SK284946B6

SK284946B6 - Spôsob odstraňovania nečistôt z prúdu obsahujúceho nečistoty použitím vyhrievaného separátora a tepelného výmenníka

Info

Publication number: SK284946B6
Application number: SK954-99A
Authority: SK
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: 2006-03-02
Also published as: CN1142808C; NZ336165A; DE69824154T2; US6355145B1; NO993285D0; EP0963225B1; AU5545798A; CA2274258A1; PL190692B1; NO993285L; HK1025061A1; WO1998031445A1; JP3526582B2; JP2001501868A; CZ296037B6; EP0963225A1; ATE267634T1; DE69824154D1; NO320596B1; CN1243449A

Abstract

Predkladaný spôsob na odstraňovanie nečistôt z privádzaného prúdu kvapaliny obsahujúceho nečistoty zahŕňa kroky privedenia privádzaného prúdu a zahrievania v prvom zahrievacom kroku na aspoň čiastočné odstránenie nečistôt a spätné získanie energie z tvoreného koncentrátu a destilátu. Spôsob na odstraňovanie nečistôt z privádzaného prúdu obsahujúceho nečistoty použitím vyhrievaného separátora a tepelného výmenníka spočíva v tom, že v tomto vyhrievanom separátore sa vytvorí frakcia pary takmer bez nečistôt, frakcia koncentrovaných nečistôt sa separuje a frakcia pary sa stlačí na zvýšenie teploty frakcie pary nad teplotu vyhrievaného separátora. Stlačená frakcia pary sa potom uvedie do kontaktu s tepelným výmenníkom na tvorbu kondenzovaného destilátu a výhrevný povrch vyhrievaného separátora a tepelný výmenník sa udržiavajú v kontakte s frakciou koncentrovaných nečistôt kontinuálnou cirkuláciou cez vyhrievaný separátor a uvedený tepelný výmenník v pomere cirkulujúceho koncentrátu k hmotnosti pary asi 300 až takmer 2. Hmotnosť pary sa pritom rovná hmotnosti destilátu spätne získaného kompresiou frakcie pary, aby sa zabránilo tvorbe usadenín a znečisťovania zahrievajúcich povrchov. Časť frakcie koncentrovaných nečistôt z vyhrievaného separátora sa odstráni.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka účinného spôsobu destilácie vody s minimalizovaným znečisťovaním a zanášaním pracujúceho zariadenia počas dlhých pracovných cyklov.

Doterajší stav techniky

Všeobecne je destilácia vody vysoko účinný spôsob odparovania čistého vodného destilátu a regenerácie koncentrovanej kvapaliny obsahujúcej veľké množstvo neprchavých zložiek. Tento spôsob môže byť efektívnym prostriedkom na spätné získanie čistej vody z kontaminovaných zdrojov. Proces destilácie vody zahŕňa však obvykle niekoľko problémov, z ktorých najdôležitejšie môže byť znečisťovanie alebo zanášanie destilačného zariadenia minerálmi alebo inými zložkami z destilovanej kvapaliny. Bežné usadzujúce sa zlúčeniny obsahujú vápnik, horčík a kremík. Znečisťovanie alebo vo väčšej miere zanášanie povrchov prenášajúcich teplo má obmedzujúci vplyv na prestup tepla cez komponenty, následkom čoho sú konvenčné destilačné procesy nefunkčné.

Ďalší bežný problém typických spôsobov destilácie vody je vysoká energetická spotreba. Bez prostriedkov na efektívne spätné získanie vstupnej energie sa požadovaná energia rovná skupenskému teplu vyparovania vody pri danom tlaku/teplote. Destilácia vody za týchto podmienok nie je komerčne použiteľná na aplikácie skvalitňovania vody.

Spôsoby týkajúce sa tejto technológie boli opísané v U.S. patente č. 4,566,947 a vo francúzskom patente č. 2,482,979. Tieto dokumenty opisujú odstraňovanie nečistôt destiláciou alebo inými čistiacimi technikami a netýkajú sa problémov, ktoré rieši predkladaný vynález.

Niekoľké premenné sa musia brať do úvahy, aby sa prekonali problémy s konvenčnými destilačnými spôsobmi. Nasledujúce tri rovnice opisujú základne vzťahy tepelného prenosu v rámci systému destilácie vody: Q(celkové) = U*A*LMTD (1)

Qfúčelné teplo) = m * CP * (TI - T2) (2)

Q( skupenské teplo) — m*L (3), kde

Q = množstvo preneseného tepla (kg.m² s'³),

U = koeficient celkového tepelného prenosu alebo schopnosť systému prenášať teplo (kg.s'³.K‘’),

A = povrch plochy prenosu tepla (m²),

LMTD = logaritmus priemernej teplotnej diferencie alebo tepelná hnacia sila systému (K), m = hmotnostný tok tekutiny v kvapalnom alebo plynnom stave (kg.s'¹),

Cp = merné teplo tekutiny (kg.s'WK’¹),

TI, T2 = teplota tekutiny vstupujúcej alebo vystupujúcej zo systému (K),

L = skupenské teplo vyparovania alebo kondenzácie (m².s’²).

Aby bol destilačný systém účinný, množstvo vymeneného a obnoveného tepla, Q, vyjadrené uvedenými rovnicami, musí byť maximalizované a súčasne musí spĺňať reálne limity pre zostávajúce premenné, a musí zabrániť znečisťovaniu a zanášaniu. Pre uvedenú kvapalinu a jej dynamiku vnútri uvedeného zariadenia na výmenu tepla sú premenné U, Cp a L relatívne stále. Musí sa venovať mimoriadna pozornosť premenným A, QA'¹, LMTD, aby sa prekonali problémy spojené s destiláciou kontaminovanej vody.

Aby sa úplne prekonali problémy destilácie kontaminovanej vody a eliminovalo sa usadzovanie, musia byť brané do úvahy, okrem už uvedených základných stavových rovníc, ďalšie rozhodujúce faktory:

rýchlosť, s ktorou jc prenášané teplo vnútri destilačného systému, známy ako tepelný tok alebo QA ¹ (kg.s³);

hladina kontaminácií v koncentráte;

výsledná teplota varu koncentrátu zodpovedajúca teplote nasýtenia prúdu pary;

stupeň presýtenia a úroveň precipitácie koncentrátu; a úroveň vyparovania odparovaného prúdu.

