Испаритель с восходящей пленкой

Испаритель с восходящей пленкой или вертикальный испаритель с длинными трубками представляет собой тип испарителя , который по сути представляет собой вертикальный кожухотрубный теплообменник. Испаряемая жидкость подается снизу в длинные трубки и нагревается паром, конденсирующимся на внешней стороне трубки со стороны корпуса. Это необходимо для образования пара и пара внутри трубки, доводя жидкость внутри до кипения. Образовавшийся пар затем прижимает жидкость к стенкам трубок и вызывает восходящую силу этой жидкости. По мере образования большего количества пара центр трубки будет иметь более высокую скорость, что заставляет оставшуюся жидкость прижиматься к стенке трубки, образуя тонкую пленку, которая движется вверх. Это явление поднимающейся пленки дало испарителю свое название.

Приложения: Существует широкий спектр применений испарителей с восходящей трубкой, включая очистку сточных вод, производство полимеров, производство продуктов питания, термическое опреснение, фармацевтику и регенерацию растворителей. Ашнер, Ф.С., Шаал, М. и Хассон, Д. (1971). «Большие длиннотрубные испарители для дистилляции морской воды. Что касается применения в этих отраслях, испарители с восходящей трубкой в основном используются в качестве ребойлеров для дистилляционных колонн или в качестве предварительных концентраторов, испарителей мгновенного действия или предварительных нагревателей, предназначенных для удаления летучих компонентов перед отгонкой.

Термическое опреснение. Конкретным применением испарителей с восходящей трубкой является термическое опреснение морской воды. Морская вода закачивается в длинные трубы испарителя, в то время как теплоноситель (обычно пар) нагревает ее. По мере образования пара внутри трубок он течет вверх. Это испарение происходит в условиях вакуума, что позволяет использовать более низкие температуры.

Концентрация сока и обработка пищевых продуктов: - Пищевая промышленность требует длительного обращения с деликатными продуктами, чувствительными к высокой температуре. Испарители с восходящей пленкой могут работать достаточно быстро и эффективно, чтобы избежать необходимости подвергать продукт воздействию высоких температур, которые могут повредить или ухудшить его качество. Следовательно, их можно использовать в качестве концентраторов для 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 малое время пребывания жидкого сырья в испарителе по сравнению с испарителями других конструкций, такими как пластинчатые испарители. Это очень важно, поскольку позволяет использовать испаритель при более высоких рабочих температурах и гарантирует высокое качество продукта, несмотря на то, что продукт чувствителен к нагреву. Дополнительным преимуществом является возможность работы испарителя в непрерывном режиме, который в целом более эффективен по энергии и времени, чем периодический процесс. ^{[ 1 ]}

Высокие коэффициенты теплопередачи:- Еще одним существенным преимуществом является относительно высокий коэффициент теплопередачи этого типа испарителя. Это важно, поскольку снижает общую требуемую площадь теплопередачи, что, в свою очередь, снизит первоначальные капитальные затраты на испаритель. Это подчеркивается тем фактом, что компоненты, состоящие из кожуха и трубок, легко доступны в индивидуальном исполнении, что делает их экономически эффективными для строительства и идеальными для простых требований к испарению. Более того, этот тип испарителя также может легко содержать широко распространенные сепараторы паров для вспенивающихся продуктов.

Низкая эффективность

Хотя испарители с восходящей пленкой относительно эффективны и имеют ряд преимуществ, в некоторых публикациях говорится, что они не так эффективны, как испарители с вертикальной или горизонтальной трубкой с нисходящей пленкой. Таким образом, в последнее время испарители с восходящей пленкой обычно выбирают вместо испарителей с восходящей пленкой, поскольку они имеют те же преимущества, что и испарители с восходящей пленкой, и имеют дополнительные преимущества, заключающиеся в более высокой эффективности. Кроме того, испарителям с поднимающейся пленкой требуется движущая сила для перемещения пленки против силы тяжести, и это вызывает ограничение, поскольку существует требование достаточной разницы температур между нагревательными поверхностями для создания 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. Конкурентные технологические конструкции, такие как пластинчатые испарители, могут работать с более вязкими жидкостями с более высокой тенденцией к загрязнению, поскольку внутренние части более легко доступны для очистки и обслуживания.

