RU186246U1 - EVAPORATOR - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к технике проведения тепло- и массообменных процессов, а именно испарению жидких сред (жидкостей, растворов, суспензий) в режиме кипения, и может быть использована в химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности в испарителях, дистилляторах, сушилках, выпарных и массообменных аппаратах.Технический результат достигается тем, что испаритель, содержащий обогреваемый корпус и устройство для распределения жидкости по греющей поверхности, имеющей температуру, превышающую в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, подаваемой в виде капель, при этом греющая поверхность выполнена в виде трубы, диаметр которой определяется соотношениемD=(0,7÷1,0)⋅d,где D - внутренний диаметр трубы, м,d- диаметр факела распыла капель жидкости, м,а длина - из соотношениягде L - длина трубы, м,- длина факела распыла капель жидкости, м, причем устройство для распределения жидкости выполнено в виде форсунки, а на выходе из трубы установлено дроссельное устройство.Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение эффективности работы испарителя.The utility model relates to techniques for conducting heat and mass transfer processes, namely the evaporation of liquid media (liquids, solutions, suspensions) in boiling mode, and can be used in the chemical, petrochemical, food and pharmaceutical industries in evaporators, distillers, dryers, evaporators and The technical result is achieved by the fact that an evaporator containing a heated housing and a device for distributing liquid on a heating surface having a temperature exceeding 1.2 ÷ 2.3 times the temperature a boiling round of the evaporated liquid supplied in the form of drops, while the heating surface is made in the form of a pipe, the diameter of which is determined by the relation D = (0.7 ÷ 1.0) ⋅d, where D is the inner diameter of the pipe, m, d is the diameter of the spray torch drops of liquid, m, and the length is from the relation where L is the length of the pipe, m, is the length of the spray jet of liquid drops, m, and the device for distributing liquid is made in the form of a nozzle, and a throttle device is installed at the outlet of the pipe. The technical result of the proposed design is increase in efficiency Started evaporator.

Description

Полезная модель относится к технике проведения тепло- и массообменных процессов, а именно испарению жидких сред (жидкостей, растворов, суспензий) в режиме кипения, и может быть использована в химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности в испарителях, дистилляторах, сушилках, выпарных и массообменных аппаратах.The utility model relates to techniques for conducting heat and mass transfer processes, namely the evaporation of liquid media (liquids, solutions, suspensions) in boiling mode, and can be used in the chemical, petrochemical, food and pharmaceutical industries in evaporators, distillers, dryers, evaporators and mass transfer apparatus.

Известна конструкция испарителя, используемого для испарения жидких сред при кипении в большом объеме, ограниченном стенками аппарата. Нагрев жидкости может осуществляться через днище, стенки аппарата, встроенными внутренними нагревательными элементами, либо совмещенными вариантами (Бойко, Е.А. Котельные установки и парогенераторы: учеб. пособ. / Е.А. Бойко; Красноярск: Красноярский гос. тех. ун-т., 2005, с. 16-17).Known design of the evaporator used to evaporate liquid media at boiling in a large volume limited by the walls of the apparatus. Liquid heating can be carried out through the bottom, the walls of the apparatus, built-in internal heating elements, or combined options (Boyko, EA Boiler plants and steam generators: a training manual / EA Boyko; Krasnoyarsk: Krasnoyarsk State Technical University - T., 2005, p. 16-17).

Недостатками данной конструкции являются ограниченная конструктивными размерами аппарата поверхность испарения, значительное время испарения, малая удельная производительность, возможность температурного перегрева греющих поверхностей, вследствие чего пузырьковый режим кипения переходит в пленочный режим кипения, при котором резко уменьшаются коэффициент теплоотдачи и интенсивность испарения.The disadvantages of this design are the evaporation surface limited by the structural dimensions of the apparatus, significant evaporation time, low specific productivity, the possibility of temperature overheating of heating surfaces, as a result of which the bubble boiling regime passes into the film boiling regime, in which the heat transfer coefficient and evaporation intensity sharply decrease.

