ПЛАСТИНЧАТЫЙ ВЫПАРНОЙ АППАРАТ
PLATE EVAPORATOR

Изобретение относится к области выпарной техники и может найти применение в химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен выпарной аппарат, который состоит из пластинчатой греющей камеры и сепаратора. Пластинчатая греющая камера содержит пакет пластин, расположенных между зажимными плитами, штуцеры подачи греющего пара и исходного раствора, выхода упаренного раствора и конденсата греющего пара (см. патент США №5538593, МПК B01D 1/22, 1996 г.).
Недостатками данной конструкции являются высокая металлоемкость греющей камеры, так как пластины не гофрированы и имеют низкие коэффициенты теплопередачи; низкая надежность в эксплуатации и трудности при уплотнении теплообменных пластин из-за большого количества резиновых прокладок; зарастание пластин в нижней части греющей камеры при выпаривании солесодержащих растворов.
Также известен и наиболее близок по конструктивному решению (выбран в качестве прототипа) выпарной аппарат пластинчатого типа, который имеет корпус, пластинчатую греющую камеру, содержащую пакет гофрированных пластин, расположенных между зажимными плитами, штуцеры подачи греющего пара и исходного раствора, выхода упаренного раствора и конденсата греющего пара (см. патент США №5174370, МПК B01D 1/22, 1992).
В пластинчатой греющей камере раствор входит через нижний коллектор в полости, обогреваемые с обеих сторон через стенку греющим паром, поднимается вверх, где вскипает, и выходит через верхний коллектор в растворную и сепарационную зоны корпуса аппарата. Греющий пар поступает через верхний боковой коллектор в предусмотренные для него полости, где конденсируется. Конденсат греющего пара выводится с нижних коллекторов.
Недостатками известной конструкции являются высокая металлоемкость греющей камеры из-за низких коэффициентов теплопередачи, вызванных неравномерностью скоростей движения раствора к боковому верхнему коллектору, а также низкой средней скоростью движения раствора; кипение раствора в верхней части пластины перед входом в коллектор для выхода упаренного раствора является также движущей силой движения раствора и при интенсивном вскипании запирает движение (создает большое сопротивление движению); кипение в полостях пластинчатой греющей камеры приводит к интенсивному зарастанию поверхностей при выпаривании солесодержащих растворов; низкая надежность эксплуатации и трудности при уплотнении теплообменных пластин вызывает большое количество резиновых прокладок.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования пластинчатого выпарного аппарата, снижения его металлоемкости за счет повышения коэффициента теплопередачи, а также повышения надежности в эксплуатации.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в пластинчатом выпарном аппарате, включающем корпус, пластинчатую греющую камеру, содержащую пакет пластин, расположенных между зажимными плитами, штуцеры подачи греющего пара и упариваемого раствора, а также отвода конденсата греющего пара, упаренного раствора и вторичного пара, согласно изобретению в пластинчатой греющей камере выполнены вертикальные коллекторы для подачи греющего пара, расположенные в боковой части пакета пластин, а вход упариваемого раствора и его выход из греющей камеры расположены с противоположных торцов пакета пластин.
В предпочтительном варианте реализации изобретения аппарат снабжен трубой вскипания упариваемого раствора, расположенной над пластинчатой греющей камерой, при этом верхний срез трубы вскипания расположен на уровне раствора в корпусе выпарного аппарата, а вход упариваемого раствора и его выход расположены соответственно со стороны нижнего и верхнего торцов пакета пластин.
Еще в одном варианте изобретения верхняя часть греющей камеры расположена в корпусе выпарного аппарата на уровне упариваемого раствора, а ее нижняя часть погружена в упариваемый раствор.
Еще в одном варианте изобретения над греющей камерой выполнено распределительное устройство упариваемого раствора, обеспечивающее движение указанного раствора по пластинам греющей камеры в виде ниспадающей пленки, а сама греющая камера расположена в корпусе аппарата над уровнем упариваемого раствора.
Еще в одном варианте изобретения греющая камера образована попарно сваренными, преимущественно гофрированными, пластинами, снабженными боковыми коллекторами для подачи греющего пара и отвода снизу конденсата греющего пара, а также может быть выполнена сварной. При этом полости для греющего пара сварены снизу и сверху, а полости, по которым движется раствор, сварены по бокам, причем вверху и внизу в углы между пластинами вварены горизонтально расположенные гребенчатые планки, которые сварены с боковыми зажимными плитами с образованием коллектора для входа греющего пара и отвода из его нижней части конденсата греющего пара.
Еще в одном варианте изобретения на зажимной плите в ее боковой части выполнен вертикальный коллектор, снабженный в верхней части плиты патрубком входа греющего пара, а в ее нижней части - патрубком отвода конденсата греющего пара.
