ПЛЕНОЧНЫЙ ВЫПАРНОЙ АППАРАТ С ВОСХОДЯЩЕЙ ПЛЕНКОЙ
FILM EVAPORATING APPARATUS WITH CLIMBING FILM

Изобретение относится к конструкции выпарных аппаратов с восходящей пленкой, предназначенных для концентрирования и охлаждения растворов, получения опресненной воды. Оно может найти применение в химической, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен выпарной аппарат, включающий греющую трубчатую камеру, сепарационное устройство с отбойником жидкости, приемную камеру, циркуляционную трубу, трубопроводы и штуцера для ввода вывода раствора и пара, снабженный напорной секцией с дополнительными штуцерами, один из которых соединен с трубопроводом ввода раствора, а другой - с циркуляционной трубой, при этом напорная секция размещена в верхней части греющей камеры, а в трубах греющей камеры выполнены каналы, посредством которых полость камеры сообщена с полостью труб [1].
Однако данное устройство обладает высоким гидравлическим сопротивлением, низкой производительностью по испаряемой влаге и высокой полезной разностью температуры.
Высокое гидравлическое сопротивление аппарата обусловлено большой осевой скоростью движения вторичного пара в трубах. Невысокая производительность по испаряемой влаги обусловлена тем, что 1/3 длины труб заполнена раствором, где теплоотдача на порядок ниже, чем в пленке, что и обуславливает низкую производительность по выпариваемой влаги. Высокие скорости вторичного пара в трубах также приводят к срыву капель раствора с поверхности пленки, что требует снижения производительности аппарата. Кроме того, увеличивается сопротивление аппарата и, следовательно, величина полезной разности температур до (10-17)°С, а это энергоемко. Под полезной разностью температур понимается разность между средней температурой греющего пара и температурой кипения раствора.
Наиболее близким по технической сущности является пленочный выпарной аппарат, состоящий из вертикального корпуса, разделенного горизонтальными перегородками на камеры для ввода суспензии и вывода концентрированного раствора, греющей камеры, камер для ввода и вывода хладагента и отвода конденсата вторичного пара. Аппарат снабжен штуцерами и цилиндрическими трубами, внутри которых установлена кольцевая спираль. По оси цилиндрических труб на всю длину аппарата коаксиально размещены внутренние трубы, а в камере для отвода конденсата вторичного пара над нижней перегородкой размещена дополнительная горизонтальная перегородка, снабженная патрубками, установленными в отверстиях с зазором относительно цилиндрических и внутренних труб [2].
2
2
Однако и этот аппарат несмотря на достижение высоких нагрузок по жидкости обладает недостаточно высокой производительностью по вторичному пару вследствие сравнительно низких значений коэффициентов теплоотдачи в пленке раствора. В рассматриваемом аппарате реализуется гравитационное стекание, а общеизвестно, что при восходящем прямотоке теплоотдача на порядок выше, чем при гравитационном стекании жидкости. Например, при Рейнольдсе пленки 5000 коэффициент теплоотдачи в жидкости не превышает 8000 Вт/м·К, а при восходящем, в зависимости от скорости вторичного пара, достигает 30000 Вт/м·К и более за счет высоких касательных напряжений на межфазной поверхности.
Изобретение решает задачу увеличения производительности аппарата по выпариваемой влаге, снижение полезной разности температуры.
Технический результат заключается в том, что в предлагаемом аппарате реализован восходящий прямоток, не вторичным паром, как это осуществлено в аппарате, взятом за аналог, а за счет ввода в нижнюю часть аппарата (в камеру для вывода конденсата вторичного пара) потока компремированного (сжатого) газа, что позволяет вести процесс при высоких значения коэффициента теплоотдачи и низкой полезной разности температуры, при этом не надо достигать большой разности температуры для обеспечения расхода вторичного пара и реализации восходящего движения пленки жидкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в выпарном пленочном аппарате с восходящей пленкой, состоящем из вертикального цилиндрического корпуса с крышкой и днищем, снабженного технологическими штуцерами, греющей камерой и камерами для ввода суспензии и вывода концентрированного раствора, конденсата вторичного пара, трубопроводов для ввода и вывода хладагента, цилиндрических и внутренних труб, патрубков для отвода конденсата вторичного пара, установленных в нижней части аппарата с образованием зазора относительно поверхности цилиндрических и внутренних труб, согласно изобретению камера для вывода конденсата вторичного пара снабжена штуцером для ввода компримированного газа, а на нижние торцы патрубков для отвода конденсата вторичного пара, размещенные по длине цилиндрических труб с зазором относительно друг друга, герметично установлены сливные патрубки, снабженные гидрозатвором, причем в верхней части патрубков для отвода конденсата на их боковой поверхности размещены устройства, обеспечивающие вращательно-поступательное движение паро(газо)-жидкостной смеси, а на крышке аппарата размещен штуцер для вывода газа.
