CZ296037B6

CZ296037B6 - Způsob destilace znečištěné vody se sníženým zanášením zařízení

Info

Publication number: CZ296037B6
Application number: CZ19992526A
Authority: CZ
Inventors: Steve Kresnyak; Minoo Razzaghi; Robert Spiering
Original assignee: Aqua Pure Ventures Inc.
Priority date: 1997-01-14
Filing date: 1998-01-14
Publication date: 2005-12-14
Also published as: JP3526582B2; PT963225E; BR9806849B1; AU741195B2; CA2274258C; NZ336165A; ES2221145T3; SK95499A3; HK1025061A1; JP2001501868A; NO320596B1; EP0963225B1; CA2274258A1; ATE267634T1; DK0963225T3; CZ252699A3; NO993285D0; ID23815A; CN1142808C; NO993285L

Abstract

Řešení navrhuje způsob destilace kapaliny, zejména vody, obsahující nečistoty, který využívá vyhřívaný odlučovač, do kterého se zavádí přívodní proud kapaliny obsahující nečistoty, a výměník tepla a při kterém se přívodní proud nejprve předehřeje pro částečné odstranění některých z nečistot a znovuzískání energie z koncentrátu nečistot a destilátu, které vystupují z vyhřívaného odlučovače, v němž se přívodní proud dále ohřívá a vytváří frakci nasycené páry destilátu a frakci koncentrované kapalné nečistoty, načež se parní frakce stlačuje, aby se ve výměníku tepla vytvořil teplotní rozdíl s parní frakcí v proudu koncentrátu, který se přivádí do výměníku tepla, aby se v něm zajistil proud kondenzované páry, který se nepřetržitě recirkuluje přes výměník tepla do vyhřívaného odlučovače, přičemž hmotnostní poměr cirkulující frakce nečistot a komprimované páry destilátu je s dosažitelnou provozní přesností v rozmezí od 300 do 2, aby se v proudu koncentrátu zajistilo od 1 % do 50 % hmoty odparu, což zabraňuje tvorbě kotelního kamene a zanášení výhřevných ploch výměníku tepla.

Description

Oblast techniky

Vynález se zaměřuje na nanejvýš účinný proces destilace vody, který minimalizuje znečistění a tvoření kotelního kamene v provozním zařízení po dlouhou dobu funkce.

Dosavadní stav techniky

Obecně řečeno, je destilace vody vysoce účinný způsob odpařování čistého destilátu vody a regenerování koncentrované kapaliny obsahující velké množství netěkavých složek. Tento způsob zpracování může být účinný prostředek pro znovuzískání úplně čisté vody ze znečistěných zdrojů. Avšak způsoby destilace vody mají typicky několik problémů, z nichž neposlední může být znečistění nebo pokrývání zařízení kotelním kamenem, to jest minerálními nebo dalšími složkami z kapaliny, která se destiluje. Společné složky kotelního kamene sestávají z vápníku, hořčíku a křemíku. Znečistění nebo větší rozsah tvoření kotelního kamene na površích přenášejících teplo má škodlivý účinek na kapacitu součástek přenášejících teplo má škodlivý účinek na kapacitu součástek přenášející teplo, což způsobuje to, že se běžné způsoby destilace stávají neoperabilní.

Další společný problém u typických procesů destilace je to, že vyžaduje vysoký energetický příkon. Bez nějakého prostředku pro účinné znovuzískávání příkonové energie je požadovaná energie ekvivalentní latentnímu teplu odpařování vody při daném poměru tlak/teplota. Destilace vody není za této podmínky pro aplikace ozdravování vody komerčně schůdná.

Metodologie stavu techniky orientovaná na předloženou technologii byla naznačena v patentu US 4 566 947 a francouzském patentu FR 2 482 979. Tyto odkazy, které zmiňují rekompresi par a využití tepla destilátu, jsou obecná doporučení a odstraňování nečistot destilací nebo jinými technikami čištění a neurčují problémy, které se řeší předloženým vynálezem.

Aby se překonaly problémy při běžných způsobech destilace, musí se uvážit několik proměnných aspektů. Následující tři rovnice popisují základní vztahy přenosu tepla uvnitř systému destilace

vody:
Q(total)	= UALMTD	(1)
Q(sensible heat)	= mCP(Tl-T2)	(2)
Q(latent heat)	= m*L	(3),
kde

Q = množství předávaného tepla (kg.m².s.‘³)

U = celkový koeficient přestupu tepla nebo schopnost systému předávat teplo (kg.sÁK'¹)

A = plocha povrchu přestupu tepla (m²)

LMTD = logaritmický střední teplotní rozdíl nebo tepelný pohon systému (K) m = hmotnostní průtok tekutiny v kapalném stavu nebo ve stavu páry (kg.s¹) Cp = měrné teplo tekutiny (kg.s‘³.m².K’¹)

TI, T2 = teplota tekutiny vstupující nebo vystupující ze systému (K)

L = skupenské teplo odpařování nebo kondenzace (kg.m².s'²-l)=m²/s².

Abychom dostali efektivní systém destilace, musí se množství tepla vyměněného a rekuperovaného, Q, vyjádřeného výše uvedenými rovnicemi maximalizovat, zatímco současně je třeba se řídit praktickými mezemi zbývajících proměnných a zabránění tvorbě kotelního kamene a zne

-1 CZ 296037 B6 čištění. Pro danou tekutinu a dynamiku tekutin uvnitř daného zařízení na výměnu tepla jsou relativně neměnné proměnné U, Cp a L. Proto se musí brát pečlivě zřetel na proměnné A, QA^{1 2}, LMTD, a m T1+T2, aby se překonaly problémy spojené s destilací znečištěné vody.

