BRPI0913142B1 - Método para evaporação e possível destilação de líquidos com a assistência de uma bomba de calor - Google Patents

Método para evaporação e possível destilação de líquidos com a assistência de uma bomba de calor Download PDF

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Abstract

método para evaporação e possível destilação de líquidos com a assistência de uma bomba de calor a presente invenção refere-se a um método para a evaporação e possível destilação de líquidos por meio de uma bomba de calor. através do uso de uma bomba de calor (2), (3), (4), (5a, 5b, ), (6), a energia é retirada do reservatório de energia (1) (por exemplo, rios, lagos, oceanos, ar, energia solar ou energia geotérmica). ocalor a uma baixa temperatura é utilizado por meio de uma bomba de calor (2), (3), (4), (5a, 5b, ), (6) através do uso de seu condensador (4) (lado de alta pressão) para evaporar líquidos em um evaporador para líquidos (4') a uma pressão reduzida, e, portanto, uma temperatura reduzida de evaporação. uma bomba ou um compressor (10) após o evaporador para líquidos (4'), junto a um dispositivo de redução de pressão (9) no lado de entrada do evaporador para líquidos (4’), garante a pressão de evaporação reduzida. no caso de destilação, um estágio será exigido para cada destilado. além de compressores (10, 10’, 10’’, ), trocadores de calor intermediários (11, 11’, 11’’, ) com o uso de elementos resfriadores ou aquecedores (16, 16’, 16’’, ) e dispositivos de drenagem (12,12’, 12’’, ), bombas (13, 13’, 13’’, ) são exigidos para manter a pressão de recondensação desejada. além disso, pode-se exigir que as válvulas (14, 14’,14’’, ) assegurem uma dosagem correta de destilados e produtos residuais para os dispositivos de coleta (15, 15’, 15’’, ).

Description

“MÉTODO PARA EVAPORAÇÃO E POSSÍVEL DESTILAÇÃO DE LÍQUIDOS
COM A ASSISTÊNCIA DE UMA BOMBA DE CALOR”
Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se a um método para evaporação de líquidos com a assistência de uma bomba de calor para produzir líquidos evaporados para finalidades industriais ou outros fins técnicos, incluindo a destilação.
Antecedentes da Invenção [002] A evaporação de líquidos é necessária em muitos processos, entre os quais estão, tanto a produção de líquidos evaporados como transportadores de energia (em que o exemplo típico é a produção de vapor) como nos processos de destilação (em que o processo mais conhecido é a produção de etanol a partir de uma solução fermentada de açúcar em água).
[003] O vapor tem muitos usos, na maioria dos casos devido às propriedades térmicas da água que apresenta relativamente alto calor de evaporação, relativamente alta capacidade de calor em todas as três fases e também relativamente alto calor de fusão. Mas o alto calor de evaporação faz com que a produção de vapor seja intensiva de energia, já que muita energia é consumida para evaporar a água. A forma tradicional de produção de vapor é aquecer água em caldeiras com fontes de energia tradicionais, tais como óleo, gás, forno ou eletricidade. Antigamente, madeira era também usada para este fim, como nas primeiras locomotivas a vapor.
[004] Com a assistência de bombas de calor quantidades significantes de energia podem ser obtidas a partir de vastos reservatórios de energia, tais como rios, lagos, oceanos, ar, radiação solar ou os recursos geotérmicos da terra. O problema é obter temperatura suficientemente alta para evaporar a água. O ponto de ebulição da água é 100° C à pressão de
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1atm. ou 101, 3 kPa.
Tecnologias Conhecidas [005] Já são conhecidas:
1. Patente americana US 4.345.971 A1 (Watson) datada de 24/08/1982, que se refere à destilação com uma bomba de calor.
2. Patente alemã DE 33 27 958 A1 (Sasakura) datada de 09/02/1984, que se refere à destilação de água salgada com uma bomba de calor.
3. Patente americana US 4.770.748 A1 (Roncell) datada de 13/09/1988, que se refere ao sistema de destilação a vácuo.
Descrição da Invenção [006] A vantagem da presente invenção está na maneira como o calor de baixa temperatura produzido por uma bomba de calor é usado para evaporar líquidos.
