Испаритель с восходящей пленкой - Rising film evaporator

А восходящий фильм или же вертикальный длиннотрубный испаритель это тип испаритель это, по сути, вертикальный кожухотрубный теплообменник. Испаряющаяся жидкость подается снизу в длинные трубы и нагревается паром, конденсирующимся на внешней стороне трубы со стороны кожуха. Это необходимо для производства пара и пара внутри трубки, доводя находящуюся внутри жидкость до кипения. Образующийся пар прижимает жидкость к стенкам трубок и вызывает восходящую силу этой жидкости. По мере образования большего количества пара центр трубки будет иметь более высокую скорость, которая прижимает оставшуюся жидкость к стенке трубки, образуя тонкую пленку, которая движется вверх. Это явление восходящей пленки и дало название испарителю.

Области применения: Испарители с восходящей трубой имеют широкий спектр применения, включая очистку сточных вод, производство полимеров, производство продуктов питания, термическое опреснение, фармацевтику и регенерацию растворителей. Ашнер, Ф. И Шаал М. и Хассон Д. (1971). «Большие вытяжные испарители для дистилляции морской воды. С точки зрения приложений в этих отраслях промышленности, выпарные аппараты с восходящей трубой в основном используются в качестве ребойлеров для дистилляционных колонн, или в качестве предварительных концентраторов, или мгновенных испарителей, или предварительных нагревателей, предназначенных для удаления летучих компонентов перед отгонкой.

Термическое опреснение.Особое применение трубных испарителей с восходящим потоком - термическое опреснение морской воды. Морская вода закачивается в длинные трубки испарителя, а теплоноситель (обычно пар) нагревает ее. Когда внутри трубок образуется пар, он течет вверх. Это испарение происходит в условиях вакуума, что позволяет использовать более низкие температуры.

Концентрация сока и обработка пищевых продуктов: - Пищевая промышленность требует обработки деликатных продуктов, чувствительных к высокой температуре в течение длительного времени. Испарители с восходящей пленкой могут работать достаточно быстро и эффективно, чтобы избежать воздействия на продукт высоких температур, которые могут повредить или подорвать его качество. Следовательно, они подходят для использования в качестве концентраторов соков, молока и других молочных продуктов, которые требуют деликатного обращения в пищевой промышленности.

Преимущества и ограничения

Низкое время пребывания

Основным преимуществом испарителя с восходящей пленкой является низкая Время жительства жидкого сырья в испарителе по сравнению с испарителями других конструкций, например пластинчатыми испарителями. Это очень важно, потому что это позволяет использовать испаритель при более высоких рабочих температурах и дает гарантию высокого качества продукта, несмотря на то, что он термочувствителен. Дополнительным преимуществом является возможность работы испарителя как непрерывного процесса, который в целом более энергоэффективен и эффективен по времени, чем периодический процесс.^[1]

Высокие коэффициенты теплопередачи: -Еще одним существенным преимуществом является относительно высокий коэффициент теплопередачи данного типа испарителя. Это важно, поскольку снижает общую требуемую площадь теплообмена, что, в свою очередь, снижает начальные капитальные затраты на испаритель. Это подчеркивается тем фактом, что компоненты, которые состоят из кожуха и трубок, легко доступны с индивидуальной конструкцией, что делает их экономически выгодными для строительства и идеальными для простых требований к испарению. Более того, этот тип испарителя также может легко содержать те широко доступные сепараторы пара для вспенивания продуктов.

Низкая эффективность

Хотя испарители с восходящей пленкой относительно эффективны и имеют ряд преимуществ, в некоторых литературах предполагается, что они не так эффективны, как испарители с вертикальной или горизонтальной трубой с падающей пленкой. Таким образом, в последнее время испарители с падающей пленкой обычно выбирают вместо испарителей с восходящей пленкой, потому что они имеют те же преимущества, что и испарители с восходящей пленкой, и имеют дополнительные преимущества в виде большей эффективности. Более того, испарители с восходящей пленкой требуют движущей силы для перемещения пленки против силы тяжести, и это вызывает ограничение, поскольку существует требование достаточной разницы температур между поверхностями нагрева для обеспечения движущей силы.^[1]

Ограниченная универсальность продукта: - Еще одним серьезным ограничением испарителей с восходящей пленкой является требование, чтобы продукты имели низкую вязкость и минимальную склонность к загрязнению. Конструкции конкурирующих технологических процессов, такие как пластинчатые испарители, могут работать с более вязкими жидкостями с более высокой тенденцией к загрязнению, поскольку внутренние части легче доступны для очистки и обслуживания.

