ИСПАРИТЕЛЬ

Полезная модель относится к технике для 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 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. - с. с. 199-202.).
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, интенсивность и эффективность процесса испарения.
Известно устройство выпарное центробежного типа для концентрирования жидких растворов, содержащее корпус, выполненный с возможностью вращения греющий элемент конического профиля, поверхность которого представлена набором пластин, расположенных внахлест относительно друг друга в направлении вращения конуса, с возможностью изменения угла наклона - конусности (патент РФ №2509591, МПК B01D 1/12, B01D 1/22, 20.03.2014 г.).
Недостатками данного устройства являются относительно малая производительность, определяемая малой поверхностью испарения, равной площади поверхности пленки, определяемой только размерами греющего элемента конического профиля, а также пониженные коэффициенты тепло- и массоотдачи, что связано с ограничением теплового потока для обеспечения такой температуры греющей поверхности, при котором испарение происходит в режиме, не выходящим за пределы начала или слаборазвитого пузырькового режима кипения.
к
к
кип
кип
Известен способ испарения жидкости в испарителе, в который жидкость через трубчатый коллектор равномерно подается на греющую поверхность в виде капель, причем регулирование подводимой жидкости осуществляют так, что период подачи капель больше времени их испарения, а равномерное распределение жидкости определяется условием l=(2,5÷5)d, где d - диаметр капли, а температура греющей поверхности равна t=(1,2÷2,3)t, где t - температура кипения жидкости при рабочем давлении (патент РФ №2462286, МПК B01D 1/22, 27.09.2012 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.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является 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, при этом устройство для распределения жидкости закреплено неподвижно, а греющая поверхность представляет собой диск, установленный на валу с возможностью вращения, причем устройство для распределения жидкости представляет собой кольцевой коллектор, закрепленный в верхней части корпуса, а между ним и диском дополнительно соосно закреплен нагреватель, имеющий форму обратного усеченного конуса с углом наклона к горизонтали 10÷40°, радиус малого основания конуса определяется соотношением
,
где φ - коэффициент трения, ω - угловая скорость вращения диска, g - ускорение свободного падения,
а температура поверхности нагревателя превышает в 2,5÷3 раза температуру кипения испаряемой жидкости (патент РФ №131983, МПК B01D 1/22, 10.09.2013 г.).
Недостатком данного испарителя является то, что использование в его конструкции в качестве устройства для распределения жидкости кольцевого коллектора приводит к неравномерному орошению конического нагревателя и греющего диска, что позволяет отдельным каплям жидкости сливаться в сплошную жидкостную пленку на греющем диске, что, в свою очередь, способствует переходу капельного режима кипения в пленочный и приводит к снижению интенсивности и эффективности процесса испарения. Данное обстоятельство обусловлено различным по длине коллектора гидравлическим сопротивлением, из-за чего расход жидкости через отверстия коллектора убывает пропорционально удалению отверстий от штуцера подачи испаряемой жидкости. Таким образом, из близлежащих к этому штуцеру отверстий помимо капель могут срываться также и струи жидкости.
Кроме того, при испарении жидкой фазы суспензий отверстия коллектора с течением времени могут забиваться твердыми частицами, что приведет к частичной или полной закупорки одних отверстий, когда через другие будут срываться струи испаряемой жидкости при ее постоянной подаче в испаритель. Это обстоятельство также будет способствовать снижению интенсивности и эффективности процесса испарения.
Также недостатком является то, что капли испаряемой жидкости скатывающиеся с кольцевой поверхности малого основания конуса попадают на узкую кольцевую область поверхности греющего диска. Соответственно большая часть поверхности греющего диска практически не участвует в процессе испарения капель. Также увеличивается вероятность слияния отдельных капель в жидкостную пленку, особенно при повышенных расходах испаряемой жидкости, что способствует снижению интенсивности и эффективности процесса испарения.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является повышение интенсивности и эффективности процесса испарения.
