RU116063U1

RU116063U1 - EVAPORATOR

Info

Publication number: RU116063U1
Application number: RU2011150379/05U
Authority: RU
Inventors: Петр Сергеевич Васильев; Сергей Леонидович Рева; Леонид Саввич Рева; Александр Борисович Голованчиков; Эльвира Аслановна Магомедова; Ирина Валерьевна Ломоносова
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2012-05-20

Abstract

Испаритель, содержащий вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости в виде капель по греющим поверхностям, герметически закрепленным на противоположных стенках со смещением и зазором, отличающийся тем, что он снабжен теплоэлектронагревателями, над которыми расположены греющие поверхности, выполненные в виде горизонтальных полок и имеющие температуру, превышающую в 2,8÷4,8 раза температуру кипения испаряемой жидкости, при этом они имеют рифленый профиль в виде храповидных зубьев с высотой зуба, определяемой соотношением b=dk/(8÷40), где dk - диаметр подаваемых капель, b - высота зуба, а длина зуба определяется соотношением α=(4÷8)b, где α - длина зуба. An evaporator containing a vertical body and a device for distributing liquid in the form of drops over heating surfaces, hermetically fixed on opposite walls with an offset and a gap, characterized in that it is equipped with electric heaters, above which heating surfaces are located, made in the form of horizontal shelves and having a temperature, exceeding the boiling point of the evaporated liquid by a factor of 2.8 ÷ 4.8, while they have a corrugated profile in the form of ratcheted teeth with a tooth height determined by the ratio b = dk / (8 ÷ 40), where dk is the diameter of the supplied drops, b is the height of the tooth, and the length of the tooth is determined by the ratio α = (4 ÷ 8) b, where α is the length of the tooth.

Description

Предлагаемая конструкция 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.The proposed design relates to techniques for conducting heat and mass transfer processes, namely the evaporation of liquid media (liquids, solutions, suspensions) in boiling mode, and can be used in the chemical, petrochemical, food and pharmaceutical industries, in heat exchangers, evaporators, distillers, dryers , evaporators and mass transfer devices.

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.).A distillation apparatus is known in which a dispersed liquid medium is supplied to a plurality of shell-shaped elements made of thin material and located next to one another. At the same time, the elements act as heat exchangers between the evaporating liquid, the flowing film along the outer surfaces of the element, and the condensing steam directed into the element (RF patent No. 2076762, IPC B01D 1/22, 04/10/1997).

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 и интенсивность процесса испарения.The disadvantages of this apparatus are the complexity of the design of both the apparatus itself and the shell-shaped elements made of thermoplastic film; the impossibility of forming clear geometric dimensions of the cross sections of working spaces from a plastic film and, as a result, the presence of various hydrodynamic and heat-mass transfer modes of the evaporation process, which reduces the efficiency of the apparatus; low mechanical strength of the film and its large thermal resistance, which together with the thermal resistance of the formed deposits limit the evaporation performance and the intensity of the evaporation process.

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.).Known evaporator operating on the principle of a falling film, containing a housing and a device consisting of evaporation tubes located in the housing, while the concentrated liquid is supplied to the outer surface of the evaporative tube device, and steam is supplied inside the tubes of the evaporative tube device (RF patent No. 2122456, IPC B01D 1/06, 11/27/1998).

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, приводящая к потерям тепловой энергии и уменьшению интенсивности испарения.The disadvantages of this evaporator are the difficulty of manufacturing a tube bundle with a collector connection of both the heat exchange tubes themselves and the evaporation elements made of them, the bulkiness of the structure and, accordingly, the high metal consumption, leading to loss of thermal energy and a decrease in the evaporation rate.

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, МПК B01D 1/22, 10.07.2002 г.).Known film type evaporator with a flowing liquid film containing a heated vertical housing, placed in it coaxially heated cylindrical chamber and a device for distributing liquid on heating surfaces (RF patent No. 2184590, IPC B01D 1/22, 07/10/2002).

