Испаритель

Чтобы узнать о других значениях, см. Испаритель (значения) и Испарители .

Промышленный испаритель, используемый на химическом заводе в Турции.

Испаритель теплообменного — это тип устройства , которое облегчает испарение за счет использования кондуктивной и конвективной теплопередачи, которая обеспечивает необходимую тепловую энергию для фазового перехода из жидкости в пар. Внутри испарителей циркулирующая жидкость подвергается воздействию атмосферного или пониженного давления, что приводит к ее кипению при более низкой температуре по сравнению с обычным атмосферным кипением.

Четыре основных компонента узла испарителя:

1. Трубки или каналы, по которым хладагент. циркулирует жидкий
2. Ребра или другие улучшенные поверхности для увеличения площади теплопередачи.
3. Источник тепла, такой как пар или дымовые газы, направленный над трубами.
4. Дистилляция пара в систему выпускных трубопроводов

Тепло передается жидкости внутри стенок трубки посредством проводимости, обеспечивая тепловую энергию, необходимую для испарения. Конвективные потоки внутри него также способствуют эффективности теплопередачи.

Существуют различные конструкции испарителей, подходящие для различных применений, включая кожухотрубные, пластинчатые и затопленные испарители, обычно используемые в промышленных процессах, таких как опреснение, выработка электроэнергии и кондиционирование воздуха. Пластинчатые испарители обеспечивают компактность, а многоступенчатая конструкция обеспечивает повышенную скорость испарения при более низких тепловых нагрузках. Общая производительность испарителей зависит от таких факторов, как коэффициент теплопередачи, свойства материала труб/пластин, режим потока и достигаемое качество пара.

Передовые методы контроля, такие как онлайн-обнаружение загрязнения, помогают поддерживать тепловые характеристики испарителя с течением времени. Кроме того, моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) и достижения в области технологий нанесения покрытий продолжают расширять возможности тепло- и массообмена, что приводит к более энергоэффективному производству пара. Испарители необходимы во многих отраслях промышленности из-за их способности разделять фазы посредством контролируемого процесса фазового перехода.

Использование

Кондиционирование и охлаждение

В некоторых кондиционерах и холодильниках используются сжатые жидкости с низкой температурой кипения, которые испаряются внутри системы для ее охлаждения, одновременно излучая тепловую энергию в окружающую среду.

Пищевая промышленность и синтетическая химия

Испарители часто используются для концентрирования раствора. Примером может служить пластинчатый испаритель с восходящей/нисходящей пленкой , который используется для производства сгущенного молока .

Точно так же редукция (варка) — это процесс испарения жидкостей из раствора для производства «восстановленного» пищевого продукта, такого как редукция вина.

Испарение — это основной процесс дистилляции , который используется для концентрирования спирта , выделения жидких химических продуктов или восстановления растворителей в химических реакциях. Промышленность парфюмерии и эфирных масел использует дистилляцию для очистки соединений. Каждое приложение использует специализированные устройства.

Химическая инженерия

В случае опреснения морской воды или установок с нулевым сбросом жидкости применяется обратная цель; испарение удаляет желаемую питьевую воду из нежелательного растворенного вещества/продукта, соли.

Химическая технология использует испарение во многих процессах. Например, многокорпусный испаритель используется при производстве крафт-целлюлозы, процесс получения древесной массы из древесины.

Морской

Дополнительная информация: Испаритель (морской).

На больших судах обычно имеются выпарные установки для производства пресной воды, что снижает их зависимость от береговых поставок. Пароходы должны производить высококачественный дистиллят для поддержания уровня котловой воды. Суда с дизельными двигателями часто используют отходящее тепло в качестве источника энергии для производства пресной воды. В этой системе вода, охлаждающая двигатель, проходит через теплообменник, где охлаждается концентрированной морской водой. Поскольку охлаждающая вода, представляющая собой химически обработанную пресную воду, имеет температуру 70–80 °C (158–176 °F), выпаривание водяного пара невозможно, если давление в теплообменника резервуаре не будет повышено. упавший.

с солевым эжектором Затем с помощью насоса Вентури создается вакуум внутри сосуда, обеспечивая частичное испарение. Затем пар проходит через туманоуловитель, прежде чем попасть в секцию конденсатора . Морская вода прокачивается через секцию конденсатора, чтобы достаточно охладить пар для конденсации. Дистиллят собирается в лотке, откуда насосами перекачивается в резервуары-хранилища. Солемер . контролирует содержание соли и отводит поток дистиллята из резервуаров-хранилищ, если содержание соли превышает предел тревоги Стерилизация проводится после испарителя.

