СПОСОБ ИСПАРЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ИСПАРИТЕЛЕ
METHOD OF FLUID EVAPORATION IN EVAPORATOR

Изобретение 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 способ испарения жидких сред при кипении в большом объеме, ограниченном стенками аппарата. Нагрев жидкости может осуществляться через днище, стенки аппарата, встроенными внутренними нагревательными элементами, либо совмещенными вариантами (Бойко, Е.А. Котельные установки и парогенераторы: учебное пособие / Е.А.Бойко. Красноярск: Красноярский гос.тех. ун-т., 2005. 294 с.).
Недостатками данного способа являются ограниченная конструктивными размерами аппарата поверхность испарения, значительное время испарения, малая удельная производительность, возможность температурного перегрева греющих поверхностей, вследствие чего пузырьковый режим кипения переходит в пленочный режим кипения, при котором резко уменьшаются коэффициент теплоотдачи и интенсивность испарения.
Известен способ испарения жидких сред посредством распылительной сушки. Жидкий или пастообразный материал диспергируется механическими или пневматическими форсунками или центробежными дисками и образовавшиеся капли, падая, испаряются и сушатся в восходящем потоке газообразного теплоносителя (Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. Ч.2. Массообменные процессы и аппараты / Ю.И.Дытнерский. - М.: Химия, 1995. - С.266-268.).
Известен способ опреснения соленой воды, включающий подачу соленой воды в систему для опреснения соленой воды, разбрызгивание соленой воды в испарительную камеру, испарение капель в испарительной камере с выделением соли (патент RU 2335345, МПК B05D 1/08, C02F 1/12, 10.10.2008.).
Общими недостатками испарения жидких сред при падении капель в восходящем потоке газообразного теплоносителя являются малый коэффициент теплоотдачи от газообразного теплоносителя к поверхности капли жидкости и малое время контакта капли с теплоносителем, что определяет малую удельную производительность (малое напряжение объема) по упаренной влаге и повышенный расход энергии, связанный с низкой эффективностью использования тепла.
Известен способ испарения, реализованный в тонкопленочном центробежном выпарном аппарате. Испаряемую жидкость подают в виде пленки на наклонные обогреваемые теплообменные поверхности, выполненные в виде конического ротора. Испарение осуществляют с поверхности пленки при ее течении по поверхности ротора (авт. свид. СССР №948390, МПК B01D 1/22, 7.08.1982.).
Недостатками способа испарения в роторно-пленочных испарителях являются относительно малая производительность, определяемая малой поверхностью испарения, равной площади поверхности пленки и определяемой только размерами ротора, пониженные коэффициенты тепло- и массоотдачи, что связано с необходимостью сохранения целостности пленки и, соответственно, ограничения теплового потока для обеспечения такой температуры греющей поверхности, при котором испарение происходит в режиме, не выходящем за пределы начала или слаборазвитого пузырькового режима кипения.
Известен способ нагрева и испарения органических жидкостей в трубчатом пленочном испарителе, в котором падающая пленка движется по необогреваемой поверхности, а нагрев жидкости осуществляется излучением от размещенной внутри аппарата трубы Фильда и путем контакта с движущимся вдоль пленки парообразным теплоносителем, который вводят между трубой Фильда и пленкой жидкости (авт. свид. СССР №1197682, МПК B01D 1/22, 15.12.1985.).
Недостатками данного способа являются малая удельная поверхность испарения, большая энергоемкость, необходимая для обеспечения температур нагрева излучением, малые коэффициенты теплоотдачи при излучении от парообразного теплоносителя и, соответственно, малые коэффициент массоотдачи и удельная производительность по упаренной влаге.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ испарения жидкостей в испарителе с падающей пленкой путем полного смачивания жидкостью всей нагретой твердой поверхности в форме испарительных трубок и равномерного распределения жидкости на входе в испаритель с помощью двух расположенных друг над другом и смещенных относительно друг друга перфорированных коробчатых распределителей и теплоизоляции трубной решетки (патент РФ №2200608, МПК B01D 1/06, B01D 1/22, 20.03.2003 г.).
Недостатком реализации данного способа является то, что при этом требуется усложнение конструкции аппарата, заключающееся в том, что для обеспечения устойчивой пленки жидкости во всех трубах необходима установка дополнительного двухступенчатого перфорированного коробчатого распределителя, установка промежуточной решетки и теплоизоляция верхней и нижней трубной решетки.