Основная характеристика и оценки

Испарители предназначены для концентрации раствора путем испарения растворителя. Для оценки производительности испарителя с восходящей пленкой измеряют производительность и эффективность испарителя. Производительность — это количество воды, испаряемой в единицу времени, а экономия пара — это количество испаряемого растворителя. Следовательно, основные атрибуты процесса — это характеристики процесса, которые существенно влияют на эти две области. ^{[ 2 ]}

Общий коэффициент теплопередачи

Учитывая, что испарители с восходящей пленкой используют тот же принцип теплопередачи, что и обычный кожухотрубный теплообменник. Таким образом, 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, такова: ^{[ 3 ]}

Q=UAT_{l}m

( 1 )

где

Q

— скорость теплопередачи

U

- общий коэффициент теплопередачи

A

— общая площадь теплопередачи.

T lm

— разница температур или средняя логарифмическая разница температур.

Для обычного кожухотрубного теплообменника $U$ определяется уравнением ^{[ 3 ]}

{\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 )

где

h o

- коэффициент внешней жидкостной пленки

h i

- коэффициент внутренней пленки жидкости

h od

— коэффициент внешней загрязненности (коэффициент загрязнения)

h id

— коэффициент внутренней грязи

k w

– теплопроводность материала стенки трубы

d i

- внутренний диаметр трубки

d o

— внешний диаметр трубы

$A$ определяется уравнением

A=N\pi ld_{o}

( 3 )

где

N

— общее количество трубок

l

- длина трубок

d o

— внешний диаметр трубы

Это площадь контакта теплопередачи, которая включает в себя площадь внешней поверхности длинных вертикальных трубок, которые параллельны и находятся в непосредственном контакте с теплоносителем, находящимся внутри корпуса испарителя.

Среднелогарифмическая разность температур (LMTD), $T lm$ , определяется уравнением ^{[ 3 ]}

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 )

где

T hi

— температура горячей жидкости на входе.

T ho

— температура горячей жидкости на выходе.

T ci

— температура холодной жидкости на входе.

T co

— температура холодной жидкости на выходе

Горячая жидкость в случае испарителя с восходящей пленкой будет представлять собой пар со стороны корпуса, а холодная жидкость будет жидкостью внутри длинных трубок. Что касается общей скорости теплопередачи, существует несколько ключевых параметров, которые влияют на эту характеристику, особенно в случае испарителя с восходящей пленкой.

Коэффициенты теплопередачи

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

Логарифм средней разницы температур

Согласно законам теплопередачи, первоначально скорость теплопередачи увеличивается по мере увеличения разницы температур до приближения к температуре кипения материалов в случае постоянного расхода сырья. Следовательно, для этого процесса обычно полезно иметь большую разницу температур. Однако по мере того, как пузырьки пара постепенно заполняют весь центр трубки, давление пара достигает максимального значения. За этой точкой разница температур, которая действует как основная движущая сила теплопередачи, а также поднимающейся пленки, начнет уменьшаться, если давление пара увеличится. В дополнение к этому существуют и другие ограничения с точки зрения качества и стабильности продукта при рассмотрении вопроса об увеличении разницы температур. Разница температур движущей силы также во многом определяется свойствами пара и кипящей жидкости. ^{[ 3 ]}

Общая площадь теплопередачи

Это общая площадь контакта между теплоносителем и жидкостью, требующей нагрева, или любыми промежуточными поверхностями между ними. В случае испарителя с восходящей пленкой это определенная область между пленкой и поверхностью длинных трубок, а также окружающей нагревательной средой внутри корпуса испарителя. Как показано в уравнении, площадь теплопередачи является одним из главных факторов, влияющих на скорость кондуктивной теплопередачи. Следовательно, было бы выгодно максимизировать площадь, доступную для теплопередачи. Ограничения для них могут заключаться в стоимости единицы площади, поскольку увеличение площади будет означать увеличение длины трубок, а также корпуса испарителя, что может значительно увеличить стоимость конструкции и обслуживания. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

       Thickness of the rising film:-

Поднимающаяся пленка, образующаяся из-за давления пара внутри вертикальных трубок, существенно 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 проживания

Время пребывания указывает на время, необходимое продукту для прохождения всей процедуры. Это можно обобщить как 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, чтобы оно было как можно короче, чтобы свести к минимуму потенциальное разрушение питательных веществ под воздействием сильного тепла.

Эту проблему можно решить различными способами, например, установкой системы предварительного нагрева перед главным испарителем с функцией нагрева жидкого сырья до тех пор, пока его температура не приблизится почти к точке кипения. Это снизит нагрузочную способность испарителя и уменьшит время пребывания.