[007] A invenção permite o uso do calor de baixa temperatura produzido por uma bomba de calor em seu condensador (lado de alta pressão) para evaporar líquidos sob uma pressão reduzida e então a uma temperatura reduzida de evaporação. Por exemplo, reduzindo-se a pressão a 10kPa (aproximadamente 0,1atm.), a temperatura de evaporação da água será reduzida para 45,8°C. A maioria dos refrigerantes no mercado tem uma temperatura de condensação máxima abaixo ou levemente acima de 100°C o que não é uma temperatura suficiente para evaporar a água à pressão atmosférica.
[008] Reduzindo-se a pressão de evaporação, será possível evaporar, por exemplo, água com uma bomba de calor. Após a evaporação o vapor deve ser comprimido para obter-se uma temperatura e pressão de trabalho.
[009] O objetivo da presente invenção é fornecer energia para a
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3/12 parte mais intensiva de energia na produção de vapor (a transição da fase líquida para a fase gasosa) a partir de um reservatório natural.
[010] Problemas similares, conforme descrito anteriormente, ocorrem quando líquidos são evaporados em processos de destilação, e a presente invenção pode também ser aplicada a um processo de destilação, por exemplo, para a produção de álcool em várias formas sendo a mais típica. Pode também ser aplicada para separação de líquidos, tal como a separação de produtos de óleo a partir de areia de alcatrão/resina.
Breve Descrição dos Desenhos [011] A Figura 1 mostra uma modalidade exemplificativa que ilustra o método com um processo de destilação para extrair dois produtos destilados a partir de uma solução.
Descrição Detalhada da Invenção
1) Reservatório de energia para a bomba de calor.
[012] Podem ser rios, lagos, oceanos, ar, energia solar ou energia geotermal. Na Figura 1 uma seção transversal de um rio é mostrada como um reservatório.
2) O evaporador da bomba de calor.
[013] Esta é o lado de baixa pressão da bomba de calor onde o refrigerante é aquecido e evaporado pelo calor retirado do reservatório de energia (1).
3) O compressor da bomba de calor.
[014] Aqui o refrigerante é comprimido a uma alta pressão e temperatura para permitir a evaporação de líquidos no próximo estágio.
4) O condensador da bomba de calor, (vide item 4’) [015] Este é o lado de alta pressão da bomba de calor em um trocador de calor, onde o refrigerante é resfriado e recondensado pelos líquidos sendo evaporados.
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4/12 a, b,...) Os possíveis trocadores calor adicionais da bomba de calor para resfriamento do refrigerante, (vide item 5’ a, b,...) [016] Dependendo da operação do sistema e das propriedades térmicas do refrigerante, pode ser possível utilizar a energia do refrigerante em estado condensado no lado de alta pressão da bomba de calor para préaquecer a água ou líquidos a serem evaporados. Para melhor utilizar esta energia, o pré-aquecimento pode ser executado em múltiplos estágios. Alternativamente, a energia pode ser usada para outros fins.
6) A válvula de redução de pressão da bomba de calor.
[017] Esta válvula reduz a pressão do lado de alta pressão da bomba de calor para seu lado de baixa pressão. Isto altera a temperatura de evaporação/saturação do refrigerante e fará com que o refrigerante evapore novamente no lado de baixa pressão.
7) Dispositivo para fornecimento de líquidos a serem evaporados.
[018] Esta é uma admissão de água ou entrada de líquidos a serem evaporados, alternativamente, pode ser tanque(s) ou recipiente(s) com os mesmos.
8) Possível bomba de fornecimento ou dispositivo de alimentação para líquidos.
[019] Este dispositivo pode ser necessário se, por várias razões, há uma grande queda de pressão no lado de fornecimento ou é necessário medir o fornecimento de líquidos.
5’a, b,...) Possíveis trocadores de calor para pré-aquecimento de líquidos, (vide item 5 a, b,...) [020] Dependendo das características de operação do sistema e das propriedades térmicas do refrigerante, pode ser possível utilizar o calor do refrigerante em estado condensado no lado de alta pressão da bomba de calor para pré-aquecer os líquidos. Para melhor utilização deste calor, o préPetição 870180166881, de 21/12/2018, pág. 13/24
5/12 aquecimento pode ser executado em múltiplos estágios.
