RU2750601C2

RU2750601C2 - Plate-type evaporating apparatus

Info

Publication number: RU2750601C2
Application number: RU2018142603A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Юрьевич Мартынов; Олег Александрович Стрижников; Антон Игоревич Новиченко
Original assignee: Дмитрий Юрьевич Мартынов; Олег Александрович Стрижников; Антон Игоревич Новиченко
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2021-06-29
Also published as: RU2018142603A; RU2018142603A3

Abstract

FIELD: steam generation.

SUBSTANCE: invention relates to a plate-type evaporating apparatus. The plate-type evaporating apparatus is comprised of an external casing, reinforced and heat-insulated from the outside, consequently arranged vertical walls forming alternating isolated compartments with reduced and increased pressure, pipe fittings located in the upper part of the compartments with reduced pressure, pipe fittings located in the lower part of the compartments with reduced pressure, pipe fittings for supplying steam to the compartments with increased pressure, pipe fittings intended to discharge the concentrate or mixture from the lower part of the compartments with increased pressure. The apparatus therein comprises horizontally located ducts with vertical holes in the central part placed from top down inside the compartments with increased pressure, cavities for distribution of steam within the compartments with increased pressure, a compressor intended to equalise pressure, connected to the plate-type evaporating apparatus by means of pipe fittings, a compressor connected by means of pipe fittings with the upper part of the compartments of the plate-type evaporating apparatus with reduced pressure, connected by means of pipe fittings with the compartments of the plate-type evaporating apparatus with increased pressure.

EFFECT: technical result is increased energy efficiency during evaporation of a liquid from a suspension or a liquid mixture, and reduced material consumption of the evaporating apparatus.

1 cl, 3 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Изобретение, в виде пластинчатого выпарного аппарата, предназначено для разделения жидких сред или суспензий путем выпаривания их низкокипящих фракций с дальнейшим охлаждением и конденсацией данных низкокипящих фракций, внутри аппарата. Пластинчатый выпарной аппарат может быть использован при выпаривании воды из молока и биологических суспензий, при выпаривании низкокипящих фракций из нефти и иных органических соединений, при преимущественном разделении жидких сред, обладающих различной температурой кипения, при разделении жидкостей и механических взвесей.The invention, in the form of a plate evaporator, is intended for the separation of liquid media or suspensions by evaporating their low-boiling fractions with further cooling and condensation of these low-boiling fractions inside the apparatus. The plate evaporator can be used for the evaporation of water from milk and biological suspensions, for the evaporation of low-boiling fractions from oil and other organic compounds, for the predominant separation of liquid media with different boiling points, for the separation of liquids and mechanical suspensions.

Уровень техникиState of the art

Известен теплообменник представленный в Патенте Российской Федерации №2189553 С2, состоящий из нескольких плоскостей, образующих полости герметично разделенные между собой. При этом полости соединяются между собой перемычками, например сваркой, высота перемычек между плоскостями в разных плоскостях теплообменника может быть различной и зависит от пропускной способности полости, причем давление теплоносителя воспринимается одновременно всеми перемычками. Изобретение позволяет обеспечить теплообмен любых теплоносителей при больших давлениях и высоких температурах, но не учитывает теплотехнические особенности теплообменных аппаратов, предназначенных для выпаривания и выделения низкокипящей жидкой среды.Known heat exchanger presented in the Patent of the Russian Federation No. 2189553 C2, consisting of several planes forming cavities hermetically separated from each other. In this case, the cavities are interconnected by bridges, for example by welding, the height of the bridges between the planes in different planes of the heat exchanger can be different and depends on the throughput of the cavity, and the coolant pressure is perceived simultaneously by all bridges. The invention makes it possible to provide heat exchange of any heat carriers at high pressures and high temperatures, but does not take into account the heat engineering features of heat exchangers intended for evaporation and release of a low-boiling liquid medium.