Конструктивно греющая камера с трубой вскипания могут быть расположены как в корпусе выпарного аппарата, так и за его пределами.
В других вариантах изобретения полости между пластинами, в которые поступает греющий пар, снабжены в их центральной части коллектором для отвода конденсата греющего пара вниз, а коллекторы греющего пара - патрубками для отвода неконденсирующихся газов.
Благодаря расположению трубы вскипания над пластинчатой греющей камерой кипение нагретого раствора происходит в верхней части трубы вскипания, что обеспечивает достаточно высокие скорости движения раствора в полостях греющей камеры, что, в свою очередь, позволяет получить высокие коэффициенты теплопередачи и снизить металлоемкость аппарата. Кроме этого, равномерные высокие скорости движения раствора позволяют снизить зарастание греющих поверхностей при упаривании солесодержащих растворов.
При расположении верха греющей камеры в корпусе выпарного аппарата на уровне упариваемого раствора аппарат работает в режиме кипения упариваемого раствора между греющими пластинами в верхней их части. При этом обеспечивается высокий коэффициент теплопередачи. Однако упариваемые растворы не должны содержать солей жесткости и кристаллизующиеся растворы.
В случае, когда греющая камера расположена в корпусе аппарата над уровнем упариваемого раствора, аппарат работает в режиме движения указанного раствора по пластинам греющей камеры в виде ниспадающей пленки, что обеспечивает высокий коэффициент теплопередачи, позволяет упаривать термолабильные растворы. Однако упариваемые растворы не должны содержать солей жесткости и кристаллизующиеся растворы.
Если нижняя часть греющей камеры погружена в упариваемый раствор, аппарат работает в режиме движения упариваемого раствора между греющими пластинами в виде восходящей пленки в верхней части, что обеспечивает высокий коэффициент теплопередачи, позволяет упаривать термолабильные растворы. Однако упариваемые растворы не должны содержать солей жесткости и кристаллизующиеся растворы.
С целью упрощения конструкции и повышения надежности эксплуатации разборной греющей камеры, она образована попарно сваренными пластинами, снабженными боковыми коллекторами для входа греющего пара и вывода внизу конденсата греющего пара. При этом греющий пар не вызывает загрязнений внутри попарно сваренных пластин. Кроме этого, между собой попарно сваренные пластины уплотняются прокладками только вокруг боковых коллекторов.
Предложенные варианты конструкции греющей пластины и их гофрировка, например в виде елочки, позволяют штамповать один тип пластины, что удешевляет стоимость аппарата.
Выполненные на зажимной плите коллекторы, например в виде полутрубы, позволяют равномерно распределить греющий пар вдоль пластины, что, в свою очередь, повышает коэффициент теплоотдачи со стороны пара.
При упаривании растворов без отложений накипи греющая камера может быть выполнена сварной, при этом полости для греющего пара сварены снизу и сверху, а полости, по которым движется раствор, сварены по бокам, причем вверху и внизу в углы между пластинами вварены горизонтально расположенные гребенчатые планки, которые сварены с боковыми зажимными плитами с образованием коллектора для входа греющего пара и вывода из его нижней части конденсата греющего пара. Это позволяет снизить металлоемкость конструкции и упростить условия ее эксплуатации. Кроме этого, греющая камера может располагаться как внутри корпуса выпарного аппарата, так и с трубой вскипания, вынесенной из корпуса выпарного аппарата.
Для улучшения условий транспортировки конденсата греющего пара вниз попарно сваренные пластины в их центральной части снабжены коллектором для отвода указанного конденсата, что повышает коэффициент теплоотдачи со стороны пара за счет снижения термического сопротивления пленки конденсата на греющих поверхностях.
Снабжение коллекторов греющего пара патрубками для вывода неконденсирующихся газов, ухудшающих теплообмен, обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи со стороны пара.
Суть предложенного изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг.1 - пластинчатый выпарной аппарат с трубой вскипания с разборной греющей камерой, общий вид;
фиг.2 - пластинчатый выпарной аппарат с трубой вскипания со сварной греющей камерой, общий вид;
фиг.3 - пластинчатый выпарной аппарат со сварной вынесенной греющей камерой, общий вид;
фиг.4 - пластинчатый выпарной аппарат с разборной греющей камерой с кипением между греющими пластинами, общий вид;
фиг.5 - пластинчатый выпарной аппарат со сварной греющей камерой с кипением между греющими пластинами, общий вид;
фиг.6 - пластинчатый выпарной аппарат с ниспадающей пленкой упариваемого раствора, общий вид;
фиг.7 - пластинчатый выпарной аппарат с восходящей пленкой упариваемого раствора, общий вид;
фиг.8 - попарно сваренные пластины разборной греющей камеры;
фиг.9 - пластина сварной греющей камеры;
фиг.10 - компоновка попарно сваренных пластин разборной греющей камеры;
фиг.11 - компоновка пластин сварной греющей камеры;
фиг.12 - разборная греющая камера, общий вид;
фиг.13 - сварная греющая камера, общий вид.