Доступные дизайны

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

Artisan Rising Film Испаритель

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

В связи с этим испаритель Artisan с восходящей пленкой предназначен для удаления большинства летучих компонентов перед отгонкой и обычно используется в качестве мгновенного испарителя или предварительного нагревателя. ^{[ нужна ссылка ]} Такая конструкция позволяет оператору контролировать скорость подачи или скорость пара, чтобы удалить остатки, приспособиться к поведению продукта и максимизировать экономию пара. Этот испаритель подходит для применения при высоких температурах и для материалов с высокой вязкостью, склонных к загрязнению поверхностей переноса. ^{[ 6 ]}

Восходящий тонкопленочный вакуумный испаритель

Конструкция вакуумного испарителя с восходящей пленкой представляет собой модификацию оригинального испарителя с восходящей пленкой, основное отличие которого заключается в том, что жидкость испаряется при более низкой температуре. Это возможно, поскольку он работает в условиях вакуума, что также позволяет избежать нежелательного образования в жидкости. Эта конструкция создана для повторной концентрации разбавленного раствора до желаемой концентрации путем испарения, а также позволяет одновременно конденсировать испаренную воду и использовать ее для рециркуляции или других целей. Существует множество различных типов моделей вакуумных испарителей с восходящей тонкой пленкой, работающих с различной производительностью, контролем концентрации и типами конструкции конденсатора для получения продукта в оптимальных условиях. ^{[ 7 ]} Кроме того, данная конструкция компактна, позволяет легко поддерживать концентрацию раствора и применима к сильноагрессивным и шипучим жидкостям.

Сэмми Кестнер

Semi Kestner, также известный как испаритель с полуподъёмной пленкой, широко используется в сахарной промышленности. Это оборудование оснащено уловителем перегородки Polly, позволяющим избежать захвата сока, а также обеспечить более эффективное распределение сока с помощью змеевика для сока и промывки сока. Эта конструкция имеет высокий показатель сиропа и обеспечивает высокое давление пара, поскольку требуется меньшее количество пара. ^{[ 8 ]} Благодаря короткому времени удерживания жидкости и хорошей конструкции теплопередачи сок течет обратно без каких-либо выбросов, проходя через нагревательную поверхность только один раз. ^{[ 9 ]}

Руководящие принципы для рассматриваемых проектов

Определение подходящей разницы температур

Разница температур, которая представляет собой логарифм средней разницы температур между нагревательной средой и кипящей жидкостью, должна быть достаточно высокой, чтобы создать достаточную восходящую силу парового пара на стороне трубы, чтобы заставить пленку жидкости течь вверх. В общем, чем больше разница температур, тем лучше движущая сила пара. Кроме того, высокая разница температур также увеличит скорость потока жидкости и пара внутри трубки. Увеличение скорости потока приводит к увеличению турбулентности, что приводит к увеличению коэффициента теплопередачи. Однако общая разница температур должна находиться в пределах температур кипения двух компонентов, поскольку она может повлиять на качество и чистоту продуктов. ^{[ 10 ]}

Размеры

Определение размера испарителя с восходящей пленкой, как правило, является деликатной задачей, поскольку оно требует хорошего понимания технологических требований и поведения используемых материалов. ^{[ 10 ]} С точки зрения экономической эффективности общепринято считать, что длинные и тонкие трубы относительно дешевле, поскольку кожухотрубные теплообменники с более толстыми размерами обычно стоят дороже. Тем не менее, сопоставляя стоимость конструкции с требованиями, размер всегда можно отрегулировать и настроить в зависимости от требуемого применения при производстве желаемой продукции. Обычно размер длины колеблется от 4 до 8 м и от 25 до 50 мм в диаметре. ^{[ 11 ]}

Тепловое хозяйство

Экономия тепла – это важный момент, который следует учитывать при проектировании испарителя с восходящей трубкой. Чтобы оптимизировать это, необходимо учитывать параметры конструкции, которые оказывают 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 обеспечит более высокую скорость теплопередачи. Несмотря на это, увеличение площади теплопередачи может включать в себя осложнения, связанные с увеличением различных размеров испарителя, что в результате увеличивает стоимость конструкции, а также накладывает другие ограничения, такие как ограничения по пространству и дизайну. ^{[ 12 ]}

