ИСПАРИТЕЛЬ

Предлагаемая конструкция относится к технике проведения тепло- и массообменных процессов, а именно испарению жидких сред (жидкостей, растворов, суспензий) в режиме кипения, и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности, в теплообменниках, испарителях, дистилляторах, сушилках, выпарных и массообменных аппаратах.
Известен перегонный аппарат, в котором диспергированную жидкую среду подают на множество оболочкообразных элементов, выполненных из тонкого материала и расположенных один рядом с другим. При этом элементы работают как теплообменники между испаряющейся жидкостью, текущей пленкой вдоль наружных поверхностей элемента, и конденсирующимся паром, направляемым внутрь элемента (патент РФ №2076762, МПК B01D 1/22, 10.04.1997 г.).
Недостатками данного аппарата являются сложность конструктивного исполнения как самого аппарата, так и оболочкообразных элементов, выполняемых из термопластичной пленки; невозможность формирования четких геометрических размеров проходных сечений рабочих пространств из пластичной пленки и, вследствие этого, наличие различных гидродинамических и тепло-массообменных режимов проведения процесса испарения, что уменьшает эффективность работы аппарата; малая механическая прочность пленки и ее большое термическое сопротивление, которое вместе с термическим сопротивлением образующихся отложений ограничивают производительность по выпариванию и интенсивность процесса испарения.
Известен испаритель, действующий по принципу падающей пленки, содержащий корпус и устройство, состоящее из испарительных трубок, находящееся в корпусе, при этом концентрируемая жидкость подается на наружную поверхность испарительного трубчатого устройства, и пар подается внутрь трубок испарительного трубчатого устройства (патент РФ №2122456, МПК B01D 1/06, 27.11.1998 г.).
Недостатками данного испарителя являются сложность изготовления трубного пучка с коллекторным соединением как самих теплообменных труб, так и выполненных из них испарительных элементов, громоздкость конструкции и, соответственно, большая металлоемкость, приводящая к потерям тепловой энергии и уменьшению интенсивности испарения.
Известен испаритель пленочного типа со стекающей жидкостной пленкой, содержащий обогреваемый вертикальный корпус, размещенную в нем соосно обогреваемую цилиндрическую камеру и устройство для распределения жидкости по греющим поверхностям (патент РФ №2184590, МПК B01D 1/22, 10.07.2002 г.).
Недостатками данного испарителя являются ограниченная площадь греющих поверхностей и, соответственно, ограниченная площадь испарения, которая определяется только конструктивными размерами обогреваемых вертикальных поверхностей корпуса и центральной камеры, по которым стекает жидкостная пленка; неравномерность толщины пленки жидкости по высоте и, соответственно, неравномерность ее прогрева и испарения, необходимость ограничения в аппаратах с пленочным течением жидкости теплового напора для того, чтобы пузырьковый режим кипения не перешел в пленочный режим кипения, при котором резко уменьшается интенсивность испарения.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является испаритель, содержащий обогреваемый вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости по греющим поверхностям, которые представляют собой наклонные плоскости с углом наклона 10÷40° к горизонтали, выполненные в виде зигзагов, герметично закрепленных на противоположных стенках со смещением и зазором, при этом греющие поверхности имеют температуру превышающую в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, подаваемой в виде капель (патент РФ №107960, МПK B01D 1/22, 14.03.2011 г.).
Недостатками данного испарителя являются то, что при фиксированном неподвижном положении устройства для распределения жидкости, подаваемые на греющую поверхность капли могут сливаться друг с другом до того, как они успеют испариться, что может привести к образованию пленки жидкости и, соответственно, снижению скорости испарения, а также неэффективным использованием площади греющей поверхности, когда при малом времени испарения капель, основной объем подаваемой жидкости испарится на верхней секции зигзагообразной греющей поверхности, а другая секция практически может не участвовать в процессе, хотя и требует теплоты на нагрев, что ведет к повышенным энергозатратам, увеличенным габаритам и металлоемкости аппарата, что, в свою очередь, приводит к снижению интенсивности испарения.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение интенсивности процесса испарения за счет равномерного и полного использования греющей поверхности.
k
k
Технический результат достигается тем, что испаритель, содержащий вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости в виде капель по греющим поверхностям, герметически закрепленным на противоположных стенках со смещением и зазором, отличается тем, что он снабжен теплоэлектронагревателями (ТЭНами), над которыми расположены греющие поверхности, выполненные в виде горизонтальных полок и имеющие температуру, превышающую в 2,8÷4,8 раза температуру кипения испаряемой жидкости, при этом они имеют рифленый профиль в виде храповидных зубьев с высотой зуба, определяемой соотношением b=d/(8÷40), где d - диаметр подаваемых капель, b - высота зуба, а длина зуба определяется соотношением α=(4÷8)b, где α - длина зуба.
