WikiDer > Циркуляционный испаритель - Википедия

Circulation evaporator - Wikipedia

Циркуляционные испарители являются разновидностью испарительная установка предназначен для разделения смесей, которые невозможно испарить с помощью обычной выпарной установки. Циркуляционное испарение включает использование обоих теплообменники и установки мгновенного разделения в сочетании с циркуляцией растворитель для удаления жидких смесей без обычных кипячение. Есть два типа циркуляционного испарения; Испарители с естественной циркуляцией и испарители с принудительной циркуляцией, которые до сих пор используются в промышленности, хотя системы с принудительной циркуляцией, которые имеют циркуляционный насос, в отличие от естественных систем без движущей силы, имеют гораздо более широкий спектр соответствующих применений.

Конструкция испарителей с естественной / принудительной циркуляцией

Испарители спроектированы с двумя ключевыми целями: является ли выбираемое оборудование наиболее подходящим для работы и является ли его расположение наиболее эффективным и экономичным.[1] Теплопередача в значительной степени влияет на конструкцию испарителя, поскольку представляет наибольшие затраты при его эксплуатации. Наиболее подходящий испаритель будет иметь самый высокий коэффициент теплопередачи на доллар стоимости оборудования.[2] При оптимизации конструкции испарителя еще одним важным фактором является экономия пара (кг испаряемого растворителя на килограмм использованного пара). Лучший способ добиться высокой экономии (которая может превышать 100%) - это использовать многоэффектный испаритель, при этом пар из одного испарителя - или эффекта - используется для нагрева сырья в следующем эффекте, где кипение происходит при более низкой давление и температура [3] Термокомпрессия пара, при которой пар будет конденсироваться при температуре, достаточно высокой для повторного использования для следующего эффекта посредством сжатия, также повысит эффективность. Однако повышение энергоэффективности может быть достигнуто только за счет более высоких капитальных затрат, и, как правило, чем больше система, тем больше она окупается за увеличение тепловая эффективность испарителя.[1]

Однако теплопередача не является единственным критерием проектирования, так как наиболее подходящий испаритель также зависит от свойств сырья и продуктов. Кристаллизация, соление и окалина, качество продукта и его термочувствительность, пенообразование раствора, вязкость корма (которая увеличивается с испарением) и его природа (жидкий навоз или концентрат) - все это необходимо учитывать.[2][3] Для одноэтапных испарителей, которые используются в небольших процессах с низкой пропускной способностью по материалам, можно использовать баланс материалов и энергии для разработки и оптимизации процесса. При проектировании испарителей с несколькими эффектами методы проб и ошибок с множеством итераций обычно являются самыми быстрыми и эффективными. Общие шаги в дизайне следующие:[2][3] и будет выполняться в Excel для простоты вычислений. Другое программное обеспечение для проектирования, такое как Aspen Plus, также может использоваться со встроенными функциями для технологического оборудования.

1) Оцените распределение температуры в испарителе с учетом повышения точки кипения. Если все поверхности нагрева должны быть одинаковыми, падение температуры на каждом эффекте будет приблизительно обратно пропорционально коэффициенту теплопередачи в этом эффекте.

2) Определите необходимое общее испарение и оцените расход пара для выбранного количества эффектов.

3) Рассчитайте испарение в первом эффекте исходя из предполагаемой температуры или расхода подачи. Повторите эти действия для следующих эффектов и убедитесь, что исходные и промежуточные предположения остаются в силе. Кроме того, определите, соответствует ли качество продукта требуемым спецификациям при последнем воздействии.

4) Убедитесь, что требования к теплу были соблюдены и продукт соответствует требуемым спецификациям. Если нет, повторите предыдущие шаги с другим предположением о потоке пара для первого эффекта.

5) Теперь, когда известны концентрации в каждом эффекте, пересчитайте повышение температуры кипения, чтобы определить тепловые нагрузки. Используя эту информацию, пересмотрите предполагаемые коэффициенты теплопередачи при разнице температур, а затем определите требования к поверхности нагрева.

6) При наличии достаточного количества данных, основанных на вышеуказанных условиях, коэффициенты теплопередачи могут быть затем рассчитаны более строго, а требования к поверхностному обогреву скорректированы соответствующим образом, чтобы дать более надежную конструкцию, представляющую саму физическую систему.

После проектирования самих компонентов испарителя дополнительное оборудование, такое как насосы (особенно для испарителей с принудительной циркуляцией) и нагреватели должны быть спроектированы и / или указаны для системы, чтобы обеспечить надежную работу и оценку стоимости системы в целом. Они будут основаны на технических характеристиках, определенных в приведенных выше расчетах.