Известен испаритель пленочного типа со стекающей жидкостной пленкой, содержащий обогреваемый вертикальный корпус, размещенную в нем соосно обогреваемую цилиндрическую камеру и устройство для распределения жидкости по греющим поверхностям (патент РФ №2184590, МПК В01D 1/22, 10.07.2002 г.).Known film type evaporator with a flowing liquid film containing a heated vertical housing, placed in it coaxially heated cylindrical chamber and a device for distributing liquid on heating surfaces (RF patent No. 2184590, IPC B01D 1/22, 07/10/2002).

Недостатками данного испарителя являются: ограниченная площадь греющих поверхностей и, соответственно, ограниченная площадь испарения, которая определяется только конструктивными размерами обогреваемых вертикальных поверхностей корпуса и центральной камеры, по которым стекает жидкостная пленка; неравномерность толщины пленки жидкости по высоте и, соответственно, неравномерность ее прогрева и испарения; необходимость ограничения в аппаратах с пленочным течением жидкости теплового напора для того, чтобы пузырьковый режим кипения не перешел в пленочный режим кипения, при котором резко уменьшается интенсивность испарения. Эти недостатки определяют малую удельную производительность по испаренной жидкости, а для того, чтобы увеличить общую производительность аппарата, необходимо увеличивать его конструктивные размеры, что ведет к увеличению его габаритов и металлоемкости.The disadvantages of this evaporator are: a limited area of heating surfaces and, accordingly, a limited area of evaporation, which is determined only by the structural dimensions of the heated vertical surfaces of the housing and the central chamber, through which the liquid film flows; uneven thickness of the liquid film thickness in height and, accordingly, the unevenness of its heating and evaporation; the need for limitation in apparatuses with a film flow of thermal pressure liquid so that the bubble boiling mode does not pass into the film boiling mode, in which the evaporation rate sharply decreases. These shortcomings determine the low specific productivity of the evaporated liquid, and in order to increase the overall performance of the apparatus, it is necessary to increase its structural dimensions, which leads to an increase in its dimensions and metal consumption.

Известна распылительная сушка для испарения жидких сред посредством распыления. Жидкий или пастообразный материал диспергируется механическими или пневматическими форсунками или центробежными дисками, и образовавшиеся капли падая испаряются и сушатся в восходящем потоке газообразного теплоносителя (Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов. Изд. 2-е. Ч. 2. Массообменные процессы и аппараты / Ю.И. Дытнерский; М.: Химия, 1995, с. 266-268).Spray drying is known for evaporating liquid media by spraying. The liquid or paste-like material is dispersed by mechanical or pneumatic nozzles or centrifugal disks, and the droplets that formed fall evaporate and dry in an upward flow of a gaseous coolant (Dytnersky, Yu.I. Processes and devices of chemical technology: textbook for universities. Edition. 2-nd. 2. Mass transfer processes and apparatuses / Yu.I. Dytnersky; M .: Chemistry, 1995, p. 266-268).

Недостатками испарения жидких сред при падении капель в восходящем потоке газообразного теплоносителя являются малый коэффициент теплоотдачи от газообразного теплоносителя к поверхности капли жидкости и малое время контакта капли с теплоносителем, что определяет малую удельную производительность (малое напряжение объема) по упаренной влаге и повышенный расход энергии, связанный с низкой эффективностью использования тепла.The disadvantages of evaporation of liquid media when droplets fall in the upward flow of the gaseous coolant are the low heat transfer coefficient from the gaseous coolant to the surface of the liquid droplet and the short contact time of the droplet with the coolant, which determines a low specific productivity (low volume stress) in evaporated moisture and increased energy consumption associated with with low heat efficiency.