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.The disadvantages of this evaporator are the limited area of heating surfaces and, accordingly, the limited area of evaporation, which is determined only by the structural dimensions of the heated vertical surfaces of the housing and the central chamber, along which the liquid film flows; non-uniformity of the thickness of the liquid film in height and, accordingly, non-uniformity of its heating and evaporation, the need to limit the heat pressure in the apparatus with the film flow of the liquid so that the bubble boiling mode does not go into the film boiling mode, in which the evaporation rate sharply decreases.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является испаритель, содержащий обогреваемый вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости по греющим поверхностям, которые 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 (патент РФ №107960, МПK B01D 1/22, 14.03.2011 г.).The closest technical solution adopted for the prototype is an evaporator containing a heated vertical casing and a device for distributing liquid on heating surfaces, which are inclined planes with an inclination angle of 10 ÷ 40 ° to the horizontal, made in the form of zigzags tightly mounted on opposite walls with offset and clearance, while heating surfaces have a temperature exceeding 1.2 ÷ 2.3 times the boiling point of the evaporated liquid supplied in the form of droplets (RF patent No. 107960, MPK B01D 1/22, 03/14/2011).

Недостатками данного испарителя являются то, что при фиксированном неподвижном положении устройства для распределения жидкости, подаваемые на греющую поверхность капли могут сливаться друг с другом до того, как они успеют испариться, что может привести к образованию пленки жидкости и, соответственно, снижению скорости испарения, а также неэффективным использованием площади греющей поверхности, когда при малом времени испарения капель, основной объем подаваемой жидкости испарится на верхней секции зигзагообразной греющей поверхности, а другая секция практически может не участвовать в процессе, хотя и требует теплоты на нагрев, что ведет к повышенным энергозатратам, увеличенным габаритам и металлоемкости аппарата, что, в свою очередь, приводит к снижению интенсивности испарения.The disadvantages of this evaporator are that with a fixed stationary position of the liquid distribution device, the droplets supplied to the heating surface can merge with each other before they can evaporate, which can lead to the formation of a liquid film and, consequently, a decrease in the evaporation rate, and also inefficient use of the heating surface area, when for a short time of evaporation of the droplets, the main volume of the supplied liquid evaporates on the upper section of the zigzag heating surface , and the other section can practically not participate in the process, although it requires heat to heat, which leads to increased energy consumption, increased dimensions and metal consumption of the apparatus, which, in turn, leads to a decrease in the evaporation rate.

Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение интенсивности процесса испарения за счет равномерного и полного использования греющей поверхности.The technical result of the proposed design is to increase the intensity of the evaporation process due to the uniform and full use of the heating surface.

Технический результат достигается тем, что испаритель, содержащий вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости в виде капель по греющим поверхностям, герметически закрепленным на противоположных стенках со смещением и зазором, отличается тем, что он снабжен теплоэлектронагревателями (ТЭНами), над которыми расположены греющие поверхности, выполненные в виде горизонтальных полок и имеющие температуру, превышающую в 2,8÷4,8 раза температуру кипения испаряемой жидкости, при этом они имеют рифленый профиль в виде храповидных зубьев с высотой зуба, определяемой соотношением b=d_k/(8÷40), где d_k - диаметр подаваемых капель, b - высота зуба, а длина зуба определяется соотношением α=(4÷8)b, где α - длина зуба.The technical result is achieved in that the evaporator containing a vertical body and a device for distributing liquid in the form of droplets on heating surfaces, hermetically mounted on opposite walls with offset and clearance, is characterized in that it is equipped with heat electric heaters (TENs), over which heating surfaces are located, made in the form of horizontal shelves and having a temperature exceeding 2.8 ÷ 4.8 times the boiling point of the evaporated liquid, while they have a corrugated profile in the form of a ratchet ubev with the height of the tooth, given by the relation b = d _k / (8 ÷ 40), where d _k - diameter supplied droplets, b - the height of the tooth and tooth length is determined by the relation α = (4 ÷ 8) b, where α - tooth length .

