Результат интеллектуальной деятельности: РАДИАЛЬНО-ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННО-КОНТАКТНЫЙ АППАРАТ

Изобретение относится к конструкции аппаратов, предназначенных для осуществления теплообмена между потоками флюидов, массообмена флюида с флюидом или твердым веществом, проведения химических процессов в условиях контроля температуры, и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известны пластинчатые теплообменники, обладающие малой массой и габаритами и представляющие собой набор плоских гофрированных пластин, объединенных в пакет с помощью пайки, сварки или уплотнительных прокладок [Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник, кн. 4. М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 168].

Недостатками указанных теплообменников являются: большое гидравлическое сопротивление, невысокие предельные значения рабочих температуры и давления, склонность к накоплению отложений в застойных зонах и ненадежность в эксплуатации. Кроме того, конструкция пластинчатых теплообменников не позволяет использовать их для осуществления массообменных и химических процессов.

Известен пластинчатый теплообменник для изотермических химических реакторов [RU 2527901, опубл. 10.09.2014 г., МПК F28D 9/00], включающий несколько теплообменных пластин (элементов), каждая из которых включает первый и второй листы металла, образующие соответственно первую и вторую боковые поверхности, подающую линию теплоносителя и коллектор теплоносителя, и несколько внутренних проходов для теплоносителя между первым и вторым листами металла, причем первый и второй листы соединены по меньшей мере одним сварными швом, выполненным на первой боковой поверхности, а подающая линия теплоносителя и коллектор теплоносителя образованы подающим и коллекторным каналами и присоединены ко второму листу металла другими сварными швами, выполненными на второй поверхности пластины.

Недостатками известного теплообменника являются сложность конструкции, большое количество сварных соединений, сложность его изготовления, включающая изготовление отдельных элементов и их последовательное соединение с коллекторами теплоносителя с помощью линий теплоносителя, а также изменяющееся в радиальном направлении расстояние между теплообменными элементами, что приводит к падению скорости потока флюида в направлении от центра к периферии аппарата и снижению эффективности тепломассообменных или химических процессов, осуществляемых в пространстве между теплообменными элементами.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является аппарат для проведения теплообменных и диффузионных процессов [RU 2075020, опубл. 10.07.1997 г., МПК F28D 7/04, F28D 9/00], содержащий цилиндрический корпус с патрубками для ввода/вывода теплоносителя (первый флюид) и реагента (второй флюид), обменивающихся теплом, и по меньшей мере один блок теплообменных элементов, вертикально установленных внутри корпуса последовательно один за другим с образованием кольцевого ряда вокруг продольной оси корпуса (коаксиально установленный кольцевой теплообменный блок). Теплообменные элементы выполнены полыми с двумя изогнутыми противоположными боковыми стенками (пластинами), кривизна которых уменьшается в направлении от продольной оси корпуса к его стенке, а также вертикальными и горизонтальными торцевыми стенками, образующими внутренние полости теплообменных элементов, сумма которых составляет внутреннюю полость теплообменного блока.

Внутренние полости теплообменных элементов, служащие для перемещения теплоносителя, соединены с патрубками ввода и вывода теплоносителя через камеры ввода и вывода, которые выполнены в виде распределительного и выпускного коллекторов, размещенных внутри корпуса, каждый из которых образован двумя коаксиально установленными вдоль продольной оси корпуса обечайками, кольцеобразное пространство между которыми образовано в осевом направлении верхней и нижней крышками и сообщено с внутренними полостями теплообменных элементов посредством щелевидных прорезей, выполненных на одних из горизонтально расположенных торцевых стенках теплообменных элементов в непосредственной близости от его вертикальных стенок, и примыкающей к ним одной из крышек соответствующего коллектора.

Теплообменные элементы размещены на равных друг от друга расстояниях и образуют между собой наружные спиралеобразные каналы (полости), сообщенные через центральный и периферийный кольцеобразные коллекторы и камеры ввода и вывода с патрубками ввода и вывода реагента. При этом центральный коллектор образован вертикальными торцевыми стенками теплообменных элементов, близко расположенных от продольной оси корпуса, а периферийный коллектор образован удаленными от продольной оси корпуса вертикальными торцевыми стенками теплообменных элементов и внутренней поверхностью стенки корпуса. Наружные спиралеобразные полости имеют в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса, постоянную ширину, а их сумма составляет наружную полость теплообменного блока (смежную с внутренней полостью).

Аппарат может быть снабжен несколькими блоками теплообменных элементов с распределительными и выпускными коллекторами, вертикально установленными внутри корпуса, а также может быть дополнительно оборудован направляющими элементами, горизонтально установленными во внутренних и наружных каналах теплообменных элементов. Для проведения диффузионных процессов аппарат дополнительно снабжают устройством для распределения реагента по наружным стенкам теплообменных элементов.