Až do tohto vynálezu nebola za dlhodobej prevádzky vykonaná maximalizácia množstva preneseného a znovu získaného tepla z procesu destilácie vody bez tendencie znečisťovania alebo usadzovania.

Bol vyvinutý spôsob, ktorý je energeticky účinný a súčasne tento spôsob odstraňuje problémy usadzovania predtým prítomné v destilácii kontaminovanej vody, znečistenej organickými, anorganickými látkami, kovmi a inými.

Podstata vynálezu

Vynález je založený na spojení dvoch rozdielnych koncepcií, ktoré boli predtým spomínané jednotlivo v doterajšom stave techniky, ale ktoré neboli jedinečne spojené so synergickým efektom, ktorý vyplýva z predkladaného vynálezu. Zistilo sa, že spojením konvenčného obvodu rekompresie pary so špeciálne usporiadaným regeneračným prenosovým obvodom núteného prúdenia tepla môžu byť získané veľmi žiaduce výsledky v podmienkach maximalizácie tepelného prenosu a udržania požadovaného núteného obehu prúdenia tepla, ktoré nespôsobuje zanášanie výmenníkov, vyskytujúce sa v štandardných destilačných spôsoboch.

Jedným cieľom vynálezu je poskytnúť zlepšenie účinnosti spôsobu destilácie vody, ktorá obsahuje organické, anorganické látky, kovy alebo iné kontaminujúce zlúčeniny, na získanie čistej frakcie vody bez nečistôt, ktoré nie je sprevádzané zanášaním destilačného zariadenia.

Zistilo sa, že presným udržiavaním pomeru cirkulujúcej hmoty k hmote pary v intervale menej ako 300 až takmer 2 sa po kompresii pary prejavujú mnohé výhody:

1. koncentrát cirkulujúci cez výpamú stranu regeneračného výmenníka bude obsahovať presne regulovanú frakciu pary od asi 1 % do 50 % hmotn. cirkulujúceho koncentrátu;

2. teplotný nárast (asi 1,8 K, t. j. 1 F) cirkulujúceho koncentrátu zostáva veľmi nízky vďaka presnej regulácii frakcie pary a studené povrchy výmeny tepla zostávajú vlhké, pri teplote blízkej teplote cirkulujúcej tekutiny. Toto vedie k znižovaniu rizika znečisťovania týchto povrchov;

3. pri tejto regulovanej nízkej plynnej frakcii, koncentrovaná kvapalina vnútri výmenníka je vystavená ďalšej lokalizovanej koncentrácii s faktorom nižším ako 1.1, čím sa vyhne lokalizovanej precipitácii usadzujúcich zlúčenín;

4. keďže počas prechodu cez regeneračný výmenník sa zvyšuje frakcia pary a zvyšuje sa koncentračný faktor, tak sa podstatne zvyšuje rýchlosť prúdu, čím sa znižuje riziko znečisťovania;

5. pri regulovaní frakcie pary vo vyparujúcej kvapaline sa môže získať značný tepelný prenos prostredníctvom skupenského tepla bez usadzovania;

6. pretože nárast teploty výpamej strany regeneračného výmenníka je udržiavaný na veľmi nízkej hodnote, je udržiavané aj LMTD regeneračného výmenníka a týmto je udržiavaná energia kompresie na veľmi nízkej hodnote; a

7. nastavovaním tepelného toku, teplota vlhkých povrchov na kondenzáciu a vyparovanie je udržiavaná blízko podmienok nasýteného prúdu. Typ varu sa bude pohybovať z primáme núteného prúdenia na stabilný bublinkový var vlhkých povrchov.

Ďalším cieľom predkladaného vynálezu je poskytnúť spôsob odstraňovania nečistôt z privádzaného prúdu obsahujúceho nečistoty s použitím vyhrievaného separátora a tepelného výmenníka a spôsob zabránenia znečisťovaniu a tvorby usadenín na separátore a tepelnom výmenníku, spočívajúci v tom, že zahŕňa:

a) tvorbu frakcie pary z privádzaného prúdu vystaveného vyhrievanému separátoru prevažne bez nečistôt a separáciu nosnej frakcie koncentrovaných nečistôt;

b) kompresiu frakcie pary na zvýšenie teploty nečistoty nesúcej frakcie nad teplotu vyhrievaného separátora;

c) uvedenie frakcie pary do kontaktu s výmenníkom tepla na tvorbu kondenzovaného destilátu a

d) udržiavanie vyhrievaných povrchov vyhrievaného separátora a výmenníka tepla v kontakte s frakciou koncentrovaných nečistôt plynulou cirkuláciou frakcie cez separátor a výmenník tepla v pomere cirkulujúcej hmoty k hmote pary približne 300 ku asi 2 na predchádzanie tvorby usadením a znečisťovania vyhrievaných povrchov.

Je žiaduce, aby spôsob podľa vynálezu ďalej zahŕňal tieto kroky: privádzaný prúd sa pred vytvorením frakcie pary v kroku a) predhreje; uvedeným tepelným výmenníkom je regeneračný výmenník, a v kroku b) sa ďalej na výhrevnom povrchu regeneračného výmenníka udržujú oblasti stabilného bublinkového varu, čím sa povrch regeneračného výmenníku udržuje mokrý; a kondenzovaný destilát v podstate bez nečistôt sa zbiera.

Výhodne následne po kroku udržiavania oblasti stabilného bublinkového varu na výhrevnom povrchu regeneračného výmenníka spôsob podľa vynálezu ďalej zahŕňa kroky:

i) na precipitáciu aspoň jednej vybranej pevnej látky sa frakcia koncentrovaných nečistôt presýti;

ii) frakcia koncentrovaných nečistôt sa filtruje a iii) spätne sa získa aspoň jedna vybraná pevná látka.

Je tiež výhodné, keď sa privádzaný prúd podrobí pred zahrievaním kroku predbežnej úpravy a pri tomto kroku predbežnej úpravy sa uskutočňuje aspoň jedna z operácií filtrácie, iónovej výmeny, destilácie, precipitácie alebo vyparovania.

Je tiež žiaduce uskutočniť ďalej krok recyklovania frakcie koncentrovaných nečistôt spätne získanej z kroku filtrácie a krok meniaci rýchlosť cirkulácie frakcie koncentrovaných nečistôt.

