Преимущества роторного выпарного аппарата (однопроходность, равномерность распределения жидкости по поверхности теплообмена, отсутствие гидростатической депрессии, высокая интенсивность процесса теплопередачи, малая площадь, занимаемая аппаратом, возможность работы в непрерывной автоматической линии и т. д.) отличают его от трубчатых выпарных аппаратов с многократной циркуляцией и делают пригодным для упаривания различных жидкостей, в том числе и термолабильных.
В настоящее время тонкопленочные роторные испарители находят применение во многих отраслях народного хозяйства. Наибольшее распространение получили аппараты с вращающимся ротором, выпускаемые серийно рядом зарубежных фирм и отечественной промышленностью со следующим рядом поверхностей теплообмена: 0,1; 0,5; 0,8; 1,6; 2,0 м2.
На предприятиях консервной промышленности в роторных испарителях сгущают плодовые соки, например, в аппарате типа «ЛЮВА» Швейцария яблочный сок за 30 с концентрируется от 12 до 72 % при сравнительно высоком коэффициенте теплопередачи (2150 Вт/(м2·К). В аппаратах упаривают различные экстракты, сгущают молоко, ферменты. Уменьшение длительности пребывания обрабатываемых жидкостей в зоне повышенных температур способствует сохранению вкусовых качеств и запаха продукта.
В химической промышленности применение роторных испарителей особенно перспективно, они используются для процессов испарения, нагревания, охлаждения сушки, абсорбции, дегазации самых разнообразных продуктов органического синтеза и неорганических соединений.
Аппараты с вращающимся ротором используются для концентрирования различных жидкостей растительного и животного происхождения: глицерин, фосфатиды, растворы желатина, мисцеллы розового масла. Особенно экономично применение роторного выпарного аппарата при ступенчатом способе упаривания, где он может быть установлен в последней ступени ВУ для получения растворов повышенной концентрации.
Однако более широкому внедрению в различные отрасли народного хозяйства тонкопленочных роторных выпарных аппаратов препятствует недостаточное количество сведений о работе этих аппаратов в режиме упаривания различных жидкостей, особенно термолабильных, в условиях накипеобразования.
Исследованиями установлено, что при длительной работе тонкопленочного испарителя интенсивность теплообмена в нем снижается. Это можно объяснить выпадением на поверхности нагрева слоя накипи, скорость роста которой на внутренней поверхности нагрева испарителя зависит от плотности орошения, числа оборотов лопастного вала, теплового потока, длительности работы установки, начальной концентрации исследуемых жидкостей на входе в аппарат, зазора между краем подвижных лопастей и внутренней поверхностью теплообмена.
Исследование кинетики накипеобразования при выпаривании в роторном аппарате проводилось на биологических жидкостях. Эксперименты проводились на опытной установке, основной частью которой являлся тонкопленочный роторный испаритель, включающий вертикальную трубу из нержавеющей стали с внутренним диаметром 98 мм, длиной 2000 мм. Вал с лопастями приводился во вращение электродвигателем с частотой вращения в минуту 210, 440, 890, 1380. Обогрев трубы осуществлялся паром, температура кипения раствора составляла 45—50 °С. Исследовалась кровь (СВн = 14 %), клеевой бульон (СВН = 10 %) и желчь (СВН = 15 %).
Интенсивность увеличения слоя накипи δ при возрастании теплового потока при разных плотностях орошения приведена на рис. 43. Рост накипеотложений с повышением теплового потока объясняется коагуляцией белковых веществ, входящих в состав биологических жидкостей, при соприкосновении с нагретой стенкой. Повышение плотности орошения способствует снижению роста, так как при возрастании скорости потока происходит срыв и унос скоагулированных частиц.
Увеличение скорости вращения ротора при постоянном тепловом потоке и плотности орошения приводит к снижению отложения накипи.
Рис. 43. График функции Δ = f (q):
а — желчь; б — клеевой бульон; в — кровь; 1 - Q0 = 0,3 х 10-3 м3/(м - с); 2 — Q0= 1.0 ·10-3 М3/(М с); 3 — Q = 1.5 ·10-3 м3/ (м · с); 4 — Q = 1,8 X 10-3 м3/ (м · с).
Последнее согласуется с выводами, изложенными в работе Биллета, который вывел зависимость для распределения давления внутри слоя жидкости, Па:
где п — частота вращения ротора в минуту; rг — радиус кольца жидкости, м; р — плотность жидкости, кг/м3; δ — толщина пленки жидкости, м; r2 — радиус внутренней поверхности аппарата, м.
Согласно вышеприведенному уравнению центробежная сила лопастей действует на поток так, что максимальное давление будет на границе жидкости и стенки аппарата. По-видимому, это служит причиной того, что центры парообразования возникают не на теплоотдающей стенке, а перемещаются в направлении свободной поверхности потока жидкости, где давление меньше. Кроме того, скоагулированные частички уносятся потоком жидкости вниз, скорость движения которой увеличивается с частотой вращения ротора.
Повышение начальной концентрации исследуемых жидкостей способствует увеличению толщины слоя накипи. При возрастании концентрации жидкости повышается вязкость, растет толщина пристенного слоя, движущегося с меньшей скоростью, все это интенсифицирует накипеобразование и уменьшает интенсивность теплопередачи. На рис. 44 приведены результаты исследования кинетики накипеобразования при постоянных тепловом потоке и частоте вращения ротора за период 30 ч. Установлено, что увеличение продолжительности работы выпарного аппарата приводит к увеличению толщины слоя накипи на поверхности теплообмена.
Рис. 45. Номограмма для определения толщины слоя накипи в роторном выпарном аппарате.
Увеличение толщины слоя накипи вдоль пути движения пленки жидкости объясняется повышением концентрации выпариваемого продукта и толщины пристенного подторможенного слоя в нижней части аппарата. Экспериментально определен коэффициент теплопроводности накипи — λ =1,7—2,3 Вт/(м·К). Для практических расчетов по определению толщины слоя накипи в роторном выпарном аппарате рекомендуется пользоваться номограммой, приведенной на рис. 45.
