NO159140B - Fordamper og anvendelse derav. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en forbedret fordamper og, nærmere bestemt, en sentrifugalanordning for dette formål.

I produksjonsindustrien er det ofte ønskelig å omdanne en væske til dampform. Det kan f.eks. være nødvendig at et flytende matningsmateriale tilføres en reaksjon i dampfasen, eller en løsning kan konsentreres ved at en del av løsningsmidlet fjernes fra blandingen. For disse ulike formål er det i løpet av en årrekke utviklet en rekke forskjellige utstyr. De fleste av disse er av stasjonær type, men i senere tid er det, for enkelte anvendelsesområder, foreslått eller benyttet roterende fordampere av ulike typer.

I en publikasjon av K C D Hickman et al, "Advances in Chemistry Series", (1960) er det således på side 128-46 beskrevet en såkalt "Hickman Still" som ble konstruert og drevet for å studere dens mulighet for anvendelse ved destil-lering av brakkvann og saltvann. Apparatets lave virkningsgrad, jevnført med den teoretiske mulige, ble av forfatterne tilskrevet flere tenkbare faktorer.

En annen rotasjonsanordning er den såkalte "Centri-Therm" ultrakorttids-fordamper som er frembudt av firma Alfa-Laval for behandling av varmefølsomme væsker. I denne fordamper foregår varmeoverføring fra damp gjennom tykkelsen av koniske plater i sammenhengende stabel.

Formålet ved foreliggende oppfinnelse er å frembringe en roterbar fordamper som er egent for anvendelse over et vidt område, og som gir en høy grad av varmeoverføring.

Det er ifølge oppfinnelsen frembragt en fordamper som omfatter et antall stort sett parallelle plater som er dreibart opplagret om en felles akse, og som er utstyrt med midler som muliggjør at en kondenserbar damp kan strømme langs en første side av hver av platene, og at en væske hvorav i hvert fall en del skal fordampes, kan strømme langs den andre side av hver av platene, hvor platene er anordnet for å kunne rotere med slik rotasjonshastighet at enhver væske på platene vil påvirkes av en middelakselerasjon som, målt i radialretning i forhold til rotasjonsaksen, er større enn tyngeakselerasjonen. Fordamperen er kjennetegnet ved at den første side på hver av platene har en overflate som er innrettet for å motvirke dannelse av en sammenhengende væskefilm på platesiden, og at væsken mates til hver plate i umiddelbar nærhet av rotasjonsaksen.

Middelakselerasjonen uttrykk*es ved ligningen:

hvor N er platenes rotasjonshastighet om aksen, uttrykti om-dreininger pr. min., og x^ er avstanden i meter fra rotasjonsaksen til platenes radiale ytterdel.

Fordamperen ifølge foreliggende oppfinnelse kan komme til anvendelse praktisk talt i enhver situasjon hvor det er ønskelig at en væske omdannes til damp. Den kan eksempelvis benyttes som roterende destillator for rensing av et flytende produkt, såsom saltvann eller brakkvann. Fordamperen er særlig nyttig for konsentrering av en løsning ved fjerning av en del av løs-ningsmidlet. En slik løsning kan bestå av en væske som er opp-løst i et flytende løsningsmiddel, under forutsetning av at løsningsmidlet er mer flyktig enn det oppløste stoff. I de fleste tilfeller vil imidlertid løsningen inneholde et fast stoff i oppløst tilstand. I et spesielt tilfelle kan således fordamperen ifølge oppfinnelsen anvendes for konsentrering av saltlake, eksempelvis såkalt "svekket" saltoppløsning fra elektrolyttceller som benyttes ved klorfremstiIling, og i et annet tilfelle kan fordamperen anvendes for konsentrering av vandige kaustikksodaløsninger fra membranceller.

