CS259921B1 - Zařízení pro kontinuální adiabatické zahušťování roztoků - Google Patents

Abstract

Podstatou zařízení je to, že pracovní kompresor je sací větvi napojen na odpařovací nádobou a výtlačnou větví na vstup do kondenzátorů rozpouštědla přichyceného ke dnu varného žlabu. Dopravní čerpadlo zahuštované kapaliny je výtlačnou větví napojeno přes systém proti proudých výměníků na vstup do varného žlabu a vývod zahuštěné kapaliny je vyveden přes protiproudý výměník do zásobní nádrže. Odvod kondenzátu ze směrné nádoby je vyveden přes protiproudé výměníky do zásobní nádrže kondenzátu. Při tom pracovní kompresor, odpařovací nádoba s integrovaným kondenzátorem a sběrnou nádobou i všechny protiproudé výměníky jsou od vnějšího okolí tepelně izolovány.

Description

Vynález se týká zařízení pro kontinuální adiabatické zahušťování roztoků a řeší problém totálního využití kondenzačního tepla odpařované kapaliny pro vlastní technologický proces.

Zahušťování roztoků odpařováním rozpouštědla, především v případě vodných roztoků, je proces energeticky velmi náročný a možnosti následného využití kondenzačního tepla odpařené kapaliny jsou především v letním období ve většině průmyslových podniků omezené. V řadě racionálně řešených chemických nebo potravinářských provozů se sice část kondenzačního tepla získá v protiproudých výměnících a využívá např. pro předehřev surovin pro jiný technologický proces. Značná část tepla uvolněného při kondenzaci odpařené kapaliny, někdy i všechno teplo však odchází z provozu do okolního prostředí jako tzv. <pdpadní, nízkopotenciální nevyužitelné teplo. Ze známých případů, kde se podstatná Část kondenzačního tepla uvolněného v zařízení využívá pro vlastní technologický proces, je možno jmenovat především destilační kolony a jeden ze známých postupů přípravy pokrmů - dušení.

Problém totálního využití kondenzačního tepla kapalin odpařených při vlastním technologickém procesu řeší zařízení pro kontinuální adiabatické zahušťování roztoků podle vynálezu. Zařízení sestává z odpařovací nádoby, pracovního kompresoru s kondenzátorem par odpařeného rozpouštědla, dopravního čerpadla zahušťované kapaliny, systému protiproudých výměníků pro předehřev zahušťované kapaliny a zásobních nádrží zahušťované a zahuštěné kapalin i kondenzátu rozpouštědla. Podstata vynálezu spočívá v tom, že pracovní kompresor je sací větvi.napojen na odpařovací nádobu a výtlačnou větví na vstup do kondenzátoru par rozpouštědla přichýceného ke dnu varného žlabu odpařovací nádoby.

Dopravní čerpadlo zahušťované kapaliny je výtlačnou větví napojeno přes systém protiproudých výměníků na vstup do varného žlabu odpařovací nádoby. Vývod zahuštěné kapaliny ze sběrné jímky je napojen přes protiproudý výměník pro ohřev zahušťované kapaliny do zásobní nádrže zahuštěné kapaliny. Odvod kondenzátu rozpouštědla ze sběrné nádoby je napojen přes druhou větev protiproudých výměníků do zásobní nádrže. Při tom pracovní kompresor, odpařovací nádoba s integrovaným kondenzátorem a sběrnou nádobou kondenzátu i všechny protiproudé výměníky jsou od vnějšího okolí tepelně izolovány.

Výhodou zařízení podle vynálezu je to, že potřeba energie pro vlastní zahušťování je minimálně desetkrát nižší než u zahušťovacích zařízení soudobých typů, možnost odpařovat rozpouštědlo za sníženého tlaku, dále to, že při jedné technologické operaci se získá jak žádaná zahuštěná kapalina, tak Čisté rozpouštědlo.

Na obr. 1 je obecné schéma zařízení podle vynálezu, na obr. 2 je ve zjednodušeném schematickém řezu příklad jednoho z možných konstrukčních řešení odpařovací nádoby s integrovaným kondenzátorem par rozpouštědla.

