8. Роторные тонкопленочные испарители

Для концентрирования растворов с высокой вязкостью или выпаривания до высокой концентрации сухих веществ широкое распространение получили роторные тонкопленочные испарители.

Различают две группы роторных пленочных аппаратов. К первой группе, относятся аппараты (рис. 10.19) у которых процесс протекает в пленке, создаваемой на внутренней поверхности неподвижного корпуса при помощи вращающегося ротора. Аппараты первой группы получили наибольшее распространение благодаря универсальности, позволяющей осуществлять в них различные технологические процессы: выпаривание, глубокое концентрирование растворов, дистилляцию, ректификацию, дезодорацию и др. Аппараты второй группы имеют вращающуюся поверхность контакта фаз в виде конуса, спирали, цилиндра и т. д., по которым под действием центробежной силы движется раствор.

Важной особенностью роторных пленочных испарителей является интенсификация процесса за счет проведения его в тонкой интенсивно перемешиваемой пленке, а также удобство выгрузки конечных продуктов из аппарата.

Рисунок 10.20 – Роторные мешалки: а – жесткие; б – с шарнирно закрепленными лопастями; в – с подвижными скребками

Основными элементами этих аппаратов являются корпус с роторной мешалкой и распределительным устройством. Пленка в роторных испарителях создается ротором, на котором укреплены жесткие или шарнирные лопатки (рис. 10.20).

Образование пленки на вертикальной поверхности корпуса аппарата обеспечивается (при равномерной подаче раствора) распределительным кольцом и роторной мешалкой. В аппаратах с жестким ротором (рис. 10.20 а) между корпусом и ротором создается строго фиксированный зазор, а в аппаратах с шарнирными или подвижными лопастями (рис. 10.20 б, в) толщина пленки определяется величиной центробежной силы и физико-химическими свойствами раствора. Стекающая пленкой жидкость размазывается вращающимся ротором по периметру поверхности нагрева, что способствует интенсификации процесса теплоотдачи и, следовательно, испарению растворителя. Вторичный пар удаляют из аппарата через штуцер в верхней части аппарата, а готовый продукт удаляют из испарителя через штуцер в конусном днище.

Одним из отрицательных явлений, сопровождающих работу роторных тонкопленочных аппаратов, является уменьшение количества выпариваемого раствора по высоте аппарата. При этом на стенках может образоваться несмачиваемая поверхность, что крайне отрицательно влияет на работу аппарата.

Для устранения этого явления применяют аппараты со ступенчатым корпусом, у которых поверхность теплообмена уменьшается по мере перемещения раствора вниз (рис. 10.21).

Основы технологического расчета. При расчете роторных тонкопленочных аппаратов необходимо определить поверхность теплообмена, которая обеспечит необходимую тепловую нагрузку и основные размеры аппарата.

Для расчета тепловой нагрузки испарителя и поверхности теплообмена используют уравнения, полученные ранее для расчета трубчатых выпарных аппаратов (10.14, 10.20).

Рисунок 10.21 – Роторный испаритель со ступенчатым корпусом: 1 – штуцер ввода исходного раствора; 2 – корпус; 3 – лопатка; 4 – диск; 5 – вал ротора; 6 – рубашка; 7 – штуцер выхода вторичного пара; 8 – штуцер выхода готового продукта

Значительно сложнее определить тепловую нагрузку аппарата и коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору при глубоком концентрировании растворов, которое сопровождается, помимо нагревания и испарения, сушкой конечного продукта.

Для расчета процесса теплопередачи рассмотрим вначале движение пленки раствора, которая образуется в зазоре между ротором и корпусом аппарата. На рис. 10.22. представлена схема контакта жидкостной пленки с поверхностью теплообмена при вращении скребковой мешалки.

Рисунок 10.22 – Схема образования пленки на стенке аппарата

На объем жидкости воздействует сила тяжести , сила трения и центробежная сила . Элементарный объем жидкости

. (10.104)

Действующие силы

; (10.105)

; (10.106)

. (10.107)

Для установившегося движения проекции сил на оси координат

; (10.108)

; (10.109)

. (10.110)

Из уравнения (10.108) получим уравнение гравитационного течения пленки:

. (10.111)

Средняя скорость движения пленки, для случая, когда ее толщина равна зазору между лопастью и стенкой аппарата, из уравнения (10.111)

. (10.112)

Из уравнения (10.109) получим

. (10.113)

Решаем уравнение (10.113) при следующих граничных условиях:

;

, полагая, что .

В результате интегрирования получим

.

Подставляя граничные условия, определяем значения констант интегрирования:

.

В итоге

. (10.114)

Скорость вращательного движения жидкости изменяется по линейному закону, а скорость гравитационного течения пленки – по параболическому закону. Средняя скорость вращательного движения пленки при будет

. (10.115)

Из уравнения (10.110) получаем условие равенства центробежной силы и силы реакции стенки

. (10.116)

Результирующая скорость движения жидкости в пленочном испарителе с роторной мешалкой будет

. (10.117)

Траектория движения жидкости представляет собой винтовую линию с углом наклона к вертикали

(10.118)

и шагом

. (10.119)

В специальной литературе с использованием зависимостей для расчета скорости движения пленки представлено приближенное решение уравнений Навье-Стокса и переноса энергии. Приведенное к критериальному виду уравнение для расчета процесса теплоотдачи от стенки к раствору имеет вид

. (10.120)

Значения коэффициента и показателей степени зависят от большого числа факторов и представлены в специальной литературе.