9) Possível válvula de redução de pressão ou dispositivo para controle da pressão de evaporação dos líquidos.
[021] Para manter a pressão necessária para evaporar os líquidos, uma válvula ou outro dispositivo pode ser necessário no lado de fornecimento. Alternativamente, uma elevada coluna (riser) pode ser usada para reduzir a pressão com a ajuda da densidade de ditos líquidos e gravitação; ou uma combinação de ditos métodos pode ser usada.
4’) O evaporador. (vide item 4) [022] Este é o trocador de calor onde os líquidos são evaporados pelo calor do refrigerante no lado de alta pressão da bomba de calor. Os líquidos que devem ser evaporados já estão pré-aquecidos à temperatura de evaporação ou a uma temperatura mais alta em (5’a,b,...) ou serão préaquecidos na primeira parte deste evaporador. A evaporação é executada a uma pressão suficientemente baixa.
10) Compressor de vapor.
[023] Este compressor cria baixa pressão de evaporação no evaporador (4’) assim como comprime os líquidos evaporados a uma pressão mais elevada para uso posterior. Em um processo de destilação, este compressor opera no primeiro estágio.
10’) Compressor de vapor por múltiplos estágios em um processo de destilação.
[024] Este compressor comprime os líquidos evaporados no intuito de permitir a extração do próximo produto destilado no próximo trocador de calor. Dependendo de quantos componentes devem ser extraídos, este estágio será repetido de acordo com o número de vezes necessário no intuito de separar todos os destilados.
11) Trocador de calor intermediário, (vide item 16)
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6/12 [025] Este é o primeiro de possíveis múltiplos estágios de trocadores de calor, tanto para posterior aquecimento dos líquidos evaporados, como para a recondensação de uma série de destilados um após o outro.
11’) Trocador de calor intermediário, (vide item 16’) [026] Este é um possível segundo estágio de trocadores de calor. Normalmente serão um ou mais estágios em um processo de destilação.
11”) Trocador de calor intermediário, (vide item 16”) [027] Este é o possível próximo estágio em um múltiplo processo de destilação. Os líquidos evaporados remanescentes são direcionados a um novo estágio de compressão; quando todos os destilados são extraídos os resíduos remanescentes são direcionados para uma saída (18).
[028] Dependendo de quantos componentes devem ser extraídos, este estágio juntamente com o compressor de vapor por múltiplos estágios (10’) serão repetidos o número de vezes necessário no intuito de separar todos os destilados.
12) Dispositivo de drenagem para produtos não evaporados remanescentes.
[029] Esta é uma possível saída ou a drenagem dos produtos que não devem ser evaporados em um processo de destilação. Se água salgada deve ser destilada, este dispositivo deve também ser capaz de remover o sal e outros sólidos.
12’) Dispositivo de drenagem para resíduos evaporados e recondensados.
[030] Este é uma possível saída ou uma drenagem dos líquidos que são parcialmente evaporados no evaporador (4’), mas não desejados como destilados. Normalmente este dispositivo não é usado porque o trocador de calor intermediário (11) pode ser atribuído de forma que os ditos resíduos recondensados possam fluir de volta para dentro do evaporador (4’) para
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7/12 serem drenados pelo dispositivo de drenagem ou saída (12).
12”) Dispositivo de drenagem para destilados.
Aqui o primeiro destilado é drenado.
12”’) Dispositivo de drenagem para destilados.
[031] Aqui o próximo destilado é drenado. Dependendo de quantos componentes devem ser extraídos, este estágio juntamente com o compressor de vapor por múltiplos estágios (10’) e o trocador de calor intermediário (11”) serão repetidos o número de vezes necessário no intuito de separar todos os destilados.
13) Bomba para resíduos não evaporados em um processo de destilação.
[032] Uma bomba ou outro dispositivo para remoção dos resíduos do evaporador de líquidos (4’) é necessário para manter a baixa pressão necessária.
13’) Bomba para resíduos evaporados e recondensados.
[033] Se um dispositivo de drenagem para resíduos evaporados e recondensados (12’) é instalado como uma parte do trocador de calor intermediário (11) será necessário usar uma bomba ou outro dispositivo para remover os resíduos do processo no intuito de manter a baixa pressão de evaporação necessária.