Det kondenserbare medium som strømmer langs den første side på hver av platene i fordamperen og derved tilfører varme i systemet, kan med fordel bestå av vanndamp. Det kan alternativt være dampformen av en av den kommersielt tilgjengelige eller egnede forbindelser eller blandinger av forbindelser som er spesielt betegnet som varmeoverføringsfluider. Det kan således bestå av et kjølemedium av klorfluorhydrokarbongruppen, særlig C1 til C2 forbindelser fra denne gruppe. Deri er innbe-fattet Refrigerant 22, bestående av klordifluormetan, Refrigerant 12 (diklordifluormetan), Refrigerant 115 (klorpentafluor-etan) og Refrigerant 114 (diklortetrafluoretan) samt kjøle-medier i form av aseotrope blandinger av nevnte forbindelser.

Som tidligere omtalt, har den første side på platene, dvs. den plateside langs hvilken den kondenserbare damp ledes og som utgjør et særtrekk ved fordamperen ifølge foreliggende oppfinnelse, en overflate som er innrettet for å motvirke dannelse av en sammenhengende væskefilm på platesiden. Denne første plateside er fortrinnsvis slik behandlet at (a) kondenseringen av den kondenserbare damp på platesiden foregår dråpevis, og at (b) evnen til å fuktes er nedsatt hvorved dannelse av en sammenhengende, permanent væskefilm motvirkes. I behandlingene inn-går påføring av et belegg, inneholdende blant annet et egnet silikon- eller polytetrafluoretylen, på overflaten.

For å splitte all væskefilm som ellers vil kunne dannes, kan den første plateside alternativt innbefatte fremspring som rager utad fra overflaten, eller fordypninger i overflaten, eller platen kan være korrugert. Disse særtrekk for splitting av filmen vil, dersom de er anordnet, fortrinnsvis forløpe generelt på tvers av en væskes radiale strømningsretning langs plateoverflaten. De er helst plassert i en eller flere sirkler, konsentrisk med platenes rotasjonsakse, eller i et kontinuerlig spiralmønster om samme akse. I én utførelsesform hvor overflaten kjennetegnes ved en eller flere kanaler i plateoverflaten, er det således foretrukket at kanalene er kontinuerlige, anordnet konsentrisk om rotasjonsaksen, eller i form av en kontinuerlig spiralkanal med aksen som sentrum.

Når disse særtrekk, f.eks. korrugeringer, fremspring eller fordypninger er plassert i konsentriske sirkler eller i et spiralmønster, er de innbyrdes adskilte sirkler eller suk-sessive spiralvindinger gjerne anordnet i et antall av 50-1000 pr. meter og fortrinnsvis mer enn 100 pr. meter. Mønstret av disse overflate-særtrekk har følgelig en stigning, dvs. avstand mellom innbyrdes påfølgende trekk i mønstret, som fortrinnsvis utgjør 1-20 mm, og helst mindre enn 10 mm. Hvis overflate-særtrekkene består av kanaler, har hver kanal fortrinnsvis en dybde av 0,05 - 5 mm, særlig 0,2 - 5 mm og helst 0,5 - 2,5 mm. Méget grunne kanaler, f.eks. med dybde av 0,05 - 0,25 mm, kan om ønskelig opprettes ved etsing av plateoverflaten.

Det utelukkes ikke at foruten å modifisere plateover-flatens profil, kan den plateside som bringes i kontakt med den kondenserbare damp, behandles for å nedsette dens evne til å fuktes.

Den andre plateside, dvs. den side langs hvilken det vil strømme en væske hvorav i hvert fall en del skal fordampes, kan med fordel behandles slik at den vil medvirke til opprettholdelse av en kontinuerlig væskefilm på platesiden. Denne behandling som kan være kjemisk, f.eks. etsing, eller fysisk, f.eks. sandblåsing, vil generelt ha som formål å gi overflaten en fingradet totalruhet.

Tykkelsen av platene som anvendes i anordningen ifølge oppfinnelsen, er generelt mellom 0,5 og 5 mm, beroende på materialet i konstruksjonen, den spesielle fordampning som skal gjennomføres og utformingen av de valgte overflate-særtrekk. Selv om platetykkelsen kan variere, og åpenbart vil variere ved enkelte former av overflate-særtrekk, er det i beskrivelsen generelt referert til platens tykkelse uten disse særtrekk. Platetykkelsen er fortrinnsvis 0,25 - 1,5 mm og helst 0,5 - 1,0 mm.