Испарители обычно бывают кожухотрубного типа (известные как установки Атлас) или пластинчатого типа (например, типа, разработанного Альфа Лаваль ). Температура, производство и вакуум контролируются путем регулирования клапанов системы. Температура морской воды может помешать производству, как и колебания нагрузки на двигатель. По этой причине испаритель регулируется при изменении температуры забортной воды и полностью отключается во время маневрирования судна. Альтернативой на некоторых судах, таких как военные корабли и пассажирские суда, является использование принципа обратного осмоса для производства пресной воды вместо использования испарителей.

Энергичный

Испарение , или паризация , представляет собой эндотермический процесс фазового перехода , который хорошо изучен в области термодинамики . Оно тесно связано с давлением паров жидкости и окружающим давлением, а также с энтальпией испарения.

Типы испарителей

Испаритель с SBT для устранения толчков.

Испарители работают по тому же принципу. Источник тепла контактирует с жидкостью, вызывая ее испарение. Пар удаляется полностью (как при приготовлении пищи) или хранится для повторного использования (например, в холодильнике) или для выделения продукта (эфирное масло).

Роторный испаритель

Основная статья: Роторный испаритель

В роторных испарителях используется вакуумный насос для создания низкого давления над растворителем при одновременном вращении колбы с жидкостью для увеличения площади поверхности и уменьшения размера пузырьков. Обычно пар пропускают через холодный палец или змеевик, чтобы испаряющийся материал не повредил насос. Роторный испаритель лучше всего использовать для удаления растворителя из растворов, содержащих целевой продукт, который не испаряется при рабочем давлении, для отделения летучих компонентов смеси от нелетучих материалов.

Испаритель с естественной/принудительной циркуляцией

Основная статья: Циркуляционный испаритель

Испарители с естественной циркуляцией основаны на естественной циркуляции продукта, вызванной разницей плотности , возникающей при нагреве ( конвекция ). Камеру с раствором нагревают, испаряющуюся жидкость собирают в приемную колбу.

Испаритель с падающей пленкой

Основная статья: Испаритель с падающей пленкой

Испаритель этого типа обычно состоит из труб длиной 4–8 м (13–26 футов), закрытых паровыми рубашками. При использовании испарителя этого типа важно равномерное распределение раствора. Раствор поступает в испаритель и набирает скорость по мере движения вниз. Этот выигрыш в скорости объясняется выделением пара против теплоносителя, который также течет вниз. Этот испаритель обычно применяется для высоковязких растворов , поэтому его часто используют в химической, сахарной, пищевой и ферментационной промышленности.

Испаритель с восходящей пленкой (длинная вертикальная трубка)

Основная статья: Испаритель с восходящей пленкой

Восходящий пленочный испаритель.

Этот тип испарителя полезен при концентрировании растворов. Эта операция очень похожа на работу каландрии , где жидкость кипятится внутри вертикальных трубок за счет подачи тепла к внешней стороне трубок. Образовавшиеся пары растворителя прижимают жидкость к стенкам трубок, образуя тонкую пленку, которая движется вверх вместе с паром. Пар может быть выпущен из системы, в то время как жидкость может рециркулироваться через испаритель для дальнейшей концентрации растворенного вещества . Во многих случаях трубы испарителя с восходящей пленкой обычно имеют высоту 3–10 метров (9,8–32,8 футов) и диаметр 25–50 миллиметров (0,98–1,97 дюйма). Выбор размера испарителя этого типа требует точной оценки фактического уровня жидкости внутри трубок и скорости потока пара и пленки.

Пластинчатый испаритель с поднимающейся и падающей пленкой

Основная статья: Пластинчатый испаритель с поднимающейся и падающей пленкой

Пластинчатые испарители с поднимающейся и падающей пленкой имеют относительно большую площадь поверхности. Пластины обычно гофрированные и поддерживаются каркасом. При испарении пар протекает по каналам, образованным свободными пространствами между пластинами. Пар попеременно поднимается и падает параллельно концентрированной жидкости. Пар движется прямотоком и противотоком с жидкостью. Концентрат и пар подаются на стадию разделения, где пар направляется в конденсатор. Этот тип пластинчатых испарителей часто применяется в молочной и ферментационной промышленности, поскольку они обладают пространственной гибкостью. Отрицательным моментом испарителя этого типа является его ограниченная возможность обработки вязких или содержащих твердые вещества продуктов. Существуют и другие типы пластинчатых испарителей, которые работают только с восходящей пленкой.

