ПЛЕНОЧНЫЙ ВЫПАРНОЙ АППАРАТ СО СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЕНКОЙ
FILM-TYPE EVAPORATOR WITH THIN-SHEET FLOW

Изобретение относится к конструкции выпарных аппаратов со стекающей пленкой, предназначенных для концентрирования и испарительного охлаждения растворов, а также опреснения воды. Может найти применение в химической, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен пленочный выпарной аппарат со стекающей пленкой, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса с крышкой и днищем, снабженного технологическими штуцерами и камерами для ввода и вывода концентрированного раствора, греющей камерой, трубопроводами для ввода и вывода хладагента, отвода конденсата вторичного пара. Аппарат также снабжен патрубками, цилиндрическими трубами с кольцевой спиралью и распределительным элементом для равномерного орошения, и внутренними трубами, выполненными в виде змеевика. В кольцевых полостях, образованных цилиндрическими и внутренними трубами, установлены направляющие шайбы, между которыми размещены профилированные пластины, образующие каналы для прохода парожидкостной смеси у которых одна из боковых кромок размещена по касательной к внутренней поверхности шайбы, причем на боковой поверхности пластин выполнены продольные канавки и установлен лист из пористого материала [1].
Однако данное устройство трудоемко в изготовлении, имеет высокую металлоемкость по причине установки большого количества профилированных пластин, размещенных по высоте цилиндрических труб, для обеспечения вращательного движения парожидкостной смеси и недостаточно эффективно решается проблема удаления капель жидкости из потока пара по причине вторичного уноса жидкости уже с поверхности пластин и канавок выполненных на них.
Наиболее близким к данной конструкции по технической сущности является пленочный выпарной аппарат со стекающей пленкой, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса с крышкой и днищем, снабженного технологическими штуцерами, греющей камерой и камерами для ввода и вывода концентрированного раствора, вторичного пара, трубопроводов для ввода и вывода хладагента, цилиндрических и внутренних труб, патрубков для отвода конденсата вторичного пара. В полости цилиндрических труб по их длине с зазором относительно поверхности цилиндрических и внутренних труб установлены обечайки, в нижней части которых на их наружной поверхности под углом к оси аппарата помещены пластины, обеспечивающие вращательное движение потоку пара [2].
Однако и этот аппарат имеет недостаточно высокую производительность вследствие наличия открытых участков, образованных рядом стоящими обечайками, что способствует попаданию капель с потоком вторичного пара на поверхность внутренних труб. Кроме того, из-за разрушения сплошности пленки газожидкостной смеси, что показано на фотографиях (фиг.9), интенсивность оттока пара из капель жидкости резко снижается, а это уменьшает производительность аппарата.
Изобретение решает задачу увеличения производительности аппарата по выпариваемой влаге за счет устранения попадания капель раствора, унесенных с поверхности пленки вторичным паром, на поверхность внутренних труб, в широком диапазоне изменения удельной паровой нагрузки, а также за счет обеспечения безотрывного течения (без струй и капель) газожидкостного слоя по внутренней поверхности цилиндрических труб и создания пленочного течения хладоагента по поверхности внутренних труб.
Технический результат заключается в устранении разрушения газожидкостного слоя и эффективного улавливании капель раствора, сорванных с поверхности пленки из потока вторичного пара, что обеспечивает интенсивное перемешивание раствора и испарение, предотвращает смешивание капель с конденсатом вторичного пара, который стекает по наружной поверхности внутренних труб и позволяет вести процесс при более высоких тепловых нагрузках, и следовательно, производительности. Этому также способствует увеличение теплопередачи при конденсации пара на внутренних трубах за счет создания на их поверхности пленочного течения хладоагента (теплоносителя), что позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи в сравнении с прототипом.
