Испаритель

Полезная модель относится к технике проведения тепло- и массообменных процессов, а именно испарению жидких сред в режиме кипения, и может быть использована в химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности в испарителях, дистилляторах, выпарных и массообменных аппаратах для утилизации тепла топочных газов.
Известен испаритель, в котором жидкость подают на нагретую поверхность в виде капель, при этом регулирование подачи подводимой жидкости осуществляют так, что период подачи капель больше времени их испарения, а температура нагретой поверхности поддерживается в диапазоне, превышающем температуру кипения жидкости в 1,2÷2,3 раза при соответствующем рабочем давлении. Конструкция испарителя представляет собой аппарат коробчатого прямоугольного сечения с разветвленным гребенчатым коллектором для подвода и равномерного распределения по нагретой поверхности испаряемой жидкости в виде капель (патент РФ № 2462286, МПК B 01 D 1/22, 14.03.2011 г.).
Недостатком данной конструкции является технологическая сложность изготовления разветвленного коллектора, который должен обеспечить равномерную подачу капель. Это связано с тем, что гидравлическое сопротивление по длине трубок коллектора изменяется, соответственно должны меняться диаметры отверстий, отверстия могут засоряться и т. п.
Известен испаритель, содержащий обогреваемый вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости по греющим поверхностям, отличающийся тем, что греющие поверхности 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, МПК B 01 D 1/00, 10.09.2011 г.).
Недостатками данного испарителя является сложность конструкции, заключающаяся в наличии во внутреннем пространстве аппарата греющих поверхностей, представляющих собой наклонные плоскости, выполненные в виде зигзагов, а также неэффективность использования площади греющей поверхности, вызванная тем, что в связи с малым временем 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.
Также к недостаткам следует отнести и то обстоятельство, что подаваемая в виде капель жидкость и полученный пар движутся относительно друг друга противотоком, при этом пар может захватывать при своем движении мелкие капли неиспарившейся жидкости, что может приводить к получению на выходе из испарителя некондиционного «мокрого» пара.
Известен испаритель, содержащий вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости по греющей поверхности, представляющей собой наклонные плоскости, имеющие температуру, превышающую в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, подаваемой в виде капель, причем греющая поверхность имеет форму конуса, а устройство для распределения жидкости по греющей поверхности представляет собой коллектор, выполненный с возможностью вращения, в виде крестовины из взаимно перпендикулярных трубок с отверстиями, расположенными с шагом l=(2,5÷5) d, где l - шаг между отверстиями, d - диаметр отверстия, причем отверстия на одной трубке относительно другой смещены на расстояние, равное половине шага между отверстиями (патент РФ № 114864, МПК B 01 D 1/22, 20.04.2012 г.).
Недостатком данного испарителя является то, что для тонкодисперсных суспензий и растворов образующиеся при полном испарении частицы твердой фазы под действием силы тяжести не могут скатиться с наклонной поверхности конуса и будут образовывать отложения, которые необходимо удалять.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является испаритель, содержащий обогреваемый корпус и устройство для распределения жидкости по греющей поверхности, имеющей температуру, превышающую в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, подаваемой в виде капель, при этом греющая поверхность выполнена в виде трубы, диаметр которой определяется соотношением
ф
D=(0,7÷1,0) · d,
где  D - внутренний диаметр трубы, м,
ф
d - диаметр факела распыла капель жидкости, м,
а длина - из соотношения
ф
L=(2÷5) · l,
где L - длина трубы, м,
ф
l - длина факела распыла капель жидкости, м,
причем устройство для распределения жидкости выполнено в виде форсунки, а на выходе из трубы установлено дроссельное устройство (патент РФ№ 186246, МПК B 01 D 1/22, 14.01.2019 г.).
Нагрев греющих поверхностей может осуществляться любым известным способом: топочными газами, паром, жидким теплоносителем или электрическими нагревательными элементами.
Недостатками данного испарителя являются малые коэффициенты теплоотдачи со стороны топочных газов и, соответственно низкие значения коэффициента теплопередачи.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение интенсивности теплопередачи процесса испарения.
Технический результат достигается тем, что в испарителе, содержащем греющую поверхность в виде трубы с дроссельным устройством на выходе и устройство на входе в виде форсунки для распределения жидкости внутри трубы по греющей поверхности, имеющей температуру, превышающую в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, подаваемой в виде капель, диаметр трубы определяется соотношением
ф
D=(0,7÷1,0) · d, (1)
где D - внутренний диаметр трубы, м,
ф
d - диаметр факела распыла капель жидкости, м,
а длина - из соотношения
ф
L=(2÷5) · l,  (2)
где L - длина трубы, м,
ф
l - длина факела распыла капель жидкости, м,
причем греющая поверхность, в виде трубы, помещена в вертикальный корпус, верхняя часть которого выполнена с расширением, а в нижней части расположено распределительное устройство для подвода топочных газов с размещенным на нем слоем мелкозернистого материала.