Ytterdiameteren av platene som anvendes i fordamperen ifølge foreliggende oppfinnelse , vil typisk variere mellom 10 cm og 5 meter og fortrinnsvis mellom 50 og 100 cm, og hvis platene er av sirkelringform vil innerdiameteren typisk ligge mellom 5 cm og 1 meter.

Gruppen av plater i fordamperen ifølge foreliggende oppfinnelse er montert stort sett parallelt med hverandre om den felles omdreiningsakse, og er plassert tett sammen for å av-grense trange kanaler. Den aksiale middeldybde av kanalene mellom tilgrensende plater er fortrinnsvis mindre enn 50 mm og helst 0,25 - 5 mm. Hvis kanalens aksialdybde varierer i kanalens radiale lengderetning, f.eks. slik at de to innbyrdes overforliggende sideflater som avgrenser kanalen innbefatter høye og lave overkantsoner, vil de den første sideflates lave over-kan tsoner flukte med den andre sideflates lave overkantsoner og den første sideflates høye kantsoner flukte med den andre sideflates høye kantsoner, mens mellomrommet ofte har en minste-bredde av ca. 2 mm og en størstébredde av ca. 8 mm.

Det vil i realiteten ofte foretrekkes at sideflatene på innbyrdes tilgrensende plater, dersom begge sideflater er pro-filert, er slik anordnet at fremspring på den ene plate befin-ner seg i flukt med fremspring på den annen. Det kan på denne måte opprettes en kontinuerlig, fersk stråle av den væske som dannes ved fortetting av den kondenserbare damp, ved at væsken, idet den strømmer gjennom kanalene mellom to plater med en rekke profileringer, utsprøytes fra et utadragendé konturparti på den ene plate og avsettes på et konturparti på den tilgrensende plates overforliggende sideflate, for hurtig å utstøtes fra et utadragende konturparti på sistnevnte plateside. Denne utstrømning vil foregå vekselvis mellom de utadragende kontur-partier på de to innbyrdes motvendte sideflater mens væsken gjennomstrømmer den mellomliggende kanal, hvorved varmeover-føringen gjennom platene og til væsken som skal fordampes, be-gunstiges .

I en velegnet, modifisert versjon av denne sistnevnte anordning er det på den ene sideflate opprettet lineære fremspring som er innrettet for å krysse lignende fremspring på den annen sideflate i en spiss vinkel, idet fremspringene på disse innbyrdes tilgrensende sideflater berører hverandre i krysnings-punktene. Konstruksjonen i sin helhet vil på denne måte for-sterkes ytterligere slik at det er mulig å benytte tynnere plater, hvilket resulterer i en videre forbedret varmeoverføring gjennom hver plate.

Når en plate med væske på overflaten roterer, vil sen-trifugalkraften generelt tilstrebe å føre denne væske i en retning stort sett bort fra rotasjonsaksen. Væsken som skal fordampes i den senere beskrevne fordamper, fremføres til platene i et punkt umiddelbart ved platenes rotasjonsakse, eksempelvis i platesentret dersom platene er sirkelformet. Dampen som frembringes, kan avledes i et punkt ved platenes radiale innerkant, mens eventuelt gjenstående, ufordampet væske, f.eks. en mer konsentrert løsning enn den som er tilført fordamperen, kan avledes fra et eller flere punkter ved platenes ytterkant.

Den kondenserbare damp blir derimot hensiktsmessig frem-ført til ytterkanten av platene, slik at den, når den under trykk føres i retning generelt mot rotasjonsaksen, ledes i mot-satt strømningsretning av væsken som dannes under kondenseringen og som kan oppsamles ved platenes ytterkant.

Materialet for fremstilling av platene bør ha god varme-ledingsevne og være av slik art, at hver plate kan tåle spen-ningen som oppstår ved drift av fordamperen. Det foretrekkes at materialet er stort sett bestandig mot angrep fra eller reaksjon med de materialer som det bringes i kontakt med under bruk. Ut fra disse betraktninger vil egnede materialer omfatte stål, aluminium, kobber, nikkel og titan.