Известен аппарат для разделения газовых сред представленный в цикле работы газоразделительной теплообменной установки по патенту Российской Федерации №2570281, наиболее близкий к заявляемому изобретению. Конструкция, аппарата для разделения газовых сред, включает, корпус, установленную поверх корпуса, теплоизоляцию, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга, вертикальные плоские стенки, которые разделяют аппарат на изолированные отделения, трубы для подачи в отдельные изолированные отделения газовой среды, трубочек для подачи в изолированные отделения хладагента, труб для отвода из отдельных изолированных отделений компонентов газовой среды, трубочек для отвода из изолированных отделений хладагента. Внутри соседних вертикальных плоских стенок, образующих изолированные отделения, закреплены, изогнутые, или плоские, параллельные горизонтальной линии, боковые линейные направляющие, и боковые армирующие вертикальные вставки, которые создают малые емкости для сбора, под действием сил гравитации, сконденсированной или десублимированной газовой среды, и сформированные из изогнутых или плоских, параллельных горизонтальной линии, боковых линейных направляющих, вертикальных стенок аппарата и армирующих вертикальных вставок, малые емкости для сбора жидкого хладагента под действием сил гравитации. Данные вставки позволяют увеличить прочность аппарата и распределять жидкий хладагент по поверхности вертикальных стенок, что позволяет увеличить площадь поверхности при теплообмене через вертикальную стенку с конденсирующейся газообразной средой в соседнем отделении. При этом при небольшой технической оптимизации и совершенствовании, аппарат для разделения газовых сред может быть использован в качестве пластинчатого выпарного аппарата.A known apparatus for separating gaseous media is presented in the cycle of operation of a gas separating heat exchange installation according to the patent of the Russian Federation No. 2570281, which is closest to the claimed invention. The design of an apparatus for separating gaseous media includes a body mounted on top of the body, thermal insulation located at the same distance from each other, vertical flat walls that divide the apparatus into insulated compartments, pipes for feeding into separate isolated compartments of a gaseous medium, pipes for feeding into insulated refrigerant compartments, pipes for removing gas components from separate isolated compartments, pipes for removing refrigerant from isolated compartments. Inside adjacent vertical flat walls, forming insulated compartments, are fixed, curved, or flat parallel to the horizontal line, lateral linear guides, and lateral reinforcing vertical inserts that create small containers for collecting, under the action of gravitational forces, condensed or desublimated gaseous medium, and formed from curved or flat, parallel to the horizontal line, lateral linear guides, vertical walls of the apparatus and reinforcing vertical inserts, small containers for collecting liquid refrigerant under the action of gravity. These inserts increase the strength of the apparatus and distribute the liquid refrigerant over the surface of the vertical walls, which makes it possible to increase the surface area during heat exchange through the vertical wall with the condensing gaseous medium in the adjacent compartment. At the same time, with a slight technical optimization and improvement, the apparatus for separating gaseous media can be used as a plate evaporator.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технические решения, позволяющие устранить недостатки вышеперечисленных изобретений, повысить энергетическую эффективность при выпаривании жидкости из суспензии, или жидкой смеси, и понизить материалоемкость выпарного аппарата, представлены в настоящем изобретении.Technical solutions to eliminate the disadvantages of the above inventions, to increase energy efficiency when evaporating a liquid from a suspension, or a liquid mixture, and to reduce the material consumption of the evaporator, are presented in the present invention.

Задача, решаемая в рамках настоящего изобретения, включает создание энергосберегающего пластинчатого выпарного аппарата с малой материалоемкостью внутренних вертикальных стенок, прогреваемого за счет тепла выделяемого при конденсации пара выводимого из аппарата, и работающего в компрессионном цикле с небольшим повышением давления между вертикальными отделениями, предназначенными для выпаривания жидкости, и отделениями, предназначенными для конденсации отводимого пара.The problem solved within the framework of the present invention includes the creation of an energy-saving plate evaporator with a low material consumption of the inner vertical walls, heated by the heat generated during condensation of the vapor removed from the apparatus, and operating in a compression cycle with a slight increase in pressure between the vertical compartments designed to evaporate liquid , and compartments designed for condensation of the discharged steam.

