Испаритель — это тип теплообменного устройства, которое облегчает испарение , используя конвективный и конвективный перенос тепла, что обеспечивает необходимую тепловую энергию для фазового перехода из жидкости в пар. В испарителях 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 испарительного узла:
Тепло передается жидкости внутри стенок трубки посредством теплопроводности, обеспечивая тепловую энергию, необходимую для испарения. Конвективные потоки внутри нее также способствуют эффективности теплопередачи.
Существуют различные конструкции испарителей, подходящие для различных применений, включая кожухотрубчатые, пластинчатые и затопленные испарители, обычно используемые в промышленных процессах, таких как опреснение, выработка электроэнергии и кондиционирование воздуха. Пластинчатые испарители обеспечивают компактность, в то время как многоступенчатые конструкции позволяют повысить 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.
Продвинутые методы контроля, такие как обнаружение загрязнения в режиме реального времени, помогают поддерживать тепловые характеристики испарителя с течением времени. Кроме того, моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) и достижения в технологиях покрытия поверхности продолжают улучшать возможности тепло- и массообмена, что приводит к более энергоэффективному производству пара. Испарители имеют важное значение для многих отраслей промышленности из-за их способности разделять фазы посредством контролируемого процесса изменения фазы.
Некоторые кондиционеры и холодильники используют сжатые жидкости с низкой температурой кипения, которые испаряются внутри системы, охлаждая ее, при этом выделяя тепловую энергию в окружающую среду. [1] [2]
Выпарные аппараты часто используются для концентрирования раствора. Примером может служить пластинчатый испаритель с поднимающейся/падающей пленкой , который используется для производства сгущенного молока .
Аналогично, редукция (варка) — это процесс испарения жидкостей из раствора для получения «редуцируемого» пищевого продукта, например, редуцируемого вина.
Испарение является основным процессом дистилляции , который используется для концентрирования спирта , выделения жидких химических продуктов или восстановления растворителей в химических реакциях. В парфюмерной и эфирно-масляной промышленности дистилляция используется для очистки соединений. Каждое применение использует специализированные устройства.
В случае опреснения морской воды или на установках с нулевым сбросом жидкости применяется обратная цель: испарение удаляет желаемую питьевую воду из нежелательного растворенного вещества/продукта — соли. [3]
Химическая инженерия использует испарение во многих процессах. Например, многоэффектный испаритель используется в крафт-целлюлозе [4] , процессе производства древесной массы из древесины.
На больших судах обычно имеются испарительные установки для производства пресной воды, что снижает их зависимость от береговых поставок. Пароходы должны производить высококачественный дистиллят для поддержания уровня котловой воды. Дизельные суда часто используют отходящее тепло в качестве источника энергии для производства пресной воды. В этой системе охлаждающая вода двигателя проходит через теплообменник, где она охлаждается концентрированной морской водой. Поскольку охлаждающая вода, которая представляет собой химически обработанную пресную воду, имеет температуру 70–80 °C (158–176 °F), невозможно испарять водяной пар, если давление в сосуде теплообменника не снизится.
Затем используется насос Вентури с эжектором рассол-воздух для создания вакуума внутри сосуда, что обеспечивает частичное испарение. Затем пар проходит через демистер, прежде чем попасть в конденсаторную секцию. Морская вода прокачивается через конденсаторную секцию для достаточного охлаждения пара для конденсации. Дистиллят собирается в поддоне, откуда перекачивается в резервуары для хранения. Солемер контролирует содержание соли и отводит поток дистиллята из резервуаров для хранения, если содержание соли превышает предел тревоги. Стерилизация проводится после испарителя.
Испарители обычно бывают кожухотрубного типа (известные как Atlas Plant) или пластинчатого типа (например, разработанные Alfa Laval ). Температура, производительность и вакуум контролируются путем регулирования клапанов системы. Температура морской воды может влиять на производительность, как и колебания нагрузки двигателя. По этой причине испаритель регулируется при изменении температуры морской воды и полностью отключается, когда судно маневрирует. Альтернативой на некоторых судах, таких как военные корабли и пассажирские суда, является использование принципа обратного осмоса для производства пресной воды вместо использования испарителей.
Испарение , или парообразование , является эндотермическим процессом фазового перехода , который хорошо изучен в области термодинамики . Он тесно связан с давлением паров жидкости и окружающим давлением, а также с энтальпией испарения.
Испарители работают по тому же принципу. Источник тепла контактирует с жидкостью, заставляя ее испаряться. Пар полностью удаляется (как при приготовлении пищи) или сохраняется для повторного использования (как в холодильнике) или в качестве продукта для изоляции (эфирное масло).