Многокорпусные испарители

Основная статья: Многокорпусный испаритель

В отличие от одноступенчатых испарителей, эти испарители могут состоять из семи ступеней испарителя (эффектов). Потребление энергии однокорпусными испарителями очень велико и составляет большую часть стоимости испарительной системы. Соединение испарителей экономит тепло и, следовательно, требует меньше энергии. Добавление одного испарителя к исходному снижает потребление энергии на 50%. Добавление еще одного эффекта уменьшает его до 33% и так далее. Уравнение процента экономии тепла может оценить, сколько можно сэкономить, добавив определенное количество эффектов.

Число эффектов в многокорпусном испарителе обычно ограничивается семью, поскольку после этого стоимость оборудования приближается к экономии затрат на снижение энергопотребления.

При работе с многокорпусными испарителями можно использовать два типа подачи:

• Прямая подача: это происходит, когда продукт попадает в систему через первый эффект при самой высокой температуре. Затем продукт частично концентрируется, поскольку некоторое количество воды превращается в пар и уносится. Затем он подается во второй этап, температура которого немного ниже. Второй эффект использует нагретый пар, созданный на первом этапе, в качестве источника тепла (отсюда и экономия затрат энергии). Сочетание более низких температур и более высокой вязкости в последующих эффектах обеспечивает хорошие условия для обработки термочувствительных продуктов, таких как ферменты и белки. В этой системе требуется увеличение площади поверхности нагрева последующего воздействия.
• Обратная подача: в этом процессе разбавленные продукты подаются в последнюю камеру с самой низкой температурой и передаются от камеры к камере с повышением температуры. Конечный концентрат собирается в самом горячем состоянии, что дает преимущество в том, что на последних стадиях продукт имеет высокую вязкость, поэтому теплообмен лучше.

многокорпусные вакуумные испарительные системы (с тепловым насосом В последние годы стали использоваться ). Хорошо известно, что они энергетически и технически более эффективны, чем системы с механической рекомпрессией пара (МВР). Благодаря более низкой температуре кипения они могут работать с высокоагрессивными жидкостями или жидкостями, склонными к образованию накипи.

Схема испарителя с тонкой/протертой пленкой с перемешиванием.

Тонкопленочные испарители с перемешиванием

Выпаривание тонких пленок с перемешиванием оказалось очень успешным для продуктов, с которыми трудно обращаться. Проще говоря, этот метод позволяет быстро отделить летучие компоненты от менее летучих, используя непрямую передачу тепла и механическое перемешивание текущей пленки продукта в контролируемых условиях. Разделение обычно производится в условиях вакуума, чтобы максимизировать ∆T при поддержании наиболее благоприятной температуры продукта, чтобы продукт находился в равновесных условиях только внутри испарителя и мог максимизировать отгонку и извлечение летучих веществ.

Проблемы

При выпаривании могут возникнуть технические проблемы, особенно когда этот процесс используется в пищевой промышленности. Некоторые испарители чувствительны к различиям в вязкости и консистенции разбавленного раствора. Эти испарители могут работать неэффективно из-за потери циркуляции. Возможно, потребуется заменить насос испарителя, если испаритель необходимо использовать для концентрирования высоковязкого раствора.

Загрязнение происходит также при образовании твердых отложений на поверхностях теплоносителей в испарителях. В пищевых продуктах белки и полисахариды могут создавать такие отложения, которые снижают эффективность теплопередачи. Вспенивание также может создать проблему, поскольку борьба с избытком пены может оказаться дорогостоящей с точки зрения времени и эффективности. Используются пеногасители , но лишь некоторые из них можно использовать при обработке пищевых продуктов.

Коррозия также может возникнуть при кислых растворов, таких как соки цитрусовых концентрировании . Повреждения поверхности могут сократить срок службы испарителей. Качество и вкус пищи также могут пострадать во время испарения. В целом, при выборе испарителя необходимо тщательно учитывать качество раствора продукта.

См. также

• Мгновенное испарение
• Вакуумное испарение
• Центробежный испаритель
• Роторный испаритель
• Парокомпрессионный испаритель
• Испарительный охладитель
• Технология перекачиваемого льда
• Циркуляционный испаритель

Ссылки

• Феннема, Оуэн Р., Маркус Карел и Дэрил Б. Лунд. Физические принципы сохранения продуктов питания. Marcel Deker, Inc. Нью-Йорк и Базель, 1975 г.
• Крийгсман, Ир Дж., главный научный сотрудник и руководитель исследовательского проекта, Gist-brocades, Делфт и Делфтский технологический университет, Делфт, Нидерланды. Восстановление продуктов в биотехнологических технологиях. Баттерворт-Хайнеманн, 1992 г.