Известен испаритель, в котором жидкость подают на нагретую поверхность в виде капель, при этом регулирование подачи подводимой жидкости осуществляют так, что период подачи капель больше времени их испарения, а температура нагретой поверхности поддерживается в диапазоне, превышающем температуру кипения жидкости в 1,2÷2,3 раза при соответствующем рабочем давлении. Конструкция испарителя представляет собой аппарат коробчатого прямоугольного сечения с разветвленным гребенчатым коллектором для подвода и равномерного распределения по нагретой поверхности испаряемой жидкости в виде капель (патент РФ №2462286, МПК В01D 1/22, 14.03.2011 г.).A known evaporator in which liquid is supplied to the heated surface in the form of droplets, wherein the supply of the supplied liquid is controlled so that the period of supply of the droplets is longer than the time of their evaporation, and the temperature of the heated surface is maintained in the range exceeding the boiling point of the liquid by 1.2 ÷ 2 , 3 times at the appropriate operating pressure. The design of the evaporator is a box-shaped rectangular apparatus with a branched comb collector for supplying and even distribution on the heated surface of the evaporated liquid in the form of droplets (RF patent No. 2462286, IPC B01D 1/22, 03/14/2011).

Недостатком данной конструкции является технологическая сложность изготовления разветвленного коллектора, который должен обеспечить равномерную подачу капель. Это связано с тем, что гидравлическое сопротивление по длине трубок коллектора изменяется, соответственно должны меняться диаметры отверстий, отверстия могут засоряться и т.п.The disadvantage of this design is the technological complexity of manufacturing a branched collector, which should provide a uniform supply of drops. This is due to the fact that the hydraulic resistance along the length of the collector tubes changes, respectively, the diameters of the holes must change, the holes can become clogged, etc.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является испаритель, содержащий обогреваемый вертикальный корпус и устройство для распределения жидкости по греющим поверхностям, отличающийся тем, что греющие поверхности представляют собой наклонные плоскости с углом наклона 10÷40° к горизонтали, выполненные в виде зигзагов, герметично закрепленных на противоположных стенках со смещением и зазором, при этом греющие поверхности имеют температуру превышающую в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, подаваемой в виде капель (патент РФ №107960, МПК В01D 1/00, 10.09.2011 г.).The closest technical solution adopted for the prototype is an evaporator containing a heated vertical casing and a device for distributing liquid on heating surfaces, characterized in that the heating surfaces are inclined planes with an inclination angle of 10 ÷ 40 ° to the horizontal, made in the form of zigzags, hermetically fixed on opposite walls with offset and clearance, while the heating surfaces have a temperature exceeding 1.2 ÷ 2.3 times the boiling point of the evaporated liquid supplied to in the form of drops (RF patent No. 107960, IPC B01D 1/00, 09/10/2011).

Недостатками данного испарителя является сложность конструкции, заключающаяся в наличии во внутреннем пространстве аппарата греющих поверхностей, представляющих собой наклонные плоскости, выполненные в виде зигзагов, а также неэффективность использования площади греющей поверхности, вызванная тем, что в связи с малым временем испарения капель, основной объем подаваемой жидкости испарится на верхней секции зигзагообразной греющей поверхности, а другая секция практически может не участвовать в процессе, хотя и требует теплоты на нагрев, что ведет к повышенным энергозатратам, увеличенным габаритам и металлоемкости аппарата.The disadvantages of this evaporator are the design complexity, which consists in the presence in the interior of the apparatus of heating surfaces, which are inclined planes made in the form of zigzags, as well as the inefficiency of using the heating surface area, due to the fact that, due to the short evaporation time of the droplets, the main amount supplied liquid will evaporate on the upper section of the zigzag heating surface, and the other section may practically not participate in the process, although it requires heat to heat ev, which leads to increased energy consumption, increased dimensions and metal consumption of the apparatus.

Также к недостаткам следует отнести и то обстоятельство, что подаваемая в виде капель жидкость и полученный пар движутся относительно друг друга противотоком, при этом пар может захватывать при своем движении мелкие капли неиспарившейся жидкости, что может приводить к получению на выходе из испарителя некондиционного «мокрого» пара.The disadvantages include the fact that the liquid supplied in the form of droplets and the resulting vapor move countercurrently relative to each other, while the steam can trap small drops of unevaporated liquid during its movement, which can lead to substandard “wet” discharge from the evaporator couple.

Задачей является разработка испарителя упрощенной конструкции с низкой металлоемкостью и максимально эффективным использованием рабочих поверхностей.The task is to develop a simplified design evaporator with low metal consumption and the most efficient use of work surfaces.

Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение эффективности работы испарителя.The technical result of the proposed design is to increase the efficiency of the evaporator.

Технический результат достигается тем, что в испарителе, содержащем обогреваемый корпус и устройство для распределения жидкости по греющей поверхности, имеющей температуру, превышающую в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, подаваемой в виде капель, при этом греющая поверхность выполнена в виде трубы, диаметр которой определяется соотношениемThe technical result is achieved in that in an evaporator containing a heated case and a device for distributing liquid on a heating surface having a temperature exceeding 1.2 to 2.3 times the boiling point of the evaporated liquid supplied in the form of droplets, while the heating surface is made in the form of a pipe whose diameter is determined by the ratio

где D - внутренний диаметр трубы, м,where D is the inner diameter of the pipe, m,

d_ф - диаметр факела распыла капель жидкости, м,d _f - diameter of the spray torch droplets of liquid, m,

а длина - из соотношенияand the length is from the ratio

где L - длина трубы, м,where L is the length of the pipe, m,

- длина факела распыла капель жидкости, м, причем устройство для распределения жидкости выполнено в виде форсунки, а на выходе из трубы установлено дроссельное устройство.

- the length of the spray jet of liquid droplets, m, and the device for distributing the liquid is made in the form of a nozzle, and a throttle device is installed at the outlet of the pipe.

Нагрев греющих поверхностей может осуществляться любым известным способом: топочными газами, паром, жидким теплоносителем или электрическими нагревательными элементами.Heating of heating surfaces can be carried out by any known method: flue gases, steam, liquid heat carrier or electric heating elements.

На фиг. 1 показан предлагаемый испаритель, вид спереди, а на фиг. 2 - вид сверху предлагаемой конструкции испарителя.In FIG. 1 shows a proposed evaporator, front view, and in FIG. 2 is a top view of the proposed design of the evaporator.

Испаритель состоит из обогреваемого корпуса 1, электрического нагревательного элемента 2, греющей поверхности, выполненной в виде трубы 3, устройства для распределения жидкости по греющей поверхности 3, выполненного в виде форсунки 4, и установленного на выходе из трубы дроссельного устройства 5 и парового коллектора 6.The evaporator consists of a heated housing 1, an electric heating element 2, a heating surface made in the form of a pipe 3, a device for distributing liquid on a heating surface 3 made in the form of a nozzle 4, and installed at the outlet of the pipe of the throttle device 5 and the steam manifold 6.

Испаритель работает следующим образом. Электронагреватель 2 обеспечивает необходимую температуру греющей поверхности - внутренней поверхности обогреваемой трубы 3, которая лежит в диапазоне 1,2÷2,3 от температуры кипения испаряемой жидкости. Этот диапазон определяется тем, что непосредственно кипение капли может происходить только в определенном интервале температур греющей поверхности, ограниченным с одной стороны температурой, большей температуры кипения испаряемой жидкости, т. е. примерно 1,2 от температуры кипения, а с другой стороны температурой, меньшей температуры перехода капли в сфероидальное состояние, определяемой в общем случае температурой Лейденфроста, т.е. около 0,9 от этой температуры, что соответствует примерно 2,3 от температуры кипения. Через форсунку 4 на греющую поверхность (внутреннюю поверхность обогреваемой трубы) 3 в виде капель периодически подается испаряемая жидкость, которые интенсивно испаряются в режиме кипения. Полученный при этом пар через дроссельное устройство 5 выводится в паровой коллектор 6.The evaporator operates as follows. Electric heater 2 provides the necessary temperature of the heating surface - the inner surface of the heated pipe 3, which lies in the range 1.2 ÷ 2.3 of the boiling point of the evaporated liquid. This range is determined by the fact that the boiling of a drop can directly occur only in a certain temperature range of the heating surface, limited on the one hand by a temperature higher than the boiling point of the evaporated liquid, i.e., about 1.2 times the boiling point, and on the other hand, with a temperature lower the transition temperature of the droplet into a spheroidal state, which is generally determined by the Leidenfrost temperature, i.e. about 0.9 of this temperature, which corresponds to about 2.3 of the boiling point. Through the nozzle 4 on the heating surface (inner surface of the heated pipe) 3 in the form of drops periodically evaporated liquid is supplied, which intensively evaporates in boiling mode. The resulting steam through the throttle device 5 is output to the steam manifold 6.