К недостаткам данного аппарата относятся:

- сложность конструкции теплообменного блока, образованного кольцевым рядом полых теплообменных элементов с большим количеством сварных соединений, и связанная с этим сложность его изготовления, включающая изготовление отдельных элементов и их последовательное соединение с распределительным и выпускным коллекторами через совмещаемые прорези,

- невозможность превышения давления во внутренней полости теплообменного блока над давлением в его наружной полости, поскольку при этом происходит деформация изогнутых теплообменных элементов с уменьшением их кривизны (разворачивание) и разрушение вертикальных соединений боковых стенок теплообменных элементов из-за некомпенсируемых распирающих усилий.

Задачами настоящего изобретения являются: упрощение конструкции аппарата и возможность превышения давления в любой из полостей теплообменного блока над давлением в смежной полости.

Техническим результатом является:

- упрощение конструкции аппарата за счет выполнения теплообменного блока из четного количества изогнутых пластин с профилирующими выступами, попеременно соединенных в аксиальном и радиальном направлении,

- возможность превышения давления в любой из полостей теплообменного блока над давлением в смежной полости за счет его оснащения перфорированными цилиндрическими обечайками.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном аппарате, включающем цилиндрический корпус с патрубками ввода/вывода флюидов и коаксиально установленный кольцевой теплообменный блок, содержащий изогнутые пластины с кривизной, уменьшающейся от оси к стенке аппарата, которые образуют между собой смежные полости теплообменного блока, сообщенные с патрубками ввода и вывода флюидов, особенностью является то, что теплообменный блок выполнен из четного количества изогнутых пластин с профилирующими выступами, попеременно соединенных в аксиальном и радиальном направлении, наружные стороны которых имеют участки, экранированные прилегающей соседней пластиной, и неэкранированные участки, при этом пары четных и нечетных пластин расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, а теплообменный блок оснащен наружной и/или внутренней перфорированными цилиндрическими обечайками, на которых расположены упоры, прилегающие к неэкранированным участкам наружной стороны пластин, кроме того, теплообменный блок оборудован двумя наружными кольцами, соединенными с периферийными торцевыми поверхностями пластин и корпусом, и двумя внутренними крышками, соединенными с приосевыми торцевыми поверхностями пластин, которые отделяют смежные полости теплообменного блока друг от друга.

Для обеспечения возможности обслуживания и ремонта аппарата соединения теплообменного блока с корпусом целесообразно выполнить разъемными или разрезными.

Дополнительно к профилирующим выступам пластины могут быть оснащены направляющими элементами, обеспечивающими не только дистанцирование пластин на заданное расстояние, но и организацию движения флюидов в смежных полостях теплообменного блока, максимально приближенную к противоточной, а также турбулизацию потоков флюидов и повышение эффективности теплопередачи за счет этого.

Для снижения механических напряжений в аппарате, увеличения предельной рабочей температуры и повышения надежности аппарата целесообразно по меньшей мере одно соединение теплообменного блока с корпусом оснастить компенсатором температурного расширения.

Для осуществления массообмена газ-жидкость (например, абсорбции, дефлегмации или фракционирования) аппарат дополнительно оснащают устройствами для ввода и распределения жидкости (например, абсорбента или рефлюкса) по наружным поверхностям пластин в одной из смежных полостей теплообменного блока и/или устройствами для сбора и вывода жидких продуктов массообмена (например, флегмы или абсорбата).

Для осуществления массообмена флюид-твердое вещество (адсорбции) или проведения химических реакций в присутствии твердого катализатора аппарат может быть дополнительно оснащен устройствами для загрузки твердым материалом, проницаемым для флюида (например, адсорбентом или катализатором), по меньшей мере одной из смежных полостей теплообменного блока, а также его выгрузки.

Выполнение теплообменного блока из четного количества изогнутых пластин с профилирующими выступами, попеременно соединенных в аксиальном и радиальном направлении, позволяет упростить конструкцию аппарата, автоматизировать изготовление теплообменного блока, снизить количество внутренних элементов, уменьшить количество их соединений, повысить надежность аппарата.

Расположение на одинаковом расстоянии друг от друга пар четных и нечетных пластин обеспечивает равенство скоростей движения флюидов в каждой из смежных полостей теплообменного блока, равномерность обтекания поверхностей потоками флюидов и увеличивает эффективность тепло- и массообменных процессов.

Оснащение теплообменного блока перфорированными цилиндрическими обечайками, на которых расположены упоры, прилегающие к неэкранированным участкам наружной стороны пластин, позволяет предотвратить разворачивание теплообменных пластин и компенсировать распирающие усилия, действующие на соединения пластин, за счет чего обеспечить возможность превышения давления в любой из полостей теплообменного блока над давлением в смежной полости, а также увеличить надежность аппарата.

