EVAPORATOR
ВЫПАРНОЙ АППАРАТ

Изобретение относится области применения акустической техники в процессах и аппаратах химической технологии и, в частности, может быть использовано для выпаривания жидкостей и концентрирования технологических растворов.
Практически все известные типы промышленных выпарных аппаратов (аппараты с трубчатыми греющими камерами, пленочные аппараты, контактные аппараты и т.д.), применяемые для выпаривания больших объемов жидкостей и концентрирования больших объемов растворов, требуют при работе высоких энергозатрат, связанных с необходимостью нагревания жидкостей до температуры кипения и поддержания этой температуры в течение достаточно продолжительного времени. В ряде случаев дополнительно расходуется энергия для создания повышенного или пониженного давления внутри выпарного аппарата. Выпаривание жидкостей при температурах ниже температуры кипения резко снижает производительность аппарата и увеличивает продолжительность процесса выпаривания, что неприемлемо для многотоннажных производств.
Известны устройства, в которых для выпаривания помимо нагревания используют электрострикционный эффект или обратный пьезоэлектрический эффект, создавая в выпариваемой жидкости с помощью пьезоэлектрических элементов условия ультразвуковой кавитации, за счет чего возрастает интенсивность парообразования.
Так, в опубликованной заявке JP 8-215308, 1996 г.описано малогабаритное бытовое выпарное устройство для подачи в атмосферу помещения паров инсектицидных или ароматических жидкостей. Устройство включает корпус и резервуар с жидкостью, в которую одним концом погружен пористый стержень. Сверху стержня на керамической подложке размещен пьезоэлектрик, соединенный последовательно с ультразвуковым осциллятором и источником энергии, также размещенными в корпусе устройства. Недостатками устройства являются его очень малая мощность и низкая производительность, недостаточные для промышленного производства.
Известно также выпарное устройство для топливных батарей (опубликованная заявка JP 2007-303774, 2007 г.), использующееся для увлажнения газа, в котором пьезоэлектрический элемент помещен около дна резервуара с водой. Мощность и производительность этого устройства также очень ограничены.
Возможности повышения мощности и производительности выпарных аппаратов связаны с разработкой и совершенствованием конструкций и материалов акустических излучателей.
Известен источник акустического излучения (патент RU 2130000,. 1999 г.), содержащий источник переменного электрического сигнала и многослойный акустический излучатель, при этом нечетные слои акустического излучателя выполнены из электропроводящего материала, а четные слои - из диэлектрического электрострикционного материала.
Так как ряд электрострикционных материалов мажет быть выполнен в виде гибких пленок, а выполненные из электропроводящего материала слои акустического излучателя могут быть выполнены в виде тонкой фольги, то обеспечивается возможность изменять форму волнового фронта генерируемого акустического излучения за счет изменения формы излучающей поверхности, например при плоской излучающей поверхности будет генерироваться акустическое излучение с плоским волновым фронтом, если излучающая поверхность изогнута в виде выпуклой (вогнутой) цилиндрической поверхности, то волновой фронт генерируемого акустического излучения будет иметь форму выпуклой (вогнутой) цилиндрической поверхности. Обеспечение возможности функционального объединения различных элементов интерьера помещений обусловлено возможностью выполнения акустического излучателя в виде гибкой конструкции малой толщины.
Источник переменного электрического сигнала может содержать последовательно соединенные генератор переменного электрического сигнала и усилитель электрического сигнала, причем выход усилителя электрического сигнала соединен с первым входом сумматора электрических сигналов. Такое конструктивное исполнение источника переменного электрического сигнала позволяет использовать маломощный генератор переменного электрического сигнала, а требуемые для работы акустического излучателя параметры переменного электрического сигнала обеспечиваются усилителем электрического сигнала.
Недостатками такого излучателя являются сложность конструкции и управления; небольшая удельная мощность и недостаточная рабочая температура при которой возможно сочетание кавитационного распыления и испарения воды, что делает невозможным его применение для кавитационного распыления воды для испарения в больших объемах.
В US 2011094217, 2011 г.описан источник гидродинамического излучения - электрострикционный композит, в котором для увеличения кавитационного эффекта и упрощения конструкции использованы углеродные нанотрубки, обладающие значительными электрострикционными свойствами. Электрострикционный композит состоит из гибкой полимерной матрицы углеродной нанотрубочной пленочной структуры, расположенной на поверхности матрицы и частично погруженной в матрицу через первую поверхность. Множество нанотрубок в пленочной структуре соединены силой притяжения Ван-дер-Ваальса. Электрострикционный композит представляет собой углеродную нанотрубочную пленочную структуру с по меньшей мере одной пленкой.
Недостатками такой структуры электростриктора являются высокая стоимость порошок углеродных нанотрубок, сложность равномерной укладки углеродных нанотрубок в полимерную матрицу, неоднородная электрическая проводимость по всей поверхности и ограниченная удельная мощность.
