Циркуляционный испаритель

Испаритель

Циркуляционные испарители — это тип испарительной установки, предназначенной для разделения смесей, которые невозможно испарить с помощью обычной выпарной установки. Циркуляционное испарение предполагает использование как теплообменников , так и установок мгновенного разделения в сочетании с циркуляцией растворителя для удаления жидких смесей без традиционного кипячения . Существует два типа циркуляционного испарения; Испарители с естественной циркуляцией и испарители с принудительной циркуляцией, оба из которых до сих пор используются в промышленности, хотя системы с принудительной циркуляцией, в которых есть циркуляционный насос, в отличие от систем с естественной циркуляцией без движущей силы, имеют гораздо более широкий спектр подходящего применения.

Проектирование испарителей с естественной/принудительной циркуляцией

Испарители проектируются с двумя ключевыми целями: является ли выбранное оборудование наиболее подходящим для данной задачи и является ли такое расположение наиболее эффективным и экономичным. Теплопередача сильно влияет на конструкцию испарителя, так как представляет наибольшую стоимость при его эксплуатации. Наиболее подходящий испаритель будет иметь самый высокий коэффициент теплопередачи на доллар стоимости оборудования. При оптимизации конструкции испарителя еще одним важным фактором является экономия пара (кг испаряемого растворителя на килограмм использованного пара). Лучший способ добиться высокой экономии (которая может превышать 100%) – использовать многокорпусный испаритель , при котором пар из одного испарителя – или ступени – используется для нагрева сырья в следующей ступени, где кипение происходит при более низком давлении. и температура Термосжатие пара, при котором пар конденсируется при температуре, достаточно высокой, чтобы его можно было повторно использовать для следующего эффекта посредством сжатия, также повысит эффективность. Однако повышение энергоэффективности может быть достигнуто только за счет более высоких капитальных затрат, и общее правило заключается в том, что чем больше система, тем больше она окупится за счет повышения теплового КПД испарителя.

Однако теплопередача не является единственным критерием проектирования, поскольку выбор наиболее подходящего испарителя также зависит от свойств сырья и продуктов. кристаллизацию , посол и накипь, качество продукта и его термочувствительность, пенообразующую способность раствора, вязкость сырья (которая увеличивается при испарении) и его природу (суспензия или концентрат). Необходимо учитывать Для однокорпусных испарителей, которые используются в мелкомасштабных процессах с низкой пропускной способностью материала, для проектирования и оптимизации процесса можно использовать материальный и энергетический балансы. При проектировании многокорпусных испарителей методы проб и ошибок с множеством итераций обычно являются самыми быстрыми и эффективными. Общие этапы проектирования следующие: и будет выполнено в Excel для удобства расчетов. Другое программное обеспечение для проектирования, такое как Aspen Plus, также может использоваться со встроенными функциями для технологического оборудования.

1) Оценить распределение температуры в испарителе с учетом повышения температуры кипения. Если все поверхности нагрева должны быть одинаковыми, падение температуры на каждом эффекте будет примерно обратно пропорционально коэффициенту теплопередачи в этом эффекте.

2) Определите необходимое общее испарение и оцените расход пара для выбранного количества эффектов.

3) Рассчитайте испарение в первом эффекте, исходя из предполагаемой температуры подачи или расхода. Повторите эти действия для следующих эффектов и убедитесь, что первоначальные и промежуточные предположения по-прежнему верны. Кроме того, в конечном итоге определите, соответствует ли качество продукции требуемым спецификациям.

4) Проверьте, соблюдены ли требования к нагреву и соответствует ли продукт желаемым характеристикам. Если нет, повторите предыдущие шаги с другим предположением о подаче пара в первую ступень.

5) Теперь, когда концентрации каждого эффекта известны, пересчитайте повышение температуры кипения, чтобы определить тепловые нагрузки. Используя эту информацию, пересмотрите предполагаемые коэффициенты теплопередачи разницы температур, а затем определите требования к поверхности нагрева.

6) При наличии достаточного количества данных на основе вышеуказанных условий коэффициенты теплопередачи могут быть рассчитаны более строго и требования к поверхностному нагреву скорректированы соответствующим образом, чтобы получить более надежное проектное представление самой физической системы.

После того как сами компоненты испарителя спроектированы, вспомогательное оборудование, такое как насосы необходимо спроектировать и/или определить для системы (особенно для испарителей с принудительной циркуляцией) и нагреватели, чтобы обеспечить надежную оценку производительности и стоимости системы в целом. Они будут основаны на спецификациях, определенных в расчетах выше.