Закрепление ТЭНов под греющими поверхностями позволяет обеспечить равномерное нагревание всех греющих поверхностей до заданной температуры. Установка ТЭНов, обеспечивающих температуру, в 2,8÷4,8 раза превышающую температуру кипения испаряемой жидкости, позволяет создавать под каплями жидкости паровую «подушку», что, в свою очередь, позволяет вести процесс в режиме капельного испарения без коалесценции (слияния) капель. Уменьшение температуры ниже заявленного предела, в 2,8 раза превышающей температуру кипения испаряемой жидкости, не позволяет создавать паровую «подушку» под каплями, что приводит к их коалесценции и снижает интенсивность процесса испарения. Увеличение температуры выше заявленного предела, в 4,8 раза превышающей температуру кипения испаряемой жидкости, приводит к повышенным энергетическим затратам на испарение.
k
k
Изготовление греющих поверхностей с рифленым профилем в виде храповидных зубьев с высотой зуба, определяемой соотношением b=d/(4÷8), где d - диаметр подаваемых капель, b - высота зуба, является необходимым условием движения капель на паровой «подушке» по рифленой греющей поверхности без их коалесценции. Несоблюдение заявленного соотношения не позволяет каплям жидкости двигаться по греющей поверхности без коалесценции их друг с другом.
Изготовление греющих поверхностей с рифленым профилем в виде храповидных зубьев с длиной и высотой зуба, подчиняющихся соотношению α=(4÷8)b, где α - длина зуба, обеспечивает максимальную скорость движения капель на паровой «подушке» по рифленой греющей поверхности, что определяет наибольшую интенсивность процесса испарения.
На фиг.1 показана схема испарителя, на фиг.2 часть рифленой греющей поверхности с храповидными зубьями в увеличенном масштабе.
k
k
Испаритель состоит из корпуса 1; верхней крышки 2 с штуцерами 3 подачи исходной жидкости и 4 отвода пара; нижней крышки 5 с штуцером 6 вывода упаренной жидкости; устройства 7 для распределения жидкости по греющим поверхностям 8 в виде капель 9, герметически закрепленных на противоположных стенках со смещением и зазором, причем греющие поверхности 8 выполнены в виде горизонтальных полок, под которыми установлены ТЭНы 10, обеспечивающие температуру греющих поверхностей 8, превышающую в 2,8÷4,8 раза температуру кипения испаряемой жидкости, при этом греющие поверхности 8 имеют рифленый профиль в виде храповидных зубьев 11 (на фиг.1 не указано) с высотой зуба, определяемой соотношением b=d/(8÷40), где d - диаметр подаваемых капель 9, b - высота зуба, и длиной и высотой зуба, подчиняющихся соотношению α=(4÷8)b, где α - длина зуба.
Испаритель работает следующим образом. Испаряемая жидкость через штуцер 3 поступает в устройство для распределения жидкости 7. Из устройства для распределения жидкости 7 жидкость в виде капель 9 попадает на рифленые греющие поверхности 8, выполненные в виде горизонтальных полок, нагрев которых до заданной температуры осуществляется при помощи ТЭНов 10. За счет высокой температуры греющих поверхностей 8 капли 9, интенсивно испаряясь, приподнимаются над греющими поверхностями 8 на паровой «подушке» (так называемый эффект Лейденфроста). При этом время испарения капель 9 увеличивается из-за того, что паровая «подушка» выступает в роли теплоизолирующего слоя, а склонность капель 9 к коалесценции уменьшается, так как за счет интенсивного отвода пара из-под капель 9 они будут отталкиваться друг от друга, равномерно заполняя собой греющие поверхности 8 каждой из горизонтальных полок. Наличие рифленого профиля в виде храповидных зубьев 11 греющих поверхностей 8 (фиг.2) позволяет создать анизотропный (определенно направленный) отвод пара, инициирующий движение капель 9 на паровой «подушке» в заданном направлении. Полученный пар, за счет естественной конвекции, движется вверх и удаляется через штуцер 4. Если в испарителе осуществляют неполное испарение, то упаренный концентрированный раствор собирается в нижней крышке 5 и удаляется через штуцер 6. Общая необходимая длина греющих поверхностей 8 зависит от теплофизических свойств испаряемой жидкости.
Таким образом, предлагаемый испаритель позволяет обеспечить равномерное распределение капель жидкости по всем греющим поверхностям, а также их направленное самопроизвольное движение по ним без коалесценции капель, что позволяет увеличить интенсивность процесса испарения.