Výhodne sa rýchlosť cirkulácie frakcie koncentrovaných nečistôt udržiava tak, aby cirkulovalo od asi 1 % do asi 50 % hmotn. pary.

Výhodnejšie je cirkulujúcim množstvom pary asi 10 % hmotn. pary.

Taktiež je žiaduce, aby frakcia pary z kroku a) prechádzala frakčnou kolónou, zatiaľ čo je v kontakte s destilačným refluxom kondenzovaného destilátu, a aby sa časť kondenzovaného destilátu recirkulovala na frakčnú kolónu ako destilačný reflux.

Všeobecne je v jednom možnom uskutočnení vynálezu vyparovaná destilovaná voda prenášaná cez sieťovú vložku na odstránenie akejkoľvek vstupujúcej vody pred vstupom do kompresora. Kompresor zvýši tlak a teplotu prúdu pary nad teplotu vyhrievaného separátora, aby bol umožnený efektívny tepelný prenos cez regeneračný výmenník tepla. Prúd pary vstupuje do regenerátora, kde sa chladí a kondenzuje na destilát. Tepelná energia je prenášaná na cirkulujúci koncentrát z vyhrievaného separátora prostredníctvom regulácie pomeru hmoty cirkulujúceho koncentrátu ku prúdu pary, v intervale menej než 300 až asi 2, menej než 50 % pary, presnejšie menej než 10 % pary generovanej v cirkulujúcom prúde koncentrátu. Táto fáza pary absorbuje prenášané teplo skupenským teplom vyparovania a súčasne neumožňuje nárast teploty cirkulujúceho koncentrátu o viac ako 0,55 K (1 F). Čistá destilovaná voda pri teplote a tlaku kondenzácie prechádza cez predhrievač, aby sa prenieslo účelné teplo systému na vstupujúci privádzaný prúd. A súčasne časť koncentrátu sa odstráni z tepelného separátora, aby sa udržala požadovaná koncentrácia nečistôt. Odpadový prúd koncentrátu pri teplote a tlaku vyhrievaného separátora prechádza cez prídavný predhrievač, aby sa zvyšná účelná tepelná energia preniesla na privádzaný prúd. Na odstránenie alebo zachovanie nečistôt počas destilácie sa môžu použiť ďalšie techniky predbežného spracovania a dospracovania, buď prerušovane alebo kontinuálne. Na ďalšie zlepšenie destilačného procesu sa môžu použiť spôsoby na kontrolu pH, ktoré môžu byť použité na ionizáciu prchavých komponentov alebo na pozmenenie podmienok rozpustnosti v koncentráte.

Spätne získaná destilovaná voda môže byť regulovaná na úroveň čistoty a na úroveň teploty, preto je možné ju použiť ako vodu v procesoch, ako destilovanú vodu alebo je možné ju vypustiť späť do prírodnej vody, pričom jej kvalita dosahuje a prevyšuje štandardy pre vodu v okolitom prostredí.

Tento spôsob sa môže využiť na dekontamináciu priemyselne využívanej vody, ako je voda v rafinériách, v petrochemickom priemysle, vo výrobe celulózy a papiera, v potravinárskom priemysle, v baníctve, v automobilovom a inom transportnom priemysle a vo výrobe. Ďalej je možné použiť tento spôsob na vypúšťanie extrakčnej vody, na odsoľovanie, na úpravu podzemnej vody, čistenie pitnej vody, pri obnove kalojemov, pri obnove vody z ropných poli a tiež pri výrobe akejkoľvek formy vody pre ohrievače. Tento zoznam nie je konečný, ale predstavuje len možné príklady.

Vynález jc ďalej opísaný pomocou obrázkov, ktoré ilustrujú výhodné uskutočnenia predkladaného vynálezu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obrázok 1 je schematické znázornenie celkového spôsobu podľa jedného z uskutočnení opisovaného vo vynáleze.

Obrázok 2 je alternatívne uskutočnenie z obrázka 1.

Obrázok 3 je ďalšia alternatíva uskutočnenia z obrázka

1.

Obrázok 4 schematicky znázorňuje typický tlak a teplotu vyparujúcich komponentov.

Obrázok 5 sú krivky kondenzácie/vyparovania systému regeneračného výmenníka.

Obrázok 6 schematicky znázorňuje priebeh prúdenia v regenerátore výmenníka tepla typu platňa/platňa.

Obrázok 7 je graf znázorňujúci úroveň vyparovania cirkulujúcej tekutiny v regenerátore vztiahnutú na pomer hmoty cirkulujúcej tekutiny ku hmote pary.

Obrázok 8 je graf znázorňujúci výsledný lokalizovaný koncentračný efekt v regenerátore pri rozdielnych frakciách pary.

Obrázok 9 je graf ukazujúci údaje získané zo skúšky destilačnej jednotky.

Rovnaké čísla použité v texte označujú rovnako očíslované prvky alebo časti zariadenia.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Obrázok 1 znázorňuje jeden z príkladov uskutočnenia predkladaného vynálezu.