Также общими недостатками известного способа испарения с падающей (стекающей по вертикальной поверхности) пленкой жидкости являются неравномерность толщины пленки по высоте и, соответственно, неравномерность ее прогрева; необходимость для сохранения целостности пленки соблюдения такого теплового потока, при котором в пленке жидкости обеспечивается только начало или слаборазвитое пузырьковое кипение, при котором коэффициенты тепло-  массоотдачи значительно ниже, чем при развитом пузырьковом режиме кипения.
Задача, на которую направлено предлагаемое изобретение - разработка способа испарения, позволяющего уменьшить время испарения, поверхность нагрева, габариты и металлоемкость оборудования.
Технический результат - повышение производительности процесса за счет увеличения интенсивности и поверхности испарения.
Технический результат достигается тем, что в способе испарения жидкости в испарителе путем смачивания жидкостью нагретой твердой поверхности, регулирования подводимой к испарителю жидкости и равномерного распределения жидкости на входе в испаритель, жидкость подают на нагретую поверхность в виде капель, при этом регулирование подводимой жидкости осуществляют так, что период подачи капель больше времени их испарения, а равномерное распределение жидкости определяется условием
к
где l - расстояние между подаваемыми каплями, d - диаметр капли, при этом температура нагретой поверхности
кип
где t - температура нагретой поверхности, t - температура кипения жидкости при рабочем давлении.
Нагрев поверхности можно осуществлять любым способом, например паром, жидким теплоносителем с температурой, превышающей температуру кипения испаряемой жидкой среды или электрическими нагревательными элементами. Новым является то, что испаряемую жидкую среду подают на нагретую поверхность в виде капель и процесс испарения осуществляется в режиме кипения капель.
При испарении жидкости с поверхности капель 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.
Регулирование подачи капель обеспечивается с периодом, большим времени их испарения, для того, чтобы предыдущая капля успела испариться и освободить нагретую поверхность для последующей капли.
Распределение капель на нагретой поверхности определяется условием (1), в связи с тем что, капля, падая на поверхность, как бы расплющивается, приобретая вначале форму, близкую к тороиду, а затем стягивается в приплюснутую полусферу, смачивая при этом определенную часть нагретой поверхности.
Передача тепла от нагретой поверхности и испарение капли жидкости происходит в пределах этого влажного пятна. Диаметр смоченной поверхности зависит от диаметра капли, высоты падения капли и от разности температуры нагретой поверхности и температуры кипения жидкости, т.е. температурного напора Δt, и составляет в зависимости от влияющих факторов (2,5÷5) диаметра капли. Для того, чтобы капли при испарении не перекрывали площади испарения друг друга, и выбрано в этих пределах расстояние между подаваемыми каплями. Температура нагретой поверхности определяется из условия (2). Этот диапазон температур соответствует минимальному времени испарения капель и, соответственно, максимальным коэффициентам тепло- массоотдачи, которые в 2-3 раза превышают коэффициенты при испарении, характерном для пленочного режима течения жидкости, при котором испарение вынужденно ведется при температурах нагретой поверхности, обеспечивающих только начало или слаборазвитый пузырьковый режим кипения, при которых не разрушается целостность пленки. Переход капель от жидкого состояния к парообразному 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.
Для капельного испарения исключен режим малоэффективного пленочного испарения, который не развивается в малом объеме капли. При значительном превышении температуры нагретой поверхности выше температуры кипения жидкости капля стягивается в сфероид (для воды при атмосферном давлении Δt=150-170°C) и испаряется, скатываясь по нагретой поверхности.
Общий вид устройства для реализации способа испарения жидкости в испарителе представлен на фиг.1. На фиг.2 представлены в аксонометрии основные внутренние узлы этого устройства. На фиг.3 представлены графики результатов экспериментальных исследований по определению коэффициентов теплоотдачи и удельного теплового потока в зависимости от температурного напора Δt в сравнении с данными, приводимыми в литературных источниках по известному способу, принятому за прототип (Соколов, В.Н. Машины и аппараты химических производств. Примеры и задачи / В.Н.Соколов; под ред. Соколова В.Н. - Л.: Машиностроение, 1982. - С.199.), и способу испарения в большом объеме (Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. Ч. 1. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты / Ю.И.Дытнерский. - М.: Химия, 1995. - С.289-292.).
Испаритель состоит из корпуса 1 с патрубком подачи жидкости 2, крышки 3 с патрубком отвода пара 4. К патрубку подачи жидкости 2 присоединен распределитель жидкости 5. В нижней части корпуса 1 расположены электронагревательные элементы 6, присоединенные к клеммам 7 источника тока (на фиг.1 не показан). Для исключения тепловых потерь электронагревательные элементы 6 дополнительно защищены пластинами 8 из теплоизолирующего материала. Над электронагревательными элементами 6 расположена нагреваемая пластина 9, выполненная из твердого теплопроводного материала, например стали.