Установка в камере для вывода конденсата вторичного пара штуцера для ввода компримированного газа, наличие на нижних торцах патрубков для отвода конденсата вторичного пара, размещенных с зазором по длине цилиндрических труб, сливных патрубков с гидрозатвором, а также размещение в верхней части патрубков для отвода конденсата на их боковой поверхности устройств для обеспечения вращательно-поступательного движения паро(газо)-жидкостной смеси и выполнение на крышке аппарата штуцера для вывода газа позволяет организовать восходящее пленочное течение не вторичным потоком пара, а потоком газа, вводимого в камеру для вывода конденсата, и тем самым позволяет обеспечить пленочное течение по всей длине цилиндрических труб (как известно в выпарных аппаратах с восходящей пленкой (аналог) 1/3 высоты труб греющей камеры заполнена раствором), что увеличивает теплопередачу, а следовательно, производительность аппарата по выпариваемой влаге. Кроме того, поток газа, поступающий в нижние торцы цилиндрических труб, способен транспортировать большие расходы жидкости в пленке, что также приводит к увеличению производительности аппарата по выпариваемой влаге. При этом нет необходимости создавать поток вторичного пара для транспортировки раствора в виде пленки вверх по внутренней поверхности цилиндрических труб (раствор транспортируется потоком газа), а следовательно, нет необходимости обеспечивать высокую полезную разность температур (10-17)°С, достаточно иметь (0,5-3)°С. Поток газа способен поднимать большие расходы раствора в виде пленки, обеспечивая при этом толщину пленки 2-10 мм, что позволяет выпаривать из жидкости большие расходы вторичного пара, который тут же в зоне испарения конденсируется на поверхности внутренних труб, не создавая осевой скорости, а следовательно, и повышения гидравлического сопротивления, температуры кипения.
Наличие на нижних торцах патрубков для отвода конденсата вторичного пара, размещенных с зазором по длине цилиндрических труб, сливных патрубков с гидрозатвором, а в верхней части патрубков для отвода конденсата на их боковой поверхности устройств для обеспечения вращательно-поступательного движения паро(газо)-жидкостной смеси обеспечивает за счет центробежной силы отделение капелек раствора от вторичного пара, перемещающего к поверхности внутренних труб, что позволяет работать при высокой производительности по вторичному пару и предотвращает попадание раствора в конденсат вторичного пара.
Размещение патрубков для отвода конденсата вторичного пара с зазором по длине цилиндрических труб позволяет обеспечить требуемый расход вторичного пара для создания интенсивного его вращения при прохождении между пластинами и тем самым позволяет эффективно выводить капли из потока.
Наличие на нижних торцах патрубков для отвода конденсата вторичного пара сливных патрубков с гидрозатвором обеспечивает устойчивое стекание конденсата вторичного пара по виткам внутренних труб. В противном случае такой аппарат не работоспособен из-за неизбежного срыва пленки конденсата с поверхности витков внутренних труб вторичным паром и компримированным газом, поднимающихся вверх, то есть противотоком.
Размещение в верхней части патрубков для отвода конденсата на их боковой поверхности устройств, для создания вращательно-поступательного движения паро(газо)-жидкостной смеси позволяет обеспечить центробежную силу, которая, воздействуя на капли раствора в паре, отбрасывает их в пленку раствора, предотвращая тем самым попадание капель в конденсат вторичного пара, что увеличивает производительность аппарата по выпариваемой влаге, так как можно проводить процесс выпаривания при высокой паровой нагрузке.