Under drift vil platene rotere med slik hastighet at all væske på disse påvirkes av en middelakselerasjon som, målt i radialretning i forhold til rotasjonsaksen, er større enn akselerasjonen "g" grunnet tyngekraften. Den spesielle verdi som velges, er avhengig av faktorer såsom platedimensjonen, varmegjennomstrømningen og den ønskede kapasitet hos fordamperen, uttrykt både i total væske gjennomgang og i væskemengde som fordampes. Akselerasjonen kan generelt ligge mellom 5 og 1000 g, fortrinnsvis mellom 50 og 750 g og helst mellom 100 og 600 g.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et skjematisk aksialsnitt av en fordamper ifølge foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 viser et delsnitt langs linjen A-A i fig. 1.

Fig. 3 viser et delsnitt langs linjen B-B i fig. 1.

Fig. 4 viser et forstørret delsnitt langs linjen C-C i fig. 2. Fig. 5 og 6 viser forstørrede planriss av henholdsvis avstandsholderne 11 og 12 ifølge fig. 2-4. Fig. 7 og 8 viser forstørrede snitt av to plateversjoner som kan innføyes i en fordamper ifølge oppfinnelsen.

Det henvises innledningsvis til fig. 1-6 som viser en rotor 1 som er opplagret på en aksel 2, for å rotere i et roter-hus 3 som er dannet av en gruppe ringformede plater 4 som er montert på en sylindrisk del 5. Delen 5 er forsynt med porter 6, og et antall åpninger 7 er anordnet i de ringformede plater 4, idet hver plate 4 innbefatter seks åpninger som er jevnt fordelt ved platenes ytterperiferi. Mellomrommene mellom de ringformede plater 4 er vekselvis avtettet ved sine ytterperi-ferier ved hjelp av randpartier 8, hvorved det opprettes av-tettede rom 9 i væskeforbindelse med portene 6, samt åpne rom 10.

Sirkelformede og C-formede brikker henholdsvis 11 og 12

er innmontert i åpningene 7, for opprettelse av en gruppe, eksempelvis seks, manifolder som forbinder rommene 9 med hverandre. Et væsketilførselsrør 13, med åpninger 14 i underende, strekker seg inn i rotersentret og er delvis omgitt av et damp-utløpsrør 15. Rotorhuset 3 er ustyrt med porter 16 og 17 for henholdsvis innstrømning og utstrømning av kondenserbar damp. Gasstette pakninger 18 tillater rotasjon av rotoren 1 og akse-len 2 i rotorhuset 3. En stasjonær skovl 19 som fører til et

væskeutløpsrør 20, er anbragt mellom de to øvre plater 4.

Under drift, når rotoren er i gang, blir en væske som skal fordampes, f.eks. en vandig løsning av kaustikksoda, inn-matet gjennom tilførselsrøret 13 og åpningene 14 og ledet mot innerveggen av delen 5 og videre utad gjennom portene 6 og inn i rommene 9, hvor den, under innvirkning av sentrifugalkraft som skyldes rotorens dreiébevegelse, strømmer langs den ene side av hver av platene 4. En kondenserbar damp som innføres i rotorhuset gjennom portene 16, innstrømmer i rommene 10. Dampen som avgir en del av sin varme, kondenseres og danner derved en film som under sentrifugalkraftpåvirkning føres hurtig utad gjennom de åpne rom 10, som en tynn film på den ene side av hver plate, og deretter fjernes gjennom porten 17. Var-men som avgis av den kondenserbare damp, bevirker fordamping av en del av væsken i rommene 9, og den derved frembragte damp ut-strømmer fra anordninger gjennom portene 6 og røret 15. Den konsentrerte løsning i rommene 9, utløper gjennom åpningene 7 og tvinges, under innvirkning av trykket som fremkalles av væskens kinetiske trykkhøyde,gjennom den stasjonære skovl 19

og utløpsrøret 20.