Основные характеристики и оценки

Испарители предназначены для концентрирования раствора путем испарения растворителя. Чтобы оценить производительность испарителя с восходящей пленкой, измеряется производительность и эффективность испарителя. Емкость - это количество воды, испарившейся в единицу времени, а экономия пара - это количество испарившегося растворителя. Следовательно, основные атрибуты процесса - это характеристики процесса, которые существенно влияют на эти две области.^[2]

Общая скорость теплопередачи

Учитывая, что в испарителях с восходящей пленкой используется тот же принцип теплопередачи, что и в обычных кожухотрубных теплообменниках. Следовательно, общая скорость теплопередачи имеет решающее значение для определения производительности испарителя. Этот фактор будет определять производительность испарителя с восходящей пленкой. Основная общая формула, которая дает общую скорость теплопередачи:^[3]

${\displaystyle Q=UAT_{l}m}$

(1)

куда

Q скорость теплопередачи

U - общий коэффициент теплопередачи

А общая площадь теплообмена

Т_lm это разница температур или средняя логарифмическая разница температур

Для обычного кожухотрубного теплообменника: U дается уравнением ^[3]

${\displaystyle {\frac {1}{U}}={\frac {1}{h_{o}}}+{\frac {1}{h_{o}d}}+{\frac {d_{o}\ln {\frac {d_{o}}{d_{i}}}}{2k_{w}}}+{\frac {d_{o}}{d_{i}}}{\frac {1}{h_{i}d}}+{\frac {d_{o}}{d_{i}}}{\frac {1}{h_{i}}}}$

(2)

куда

час_о коэффициент внешней жидкой пленки

час_я коэффициент внутренней жидкой пленки

час_od коэффициент внешней грязи (коэффициент загрязнения)

час_{я бы} коэффициент внутренней грязи

k_ш - теплопроводность материала стенки трубы

d_я внутренний диаметр трубки

d_о наружный диаметр трубы

А дается уравнением

${\displaystyle A=N\pi ld_{o}}$

(3)

куда

N общее количество пробирок

л длина трубок

d_о наружный диаметр трубы

Это контактная область теплопередачи, которая включает в себя площадь внешней поверхности длинных вертикальных труб, которые параллельны и находятся в прямом контакте с теплоносителем, находящимся внутри корпуса испарителя.

Средняя разница температур (LMTD), Т_lm, задается уравнением^[3]

${\displaystyle T_{lm}=\left(T_{hi}-T_{co}\right)-\left(T_{ho}-T_{ci}\right) \over \ln {\frac {\left(T_{hi}-T_{co}\right)}{\left(T_{ho}-T_{ci}\right)}}}$

(4)

куда

Т_{Здравствуй} температура горячей жидкости на входе

Т_хо температура горячей жидкости на выходе

Т_ci температура холодной жидкости на входе

Т_co температура холодной жидкости на выходе

В случае испарителя с восходящей пленкой горячей текучей средой будет пар со стороны кожуха, а холодной текучей средой будет жидкость внутри длинных труб. Что касается общей скорости теплопередачи, есть несколько ключевых параметров, которые влияют на эту характеристику, особенно в случае испарителя с восходящей пленкой.

Коэффициенты теплоотдачи

Для испарителя с восходящей пленкой основными путями передачи тепла являются теплопроводность и конвекция. Это происходит, когда пар в кожухе нагревает трубку и когда трубка нагревает жидкость и пар внутри. Конструкция длинных вертикальных трубок в испарителях с восходящей трубкой способствует образованию длинной, тонкой и непрерывной пленки жидкости, образованной давлением пара, который занимает центральную часть трубки и поднимается вверх. Это восходящее движение пленки и пара в центре способствует большой турбулентности, которая затем обеспечивает более высокие коэффициенты теплопередачи, что приводит к более эффективной теплопередаче. Еще одним существенным фактором, влияющим на значение коэффициентов теплоотдачи, является конструкция испарителя.

Средняя разница температур в журнале

В соответствии с законами теплопередачи сначала скорость теплопередачи увеличивается по мере увеличения разницы температур, приближаясь к точке кипения материалов в случае постоянной скорости потока сырья. Следовательно, для этого процесса обычно хорошо иметь большую разницу температур. Однако по мере того, как пузырьки пара постепенно заполняют весь центр трубки, давление пара достигает пикового значения. За пределами этой точки разница температур, которая действует как основная движущая сила для теплопередачи, а также поднимающейся пленки, начнет уменьшаться при любом увеличении давления пара. В дополнение к этому существуют другие ограничения с точки зрения качества и консистенции продукта при рассмотрении вопроса об увеличении разницы температур. Разница температур для движущей силы также во многом определяется свойствами пара и кипящей жидкости.^[3]