Aby se zcela překonaly problémy, které se týkají destilování znečistěné vody a eliminace tvorby kotelního kamene, musejí se kromě základních rovnic uvedených výše uvážit i další podstatné faktory, a to:

- rychlost, kterou se teplo předává uvnitř destilačního systému, známá jako tepelný tok QA'¹ (kg.s^{3 4})

- hladila nečistot v koncentrátu,

- konečná teplota varu koncentrátu vztahující se k teplotě nasycení proudu páry,

- stupeň přesycení a hladina srážení koncentrátu a

- hladina odpaření odpařovacího proudu.

Do nástupu předloženého vynálezu nemohlo být po dlouhou nepřetržitou dobu realizováno maximalizování množství tepla převáděného a rekuperovaného v procesu destilace vody bez tendence k usazování a tvoření kotelního kamene.

Byl vyvinut způsob, který je jak energeticky efektivní, tak i eliminuje problémy s tvorbou kotelního kamene, na kterém se naráželo při destilaci znečistěné vody kontaminované kromě jiného organickými látkami, anorganickými látkami a kovy.

Podstata vynálezu

Vynález se zakládá na úzkém vztahu dvou rozdílných koncepcí, z nichž obě byly jednotlivě naznačeny výše ve stavu techniky, avšak které nebyly jedinečně sestaveny s tím kombinovaným účinkem, který vyústil do předloženého vynálezu. Bylo zjištěno, že se použitím běžného parního rekompresního okruhu spolu s jedinečně sestaveným běžným okruhem rekuperace a převodu tepla s nuceným oběhem mohou získat velmi žádoucí účiny ve smyslu maximalizace přenosu tepla a zajištění požadovaného běžného okruhu s nuceným oběhem, které nevedou k vytváření kotelního kamene ve výměnících, na což lze typicky narazit při provádění standardních postupů destilace.

Jedním cílem předloženého vynálezu je poskytnout zlepšený účinný způsob destilace vody obsahující organické látky, anorganické látky, kovy nebo jiné znečisťující sloučeniny s výsledkem, jímž je vyčištěná frakce vody zbavená znečisťujících látek, která navíc nemáza následek jakékoli tvoření kotelního kamene v destilačním zařízení.

Bylo zjištěno, že přesným regulováním poměru cirkulujícího množství k množství zkomprimované parní frakce v rozsahu od méně než 300 do 2 je možné realizovat více požadovaných výhod, a to:

1. Koncentrát cirkulující skrze odpařovací stranu vařáku bude obsahovat přesně regulovanou parní frakci asi 1 % až 50 % hmoty cirkulujícího koncentrátu.

2. Přesným regulováním této parní frakce zůstává zvýšení teploty cirkulujícího koncentrátu velmi nízké (kolem 1,81 °K) a chladné teplosměnné povrchy zůstávají zvlhlé při teplotě poblíž teploty cirkulující kapaliny. Toto snižuje riziko zanášení těchto povrchů.

3. S touto regulovanou malou parní frakcí je koncentrovaná kapalina uvnitř výměníku podrobena přídavnému lokalizovanému koncentračnímu faktoru méně než 1,1, což anuluje lokalizovanou precipitaci složek kotelního kamene.

4. Když parní frakce přibývá a vzrůstá koncentrační faktor při průchodu vařákem, rychlosti proudu značně rostou a tak snižují riziko zanášení.

-2CZ 296037 B6

5. Připuštění regulované parní frakce v odpařující se kapalině se může realizovat značný přenos tepla prostřednictvím skupenského tepla bez tvorby kotelního kamene.

6. Protože zvýšení teploty odpařovací strany vařáku je udržováno velmi nízké, zachovává se LMTD vařáku a tím se udržuje energie komprese velmi nízký.

7. Nastavováním toku tepla se teplota vlhkých povrchů pro kondenzování a odpařování udržuje poblíž teploty stavu syté páry. Typ vyzkoušeného varu bude sahat od primárně nucené konvekce do stabilního zárodečného varu, zvlhlých povrchů.

Jedním cílem stávajícího vynálezu je poskytnou způsob odstraňování nečistot z přívodního proudu obsahujícího nečistoty využitím vyhřívaného odlučovače a výměníku tepla a zabránění zanášení a tvorbě kotelního kamene na separátoru a výměníku tepla, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že zahrnuje kroky:

a) vyrobení parní frakce z vyhřívaného odlučovače zbavené v podstatě nečistot a oddělené frakce koncentrovaných nečistot,

b) zkomprimování parní frakce pro zvýšení teploty frakce nečistot nad teplotu vyhřívaného odlučovače,

c) přivedení parní frakce do styku s výměníkem tepla pro vytvoření kondenzovaného destilátu a

d) udržování výhřevných ploch vyhřívaného odlučovače a výměníku tepla alespoň ve styku s frakcí koncentrovaných nečistot přes vyhřívaný odlučovač a výměník tepla v poměru cirkulující hmoty k hmotě páry od 300 do 2, přičemž cirkulující hmota páry je rovná hmotě znovu získaného destilátu, čímž se zabrání tvorbě kotelního kamene a zanášení výhřevných ploch.

Tento způsob dále vhodně zahrnuje kroky:

předehřátí přívodního proudu před výrobu parní frakce ve vyhřívaném odlučovači, kdy je výměník tepla vařák, a krok b) dále zahrnuje regulování teplotního rozdílu mezi výměníkem tepla a frakcí koncentrovaných nečistot pro udržování bublinkového varu, čímž se ve vařáku udržuje zvlhlý povrch, a sbírání kondenzovaného destilátu zbaveného v podstatě nečistot po kroku d).

Následně k regulaci teplotního rozdílu tento způsob s výhodou dále zahrnuje kroky:

a. přesycení frakce koncentrovaných nečistot pro vysrážení alespoň jedné zvolené tuhé látky,

b. přefiltrování koncentrátu a

c. znovuzískání alespoň té jedné zvolené tuhé látky.

Také je výhodné, je-li přívodní proud před ohřátím podroben předběžné úpravě a tento krok předběžné úpravy zahrnuje alespoň jedno z filtrace, iontové výměny, destilace, srážení a odpařování.

