ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Пленочные испарители

Пленочные испарители предназначены для реализации процесса кипения жид­костей в тонкой пленке, что существенно повышает интенсивность теплоотдачи и практически полностью устраняет гидростатическую депрессию (повышение тем­пературы кипения жидкости за счет гидростатического давления ее столба по мере

54

стекания вниз по вертикальным трубам). Эти аппараты могут применяться для от­гонки из жидкостей легколетучих компонентов при вакуумной ректификации, кон­центрирования термолабильных (неустойчивых к действию повышенных темпера­тур) и кристаллизующихся растворов, для проведения химических реакций в системах газ-жидкость.

Наиболее распространенная конструк­ция пленочного испарителя - кожухотруб­чатый со стекающей пленкой (рисунок 3.13). Это вертикальный прямоточный теп­лообменник, в верхней части каждой трубы которого установлено оросительное устрой­ство. Жидкость подается на верхнюю труб­ную решетку, равномерно распределяется по трубам и в виде пленки, образованной оро­сителем, стекает по внутренней поверхности труб. Частичное испарение жидкости проис­ходит за счет подачи в межтрубное про­странство насыщенного водяного пара дав­лением до 1.3 МПа или пара ВОТ давлением до 1.06 МПа. Образовавшаяся в трубах па­рожидкостная смесь после выхода из аппа­рата поступает на сепарацию.

Режим устойчивого пленочного течения жидкости выбирается из следующих сооб­ражений:

- минимально необходимая для полно­го смачивания всей внутренней поверхности труб плотность орошения

0.625

Г ■ = v

min ж •Рж • g

где пж, рж - кинематическая вязкость и плотность испаряемой жидкости, s - ее поверхностное натяжение на границе с паром;

- по мере стекания пленки происходит испарение части жидкости и унос ка­пель с ее поверхности потоком пара, поэтому плотность орошения будет наимень­шей на нижнем участке труб: Гн = Ок-(1-У)/(рж-П) > Гтш, где Ок - расход жидкости, упаренной до конечной концентрации хк,

П = pdn - полный смоченный периметр труб аппарата при их числе n и внут­реннем диаметре d,

У - унос жидкости, т. е. отношение массового расхода жидкости, находящейся в паровом потоке к ее полному расходу (скорость пара в трубах следует подбирать так, чтобы выполнялось условие У < 0.3);

- для термолабильных растворов среднее время пребывания жидкости в пленке тср = ^рж^ср не должно превышать предельно допустимого времени их упарива­ния хдоп = 10Dh/p,

где G^ = (Он + (1-У)-Ок)/2 - средний расход жидкости в стекающей пленке,

Он - расход жидкости с начальной концентрацией хн (Он-хн = Ок-хк),

VX=F5 - объем жидкости, находящейся на теплообменной поверхности аппара­та F,

Dh - показатель опасности термического разложения жидкости, р - давление в аппарате,

5 - средняя толщина стекающей пленки, определяемая значением критерия Рейнольдса КЄпл = 4 •G^pjvjn:

если Rem < 1200, то 5 = (0.75 •RemV*2^)033, иначе 5 = 0.21 • (v^Vg)033^0-533.

При выполнении теплового расчета кожухотрубчатый испаритель со стекаю­щей пленкой рассматривается как аппарат идеального вытеснения с разграничен­ными зонами нагревания и испарения жидкости. Расчет теплопередающих поверх­ностей каждой зоны проводится раздельно, причем расчет зоны испарения дополня­ется определением значения теплового потока q, обеспечивающего теплообмен без разрушения пленки пузырьками образующегося пара:

~2

где сж, 1ж - удельная теплоемкость и теплопроводность жидкости, рп - плотность образующегося пара, ги - удельная теплота парообразования,

Ткип- абсолютная температура кипения жидкости,

a - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к свободно стекающей пленке жидкости, который при Pr = 4^300 практически не зависит от режима течения и мо­жет быть определен по формуле

В последние годы получили распространение роторные пленочные испари­тели, в которых отсутствуют трубы, а пленка жидкости, стекающая по внутренней поверхности кожуха, подвергается механическому перемешиванию. Перемешива­ние пленки существенно интенсифициует как процесс теплообмена между жидко­стью в пленке и стенкой аппарата, так и массообмена между жидкостью и газом. К достоинствам этих аппаратов можно также отнести повышение устойчивости плен­ки за счет создаваемой ротором центробежной силы и незначительное время пребы­вания жидкости в аппарате (важно для термолабильных веществ).

Наиболее популярны аппараты с шарнирно закрепленными лопастями, (рису­нок 3.14). Лопасти изготавливаются из коррозионно-стойких сталей, а их трущиеся кромки защищаются накладками из бронзы или фторопласта. При предварительном выборе такого аппарата учитываются следующие рекомендации:

- аппарат, используемый в качестве химического реактора должен иметь по­

0.67