Общая площадь теплообмена

Это общая площадь контакта между теплоносителем и жидкостью, требующая нагрева, или любые промежуточные поверхности между ними. В случае испарителя с восходящей пленкой это определенная область между пленкой и поверхностью длинных трубок, а также окружающая среда нагрева внутри корпуса испарителя. Как показано в уравнении, площадь теплопередачи является одним из основных факторов, влияющих на скорость кондуктивной теплопередачи. Следовательно, было бы желательно максимально увеличить площадь, доступную для передачи тепла. Ограничения для них могут заключаться в стоимости единицы площади, поскольку увеличение площади будет означать увеличение длины труб, а также корпуса испарителя, что может значительно увеличить стоимость строительства и обслуживания.^[4][5]

       Толщина восходящей пленки: -

Поднимающаяся пленка, которая образуется из-за давления пара внутри вертикальных труб, сильно влияет на эффективность теплопередачи. Это связано с тем, что толщина пленки влияет на коэффициенты теплопередачи, а также на площадь контакта для теплопередачи. В связи с этим предпочтение отдается тонкой и длинной пленке, поскольку она уменьшает расстояние между двумя поверхностями теплопередачи. Это даст более высокие коэффициенты теплопередачи и общую скорость теплопередачи.

Время жительства

Время пребывания указывает время, необходимое продукту, чтобы пройти всю процедуру. Это можно обобщить как среднее время пребывания продукта, которое определяет среднее время пребывания продукта в испарителе. Во многих отраслях промышленности, особенно в производстве продуктов питания и напитков, требования клиентов значительно ограничивают время пребывания настолько коротким, чтобы свести к минимуму возможное разрушение питательных веществ из-за воздействия сильного тепла.

Это может быть решено различными способами, такими как наличие системы предварительного нагрева перед главным испарителем с функцией нагрева подаваемой жидкости до тех пор, пока температура не приблизится к точке кипения. Это снизит нагрузочную способность испарителя и сократит время пребывания.

Доступные дизайны

Пленочный испаритель Kestner

Ряд различных конструкций испарителей был разработан с использованием фундаментальных принципов испарителя с восходящей пленкой, термосифона. Доступные конструкции испарителей в основном настраиваются частными компаниями и отраслями промышленности в зависимости от требуемого применения при производстве желаемой продукции. Это важно для получения оптимального продукта при максимальной эффективности и рентабельности конструкции.

Пленочный испаритель Artisan Rising Film

Artisan Industries - компания, специализирующаяся на настройке оборудования термического разделения. Испаритель с восходящей пленкой Artisan имеет те же основные принципы, что и общая конструкция длиннотрубного вертикального испарителя, но он модифицирован, чтобы обеспечить возможность работы с более вязкими и летучими материалами, с которыми традиционная конструкция может не справиться из-за чрезмерного загрязнения.

В связи с этим, испаритель с восходящей пленкой Artisan предназначен для удаления большинства летучих компонентов перед очисткой и обычно используется в качестве мгновенного испарителя или предварительного нагревателя.^{[нужна цитата ]} Такая конструкция позволяет оператору контролировать скорость подачи или скорость подачи пара для удаления остатков, подстраиваться под поведение продукта и максимизировать экономию пара. Этот испаритель подходит для высокотемпературных применений и материалов с высокой вязкостью, которые могут загрязнять переносящие поверхности.^[6]

Поднимающийся тонкопленочный вакуумный испаритель

Конструкция вакуумного испарителя с восходящей тонкой пленкой является модификацией оригинального испарителя с восходящей пленкой, которое имеет главное отличие в том, что жидкость испаряется при более низкой температуре. Это возможно, потому что он работает в условиях вакуума, что также позволяет избежать нежелательного образования в жидкости. Эта конструкция предназначена для повторного концентрирования разбавленного раствора до желаемой концентрации путем испарения, а также позволяет испарившейся воде одновременно конденсироваться и извлекаться либо для рециркуляции, либо для других целей. Существует много различных типов моделей вакуумных испарителей с восходящей тонкой пленкой, работающих с разной производительностью, контролем концентрации, типами конструкции конденсатора для получения продукта в оптимальном состоянии.^[7] В дополнение к этому, эта конструкция компактна, позволяет легко поддерживать концентрацию раствора и применима для высококоррозионных и шипучих жидкостей.