Основные характеристики

Основные характеристики процесса основаны на испарении, в частности, посредством теплообмена и манипулирования давлением. Это процедура мгновенного разделения, которая включает нагрев базовой жидкой смеси и принудительную циркуляцию через систему посредством перекачки.

Физические характеристики

Выпаривание с принудительной/естественной циркуляцией используется, когда кипение основных жидкостей нежелательно. Он был разработан специально для обработки и разделения жидкостей, в которых происходит кристаллизация и накипь. Испаритель использует отдельные части для создания общей системы; теплообменник, сепарационная емкость и для системы принудительной циркуляции (в отличие от системы естественной циркуляции) циркуляционный насос являются стандартными, хотя могут быть изменены в зависимости от свойств жидкостей разделяемых смесей и конкретной конструкции. Агрегаты в теплообменнике (где происходит теплопередача) называются нагревательными агрегатами или каландриями (для однотрубных теплообменников). Резервуар для разделения жидкости и пара называется испарительным сепаратором, испарительной камерой или испарительной емкостью. Базовый модуль испарителя известен как «корпус» испарителя и включает в себя каландрию и испарительную камеру. Термин «эффект» используется для описания тела, в котором пар извлекается из сырья и работает при той же температуре кипения.

Характеристики системы

Выпаривание – это удаление растворителя в виде паров из раствора. В большинстве систем испарения растворителем является вода, а тепло обеспечивается конденсацией пара. При принудительной циркуляции испарительная жидкость постоянно циркулирует по системе. Смесь проходит через теплообменник, где перегревается под давлением. Чтобы избежать загрязнения, используется высокая скорость циркуляции, обычно 1,5–4 м/с. хотя это в конечном итоге зависит от свойств компонента и легко регулируется циркуляционным насосом. Жидкость находится под давлением через теплообменник снаружи с помощью стабилизаторов давления, таких как клапаны или отверстия, или гидростатически внутри системы.

Нагрев жидкости в теплообменнике поддерживается минимальным при стандартной разнице температур 2–3 К. Когда жидкость попадает в расширительный сосуд, давление падает до значения, немного ниже давления в теплообменнике, и происходит мгновенное испарение. Поток пара отделяется от потока жидкости. Этот пар обычно не является желаемым продуктом выпарной установки. Таким образом, пар можно либо собирать, либо утилизировать в зависимости от системы. Обогащенный жидкий раствор затем либо собирается тем же способом, что и пар, либо снова рециркулируется через систему.

Это приводит к высокому коэффициенту рециркуляции в диапазоне 100–150 кг рециркулируемой жидкости (растворителя) на кг удаленного пара. Эти высокие скорости рециркуляции приводят к высокой скорости жидкости через трубку и, в свою очередь, сводят к минимуму накопление кристаллов и других отложений и, в свою очередь, минимизируют засорение. Важно отметить, что при кристаллизации кристаллизация по-прежнему происходит в сепараторе мгновенного действия, и в некоторых конкретных системах необходимо дальнейшее отделение твердых частиц от рециркулируемой суспензии.

Оценка характеристик

При проектировании испарителя с принудительной циркуляцией необходимо учитывать три фактора; теплопередача, отделение паров жидкости и эффективность энергопотребления. Все эти соображения необходимо максимально использовать для создания эффективной системы. Поскольку в системе поддерживаются циркуляция и нагрев, температуру жидкости и скорость потока можно контролировать специально в соответствии с требованиями к продукту. и, таким образом, можно достичь оптимальных скоростей в трубах, что приводит к созданию эффективно спроектированной системы, учитывающей проектные соображения.

Испарители с принудительной циркуляцией имеют высокую скорость жидкости и, следовательно, высокую турбулентность. это, следовательно, соответствует высоким коэффициентам теплопередачи. Система обеспечивает принудительную циркуляцию, отсутствие сильного загрязнения, накипи или засаливания и подходит для агрессивных и вязких растворов.

Рабочие характеристики специально регулируются в соответствии с критериями применения. Однако испарители с принудительной циркуляцией универсальны в своем применении и могут использоваться в самых разных целях (см. Применение). Например, они идеально подходят для операций кристаллизации. Значения концентрации испарителей с принудительной циркуляцией могут превышать пределы обычных трубчатых испарителей при работе с сырьем, содержащим растворенные соли, и часто используются в качестве окончательного испарителя для концентрирования жидкостей до высокого содержания твердых частиц после многоступенчатого испарения с низким содержанием твердых веществ, TVR или MVR.