Основные характеристики

Основные характеристики процесса основаны на испарении, в частности за счет теплообмена и регулирования давления. Это процедура мгновенного разделения, которая включает нагрев основной жидкой смеси и принудительную циркуляцию через систему с помощью откачки.

Физические характеристики

Принудительная / естественная циркуляция Испарение используется, когда кипение основных жидкостей нежелательно. Он был разработан специально для обработки и разделения жидкостей, в которых происходит кристаллизация и образование накипи.[1] В испарителе используются отдельные части для создания общей системы; теплообменник, разделительный бак и для системы принудительной циркуляции (в отличие от системы естественной циркуляции) циркуляционный насос являются стандартными, хотя могут быть изменены в зависимости от жидкостных свойств разделяемых смесей и конкретной конструкции. Блоки в теплообменнике (где происходит теплопередача) называются нагревательными блоками или каландриями (для однотрубных теплообменников). Резервуар для разделения пара и жидкости называется испарительным сепаратором, испарительной камерой или испарительным сосудом. Базовый модуль испарителя известен как «корпус» испарителя и относится к каландрии и испарительной камере. Термин «эффект» используется для описания тела, в котором пар извлекается из сырья и работает при той же температуре кипения.[4]

Характеристики системы

Испарение - это удаление растворителя в виде пара из раствора. Для большинства испарительных систем растворителем является вода, а тепло обеспечивается за счет конденсации пара.[4] При испарении с принудительной циркуляцией жидкость постоянно циркулирует по системе. Смесь проходит через теплообменник, где она перегревается под давлением.[5] Чтобы избежать засорения, используется высокая скорость циркуляции, обычно от 1,5 до 4 м / с. [6] хотя в конечном итоге это зависит от свойств компонента и легко регулируется циркуляционным насосом. Жидкость находится под давлением через теплообменник извне с помощью стабилизаторов давления, таких как клапаны или отверстия, или гидростатически внутри системы.[1]

Нагрев жидкости через теплообменник поддерживается минимальным при стандартной разнице температур 2 - 3 К.[1] Когда жидкость попадает в сосуд мгновенного испарения, давление снижается до немного ниже, чем в теплообменнике, и происходит мгновенное испарение. Поток пара отделяется от потока жидкости. Этот пар обычно не является желаемым продуктом из испарительной установки. Таким образом, пар может быть собран или удален в зависимости от системы. Обогащенный жидкий раствор затем либо собирается таким же образом, как пар, либо снова рециркулирует через систему.

Это приводит к высокой степени рециркуляции в диапазоне 100–150 кг рециркулируемой жидкости (растворителя) на 1 кг удаленного пара. Эти высокие скорости рециркуляции приводят к высокой скорости жидкости через трубку и, в свою очередь, сводят к минимуму накопление кристаллов и других отложений и, в свою очередь, сводят к минимуму засорение.[1] Важно отметить, что при кристаллизации кристаллизация все еще происходит в сепараторе мгновенного испарения, а в некоторых конкретных системах требуется дальнейшее отделение твердых частиц от рециркулируемой суспензии (необходима ссылка)

Оценка характеристик

При проектировании испарителя с принудительной циркуляцией необходимо учитывать 3 соображения; передаваемое тепло, разделение жидкого пара и эффективность потребления энергии.[4] Все эти соображения необходимо максимально учитывать, чтобы создать эффективную систему. Поскольку для системы поддерживаются циркуляция и нагрев, температуру и скорость жидкости можно регулировать в соответствии с требованиями продукта. [7] и, как таковые, могут быть достигнуты оптимальные скорости трубы, что приводит к созданию эффективно спроектированной системы, учитывающей конструктивные соображения.[8]

Испарители с принудительной циркуляцией имеют высокую скорость жидкости и, следовательно, высокую турбулентность.[6] это означает высокие коэффициенты теплопередачи. Система имеет положительную циркуляцию, не допускает сильного загрязнения, накипи или солей и подходит для агрессивных и вязких растворов.[8]

Рабочие характеристики специально настраиваются для соответствия критериям применения. Однако испарители с принудительной циркуляцией универсальны в своем применении и могут использоваться в широком спектре приложений (см. Приложения). Например, они идеально подходят для операций по кристаллизации. Значения концентрации испарителей с принудительной циркуляцией могут работать больше, чем пределы обычных трубчатых испарителей при работе с сырьем с растворенными солями, и часто используются в качестве окончательного испарителя для концентрирования жидкостей до высокого содержания твердых веществ после многоступенчатого испарения с низким содержанием твердых веществ, TVR или MVR.[9]

Для увеличения теплового КПД можно использовать несколько эффектов нагрева.[10][4] В этой конструкции системы извлеченный пар используется в качестве теплоносителя для второго нагрева при более низком давлении, чем при первом эффекте. Это можно повторить для нескольких эффектов.