Také je žádoucí, aby se zajistil další krok recyklace frakce koncentrovaných nečistot a měnění rychlosti recirkulace uvedeného koncentrátu.

Výhodně se rychlost recirkulace koncentrátu periodicky opakuje tak, aby se udržovala od 1 % do 50 % množství páry.

Ještě výhodněji je cirkulující množství kolem 10 % hmoty páry.

Dále je také žádoucí, aby se část zkondenzovaného destilátu recyklovala jako zpětnýtok destilátu do destilační kolony.

Všeobecně se u jednoho možného provedení destilovaná voda odpařuje a provádí se přes síťovou vložku pro odstranění jakékoli strhávané vody před vstupem do kompresoru. Kompresor zvyšuje

-3 CZ 296037 B6 tlak a teplotu proudu páry nad tlak a teplotu vyhřívaného odlučovače, aby umožnil účinný přestup tepla přes vařákový výměník tepla. Proud páry následně vstupuje do vařáku, kde se zbavuje přehřátí a kondenzuje na destilát. Energie tepla se převádí na recirkulující koncentrát z vyhřívaného odlučovače, kde se způsobem regulace hmoty cirkulujícího koncentrátu k proudu páry na rozsah méně než 300 až přibližně 2, vytváří méně než 50 % páry, přesněji méně než 10 %, páry v cirkulujícím proudu koncentrátu. Tato parní fáze absorbuje předávané teplo skupenským teplem odpařování, zatímco současně nedovoluje, aby zvýšení teploty cirkulujícího koncentrátu stouplo výše než asi 1,81 °K. Čistá destilovaná voda o kondenzační teplotě a tlaku prochází přes předehřívač, aby se znovu získala podstatná část tepla systému pro vstupující převodní proud. Současně se část proudu koncentrátu odstraňuje z vyhřívaného odlučovače pro regulaci požadované koncentrace nečistot. Tento odkalovací proud koncentrátu o teplotě a tlaku vyhřívaného odlučovače se vede přídavným předehřívačem, aby se zbývající podstatná tepelná energie odevzdala přívodnímu proudu. Pro odstranění nebo pojmutí nečistot během operace destilace se mohou použít jako způsoby periodických nebo kontinuálních procesů přídavné předupravující nebo následně upravující techniky, postupy regulace pH se mohou použít pro ionizování těkavých složek nebo upravování podmínek rozpustnosti v koncentrátu, aby se dále zlepšil závislý proces destilace.

Znovu získaná destilovaná voda se může kontrolovat na úroveň čistoty a úroveň teploty, což dovoluje, aby byla znovu použita jako procesní voda, znovu se použila jako destilovaná voda nebo se vypustila do přírodních vodních zdrojů, přičemž prakticky vyhovuje neb překračuje všechny standardy životního prostředí na kvalitu vody.

Co do šíře tohoto procesu, týž postup by se mohl snadno použít pro dekontaminaci průmyslově upravené vody, jako je voda v rafinerii, průmyslu petrochemickém, celulózy a papíru, potravinářském, báňském, samohybné nebo jiné přepravy a výroby. Navíc se předvídají aplikace pro vodu vylouhovanou ze zavážek, odsolování, zlepšování spodní vody, čištění studniční vody, zlepšování kalojemů, znovuzískání vody z ropných polí a také výroby jakékoli formy napájecí vody výměníku a koncentrování zhodnotitelných složek ze zředěných proudů. Tento výčet není v žádném případě vyčerpávající, nýbrž slouží spíše za příklad.

Majíc takto vynález popsaný, bude nyní proveden odkaz na připojené výkresy, které ilustrují výhodná provedení.

Přehled obrázků na výkresech

Obrázek 1 je schématické vyobrazení celého procesu podle jednoho provedení popsaného vynálezu.

Obrázek 2 je alternativní provedení z obrázku 1.

Obrázek 3 je další alternativní provedení z obrázku 1.

Obrázek 4 znázorňuje ve schématické formě typické tlakové a teplotní podmínky kolem složek odpařování.

Obrázek 5 je křivka procesu kondenzace/odpařování pro vařákový výměník systému. Obrázek 6 znázorňuje schéma proudového podle desky vařáku/desce výměníku tepla.

Obrázek 7 je diagram znázorňující úroveň odpařování ve vařáku, která se vyskytuje v cirkulující tekutině, pokud jde o poměr hmoty cirkulující tekutiny k hmotě páry.

Obrázek 8 je diagram zobrazující výsledný vliv lokalizované koncentrace ve vařáku s měnícími se frakcemi páry.

Obrázek 9 je digram, který ukazuje zkušební údaje získané z řídicí části destilační jednotky.

Stejná čísla používaná v textu označují stejné elementy.

-4CZ 296037 B6

Příklady provedení vynálezu

Nyní je s odvolání na obrázek 1 ukázaný jeden příklad provedení předloženého vynálezu.