Для повышения тепловой эффективности можно использовать несколько нагревательных эффектов. В этой конструкции системы отработанный пар используется в качестве теплоносителя для второго нагревательного эффекта при более низком давлении, чем первый эффект. Это можно повторить для нескольких эффектов.

Характеристики испарителя с естественной циркуляцией

Испарение с естественной циркуляцией по существу основано на потоках естественной конвекции, которыми манипулируют через трубопроводы системы для создания циркуляции. Циркуляция посредством конвекции достигается за счет образования пузырьков. Пузырьки имеют меньшую плотность и поднимаются сквозь жидкость, способствуя подъему вверх в испарительный сосуд.

Физически Испарители с естественной циркуляцией используют короткий пучок трубок внутри шихты или внешний кожухотрубный теплообменник снаружи основного резервуара (как показано на схеме). Обычно используется внешний нагрев через теплообменники, поскольку он имеет то преимущество, что не зависит от размера или формы каландра. Таким образом, можно получить бак мгновенного разделения большей емкости.

Удаление циркуляционного насоса снижает эксплуатационные расходы, однако из-за характеристик системы, упомянутых выше, испаритель имеет длительное время пребывания и низкую скорость потока. что делает его использование значительно более ограниченным, чем у испарителя с принудительной циркуляцией. Наиболее распространенным применением выпаривания с естественной циркуляцией является ребойлер для дистилляционных колонн.

Доступны конструкции системы

В настоящее время доступен широкий ассортимент испарителей с принудительной циркуляцией, специально предназначенных для выполнения различных задач.

В пластинчатых испарителях с принудительной циркуляцией используется центробежный насос , который заставляет жидкость циркулировать через пластинчатые конструкции и теплообменник. Гибкость этой конструкции является основным преимуществом, поскольку скоростью испарения можно управлять путем добавления или удаления дополнительных пластин, что позволяет выполнять широкий спектр задач, требующих большего коэффициента теплопередачи. В частности, продукты с более высокой вязкостью лучше подходят для этой конструкции: пластинчатый испаритель с принудительной циркуляцией демонстрирует более высокую производительность и улучшенное испарение по сравнению с трубчатой ​​системой с принудительной циркуляцией. Жидкость должна подвергнуться перегреву, который во многом превышает исходную температуру кипения жидкости, что приводит к быстрому испарению. Кроме того, благодаря гибкости, эта система компактна, занимает мало места и ее легко чистить. и обслуживайте их, поскольку пластины легко доступны. Что касается пригодности, эта конструкция в настоящее время используется в процессах, в которых используются жидкости с низкой и средней скоростью испарения, состоящие из мельчайших порций нерастворенных растворенных веществ, практически не способных вызвать загрязнение.

В трубчатых испарителях с принудительной циркуляцией используется осевой циркуляционный насос, который перемещает поток жидкости по кругу через теплообменник системы, в котором она перегревается. После этого, когда жидкость достигает сепаратора, давление жидкости резко падает, заставляя часть жидкости быстро выкипать. Эта конструкция специально предназначена для продуктов и/или частиц диаметром более 2 мм. Поскольку испарение происходит только в сепараторе, а не в теплообменнике, загрязнение снижается, несмотря на более высокий уровень турбулентности в конструкции. Альтернативно, еще одним параметром конструкции является оптимизация скорости жидкости в боковом потоке трубы, которая регулируется циркуляционным насосом.

Испарители с принудительной циркуляцией в пищевой промышленности используют модифицированную конструкцию, имитирующую исходную систему, однако включают дополнительные блоки вторичного пара для увеличения потока принудительной циркуляции. В то время как в конструкции с одинарным эффектом используется конденсаторный блок для стимулирования процесса конденсации после притока пара из теплообменника, конструкция с двойным эффектом выполняет аналогичную функцию, однако дополнительный компонент снижает общее давление в системе. Для сравнения, система тройного эффекта используется, когда требуется высокий уровень эффективного испарения с минимальными трудозатратами. В этой конструкции жидкость поступает в третий эффект при низкой температуре и переходит во второй поток, в котором концентрация увеличивается за счет предыдущего эффекта испарения. Наконец, оптимальная концентрация продукта достигается при первом эффекте.

Что касается конструктивных компонентов испарительных систем с принудительной циркуляцией, теплообменники могут различаться. Кожухотрубные теплообменники получили наибольшее распространение благодаря гибкой конструкции, способной выдерживать различные значения давления и температуры. В теплообменниках с принудительной циркуляцией могут использоваться горизонтальные или вертикальные кожухотрубные теплообменники, обеспечивающие обмен тепла между жидкостями внутри и снаружи труб (которые существуют внутри теплообменника). Для жидкостей с высоким содержанием растворенных веществ обычно требуются вертикальные теплообменники, которые используются чаще.

