ИСПАРИТЕЛЬ

Полезная модель относится к технике проведения тепло- и массообменных процессов, а именно испарению жидких сред (жидкостей, растворов, суспензий) в режиме кипения, и может быть использована 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.
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.
Наиболее близким техническим решением является 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 В01D 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. Эти недостатки определяют малую удельную производительность по испаренной жидкости, а для того, чтобы увеличить общую производительность аппарата, необходимо увеличивать его конструктивные размеры, что ведет к увеличению его габаритов и металлоемкости.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является повышение производительности аппарата путем увеличения эффективности испарения за счет того, что жидкость подают на греющие поверхности в виде капель и испарение происходит с поверхности капель, что ведет к увеличению интенсивности (т.е. увеличению коэффициентов тепло- и массоотдачи) испарения и суммарной поверхности испарения без увеличения конструктивных размеров аппарата, к уменьшению времени испарения и, соответственно, его габаритов и металлоемкости.
Технический результат достигается тем, что 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.
Нагрев греющих поверхностей осуществляют любым известным способом: паром, жидким теплоносителем или электрическими нагревательными элементами.
Устройства для распределения жидкости, создающей капельный режим истечения, известны и применяются, например, в распылительных сушилках. В общем случае они могут быть механическими - это форсунки, в которые жидкость нагнетается насосом под давлением до 20 МПа; пневматическими - это форсунки, в которые жидкость нагнетается сжатым воздухом под давлением 0,15-0,5 МПа; центробежными, в которых жидкость подается на быстро вращающийся диск и разбрызгивается в виде капель; с коллекторным распределением.
При подаче на греющие поверхности жидкости в виде капель, испарение жидкости идет с поверхности капель и суммарная поверхность испарения возрастает по сравнению с конструктивными размерами греющих поверхностей и, соответственно, с поверхностью пленки в несколько раз.
Так, суммарная площадь поверхности капель с диаметром равным толщине пленки больше по сравнению с поверхностью пленки жидкости такого же общего объема в 6 раз. Если диаметр капли меньше толщины пленки, то это соотношение только увеличится.
Греющие поверхности выполнены наклонно к горизонтали для того, чтобы обеспечить по ним движение под действием силы тяжести испаряющихся капель. Для того, чтобы уменьшить габарит аппарата, сохраняя необходимый размер греющей поверхности, она выполнена в виде зигзагов, герметично закрепленных на противоположных стенках со смещением и зазором. При этом зигзагообразные поверхности одновременно являются и компенсаторами температурных деформаций. Малые размеры капель и их движение по теплообменным поверхностям, в результате которого капли контактируют с теплообменной поверхностью разными сторонами, обеспечивают равномерный и интенсивный прогрев всего объема капель.
Температура греющих поверхностей поддерживается в диапазоне температур, превышающих в 1,2-2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости. Этот диапазон температур соответствует минимальному времени испарения капель, что обеспечивается развитым, бурным пузырьковым режимом кипения, при котором коэффициент теплоотдачи в 2-3 раза превышает коэффициент теплоотдачи, характерный для испарения при пленочном режиме течения жидкости. Испарение капель сопровождается эффектом «взрывного кипения». В результате потери устойчивости межфазной поверхности жидкость-пар возникают фронты испарения. Определяющую роль при их распространении в метастабильной жидкости играет импульс отдачи пара. Это еще больше интенсифицирует процесс испарения.
Вследствие этого, в предлагаемой конструкции испарителя существенно увеличиваются коэффициенты тепло- и массоотдачи, поверхность испарения, а время испарения уменьшается, что приводит к увеличению производительности аппарата.
На фиг. показан испаритель, обогреваемый греющим паром. Он состоит из обогреваемого корпуса 1 с штуцерами ввода 2 и вывода 3 греющего пара; верхней крышки 4 с штуцерами подачи исходной жидкости 5 и отвода пара 6; нижней крышки 7 с штуцером вывода упаренной жидкости 8 (в случае, если в испарителе осуществляют не полное испарение); устройства 9 для распределения в виде капель жидкости 10; греющих поверхностей 11, выполненных в виде зигзагов, герметично закрепленных на противоположных стенках со смещением и зазором. Греющие поверхности расположены наклонно, с углом наклона α=10-40° к горизонтали.
CT
Испаритель работает следующим образом. Греющий пар подается в корпус 1 через штуцеры 2 с параметрами, обеспечивающими необходимую температуру t греющих поверхностей. Испаряемая жидкость через штуцер 5 поступает в устройство для распределения жидкости 9. Из устройства 9 для распределения жидкости, жидкость в виде мелкодисперсных капель 10 попадает на наклонные греющие поверхности 11. Под действием силы тяжести капли движутся по наклонным поверхностям переходя с одной стороны зигзага на другую. При этом капли интенсивно испаряются, уменьшая свой объем. Полученный пар, за счет естественной конвекции, движется вверх и удаляется через штуцер 6. Если в испарителе осуществляют неполное испарение, то упаренный концентрированный раствор собирается в нижней крышке 7 и удаляется через штуцер 8. Общая необходимая длина греющих поверхностей зависит от теплофизических свойств испаряемой жидкости, температуры нагрева греющей поверхности, угла ее наклона и заданной степени испарения, вплоть до полного испарения.
Таким образом, предлагаемый испаритель позволяет увеличить производительность аппарата путем увеличения интенсивности испарения, уменьшить время испарения, габариты аппарата и его металлоемкость.