Характеристики испарителя с естественной циркуляцией

Испарение с естественной циркуляцией по существу основано на потоках естественной конвекции, которыми управляют через трубопровод системы для создания циркуляции. Циркуляция за счет конвекции достигается за счет образования пузырьков. Пузырьки имеют более низкую плотность и поднимаются через жидкость, способствуя подъему в испарительную емкость.[11]

В испарителях с физически естественной циркуляцией используется короткий пучок труб внутри дозировочного лотка или внешний кожухотрубный теплообменник за пределами основного резервуара (как показано на схеме).[1] Обычно используется внешний нагрев через теплообменники, так как он имеет то преимущество, что он не зависит от размера или формы каландрии. Таким образом, можно получить большую емкость для резервуара мгновенного отделения.[1]

Удаление циркуляционного насоса снижает эксплуатационные расходы, однако из-за характеристик системы, упомянутых выше, испаритель имеет длительное время пребывания и низкие скорости потока,[11] что делает его применение значительно более ограниченным, чем испаритель с принудительной циркуляцией. Наиболее распространенное применение испарения с естественной циркуляцией - это ребойлер для дистилляционных колонн.

Доступны конструкции системы

В настоящее время доступен широкий спектр испарителей с принудительной циркуляцией, специально предназначенных для выполнения различных задач.

В пластинчатых испарителях с принудительной циркуляцией используется центробежный насос который заставляет жидкость циркулировать через пластинчатые конструкции и теплообменник.[12] Гибкость этой конструкции является основным преимуществом, поскольку скоростью испарения можно управлять, добавляя или удаляя дополнительные пластины, что позволяет ей выполнять широкий спектр задач, требующих более высокого коэффициента теплопередачи. В частности, для этой конструкции лучше подходят продукты с более высокой вязкостью, при этом пластинчатый испаритель с принудительной циркуляцией демонстрирует более высокую производительность и улучшенное испарение по сравнению с трубчатой ​​системой с принудительной циркуляцией. Жидкость должна подвергаться перегреву, который значительно превышает исходную точку кипения жидкости, что вызывает быстрое испарение. Помимо гибкости, эта система компактна, занимает мало места и ее легко чистить.[13] и поддерживать, поскольку пластины легко доступны. Что касается пригодности, эта конструкция в настоящее время используется в процессах, в которых используются жидкости с низкой или средней скоростью испарения и которые состоят из мельчайших порций нерастворенных растворенных веществ, практически не способных вызывать засорение.

В трубчатых испарителях с принудительной циркуляцией используется осевой циркуляционный насос, который направляет поток жидкости по кругу через теплообменник системы, в котором она перегревается. После этого, когда жидкость достигает сепаратора, давление жидкости резко падает, заставляя часть жидкости быстро испаряться. Эта конструкция предназначена специально для продуктов и / или твердых частиц диаметром более 2 мм.[14] Поскольку испарение происходит только в сепараторе, а не в теплообменнике, загрязнение уменьшается, несмотря на более высокие уровни турбулентности в конструкции. Альтернативно, другим параметром конструкции является оптимизация скорости жидкости в боковом потоке трубы, который регулируется циркуляционным насосом.[1]

Испарители с принудительной циркуляцией в пищевой промышленности используют модифицированную конструкцию, имитирующую исходную систему, однако включают дополнительные блоки вторичного пара для увеличения потока принудительной циркуляции.[13] В то время как конструкция с одинарным эффектом использует конденсатор для стимулирования действия конденсации после поступления пара из теплообменника, конструкция с двойным эффектом выполняет аналогичную функцию, однако дополнительный компонент действует для снижения общего давления в системе. Для сравнения, система тройного эффекта используется, когда требуются высокие уровни эффективного испарения с минимальными трудозатратами.[1] В этой конструкции жидкость попадает в третий эффект при низкой температуре и переходит во второй поток, в котором концентрация увеличивается из-за предыдущего эффекта испарения. Наконец, в первом эффекте достигается оптимальная концентрация продукта.[1]