Пластинчатый выпарной аппарат (фиг.1, 2) содержит корпус 1, в котором расположена греющая камера, содержащая пакет пластин, расположенных между сжимающими плитами 2. В вертикальные коллекторы 3 греющий пар поступает через штуцеры 4, конденсат греющего пара выводится с аппарата через штуцер 5. Исходный раствор поступает в аппарат через штуцер 6, упаренный раствор выводится из аппарата через штуцер 7, а вторичный пар отводится из корпуса аппарата через штуцер 8. Для снижения брызгоуноса с вторичным паром имеется отбойник 9, при остановке предусмотрен штуцер для слива раствора 10. Над греющей камерой установлена труба вскипания 11.
Выпарной аппарат с вынесенной греющей камерой (фиг.3) имеет обратную циркуляционную трубу 12.
Выпарной аппарат с ниспадающей пленкой упариваемого раствора (фиг.6) оснащен распределительным устройством исходного раствора 13.
Гофрированная пластина 14 сварной греющей камеры, показанная на фиг.9, имеет центральный коллектор 15 для улучшения транспортировки конденсата греющего пара вниз.
Каждая из попарно сваренных пластин разборной греющей камеры (фиг.8) имеет коллектор 16 для ввода и распределения греющего пара. Для обеспечения устойчивости коллектор 16 пластины имеет несимметрично установленные упоры 17. Попарно сваренные пластины разборной греющей камеры уплотняются между собой посредством резиновой прокладки 18. Попарно сваренные пластины и пластины сварной греющей камеры имеют сварной шов 19.
В сварной греющей камере 2 (фиг.13), на которую устанавливается труба вскипания 11, полости для греющего пара сварены снизу и сверху, а полости, по которым движется раствор, сварены по бокам. Вверху и внизу в углы между пластинами вварены горизонтально расположенные гребенчатые планки 20, которые сварены с боковыми зажимными плитами с образованием бокового коллектора 3 для входа греющего пара и отвода из его нижней части конденсата греющего пара через штуцеры 5.
Коллекторы сварной греющей камеры соединены сваркой с пластинами греющей камеры посредством гребенчатых планок 20.
Пластинчатый выпарной аппарат работает следующим образом.
В пластинчатом выпарном аппарате с трубой вскипания и разборной греющей камерой (фиг.1) исходный упариваемый раствор поступает в корпус аппарата 1 через штуцер 6, а упаренный раствор выводится через штуцер 7. Упариваемый раствор в корпусе 1 входит в межпластинное пространство греющей камеры 2 со стороны нижнего торца пакета пластин, нагревается при конвективном теплообмене в греющей камере выше температуры кипения упариваемого раствора в сепараторе и поступает в трубу вскипания 11, где вскипает. При этом вторичный пар, частично очистившись от брызгоуноса отбойником 9, поступает в верхнюю часть корпуса 1 (сепарационную часть) и выводится через штуцер 8. Упаренный раствор после трубы вскипания 11 поступает в растворную часть корпуса аппарата 1, уровень раствора которой расположен на уровне верхнего среза трубы вскипания 11, окончательно прокипает и движется вниз ко входу в межпластинное пространство со стороны нижнего торца пакета пластин. Циркуляция упариваемого раствора в контуре выпарного аппарата осуществляется за счет разной удельной плотности кипящего раствора в трубе вскипания 11 и раствора в корпусе аппарата 1. Греющий пар поступает в выпарной аппарат через штуцер 4 и входит в боковые коллекторы 3 зажимной плиты греющей камеры 2. Конденсат греющего пара собирается в нижней части греющей камеры и через штуцеры 5, расположенные в нижней части боковых коллекторов 3, отводится из греющей камеры 2 и выпарного аппарата.
Конструкция аппарата с разборной греющей камерой 2, на которой установлена труба вскипания 11 (фиг.12), позволяет механически чистить и ремонтировать греющие пластины 14, что, в свою очередь, позволяет упаривать в аппарате и солесодержащие растворы.