Семи Кестнер

Semi Kestner, также известный как испаритель с полу-восходящей пленкой, широко используется в сахарной промышленности. Это оборудование оснащено перегородкой Polly, чтобы избежать улавливания сока, и было бы более эффективное распределение сока с помощью змеевика для сока и промывки сока. Эта конструкция имеет высокий показатель Брикса сиропа и высокое давление пара, поскольку требуется меньшее количество пара.^[8] Благодаря короткому времени удерживания щелока и хорошей конструкции теплопередачи сок течет обратно без каких-либо выделений, проходя через поверхность нагрева только один раз.^[9]

Рекомендации по рассматриваемым образцам

Определение подходящей разницы температур

Разница температур, которая представляет собой среднюю логарифмическую разность температур между нагревательной средой и кипящей жидкостью, должна быть достаточно высокой, чтобы генерировать достаточную восходящую силу парового пара на стороне трубы, чтобы заставить пленку жидкости течь вверх. Как правило, чем больше разница температур, тем выше движущая сила пара. Кроме того, наличие большой разницы температур также увеличивает скорость потока жидкости и пара внутри трубки. Это увеличение скорости потока вызывает более высокую турбулентность, что приводит к увеличению коэффициента теплопередачи. Однако общая разница температур должна находиться в пределах диапазона температур кипения двух компонентов, поскольку это может повлиять на качество и чистоту продуктов.^[10]

Размеры

Определение размера испарителя с восходящей пленкой, как правило, является деликатной задачей, поскольку требует хорошего понимания требований к процессу и поведения используемых материалов.^[10] С точки зрения экономической эффективности принято считать, что длинные и тонкие трубы относительно дешевле, потому что толстые кожухи кожухотрубных теплообменников обычно дороже. Тем не менее, сравнивая стоимость конструкции с требованиями, размер всегда можно отрегулировать и настроить в зависимости от требуемого применения при производстве желаемых продуктов. Обычно длина составляет от 4 до 8 м и от 25 до 50 мм в диаметре.^[11]

Тепловое хозяйство

При проектировании трубчатого испарителя с восходящей трубой необходимо учитывать тепловую экономию. Чтобы оптимизировать это, необходимо учитывать параметры конструкции, которые имеют большое влияние на тепловую экономию. Одним из основных факторов является общая площадь теплопередачи. Чтобы максимизировать тепловую экономию, обычно допустимо максимизировать площадь теплопередачи, поскольку большая площадь дает более высокую скорость теплопередачи. Несмотря на это, увеличение площади теплопередачи может включать осложнения с точки зрения увеличения различных размеров испарителя, что в результате увеличивает стоимость строительства в дополнение к другим ограничениям, таким как ограничения по пространству и конструкции.^[12]

Рекомендации

1. Артал, Дж., Серра, Л., Уче, Дж. (2002). «Сравнение корреляций коэффициентов теплопередачи для установок термического опреснения». Центр исследований эффективности электростанций, Университет Сарагосы, Сарагоса, Испания.
2. Либао, Г. (2011). «Экспериментальное исследование характеристик теплопередачи при испарении в пластинчатом испарителе с подъемной пленкой». Шанхайский университет, Китай. [1] Последний доступ 15 октября 2013 г.
3. Р.К. Синнотт, (2005). «Дизайн химической инженерии», Elsevier Butterworth-Heinemann.
4. Фриони, Л.С.М. (2004). «Экспериментальные результаты по испарению раствора сахарозы с помощью испарителя с поднимающейся / падающей пленкой». Universidade de São Paulo, Бразилия.
5. Тан, Г.Л. (2009). «Двухфазный поток в испарителе с восходящей пленкой». Шанхайский колледж текстильных технологий, Китай.
6. Artisan Industries, (2013). Уолтем, Массачусетс, США. «Архивная копия». Архивировано из оригинал в 2013-11-29. Получено 2013-10-15. Последний доступ 15 октября 2103 г.
7. Саншин МФГ. Co., Ltd., (2009 г.). Япония. [2] Последний доступ 15 октября 2013 г.
8. Sucrotech Equipments, Индия. [3] Последний доступ 15 октября 2013 г.
9. Kunming Light Industry Machinery Co., Ltd., Китай. [4] Последний доступ 15 октября 2013 г.
10. Саравакос, J.C.M. И Вустер, Г.Д. (1970). «Концентрация жидких пищевых продуктов в экспериментальном испарителе с падающей пленкой», Экспериментальная сельскохозяйственная станция штата Нью-Йорк, Корнельский университет, США. [5] Последний доступ 15 октября 2013 г.
11. Гавхейн, К. (2008). «Единицы СИ для теплопередачи», 8-е издание, Нирали Пракашан.
12. Валас, М.С. » Оборудование для химических процессов », Выбор и проектирование, Серия Баттерворта Хейнмана в химической инженерии.