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 использовано в химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности, в испарителях, дистилляторах, сушилках, выпарных и массообменных аппаратах.
Известна конструкция испарителя, используемого для 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: учеб. пособ. / Е.А.Бойко; Красноярск: Красноярский гос. тех. ун-т., 2005, 294 с.).
Недостатками данной конструкции 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 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, MПК B01D 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.
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: учеб. 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 РФ №2335345, МПК B05D 1/08, C02F 1/12, 10.10.2008 г.).
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 тонкопленочный центробежный выпарной аппарат, в котором 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 (авторское свидетельство СССР №948390, МПК B01D 1/22, 7.08.1982 г.).
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 выходящим за пределы начала или слаборазвитого пузырькового режима кипения.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является 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, при этом 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 B01D 1/22, 20.04.2012 г.).
Недостатком данного испарителя является то, что при испарении растворов или суспензий на неподвижной греющей поверхности остается твердый остаток, загрязняющий ее и создающий дополнительное термическое сопротивление, что, соответственно, уменьшает интенсивность теплоотдачи и эффективность процесса испарения.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является предотвращение образования твердых отложений на греющей поверхности и, соответственно, исключение дополнительных термических сопротивлений теплоотдаче с сохранением высокой интенсивности и эффективности процесса испарения.
Технический результат достигается тем, что испаритель, содержащий вертикальный 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, причем устройство для распределения жидкости представляет собой коллектор, выполненный 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, при этом отверстия на одной трубке относительно другой смещены на расстояние, равное половине шага между отверстиями, отличается тем, что устройство для распределения жидкости закреплено неподвижно, а греющая поверхность представляет собой диск, установленный на валу с возможностью вращения.
Нагрев греющих поверхностей осуществляют любым известным способом: паром, жидким теплоносителем или электрическими нагревательными элементами.
На фиг.1 показана схема испарителя с электрическим нагревом греющей поверхности, на фиг.2 разрез испарителя по А-А.
Испаритель состоит из корпуса 1 со штуцерами отвода пара 2 и дренажными штуцерами 3. Вверху корпуса расположено устройство для распределения жидкости 4. В нижней части корпуса расположен диск 5 с греющей поверхностью 6, обогреваемой электрическим нагревателем 7. Диск расположен на валу 8, который приводится во вращение (привод вала условно не показан). Подвод электропитания на нагреватель осуществляется через клеммы 9. На фиг.2 показано устройство для распределения жидкости 4, которое представляет из себя коллектор, выполненный в виде крестовины из взаимно перпендикулярных трубок 10 с отверстиями 11, 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.
Испаритель работает следующим образом. Электронагреватель 7 обеспечивает необходимую температуру греющей поверхности 6. Испаряемая жидкость подается в устройство для распределения жидкости 4. Проходя по трубкам 10 через отверстия 11, жидкость в виде капель подается на вращающуюся греющую поверхность 6. Попадая на греющую поверхность, капли жидкости начинают интенсивно испаряться, и, в то же время, под действием центробежной силы двигаются к периферии диска 5. При полном испарении жидкой фазы суспензии или выпаривания раствора остается твердый остаток, который под действием центробежной силы сбрасывается с диска, предотвращая образования твердых отложений на греющей поверхности. Полученный при испарении пар за счет естественной конвекции движется вверх и удаляется из аппарата через штуцеры 2. Сухой остаток или в случае неполного испарения капель жидкости концентрированные суспензия или упаренный раствор удаляется через дренажные штуцеры 3.
Ц
ТР
Скорость вращения диска должна быть такой, чтобы гарантировать сброс капли жидкости и образующейся твердой фазы с греющей поверхности, что обеспечивается условием саморазгрузки, т.е. центробежная сила P должна быть больше или равна силе трения F:
Ц
ТР
P≥F
или
2
mωr≥φmg,
где m - масса капли, ω - угловая скорость вращения, r - текущий радиус, φ - коэффициент трения, g - ускорение свободного падения.
Соответственно, угловая скорость вращения, обеспечивающая разгрузку греющей поверхности, должна быть:
.
Таким образом, предлагаемый испаритель позволяет предотвратить образование твердых отложений на греющей поверхности и, соответственно, исключить дополнительные термические сопротивления теплоотдаче, что позволяет сохранить высокую интенсивности и эффективность процесса испарения.