Способ выпаривания жидких смесей и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике выпаривания и сгущения растворов, а именно к способам выпаривания и выпарным аппаратам для его осуществления, и может быть использовано в химической, нефтехимической, нефтяной, фармацевтической, пищевой и других областях промышленности. Предлагается способ выпаривания жидкостей в выпарном трубчатом устройстве путем проведения процесса в импульсном режиме при переменном пониженном давлении, подаваемым в систему таким образом, чтобы его величина, по крайней мере, в двух трубках, связанных между собой системой сообщающихся сосудов, была различна. Устройство для выпаривания состоит из выпарного аппарата с вертикальной трубчатой греющей камерой, снабженной штуцерами для входа и выхода теплоносителя в межтрубное пространство корпуса камеры; блока подачи выпариваемого раствора, обеспечивающего связь между жидкостью в трубках по принципу сообщающихся сосудов и сепарационного устройства, аппарата для создания отрицательного давления в системе, связанного с выходом выпарного аппарата и сепарационным устройством. Вышеуказанный аппарат, например вакуум-насос, связан с выходом трубок греющей камеры через расположенное в сепарационном устройстве распределительное устройство, сконструированное таким образом, что обеспечивает, по крайней мере, в двух разных трубках выпарного устройства различное отрицательное давление. Разработанное пульсационное вакуум-выпарное устройство позволяет концентрировать термолабильные вспенивающиеся продукты при низких температурах и исключить их разложение. Созданная установка обеспечивает производительность по испаренной влаге 150 кг/ч при температуре носителя 90^oС и его расходе 8,0 м³/ч, температура упариваемого раствора 45^oС. 2 c. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике выпаривания и сгущения растворов, а именно к способам выпаривания и выпарным аппаратам для его осуществления, и может быть использовано в химической, нефтехимической, нефтяной, фармацевтической, пищевой и других областях промышленности.

В настоящее время известно большое количество типов выпарных устройств (авт. св. 1227236, 1986, кл. B 01 D 1/00; авт. св. СССР 712098, 1980, кл. B 01 D 1/00; авт. св. СССР 1797933, 1993, кл. B 01 D 1/00). Выбор конкретного типа установки и способа выпаривания определяется особенностями выпариваемой смеси и технико-экономическими показателями.

Наибольшее распространение в настоящее время получили трубчатые аппараты, содержащие корпус со штуцерами для подвода теплоносителя, внутри которого помещены трубки с выпариваемым раствором (авт. св. СССР 712098, 1980, кл. B 01 D 1/00; авт. св. СССР 1797933, 1993, кл. B 01 D 1/00; авт. св. СССР 1490111, 1989, кл. B01 D 1/00).

Для повышения эффективности выпаривания предлагается вводить в систему пузырьки газов, что обеспечивает повышенное парообразование. Для реализации способов устройство может быть оборудовано системой подвода воздуха или получения его непосредственно в установке, в частности путем электролиза.

Недостатками указанных способов являются большие энергозатраты, частые случаи перегрева стенок трубок, относительно невысокая производительность, ограничения по составу выпариваемой жидкости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, используемый для выпаривания водных растворов мочевины (авт. св. СССР 1490111, 1989, кл. В 01 D 1/00). Способ заключается в том, что исходное сырье и греющий пар подаются в испарительную камеру, а разделение парожидкостной смеси на отдельные потоки упаренного раствора и перегретого пара осуществляется в сепарирующем устройстве с последующей подачей в него перегретого пара для предотвращения высаживания компонентов раствора.

Недостатками данной технологии также являются большие энергозатраты, частые случаи перегрева стенок трубок, относительно невысокая производительность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для выпаривания (пат. США 5273623, кл. В 01 D 1/00, 1993), который содержит выпарной аппарат с вертикальной трубчатой греющей камерой, снабженной штуцерами для входа и выхода теплоносителя в межтрубное пространство корпуса камеры, средство подачи выпариваемого раствора в нижнюю часть греющей камеры, обеспечивающее ввод раствора во все трубки по принципу сообщающихся сосудов, сепарирующее устройство и средство для создания отрицательного давления в системе.

Недостатком устройства является невозможность с его помощью создать различное давление в разных трубках, что не позволяет добиться высокой производительности.

Задачей, стоявшей перед авторами, являлось создание более эффективного способа, позволяющего, в частности, увеличить производительность по испаренной влаге с единицы теплообменной поверхности и создание выпарного устройства, позволяющего увеличить конечную концентрацию упаренного раствора с улучшением качества продукта путем предотвращения его локального перегрева и снижения накипеобразования на теплообменных поверхностях.

Указанная задача решалась новой технологией, в соответствии с которой предлагается проводить процесс выпаривания в зоне отрицательного давления, вводимого в систему таким образом, что оно в различных частях выпариваемой жидкости, связанных между собой сообщающимися сосудами, устанавливается различным, причем в ходе процесса оно меняется в пульсирующем режиме, подбираемым под особенности конкретной выпариваемой смеси.

Для осуществление способа разработано выпарное устройство, в котором в состав сепарирующего устройства включено распределительное устройство, сконструированное таким образом, чтобы оно обеспечивало, по крайней мере, в двух разных трубках выпарного устройства различное отрицательное давление в переменном пульсирующем режиме.

Общая схема заявляемого выпарного устройства приведена на чертеже.