Kontaminovaný privádzaný prúd vody, všeobecne označovaný číslom 10 je zavedený do kroku predbežnej úpravy, všeobecne označovanej 12 na odstraňovanie nerozpustných prchavých látok a/alebo na úpravu pH a na úpravu kontaminovaného privádzaného prúdu vody 10. Prchavé komponenty sú odvádzané z privádzaného prúdu v 14, menej prchavé komponenty sú odvádzané z privádzaného prúdu v 16. Predupravený privádzaný prúd odchádza z 12 a potom prechádza do predhrievača 18 na zvýšenie teploty privedeného prúdu, na zvýšenie regenerácie účelného tepla pred vstupom do vyhrievaného separátora 20. Privádzaný prúd sa môže rozdeliť na niekoľko prúdov, ktoré prechádzajú cez predhrievače na regeneráciu sekundárneho účelného tepla, na maximalizáciu celkového regeneračného potenciálu jednotky. Takéto usporiadania ocenia odborníci v stave techniky. Viaceré predhrievače môžu byť usporiadané ako jeden viacfunkčný predhrievač, alebo ako oddelené pracovné jednotky predhrievača označené ako 18 a 22. Oddelené privedené prúdy sú zmiešané a zahriate na teplotu blízku teplote vyhrievaného separátora pred vstupom do vyhrievaného separátora 20. Ak je to požadované, môže byť privádzaný prúd tiež zavedený do núteného obehu, aby sa vytvoril lokálny zried’ovací efekt v regenerátore. Vyhrievaný separátor sa môže skladať z viacerých oddelených jednotiek, ako je cyklonálny separátor. Nižšia časť celkovo označovaná číslom 22, má cyklonálny účinok na suspendovanie pevného materiálu v koncentráte a na vyprázdňovanie, čo je označované ako odpadový prúd alebo koncentrovanie, čo označuje línia 24. Rýchlosť kontinuálneho alebo prerušovaného odpadového prúdu reguluje koncentráciu komponentov vo vyhrievanom separátore 20, čím reguluje stupeň nasýtenia koncentrátu, stupeň presýtenia, následnú precipitáciu tuhej látky a teplotu varu vo vyhrievanom separátore 20. Odpadový prúd 24 pri teplote vyhrievaného separátore 20 prechádza cez druhotný predhrievač 26 na prevod tepla na privádzaný prúd cez líniu 28. Odpadový prúd 24 je redukovaný na teplotu okolo 257, 65 K (3 F) na priblíženie k teplote privádzaného prúdu v 22. Horná časť vyhrievaného separátora 20, obsahujúca takmer nasýtený prúd pary, slúži na separáciu plyn/kvapalina a môže obsahovať charakteristické časti ako sieťová vložka (nie sú znázornené) na zhlukovanie kvapiek z prúdu pary. Para prítomná vo vyhrievanom separátore 20, všeobecne označovaná líniou 30, predstavuje environmentálnu kvalitu destilátu a v závislosti od komponentov prítomných v privádzanom prúde môže byť buď pitnou vodou alebo vodou napájajúcou ohrievač. Para je prenášaná do kompresora 32 na zvyšovanie tlaku a teploty prúdu pary na teplotu vyššiu, než je teplota vyhrievaného separátora 20. Prúd pary pri určitom tlaku (vrátene vákua) opúšťa vyhrievaný separátor. Táto para je primáme nasýtená pri podmienkach vyhrievaného separátora 20, aj keď sa môže stať presýtená, ak koncentrát obsahuje komponenty v dostatočnej koncentrácii na to, aby sa zvýšila teplota varu pary. Tento jav je známy ako nárast teploty alebo BPR a mal by byť pochopený tak, že kompresia môže byť vhodne kompenzovaná. Dodatočne dodaná energia dodaná prúdu pary určuje požadovanú LMTD alebo tepelnú hnaciu silu nevyhnutnú na uskutočnenie tepelného prenosu v regeneračnom výmenníku tepla všeobecne označovanom číslom 34.

Kompresor alebo ventilátor označovaný číslom 32 môže byť akékoľvek zariadenie známe v odbore, ktoré môže vyvolať tlak asi od 1,37.10⁴ Pa do 6,8.10⁴ Pa (2 do 10 psi) v pare a prietok požadovaného stupňa hmoty pary. Aktuálny spád požadovaný kompresorom 32 je špecificky určený pre každú jednotku podmienkami vyparovania vo vyhrievanom separátore 20 a požadovaného LMTD pre regenerátor 34. Para opúšťajúca kompresor 32 je primáme prehriata. Stupeň prehriatia je závislý od výstupného tlaku a účinnosti kompresora 32.

Regeneračný výmenník 34 pracuje na kondenzovaní stlačenej pary získanej z kompresora 32 na destilát vypustený z regenerátora 34 cez zberač kondenzátu označovaný číslom 36. Tento krok zachytáva prehriatie a latentné teplo prúdu pary je prenášané pomocou tepelnej hnacej sily na cirkulujúci prúd koncentrátu označený číslom 38. Destilát akumulovaný v zberači 36 je vo všeobecnosti nasýtená kvapalina pri špecifickej teplote a tlaku. Dodatočné účelné teplo obsiahnuté v destiláte je spätne získané prechádzaním teplého destilátu s využitím čerpadla 40 späť cez predhrievač 18, kde vychádzajúci prúd je ochladený na teplotu asi 257,65 K (3 F) ako vchádzajúci privádzaný prúd z 12.

Bolo zistené, že využitím koncentrátu cirkulovaného čerpadlom 42 na cirkuláciu predpísanej kvantity koncentrátu z vyhrievaného separátora 20, cez regeneračný výmenník 34, sa pozorujú významné výsledky bez rizika znečisťovania alebo zanášania povrchov výmenníka. Kvantita cirkulujúcej hmoty koncentrátu je špecificky zvolená tak, aby bola v intervale menej než 300 až asi 2, týmto je presne tvorená frakcia pary od menej než 1 % do menej než 50 % v prúde 38 vystupujúceho z regeneračného výmenníka 34. Hmota tohto prúdu sa môže meniť a môže byť nastavená pre požadované parametre pomocou riadiaceho zariadenia všeobecne označovaného číslom 44. Špecifickejšie, požadovaná hodnota pre frakciu pary vo vychádzajúcom cirkulujúcom prúde 38, uvažujúc najkontaminovanejší prúd, je menej než 10 % frakcie pary. Para tvorená v prúde 38 je úmerná množstvu prechádzajúceho cez kompresor a spätne získaného ako destilát v 46. Para získaná v regeneračnom výmenníku 34, aj keď vo frakcii s veľmi malou hmotnosťou (asi 1 % až 10 % hmotn. cirkulujúcej hmoty), absorbuje najviac tepla preneseného z kondenzujúcej strany regenerátora 34. Výber cirkulujúceho koncentrátu v pomere k frakcii pary je dôležitým faktorom pri redukcii znečisťovania a usadzovania. Tento parameter je najdôležitejší na zabezpečenie veľmi nízkeho nárastu teploty koncentrátu cirkulujúcej tekutiny na udržiavania efektívneho LMTD bez kríženia teploty v regeneračnom výmenníku 34. Akýkoľvek tepelný nárast bude rýchlo eliminovaný LMTD a tepelný prenos je zastavený. Napríklad, ak tlak cirkulujúceho koncentrátu je zvyšovaný v regenerátore tak, že z tekutiny nemôže byť tvorená para, teplota bude vzrastať absor pciou účelného tepla až do neexistencie LMTD a teda tepelný prenos bude zoslabený. Spätný tlak koncentrátu cirkulujúceho systému je tvorený stratami statickej výšky a tlakovej výšky aje želané, aby bol minimálny. Je známe, že ak spätný tlak je primáme rovnajúci sa strate statickej výšky vertikálneho výmenníka, tak úbytok dynamického tlaku výmenníka je minimalizovaný. Tok cirkulujúceho koncentrátu jc potom vybraný na získanie asi 1 % až 10 % frakcie pary vo výstupnej línii 38. Výsledný teplotný nárast je veľmi nízky a LMTD je udržiavaná pri jeho navrhnutej hodnote.