Техническим результатом изобретения является пластинчатый выпарной аппарат, разделенный на отделения с пониженным давлением и отделения с повышенным давлением, соединенный с системой выравнивания давления внутри аппарата, системой отвода конденсата, системой отвода концентрата или смеси и системой компрессионного сжатия пара и его транспортировки из отделения с пониженным давлением в отделение с повышенным давлением.The technical result of the invention is a plate evaporator, divided into compartments with reduced pressure and compartments with increased pressure, connected to a pressure equalization system inside the apparatus, a condensate drainage system, a concentrate or mixture removal system and a system for compressing steam and its transportation from the reduced pressure compartment into the compartment with increased pressure.

При этом пластинчатый выпарной аппарат содержит внешние, теплоизолированные снаружи, прямоугольные толстые стенки, способные выдерживать значительные внешние или внутренние давления, по граням соединенные между собой с образованием изолированного от внешней среды внутреннего объема. Также пластинчатый выпарной аппарат содержит последовательно расположенные вертикальные стенки, образующие чередующиеся изолированные отделения с пониженным и повышенным давлением. Во внутреннюю часть отделений с пониженным давлением вводится выпариваемая жидкая среда, внутри отделений с повышенным давлением на вертикальных стенках устанавливаются боковые линейные направляющие, в виде горизонтально расположенных желобов с вертикальными отверстиями в центральной части. Горизонтальные желоба размещаются сверху вниз и позволяют увеличить прочность аппарата и обеспечить отвод охлажденных жидких конденсатов и газообразных сред, текущих вниз по поверхности вертикальных стенок, и препятствующих теплообмену, в направлении в центральной части отделений с повышенным давлением. Собранный в желобах конденсат далее проходит сквозь вертикальные отверстия, и выводится в нижнюю часть аппарата, откуда удаляется через трубы с помощью насосов. Пар, отводимый из отделений с низким давлением, проходит сквозь компрессор, нагретый до стационарной температуры, соответствующей температуре насыщения сжатого пара. В компрессоре пар сжимается, немного повышая свою плотность и давление, и поступает в отделения с повышенным давлением, где конденсируется, предавая через стенку выделяемое при конденсации тепло выпариваемой жидкой среде. Подобная конфигурация пластинчатого выпарного аппарата с небольшими перепадами давлений между отделениями значительно уменьшает затраты электричества, связанные с выпариванием жидкости, позволяет использовать вертикальные стенки небольшой толщины и веса во внутренней части аппарата, и обеспечивает условия для быстрого теплообмена и передачи теплоты сквозь вертикальные стенки, между изолированными отделениями аппарата.In this case, the lamellar evaporator contains external, externally insulated, rectangular thick walls capable of withstanding significant external or internal pressures, connected along the edges to form an internal volume isolated from the external environment. Also, the lamellar evaporator contains sequentially located vertical walls, forming alternating isolated compartments with reduced and increased pressure. An evaporated liquid medium is introduced into the inner part of the compartments with reduced pressure; inside the compartments with increased pressure, lateral linear guides are installed on the vertical walls, in the form of horizontally located troughs with vertical holes in the central part. Horizontal troughs are placed from top to bottom and allow increasing the strength of the apparatus and ensuring the removal of cooled liquid condensates and gaseous media flowing down the surface of the vertical walls and preventing heat transfer in the direction in the central part of the compartments with increased pressure. The condensate collected in the troughs then passes through the vertical holes and is discharged to the lower part of the apparatus, from where it is removed through pipes using pumps. The vapor discharged from the low pressure compartments passes through the compressor, which is heated to a stationary temperature corresponding to the saturation temperature of the compressed steam. In the compressor, the vapor is compressed, slightly increasing its density and pressure, and enters the compartments with increased pressure, where it condenses, transferring the heat released during condensation to the evaporated liquid medium through the wall. This configuration of a plate evaporator with small pressure drops between compartments significantly reduces the electricity costs associated with evaporation of liquid, allows the use of vertical walls of small thickness and weight in the interior of the apparatus, and provides conditions for rapid heat transfer and heat transfer through vertical walls, between insulated compartments. apparatus.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На Фиг. 1 изображена блок схема работы систем, связанных с пластинчатым выпарным аппаратом.FIG. 1 shows a block diagram of the operation of systems associated with a plate evaporator.

