Иногда испарители повышенного и пониженного потока объединяются в один испаритель для сочетания их преимуществ (рис. 6). Когда требуется более высокое соотношение испарения к подаче и концентрат имеет вязкость, пучок труб может быть разделен на два сегмента, первый сегмент используется как испаритель повышенного потока, а второй - как испаритель пониженного потока (5).

Сырье поступает в нижнюю часть пластины подъемного потока. Жидкость начинает кипеть при подъеме по трубам, и смесь жидкости и пара выходит и перераспределяется в верхней части трубы пониженного потока. Пар, образующийся в трубах подъемного потока, помогает распределить жидкость в трубах и увеличивает скорость жидкости, что увеличивает теплообмен. Смесь пара и жидкости из обратного потока разделяется во внешнем сепараторе.

Преимущества испарителя повышенного и пониженного потока:

l  Относительно низкое время пребывания

l  Относительно высокая скорость теплообмена

l  Относительно низкая стоимость

l  Может быть построено в виде крупных установок

l  Низкое время пребывания

l  Маленькая площадь

l  Хороший теплообмен в широком диапазоне бизнеса.

Недостатки включают в себя:

l  Высокие требования к высоте здания

l  Частая необходимость в рециркуляции

l  Обычно не подходит для соленых или загрязненных жидкостей.

Испарители с подъемным/опускным потоком лучше всего применять для обработки чистых жидкостей или легко пенящихся жидкостей, а также в случае больших нагрузок на испарение.

Рис. 6

Пластинчатый испаритель

Пластинчатый испаритель (рис. 7) конструируется путем установки рельсов на верхней и нижней опорных стержней между ними нескольких рифленых пластин с угловыми отверстиями. Когда ряд пластин закрепляется в раме, они герметично уплотняются и образуют узкие каналы для прохождения потока.

В зависимости от типа прокладки жидкость проходит через соседние слои пластин последовательно или параллельно. Уплотнительные кольца предотвращают вытекание жидкости в атмосферу, а теплоноситель циркулирует между прокладками.

Эти системы могут работать как испарители повышенного потока, испарители пониженного потока или испарители с подъемным/опускным потоком.

При правильном проектировании для конкретного применения можно достичь очень высоких скоростей и коэффициентов теплообмена. Высокая скорость способствует максимальному снижению накипи или солеотложений на нагревательной поверхности. Теплообменная поверхность пластинчатого испарителя относительно небольшая, поэтому для оптимизации теплообмена и поддержания низкой температуры отвода тепла пластинчатый испаритель обычно работает при низком давлении.

Преимущества пластинчатого испарителя:

l  Подходит для испарения термочувствительных, вязких и легко пенящихся материалов

l  Компактная конструкция, низкая требуемая высота помещения

l  Легкость в очистке и модификации.

Одним из основных недостатков пластинчатого испарителя является большая площадь уплотнительных прокладок. Выбор правильных прокладок и следование соответствующим процедурам сборки позволяют избежать утечек (5).

Типичные применения пластинчатого испарителя включают удаление растворителя, удаление мономеров из полимеров и дезодорацию.

Рис. 7

Скребковый испаритель

Для трудноподдающихся обработке сырьевых материалов более эффективным типом испарителя является скребковый испаритель с пленочным испарением (рис. 8). Несмотря на то, что трубчатые испарители успешно применялись для обработки различных материалов, их применение в случае термочувствительных, вязких, склонных к образованию накипи или высококипящих жидкостей не всегда оправдано. Проблемы, такие как длительное время пребывания, образование накипи на теплообменной поверхности, засорение труб и низкая эффективность теплообмена из-за высокой вязкости, часто встречаются.

Скребковый испаритель успешно решает проблемы обработки трудноподдающихся продуктов. Принцип заключается в том, что при контролируемых условиях с использованием косвенного теплообмена и механического перемешивания жидкость быстро разделяется на легколетучие компоненты и труднолетучие компоненты. Разделение обычно происходит в условиях вакуума для максимального увеличения температурного градиента, одновременно сохраняя оптимальную температуру продукта и максимально повышая удаление и восстановление летучих компонентов.

На рынке представлены различные конструкции скребковых испарителей. Скребковый испаритель состоит из двух основных компонентов: обогреваемого корпуса и ротора. Типы скребковых испарителей бывают вертикальными и горизонтальными, ротор может иметь различные конструкции, с зазором между ним и обогревающей оболочкой от определенного расстояния до практически нуля, тесно прилегая к поверхности.

На данный момент большинство скребковых испарителей, работающих в настоящее время, используют вертикальный, колонообразный, с фиксированным расстоянием между роторами дизайн. Сырье поступает в установку над зоной нагрева и равномерно распределяется по внутреннему периметру корпуса с помощью ротора (рис. 9). Жидкость спиралевидно спускается вниз по стенке, а дуговидные волны, создаваемые лопастями ротора, вызывают высокотурбулентный поток, что приводит к высокой плотности теплового потока. Летучие компоненты быстро испаряются. Пары могут двигаться как кокурентно, так и контркурентно, и после выхода из установки могут быть конденсированы или подвергнуты последующей обработке, а нелетучие компоненты вытекают из нижнего выхода. Постоянное промывание дуговидными волнами может минимизировать загрязнение тепловой стенки, так как тепловая стенка является наиболее концентрированным местом продукта или остатков.