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Артал Дж., Серра Л. и Уче Дж. (2002). «Сравнение корреляций коэффициентов теплопередачи для установок термического опреснения». Центр исследований эффективности электростанций, Университет Сарагосы, Сарагоса, Испания.
^ Либао, Г. (2011). «Экспериментальное исследование характеристик теплопередачи испарения в пластинчатом пленочном испарителе». Шанхайский университет, Китай. [1] Последний доступ: 15 октября 2013 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Р.К. Синнотт, (2005). «Химическое проектирование», Эльзевир Баттерворт-Хайнеманн.
^ Фриони, LSM (2004). «Результаты экспериментов по выпариванию раствора сахарозы с использованием пластинчатого испарителя с поднимающейся/падающей пленкой». Университет Сан-Паулу, Бразилия.
^ Тан, GL (2009). «Двухфазный поток в испарителе с восходящей пленкой». Шанхайский колледж текстильных технологий, Китай.
^ Ремесленная промышленность, (2013). Уолтем, Массачусетс, США. «Испаритель с восходящей пленкой» . Архивировано из оригинала 29 ноября 2013 г. Проверено 15 октября 2013 г. Последний доступ: 15 октября 2103 г.
^ Саншин МФГ. Компания, ООО (2009). Япония. [2] Последнее посещение: 15 октября 2013 г.
^ Sucrotech Equipments, Индия. [3] Последний доступ: 15 октября 2013 г.
^ Куньминская компания по производству оборудования легкой промышленности, Ltd., Китай. [4] Последний доступ: 15 октября 2013 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Саравакос, JCM и Вустер, Джорджия (1970). «Концентрация жидких пищевых продуктов в экспериментальном испарителе с падающей пленкой», Сельскохозяйственная экспериментальная станция штата Нью-Йорк, Корнелльский университет, США. [5] Последнее обращение: 15 октября 2013 г.
^ Гавхане, Калифорния (2008). «Теплопередача единиц СИ», 8-е издание, Нирали Пракашан.
^ Валас, магистр наук «Химическое технологическое оборудование», Выбор и проектирование, Серия Баттерворта Хейнмана по химической инженерии.

Внешние ссылки

Производитель испарителей с восходящей пленкой

[three-1] Перейти обратно: ^а ^б Артал Дж., Серра Л. и Уче Дж. (2002). «Сравнение корреляций коэффициентов теплопередачи для установок термического опреснения». Центр исследований эффективности электростанций, Университет Сарагосы, Сарагоса, Испания.

[four-2] Либао, Г. (2011). «Экспериментальное исследование характеристик теплопередачи испарения в пластинчатом пленочном испарителе». Шанхайский университет, Китай. [1] Последний доступ: 15 октября 2013 г.

[five-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Р.К. Синнотт, (2005). «Химическое проектирование», Эльзевир Баттерворт-Хайнеманн.

[six-4] Фриони, LSM (2004). «Результаты экспериментов по выпариванию раствора сахарозы с использованием пластинчатого испарителя с поднимающейся/падающей пленкой». Университет Сан-Паулу, Бразилия.

[seven-5] Тан, GL (2009). «Двухфазный поток в испарителе с восходящей пленкой». Шанхайский колледж текстильных технологий, Китай.

[nine-6] Ремесленная промышленность, (2013). Уолтем, Массачусетс, США. «Испаритель с восходящей пленкой» . Архивировано из оригинала 29 ноября 2013 г. Проверено 15 октября 2013 г. Последний доступ: 15 октября 2103 г.

[ten-7] Саншин МФГ. Компания, ООО (2009). Япония. [2] Последнее посещение: 15 октября 2013 г.

[eleven-8] Sucrotech Equipments, Индия. [3] Последний доступ: 15 октября 2013 г.

[twelve-9] Куньминская компания по производству оборудования легкой промышленности, Ltd., Китай. [4] Последний доступ: 15 октября 2013 г.

[thirteen-10] Перейти обратно: ^а ^б Саравакос, JCM и Вустер, Джорджия (1970). «Концентрация жидких пищевых продуктов в экспериментальном испарителе с падающей пленкой», Сельскохозяйственная экспериментальная станция штата Нью-Йорк, Корнелльский университет, США. [5] Последнее обращение: 15 октября 2013 г.

[fourteen-11] Гавхане, Калифорния (2008). «Теплопередача единиц СИ», 8-е издание, Нирали Пракашан.

[fifteen-12] Валас, магистр наук «Химическое технологическое оборудование», Выбор и проектирование, Серия Баттерворта Хейнмана по химической инженерии.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]