На Фиг. 2 изображен пластинчатый выпарной аппарат в вертикальном разрезе А-А.FIG. 2 shows a plate evaporator in vertical section AA.

На Фиг. 3 изображен пластинчатый выпарной аппарат в вертикальном разрезе Б-Б.FIG. 3 shows a plate evaporator in vertical section BB.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

На блок схеме работы систем, связанных с пластинчатым выпарным аппаратом согласно Фиг. 1, представлены следующие технические узлы и системы. Пластинчатый выпарной аппарат 1. Компрессор, предназначенный для выравнивания давления 2, соединенный с пластинчатым выпарным аппаратом 1, с помощью трубной арматуры и регулирующего электромагнитного клапана 3, который регулирует движение сред из верхней части отделений данного аппарата с повышенным давлением, а также с помощью трубной арматуры и регулирующего электромагнитного клапана 4, который регулирует движение сред из отделений данного выпарного аппарата с пониженным давлением. Насос для отвода концентрата или смеси 5, соединенный с использованием трубной арматуры и регулирующего электромагнитного клапана 6, с нижней частью отделений пониженного давления пластинчатого выпарного аппарата 1. Компрессор с заданной температурой 7, в котором температура внутренних рабочих элементов близка к температуре сжатого пара, соединенный с помощью трубной арматуры и регулирующего электромагнитного клапана 8, с верхней частью отделений с пониженным давлением пластинчатого выпарного аппарата 1, также соединенный с помощью трубной арматуры и регулирующего электромагнитного клапана 9, с отделениями с повышенным давлением данного пластинчатого выпарного аппарата. Предохранительный клапан 10, который обеспечивает выравнивание давлений между отделениями с пониженным давлением и отделениями с повышенным давлением при их при критическом перепаде. Насос для отвода конденсата 11, с помощью трубной арматуры и регулирующего электромагнитного клапана 12, соединенный с отделениями с повышенным давлением пластинчатого выпарного аппарата 1. При этом пластинчатый выпарной аппарат 1 также включает следующие элементы. Внешний армированный и теплоизолированный с внешней стороны корпус 13, последовательно расположенные вертикальные стенки 14, образующие чередующиеся изолированные отделения с пониженным и повышенным давлением, размещенные сверху вниз, внутри отделений с повышенным давлением, горизонтально расположенные желоба с вертикальными отверстиями в центральной части 15, трубную арматуру 16, расположенную в верхней части отделений с пониженным давлением, соединенную с трубной арматурой и регулирующими электромагнитными клапанами 4 и 8, трубную арматуру 17, расположенную в нижней части отделений с пониженным давлением, соединенную с трубной арматурой и регулирующим электромагнитным клапаном 6, полости для распределения пара внутри отделений с повышенным давлением 18, трубную арматуру для подвода пара в отделения с повышенным давлением 19, соединенную с трубной арматурой и регулирующим электромагнитным клапаном 9, и предохранительным клапаном 10, трубную арматуру, предназначенную для отвода концентрата или смеси из нижней части отделений с повышенным давлением 20, соединенную с трубной арматурой и регулирующим электромагнитным клапаном 12.In a block diagram of the operation of systems associated with the plate evaporator according to FIG. 1, the following technical units and systems are presented. Plate evaporator 1. Compressor designed to equalize the pressure 2, connected to the plate evaporator 1 by means of pipe fittings and a control solenoid valve 3, which regulates the movement of media from the upper part of the compartments of this apparatus with increased pressure, as well as by means of pipe fittings and a control solenoid valve 4, which controls the movement of fluids from the compartments of the reduced pressure evaporator. The pump for removing the concentrate or mixture 5, connected using pipe fittings and a control solenoid valve 6, to the lower part of the reduced pressure compartments of the plate evaporator 1. A compressor with a predetermined temperature 7, in which the temperature of the internal working elements is close to the temperature of the compressed steam, connected to by means of pipe fittings and a control solenoid valve 8, with the upper part of the reduced pressure compartments of the plate evaporator 1, also connected by means of pipe fittings and a control solenoid valve 9, with the increased pressure compartments of this plate evaporator. Safety valve 10, which ensures equalization of pressures between compartments with reduced pressure and compartments with increased pressure when they are at a critical differential. A pump for draining condensate 11, with the help of pipe fittings and a control solenoid valve 12, is connected to the pressurized compartments of the plate evaporator 1. In this case, the plate evaporator 1 also includes the following elements. External reinforced and heat-insulated casing 13, sequentially located vertical walls 14 forming alternating insulated compartments with reduced and increased pressure, located from top to bottom, inside the compartments with increased pressure, horizontally located troughs with vertical holes in the central part 15, pipe fittings 16 located in the upper part of the reduced pressure compartments, connected to pipe fittings and control solenoid valves 4 and 8, pipe fittings 17 located in the lower part of the reduced pressure compartments, connected to pipe fittings and a control solenoid valve 6, cavities for distributing steam inside compartments with increased pressure 18, pipe fittings for supplying steam to compartments with increased pressure 19, connected to pipe fittings and a control solenoid valve 9, and a safety valve 10, pipe fittings designed to discharge concentrate rat or mixtures from the bottom of the compartments with increased pressure 20, connected to the pipe fittings and the control solenoid valve 12.

