Один из самых простых и старейших дизайнов - это интермиттирующий испаритель (рис. 1). Он состоит из сосуда с подогревающей оболочкой (H), нагреваемого паром или жидкостью. Продукт подается через подающий форсунку (F) до определенного уровня и нагревается порциями до кипения; пар удаляется, пока не достигнута нужная концентрация. Затем тепло удаляется, и концентрированный раствор выталкивается через форсунку (C) или откачивается из сосуда.

Интермиттирующий испаритель не подходит для температурно чувствительных продуктов. Во-первых, время задержки обычно довольно долгое. Кроме того, статическая головка жидкости увеличивает температуру кипения продукта на дне сосуда, что можно преодолеть путем работы сосуда в вакууме для снижения температуры кипения партий.

Коэффициент теплопередачи в интермиттирующих испарителях обычно низок, и поверхность теплообмена мала по сравнению с объемом сосуда. Поскольку перемещение продукта осуществляется только естественной циркуляцией, теплочувствительные продукты или продукты с твердыми частицами часто загрязняют нагреваемую поверхность. Установка мешалки в сосуд (партионное перемешивание) может увеличить коэффициент теплопередачи и снизить загрязнение.

Интермиттирующие испарители все еще используются в различных процессах, особенно в тех, которые включают небольшие партии высокой вязкости и нечувствительные к теплу продукты.

рис. 1

Трубчатый испаритель с естественной циркуляцией

Естественная циркуляция обычно используется в простых приложениях с высокой чистотой продукта и стабильной температурой (в то время как принудительная циркуляция используется для продуктов с высокой вязкостью, склонных к образованию солей и отложений). Самыми распространенными типами естественно циркулирующих трубчатых испарителей являются горизонтальные трубчатые, вертикальные трубчатые (или короткие) и длинные вертикальные трубчатые.

Горизонтальные трубчатые испарители

Горизонтальные трубчатые испарители являются одними из самых старых типов химических испарителей (рис. 2), хотя сейчас более распространены другие улучшенные модели испарителей. Они являются единственными испарителями, где нагревающая среда находится внутри трубы, и их основное преимущество заключается в том, что для них требуется относительно небольшое пространство. Горизонтальные испарители не подходят для процессов, склонных к образованию накипи или осадков солей (которые могут накапливаться вне трубы) и более подходят для процессов, где конечным продуктом является жидкость, а не твердые вещества, например, сироп. В таких процессах большой объем жидкости в испарителе может быть тщательно настроен изменением времени задержки испарителя для точной регулировки конечной плотности.

рис. 2

Вертикальный трубчатый испаритель

Короткотрубный или колоночный вертикальный испаритель (рис. 3) является одним из самых ранних типов испарителей, который до сих пор широко используется в коммерческих целях.

Характерной особенностью короткотрубного испарителя является расширение пластин (A) на всем корпусе и центральная стока (B). Трубы скользят между двумя пластинами, и пар вводится, как показано на рисунке 3. Жидкость находится внутри трубы, а нагревающее средство снаружи трубы. При кипении жидкости она поднимается по трубе, а затем возвращается через центральную рециркуляционную трубу. Конденсированная жидкость вытекает из удобного места на дне пластины (например, C), а неконденсированный газ обычно вытекает из места рядом с верхней пластиной (например, D). Точные положения ввода (F) и вывода (C) могут варьироваться, но показанные на рисунке 3 положения достаточно типичны.

Обычно рабочее положение жидкости близко к верхнему краю верхней пластины, а поперечное сечение падающей трубы обычно находится между 75% и 150% от поперечного сечения трубы. Длина трубы может варьироваться от 1 до 4 дюймов, а диаметр - от 30 дюймов до 6 футов, с общим предпочтением к выбору трубы диаметром около 2 дюймов и длиной около 5 футов (4).

Циркуляция и теплообмен в этом типе испарителя сильно зависят от уровня жидкости. Кипение в трубе вызывает циркуляцию через нагреваемую поверхность, а циркуляция происходит из-за разницы плотности между свободной жидкостью и нагреваемой жидкостью и паром в трубе. Максимальный коэффициент теплообмена достигается, когда уровень жидкости примерно в половине длины трубы. Снижение уровня ниже оптимального значения приводит к неполному увлажнению стенок трубы, что повышает склонность к образованию накипи и быстрому снижению производительности. Когда этот тип испарителя используется с продуктами, способными образовывать отложения или накипь, обычно работают при уровне жидкости немного выше оптимального и обычно выше верхней пластины (3).

Вертикальный трубчатый испаритель имеет следующие преимущества:

• Низкое пространство в верхней части.

• Подходит для жидкостей с небольшой склонностью к образованию отложений, поскольку продукт находится в трубе и легко чистится.

• Разбавленные жидкости могут достигать довольно высокого коэффициента теплообмена (до 5-10 cP).

• Относительно низкая стоимость производства.

Однако передача тепла в вертикальном трубчатом испарителе в значительной степени зависит от вязкости и температуры, он не подходит для теплочувствительных продуктов и не подходит для продуктов с легкой кристаллизацией без обеспечения перемешивания.

Одним из основных применений вертикального трубчатого испарителя является концентрация сахарного тростника.