Указанные недостатки возможно устранить, если вместо углеродных нанотрубок использовать ленточные наноструктурные волоконные материалы, описанные в опубликованной международной заявке WO 2006/009331, где приведен метод получения на углеродных волоконных материалах слоев наноструктурного углерода, т.е. углерода, который имеет одинаковую кристаллическую структуру с углеродными нанотрубками и обладает теми же электрофизическими характеристиками, что и нанотрубки. В отличие от нанотрубок слой из наноструктурного углерода прочно удерживается на поверхности углеродных волокон и строго направлен в одном направлении, что увеличивает его электрострикционные свойства. Этот слой получается осаждением пиролитического углерода из газовой фазы, состоящей из смеси газообразного углеводорода (метан, пропан, бутан, этилен, ацетилен и др.) и водорода в соотношении 10-30% (объмн.) углеводорода и 70-90% (объемн.) водорода при температуре не менее 1700°C при терморезистивном нагреве углеродных волокнистых материалов. Процесс нанесения слоев наноструктурного углерода ускоряется при повышении температуры подложки вплоть до 3300-3500°C, а далее происходит термическое разрушение структуры углерода. Оптимальной температурой нанесения наноструктурных слоев является температура 2600-2700°C, при которой механические и электрофизические свойства покрытия являются наилучшими. Электрострикционный элемент изготавливается следующим образом: углеродная лента, полученная из вискозного волокна после процессов карбонизации (900°С) и графитации (2300°С) шириной 4 см, и длиной 90 см с электрическим сопротивлением 13-14 Ом/м обрабатыватся в трубчатой кварцевой печи газовой смеси водорода (80%) объемн. и пропан-бутана (20%) объемн. при температуре 2600°C, что соответствует электрической мощности 6,8 кВт. При таких условиях и фиксированном напряжении начинает образовываться на поверхности ленты покрытие из наноструктурного углерода и соответственно начинает уменьшаться активное сопротивление и при этом увеличивается электрическая мощность нагрузки. Процесс продолжается до увеличения мощности до 10 кВт. При этом наращивается слой наноструктурного углерода на поверхности углеродной ленты на 25% вес., а электрическое сопротивление ленты уменьшается до 8 Ом/м.
Устройство предлагаемого выпарного аппарата поясняется с помощью чертежей, где на Фиг.1 показана схема выпаривания с использованием предлагаемого выпарного аппарата. На Фиг.2 схематически изображен выпарной аппарат, вид спереди и вид сбоку.
Электрострикционные излучатели, представляющие собой пластины из электрострикционного материала, изготавливают следующим образом. Углеродную ленту с покрытием наклеивают с помощью полимерных клеев (эпоксидный, кремнийорганический, фенолформальдегидный и др.) на изоляционную керамическую пластину толщиной не более 0,5 мм. С другой стороны наклеивают через стеклоткань металлическую пластину из жести, листового металла из железных сплавов, нержавеющей стали, меди, латуни и др. толщиной также не более 0,5 мм. Поверхность керамической пластины покрывают герметизирующим полимером для придания поверхности гидрофобных свойств. Концы углеродной ленты оснащают электрическими контактами из меди и изолируют также полимерным покрытием. Изготовленные таким образом электрострикционные излучатели 1 устанавливают параллельно в герметичную емкость 4 под наклоном не менее 45° и соединяют последовательно между собой электрическими контактами, выведенными наружу к генератору электрических сигналов. Над электрострикционными излучателями установлен распределительный трубопровод 2 с отверстиями для подачи технологического раствора на каждую поверхность излучателей 1, которые являются одновременно нагревателями, позволяющими нагревать технологический раствор до 70-80°C. Стекая по поверхности излучателя нагревателя, раствор подвергается нагреву и ультразвуковой кавитации. В результате происходит интенсификация процесса испарения воды из раствора. Для интенсификации процесса испарения воды внизу проходит распределительный трубопровод 3 с отверстиями для подачи воздуха.
Выпариваемый раствор подается в выпарной аппарат в виде прямоугольной емкости 4, где на изоляторах расположены под углом 60° ленточные электроды нагреватели-электрострикторы (излучатели). На них подается импульсное высокочастотное напряжение в расчете 1-2 ватт на см площади электродов. Раствор подается через трубопровод 2 с отверстиями, направленными на верхние части ленточных электродов 1, по которым вода стекает вниз. В это время происходит нагрев поверхности электродов 1 до температуры около 70°С и одновременное электрострикционное воздействие на воду. В результате происходит интенсивное испарение воды. Для быстрого уноса паров воды ниже электродов 1 установлены два трубопровода 3 с отверстиями для всасывания сухого горячего воздуха из пластинчатого воздушного теплообменника 5 через дополнительный блок 6 инфракрасного нагрева. Поток подаваемой воды на испарение регулируется таким образом, чтобы температура на поверхности наноструктурированной углеродной ленты не превышала 70°C. Поток 7 подаваемого воздуха нагревают до температуры не менее 130°C.
Объем испаряемой воды (объем конденсата 8) по отношению к объему подаваемого раствора должен составлять не менее 90%. При соблюдении всех условий энергозатраты составляют не более 100 ватт/кг дистиллированной воды. На схеме Фиг.1 позицией 9 обозначен выход концентрированного раствора, а позицией 10 - выход влажного воздуха после отделения конденсата 8.
Таблица
Сопоставительные измерения по амплитуде оборотной гармоники (эффективное значение виброскорости в мм/сек и размах виброперемещений в мкм) электрострикционных излучателей, полученных по известному способу и по предлагаемому изобретению (проведены с помощью акселерометра фирмы Эндевко, тип 2228 C).
Технические характеристики
Измерения характеристик изделия по прототипу
Измерения характеристик изделия по предлагаемому изобретению
Диапазон измерения характеристик по «Эндевко» тип 2228 С
Количество измеряемых осей
1
1
3
Количество пьезоэлементов
1
1
3
Основная чувствительность (датчик+усилитель), мВ/g
100
100
100-
Частота резонанса вдоль оси Z, кГц
5
10
21
Частотный диапазон (5%), Гц
10000
10000
5…15000
Размах виброперемещений, мкм
12-19
46-78
0,5-100 мкм
Виброскорость, мм/сек
350
1250
0,2…5000
Температурный диапазон, °C
+35…+90
+35…+90
-55…+175
Таким образом, выявлено, что амплитуда обратной гармоники электрострикцион-ного излучателя значительно превышает данные характеристики изделия по прототипу.