Төмендейтін пленкалы буландырғыш: Құрылымы, жұмыс принципі және қолданылуы

Кіріспе

Құйылатын пленкалы буландырғыш – әсіресе жылуға сезімтал компоненттері бар ерітінділерді қоюға арналған өнеркәсіптік құрылғы. Буландырғыш – жылу алмастырғыштың ерекше түрі.

Жалпы

Жалпы, булану тік құбырлардың ішінде жүреді, бірақ үдеріс сұйықтығы көлденең немесе тік құбырлардың сыртында буланатын жағдайлар да кездеседі. Барлық жағдайларда булануға тиіс үдеріс сұйықтығы гравитация күшімен төмен қарай үздіксіз пленка түрінде ағып түседі. Сұйықтық құбыр қабырғалары бойымен төмен қарай жылжып, пленка құрайды – содан оның аты шыққан. Сұйықтық таратушы құрылғысы ерітінді барлық құбырларға біркелкі таралуын қамтамасыз ету үшін мұқият жобалануы тиіс. Типикалық таратушы мысалы 2-суретте көрсетілген; мұндай таратушылар концентрлі пішініне байланысты әдетте феррула деп аталады. Көптеген жағдайларда жылу беруші орта құбырлардың сыртына орналастырылады. Теплота алмасу кедергілерін теңестіру үшін жоғары жылу беру коэффициенттері қажет. Сондықтан, жылу беруші орта ретінде конденсатталған бу жиі қолданылады. Ішкі булану процесінде сұйық фаза (ерітінді) мен газ фазасының ажырауы құбырлардың ішінде жүреді. Бұл процестің барысында массаның сақталуын қамтамасыз ету үшін төмен қарай бу жылдамдығы артады, сұйық пленкаға әсер ететін серпіліс күші де артады, демек ерітіндінің жылдамдығы да артады. Нәтижесінде, жоғары жылдамдықты, бірте-бірте жұқаратын пленка пайда болады, бұл ағынның турбулентті болуына әкеледі. Бұл факторлардың үйлесімі өте жоғары жылу беру коэффициенттерін қамтамасыз етеді. Құбырдың булану жағындағы жылу беру коэффициенті негізінен пленканың гидродинамикалық ағыс жағдайларымен анықталады. Төмен массалық ағымдар немесе жоғары тұтқырлық жағдайында пленка ағыны ламинарлық болуы мүмкін, онда жылу беру тек пленка арқылы жылу өткізгіштікпен ғана бақыланады. Сондықтан, бұл жағдайда жылу беру коэффициенті массалық ағымның артуымен төмендейді. Массалық ағым артқанда пленка толқынды ламинарлық, содан кейін турбулентті болады. Турбулентті жағдайларда жылу беру коэффициенті ағымның артуымен бірге артады. Булану жылу беруші орта мен үдеріс ағыны арасындағы өте төмен орташа температура айырмасында, әдетте 3-6K аралығында жүреді, сондықтан бұл құрылғылар көп сатылы процестерде жылуды қайтару үшін өте қолайлы. Төмендегі пленкалы буландырғыштың тағы бір артықшылығы – сұйықтың өте қысқа уақыт бойында болуы және оның қызып кетуінің болмауы. Буды бөлу құрылғысын ескермегенде, құбырлар ішіндегі уақыт секундтармен өлшенеді, бұл оны сүт, жеміс шырындары, фармацевтикалық өнімдер және басқа да жылуға сезімтал өнімдер үшін өте қолайлы етеді. Төмендегі пленкалы буландырғыштар өте төмен қысым төмендеуімен де сипатталады; сондықтан олар көбінесе терең вакуумды қолдануларда қолданылады.

In general evaporation takes place inside vertical tubes, but there are also applications where the process fluid evaporates on the outside of horizontal or vertical tubes. In all cases, the process fluid to be evaporated flows downwards by gravity as a continuous film. The fluid will create a film along the tube walls, progressing downwards (falling) hence the name. The fluid distributor has to be designed carefully in order to maintain an even liquid distribution for all tubes along which the solution falls. A typical distributor is shown in Fig. 2; these distributors are usually called ferrules due to their concentric shape. In the majority of applications the heating medium is placed on the outside of the tubes. High heat transfer coefficients are required in order to achieve equally balanced heat transfer resistances. Therefore, condensing steam is commonly used as a heating medium. For internally evaporating fluids, separation between the liquid phase (the solution) and the gaseous phase takes place inside the tubes. In order to maintain conservation of mass as this process proceeds, the downward vapor velocity increases, increasing the shear force acting on the liquid film and therefore also the velocity of the solution. The result can be a high film velocity of a progressively thinner film resulting in increasingly turbulent flow. The combination of these effects allows very high heat transfer coefficients. The heat transfer coefficient on the evaporating side of the tube is mostly determined by the hydrodynamic flow conditions of the film. For low mass flows or high viscosities the film flow can be laminar, in which case heat transfer is controlled purely by conduction through the film. Therefore in this condition the heat transfer coefficient decreases with increased mass flow. With increased mass flow the film becomes wavy laminar and then turbulent. Under turbulent conditions the heat transfer coefficient increases with increased flow. Evaporation takes place at very low mean temperature differences between heating medium and process stream, typically between 3 6K, therefore these devices are ideal for heat recovery in multi stage processes. A further advantage of the falling film evaporator is the very short residence time of the liquid and the absence of superheating of the same. Not considering the vapour separator, the residence time inside the tubes is measured in seconds, making it ideal for heat sensitive products such as milk, fruit juice, pharmaceuticals, and many others. Falling film evaporators are also characterised by very low pressure drops; therefore, they are often used in deep vacuum applications.

Қаптау

Сұйықтың қыздыру бетімен тығыз жанасуына байланысты, бұл буландырғыштар ерітіндідегі қатты заттардың тұнбалануынан туындайтын ластануға сезімтал. Кіреберістегі сұйықтың төмен жылдамдығы құбырларды тиімді түрде өздігінен тазалау үшін көбінесе жеткіліксіз болады. Сондықтан, қабыршақты буландырғыштар таза, тұнба түзбейтін сұйықтықтарда қолданылады. Химия өнеркәсібіндегі әдеттегі қолданылуы – каустикалық соданы қоюлату.