Закрепление ТЭНов под греющими поверхностями позволяет обеспечить равномерное нагревание всех греющих поверхностей до заданной температуры. Установка ТЭНов, обеспечивающих температуру, в 2,8÷4,8 раза превышающую температуру кипения испаряемой жидкости, позволяет создавать под каплями жидкости паровую «подушку», что, в свою очередь, позволяет вести процесс в режиме капельного испарения без коалесценции (слияния) капель. Уменьшение температуры ниже заявленного предела, в 2,8 раза превышающей температуру кипения испаряемой жидкости, не позволяет создавать паровую «подушку» под каплями, что приводит к их коалесценции и снижает интенсивность процесса испарения. Увеличение температуры выше заявленного предела, в 4,8 раза превышающей температуру кипения испаряемой жидкости, приводит к повышенным энергетическим затратам на испарение.Fixing the heating elements under the heating surfaces makes it possible to ensure uniform heating of all heating surfaces to a predetermined temperature. The installation of heating elements that provide a temperature of 2.8 ÷ 4.8 times the boiling point of the evaporated liquid allows you to create a steam "cushion" under the drops of liquid, which, in turn, allows the process to be carried out in the mode of drop evaporation without coalescence (merging) of drops . A decrease in temperature below the stated limit, 2.8 times the boiling point of the evaporated liquid, does not allow the creation of a steam “cushion” under the drops, which leads to their coalescence and reduces the intensity of the evaporation process. An increase in temperature above the stated limit, 4.8 times higher than the boiling point of the evaporated liquid, leads to increased energy costs for evaporation.

Изготовление греющих поверхностей с рифленым профилем в виде храповидных зубьев с высотой зуба, определяемой соотношением b=d_k/(4÷8), где d_k - диаметр подаваемых капель, b - высота зуба, является необходимым условием движения капель на паровой «подушке» по рифленой греющей поверхности без их коалесценции. Несоблюдение заявленного соотношения не позволяет каплям жидкости двигаться по греющей поверхности без коалесценции их друг с другом.The manufacture of heating surfaces with a corrugated profile in the form of ratchet teeth with a tooth height determined by the ratio b = d _k / (4 ÷ 8), where d _k is the diameter of the droplets supplied, b is the height of the tooth, is a necessary condition for the movement of droplets on the steam "pillow" on a corrugated heating surface without their coalescence. Failure to comply with the stated ratio does not allow droplets of liquid to move on the heating surface without coalescing them with each other.

Изготовление греющих поверхностей с рифленым профилем в виде храповидных зубьев с длиной и высотой зуба, подчиняющихся соотношению α=(4÷8)b, где α - длина зуба, обеспечивает максимальную скорость движения капель на паровой «подушке» по рифленой греющей поверхности, что определяет наибольшую интенсивность процесса испарения.The manufacture of heating surfaces with a corrugated profile in the form of ratchet teeth with tooth length and height, obeying the relation α = (4 ÷ 8) b, where α is the tooth length, provides the maximum speed of droplets on the steam "cushion" along the corrugated heating surface, which determines the highest intensity of the evaporation process.

На фиг.1 показана схема испарителя, на фиг.2 часть рифленой греющей поверхности с храповидными зубьями в увеличенном масштабе.In Fig.1 shows a diagram of the evaporator, in Fig.2 part of the corrugated heating surface with ratchet teeth on an enlarged scale.

Испаритель состоит из корпуса 1; верхней крышки 2 с штуцерами 3 подачи исходной жидкости и 4 отвода пара; нижней крышки 5 с штуцером 6 вывода упаренной жидкости; устройства 7 для распределения жидкости по греющим поверхностям 8 в виде капель 9, герметически закрепленных на противоположных стенках со смещением и зазором, причем греющие поверхности 8 выполнены в виде горизонтальных полок, под которыми установлены ТЭНы 10, обеспечивающие температуру греющих поверхностей 8, превышающую в 2,8÷4,8 раза температуру кипения испаряемой жидкости, при этом греющие поверхности 8 имеют рифленый профиль в виде храповидных зубьев 11 (на фиг.1 не указано) с высотой зуба, определяемой соотношением b=d_k/(8÷40), где d_k - диаметр подаваемых капель 9, b - высота зуба, и длиной и высотой зуба, подчиняющихся соотношению α=(4÷8)b, где α - длина зуба.The evaporator consists of a housing 1; top cover 2 with fittings 3 for supplying the source liquid and 4 for venting steam; the bottom cover 5 with a fitting 6 output evaporated liquid; devices 7 for distributing liquid on the heating surfaces 8 in the form of droplets 9, hermetically mounted on opposite walls with offset and clearance, and the heating surfaces 8 are made in the form of horizontal shelves, under which are installed heating elements 10, which ensure the temperature of the heating surfaces 8 exceeding 2, 8 ÷ 4.8 times the boiling point of the evaporated liquid, while the heating surfaces 8 have a grooved profile in the form of ratchet teeth 11 (not shown in Fig. 1) with the tooth height determined by the ratio b = d _k / (8 ÷ 40), where d _k - diameters filed 9 drops, b - tooth height, and length and height of the tooth, obeying the relation α = (4 ÷ 8) b, where α - tooth length.