Что касается конструктивных элементов в системах испарения с принудительной циркуляцией, теплообменники могут быть разными. Кожухотрубные теплообменники наиболее широко используются благодаря гибкой конструкции, которая может работать с различными значениями давления и температуры.[1] В теплообменниках с принудительной циркуляцией могут использоваться как горизонтальные, так и вертикальные кожухотрубные теплообменники, обеспечивающие обмен теплом между жидкостями внутри и снаружи трубок (которые существуют внутри теплообменника). Жидкости с высоким содержанием растворенных веществ обычно требуют вертикальных теплообменников, которые используются чаще.[1]

Напрасно тратить

Испарение обычно связано с испарением воды из смеси или раствора, содержащего другую жидкость или мелкие твердые частицы. Этот концентрированный поток в большинстве случаев является продуктом, и поэтому единственным потоком отходов является чистая вода, которая не представляет опасности для окружающей среды и может быть сброшена в ливневую / канализационную систему. В случае, когда концентрат представляет собой поток отходов, например, при испарении соленой воды для получения питьевой воды, концентрат соли следует диспергировать обратно в океаны или высушить и отправить для утилизации / использования в других операциях. В большинстве случаев отсутствуют потоки опасных отходов, связанные с испарителями с естественной и принудительной циркуляцией.

Преимущества и ограничения

Преимущества

Испарители с естественной / принудительной циркуляцией имеют много преимуществ, что делает их более популярным выбором в промышленности.[15]

Жидкость, поступающая в циркуляционный испаритель, будет кипеть в сепараторе, а не на поверхности нагрева, что минимизирует загрязнение, тогда как в пластинчатых испарителях кипение будет происходить на поверхности нагрева.[15] По этой причине циркуляционные испарители предпочтительнее для жидкостей с более высокой тенденцией к загрязнению. Минимальное загрязнение также означает, что циклы очистки не такие частые, как с другими испарителями, такими как пластинчатые испарители.[4]

Циркуляционные испарители довольно компактны, просты в очистке и эксплуатации.[13] Их также можно легко адаптировать в зависимости от продукта, который необходимо получить.[15] У них высокий коэффициент теплопередачи а также большой циркуляционный поток,[4][13] которые оба работают для увеличения эффективности испарителя.

Ограничения

Одним из основных ограничений испарителей с принудительной / естественной циркуляцией является стоимость. Циркуляционные испарители имеют особенно высокую стоимость строительства, тогда как испарители с падающей пленкой имеют низкую инвестиционную стоимость. Испарители с падающей пленкой не имеют вращающейся внутренней части и, следовательно, не подвержены механическому износу, в то время как циркуляционные испарители имеют высокие затраты на техническое обслуживание.[13][15]

Хотя ранее это было описано как преимущество, у высокой циркуляции потока есть и обратная сторона. Повышенная скорость может вызвать более быструю коррозию оборудования, что увеличит общие затраты на эксплуатацию испарителя, учитывая, насколько дорого его обслуживание по сравнению с другими испарителями.

Приложения

Испарители с естественной / принудительной циркуляцией играют важную роль в пищевой промышленности и производстве напитков. В частности, их можно использовать для процессов, которые производят томатный сок концентрат, (тропический и ягодный) фруктовый концентрат, а также когда необходимо удалить воду из определенного сырья таким образом, чтобы сохранить свойства сырья.[4]

Как правило, испарители с принудительной циркуляцией требуются, когда характеристики загрязнения жидкости вызывают проблемы, если жидкость кипит на поверхности нагрева.[16][8] Эти испарители также используются для жидкостей с высоким содержанием твердых частиц и высокой вязкостью.[4][9]

Есть несколько других процессов, которые требуют использования испарителей с принудительной циркуляцией, которые особенно хорошо работают в качестве испарителей кристаллизации.[15] К ним относятся процессы, которые производят соль, кукурузную воду и карбонат кальция.[9]

Испарители с естественной циркуляцией используются в других процессах, таких как те, которые производят безводный гидроксид натрия (каустик), сахарную свеклу, щелоки, которые являются особенно пенными, или те, которые имеют вязкость от низкой до средней, а также осаждают жидкости.[15]

Испарители с естественной / принудительной циркуляцией также необходимы на очистных сооружениях, а также в химических и фармацевтический промышленность.[8]