Работа пластинчатого выпарного аппарата происходит следующим образом. При закрытых регулирующих электромагнитных клапанах, расположенных на трубной арматуре 6, 8, 9 и 12, с помощью компрессора предназначенного для выравнивания давления 2, через трубную арматуру 16 и 19 отводится или подводится газовая сред,а обеспечивая необходимое, одинаковое низкое или высокое давление во всех внутренних отделениях пластинчатого выпарного аппарата 1. Например, в качестве компрессора предназначенного для выравнивания давления 2, может быть использован вакуумный компрессор, понижающий давление во внутреннем объеме корпуса 13. Далее закрываются регулирующие электромагнитные клапана на трубной арматуре 3 и 4, и реализуется процесс выпаривания жидкости из суспензии, или жидкой смеси. Открывается электромагнитный клапан, расположенный на трубной арматуре 6, и по трубной арматуре 17 в отделения с пониженным давлениям подается суспензия или жидкая смесь, с сохранением небольшого незанятого суспензией или жидкой смесью зазора возле трубной арматуры 16, в верхней части отделений с пониженным давлением. Затем закрывается регулирующий электромагнитный клапан, расположенный на трубной арматуре 6, и открываются регулирующие электромагнитные клапана расположенные на трубной арматуре 8 и 9, включается компрессор с заданной температурой внутренних рабочих элементов 7, откачивая через трубную арматуру 16, пар и подавая его после сжатия в более плотном и нагретом состоянии по трубной арматуре 19 в полости, предназначенные для распределения пара внутри отделений с повышенным давлением 18. В результате работы компрессора 7, создается стационарный перепад давлений, плотностей и температур между отделениями и реализуется процесс выделения пара в отделениях с пониженным давлением, и его конденсации в отделениях с повышенным давлением. Жидкий конденсат, образующийся и текущий по стенкам отделений с повышенным давлением, отводится от стенок с помощью горизонтально расположенных желобов с вертикальными отверстиями в центральной части 15, и затем проходит через вертикальные отверстия, не обозначенные на Фиг. 2, 3, расположенные внутри центральной части данных желобов, и стекает в нижнюю часть отсеков с повышенным давлением. После достижения заданного уровня жидкого конденсата в нижней части отсека с повышенным давлением, открывается регулирующий электромагнитный клапан, расположенный на трубной арматуре 12, и через трубную арматуру 20, с помощью насоса для отвода конденсата 11, конденсат выводится из пластинчатого выпарного аппарата 1. На завершающем этапе обезвоженный жидкий концентрат или сухая смесь выводятся из отделений с пониженным давлением, пластинчатого выпарного аппарата 1, через трубную арматуру 17, при открытии регулирующего электромагнитного клапана расположенного на трубной арматуре 6.The work of the plate evaporator is as follows. With closed control solenoid valves located on pipe fittings 6, 8, 9 and 12, using a compressor designed for pressure equalization 2, gas medium is removed or supplied through pipe fittings 16 and 19, and providing the necessary, the same low or high pressure in all the internal compartments of the plate evaporator 1. For example, as a compressor designed to equalize the pressure 2, a vacuum compressor can be used, which reduces the pressure in the internal volume of the housing 13. Further, the control solenoid valves on the pipe fittings 3 and 4 are closed, and the process of liquid evaporation from suspension, or liquid mixture. The solenoid valve located on the pipe fittings 6 opens, and a suspension or a liquid mixture is fed through the pipe fittings 17 to the reduced pressure compartments, while maintaining a small gap near the pipe fittings 16 that is not occupied by the suspension or liquid mixture in the upper part of the reduced pressure compartments. Then the control solenoid valve located on the pipe fittings 6 closes and the control solenoid valves located on the pipe fittings 8 and 9 open, the compressor is turned on with a predetermined temperature of the internal working elements 7, pumping out steam through the pipe fittings 16 and supplying it after compression in a denser and a heated state through pipe fittings 19 in cavities intended for distribution of steam inside the compartments with increased pressure 18. As a result of the operation of the compressor 7, a stationary differential pressure, density and temperature between the compartments is created and the process of steam release is realized in the compartments with reduced pressure, and its condensation in compartments with increased pressure. The liquid condensate formed and flowing along the walls of the compartments with increased pressure is discharged from the walls by means of horizontally arranged troughs with vertical holes in the central part 15, and then passes through vertical holes, not indicated in FIG. 2, 3, located inside the central part of these troughs, and flows down into the lower part of the compartments with increased pressure. After reaching the predetermined level of liquid condensate in the lower part of the compartment with increased pressure, the control solenoid valve located on the pipe fittings 12 opens, and through the pipe fittings 20, using the condensate drain pump 11, the condensate is removed from the plate evaporator 1. At the final stage the dewatered liquid concentrate or dry mixture is removed from the compartments with reduced pressure, plate evaporator 1, through pipe fittings 17, when the control solenoid valve located on the pipe fittings 6 is opened.