Испаритель работает следующим образом. Испаряемая жидкость через штуцер 3 поступает в устройство для распределения жидкости 7. Из устройства для распределения жидкости 7 жидкость в виде капель 9 попадает на рифленые греющие поверхности 8, выполненные в виде горизонтальных полок, нагрев которых до заданной температуры осуществляется при помощи ТЭНов 10. За счет высокой температуры греющих поверхностей 8 капли 9, интенсивно испаряясь, приподнимаются над греющими поверхностями 8 на паровой «подушке» (так называемый эффект Лейденфроста). При этом время испарения капель 9 увеличивается из-за того, что паровая «подушка» выступает в роли теплоизолирующего слоя, а склонность капель 9 к коалесценции уменьшается, так как за счет интенсивного отвода пара из-под капель 9 они будут отталкиваться друг от друга, равномерно заполняя собой греющие поверхности 8 каждой из горизонтальных полок. Наличие рифленого профиля в виде храповидных зубьев 11 греющих поверхностей 8 (фиг.2) позволяет создать анизотропный (определенно направленный) отвод пара, инициирующий движение капель 9 на паровой «подушке» в заданном направлении. Полученный пар, за счет естественной конвекции, движется вверх и удаляется через штуцер 4. Если в испарителе осуществляют неполное испарение, то упаренный концентрированный раствор собирается в нижней крышке 5 и удаляется через штуцер 6. Общая необходимая длина греющих поверхностей 8 зависит от теплофизических свойств испаряемой жидкости.The evaporator operates as follows. The evaporated liquid through the nozzle 3 enters the device for distributing the liquid 7. From the device for distributing the liquid 7, the liquid in the form of drops 9 enters the corrugated heating surfaces 8 made in the form of horizontal shelves, the heating of which to a given temperature is carried out using heating elements 10. Due to high temperature of the heating surfaces 8 drops 9, intensively evaporating, rise above the heating surfaces 8 on a steam "cushion" (the so-called Leidenfrost effect). At the same time, the evaporation time of drops 9 increases due to the fact that the steam “cushion” acts as a heat insulating layer, and the tendency of drops 9 to coalesce decreases, because due to the intensive removal of steam from under the drops 9, they will repel each other, uniformly filling the heating surfaces 8 of each of the horizontal shelves. The presence of a corrugated profile in the form of ratchet teeth 11 of the heating surfaces 8 (Fig.2) allows you to create anisotropic (definitely directional) steam removal, initiating the movement of droplets 9 on the steam "pillow" in a given direction. The resulting steam, due to natural convection, moves upward and is removed through the nozzle 4. If incomplete evaporation is carried out in the evaporator, then one stripped off concentrated solution is collected in the bottom cover 5 and is removed through the nozzle 6. The total required length of the heating surfaces 8 depends on the thermophysical properties of the evaporated liquid .

Таким образом, предлагаемый испаритель позволяет обеспечить равномерное распределение капель жидкости по всем греющим поверхностям, а также их направленное самопроизвольное движение по ним без коалесценции капель, что позволяет увеличить интенсивность процесса испарения.Thus, the proposed evaporator allows for uniform distribution of liquid droplets over all heating surfaces, as well as their directed spontaneous movement along them without droplet coalescence, which allows to increase the intensity of the evaporation process.

Claims

An evaporator comprising a vertical casing and a device for distributing liquid in the form of drops on heating surfaces hermetically mounted on opposite walls with an offset and a gap, characterized in that it is equipped with heaters, above which heating surfaces are made in the form of horizontal shelves and having a temperature, 2.8 to 4.8 times higher than the boiling point of the vaporized liquid, while they have a corrugated profile in the form of ratchet teeth with a tooth height determined by the ratio b = d _k / (8 ÷ 40), where d _k is the diameter of the supplied drops, b is the height of the tooth, and the length of the tooth is determined by the ratio α = (4 ÷ 8) b, where α is the length of the tooth.