Скребковый испаритель обладает рядом преимуществ, таких как короткое время пребывания, узкое распределение времени пребывания, высокая турбулентность, быстрое обновление поверхности и т. д., что позволяет успешно обрабатывать материалы, чувствительные к теплу, вязкие и склонные к образованию накипи. "Стандартный" скребковый испаритель обычно может обрабатывать материалы с вязкостью от 1 до 50 000 сП. Специальные конструкции роторов могут работать в диапазоне от 50 000 до 20 000 000 кубических сантиметров. Низкий уровень запаса продукции и работа при близких к равновесным условиях являются важными для продуктов с высокой активностью.

Скребковый испаритель обладает высокой гибкостью в обработке и обычно может быть спроектирован для работы с различными продуктами в различных условиях эксплуатации. Обычно скребковые испарители работают в диапазоне низкого давления от 2 до 250 мм ртутного столба. Испарители используют пар или жидкое теплоносительное средство.

Преимущества скребкового испарителя:

l  Короткое время пребывания в зоне нагрева, измеряемое в секундах до минут.

l  Высокий коэффициент теплообмена, обусловленный турбулентностью, создаваемой ротором.

l  Минимальное обратное перемешивание в потоке с плоским движением.

l  Обработка материалов с высоким содержанием твердых частиц и высокой вязкостью.

l  Меньшее разложение продукта и более высокая производительность.

l  Высокий процент восстановления за счет "выжимания" остатков ротором (7).

Скребковый испаритель имеет следующие недостатки: его стоимость выше стандартного оборудования для испарения. Кроме того, невозможно осуществить энергетическое восстановление в случае фрагментированной транспортировки или сжатия пара.

Скребковые испарители обычно применяются в следующих областях:

l  Очистка нестабильных органических химических соединений, таких как природные масла, жирные кислоты, изоцианаты, гербициды и инсектициды.

l  Концентрирование продуктов питания и медикаментов, таких как лецитин, ферменты, фруктово-овощное пюре, биологические растворы, растительные и растительные экстракты, брожение.

l  Восстановление ценных ресурсов из отходов, например, растворителей из красок, очистка глицерина из отработанного бензина, уменьшение объема неорганических солей.

l  Отделение термопластичных пластмасс, алкидных смол, фенольных смол, органических кремнийорганических полимеров, полиэфиров и нейлона.

l  Минимизация обработки опасных отходов, например, радиоактивных отходов.

Механическая и процессная технологии скребковых испарительных систем были признаны надежными и следует рассматривать использование этой технологии там, где традиционные трубчатые испарители не могут быть использованы. Обычно комбинация трубчатого и скребкового испарителей является оптимальным решением.

Рис. 8

Рис. 9

Требования к процессу

Перед оценкой технологии и оборудования необходимо определить требования, спецификации и стоимость коммерциализированного продукта. Затем необходимо установить технические спецификации для производства. При выборе процесса, способного производить высокую выход продукции с минимальным количеством отходов, следует учитывать следующие факторы:

l  Максимальное сокращение времени запуска процесса для увеличения времени работы и минимизации потерь продукции в период стабилизации процесса.

l  Минимизация задержки продукции во время остановок процесса для сокращения потерь продукции.

l  Сокращение времени пребывания продукции для минимизации потерь продукции из-за деградации.

l  Предотвращение загрязнения во время процесса очистки.

l  Возможность извлечения ценности из концентрированных остатков, что уменьшает объем отходов и требует их рециркуляции или регенерации (вторичной обработки) для извлечения дополнительной продукции.

l  Способность уменьшить уровень летучих компонентов в концентрированном продукте.

Выбор испарителя

Выбор наилучшего испарителя может быть как легким, так и сложным. Характеристики продукта, такие как высокая вязкость или наличие крупных примесей, могут дать некоторое направление. Однако для многих простых применений все или большинство типов испарителей могут хорошо справиться с этими процессами. В таком случае факторы выбора могут включать в себя: производительность, производство малыми партиями, опыт прошлого производства на заводе, доступное пространство, квалификация операторов, требования к инженерной инфраструктуре, потребности в обслуживании и/или стоимость.

В таблице ниже представлены некоторые рекомендации по выбору испарителя для конкретных применений.

Обычно, для низкой производительности или многообразного интервального производства наиболее экономичным выбором является интервальный испаритель или интервальный испаритель с мешалкой. Он прост, недорог, может обрабатывать различные продукты с переменными характеристиками и условиями эксплуатации. Возможно, ему потребуется больше времени на очистку, но обычно это система с низкими затратами на обслуживание.

При обработке больших объемов обычно используется непрерывный технологический процесс, и трубчатый испаритель является предпочтительным оборудованием.

Производительность, вязкость, содержание твердых веществ, накипь и склонность к пенообразованию определят наиболее подходящий тип испарителя и нуждается ли он в циркуляционном дизайне. Как правило, принудительные циркуляционные испарители более дорогие по сравнению с естественной циркуляцией, но в некоторых случаях они обладают более высоким коэффициентом теплоотдачи при примерно таких же или даже более низких капитальных затратах.

Если продукт труднообрабатываем из-за теплочувствительности, высокой вязкости, высокого содержания твердых веществ или склонности к загрязнению, может потребоваться использование технологий, таких как пластинчатый испаритель или скребковый испаритель.