Obrázok 2, znázorňuje schému alternatívneho spôsobu, ktorý umožňuje pre odpadový prúd 24 z vyhrievaného separátom 20, aby bol nastavený až na celkový koncentračný efekt alebo koncentračný faktor (CF) systému, čím tvorí presýtený koncentrát s ohľadom na jeden alebo viacej komponentov, čo spôsobuje precipitáciu. Tak pevné látky tvorené vo vyhrievanom separátore 20, ako aj odpadový prúd 24 prechádza cez separačné zariadenie pevná látka/kvapalina, všeobecne označované číslom 50 na odstránenie tuhej látky alebo kalu. Ako alternatíva, separačné zariadenia pevná látka/kvapalina 50 môže byť umiestnené medzi čerpadlom regenerátora 42 a výmenníkom 34 v postupne alebo celkovo prúdiacej zostave. Spätne získaná kvapalina je ďalej recyklovaná spätne na vyhrievaný separátor 20 označená ako 52 a podiel reprezentujúci kvantitu odpadového prúdu je ďalej prenášaný cez predhrievač 26 na znovu zahrievanie a chladenie na teplotu asi 257,65 K (3 F). Separačné zariadenie pevná látka/kvapalina 50 môže byť akéhokoľvek typu, ako hydrocyklón, centrifugálny usadzovač, gravitačný usadzovač, odstredivka, dekantačný separátor, známe odborníkom v odbore. Tento proces je čiastočne atraktívny, ak je hlavným predmetom spätné získanie zlúčeniny vo forme pevnej látky, alebo keď má zlúčenina významnú komerčnú hodnotu.

Obrázok 3 znázorňuje ďalší spôsob, v ktorom prúd pary môže obsahovať podiel jednotlivej nečistoty z privádzaného prúdu. Vyhrievaný separátor 20 je vybavený frakcionačnými kolónami 54 pred kompresorom 32 a nasávacím potrubím 30 kompresora. Kolóna 54 je využitá na frakcionáciu a vymývanie nečistoty využijúc viacnásobné podlažia v spojení s refluxom čistej studenej vody označenej číslom 56. Reflux môže byť smerovaný z hociktorého vrchného prúdu alebo dolného prúdu predhrievača 18 alebo v kombinácii, čo závisí od požadovanej teploty refluxu. Táto obmena spôsobu je atraktívna vtedy, keď privádzaný prúd obsahuje napríklad prchavé látky ako uhľovodíky, glykoly, amoniak atď.

Obrázok 4 znázorňuje typické vzťahy pre tlak a teplotu rozličných vyparujúcich prúdov.

Číselné údaje na diskusiu sú použité z obrázku 1 až 3. Napriek tomu, že na príklade sú ukázané presné parametre procesu, môžu sa modifikovane prispôsobovať špecifickým aplikáciám destilácie. Tieto schematicky ukazujú podmienky kladené na tekutinu bez nárastu teploty varu a vyhrievaný separátor 20 pracujúci pri mierne zvýšenom atmosférickom tlaku 1,1.10⁵ Pa (16 psi) a 373,47 K (212,5 F). Teplotný nárast cirkulujúceho koncentrátu je nižší než 0,55 K (1 F) pre pokles tlaku regenerátora 1,7.10⁴ Pa (2,5 psi). Frakcia pary cirkulujúceho prúdu je asi 10 %. Približné podmienky pre regeneračný výmenník 34 sú prezentované na krivke vyparovania/kondenzácie ako ukazuje obrázok 5. Na kondenzujúcej strane výmenníka prehrievaný prúd vstupuje pri bode C pri asi 394,26 K (250 F) a 1,48.10⁵ Pa (21,5 psi) a je kondenzovaný pri tlaku nasýtenia pary pri bode C', asi 384,71 K (231,8 F) a 1,476.10⁵ Pa (21,4 psi). Táto oblasť je často označovaná ako zóna chladenia prehriatej pary a obsahuje asi 2 % plochy povrchu výmenníka. Prostredníctvom plochy udržiavajúcej zóny je uvoľnené latentné teplo kondenzácie. Mierny pokles tlaku a teploty, ktorý nastane vo výmenníku 34, je spôsobený vlastným poklesom tlaku tepelného výmenníka. Výstupné podmienky potom sú asi 383,97 K (231,6 F) a 1,47.10⁵ Pa (21,4 psi). Teplota povrchu na kondenzujúcej strane bude nižšia, než teplota nasýtenia vstupujúcej pary, týmto sa tvorí kondenzovaný film na povrchu tepelného výmenníka. Tepelný prenos bude preto podmienený vlhkou stenou udržujúcou efektívnu teplotu filmu na teplote nasýtenia pary. Destilát bude stekať z výmenníka do zberne kondenzátu 36 pri bode D, držiac regenerátor bez kvapaliny a vystavujúci všetky povrchy tepelného výmenníka na proces kondenzácie.