13”) Bomba para destilados.
[034] Para garantir a pressão correta durante o processo de destilação, uma bomba é necessária para drenar o primeiro destilado.
13’”) Bomba para destilados.
[035] Para garantir a pressão correta durante o processo de destilação, uma bomba é necessária para drenar o próximo destilado.
Dependendo de quantos componentes devem ser extraídos, este estágio juntamente com o compressor de vapor por múltiplos estágios (10’), o trocador
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8/12 de calor intermediário (11”) e o dispositivo de drenagem para destilados (12”’) serão repetidos o número de vezes necessário no intuito de separar todos os destilados.
14) Válvula.
[036] Esta válvula é usada no caso em que a possível bomba e/ou o dispositivo de drenagem (12 e 13) não são capazes de medir os resíduos com exatidão suficiente para manter a pressão de evaporação correta no evaporador (4’).
14’) Válvula.
[037] Esta válvula é usada no caso em que a possível bomba e/ou o dispositivo de drenagem (12’ e 13’) não são capazes de medir os resíduos com exatidão suficiente para manter a pressão de evaporação correta no evaporador (4’).
14”) Válvula.
[038] Esta válvula é usada no caso em que a possível bomba e/ou o dispositivo de drenagem (12” e 13”) não são capazes de medir os destilados com exatidão suficiente para manter a pressão de recondensação correta no trocador de calor intermediário (11’).
14’”) Válvula.
[039] Esta válvula é usada no caso em que a possível bomba e/ou o dispositivo de drenagem (12’” e 13”’) não são capazes de medir os destilados com exatidão suficiente para manter a pressão de recondensação correta no trocador de calor intermediário (11”). Dependendo de quantos componentes devem ser extraídos, este estágio juntamente com o compressor de vapor de múltiplos estágios (10’), o trocador de calor intermediário (11”), o dispositivo de drenagem para destilados (12’”) e a bomba para produtos destilados (13”’) serão repetidos o número de vezes necessário no intuito de separar todos os destilados.
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9/12
15) Dispositivo de drenagem ou tanque para resíduos, (vide item 19).
[040] Se os resíduos de um processo de destilação precisarem ser coletados ou processados posteriormente, um tanque ou um recipiente é necessário para coletá-los. De outra forma, eles serão direcionados para uma saída de resíduos.
15’) Recipiente ou tanque para destilados, (vide item 19’)
Aqui o primeiro destilado é coletado.
15”) Recipiente ou tanque para destilados, (vide item 19”) [041] Aqui o próximo destilado é coletado. Dependendo de quantos componentes devem ser extraídos, este estágio juntamente com o compressor de vapor de múltiplos estágios (10’), o trocador de calor intermediário (11”), o dispositivo de drenagem para destilados (12’”), a bomba para produtos destilados (13’”) e a possível válvula (14’”) serão repetidos o número de vezes necessário no intuito de separar todos os destilados.
16) Elemento de resfriamento e aquecimento para o trocador de calor intermediário, (vide item 11) [042] Este é um elemento de resfriamento e aquecimento para um possível trocador de calor intermediário (11). Dependendo da aplicação da invenção, este elemento pode, tanto ser o primeiro estágio do condensador da bomba de calor (4) no intuito de utilizar a temperatura do refrigerante após a compressão, onde o trocador de calor (11) será usado para aumentar a temperatura dos líquidos evaporados e assim reduzir a quantidade de saturação; como ter seu próprio circuito para resfriamento ou aquecimento dos líquidos evaporados. O ultimo pode ser aplicado em um processo de destilação, onde o trocador de calor intermediário (11) será um de mais estágios no processo. Nesta configuração este elemento pode tanto ser conectado com o trocador de calor (4), (5a, 5b,...) para contribuir para o
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10/12 aquecimento dos líquidos no evaporador (4’) e o pré-aquecedores (5’a, 5’b,...), como para formar um circuito separado com um ou mais deles. É também possível conectar o elemento aos trocadores de calor externos para outro uso.