При этом избыточное тепло, выделяемое при реализации данного цикла и сжатии пара компрессором с заданной температурой 7, может быть утилизировано в окружающую среду или полезно использовано при нагреве обрабатываемой жидкой суспензии или смеси.In this case, the excess heat released during the implementation of this cycle and the compression of steam by a compressor with a predetermined temperature 7 can be disposed of into the environment or usefully used when heating the processed liquid suspension or mixture.

Claims

A plate evaporator containing an external reinforced and heat-insulated casing on the outside, successively located vertical walls forming alternating isolated compartments with reduced and increased pressure, pipe fittings located in the upper part of the reduced pressure compartments, pipe fittings located in the lower part of the compartments with reduced pressure, pipe fittings for supplying steam to compartments with increased pressure, pipe fittings designed to drain concentrate or mixture from the bottom of the compartments with increased pressure, and characterized in that it contains horizontally located troughs placed from top to bottom inside the compartments with increased pressure with vertical holes in the central part, cavities for distribution of steam inside the compartments with increased pressure, a compressor designed to equalize the pressure, connected to a plate evaporator by means of pipe fittings, a compressor, connected by means of pipe fittings with the upper part of the compartments with a reduced pressure of the plate evaporator, connected by means of pipe fittings with the compartments with an increased pressure of the plate evaporator.