Устройство состоит из вертикальной трубчатой греющей камеры 1 со штуцерами 2 и 3 для подвода и отвода теплоносителя, расположенного над ним аппарата для создания на выходе отрицательного давления в системе (ВА) 4, соединенного через распределительное устройство 5 с отдельными трубками или группами трубок 6 и 7. Камера снабжена штуцером 8, соединенным с блоком подачи раствора (БПР) 9, обеспечивающим взаимодействие жидкостей между трубками по принципу сообщающихся сосудов. В качестве устройства для создания отрицательного давления в системе может использоваться установка для создания пониженного давления (ВА) 4, соединенная с сепарационным устройством 10, обеспечивающим разделение образующейся парожидкостной смеси на отдельные потоки упаренного раствора и перегретого вторичного пара. Устройство может дополнительно содержать конденсаторы, сборники конденсата, сборник упаренного раствора, запорно-регулирующую аппаратуру.

Принцип действия заявляемого устройства следующий.

Через штуцер 3 в межтрубное пространство камеры 1 подают теплоагент, например горячую воду. Исходный раствор, подлежащий выпариванию, поступает через БПР 9 в трубки испарителя 1 через штуцер 8 и, поднимаясь снизу вверх, нагревается. Теплоноситель, отдав свое тепло раствору, выводится из аппарата через штуцер 2.

Под действием переменного отрицательного давления, создаваемого ВА 4 и подаваемого на соединенные в виде сообщающихся сосудов трубки 6 и 7, возникает пульсация жидкости, оптимальный режим которой подбирается под конкретную разделяемую смесь. Пульсация приводит к высокой скорости движения испаряемой жидкости и образованию пленки вслед уходящей жидкости, что позволяет достигать высоких коэффициентов теплопередачи и, следовательно, уменьшению требуемой поверхности теплообмена для испарения единицы объема жидкости. Одновременно наличие отрицательного давления также интенсифицирует процессы пароотделения и удаления паров из выпарного устройства, сдвигая существующее динамическое равновесие системы в заданном направлении. Получаемый пар с каплями выпаренной жидкости поступают в сепарирующее устройство 10 и разделяются на отдельные потоки.

Изменяющиеся направления движения жидкости в пульсационном (импульсном) режиме концентрирования по отношению к движению теплоносителя позволяют получить дополнительные преимущества, позволяющие улучшить качество упариваемого продукта. В частности, предотвращение его локального перегрева и снижение накипеобразования на теплообменных поверхностях. Что особенно существенно при упаривании вязких растворов.

Разработанное пульсационное вакуум-выпарное устройство позволяет концентрировать термолабильные вспенивающиеся продукты при низких температурах и исключить их разложение. Созданная установка обеспечивает производительность по испаренной влаге 150 кг/ч при температуре теплоносителя 90^oС и его расходе 8,0 м³/ч, температура упариваемого раствора 45^oС.

Промышленная применимость способа иллюстрируется следующими примерами.

На выпарную установку по производству концентрата экстракта корня солодки, мощностью 300 кг/ч по испаренной влаге, поступает экстракт (в трубки испарителя 1) с концентрацией 2% экстрактивных веществ. Одновременно в межтрубное пространство испарителя 1 подают теплоноситель (горячая вода) с температурой 90^oС. Под действием отрицательного давления от - 0,87 кг/см² до - 0,90 кг/см², создаваемого попеременно в различных трубках испарителя 1 выпарного аппарата с частотой 1 Гц, экстракт корня солодки, находящийся в трубках испарителя 1, приходит в возвратно-поступательное движение по трубкам, при этом вскипает. Полученная парожидкостная смесь поступает попеременно в сепарационные зоны 10, где разделяются на вторичный пар и упаренный раствор. Вторичный пар конденсируется в конденсаторах и собирается в сборниках конденсата. Упаренный до 72% экстрактивных веществ густой экстракт корня солодки выводится из аппарата.

Сравнение предлагаемого способа и аппарата с известными техническими решениями (при равных характеристиках теплоносителя и вакуума) показывает, что использование пульсации вакуума с определенной частотой и амплитудой позволяет увеличить производительность выпарного аппарата по испаренной влаге с единицы теплообменной поверхности в 2-2,5 раза, достичь высокой концентрации упаренного термолабильного раствора и исключить термодеструкцию продукта на теплообменных поверхностях.

Формула изобретения

1. Способ выпаривания жидких смесей, включающий подачу раствора и теплоносителя в трубчатый выпарной реактор с сепаратором, выпаривание раствора в трубках и разделение парожидкостной смеси после концентрирования, отличающийся тем, что выпаривание ведут при пониженном давлении в пульсирующем режиме, причем пониженное давление в системе устанавливают таким образом, чтобы его величина, по крайней мере, в двух трубках, связанных между собой системой сообщающихся сосудов, была различна.

2. Устройство для выпаривания, состоящее из выпарного аппарата с вертикальной трубчатой греющей камерой, снабженной штуцерами для входа и выхода теплоносителя в межтрубное пространство корпуса камеры; блока подачи выпариваемого раствора, обеспечивающего связь между жидкостью в трубках по принципу сообщающихся сосудов, и сепарационного устройства, аппарата для создания отрицательного давления в системе, например, вакуум-насоса, связанного с выходом выпарного аппарата и сепарационным устройством, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено расположенным в сепарационном устройстве распределительным устройством, сконструированным таким образом, что оно обеспечивает, по крайней мере, в двух разных трубках выпарного устройства различное отрицательное давление.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что аппарат для создания отрицательного давления в системе снабжен приспособлением, обеспечивающим создание отрицательного давления в трубках в переменном пульсирующем режиме.

РИСУНКИ

Рисунок 1