Přívodní proud 10 znečištěné vody se zavádí do stupně 12 předběžné úpravy pro odstraňování nerozpustných látek, těkavých látek a/nebo provádění dalších pH nebo upravujících kroků pro přípravu přívodního proudu 10. Těkavé složky se odvětrávají z přívodního proudu 10 vedením 14, zatímco méně těkavé složky se z přívodního proudu 10 vypouštějí odpadním potrubím 16. Předběžné upravený přívodní proud 10, který vystupuje ze stupně 12, se pak vede do předehřívače 18, aby se zvýšila teplota přívodního proudu 10 pro zvětšení rekuperace citelného tepla před zavedením do vyhřívaného odlučovače 20. Přívodní proud 10 může být rozdělený na několik proudů a přiváděný přes další sekundární předehřívače 18, 26 pro rekuperaci citelného tepla, aby maximalizoval celý rekuperační potenciál jednotky. Takováto uspořádání budou odborníky v oboru oceněna. Několikanásobné předehřívače mohou být sestaveny jako jediný víceakční předehřívač nebo jako samostatné jednotky jako předehřívače 18 a 26. Oddělené přívodní proudy 10 se před tím, než vstupují do vyhřívaného odlučovače 20, znovu míchají a ohřívají na teploty blízké vyhřívanému odlučovači 20.Pokud je to žádoucí, může se přívodní proud 10 také zavést do proudu s nuceným oběhem, aby se ve vařáku vytvořil efekt lokálního zředění. Vyhřívaný odlučovač může zahrnovat jednotku několikanásobného odlučování, jako je cyklónový odlučovač. Spodní sekce 22 vyhřívaného odlučovače 20 má cyklónové působení pro zastavení pevného materiálu v koncentrátu a vypouštění, na což se odkazuje jako na odkalování nebo koncentrování, jak naznačuje odkalovací potrubí 24. Rychlost odkalování, souvislá nebo periodická, reguluje koncentraci složek ve vyhřívaném odlučovači 20 a tím reguluje stupeň nasycení koncentrátu, stupeň přesycení, následné srážení tuhých látek a teplotu varu ve vyhřívaném odlučovači 20. Odkal o teplotě vyhřívaného odlučovače 20 se vede odkalovacím potrubím 24 přes sekundární předehřívač 26 pro regeneraci tepla na přívodní proud 10 potrubím 28. Proud odkalu se redukuje na teplotu v rozmezí kolem 257,65 °K na absolutní 5,4 °K teplotní rozdíl, aby se přiblížil přívodnímu proudu 10 v předehřívači 26.

Horní sekce vyhřívaného odlučovače 20, která obsahuje nejvíce nasycený výpar páry, je věnovaná separace pára/kapalina a může obsahovat takové znaky, jako neznázorněnou síťovou vložku pro spojení kapek kapaliny z proudu páry. Výpar opouštějící vyhřívaný odlučovač 20 a obecně naznačený potrubím 30 destilátu představuje ekologicky kvalitní destilát a v závislosti na složkách přítomných v přívodním proudu 10 může zahrnovat pitnou vodu nebo kvalitní napájecí vodu kotle. Odpař se převádí do kompresoru 32, aby se zvýšil tlak a teplota proudu odparu nad tlak a teplotu vyhřívaného odlučovače 20. Proud odparu může být pod jakýmkoli tlakem, když opouští vyhřívaný odlučovač 20, včetně vakua. Tento odpař se primárně sytí za podmínek vyhřívaného odlučovače 20, avšak může se stát přesycený, když koncentrát obsahuje složky o dostatečné koncentraci, aby zvýšily teplotu varu odparu. Toto pojetí je známé jako zvyšování teploty varu nebo BPR (boiling point rise) a je třeba mu rozumět tak, že se stlačení může vhodně kompenzovat. Přídavná energie dodaná proudu odparu zakládá požadovaný LMTD nebo tepelný pohon nezbytný pro provedení převodu tepla ve vařáku resp. výměníku tepla34·

Kompresor 32 nebo dmychadlo může být jakýkoli prostředek známý odborníkům ve stavu techniky, který může vyvolat tlakovou výšku asi 2.10⁴ až 6,8.10⁴ kg.rnÁs’² směrovanou do odparu a uvolňovat požadovanou úroveň hmoty odparu. Aktuální tlaková výška požadovaná od kompresoru 32 se specificky stanovuje pro každou jednotku podmínkami odpařování ve vyhřívaném odlučovači 20 a požadovaný LMTD pro vařák 34. Odpař opouštějící kompresor 32 je zejména přehřátá pára. Stupeň přehřátí je závislý na výtlačném tlaku a účinnosti kompresoru 32.

Vařák 34 resp. výměník funguje tak, že kondenzuje komprimovaný odpař přijatý z kompresoru 32 a odvádí destilát z vařáku 34 přes jímku 36 kondenzátu. Tento krok zachycuje přehřáté a skupenské teplo proudu odparu a přijímá jej prostřednictvím teplotního ataku do cirkulujícího proudu 38 koncentrátu. Destilát akumulovaný v jímce 36 je obecně nasycená kapalina za podmí

-5CZ 296037 B6 nek specifické teploty a tlaku. Přídavné citelné teplo obsažené v destilátu a znovu získává vedením horkého destilátu za použití čerpadla 40 zpět přes předehřívač 18, kde se vystupující proud ochlazuje asi na 3 F v přívodním proudu 10 vstupujícím ze stupně 12.

Bylo zjištěno, že použitím oběhového čerpadla 42 koncentrátu pro recirkulaci předepsaného množství koncentrátu z vyhřívaného odlučovače 20 přes vařák 34 se mohou realizovat významné výsledky bez rizika znečistění nebo okiývání povrchů výměníku kotelním kamenem. Množství masy cirkulujícího koncentrátu se specificky volí tak, aby byla v rozsahu od méně než 300 do téměř 2 a tak se přesně vytvářela frakce odparu přibližně od 1 % do méně než 50 % v proudu 38 vystupujícím z vařáku 34· Tento proud hmoty se může měnit a nastavovat na požadovaný parametr použitím regulačního prostředku 44. Specifičtěji je požadovaný cíl pro parní frakci ve vystupujícím cirkulujícím proudu 38, když se uváží nejvíce znečistěné přívodní proudy, méně než 10% frakce odparu. Odpař vytvořený v proudu 38 je co do hmoty ekvivalentní množství vedenému kompresorem 32 a znovu získávanému jako destilát ve výstupu 46. Pára vytvořená ve vařáku 34, i když se do hmoty je to velmi malá frakce, tedy kolem 1 až 10 % cirkulující hmoty, absorbuje většinu tepla převáděného z kondenzující strany vařáku 34. Volba parní frakce a rychlosti cirkulace koncentrátu nečistot je důležitý faktor pro snižování znečistění a vytváření kotelního kamene. Do značné míry je tento parametr nejdůležitější pro prosazení velmi nízkého teplotního vzrůstu na cirkulující tekutině koncentrátu pro zjištění účinného LMTD bez křížení teploty ve vařáku 34. Jakýkoliv nárůst teploty bude rychle eliminovat tento LMTD a transfer tepla se zastaví. Kdyby se například tlak cirkulujícího koncentrátu ve vařáku 34 zvýšil tak, že by kapalina nemohla vytvářet nějakou páru, teplota by rostla absorpcí podstatného tepla, dokud by neexistoval žádný LMTD a tak by přenos tepla klesal. Protitlak cirkulačního systému koncentrátu, který sestává ze ztrát statických a odporových výšek, se navrhuje tak,a by byl minimální. Ve skutečnosti je protitlak v první řadě rovný ztrátě statické výšky vertikálního výměníku, protože je úbytek dynamického tlaku výměníku minimalizován. Proud cirkulujícího koncentrátu se pakvolí tak, aby se dosáhlo přibližně 1 % až 10 % parní frakce v recirkulujícím proudu 38. Výsledný teplotní nárůst je velmi malý a LMTD zůstává na své navržené hodnotě.