Использование вертикального корпуса с расширением в верхней части необходимо для снижения скорости восходящего потока топочных газов и исключения возможности уноса частиц мелкозернистого материала из рабочего пространства, что позволит псевдоожиженному слою всегда находиться в рабочем состоянии и обеспечивать необходимые коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, а, следовательно, интенсифицировать процесс.
Использование псевдоожиженного слоя для газового псевдоожижения по сравнению с обогревом поверхностей газом без зернистого материала позволяет увеличить коэффициенты теплоотдачи до двух порядков (Н.И. Гельперин, В.Г. Айнштейн, В.Б. Кваша «Основы техники псевдоожижения», М.: «Химия», 1967 г., стр. 298, 302), что, соответственно, во столько же раз повышает интенсивность теплопередачи.
Применение распределительного устройства позволяет предотвратить проваливание частиц мелкозернистого материала из рабочей зоны аппарата и обеспечивает подвод ожжижающего агента (топочных газов), что позволит поддерживать необходимую порозность псевдоожиженного слоя, а, следовательно, интенсифицировать теплопередачу.
На фиг. 1 показан фронтальный разрез предлагаемого испарителя, а на фиг. 2 - разрез по А-А.
Испаритель состоит из вертикального корпуса 1 с расширением 2 в верхней части и распределительным устройством 3 в нижней части для подвода топочных газов, внутри которого расположена греющая поверхность в виде трубы 4, снабженной дроссельным устройством 5, соединенным с паровым коллектором 6 на выходе, и устройством на входе в виде форсунки 7 для распределения жидкости внутри трубы по греющей поверхности. Внутри корпуса на распределительном устройстве для подвода топочных газов размещен слой 8 мелкозернистого материала.
Испаритель работает следующим образом. Топочные газы подаются в корпус 1 под распределительную решетку 3, на которой расположен слой мелкозернистого материала 8. Расход топочных газов определяется скоростями в пределах существования псевдоожиженного слоя используемого мелкозернистого материала. Для промышленного газового псевдоожижения рекомендуемые значения рабочей скорости лежат в диапазоне порозности псевдоожиженного слоя, равной 0,6÷0,75, что обеспечивает наибольшие значения коэффициентов теплоотдачи. Поток топочных газов вместе с псевдоожиженным слоем обтекает наружную поверхность греющей трубы 4 и обеспечивает необходимую температуру ее внутренней поверхности, которая лежит в диапазоне 1,2÷2,3 от температуры кипения испаряемой жидкости. Этот диапазон определяется тем, что непосредственно кипение капли может происходить только в определенном интервале температур греющей поверхности, ограниченным с одной стороны температурой, большей температуры кипения испаряемой жидкости, т. е. примерно 1,2 от температуры кипения, а с другой стороны температурой, меньшей температуры перехода капли в сфероидальное состояние, определяемой в общем случае температурой Лейденфроста, т.е. около 0,9 от этой температуры, что соответствует примерно 2,3 от температуры кипения. Через форсунку 7 на греющую поверхность (внутреннюю поверхность обогреваемой трубы 4) в виде капель периодически подается испаряемая жидкость, которые интенсивно испаряются в режиме кипения. Полученный при этом пар через дроссельное устройство 5 выводится в паровой коллектор 6.
Периодичность подачи капель испаряемой жидкости должна соответствовать 1,1÷1,3 от времени их испарения в режиме кипения на греющей поверхности. Это обстоятельство определяется необходимостью обеспечения полного испарения этих капель для освобождения греющей поверхности при подаче следующей порции жидкости.
Для обеспечения общей равномерности  работы испарителя он содержи четное количество обогреваемых труб, в которые попеременно подается испаряемая жидкость. Требуемая производительность испарителя по получаемому пару обеспечивается необходимым количеством труб 4, соединенных общим паровым коллектором 6.
Использование псевдоожиженного слоя 8 для газового псевдоожижения (топочные газы) по сравнению с обогревом поверхностей газом без зернистого материала позволяет увеличить коэффициенты теплоотдачи до двух порядков, что, соответственно, во столько же раз повышает интенсивность теплопередачи. В качестве мелкозернисто материала для топочных газов предпочтительно использовать огнеупорные керамические шарики размером 1,5÷4,0 мм.
Максимальные значения коэффициентов теплоотдачи при псевдоожижении обеспечиваются при порозности, равной 0,75, что соответствует двукратному расширению первоначальной засыпки неподвижного слоя мелкозернистого материала.
В соответствии с физическими свойствами используемых частиц мелкозернистого материала (плотность и диаметр) высота корпуса 1 до расширения 2 определяется высотой псевдоожиженного слоя при максимальной рабочей порозности. Расширение корпуса 2 позволяет снизить скорость топочных газов и исключить унос частиц мелкозернистого материала из рабочего пространства испарителя. Распределительное устройство 3 для подвода топочных газов обеспечивает проход топочных газов в рабочее пространство испарителя и препятствует провалу частиц мелкозернистого материала.
Таким образом, использование в испарителе вертикального корпуса, верхняя часть которого выполнена с расширением, а в нижней части расположено распределительное устройство для подвода топочных газов и размещен слой мелкозернистого материала, обеспечивает увеличение интенсивности теплопередачи процесса испарения.