Способ испарения жидкости в испарителе осуществляется следующим образом. Под действием электрического тока электронагревательные элементы 6 нагревают пластину 9 до температуры, определяемой из условия (2). По патрубку 2 в распределитель 5 поступает жидкость, которая из отверстий распределителя 5 периодически подается в виде капель, при этом период подачи капель жидкости больше времени их испарения. В этом случае каждая капля жидкости после падения на поверхность пластины 8 успевает полностью испариться до падения на поверхность пластины следующей капли. Кроме того, при выполнении условия (2) для температуры пластины 9 и температуры кипения жидкости испарение каждой капли идет в режиме ее кипения. Для того чтобы капли при испарении не перекрывали площади испарения друг друга, расстояние между подаваемыми каплями определяется условием (1), т.е. равно (2,5÷5) диаметра капли.
Пример. Были проведены опытные исследования капельного испарения для воды при атмосферном давлении и проведено сравнение при тех же условиях с данными при испарении в большом объеме жидкости и для испарения при пленочном течении жидкости, выбранном за прототип (фиг.3).
2
2
Реальная область практического применения испарения в химической технологии соответствует участку BD на кривой 1 зависимости коэффициента теплоотдачи α от теплового напора Δt. Для испарения в большом объеме максимальные практические значения коэффициентов теплоотдачи соответствуют их значениям в районе точки D на кривой 1 и составляют примерно 12000-13000 Вт/(м °С). При таких значениях коэффициента теплоотдачи удельный тепловой поток q (кривая 2) достигает значений 0,7-0,8 МВт/м при температурном напоре Δt, не превышающем 20-30°С. Это характерно для режима развитого пузырькового кипения жидкости.
2
2
Для испарения при пленочном течении жидкости необходимо ограничение удельного теплового потока для сохранения целостности пленки, что возможно для испарения только в начале пузырькового кипения или при слаборазвитом пузырьковом кипении жидкости, т.е. участок ВС на кривой 1. Соответственно, максимальные значения коэффициентов теплоотдачи при этом могут достигать 6000-8000 Вт/(м °С), удельного теплового потока 0,12-0,14 МВт/м, а температурный напор не превышает 10-20°С.
2
2
Для капельного испарения пленочный режим кипения не развивается во всем диапазоне температур перегрева нагреваемой поверхности вплоть до температур перехода капли в сфероидальное состояние Δt=150-170°C. Соответственно, для рабочего интервала температурного напора до 100-130°С коэффициенты теплоотдачи могут достигать значений до 20000 Вт/(м°C) и выше (кривая 3) при удельном тепловом потоке порядка 2 МВт/м (кривая 4).
В таблице приведено сравнение основных параметров процесса испарения в предлагаемом способе для испарения при пленочном течении жидкости и при испарении в большом объеме.
Таблица
п/п
Способ испарения
Вид испарения жидкости
Температурный напор Δt,°С
Коэффициент теплоотдачи α, Вт/(м<sup>2</sup> °С)
Удельный тепловой поток q, МВт/м<sup>2</sup>
1.
Предлагаемый способ
капельное испарение с нагретой поверхности
20-130
15000-20000
1,5-2
2.
Способ по прототипу (патент РФ №2200608, 2003 г.)
испарение припленочном течении жидкости по нагретой поверхности
10-20
6000-8000
0,12-0,14
3.
Способ испарения в большом объеме
испарение при развитом пузырьковом режиме кипения
20-30
12000-13000
0,7-0,8
Как видно из результатов экспериментальных исследований, приведенных в таблице, предлагаемый способ испарения жидкости в испарителе позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи в 2,5 раза по сравнению со способом, выбранным за прототип, а по сравнению с известным способом испарения в большом объеме в 1,25-1,5 раза. Удельный тепловой поток в предлагаемом способе по сравнению с прототипом возрастает в 12,5-14,3 раза, а по сравнению со способом испарения в большом объеме в 2-2,5 раза.
Таким образом, предлагаемый способ испарения жидкости в испарителе, включающий подачу жидкой среды в виде капель на нагретую поверхность, с осуществлением самого процесса испарения с поверхности этих капель в режиме развитого пузырькового кипения позволяет повысить производительность процесса за счет увеличения интенсивности и поверхности испарения.