтобы математическое описание, учитывая частные особенности рабочих процессов и схем выпарных установок, было в значительной мере независимым от их конструктивных и технологических особенностей, оно должно отразить общие для них закономерности, учитывая при этом и частные особенности установок.

При математическом описании выпарных установок приходится рассматривать сложные задачи, решение их зависит от большого количества факторов. Основное заключается в том, чтобы учесть эти факторы в совокупности, во взаимодействии, выявить главные и второстепенные, оценить, насколько это возможно, влияние отдельных факторов на всю систему.

Известно, что при построении математической модели объекта необходимо учитывать цели, для которых используется модель. Математические модели объекта могут разрабатываться для решения конкретных задач, например задач квазистатической оптимизации режимов работы установки, или решения более широкого класса задач, например моделей, описывающих статические и динамические свойства объекта. Возникает вопрос – следует ли составлять достаточно общую модель объекта или ограничиться построением отдельных моделей для различных частных случаев. Решать задачи, возникающие при проектировании, эксплуатации и автоматизации выпарных установок, можно на основе совокупности моделей, разработанных для указанных целей. Однако желательно, по возможности, уменьшить количество отдельных частных моделей и иметь достаточно полную модель объекта, которую при соответствующих коррекциях можно было бы использовать для решения различных задач.

Следующий вопрос, возникающий в связи с математическим описанием выпарных установок, — это вопрос о точности математических моделей. Использование более точной модели снижает материальные потери, связанные с пониженной точностью принимаемых на основе моделей решений при проектировании, эксплуатации и автоматизации установок. Эти потери должны соизмеряться с, затратами на доведение модели до требуемой точности и дополнительными затратами при использовании модели (расчет, моделирование). Таким образом, возникает задача определения оптимальной точности математической модели, как задача достижения компромисса между физической полнотой и сложностью модели.

Сложность и громоздкость математического аппарата, необходимого для исследования и расчета выпарных установок, требует использовании современных средств вычислительной техники. Применение вычислительных машин способствует более углубленному изучению выпарных установок, их более эффективному проектированию и эксплуатации. Однако возможность применения этих средств ограничивается отсутствием математических моделей МВУ.

Основное внимание в книге уделяется построению математического описания выпарных установок и его использованию для изучения установившихся и переходных процессов. Рассматриваются также вопросы использования математических моделей при решении задач проектирования и эксплуатации выпарных установок. Автор пытается показать, что различные методы расчета и анализа выпарных установок при проектировании, эксплуатации и автоматизации можно совершенствовать на основе общего математического описания объекта.