Nyní je s odkazem na obrázek 2 představeno jedno alternativní schéma procesu, který dovoluje, aby se odkalování z vyhřívaného odlučovače 20 nastavovalo, dokud celkový účinek koncentrace nebo faktor koncentrace (CF) systému nevytvoří přesycený koncentrát vzhledem k jedné nebo několika složkám, aby tak způsobil srážení. Protože se tuhé látky vytvářejí a mohutní ve vyhřívaném odlučovači 20, vede se odkal přes odlučovací zařízení 50 tuhá látka/kapalina pro odstranění těchto tuhých látek nebo kalu. Jako jedna alternativa může být odlučovací zařízení 50 tuh látka/kapalina umístěné mezi oběhovým čerpadlem 42 a výměníkem nebo vařákem 34 v uspořádání klouzajícího proudu nebo plného proudu. Regenerovaná kapalina se dále recykluje zpět do vyhřívaného odlučovače 20, jak je naznačeno vratným potrubím 52, a část, která reprezentuje množství odkalu, se dále vede přes předehřívač 26 pro znovuzískání tepla a ochlazení asi na 257,65 °K. Odlučovací zařízení 50 tuhá látka/kapalina může být v jakékoli formě, jako je hydrocyklóna, odstředivá usazovací nádrž, gravitační usazovací nádrž, odstředivka, dekantační separátor, které jsou odborníkům známé. Tento způsob je atraktivní zejména tehdy, když je hlavním cílem znovuzískání některé sloučeniny jako tuhé látky, nebo když má tato sloučenina značnou komerční hodnotu.

Nyní je s odkazem na obrázek 3 představena další varianta způsobu, u které může proud odparu obsahovat část specifické nečistoty z přívodního proudu 10. Vyhřívaný odlučovač 20 je vybavený frakční kolonou 54 předraženou před kompresorem 32 a sacím potrubím 30 destilátu ke kompresoru 32. Kolona 54 se používá pro frakcionování a vyprání nečistoty za použití několika stupňů ve spojení se zpětným tokem 56 čisté studené vody. Tento zpětný tok 56 může být tažený bud po proudu, nebo proti proudu z předehřívače 18, nebo jako kombinace v závislosti na požadované teplotě zpětného toku 56. Tato varianta způsobu je atraktivní tehdy, když přívodní proud 10 obsahuje například těkavé složky, jako jsou uhlovodíky, glykoly, amoniak atd..

-6CZ 296037 B6

Obrázek 4 znázorňuje typické vztahy tlaku a teploty různých proudů kolem výparné části procesu. Pro toto pojednání jsou číselné odkazy uplatněny z obrázků 1 až 3. Ačkoliv jsou specifické parametry procesu ukázány prostřednictvím příkladu, jsou obměnitelné tak, aby byly vhodné pro jakoukoli specifickou aplikaci destilace. Toto schéma ukazuje podmínky založené na tekutině s žádným vzrůstem teploty varu a s vyhřívaným odlučovačem 20 pracujícím mírně nad atmosférickým tlakem, 1,1.10⁵ kg.m^.s'² a 373,47 K. Nárůst teploty cirkulujícího koncentrátu je menší než 1 F na pokles vařákového tlaku 2,5 psi. Parní frakce cirkulujícího proudu je kolem 10 %. Podmínky kolem vařáku 34 mohou být reprezentovány na křivce odpařování/kondenzace, jak je ukázáno na obrázku 5. Na kondenzační straně výměníku vstupuje přehřátá pára v bodě C asi při 394,26 °K a 1,48.10⁵ kg.s'².m' a kondenzuje při tlaku nasycení páry v bodě C kolem 383,71 °K a

1.476.10⁵ kg.s^.m'¹. Na tuto oblast se společně odkazuje jako na oblast ztráty přehřátí a sestává asi ze 2 % povrchové plochy výměníku, zatímco zbývající oblast je oblast, kterou se uvolňuje latentní teplota kondenzace. Mírný pokles tlaku a teploty nastane po celém výměníku resp. vařáku 34 díky podstatnému poklesu tlaku výměníku tepla. Podmínky na výstupu budou kolem 383,97 °C a 1,4756 kg.sÝm’¹. Teplota povrchu na kondenzační straně bude menší než teplota nasycení vstupující páry, čímž se bude na teplosměnném povrchu vytvářet film kondenzátu. Přenos tepla bude tedy nastávat mimo podmínky zvlhnutí stěny, která udržuje účinnou teplotu tohoto filmu při teplotě sycení odparu. Destilát se bude vysoušet od vařáku 34 resp. výměníku k jímce 36 kondenzátu v bodě D, což bude udržovat vařák 34 bez kapalin a vystavovat celý povrch výměníku tepla procesu kondenzace.