Указанный технический результат достигается тем, что в выпарном пленочном аппарате со стекающей пленкой, состоящем из вертикального цилиндрического корпуса с крышкой и днищем, снабженного технологическими штуцерами, греющей камерой и камерами для ввода и вывода концентрированного раствора, конденсата вторичного пара, трубопроводов для ввода и вывода хладагента, патрубков для отвода конденсата вторичного пара, цилиндрических и внутренних труб, между которыми, с зазором относительно их поверхности, установлена обечайка, снабженная устройствами для обеспечения вращательного движения потоку вторичного пара, выполненными из цилиндрической втулки с тангенциальными щелями, закрытой направляющей шайбой; между цилиндрической трубой и обечайкой установлена цилиндрическая вставка с перфорированной стенкой, обечайка размещена на всю длину цилиндрических труб, а устройства, обеспечивающие вращательное движение потоку вторичного пара, снабжены полостью для сбора капель раствора и каналами для их отвода, верхние концы внутренних труб герметично установлены в камерах для хладагента, а нижние концы пропущены через днище аппарата, причем хотя бы одна из внутренних труб каждой цилиндрической трубы соединена со штуцером для ввода хладагента, а другие внутренние трубы снабжены распределителем жидкости для создания пленки хладагента; между обечайкой и внутренними трубами коаксиально установлена хотя бы одна дополнительная обечайка, снабженная устройствами для обеспечения вращательного движения потоку вторичного пара.
Установка цилиндрической вставки с перфорированной стенкой между цилиндрической трубой и обечайкой устраняет распад газожидкостного слоя на капли и струи при высоких удельных тепловых нагрузках и тем самым позволяет увеличить производительность. При таком конструктивном выполнении газожидкостный слой (пленка) не разрушается, а стекая вниз, интенсивно перемешивается. А общеизвестно, что интенсивность теплоотдачи выше в сплошном перемешиваемом слое, чем в свободно летящих каплях и струях. Снимок распавшейся пленки показан на фиг.9.
Размещение обечайки на всю длину цилиндрической трубы, выполнение в устройствах, обеспечивающих вращательное движение потоку пара, полости для сбора капель раствора и каналов для их отвода, а также герметичная установка верхних концов внутренних труб в камерах для хладагента и размещение в них распределителей жидкости для создания пленки хладагента, а также установка хотя бы на одной из внутренних труб каждой цилиндрической трубы штуцера для ввода хладагента позволяет увеличить производительность аппарата по выпариваемой влаге.
Размещение обечайки на всю длину цилиндрической трубы позволяет устранить прямое попадание капель раствора со вторичным паром на поверхность внутренних труб, как это имеет место в аппарате, взятом за прототип, в котором обечайки установлены с зазором относительно друг друга, а это позволяет поднять производительность по выпариваемой влаге.
Наличие в устройствах, обеспечивающих вращательное движение, полости для сбора капель раствора и каналов для их отвода позволяет устранить повторный унос уловленных капель, размещенных на внутренней поверхности обечаек, вторичным паром. То есть поток вторичного пара, проходящий через эти устройства, не соприкасается с уловленными каплями раствора, стекающими по поверхности обечаек (устранен контакт).
Герметичная установка верхних концов внутренних труб в камерах для хладагента, наличие распределителей жидкости для создания стекающей пленки хладагента, а также размещение на внутренних трубах, пропущенных через днище аппарата, хотя бы одного штуцера для ввода хладагента позволяют увеличить коэффициент теплоотдачи со стороны хладагента и тем самым повысить скорость отвода от конденсирующего пара тепла, что естественно увеличивает производительность по выпариваемой влаге.
Наличие между обечайкой и внутренними трубами коаксиально установленной дополнительной обечайки, снабженной устройствами для обеспечения вращательного движения потока вторичного пара обеспечивает дополнительную сепарацию капель из пара и позволяет тем самым увеличить удельную тепловую нагрузку и, следовательно, производительность аппарата.
3
На фиг.1 изображен пленочный выпарной аппарат со стекающей пленкой; на фиг.2 - верхние концы внутренних труб с герметичной камерой для хладагента и распределителями жидкости; на фиг.3 - дополнительная обечайка, снабженная устройствами для обеспечения вращательного движения потоку вторичного пара; на фиг.4 - цилиндрическая втулка с тангенциальными щелями и каналом для отвода жидкости; на фиг.5 - вид сверху цилиндрической втулки с тангенциальными щелями; на фиг.6 - цилиндрическая втулка с тангенциальными щелями, закрытая направляющей шайбой; на фиг.7 - устройство для обеспечения вращательного движения потоку, выполненное из пластин тангенциально установленных в направляющих шайбах; на фиг.8 показана внутренняя труба со спиралью; на фиг.9 представлен снимок стекающей пленки жидкости при кипении под вакуумом (вид сверху) при диаметре цилиндрической трубы 150 мм и расходе раствора 4 м/ч.