На фиг.1 изображен пленочный выпарной аппарат с восходящей пленкой; на фиг.2 - цилиндрическая и внутренняя трубы с патрубком для отвода конденсата и устройством для создания вращательно-поступательного движения паро(газо)-жидкостной смеси; на фиг.3 - разрез цилиндрической трубы по сечению А-А.
Выпарной аппарат с восходящей 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 конденсата вторичного пара 6, подвода и отвода теплоносителя 7 и 8, подвода и отвода хладагента 9 и 10, подвода и отвода компримированного газа 11 и 12, вспомогательными штуцерами 13. Пленочный аппарат также имеет камеры для ввода суспензии 14 и вывода концентрированного раствора и отработанного газа 15, греющую камеру 16, камеру для вывода конденсата вторичного пара 17. В корпусе аппарата размещены цилиндрические трубы 18 и коаксиально установлены внутренние трубы 19, выполненные в виде змеевика из витков 20. В кольцевых полостях, образованных цилиндрической 18 и внутренней 19 трубами, по их длине установлены патрубки для отвода конденсата вторичного пара 21. На нижние торцы этих патрубков, размещенных по длине цилиндрических труб с зазором относительно друг друга, герметично установлены сливные патрубки 22, снабженные гидрозатвором 23. Причем в верхней части патрубков для отвода конденсата вторичного пара 21 на их боковой поверхности установлены устройства для создания вращательно-поступательного движения паро(газа)-жидкостной смеси, выполненные в виде наклонных пластин 24, установленных под углом к оси патрубка. В нижние торцы цилиндрических труб 18 коаксиально с зазором установлены распределители жидкости, выполненные в виде цилиндрических втулок 25, для формирования пленки раствора.
Выпарной аппарат со стекающей пленкой работает следующим образом. Компримированный газ через штуцер 11 поступает в камеру 17. Одновременно раствор через штуцер 4 поступает в камеру 14, где распределяется на нижней горизонтальной перегородке камеры 14, а затем перетекает в кольцевые зазоры, образованные внутренней поверхностью цилиндрической трубы 18 и наружной поверхностью втулки 25. Газ транспортирует раствор в виде пленки по внутренней поверхности цилиндрических труб. Это позволяет вести процесс при высоких значениях коэффициента теплоотдачи и сравнительно низкой полезной разности температуры. Раствор, интенсивно перемешиваясь, нагревается через стенку цилиндрических труб теплоносителем, поступающим через штуцер 7 в греющую камеру 16, вследствие чего он закипает. Образуется поток вторичного пара и капель раствора, сорванных с поверхности пленки. Парожидкостная смесь поступает в кольцевые зазоры, образованные внутренней поверхностью цилиндрических труб 18 и наружной поверхностью патрубков 21, проходит через наклонные пластины 24, приобретает вращательно поступательное движение. Вследствие чего возникает центробежная сила, которая отбрасывает капли раствора на поверхность пленки. Пленка на выходе из цилиндрических труб поднимается в камеру концентрированного раствора 15 и выводится через штуцер 5. Освободившийся от капель вторичный пар конденсируется на поверхности внутренних труб 19, в полость которых подается охлаждающая вода через штуцер 9. Отвод охлаждающей воды осуществляется через штуцер 10. Образовавшийся конденсат по виткам 20 внутренних труб 19 стекает в полость патрубков 21 и далее через сливные патрубки 22 удаляется через штуцер 6. Конденсат, находящийся в гидрозатворе 23, препятствует проникновению газа в полость сливных труб 22 и обеспечивает тем самым непрерывный слив конденсата.
Использование заявляемого пленочного выпарного аппарата с восходящей пленкой позволяет увеличить производительность аппарата и уменьшить полезную разность температур, что снижает капитальные и текущие затраты, а следовательно, и себестоимость выпускаемого продукта.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1579515, М.кл. B01D 1/22.
2. Авторское свидетельство СССР №1745278, М.кл. B01D 1/22, 1992 г., БИ №5.