В попарно сваренных пластинах 14 разборной греющей камеры, которые уплотняются между собой резиновыми прокладками 18 (фиг.8), греющий пар поступает в межпластинное пространство через коллекторы 16, имеющие для жесткости и устойчивости пластины несимметрично установленные упоры 17. Образовавшийся конденсат греющего пара стекает вниз в межпластинном пространстве попарно сваренных пластин 14 преимущественно по коллекторам 15, 16 и самотеком отводится из греющей камеры 2 через штуцеры 5.
Пластинчатый выпарной аппарат с трубой вскипания и со сварной греющей камерой (фиг.2) работает аналогично аппарату с трубой вскипания и разборной греющей камерой (фиг.1), однако в этом случае теплопередающие поверхности греющей камеры 2 не подлежат механической чистке и ремонту, что снижает область их применения.
Пластинчатый выпарной аппарат со сварной вынесенной греющей камерой (фиг.3) работает следующим образом. Упариваемый раствор поступает из корпуса выпарного аппарата 1 в греющую камеру 2 снизу по обратной циркуляционной трубе 12. В греющей камере упариваемый раствор нагревается выше температуры кипения раствора в корпусе 1. В трубе вскипания 11 упариваемый раствор вскипает и поступает на разделение пара и жидкости в корпус 1. Вторичный пар выводится через штуцер 8, а упариваемый раствор поступает из корпуса 1 в обратную циркуляционную трубу 12. Греющий пар поступает в греющую камеру 2 через штуцер 4, конденсат греющего пара отводится из греющей камеры через штуцеры 5.
В пластинчатом выпарном аппарате с разборной греющей камерой и кипением между греющими пластинами (фиг.4) исходный упариваемый раствор поступает в корпус аппарата 1 через штуцер 6, а упаренный раствор выводится через штуцер 7. Упариваемый раствор в корпусе 1 входит в межпластинное пространство греющей камеры 2 со стороны нижнего торца пакета пластин. В нижней части греющей камеры упариваемый раствор нагревается при конвективном теплообмене, а в верхней части теплообмен идет с кипением между греющими пластинами. Образовавшийся при кипении вторичный пар, частично очистившись от брызгоуноса отбойником 9, поступает в верхнюю часть корпуса аппарата 1 (сепарационную часть) и выводится через штуцер 8. Упаренный раствор поступает в растворную часть корпуса 1, уровень раствора в котором расположен на уровне верхнего торца греющей камеры 2, окончательно прокипает и движется вниз к входу в межпластинное пространство со стороны нижнего торца пакета пластин. Циркуляция упариваемого раствора в корпусе выпарного аппарата 1 осуществляется за счет разной удельной плотности кипящего раствора в межпластинном пространстве и раствора в корпусе 1. Греющий пар поступает в греющую камеру 2, а конденсат греющего пара отводится аналогично вышеописанным аппаратам.
Пластинчатый выпарной аппарат со сварной греющей камерой с кипением между греющими пластинами, показанный на фиг.5, работает аналогично пластинчатому выпарному аппарату с разборной греющей камерой с кипением между греющими пластинами, показанному на фиг.4.
Пластинчатый выпарной аппарат с ниспадающей пленкой упариваемого раствора (фиг.6) работает следующим образом. Исходный упариваемый раствор через штуцер 7 поступает на распределительное устройство 13, с помощью которого распределяется на верхнем торце пакета пластин на греющих поверхностях в виде тонкой пленки. Образовавшийся при пленочном кипении вторичный пар поднимается вверх по корпусу аппарата 1 и выводится через штуцер 8. Упаренный раствор собирается в нижней части корпуса 1, уровень раствора в котором находится ниже нижнего торца греющей камеры 2. Обогрев греющей камеры 2 и вывод конденсата греющего пара в данном случае аналогичен ранее описанным вариантам конструкции.
Пластинчатый выпарной аппарат с восходящей пленкой упариваемого раствора (фиг.7) работает следующим образом. Упариваемый раствор поступает в греющую камеру 2 с нижнего торца пакета пластин, нагревается до температуры кипения, кипит в межпластинной полости и переходит на кипение в восходящей по греющим пластинам пленке раствора. Парожидкостная смесь после выхода с верхнего торца пакета пластин разделяется в корпусе аппарата 1 с помощью отбойника 9. Вторичный пар выводится из аппарата через штуцер 8, а упариваемый раствор собирается в нижней части корпуса 1. Уровень раствора находится выше нижнего торца и ниже верхнего торца греющей камеры 2. Обогрев греющей камеры 2 и вывод конденсата греющего пара в данной конструкции аналогичен ранее описанным конструктивным вариантам аппарата.
Предложенное конструктивное решение пластинчатого выпарного аппарата позволяет по сравнению с прототипом значительно расширить область применения, снизить металлоемкость, увеличить время работы аппарата между промывками, повысить его надежность и ремонтопригодность.