Периодичность подачи капель испаряемой жидкости должна соответствовать 1,1÷1,3 от времени их испарения в режиме кипения на греющей поверхности. Это обстоятельство определяется необходимостью обеспечения полного испарения этих капель для освобождения греющей поверхности при подаче следующей порции жидкости.The frequency of supply of droplets of evaporated liquid should correspond to 1.1 ÷ 1.3 of the time of their evaporation in boiling mode on a heating surface. This circumstance is determined by the need to ensure complete evaporation of these drops to release the heating surface when the next portion of the liquid is supplied.

Размер диаметра факела распыла капель подаваемой через форсунку 4 испаряемой жидкости, соответствующий соотношению (1), определяется необходимостью распределения жидкости по всему сечению обогреваемой трубы 3.The size of the diameter of the spray jet of droplets supplied through the nozzle 4 of the evaporated liquid, corresponding to the relation (1), is determined by the need to distribute the liquid over the entire cross section of the heated pipe 3.

В случае, если факел распыла будет слишком узким, т.е.In case the spray torch is too narrow, i.e.

D<0,7⋅d_ф,D <0.7⋅d _f ,

то капли испаряемой жидкости, распределяясь не по всему сечению трубы, будут в основном сосредоточены в центральной ее части. При этом самые мелкие из них будут захватываться потоком образующегося пара и уноситься из трубы вместе с ним, что приведет к получению на выходе из испарителя некондиционного «мокрого» пара и, соответственно, снизит эффективность его работы.then droplets of evaporated liquid, not distributed over the entire cross section of the pipe, will be mainly concentrated in its central part. At the same time, the smallest of them will be captured by the stream of generated steam and carried away from the pipe with it, which will lead to the production of substandard “wet” steam at the outlet of the evaporator and, accordingly, will reduce its efficiency.

В случае, если факел распыла будет слишком широким, т.е.If the spray torch is too wide, i.e.

D>1,0⋅d_ф,D> 1,0⋅d _f ,

то входной участок трубы, со стороны которого расположена форсунка, будет слишком интенсивно орошаться каплями испаряемой жидкости, что приведет к их взаимному слиянию друг с другом в более крупные капли и, как следствие, в сплошную пленку жидкости на греющей поверхности (внутренней поверхности обогреваемой трубы). Так как интенсивность испарения пленки жидкости значительно ниже по сравнению с испарением отдельных ее капель, она не успеет полностью испариться до подачи следующей порции испаряемой жидкости, что с течением времени приведет к полному заполнению обогреваемой трубы, т.е. к аварийной ситуации, исключающей дальнейшую работу испарителя.then the inlet section of the pipe, on the side of which the nozzle is located, will be too intensely irrigated with droplets of evaporated liquid, which will lead to their mutual merging with each other into larger drops and, as a result, into a continuous film of liquid on a heating surface (inner surface of a heated pipe) . Since the evaporation rate of the liquid film is much lower compared to the evaporation of its individual drops, it will not have time to completely evaporate before the next portion of the evaporated liquid is fed, which over time will lead to the complete filling of the heated pipe, i.e. to an emergency that precludes further operation of the evaporator.

Длина обогреваемой трубы 3, соответствующая соотношению (2), определяется величиной необходимой площади теплообменной поверхности для обеспечения заданной производительности испарителя по получаемому пару.The length of the heated pipe 3, corresponding to the relation (2), is determined by the size of the required area of the heat exchange surface to ensure a given evaporator capacity for the resulting steam.