Na odpařovací straně vstupuje koncentrát nečistot do výměníku resp. vařáku 34 protiproudově ode dna v bodě A při přibližně 373,47 °K a 1,28.10⁵ kg.s^.m¹ za oběhovým čerpadlem 42. Rychlost cirkulace se upravuje tak,a by byl poměr hmoty koncentrátu alespoň 10 krát větší než podíl odparu. Teplota tekutiny koncentrátu začíná vzrůstat k bodu A^f a pak se ustaluje asi na 378,71 K, až se dosáhne bodu B, kde se překoná statická tlaková výška a tlak se snižuje na

1.11.10⁵ kg.sÝm’¹. Zatímco koncentrát stoupá nahoru výměníkem resp. vařákem 34, nucenou konvekcí se začíná tvořit odpař, přičemž se absorbuje převáděné latentní teplo. Zvýšením množství kapaliny na výparné straně, dokud poměr cirkulující hmoty ke hmotě odparu nespadá do požadovaného rozsahu, se reguluje účinek varu v oblastech nucené konvekce a stabilního zárodečného varu. Kvůli velké hmotě proudu kapaliny zůstává povrch pro přenos tepla při teplotě ekvivalentní teplotě nasycení nově vytvořeného odparu zvlhlý. Dalším zajištěním, aby byla rychlost toku (QA¹) pro výměník pod 18927,55 kg.s’³, se může teplotní růst na odpařovací straně zachovávat pod 1,8 °K a udržuje se povrch se zvlhlým filmem a tím se eliminuje riziko pokrývání kotelním kamenem. Pokud je rychlost toku příliš vysoká, překračuje okamžitý pokles tlaku urychlení odparu přechodně přípustnou stickou tlakovou výšku, což má za následek nestabilní přechodný zpětný tok a možnou poruchu zvlhlého teplosměnného povrchu. Toto může mít za následek znečisťování povrchu pro přestup tepla. Pod tepelnými toky 18927,55 kg.s'³ a v rozsahu hmoty cirkulujícího koncentrátu k hmotě páry menším než 300 existuje oblast, kde může kapalina a pára koexistovat ve stabilním procesu a zajišťovat zcela zvlhlý povrch převodu tepla na odpařovací straně vařáku 34 bez rizika tvorby usazenin nebo pokrývání kotelním kamenem.

Odkaz na body A až D lze také najít na obrázku 6.

Obrázek 6 znázorňuje nárysný pohled na nanejvýš účinný výměník 58 přestupu tepla, který je odborníkům v oboru známý jako výměník tepla s deskami a rámem, u kterého jsou řady vertikálně postavených utěsněných desek 60 uspořádané mezi dvěma tuhými rámy 62 a 64. Tato zařízení jsou dobře známá pro svoji kompaktní velikost a schopnost dosáhnout velmi vysokých hodnot U nebo celkových koeficientů přestupu tepla. Tento typ výměníku 58 uspořádaný jako jednoprůchodová, protiproudá průtoková konfigurace je velmi vhodný pro tento vynález a výslovně nabízí při provádění tohoto vynálezu následující výhody:

1. Tento výměník deskového typu nabízí nízkou, neměnnou statickou tlakovou výšku a velmi nízký pokles tlaku na straně cirkulující tekutiny koncentrátu nebo na odpařovací straně, zatímco poskytuje relativně vysoký koeficient přestupu tepla.

-7CZ 296037 B6

2. Tepelný tok se může snadno nastavit přidáním větší povrchové plochy nebo desek 60 v daném rámu 62, 64.

3. Kondenzační strana konstrukce s deskou a rámem je bez vypouštění a má nízký tlakový pokles, zatímco udržuje relativně vysoký koeficient přestupu tepla.

4. Vysoce účinný koeficient přestupu tepla dovoluje, aby povrchové teploty byly velmi blízko oběma teplotám proudů tekutin, což snižuje riziko usazenin.

5. Vysoká turbulence a ekvivalentní vysoké rychlosti kapaliny vedou k nízkému zanášení a udržují tuhé látky v homogenní suspenzi, když procházejí výměníkem 58.

6. Neexistují zde žádná horka nebo studené místa a žádné oblasti mrtvého proudění, což je podstatné pro deskovou konstrukci šrámem a snižuje riziko znečistění a tvorby kotelního kamene.

7. Desky 60 jsou hladké a dobře povrchově upravené, což snižuje riziko usazování.

8. Malá doba zadržení kapaliny zmenšuje riziko srážení, protože zde není dostatečná doba pro dosažení rovnovážného stavu a vytvoření nečistot pro kotelní kámen.

Druhově je výměník 58 tepla deskového typu velmi kompaktní a může být opatřený při efektivních nákladech deskami 60 ze speciální slitiny, aby odolával kapalinové korozi a praskání z koroze napětím, které jsou společné pro aplikace typu odsolování. Odborníci ve stavu techniky mohou také uvažovat o dalších typech výměníků, jako je skořepina a trubka, dvoutrubkový, žebrovaná trubka, šnekového typu, za předpokladu, že jsou zachovány specifické požadavky tohoto vynálezu.

Obrázek 7 je graf ukazující výhodné pásmo 66 návrhu pro poměr proudu hmoty cirkulujícího koncentrátu ve vztahu k proudu hmoty páry. Požadovaný rozsah asi od 10 do 100 vede k parní frakci od méně než 10 % přibližně do 1 %.

Obrázek 8 je graf ukazující výsledný dopad na místní faktor koncentrace CF_Vý_iněn,-i_tll ve vztahu k riziku dalšího přesycování a srážení uvnitř výměníku tepla. Obecně může být faktor koncentrace systému vyjádřený následovně:

CFcelkový ^— CF₀dfcalu . CFyý_měníku

Koncentrace, které dosahuje stálého stavu ve vyhřívaném odlučovači 20, vyplývá ze stálého odstraňování odparu v rovnováze s nepřetržitým odkalováním z vyhřívaného odlučovače 20. Hodnota CF_ceikovv je typicky řádově od méně než 5 do kolem 20 krát, v závislosti na hladině a typu nečistot, v přívodním proudu 10. Výsledný CFy^nik,, je také určený (mezi 1,0 a 1,1) v závislosti na úrovni množství odparu opouštějícího vařák 34 a hodnotě odkalování nastavení tak, aby požadované hladiny koncentrace nebyly ve vařáku 34 překročeny. Následně může být ukázaný jeden typický příklad:

Přívodní proud obsahuje 20,000 TDS a požaduje se nepřekročit 100,000 TDS v koncentrátu.