Новые разработки

Усовершенствования конструкции испарителей с принудительной / естественной циркуляцией существенно повлияли на промышленные продукты и процессы. Появление установок самоочищающихся теплообменников, содержащих внешнее циркуляционное движение для частиц, резко снизило уровни загрязнения.[17] Кроме того, использование испарителей с принудительной циркуляцией в многоцелевых выпарных установках,[5] как описано ранее в разделе доступных конструкций, значительно расширили возможности применения жидкостей, которые имеют высокую вязкость, легко осаждаются и требуют более высоких концентраций. Дальнейшие доказательства могут быть получены из тематического исследования свалки в Северной Италии, на которой биогаз в испарителе однократного действия не удалось полностью испарить фильтрат. В результате был использован испаритель с принудительной циркуляцией тройного действия.[18]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Справочник по испарителю. Чикаго, Иллинойс: APV Crepaco, [198. Распечатать.
  2. ^ а б c Колсон и Ричардсон. Химическая инженерия Том 2, 5-е изд. p771-822. Баттерворт-Хайнеманн, 2002.
  3. ^ а б c Перри, Р. и Грин, Справочник Д. Перри по химической инженерии. секта 11-107 с. 1141
  4. ^ а б c d е ж грамм час Испарители с принудительной циркуляцией. Gemina, Machine Point Food technologies, 2012 Дата последней редакции: 10.09.2013
  5. ^ а б «2010-10 Принцип работы испарителя с принудительной циркуляцией». Принцип работы испарителя с принудительной циркуляцией от GEA Wiegand GmbH. Интернет. 27 сентября 2013 г.
  6. ^ а б «Испаритель с принудительной циркуляцией». , Испаритель с восходящей пленкой, Испаритель с тонкой пленкой с перемешиванием. Интернет. 27 сентября 2013 г. <http://www.sspindia.com/force-circulation-evaporator.html>.
  7. ^ «Испарители с принудительной циркуляцией». Испарители с принудительной циркуляцией. Интернет. 27 сентября 2013 г. <http://www.gea-wiegand.com/geawiegand/cmsdoc.nsf/WebDoc/webb89bagw>.
  8. ^ а б c d «Испарители с принудительной циркуляцией». Промышленные испарители. Comp Engineering and Exports, 2011. Интернет. 8 октября 2013 г.
  9. ^ а б c Ангидро-испарители - испарители с принудительной циркуляцией ». Глобальное промышленное оборудование и мировое производство. SPX Andryo, 2012. Интернет. 12 октября 2013 г.
  10. ^ «Испарители». - Тонкая пленка с перемешиванием, принудительная циркуляция, падающая пленка. Интернет. 27 сентября 2013 г. <http://www.rajprocess.com/evaporators.html В архиве 2013-10-16 на Wayback Machine>.
  11. ^ а б «Испаритель с естественной циркуляцией». GIG Karasek Verfahrenstechnik Verdampfer Prozesslsungen TurnKey Anlagen. Интернет. 14 октября 2013 г. «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2013-10-18. Получено 2013-10-15.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  12. ^ Сточные воды (сточные воды) испарители ». Для пищевой и молочной промышленности. GEA GEA Wiegand GmbH Подразделение технологического проектирования, 2013. Интернет. 9 октября 2013 г.
  13. ^ а б c d е «Введение, преимущества и недостатки, а также анализ использования испарителя с принудительной циркуляцией». Введение, преимущества и недостатки и анализ использования испарителя с принудительной циркуляцией. Вэньчжоу Tecellent Machinery Co., Ltd, 13 ноября 2012 г.
  14. ^ «Пластинчатые испарители с принудительной циркуляцией». Глобальное промышленное оборудование и мировое производство. SPX APV, 2013. Дата просмотра. 9 октября 2013 г.
  15. ^ а б c d е ж Технология выпаривания. GEA Wiegand GmbH, подразделение технологического проектирования, 2012 Дата пересмотра: 10.09.2013
  16. ^ «Испаритель с принудительной циркуляцией». Испаритель с принудительной циркуляцией. Интернет. 27 сентября 2013 г. <http://www.niroinc.com/evaporators_crystallizers/forced_circulation_evaporator.asp В архиве 2013-10-15 на Wayback Machine>.
  17. ^ Кларен. B (2003). Усовершенствования и новые разработки в области самоочищающейся теплопередачи, ведущие к новым применениям. Загрязнение и очистка теплообменников: Международная конференция по основам и технологиям применения, Нидерланды
  18. ^ Gastaldello.A, Fronato.L (1998). Опыт и новые разработки недорогих испарительных технологий при очистке сточных вод на полигонах ТБО. Gestione-trattamento percolato RSU, Depuracque