рис. 3

Длинно-трубчатый вертикальный испаритель

Длинно-трубчатый вертикальный испаритель, или испаритель с подъемной пленкой (рисунок 4), является одним из наиболее распространенных трубчатых испарителей. Он может быть построен как отдельная единица благодаря своей высокой теплоотдаче в большинстве условий, а также из-за его простой конструкции и низкой стоимости. Он в основном представляет собой теплообменник типа "труба в оболочке", установленный на газожидкостном сепараторе, требует небольшого пространства, но имеет высокую высоту верхней части.

Разбавленное сырье поступает снизу через пластину трубчатого испарителя, движется вверх по трубке, а теплоноситель проходит через оболочку. В нижней части трубки сырье нагревается до кипения. В верхней части трубки начинается образование пузырьков, что увеличивает линейную скорость и скорость теплообмена. В области пузырьков жидкость и пузырьки быстро поднимаются по трубе и быстро выбрасываются сверху, где они сталкиваются с газожидкостным сепаратором и лопаются. Таким образом, этот тип испарителя можно использовать для продуктов, склонных к пенообразованию.

Достоинства длинно-трубчатого вертикального испарителя

• Маленькая площадь занимаемого оборудования.

• Возможность достижения относительно высокого коэффициента теплообмена из-за локального двухфазного потока.

• Способность обрабатывать легко пенообразующиеся жидкости.

Недостатки:

• Требования к высоте.

• Более высокое падение давления в трубопроводах по сравнению с горизонтальными трубчатыми испарителями.

• Статическое давление в нижней части трубы может повысить температуру продукта и привести к проблемам с термочувствительностью.

Некоторые типичные применения длинно-трубчатого вертикального испарителя: концентрация сахарного сиропа, отбеливание целлюлозы в бумажных заводах, производство нитратов и электролитическое оловянирование.

рис. 4

принудительный циркуляционный испаритель

При проектировании трубчатых испарителей следует учитывать ценность механической рециркуляции. На первый взгляд, добавление насоса и дополнительного управления увеличит затраты на установку, эксплуатацию и обслуживание. Однако возвращение части концентрата обратно в поток питания может увеличить теплопередачу настолько, что размеры испарителя значительно уменьшатся, что снизит общие затраты.

Увеличение скорости потока жидкости в трубе (обычно в диапазоне от 4 до 10 футов в секунду) также может уменьшить или исключить возможные проявления образования накипи, что поддерживает производительность и сокращает время простоя. В случае кипящего испарения это также может увеличить жидкостную нагрузку на дне трубы, что повысит производительность дистилляции.

在 большинстве случаев, когда подача содержит твердые частицы или кристаллы, следует использовать принудительный циркуляционный испаритель. Преимущества использования принудительного циркуляционного испарителя:

• Высокий коэффициент теплоотдачи

• Принудительная циркуляция

• Уменьшение образования накипи

Основные недостатки принудительной циркуляции:

• Более высокие затраты

• Потребление энергии циркуляционного насоса

• Увеличение времени пребывания продукта в зоне нагрева.

Типичные применения принудительной циркуляции включают сульфат натрия, мочевину, хлорид натрия, сульфат аммония, хлорид магния, лимонную кислоту и гидроксид калия.

Испаритель с падающей пленкой

(Длинноцевый) Испаритель с падающей пленкой (рис. 5) является вариантом испарителя с подъемной пленкой, где оборудование перевернуто, и трубчатый теплообменник находится в верхней части сепаратора газ-жидкость. Сырье поступает в испаритель сверху, и специальный распределитель обеспечивает равномерное распределение сырья по каждой трубе. Распределение сырья является ключевым моментом, и существует множество форм дизайна распределителей, но обычно это некоторые многоотверстия, установленные в верхней части.

Испаритель с падающей пленкой обладает гравитационным преимуществом, что делает пленку более тонкой, скорость движения быстрее, и может обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи и более короткое время пребывания в зоне нагрева.

Испаритель с падающей пленкой особенно подходит для приложений, где температурный градиент между нагревательным средством и жидкостью невелик (менее 15 °F). Испаритель с падающей пленкой обладает способностью работать при низком температурном градиенте и более коротким временем пребывания, что делает его подходящим для теплочувствительных продуктов.

Дизайн сепаратора газ-жидкость в нижней части трубчатого теплообменника во многом зависит от свойств обрабатываемого материала и условий эксплуатации. Ключевым моментом для испарителя с падающей пленкой является соотношение скорости отбора дистиллята к скорости подачи сырья. Использование одноразового высокого разделения дистилляции может уменьшить вероятность того, что жидкость попадет на недостаточно влажные участки на дне, что может привести к загрязнению труб изделиями диссоциации.

Преимущества：

•        Относительно низкая стоимость

•        Большая интегрированная площадь нагрева

•        Низкий уровень задержки продукта

•        Маленькие требования к площади

•        Хорошие теплопередающие характеристики при разумной разнице температур

Недостатки：

•        Требования к высоте помещения

•        Обычно не подходит для материалов, склонных к образованию солей или накипи

•        Обычно требуется рециркуляция.

Типичные применения для камерного испарителя включают производство химической промышленности, таких как этиленгликоль, этиламин, капролактам, поликарбонаты, акрилонитрил, хлорированные щелочи и т. д.

рис. 5