Нижний предел соотношения (2) определяется необходимостью наличия сепарационного пространства, предназначенного для исключения уноса мелких капель испаряемой жидкости потоком образующегося пара и получения на выходе из испарителя некондиционного «мокрого» пара за счет испарения этих капель в потоке образующегося пара внутри обогреваемой трубы.The lower limit of relation (2) is determined by the need for a separation space designed to exclude the entrainment of small drops of evaporated liquid by the flow of generated steam and to obtain substandard “wet” steam at the outlet of the evaporator due to the evaporation of these drops in the generated steam stream inside the heated pipe.

Верхний предел соотношения (2) ограничивает длину обогреваемой трубы величиной, при которой сила тяжести, действующая на капли, полученные с помощью распыла испаряемой жидкости, примерно сравнивается с динамической силой их движения внутри трубы. Это обстоятельство не позволяет нарушить равномерность орошения всей греющей поверхности (внутренней поверхности обогреваемой трубы) и привести к образованию сплошной пленки жидкости на одной ее стороне (например, при строго горизонтальном или вертикальном расположении трубы).The upper limit of relation (2) limits the length of the heated pipe to a value at which the gravity acting on the droplets obtained by spraying the vaporized liquid is approximately compared with the dynamic force of their movement inside the pipe. This circumstance does not allow to violate the irrigation uniformity of the entire heating surface (the inner surface of the heated pipe) and lead to the formation of a continuous film of liquid on one side of it (for example, with a strictly horizontal or vertical pipe arrangement).

Также требуемая производительность испарителя по получаемому пару обеспечивается необходимым количеством обогреваемых труб 3, соединенных общим паровым коллектором 6.Also, the required evaporator capacity for the resulting steam is provided by the required number of heated pipes 3 connected by a common steam manifold 6.

Наличие в конструкции испарителя дроссельного устройства 5 позволяет дросселировать образующийся пар и получать на выходе из испарителя не только насыщенный, но и перегретый пар высокого давления, что, в свою очередь, полностью исключает возможность образования некондиционного «мокрого» пара.The presence in the design of the evaporator of the throttle device 5 allows you to throttle the generated steam and get at the outlet of the evaporator not only saturated but also superheated high pressure steam, which, in turn, completely eliminates the possibility of the formation of substandard "wet" steam.

Таким образом, использование в испарителе с обогреваемым корпусом в качестве греющей поверхности трубы с заявленными параметрами, в качестве устройства для распределения жидкости по греющей поверхности форсунки, а также установленного на выходе из трубы дроссельного устройства, обеспечивает увеличение эффективности работы испарителя.Thus, the use of a pipe with the declared parameters in the evaporator with a heated casing as the heating surface, as a device for distributing liquid along the heating surface of the nozzle, as well as a throttle device installed at the pipe outlet, provides an increase in the efficiency of the evaporator.

Claims (9)

Испаритель, содержащий обогреваемый корпус и устройство для распределения жидкости по греющей поверхности, имеющей температуру, превышающую в 1,2÷2,3 раза температуру кипения испаряемой жидкости, подаваемой в виде капель, отличающийся тем, что греющая поверхность выполнена в виде трубы, диаметр которой определяется соотношениемAn evaporator comprising a heated case and a device for distributing liquid over a heating surface having a temperature 1.2 to 2.3 times higher than the boiling point of the evaporated liquid supplied in the form of droplets, characterized in that the heating surface is made in the form of a pipe, the diameter of which determined by the ratio D=(0,7÷1,0)⋅d_ф,D = (0.7 ÷ 1.0) ⋅d _f , где D - внутренний диаметр трубы, м,where D is the inner diameter of the pipe, m, d_ф - диаметр факела распыла капель жидкости, м,d _f - diameter of the spray torch droplets of liquid, m, а длина - из соотношенияand the length is from the ratio L=(2÷5)⋅l_ф,L = (2 ÷ 5) ⋅l _f , где L - длина трубы, м,where L is the length of the pipe, m, l_ф - длина факела распыла капель жидкости, м,l _f - the length of the spray torch droplets of liquid, m, причем устройство для распределения жидкости выполнено в виде форсунки, а на выходе из трубы установлено дроссельное устройство.moreover, the device for distributing the liquid is made in the form of a nozzle, and a throttle device is installed at the outlet of the pipe.

Images