Технический результат достигается тем, что испаритель содержит вертикальный корпус, греющий диск для испарения подаваемой на него в виде капель жидкости, установленный на валу с возможностью вращения и имеющий температуру, превышающую в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, при этом над греющим диском соосно с ним закреплен нагреватель в виде обратного усеченного конуса с углом наклона к горизонтали 10÷40°, радиус малого основания которого определяется соотношением
где φ - коэффициент трения,
2
g - ускорение свободного падения, м/с,
ω - угловая скорость вращения диска, об/с,
а температура поверхности нагревателя превышает в 2,5÷3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, при этом испаритель снабжен распылительным диском, установленным соосно на одном валу с греющим диском, профиль малого основания обратного усеченного конуса выполнен в виде вырезанной кривой или ломаной линии с радиусом линии выреза, равным
где r - радиус малого основания обратного усеченного конуса, м,
при этом радиус распылительного диска определяется соотношением
где ω - угловая скорость вращения диска, об/с,
ν
3
q - расход испаряемой жидкости, м/ч,
а радиус греющего диска определяется соотношением
где φ - коэффициент трения,
2
g - ускорение свободного падения, м/с,
ω - угловая скорость вращения диска, об/с,
В
r - радиус линии выреза профиля малого основания обратного усеченного конуса, м,
τ - время испарения капель жидкости на греющем диске, с.
Наличие в испарителе распылительного диска, установленного соосно на одном валу с греющим диском и имеющего радиус, определяемый соотношением (3), позволяет осуществлять равномерный распыл испаряемой жидкости в виде отдельных капель разного размера по всей площади поверхности нагревателя, имеющего форму обратного усеченного конуса. Это обстоятельство уменьшает вероятность слияния отдельных капель испаряемой жидкости в сплошную жидкостную пленку на поверхности греющего диска, что, в свою очередь, уменьшает вероятность перехода от капельного режима кипения к пленочному и приводит к увеличению интенсивности и эффективности процесса испарения.
Пленка жидкости, текущая по поверхности вращающегося распылительного диска, разрывается с образованием однородных по размеру первичных капель и более мелких капель-спутников, массовая доля которых от общей массы испаряемой жидкости составляет 0,05÷0,25 (Пажи, Д.Г., Галустов, B.C. Основы техники распыливания жидкостей: монография / Д.Г. Пажи, B.C. Галустов; М: Химия, 1984. - с.с. 17-18, 144-145.). Коэффициент 0,02÷0,54 в соотношении (3) зависит от физических свойств испаряемой жидкости: плотности, динамической вязкости и поверхностного натяжения, а также от того, какой размер первичных капель жидкости необходимо получить при ее распыле с помощью распылительного диска. Несоблюдение заявленного соотношения (3) будет способствовать срыву с кромки распылительного диска не отдельных капель, а струй и обрывков жидкостной пленки, что приведет к образованию на поверхности греющего диска сплошной пленки жидкости и, в свою очередь, к уменьшению интенсивности и эффективности процесса испарения в целом.
Для еще большего уменьшения вероятности слияния отдельных капель испаряемой жидкости в сплошную жидкостную пленку на поверхности греющего диска профиль малого основания обратного усеченного конуса выполнен в виде вырезанной кривой или ломаной линии. В этом случае скатывающиеся с конуса капли попадают на диск на широкую кольцевую площадь в диапазоне радиусов, определяемых соотношением (2). При этом уменьшается возможность контактирования капель между собой и, соответственно, возможность их слияния в пленку или струйки, а поверхность греющего диска практически вся участвует в процессе теплообмена и испарения. Это обстоятельство приводит к увеличению интенсивности и эффективности процесса испарения. Минимальный радиус соотношения (2) определяется минимальной центробежной силой (согласно соотношению (1)), которая обеспечивает удаление твердого остатка, образующегося после испарения жидкой фазы суспензии или раствора, т.е. обеспечивает саморазгрузку греющего диска. Максимальный радиус соотношения (2) связан с ограничением размера греющего диска согласно соотношению (4), которое позволяет определить радиус греющего диска, при котором в соответствии с технологическими требованиями обеспечивается полное или частичное испарение чистых жидкостей, растворов и суспензий.
Нагрев поверхностей греющего диска и нагревателя, имеющего форму обратного усеченного конуса, осуществляют любым известным способом: паром, жидким теплоносителем или электрическими нагревательными элементами.
На фиг. 1 показана схема испарителя с электрическим обогревом греющих поверхностей. На фиг. 2 показан вид сверху нагревателя, имеющего форму обратного усеченного конуса.
