Испаритель с падающей пленкой — это промышленное устройство для концентрирования растворов , особенно с термочувствительными компонентами. Испаритель — это особый тип теплообменника .
В общем случае испарение происходит внутри вертикальных труб, но есть также приложения, где технологическая жидкость испаряется снаружи горизонтальных или вертикальных труб. Во всех случаях технологическая жидкость, которая должна испаряться, течет вниз под действием силы тяжести в виде непрерывной пленки. Жидкость будет создавать пленку вдоль стенок трубы, продвигаясь вниз (падая) - отсюда и название.
Распределитель жидкости должен быть тщательно спроектирован, чтобы поддерживать равномерное распределение жидкости по всем трубкам, по которым падает раствор. Типичный распределитель показан на рис. 2; эти распределители обычно называют наконечниками из-за их концентрической формы. В большинстве случаев нагревательная среда размещается снаружи трубок. Для достижения равномерно сбалансированных сопротивлений теплопередаче требуются высокие коэффициенты теплопередачи. Поэтому в качестве нагревательной среды обычно используется конденсирующийся пар.
Для внутренне испаряющихся жидкостей разделение между жидкой фазой (раствором) и газообразной фазой происходит внутри трубок. Для поддержания сохранения массы по мере протекания этого процесса скорость нисходящего пара увеличивается, увеличивая силу сдвига, действующую на жидкую пленку, и, следовательно, также скорость раствора. Результатом может быть высокая скорость пленки постепенно более тонкой пленки, приводящая к все более турбулентному потоку. Сочетание этих эффектов обеспечивает очень высокие коэффициенты теплопередачи .
Коэффициент теплопередачи на испарительной стороне трубки в основном определяется гидродинамическими условиями потока пленки. При низких массовых расходах или высоких вязкостях поток пленки может быть ламинарным, в этом случае теплопередача контролируется исключительно проводимостью через пленку. Поэтому в этом состоянии коэффициент теплопередачи уменьшается с увеличением массового расхода. С увеличением массового расхода пленка становится волнистой ламинарной, а затем турбулентной. В турбулентных условиях коэффициент теплопередачи увеличивается с увеличением потока.
Испарение происходит при очень низкой разнице средних температур между нагревающей средой и технологическим потоком, обычно от 3 до 6 К, поэтому эти устройства идеально подходят для рекуперации тепла в многоступенчатых процессах. [1] [2] Еще одним преимуществом испарителя с падающей пленкой является очень короткое время пребывания жидкости и отсутствие ее перегрева. Не принимая во внимание сепаратор пара, время пребывания внутри трубок измеряется секундами, что делает его идеальным для термочувствительных продуктов, таких как молоко , фруктовые соки , фармацевтические препараты и многие другие.
Испарители с падающей пленкой также характеризуются очень низким перепадом давления, поэтому их часто используют в условиях глубокого вакуума.
Из-за тесного контакта жидкости с нагревательной поверхностью эти испарители чувствительны к загрязнению осаждающимися твердыми частицами. Низкая скорость жидкости на входе обычно недостаточна для эффективной самоочистки труб. Поэтому испарители с падающей пленкой используются в чистых, не осаждающихся жидкостях. Типичное применение в химической промышленности — концентрация каустической соды .
Испарители с падающей пленкой имеют ряд преимуществ по сравнению с испарителями затопленного типа.
Они требуют меньшего заряда, так как весь корпус (в случае горизонтальных испарителей) или все трубки (в случае вертикального испарителя) не должны быть заполнены жидкостью, поскольку теперь для покрытия поверхностей используется тонкая пленка. В таких отраслях, как отопление и кондиционирование воздуха, это может сэкономить значительные средства из-за высокой стоимости заправки хладагентом. [3]
Испарители с падающей пленкой также демонстрируют улучшенные характеристики теплопередачи по сравнению с их затопленными аналогами [3] , особенно в случаях с низким тепловым потоком.
Существует ряд недостатков, в первую очередь, сопоставимое отсутствие понимания испарителей с падающей пленкой по сравнению с затопленными испарителями, особенно для горизонтальных испарителей с падающей пленкой. Кроме того, распределение жидкости для горизонтальных испарителей с падающей пленкой является проблемой, поскольку производительность сильно ограничена, если создается неравномерное распределение пленки по трубкам. [3]
Горизонтальные испарители с падающей пленкой имеют ряд потенциальных преимуществ по сравнению с вертикальными аналогами в нефтехимической промышленности , например, возможность использовать трубки с внешними улучшениями; в то время как для вертикальных испарителей с падающей пленкой доступны трубки с внутренними улучшениями, внешние улучшения обычно превосходят приложения для кипения. Главным недостатком горизонтальных испарителей с падающей пленкой является то, что если необходимо испарять едкую или загрязняющую жидкость, ее придется размещать на стороне кожуха. [3] Это противоречит передовой практике, так как легче очищать загрязнения, обнаруженные на внутренней стороне труб, чем снаружи. [4]