Напрасно тратить

Выпаривание обычно связано с испарением воды из смеси или раствора, содержащего другую жидкость или мелкие твердые вещества. Этот концентрированный поток в большинстве случаев является продуктом, и поэтому единственным потоком отходов является чистая вода, которая не представляет риска для окружающей среды и может быть сброшена в ливневую/канализационную систему. В случае, когда концентрат представляет собой поток отходов, например, при испарении соленой воды для производства питьевой воды, концентрат соли следует рассеивать обратно в океаны или дополнительно сушить и отправлять на утилизацию/использование в других операциях. В большинстве случаев потоки опасных отходов, связанные с испарителями с естественной и принудительной циркуляцией, отсутствуют.

Преимущества и ограничения

Преимущества

Испарители с естественной/принудительной циркуляцией имеют множество преимуществ, что делает их более популярным выбором испарителей в промышленности.

Жидкость, поступающая в циркуляционный испаритель, будет кипеть в сепараторе, а не на поверхности нагрева, что сводит к минимуму загрязнение, тогда как в пластинчатых испарителях кипение будет происходить на поверхности нагрева. Именно по этой причине циркуляционные испарители предпочтительны для жидкостей с более высокой склонностью к загрязнению. Минимальное загрязнение также означает, что циклы очистки выполняются не так часто, как в случае с другими испарителями, такими как пластинчатые испарители.

Циркуляционные испарители достаточно компактны, их легко чистить и эксплуатировать. Их также можно легко адаптировать в соответствии с продуктом, который необходимо получить. Они имеют высокий коэффициент теплопередачи , а также высокий циркуляционный поток. оба из которых работают на повышение эффективности испарителя.

Ограничения

Одним из основных ограничений испарителей с принудительной/естественной циркуляцией является стоимость. Циркуляционные испарители имеют особенно высокую стоимость строительства, тогда как испарители с падающей пленкой имеют низкие инвестиционные затраты. Испарители с падающей пленкой не имеют вращающихся внутренних частей и, следовательно, не подвергаются механическому износу, тогда как циркуляционные испарители требуют высоких затрат на техническое обслуживание.

Хотя ранее это было описано как преимущество, у высокого циркуляционного потока есть и обратная сторона. Повышенная скорость может привести к более быстрой коррозии оборудования, что увеличит общую стоимость эксплуатации испарителя, учитывая, насколько дорого его обслуживание по сравнению с другими испарителями.

Приложения

Испарители с естественной/принудительной циркуляцией играют важную роль в пищевой промышленности и производстве напитков. В частности, их можно использовать для процессов производства концентрата томатного сока (тропических и ягодных) , концентрата фруктов , а также когда необходимо удалить воду из определенного сырья таким образом, чтобы сохранить свойства сырья.

Как правило, испарители с принудительной циркуляцией необходимы, когда характеристики загрязнения жидкости вызывают проблемы, если жидкость закипает на поверхности нагрева. Эти испарители также используются для жидкостей с высоким содержанием твердых частиц и высокой вязкостью.

Существует несколько других процессов, требующих использования испарителей с принудительной циркуляцией, которые особенно хорошо работают в качестве кристаллизующих испарителей. К ним относятся процессы, в ходе которых производятся соль, кукурузная отварная вода и карбонат кальция.

Испарители с естественной циркуляцией используются в других процессах, например, в тех, которые производят безводный гидроксид натрия (каустик), сахарную свеклу, щелок с особенно пенистым вкусом или жидкости с вязкостью от низкой до умеренной, а также осаждающие жидкости.

Испарители с естественной/принудительной циркуляцией также необходимы на очистных сооружениях, а также в химической и фармацевтической промышленности.

Новые разработки

Усовершенствования в конструкции испарителей с принудительной/естественной циркуляцией имели значительные последствия для промышленных продуктов и процессов. Появление самоочищающихся теплообменников с внешним циркуляционным движением частиц резко снизило уровень загрязнения. Кроме того, использование испарителей с принудительной циркуляцией в многокорпусных выпарных установках, как описано ранее в разделе «Доступные конструкции», значительно расширили возможности применения жидкостей, которые имеют высокую вязкость, легко осаждаются и требуют более высоких концентраций. Дополнительные доказательства можно получить из тематического исследования, касающегося свалки в Северной Италии, где биогаз в однокорпусном испарителе не смог полностью испарить фильтрат. В результате был использован испаритель с принудительной циркуляцией тройного действия.