Na vyparujúcej strane koncentrát vstupuje do výmenníka protiprúdovo zo spodnej časti pri bode A pri asi 373,47 K (212,5 F) a 1,28.10⁵ Pa (18,6 psi) po prechode cirkulačným čerpadlom 42. Cirkulačná rýchlosť je nastavená tak, aby pomer hmoty koncentrátu bol aspoň 10-krát väčší než množstvo pary. Teplota koncentrovanej tekutiny začína vzrastať na bod A', na úroveň asi 373,82 K (213,2 F) ako je bod B, kde je prekonaná statická výška a tlak je redukovaný na 1,11.10⁵ Pa (16,1 psi). Keď koncentrát stúpa vo výmenníku 34, začína sa vytvárať para núteným prúdením absorbujúc prenesené latentné teplo. Zvyšovaním hmotnosti tekutiny na vyparujúcej strane až do kým pomer cirkulujúcej hmoty ku hmote pary nevybočí z požadovaného intervalu, efekt varu a stabilný bublinkový var v oblasti je kontrolovaný počas núteného prúdenia. Vzhľadom na veľkú hmotu toku kvapaliny, povrch prenosu tepla sa udržuje vlhký pri teplote rovnajúcej sa teplote nasýtenia novo formovanej pary. Ďalším zabezpečením je, že rýchlosť toku (QA¹) pre výmenník je pod 18927,55 kg.s'³ (6000 BTU hr'fť²), je udržiavaný teplotný nárast na vyparujúcej strane pod 0,55 K (1 F) a vlhký film povrchu, čím je eliminované riziko usadzovania. Ak je rýchlosť toku vysoká, okamžité zrýchlenie pary a pokles tlaku dočasne prevyšuje prípustnú statickú výšku, čo sa prejaví v dočasnej nestabilite spätného toku a je možné zrútenie vlhkého teplo prenášajúceho povrchu, čo má za následok znečisťovanie teplo prenášajúceho povrchu. Pod rýchlosťou toku 18927,55 kg.s'³(6000 BTU hť'fť²) a v rozsahu intervalu cirkulujúceho koncentrátu ku pare nižšom než 300, existuje oblasť, kde kvapalina a para môže koexistovať v stabilnom stave za udržania vlhkého povrchu prenášajúceho teplo na vyparujúcu stranu regenerátora, bez rizika znečisťovania alebo usadzovania.

Odkaz na body A až D je tiež v obrázku 6.

Obrázok 6 znázorňuje pôdorys vysoko účinného výmenníka prenášajúceho teplo 58, známy odborníkom ako tepelný výmenník typu platňa/rám, pomocou ktorého riadky vertikálne orientované a tesnené platňami 60 sú umiestnené medzi dvoma pevnými rámami 62 a 64. Tieto zariadenia sú dobre známe pre ich kompaktné rozmery a schopnosť dosahovať veľmi vysoké U hodnoty alebo celkové koeficienty tepelného prenosu. Tento typ výmenníka usporiadaný ako protiprúdový výmenník a výmenník s jedným prechodom je dobre vyhovujúci pre predkladaný vynález a špecifické návrhy nasledujúcich využití sú:

L Platňový typ výmenníka poskytuje nízky, fixovaný statický spád a veľmi nízky pokles tlaku na koncentráciu cirkulujúcej kvapaliny alebo výpamú stranu, hoci poskytuje relatívne vysoký koeficient tepelného prenosu.

2. Tepelný tok môže byť jednoducho nastavený zväčšením plochy povrchu alebo pridaním platní v danom ráme.

3. Kondenzačná strana výmenníka typu platňa/rám je bez vyprázdňovania a má nízky pokles tlaku, pričom udržiava relatívne vysoký koeficient tepelného prenosu.

4. Koeficient vysoko efektívneho prenosu tepla umožňuje, aby teploty povrchov boli veľmi blízko teplotám oboch prúdov kvapaliny, čím sa redukuje riziko znečistenia.

5. Vysoká turbulencia a úmerne vysoké rýchlosti kvapaliny vedú k nízkemu znečisťovaniu a udržiavaniu pevných látok v homogénnej suspenzii, keď prechádzajú cez výmenník.

6. Konštrukcia typu platňa/rám nemá žiadne inherentné horúce alebo chladné miesta a žiadne oblasti mŕtveho toku, čím sa znižuje riziko znečistenia alebo usadzovania.

7. Platne sú vyhladené a veľmi dobrá hladká úprava redukuje riziko znečisťovania.

8. Nízke prestoje kvapaliny redukujú riziko precipitácie, lebo je tam nedostačujúci čas na dosiahnutie rovnováhy a tvorbu usadzujúcich zlúčenín.

Všeobecnejšie je platňový typ tepelného výmenníka veľmi kompaktný a môže byť vyhotovený so špeciálnymi zliatinovými platňami na odolávanie korózii a korózii od napätia, často na typy aplikácií odsoľovania. Iné typy výmenníkov, kotlový, dvojrúrkový, rebrovorúrkový, špirálovitý typ, môžu tiež byť brané do úvahy odborníkmi v oblasti, pričom špecifické podmienky pre vynález sú zachované.

Obrázok 7 je graf znázorňujúci preferovaný navrhnutý rozsah, všeobecne označovaný 66 pre pomer cirkulujúcej hmoty vo vzťahu k hmote prúdu pary. Požadovaný interval z asi 10 na 100 zodpovedá frakcii pary menej než 10 % ku 1 %.

Obrázok 8 je graf ukazujúci zodpovedajúci vplyv na lokálny koncentračný faktor CF_VÝmcnnik s ohľadom na riziko ďalšieho presýtenia a precipitácie vnútri tepelného výmenníka. Všeobecne koncentračný faktor môže byť vyjadrený;

CF^Hoyý CFodpadQyý pp',,1 CF_vý_nlp_nn4;

Koncentrácia, ktorá dosahuje stacionárny stav vo vyhrievanom separátore, je spôsobená ustáleným odstránením pary v rovnováhe s kontinuálnym odpadovým prúdom z vyhrievaného separátora. Hodnota CF_cclliov4 je od menej než 5 do asi 20-krát a závisí od úrovne a typu kontaminácií v privádzanom prúde. Tiež závisí od úrovne hmoty pary opúšťajúcej regenerátor, zodpovedajúce CF výmenník je určené (medzi 1,0 a 1,1) a rýchlosť odpadového prúdu je nastavená tak, že požadovaná koncentračná úroveň neprevyšuje úroveň v regenerátore. Nasleduje typický príklad:

Privádzaný prúd obsahuje 20,000 TDS, a je požadované jeho nezvýšenie na 100,000 TDS v koncentráte.

Je určený najefektívnejší hmotnostný pomer na 20, zodpovedajúci frakcii pary 5 % z obrázka 7.

CF\_Ýnle._lni<a je určené z obrázka 8 na asi 1,07. CF_cclkovy je vypočítané na (100,000/20000) = 5.