Je stanoveno, že nejúčinnější poměr množství bude 20, což vyústí v parní frakci 5 % z obrázku 7.

CFyýmžnikn je nalezený z obrázku 8, aby byl kolem 1,07. CFcelkový se vypočítá, takže bude (100,000/2000) = 5.

CDodkaiu se vypočítá, takže bude (5/1,07) = 4,7.

Opravená míra odkalu bude tedy (1/4,7) = 21 % ze vstupního přívodního proudu.

Podle toho je výsledkem použití procesu rekomprese odpadu v kombinaci se systémem nucené konvekce přenosu tepla a následováním kroků pečlivého výběru poměru hmotnostního toku cir

-8CZ 296037 B6 kulujícího systému k hmotnostnímu toku proudu páry tak, aby byl menší než 300 až asi 2, přesněji poměr asi od 10 do 100, zvolením tepelného toku méně než 18927,55 kg.s'³ a řízením proudu odkalu tak, aby dosáhl požadovaný efekt koncentrace (CF), velmi účinná jednotka na destilaci vody, která není citlivá na zanášení nebo pokrývání kotelním kamenem po dlouhé doby funkce. Kombinování těchto dvou známých schéma způsobů s jedinečným rozložením výměny tepla a navrženou zejména s přesně stanoveným poměrem cirkulace koncentrátu, o které dříve stav techniky nepoučoval, dovoluje tomuto vynálezu vytvořit účinný způsob pro destilování vody zbavené nečistot a bez rizika zanášení a tvorby kotelního kamene.

Následující příklady slouží pro ilustraci vynálezu.

Příklad 1

Tento příklad kalkulace je prostředek demonstrace tepelné rovnováhy kolem vařákového výměníku. Tento příklad představuje základ návrhu destilační jednotky navržené pro znovuzískání 200,61 m³ čistého destilátu z kontaminovaného zdroje.

Informace o výměníku

povrchová plocha typ U upravený LMTD vypočítaný provozní výkon vypočítaný tepelný tok	297,28 m² naplocho těsněné desky v rámu 3077,62 kg.sÝK’¹ 261,73 K (absolutní); ΔΤ=5,7 K (297,28)x(3077,62)x(5,71) 5,25xl0⁶ kg.s‘³.m² (5,25xl0⁶)/(297,28) 1,77x10’⁴ kg.s³
Kondenzační strana
vstupní podmínky	394,14 K @ l,48xl0⁵ kg.mÁs’²
výstupní podmínky	383,9K@ l,48xl0⁵ kg.m^.s’²
kondenz. teplota nasycení	384,1 K@ l,48xl0⁵kg.m’.s·²
skup, teplo kondenzace	618,76 m²/s² @ l,48xl0⁵ kg.mts’²
tok páry	36,7 USgpm = 2,3 kg.s’¹
Qztráty přehřátí	(2,3)x(l,0)x(250-231,8 F=10,06 K)
Qkondenzace	(5,25xl0⁶-97887,5) 5,15xl0⁶ kg.m².s³
vypočítaný tok	(5,15x10⁶)/(618,76) 2,3 kg.s’¹
vypařovací strana
vstupní podmínky	373,4 K @ l,28xl0⁵ kg.nú.s'²
výstupní podmínky	373,8 K @ l,lxl0⁵kg.m‘'.s‘²
skup, teplo vypařování poměr recirkulované hmoty	283,9 kg.m².s'³ @ lmlxlO⁵ kg.nús’²
k hmotě odparu	10
rychlost cirkul. koncentrátu	1,4 m³ xm'¹ 23,26 kg.s’¹
proud odparu	2,3 kg.s’¹
procenta odparu	(2,3/23,26) = 10 %
Qodparu	5,21 x 10⁶kg.m².s‘³
Qcitelné	37937,5 kg.m².s’³
Qcelkové	5,25 x 10⁶kg.m².s'³

-9CZ 296037 B6

Tento příklad ilustruje, že 10 % parní frakce vytvořené v cirkulující kapalině pojme 99 % tepla převedeného z kondenzující strany a zvýší teplotu cirkulující tekutiny o méně než 1 F, i když je zde 10 krát větší množství cirkulující kapaliny.

Příklad 2

Jedna prototypová jednotka byla zkonstruována a navržena pro znovuzískání 37,9 m³ čistého destilátu z kalového rybníka vylouhovaného ze zavážky. Tato jednotka byla zkoušena po dosti ío dlouhou dobu a během této doby byly sbírány podrobné údaje o provedení zkoušky. Tento prototyp pracoval úspěšně po značně dlouhou dobu 4 měsíců a po prohlídce bylo zanesení ve vařáku 34 i vyhřívaném odlučovači 20 zanedbatelné. Vybavení použité při této pokusné zkoušce zahrnovalo dmýchací kompresor 32 model GF36204E ochranné známky Spencer dávající diferenční tlak 2,lxl0⁴ kg.rn'.s^-2. V průběhu zkoušky byly použity standardní jednotahové výměníky tepla 15 s deskami a rámem.