16’) Elemento de resfriamento e aquecimento para trocador de calor intermediário, (vide item 11’) [043] Este é um elemento de resfriamento e aquecimento para um possível trocador de calor intermediário (1Γ). Dependendo da aplicação da invenção, este elemento pode, tanto ter seu próprio circuito para resfriamento ou aquecimento dos líquidos evaporados, como ser conectado com o elemento de resfriamento e aquecimento para trocador de calor intermediário (16). Se esse elemento tiver seu próprio circuito, pode ser conectado como descrito para o elemento (16).
16”) Elemento de resfriamento e aquecimento para trocador de calor intermediário, (vide item 11”) [044] Este é um elemento de resfriamento e aquecimento para um possível trocador de calor intermediário (11”). Dependendo da aplicação da invenção, este elemento pode ter seu próprio circuito para resfriamento ou aquecimento dos líquidos evaporados ou ser conectado com o elemento de resfriamento e aquecimento para os trocadores de calor intermediários (16 e 16’). Os elementos (16, 16’, 16”,...) podem ser conectados em série, em paralelo ou em qualquer combinação adequada. Se este elemento tiver seu próprio circuito, pode ser conectado como descrito para o elemento (16). Dependendo de quantos componentes devem ser extraídos, este estágio é repetido juntamente com o trocador de calor intermediário (11”) quantas vezes for necessário.
17) Dispositivo para regulagem do nível de líquidos no evaporador.
[045] No intuito de evaporar todos os componentes que devem
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11/12 ser separados por destilação, pode ser necessário regular o nível de líquido no evaporador (4’) o qual pode ser feito tanto por um dispositivo designado em qualquer forma ou formato prático, instalado na saída para resíduos (12) ou, por exemplo, simplesmente localizando a saída ou o dispositivo de drenagem (12) em uma posição específica no evaporador (4’).
18) Saída para vapor ou resíduos evaporados de um processo de destilação.
[046] Para a produção de vapor este é o estágio onde o vapor alcançou seu estado final e é direcionado para qualquer uso industrial ou outro uso para o qual seja destinado. Em um processo de destilação, os componentes ainda evaporados e que não devem ser condensados são liberados aqui.
19) Elemento de resfriamento para o dispositivo de drenagem ou tanque para resíduos, (vide item 15) [047] Este é um possível elemento de resfriamento para o resfriamento de resíduos de um processo de destilação. É usado para extrair o calor adicionado aos resíduos no evaporador (4’). Este elemento pode ser conectado com o trocador de calor (4), (5a, 5b,...) para contribuir com o aquecimento dos líquidos no evaporador (4’) e os pré-aquecedores (5’a, 5’b,...). É também possível conectar o elemento aos trocadores de calor externos ou outro uso.
19’) Elemento de resfriamento para recipiente ou tanque para destilados, (vide item 15’) [048] Este é um possível elemento de resfriamento para o resfriamento do primeiro destilado de um processo de destilação. É usado para extrair o calor após a recondensação do primeiro destilado no trocador de calor intermediário (1T). Este elemento pode ser conectado conforme descrito para o elemento (19).
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12/12
19”) Elemento de resfriamento para recipiente ou tanque para destilados, (vide item 15”) [049] Este é um possível elemento de resfriamento para o resfriamento do próximo destilado de um processo de destilação. É usado para extrair o calor restante após a recondensação do próximo destilado no trocador de calor intermediário (11”). Este elemento pode ser conectado conforme descrito para o elemento (19). Dependendo de quantos componentes devem ser extraídos, este estágio é repetido juntamente com o reservatório ou tanque para destilados (15”) quantas vezes for necessário.
Configuração para uma aplicação típica da invenção baseada na
MODALIDADE EXEMPLIFICATIVA MOSTRADA NA FlGURA 1:
A) Produção de vapor.
[050] Para dividir a produção de vapor a partir de água, os elementos da bomba de calor serão: (1), (2), (3), (4), (5a), (para utilização mais eficiente do calor, possivelmente, (5b)), e (6). A admissão de água (7) será normalmente a partir de um reservatório ou uma tubulação de água. Dependendo do fornecimento de água, uma bomba (8) pode ou não ser necessária. O pré-aquecimento da água é executado com um pré-aquecedor (5'a), (para utilização mais eficiente do calor, possivelmente, (5'b)).