CF_odMdovčh0p_rúdu je vypočítané na (5/1,07) = 4,7.

Preto korigovaný odpadový prúd bude (1/4,7) = 21 % prívodu privádzaného prúdu.

Použitím procesu rekompresie pary v kombinácii s núteným prúdením tepla teplo prenášaného systému a nasledujúcimi krokmi opatrne selektujúcimi pomer hmoty toku cirkulujúceho systému ku hmote prúdu pary na menej než 300 ku 2, špecifickejší pomer asi 10 ku 100, selektujúcim tepelným tokom na menej než 18927,55 kg.s'³ (6000 BTU hr’ft·²) a riadením odpadového prúdu na dosiahnutie požadovaného koncentračného efektu (CF), sa dosiahne veľmi účinná destilácia vody, ktorá nie je obmedzovaná znečisťovaním a usadzovaním počas dlhých pracovných cyklov. Kombináciou dvoch schém známych spôsobov s jedinečnou konfiguráciou tepelných výmenníkov a požadovaným špecifickým pomerom cirkulujúceho koncentrátu predtým nespomínaných v doterajšom stave techniky, umožňuje využiť predkladaný vynález na poskytnutie efektívneho spôsobu destilácie vody bez nečistôt, bez rizika znečisťovania a zanášania.

Nasledujúce príklady ilustrujú vynález.

Príklad 1

Tento príklad výpočtu je postup demonštrujúci približnú tepelnú bilanciu pre regeneračný výmenník. Tento príklad reprezentuje požadovaný základ destilačnej jednotky požadovanej na spätné získania 53,000 USGPD čistého destilátu z kontaminovaného zdroja.

Informácie pre výmenník

Plocha povrchu	297,28 m² (3200 fť)
Typ	Ohraničený Platňa/Rám
U	3077,62 kg.s/K¹(542 BTU hr’ft-²F-')
Korigovaná LMTD	ΔΤ = 5,71 K (10,33 F)
Vypočítaný prevádzkový
výkon	(297,28)x(3077,62)x(5,71) ((3,200)(542)(10,33)) 5,25.10⁶ kg.s'³.m² (17,908,217 BTU hr¹)
Vypočítaný tepelný	(5,25.10⁶ )/(297,28) ((17,908,217)/(3200)) 1,77.10⁴ kg.s’³ (5596 BTU hr 'ft²)
tok
Kondenzujúca strana
Vstupné podmienky	394,14 K (250 F) @ 1,48.10⁵ Pa (21,5 psi) (predprehrievané)
Výstupné podmienky	383,9 K (231,6 F) @ 1,48.10⁵ Pa (21,4 psi)
Saturovaná kondenzujúca
teplota	384,1 K (231,8 F) @ 1,48.10⁵ Pa (21,5 psi)
Latentné teplo
kondenzácie	618,76 m².s’² (957,6 BTU Ib¹) @ 1,48.10⁵ Pa(21,5 psi)
Prúd toku	2,3 kg.s'¹ (36,7 Usgpm= 18,352 Ib hr¹)
Ochladenia	(2,3).(1,0).(10,06 K) ((18,352)(l,0)(250-231,8 F)) 97887,5 kg.m².s³ (334,006 BTU hr’¹)
Qkondenzácie	(5,25 ,10⁶-97887,5) ((17,908,217-334,006)) 5,15.10⁶ kg. m², s’ (17,574,211 BTU hr¹)
Vypočítaný tok	(5,15.10⁶ )/(618,76) ((17,574,211)/(957,6)) 2,3 kg.s’¹ (18,352 Ib hr¹)
Vyparujúca strana
Vstupné podmienky	373,4 K (212,5 F) @ 1,28.10⁵ Pa

(18,6 psi)

Výstupné podmienky 373,8 K (213,2 F) @ 1,1.10³ Pa (16,1 psi)

Latentné teplo vyparovania 283,9 kg.m².s'³ (968,7 BTU hr’¹) @ l,1.10⁵Pa(16,l psi)

Pomer cirkulujúcej hmoty k hmote pary 10

Rýchlosť cirkulujúceho koncentrátu 23,26 kg.s'¹ (184,926 Ib hr¹)

Tokpary 2,3 kg.s'¹ (18,352 Ibhr“¹)

Percento pary (2,3/23,26) = 10 % ((18,352/184,926))= 10%

Qvwarovania 5,21.10⁶ k_B.m².s’³ (17,778,769 BTU hr¹)

Qú{_elové 37937,5 kg.nŕ.s’³ (129,448 BTU hr’¹)

Qcelkové (5,21.10⁶)+(3793 7,5) ((17,775,747) + (129,448)) 5,25.10⁶ kg.m².s’³ (17,908,217 BTU hr’¹)

Príklad 2

Prototypová zostava bola vyrobená na požadované spätné získanie 10,000 Uspgd čistého destilátu z výluhu kalojemu. Jednotka bola testovaná počas predĺženej periódy a detailné testovacie hodnoty boli získavané v priebehu tejto periódy. Skúšobné riadené úspešné testovanie počas 4 mesačnej periódy ukázalo po kontrolovaní znečisťovania regenerátora a vyhrievaného separátora, že bolo zanedbateľné. Zariadenie použité pri skúšobnom teste zahrnuje Spencer ™ Model GF36204E kompresor predpokladajúci diferenciálny tlak 2,1.10⁴ Pa (3,0 psi). V priebehu testu bol používaný štandardný jednovrstvový tepelný výmenník typu platňa/rám.

Nasledujúce charakteristiky sú pre privádzaný výluh, koncentrovaný odpadový prúd a upravený odtok:

Parameter	Jednotky	Privádzaný výluh⁽²⁾	Odpadový prúd približne 10	Upravený odtok⁽²⁾
BOD	mg ľ¹	26	88	<10
COD		277	1,207	11
TOC	mg T¹	59	549	6
TSS	mg ľ¹	33	145	<2
vss		15	29	<2
TDS	mg ľ'	5,473	53,000	<50
Vápnik	mg ľ¹	96	435	<0,05
Horčík	mg ľ¹	228	1,990	<0,05
Sodík	í?	550	4,650	<2
Železo	mg ľ¹	5	469	0,6
Celkový P	mg ľ¹	1,5	1,5	<0,01
Amoniak ako N	mg ľ¹	53	124	0,38⁽¹>
Celkové alkality ako CaCO,	mg Ľ	2,353	2,930	1
Chloridy	mg ľ¹	217	784	0,2
Sírany	mg ľ¹	350	20,000	<2
Celkové fenoly		0,08	0,45	0,017
Celkové koliformné baktérie	Col/lOOcc	673	<3	0
Farba	TCU	166	800	<5
Zakalenie	NTU	131	220	0,1

Označenie (1) predbežne upravené pH na kontrolu amoniaku

Označenie (2) hodnoty sú uvedené ako priemerné hodnoty počas testovacej periódy.