Выпарной аппарат со стекающей пленкой состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с крышкой 2 и днищем 3. Аппарат снабжен штуцерами для ввода и вывода раствора 4 и 5, вывода конденсат вторичного пара 6, подвода и отвода теплоносителя 7 и 8, подвода и отводя хладагента 9 и 10, вспомогательными штуцерами 11. Аппарат имеет камеры для ввода раствора 12 и вывода концентрированного раствора 13, греющую камеру 14. В корпусе аппарата размещены цилиндрические трубы 15, на внутренней поверхности которых установлена проволочная спираль 16 и установлены внутренние трубы 17, между которыми, с зазором относительно их поверхности, установлена обечайка 18, снабженная устройствами 19 для обеспечения вращательного движения потоку вторичного пара, выполненными, например, из цилиндрической втулки 20 с тангенциальными щелями 21, закрытой направляющей шайбой 22. Обечайка 18 установлена на всю длину цилиндрической трубы 15, а устройства 19 для обеспечения вращательного движения потоку вторичного пара снабжены полостью для отвода капель раствора 23 и каналами для их отвода 24, верхние торцы внутренних труб 17 снабжены герметичными камерами для хладагента 25, а нижние торцы пропущены через днище аппарата 3, причем хотя бы одна из внутренних труб каждой цилиндрической трубы соединена со штуцером для ввода хладагента 9, а другие внутренние трубы снабжены распределителем жидкости 26 для создания стекающей пленки хладагента. Между обечайкой и внутренними трубами коаксиально установлена хотя бы одна дополнительная обечайка 28, снабженная устройствами для обеспечения вращательного движения потока вторичного пара 19. Между цилиндрической трубой и обечайкой установлена цилиндрическая вставка с перфорированной стенкой 29. На наружной поверхности внутренних труб 17 размещена спираль 30, выполненная с определенным соотношением s/h. Устройство для обеспечения вращательного движения потоку вторичного пара может быть выполнено также, например, из пластин 31 тангенциально установленных к поверхности направляющих шайб 22 и снабжено патрубками для стекания капель 32.
Выпарной аппарат со стекающей пленкой работает следующим образом. Раствор через штуцер 4 поступает в камеру 12, распределяется на верхней горизонтальной перегородке, а затем перетекает в полость, образованную внутренней поверхностью цилиндрической трубы 15 и цилиндрической вставкой 29. В полости он нагревается, например, теплом, подводимым через стенку цилиндрических труб, теплоносителем, поступающим через штуцер 7 в греющую камеру 14. Затем раствор вскипает и без разрушения (разрушению препятствует цилиндрическая вставка 29) на струи и капли интенсивно перемешивается, стекает в низ с образованием вторичного пара и через штуцер 5 выводится из аппарата. Вторичный пар с капельками раствора проходит через тангенциально размещенные щели 21 устройств 19 и приобретает вращательно поступательное движение, а затем через каналы 24 удаляется на днище аппарата в штуцер 6, не пересекаясь при этом с потоком вторичного пара. За счет такого движения капли отбрасываются центробежной силой на стенку обечайки и стекают по их поверхности в полости 23. Освободившийся от капель вторичный пар конденсируется на поверхности внутренних труб 17, в полость которых подается охлаждающая вода (хладагент) через штуцер 9 в камеры для хладагента 25, которая затем, пройдя через распределитель жидкости 26, стекает в виде пленки по их внутренней поверхности, забирая тепло вторичного пара. Отвод охлаждающей воды осуществляется через штуцер 10. Образовавшийся конденсат, по наружной поверхности труб 17 стекает вниз на днище аппарата и далее удаляется через штуцер 6.
Использование заявляемого пленочного выпарного аппарата со стекающей пленкой позволяет увеличить производительность аппарата, что снижает капитальные и текущие затраты, а следовательно, и себестоимость выпускаемого продукта.
Источники информации
1. Патент РФ №2314139, МКЛ В01D 1/22; В01D 3/28, 2006 г. БИ №1, 2008.
2. Патент РФ №2324516, МКЛ В01D 1/22, 2007 г. БИ №14, 2008.