Charakteristiky vylouhovaného přívodu, koncentrovaného odkalu a upravené vytékající kapaliny byly následující:

-10CZ 296037 B6

parametr	jednotky	vylouhovaný přívod*²’	odkal přibl.10%*²’	upravený výtok*²’
BOD	mg l“¹	26	88	<10
COD	mg l¹	277	1,207	11
TOC	mg l¹	59	549	6
TSS	mg 1 ¹	33	145	<2
VSS	mg 1	15	29	<2
TDS	mg l*¹	5,473	53,000	<50
vápník	mg 1^_1	96	435	<0.05
hořčík	mg l'¹	228	1,990	<0.05
sodík	mg l'¹	550	4,650	<2
železo	mg l'¹	5	469	.6
celkový P	mg 1	1.5	1.5	<0.01
amoniak	mg 1	53	124	0.38^w
jako N
celková
alkalita	mg l¹	2,353	2,930	1
jako CaCOa
chloridy	mg l ¹	217	784	0.2
sírany	mg 1 ¹	350	20,000	<2
fenoly	mg Γ¹	0.08	0.45	.017
celkem
koliformní
organismy	Col/lOOcc	673	<3	0
celkem
barva TCU	166	800	<5
kalnost NTU	131	220	0.1

Poznámka (1) pH nastavení předběžné úpravy pro regulaci amoniaku.

Poznámka (2) hodnoty jsou značené jako průměrné hodnoty po celou dobu zkoušky.

Vytékající kapalina má takovou kvalitu, že se může vylévat do toků povrchových vod, přičemž prakticky překračuje všechny regulační směrnice. Byla zjišťována spotřeba energie kompresoru a zaznamenávána pro různé body provozu včetně ztlumení kompresoru a podmínek recirkulace. 10 Změřená spotřeba energie byla zakreslena na obrázku 9 jako spotřeba energie a 3.785 m³ pro různé toky destilátu. Křivka ze zkušebních údajů byla upravena pro neúčinnosti kompresoru v rozsahu průtoků a stejná hodnota spotřeby energie 1,8x10⁷ kg.m².s'²/3.785 m³ byla odvozena. Počítá-li se se standardními účinnostmi kompresoru kolem 77 %, je požadovaná spotřeba energie pro vysoce účinnou destilační jednotku kolem 2,34x10⁷ kg.m².s'²/3.785 m³. Proud odkalu, který 15 činí v průběhu 10 % přívodního proudu po celou dobu testu, vede ke 4 střednímu faktoru kon

-11 CZ 296037 B6 centrace (CF) 10. Po odzkoušení byla doplněna vizuální prohlídka, která neukázala ve výbavě vytápěného odlučovače a vařáku žádné znaky tvorby kotelního kamene.

Pro odborníky zralé stavu techniky bude v kontextu se zařízením použitelným v tomto systému snadné zvážit to, jaké příklady vytápěných odlučovačů, předehřívačů, vařáků, čerpadel, kompresorů nebo ventilátorů atd. budou nej vhodnější. Bez odchýlení od rozsahu vynálezu budou snadno přicházet v úvahu i další modifikace.

Ačkoliv byla provedení vynálezu popsána výše, neomezuje se na ně a pro ty, kdo jsou zkušení ve stavu techniky, bude zřejmé, že součástí předloženého vynálezu jsou četné modifikace, pokud se neodchylují od podstaty, charakteru a rozsahu nárokového a popsaného vynálezu.

Průmyslová využitelnost

Předložený vynález je využitelný pro techniku destilace.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob destilace znečistěné vody se sníženým zanášením zařízení, při kterém se z přívodního proudu obsahujícího nečistoty odstraňují tyto nečistoty za použití vyhřívaného odlučovače a výměníku tepla, kdy se vyrábí ve vyhřívaném odlučovači parní frakce, která je v podstatě zbavená nečistot, a oddělená frakce z koncentrovaných nečistot, parní frakce se zkomprimuje, aby se zvýšila teplota této parní frakce nad teplotu vyhřívaného odlučovače, a zkomprimovaná parní frakce se přivede do styku s výměníkem tepla, aby se vytvořil kondenzovaný destilát, vyznačující se tím, že se výhřevné plochy vyhřívaného odlučovače a výměníku tepla udržují ve styku s frakcí s koncentrovaných nečistot nepřetržitou recirkulací frakce z koncentrovaných nečistot vyhřívaným odlučovačem a výměníkem tepla při poměru množství cirkulovaného koncentrátu k množství páry uvnitř masy cirkulovaného koncentrátu od 300 do 2, přičemž toto množství páry se rovná množství destilátu získaného zpět ze zkomprimované parní frakce, čímž se zamezuje tvorbě kotelního kamene a zanášení výhřevných ploch, a z vyhřívaného odlučovače se odstraňuje část frakce z koncentrovaných nečistot.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se přívodní proud před výrobou parní frakce ve vyhřívaném odlučovači předehřeje, ve výměníku tepla provedeném jako vařák se na výhřevných plochách vařáku udržují oblasti stabilního bublinkového varu, čímž se uvnitř vařáku udržuje zvlhčený povrch, a zkondenzovaný destilát zbavený nečistot se sbírá.
3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že následně kudržování stabilního bublinkového varu se frakce z koncentrovaných nečistot přesycuje, aby se vysrážela alespoň jedna zvolená tuhá látka, koncentrát se přefiltruje a tato alespoň jedna zvolená tuhá látka se získá zpět.
4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že se přívodní proud podrobí před ohřátím předběžné úpravě.
5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že se předběžná úprava provede alespoň jedním z filtrace, iontové výměny, destilace, srážení a odpařování.
6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že se frakce z koncentrovaných nečistot získaná zpět z filtrace použije znovu.

-12CZ 296037 B6
7. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že se dále mění rychlost recirkulace koncentrátu.
8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že se rychlost recirkulace koncentrátu nastaví tak, aby se množství páry udržovalo od 1 % do 50 %.
9. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že recirkulované množství páry je asi 10 %.
10. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že se dále parní frakce z vyhřívaného odlučovače vede skrze frakční kolonu, přičemž je ve styku se zpětným tokem zkondenzovaného destilátu, a část zkondenzovaného destilátu se vede zpět do frakční kolony jako zpětný tok destilátu.