На фиг. 1-3 приведены примеры использования аппарата в качестве теплообменника, дефлегматора, адсорбера и каталитического реактора. Показаны развертки сечения указанных аппаратов поверхностью, проходящей через ось и серединные линии смежных полостей теплообменного блока, а также условно пересекающей патрубки ввода/вывода флюидов. Условно показано вертикальное расположение оси теплообменника, ввод/вывод одного из флюидов через верхний и нижний патрубки, соответственно, и ввод/вывод другого флюида через нижний и боковой патрубки, соответственно. Также условно показаны аппараты с одним теплообменным блоком.

Теплообменник (фиг. 1) состоит из корпуса 1 с патрубками 2 и 3 ввода/вывода флюида 4 и патрубками 5 и 6 ввода/вывода флюида 7. В аппарате установлен коаксиальный кольцевой теплообменный блок 8 (выделен темным цветом), состоящий из соединенных друг с другом пластин 9, наружных колец 10 и внутренних крышек 11 и 12. Крышка 12 сообщена трубопроводом 13 с патрубком 5 ввода флюида 7. Теплообменный блок 8 оснащен перфорированной цилиндрической обечайкой 14 (условно показана одна наружная обечайка), на которой расположены упоры, прилегающие к неэкранированной наружной стороне пластин (на схеме не показано). Соединения 15 наружных колец 10 с корпусом 1 и соединение трубопровода 13 с патрубком 5 (выделены окружностями) могут быть выполнены разъемными или разрезными, что обеспечивает разборность аппарата.

При работе аппарата (условно показан перекрестный ток флюидов) горячий (условно) флюид 4 через патрубок 2 направляют в одну из смежных полостей теплообменного блока 8, из которой охлажденный флюид 4 выводят через патрубок 3. Холодный (условно) флюид 7 через патрубок 5, трубопровод 13 и крышку 12 подают в другую смежную полость теплообменного блока 8, из которой нагретый флюид 7 выводят через патрубок 6. За счет расположения профилирующих выступов и направляющих элементов может быть организовано как преимущественно прямоточное, так и преимущественно противоточное движение флюидов, как в радиальном, так и в аксиальном направлении.

Для использования в качестве массообменного, например, дефлегматора (фиг. 2) аппарат дополнительно оснащен патрубком вывода флегмы 16, а теплообменный блок 8 выполняет функцию тепломассообменного устройства. При работе аппарата в патрубок 6 подают хладагент 7, а в патрубок 17 - газ 18, содержащий легкие и тяжелые компоненты, который охлаждается, проходя по одной из смежных полостей (сплошные стрелки), на холодных поверхностях пластин 9 конденсируются тяжелые компоненты и в виде пленки флегмы стекают в низ аппарата. При противоточном движении газа и флегмы между ними происходит массообмен и обогащение газа легкими компонентами, а флегмы - тяжелыми компонентами газа. Из патрубка 2 выводят газ дефлегмации 19, содержащий, преимущественно, легкие компоненты, из патрубка 3 выводят нагретый хладагент 7, а из патрубка 16 - флегму 20. Возможны другие варианты размещения патрубков на корпусе аппарата и движения флюидов в аппарате (на схеме не показаны).

Аппарат может применяться в качестве адсорбера для осуществления массообмена флюид-твердое вещество (фиг. 3), при этом в одной из полостей размещен адсорбент. Например, при адсорбционной осушке газа через патрубок 15 вводят влажный газ 21, осушают его, пропуская через слой адсорбента в одной из смежных полостей (сплошные стрелки) и выводят через патрубок 2. Для обеспечения изотермического режима тепло адсорбции снимают, пропуская через другую смежную полость хладагент 7, вводимый через патрубок 6 и выводимый через патрубок 3. Возможны другие варианты размещения патрубков на корпусе аппарата и движения флюидов в теплообменном блоке (на схеме не показаны).

Аппарат может применяться в качестве реактора для осуществления химических превращений флюида в присутствии твердого катализатора (фиг. 3), при этом катализатор размещен в одной из полостей. Например, при паровой конверсии газа через патрубок 16 вводят смесь водяного пара и углеводородного газа 21, пропускают через слой катализатора в одной из смежных полостей (сплошные стрелки) и выводят через патрубок 2. Для обеспечения изотермического режима в реакционной зоне тепло, поглощаемое в ходе химической реакции, подводят, пропуская через другую смежную полость теплоноситель 7, например дымовой газ, вводимый через патрубок 6 и выводимый через патрубок 3. Возможны другие варианты размещения патрубков на корпусе аппарата и движения флюидов в теплообменном блоке (на схеме не показаны).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию аппарата, обеспечить возможность превышения давления в любой из полостей теплообменного блока над давлением в смежной полости и может найти применение в различных отраслях промышленности.