Падающие пленочные испарители: принцип работы и применение.

Введение

Выпарной аппарат с пленочным движением – промышленное устройство для концентрирования растворов, особенно содержащих теплочувствительные компоненты. Выпарной аппарат является особым типом теплообменника.

Общий

В общем случае испарение происходит внутри вертикальных труб, но существуют также применения, где рабочая жидкость испаряется снаружи горизонтальных или вертикальных труб. Во всех случаях рабочая жидкость, подлежащая испарению, течет вниз под действием силы тяжести в виде непрерывной пленки. Жидкость образует пленку вдоль стенок труб, стекая вниз (падая) – отсюда и название. Распределитель жидкости должен быть тщательно спроектирован для обеспечения равномерного распределения жидкости по всем трубам, по которым стекает раствор. Типичный распределитель показан на рис. 2; такие распределители обычно называют феррулами из-за их концентрической формы. В большинстве случаев нагревающая среда располагается снаружи труб. Для достижения сбалансированных тепловых сопротивлений требуются высокие коэффициенты теплопередачи. Поэтому в качестве нагревающей среды обычно используется конденсационный пар. Для жидкостей, испаряющихся внутри труб, разделение между жидкой фазой (раствором) и газообразной фазой происходит внутри самих труб. Чтобы обеспечить сохранение массы в процессе испарения, скорость восходящего пара увеличивается, что повышает силу сдвига, действующую на жидкую пленку, и, следовательно, скорость раствора. В результате может достигаться высокая скорость тонкой пленки, приводящая к все более турбулентному потоку. Сочетание этих эффектов обеспечивает очень высокие коэффициенты теплопередачи. Коэффициент теплопередачи со стороны испарения в основном определяется гидродинамическими условиями потока пленки. При низких массовых расходах или высокой вязкости поток пленки может быть ламинарным, в этом случае теплопередача контролируется исключительно теплопроводностью через пленку. Следовательно, в этом случае коэффициент теплопередачи уменьшается с увеличением массового расхода. С увеличением массового расхода пленка становится волнисто-ламинарной, а затем турбулентной. В турбулентных условиях коэффициент теплопередачи увеличивается с увеличением расхода. Испарение происходит при очень небольших средних разностях температур между нагревающей средой и технологическим потоком, обычно в диапазоне 3–6 К, поэтому эти устройства идеально подходят для рекуперации тепла в многоступенчатых процессах. Дополнительным преимуществом испарителя с падающей пленкой является очень короткое время пребывания жидкости и отсутствие ее перегрева. Без учета пароотделителя время пребывания внутри труб измеряется секундами, что делает его идеальным для теплочувствительных продуктов, таких как молоко, фруктовые соки, фармацевтические препараты и многие другие. Для испарителей с падающей пленкой также характерны очень низкие перепады давления, поэтому они часто используются в условиях глубокого вакуума.

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.

Загрязнение

Из-за тесного контакта жидкости с нагреваемой поверхностью, эти испарители чувствительны к образованию отложений из выпадающих в осадок твердых веществ. Низкая скорость жидкости на входе, как правило, недостаточна для эффективной самоочистки труб. Поэтому испарители с падающей пленкой применяются для чистых жидкостей, не содержащих веществ, выпадающих в осадок. Типичным применением в химической промышленности является концентрация едкого натра.