Odtok je takej kvality, že môže byť vypustený do okolitej vody prevyšujúc prakticky všetky navrhnuté hodnoty. Meraná spotreba energie kompresora bola zaznamenávaná pre rôzne body výkonnosti, vrátane stlmenia kompresora a recirkulačných podmienok. Merané spotreby energie sú ukázané na obrázku 9 ako energia spotreby na 3,785 m³(1,000 Usgal) pre rôzne destiláty. Testovacie hodnoty krivky boli korigované pre nevýkonnosť kompresora cez interval prúdov a bola odvodená hodnota konštantného výkonu 50 KWh/3,785 m³. Počítajúc so štandardnou výkonnosťou kompresora asi 77 %, požadovaný výkon pre vysoko účinnú destilačnú jednotku je asi 65 KWh/3,785 m³. Odpadový prúd priemerne asi 10 % z privádzaného prúdu v priebehu celej testovacej periódy, vedie k štyrom priemerným hodnotám koncentračného faktora (CF) 10. Vizuálna kontrola po testovaní bola kompletná a neukázala žiadne usadzovanie vo vyhrievanom separátore a v regenerátore.

Čo sa týka prístrojov použiteľných v tomto systéme, odborník v odbore môže určiť, aké budú najvýhodnejšie typy vyhrievaných separátorov, predhrievačov, regenerátor, čerpadiel, kompresorov atď. Vhodné sú aj iné modifikácie, ak nejdú nad rámec vynálezu.

Aj keď tu boli opísané konkrétne uskutočnenia vynálezu, tieto nie sú nijako obmedzujúce a pre odborníkov v odbore je zjavné, že súčasťou predkladaného vynálezu sú mnohé modifikácie, pokiaľ nepresahujú rozsah, ako je definovaný v nárokoch.

Priemyselná využiteľnosť

Predložený vynález je aplikovateľný v oblasti destilácie.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Spôsob na odstraňovanie nečistôt z privádzaného prúdu obsahujúceho nečistoty použitím vyhrievaného separátora a tepeiného výmenníka, vyznačujúci sa t ý m , že zahrnuje kroky:

a) v uvedenom vyhrievanom separátore sa vytvorí frakcia pary takmer bez nečistôt a frakcia koncentrovaných nečistôt sa separuje;

b) frakcia pary sa stlačí na zvýšenie teploty frakcie pary nad teplotu vyhrievaného separátora;

c) stlačená frakcia pary sa uvedie do kontaktu s tepelným výmenníkom na tvorbu kondenzovaného destilátu; a

d) výhrevný povrch vyhrievaného separátora a tepelný výmenník sa udržiavajú v kontakte s uvedenou frakciou koncentrovaných nečistôt kontinuálnou cirkuláciou cez vyhrievaný separátor a uvedený tepelný výmenník v pomere cirkulujúceho koncentrátu k hmotnosti pary asi 300 až takmer 2, pričom hmotnosť pary sa rovná hmotnosti destilátu spätne získaného kompresiou frakcie pary, na zabránenie tvorby usadenín a znečisťovania zahrievajúcich povrchov; a

e) odstráni sa časť frakcie koncentrovaných nečistôt z vyhrievaného separátora.
2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že obsahuje ďalej tieto kroky:

- privádzaný prúd sa pred vytvorením frakcie pary v kroku a) predhreje;

- uvedeným tepelným výmenníkom je regeneračný výmenník, a v kroku b) sa ďalej na výhrevnom povrchu regeneračného výmenníka udržujú oblasti stabilného bublinkového varu, čím sa povrch regeneračného výmenníka udržuje mokrý; a

- kondenzovaný destilát v podstate bez nečistôt sa zbiera.
3. Spôsob podľa nároku 2, vyznačujúci sa t ý m , že nasledovne po kroku udržiavania oblastí stabilného bublinkového varu na výhrevnom povrchu regeneračného výmenníka ďalej obsahuje kroky:

i) na precipitáciu aspoň jednej vybranej pevnej látky sa frakcia koncentrovaných nečistôt presýti;

i v) frakcia koncentrovaných nečistôt sa filtruje a

v) spätne sa získa aspoň jedna vybraná pevná látka.
4. Spôsob podľa nároku 3, vyznačujúci sa t ý m , že sa pred zahrievaním privádzaný prúd podrobí kroku predbežnej úpravy.
5. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa t ý m , že sa pri kroku predbežnej úpravy uskutočňuje aspoň jedna z operácií filtrácie, iónovej výmeny, destilácie, precipitácie alebo vyparovania.
6. Spôsob podľa nároku 5, vyznačujúci sa t ý m , že sa ďalej uskutočňuje krok recyklovania uvedenej frakcie koncentrovaných nečistôt spätne získanej z kroku filtrácie.
7. Spôsob podľa nároku 6, vyznačujúci sa t ý m , že sa ďalej uskutočňuje krok meniaci rýchlosť cirkulácie frakcie koncentrovaných nečistôt.
8. Spôsob podľa nároku 7, vyznačujúci sa t ý m , že rýchlosť cirkulácie frakcie koncentrovaných nečistôt sa udržuje tak, aby cirkulovalo od asi 1 % do asi 50 % hmotn. pary.
9. Spôsob podľa nároku 7, vyznačujúci sa tým, že cirkulujúcim množstvom pary je asi 10 % hmotn. pary.
10. Spôsob podľa nároku 7, vyznačujúci sa t ý m , že ďalej obsahuje kroky:

f) frakcia pary z kroku a) prechádza frakčnou kolónou, zatiaľ čo je v kontakte s destilačným refluxom kondenzovaného destilátu, a

g) časť kondenzovaného destilátu sa recirkuluje na frakčnú kolónu ako destilačný reflux.