Zařízení sestává z odpařovací nádoby j?, jejíž dno tvoří jeden nebo více varných žlabů

2.1 uspořádaných do spádu a ústících do jímky 2.2 zahuštěné kapaliny. Ke dnu odpařovací nádoby je přichycen kondenzátor 3. par rozpouštědla, napojený sérií trubek 3.3 dílčího svodu kondenzátu do sběrné nádoby 3j4. Na obr. 1 jsou schematicky zakresleny i skapávací plechy

3.1 kondenzátu na teplosměnné ploše mezi kondenzátorem a odpařovacím žlabem a přepážky 3.2 u jednotlivých trubek 3.3 dílčího svodu kondenzátu.

Pracovní kompresor I. je sací větví napojen na odpařovací nádobu 2 přes odlučovač 1.1 kapek vroucí zahušťované kapaliny 2.3 stržených proudem par k sacímu otvoru. Výtlačná větev kompresoru (exhaustoru) 1^ je napojena na vstup do kondenzátoru 3,. Zahuštěná kapalina je ze sběrné jímky 2.2 vyvedena přes automatický odpouštěcí venitl 2<4 do protiproudého výměníku 4_ a odtud do sběrné nádrže zahuštěné kapaliny. Kondenzát rozpouštědla je ze sběrné nádoby 3.4 vyveden přes samočinný odpouštěcí ventil 3.5 do protiproudého výměníku 5.1 a odtud přes protiproudý výměník 5. do sběrné nádrže 10 kondenzátu rozpouštědla. Zahušťovaná kapalina je ze zásobní nádrže 1_ dopravována čerpadlem £ přes paralelně napojené protiproudé výměníky 4 a do výměníku 5.1 a odtud přes startovací a pomocný výměník 6. na vstup do varného žlabu 7.1.

Vzájemný poměr m^:m₂ podílů zahušEované kapaliny protékající výměníky 4 a 5 ]θ udržován regulačními Šoupátky 8.1 a 8.2. Varná nádoba 2, kondenzátor 2, sběrné nádrže 2 a 10. jsou opatřeny kombinací uzavíracího a dvoucestného ventilu 2.6, 3.6, 9.2 a 10.2 pro zavzdušnění příslušné sekce zařízení nebo její napojení na pomocnou vývěvu před startem studeného zařízení.

Dvbucestné ventily 9.3 a 10.3 slouží pro evakuaci nádrží 2 a 12 před vypouštěním obsahu z nádrží 2 ^a 10 ^a naopak k jejich zavzdušnění před vypouštěním kapalin ze zařízení. Symbolem V je označeno připojení příslušných ventilů na pomocnou vývěvu (před startem studeného zařízení nebo před přepouštěním obsahu sběrných nádrží). Soubor dvoucestných ventilů 9.1,9.4, 71 a 7.2 umožňuje nastavit jakoukoliv potřebnou kombinaci proudění kapalin mezi nádržemi 7_,

2, 10 (např. při proplachování zařízení čisticí kapalinou z externího zdroje a jejím jímáním do nádrže 2» recirkulaci zahušEované kapaliny při startu studeného zařízení apod.).

Funkce‘-září zení je tato: ZahušEovaná kapalina 2,3 stéká samospádem varným žlabem 2.1 a teplem předávaným dnu varného žlabu kondenzátorem 2 j® udržována ve varu. Pracovní kompresor (exhauStor) 2 nasává sytou suchou páru rozpouštědla přes odlučovač 1.1 stržených kapek vroucí kapaliny o střední teplotě a komprimuje ji na tlak P₂· Výtlačná větev kompresoru 2 í^e napojená na spodní., vstup kondenzátoru 2, který je skapávacími plechy 3.1 a přepážkami 3.2 rozdělen do více sekcí, z nichž je samostatnými trubkami 3.3 dílčího svodu odváděn kondenzát rozpouštědla do sběrné nádoby 3.4.

Ze sběrné nádoby 3.4 je kondenzát o teplotě odpouštěn automatickým ventilem 3.5 přes výměníky 5.1 a 5 do zásobní nádrže 10 kondenzátu. Zahuštěná kapalina o teplotě je z jímky 22 odpouštěna automatickým ventilem 24 přes protiproudý výměník 2 do zásobní nádrže 2· Dopravní čerpadlo 2 čerpá zahušEovanou kapalinu ze zásobní nádrže 2 přes paralelně spojené protiproudé výměníky 2 ^a 2 ^a odtud přes výměníky 51 a 6 na vstup do varného žlabu 2,1. Regulačními šoupátky 8.1 a 8.2 je nastavován poměr 111^:1x12, (m^ + m₂ = m) , kde m^ je množství čerpané kapaliny protékající za jednotku času výměníkem 2, množství čerpané kapaliny protékající výměníkem 2 ^a ih je celkové množství kapaliny čerpané za jednotku času.