Испаритель состоит из цилиндрического корпуса 1 со штуцерами отвода пара 2 и дренажными штуцерами 3. Вверху корпуса расположено устройство для распределения жидкости в виде распылительного диска 4, имеющего радиус, определяемый соотношением (3), к которому подведен патрубок со штуцером 5 подачи испаряемой жидкости. Под ним соосно закреплен дополнительный нагреватель, состоящий из греющей поверхности 6, имеющей форму обратного усеченного конуса с углом наклона к горизонтали 10÷40° и с температурой поверхности, превышающей в 2,5÷3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, которая обеспечивается электронагревателем 7. Радиус малого основания конуса определяется соотношением (1), а его профиль представляет собой вырезанную кривую или ломаную линию с радиусом линии выреза определяемым соотношением (2). Конкретный вид профиля зависит от технологии его изготовления: вначале на плоской развертке усеченного конуса делается вырез, а затем развертку сворачивают до получения тела вращения и сваривают по стыковочному шву. Если вырез производится вырубкой листового металла, то профиль, вероятнее всего, будет представлять собой ломанную линию, т.к. при этом не требуется изготавливать специальный вырубной штамп. Если же вырез производится с помощью дисковых ножниц, то с их помощью возможно получить профиль как в виде кривой, так и в виде ломанной линии (фиг. 2).
Ниже электронагревателя 7 расположен греющий диск 8 с греющей поверхностью 9, имеющей температуру, превышающей в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, и обогреваемой электронагревателем 10. Для сведения к минимуму вероятности слияния отдельных капель испаряемой жидкости в сплошную жидкостную пленку на поверхности греющего диска 8, рекомендуется располагать его от малого основания обратного усеченного конуса на таком расстоянии, при котором время падения капель жидкости с этого расстояния на греющую поверхность 9 греющего диска 8 больше времени их испарения на нем.
Радиус греющего диска 8 определяется соотношением (4). Оба диска: распылительный 4 и греющий 8, расположены соосно на валу 11, который приводится во вращение (привод вала условно не показан). Подвод электропитания на электронагреватель 10 осуществляется через клеммы 12.
Испаритель работает следующим образом. Испаряемая жидкость подается через штуцер 5 и патрубок на поверхность вращающегося распылительного диска 4 в виде струи, которая растекается по его поверхности в виде пленки. За счет того, что радиус распылительного диска 4 определяется соотношением (3), пленка жидкости на кромке диска разрывается с образованием однородных по размеру первичных капель и более мелких капель-спутников, образуя факел распыла, перекрывающий большую часть площади греющей поверхности 6 нагревателя, имеющего форму обратного усеченного конуса. При контакте капель с греющей поверхностью 6 жидкость в них практически мгновенно прогревается до температуры кипения. В связи с тем, что температура греющей поверхности 6 превышает температуру кипения испаряемой жидкости в 2,5÷3 раза, что соответствует так называемой температуре Лейденфроста, жидкость перестает контактировать с греющей поверхностью 6 и гарантированно переходит в сфероидальное состояние. При этом между «шариками» жидкости и греющей поверхностью 6 образуется паровая прослойка. Так как греющая поверхность 6 имеет уклон 10÷40°, «шарики» жидкости скатываются с греющей поверхности 6 конуса и попадают на греющую поверхность 9 греющего диска 8, которая электронагревателем 10 нагрета до температуры, превышающей в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости. При такой температуре греющей поверхности 9 попадающие на нее капли жидкости вследствие адгезионного взаимодействия как бы «прилипают» к ней и испаряются в режиме кипения. За счет того, что профиль малого основания обратного усеченного конуса выполнен в форме кривой или ломаной линии с максимальным радиусом линии выреза, определяемым соотношением (2), а расстояние от малого основания обратного усеченного конуса до греющего диска 8 выполнено таким, при котором время падения капель жидкости с этого расстояния на поверхность греющего диска 8 больше времени их испарения на нем, достигается минимальная вероятность слияния отдельных капель испаряемой жидкости в сплошную жидкостную пленку на греющей поверхности 9. При относительно малых скоростях вращения греющего диска 8 капли испаряемой жидкости могут испаряться оставаясь неподвижно на месте попадания на диск. При более высоких угловых скоростях вращения диска 8 капли при испарении несколько смещаются к периферии, не отрываясь от поверхности диска.
При полном испарении жидкой фазы суспензии или выпариваемого раствора остающийся твердый сухой остаток под действием центробежной силы сбрасывается с диска 8, предотвращая образования твердых отложений на греющей поверхности 9. 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 сконцентрированные суспензия или упаренный раствор удаляются через дренажные штуцеры 3.
Таким образом, предлагаемый испаритель благодаря всей совокупности заявленных признаков способствует повышению интенсивности и эффективности процесса испарения.