Det er i fig. 7 vist en plate 21 av en utføreIsesform

som er egnet for anvendelse i den ovennevnte fordamper. Den kondenserbare damp kondenseres på platens 21 side 22 som i det viste tilfelle er plan, men påført en meget tynn film av polytetrafluoretylen. Væske som kondenseres på platesiden 22, vil raskt løpe sammen i dråper som hastig utslynges fra platesiden grunnet sentrifugalkraft. Den motsatte side 23 av platen 21 innbefatter en tettliggende rekke av kanaler i form av konsentriske sirkler eller innbyrdes påfølgende spiralvindinger.

Hver av kanalene har en svakthellende side 23a nærmest rotasjonsaksen og en mer bratthellende side 23b nærmest ytterkanten av platen 22. Hele flatesiden 23 er rugjort i fin grad ved sandblåsing. Når platen 21 roterer, vil væsken som skal fordampes, strømme i utadgående retning (dvs. mot venstre i det viste tilfelle) langs siden 23. Det opprettholdes en kontinuerlig væskefilm, men i denne film vil det foregå utstrakt sammen-blanding i det punkt hvor væsken på skråflaten 23a treffer foten av skråflaten 23b, som vist ved krumme piler i fig. 7. Over-kanten av skråflaten 23b, dvs. den sone hvor den oppads tr ømmende væske langs skråflaten treffer forenden av skråflaten 23a, er avrundet for å medvirke til å opprettholde filmen på platesiden.

Platen som er vist i fig. 24, er tilvirket ved stansing og er korrugert. Korrugeringsprofilen er slik at den plateside 26 som overstrømmes av væsken som skal fordampes, mot-svarer platesiden 23 ifølge fig. 7, og følgelig er utformet for opprettholdelse av en kontinuerlig væskefilm under samtidig begunsting av blandingsvirkningen i filmen, som vist. Platesiden 26 er sandblåst. Den annen side 25 av platen 24 er pro-filert i motsvarighet til platesiden 26 og belagt med polytetrafluoretylen. Denne kombinasjon av profil og belegg gir sikkerhet for at enhver væskefilm på platesiden 25 hurtig vil splittes og væsken hastig utslynges fra platen.

Claims (8)

1. Fordamper omfattende et antall stort sett parallelle plater (4) som er opplagret for rotasjon om en felles akse og utstyrt med midler som gjør det mulig for en kondenserbar damp å strømme langs en første side (22) av hver plate (4), og for en væske hvorav i hvert fall en del skal fordampes, å strømme langs den andre side (23) av hver plate (4), hvor platene er anordnet for å kunne rotere med slik rotasjonshastighet at enhver væske på platene (4) vil påvirkes av en middelakselerasjon som, målt i radialretning i forhold til rotasjonsaksen, er større enn tyngdeakselerasjonen, karakterisert ved at (a) den første side (22) på hver av platene (4) har en overflate som er innrettet for å motvirke dannelse av en sammenhengende væskefilm på platesiden, og at (b) væsken mates til hver plate (4) i umiddelbar nærhet av rotasjonsaksen.

2. Fordamper i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den første side (22) på hver av platene (4) er slik behandlet at fortettingen av den kondenserbare damp på platesiden (22) foregår dråpevis.

3. Fordamper i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den første side (22) på hver av platene (4) er påført et belegg av polytetrafluoretylen.

4. Fordamper i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den andre side (23) på hver av platene (4) er tilpasset for å medvirke til opprettholdelse av en sammenhengende væskefilm på platesiden (23) .

5. Fordamper i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den kondenserbare damp består av vanndamp eller et varmeoverføringsfludium.

6. Anvendelse av en fordamper i samsvar med krav 1 for konsentrering av en løsning ved fordamping av en del av løsningsmidlet.

7. Anvendelse av en fordamper i samsvar med krav 1 for konsentrering av fortynnet saltoppløsning eller fortynnede vandige løsninger av kaustikksoda.

8. Anvendelse av en fordamper i samsvar med krav 1 for rotering av platene (4) med slik hastighet at enhver væske på disse påvirkes av en middelakselerasjon av størrelsesorden 50-750 ganger tyngdeakselerasjonen.