Роторные испарители используют вакуумный насос для создания низкого давления над растворителем, одновременно вращая колбу с жидкостью для увеличения площади поверхности и уменьшения размера пузырьков. Обычно пар пропускается через холодный палец или змеевик, чтобы испаряемый материал не повредил насос. Роторный испаритель лучше всего использовать для удаления растворителя из растворов, содержащих желаемый продукт, который не испаряется при рабочем давлении, чтобы отделить летучие компоненты смеси от нелетучих материалов.
Испарители с естественной циркуляцией основаны на естественной циркуляции продукта, вызванной разницей в плотности , возникающей при нагревании ( конвекции ). Камера, содержащая раствор, нагревается, а испаренная жидкость собирается в приемной колбе.
Этот тип испарителя обычно изготавливается из труб длиной 4–8 м (13–26 футов), заключенных в паровые рубашки. Равномерное распределение раствора важно при использовании этого типа испарителя. Раствор поступает в испаритель и набирает скорость по мере того, как он течет вниз. Этот прирост скорости объясняется тем, что пар выделяется против нагревающей среды, которая также течет вниз. Этот испаритель обычно применяется для высоковязких растворов , поэтому он часто используется в химической, сахарной, пищевой и ферментационной промышленности.
Этот тип испарителя полезен при концентрировании растворов. [5] Работа очень похожа на работу каландра , где жидкость кипит внутри вертикальных трубок путем подачи тепла на внешнюю поверхность трубок. Образующийся пар растворителя прижимает 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 от 3 до 10 метров (9,8–32,8 фута) и диаметр от 25 до 50 миллиметров (0,98–1,97 дюйма). Определение размера этого типа испарителя требует точной оценки фактического уровня жидкости внутри трубок и скоростей потока пара и пленки.
Пластинчатые испарители с поднимающейся и падающей пленкой имеют относительно большую площадь поверхности. Пластины обычно гофрированные и поддерживаются рамой. Во время испарения пар протекает через каналы, образованные свободными пространствами между пластинами. Пар попеременно поднимается и опускается параллельно концентрированной жидкости. Пар следует по прямоточному, противоточному пути с жидкостью. Концентрат и пар подаются на стадию разделения, где пар отправляется в конденсатор. Этот тип пластинчатого испарителя часто применяется в молочной и ферментационной промышленности, поскольку они обладают пространственной гибкостью. Отрицательным моментом этого типа испарителя является его ограниченная способность обрабатывать вязкие или содержащие твердые частицы продукты. Существуют и другие типы пластинчатых испарителей, которые работают только с поднимающейся пленкой.
В отличие от одноступенчатых испарителей, эти испарители могут состоять из семи ступеней испарителя (эффектов). Потребление энергии для одноступенчатых испарителей очень велико и составляет большую часть стоимости испарительной системы. Объединение испарителей экономит тепло и, таким образом, требует меньше энергии. Добавление одного испарителя к исходному снижает потребление энергии на 50%. Добавление еще одного эффекта снижает его до 33% и т. д. Уравнение процента экономии тепла может оценить, сколько можно сэкономить, добавив определенное количество эффектов.
Количество корпусов в многокорпусном испарителе обычно ограничивается семью, поскольку после этого стоимость оборудования приближается к экономии затрат за счет снижения энергопотребления.
При работе с многокорпусными испарителями можно использовать два типа подачи:
В последние годы стали использоваться многоэффектные вакуумные испарители (с тепловым насосом ). Известно, что они энергетически и технически более эффективны, чем системы с механической рекомпрессией пара (МРП). Благодаря более низкой температуре кипения они могут работать с высококоррозионными жидкостями или жидкостями, склонными к образованию накипи. [6]
Испарение тонкой пленки с перемешиванием оказалось очень успешным в случае с продуктами, с которыми трудно работать. Проще говоря, этот метод быстро отделяет летучие компоненты от менее летучих, используя косвенную теплопередачу и механическое перемешивание текущей пленки продукта в контролируемых условиях. Разделение обычно производится в условиях вакуума для максимизации ∆T при поддержании наиболее благоприятной температуры продукта, так что продукт видит только равновесные условия внутри испарителя и может максимизировать отгонку и извлечение летучих компонентов. [7]
Технические проблемы могут возникнуть во время испарения, особенно когда 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. Насос испарителя может потребоваться заменить, если испаритель необходимо использовать для концентрирования высоковязкого раствора.
Загрязнение также происходит, когда на поверхностях нагревательных сред в испарителях образуются твердые отложения. В пищевых продуктах белки и полисахариды могут создавать такие отложения, которые снижают эффективность теплопередачи. Вспенивание также может создавать проблему, поскольку борьба с избытком пены может быть затратной по времени и эффективности. Используются пеногасители , но только некоторые из них можно использовать при обработке пищевых продуктов.
Коррозия также может возникнуть при концентрировании кислотных растворов, таких как цитрусовые соки . Повреждение поверхности может 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.