[051] Dependendo da altura da admissão de água (7) ou da bomba (8) para o evaporador para líquidos (4'), uma válvula de redução de pressão (9) pode ser necessária para garantir uma baixa pressão de evaporação. A evaporação é executada no evaporador para líquidos (4'). Um trocador de calor intermediário (11) com um elemento de resfriamento/aquecimento (16) é usado para reduzir a saturação de vapor antes que alcance o compressor de vapor (10). Posteriormente, o vapor é passado por uma saída (18) para ser usado para outros fins.

Claims (5)

  1. Reivindicações
    1. MÉTODO PARA EVAPORAÇÃO E POSSÍVEL DESTILAÇÃO DE LÍQUIDOS COM A ASSISTÊNCIA DE UMA BOMBA DE CALOR, e de um evaporador de líquidos (4') que tem uma saida e uma entrada, em que a bomba de calor inclui um evaporador de refrigerante (2), um condensador de refrigerante (4) e um compressor de refrigerante (3) entre eles, o condensador de refrigerante tendo uma entrada e uma saída, o método utilizando o calor de baixa temperatura do refrigerante que passa através do condensador de refrigerante (4), sendo o referido calor reunido a partir de uma fonte de energia térmica a baixa temperatura pelo evaporador de refrigerante, para evaporar líquidos no evaporador (4’) a uma baixa pressão, os liquidos tendo uma redução na temperatura de evaporação, em que o condensador de refrigerante da bomba de calor (4) junto com o evaporador para líquidos (4’) são projetados como um trocador de calor (4, 4’), onde líquidos são aquecidos e evaporados sob baixa pressão no evaporador de líquidos (4') através do calor de baixa temperatura gerado no condensador da bomba de calor (4), onde a pressão de evaporação é reduzida ou com uma válvula de redução de pressão (9) ajustada no lado de entrada do evaporador para líquidos (4’) ou por meio de resistência natural, por exemplo, através do içamento do líquido em uma alta coluna ou uma tubulação para uma entrada do evaporador para líquidos (4’) juntamente com um compressor de vapor (10) para sucção dos líquidos evaporados do evaporador (4’); o método caracterizado por eliminar a saturação dos liquidos evaporados antes dos líquidos evaporados entrarem no compressor de vapor (10) por um aquecimento adicional dos líquidos evaporados deixando o evaporador para líquidos (4’) em um trocador de calor (11) situado a montante do compressor de vapor e a jusante da saída do evaporador de líquidos (4'), o trocador de calor (11) compreendendo um elemento aquecedor (16) aquecido por um refrigerante e
    Petição 870180166881, de 21/12/2018, pág. 22/24
  2. 2/2 tendo uma entrada e uma saída, a entrada do elemento aquecedor em comunicação fluida com um refrigerante da bomba de calor (3) e a saída do elemento aquecedor (16) formando um primeiro estaágio do condensador (4), utilizando a temperatura máxima do refrigerante quando este deixa o compressor de refrigerante da bomba de calor (3) para fornecer o aquecimento adicional dos líquidos evaporados deixando o evaporador de líquidos (4 ').
    2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a bomba ou o compressor (10), cada um tem uma entrada de baixa pressão e uma saída de alta pressão em comunicação fluida com o evaporador e dispostos para criar e manter uma baixa pressão de evaporação no evaporador para líquidos (4’), a bomba ou o compressor aumentando a pressão e a temperatura dos líquidos evaporados na saída da dita bomba ou compressor.
  3. 3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um ou mais trocadores de calor (5a - 5’a, 5b - 5’b,...) são dispostos para utilizar calor produzido pela bomba de calor para pré-aquecer os líquidos antes de passá-los por um grande trocador de calor (4, 4’) onde os líquidos são evaporados.
  4. 4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reividcações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que um ou mais dispositivos de redução de pressão (9) são dispostos para obter uma correta pressão de evaporação; um elevado trocador de calor com uma ou mais colunas ou tubulações reduzindo a pressão dos líquidos que fluem através da gravitação.
  5. 5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, um ou mais trocadores de calor (11’, 11”,...) são dispostos a jusante do compressor (10) para pós-aquecer os líquidos evaporados a fim de obter uma temperatura suficientemente alta, maior do que pode ser obtida apenas através da compressão dos líquidos evaporados.
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