Na obr. 1 je naznačeno ideální možné seřízení průtoku oběma výměníky a to takové, že na výstupu z výměníku 2 5 je teplota obou proudů čerpané kapaliny stejná a před vstupem do výměníku 5.1 nedochází ke zbytečným energetickým ztrátám v důsledku nevratného procesu míšení kapalin nestejné teploty. Očelnost začlenění výměníku 5.1 za výměníky 4 a 5 je podmíněna tím, že teplota kondenzátu odváděného ze sběrné nádoby 3.4 je vyšší než teplota zahuštěné kapaliny odváděné ze sběrné jímky 2.2 na vstup do výměníku 2· Na obr. 1 je rovněž naznačeno, že teplota čerpané kapaliny má po výstupu z pomocného výměníku 2 (^v idealizovaném případě již po výstupu z výměníku 5.1) teplotu T^, tzn. teplotu potřebnou pro var dosud nezahuštěného roztoku při tlaku P^ (což je situace na vstupu do varného žlabu 2.1).

V odpařovací nádobě 2 se tudíž ustaví fázová rovnováha kapalina-pára při tlaku P^, ovšem při nestejné teplotě a koncentraci rozpouštěné látky v zahušEované kapalině. Teplota zahuštěné kapaliny (Tp u vtoku do sběrné jímky 2.2 bude vyšší než teplota (T^) nezahuštěné kapaliny na vstupu do varného žlabu 2,1. Pára rozpouštědla o teplotě nasávaná z odlučovače kapek

1.1 do pracovního exhaustoru 2 bude mít tudíž charakter mírně přehřáté páry. Aby se udržela stejná intenzita varu zahušEované kapaliny 2.3 po celé délce varného žlabu 2.1, musí naopak teplota kondenzace přehřátých par rozpouštědla dopravovaných pracovním kompresorem na vstup do kondenzátoru 2 ^s j®ho délkou úměrně klesat. To zajišEuji jak skapávací plechy 3.1, tak přepážky 3.2 před každou trubkou 3.3 dílčího odvodu kondenzátu. Pokles teploty kondenzace (a tudíž i pokles tlaku s délkou kondenzátoru) je na obr. 1 naznačen odstupňovanou výškou hladiny kondenzátu v jednotlivých trubkách 3.3 dílčího svodu kondenzátu do sběrné nádoby 3.4.

V principu může být zařízení dle obr. 1 seřízeno tak, že v odpařovací nádobě 2_ je za provozu podtlak a v kondenzátoru je přetlak, atmosférický tlak nebo ještě podtlak, ve výjimečných případech tak, že jak v kondenzátoru 3, tak v odpařovací nádobě 2 bude v provozních podmínkách přetlak (tato situace přichází v úvahu pouze v případech, kdy budou zahuštovány roztoky látek, u nichž má použité rozpouštědlo bod varu blízký teplotě okolí).

Zařízení je možno uvést do provozního rovnovážného stavu tímto způsobem:

Jednotlivé sekce zařízení se prostřednictvím ventilů 2.6, 3,6, 9.2, 10.2 připojí k pomocné vývěvě a evakují se na hodnotu odpovídající tenzi par rozpouštědla při teplotě okolí (T_o>. Dvoucestné ventily 9.1 a 9.4 se nastaví tak, aby zahuštovaná kapalina z výměníku ± tekla zpět do zásobní nádrže 2 a spustí se pracovní čerpadlo ji·

Regulačním šoupátkem 6.1 se otevře přívod externího tepla (Qg) do pomocného výměníku 2· Po dosažení pracovní teploty T₁ po celé délce varného žlabu 2.1 se zapne pracovní kompresor 2 a plynule s nárůstem teploty ve sběrné nádobě 3.4 kondenzátu se omezuje přívod externího tepla Qg až na nulovou nebo nezbytně nutnou hodnotu, potřebnou pro rovnovážný chod zařízení.

Pro dokonalou funkci zařízení je nezbytné, aby především odpařovací nádoba 2, kondenzátor 2 ^a pracovní kompresor 2 byly od vnějšího okolí co nejlépe izolovány. Za předpokladu ideální izolace těchto částí zařízení budou samotné procesy odpařování a kondenzace na teplosměnné ploše styku kondenzátoru 2» ^s varným žlabem 2.1, nahlíženo globálně z hlediska okolí, probíhat adiabaticky.

Mechanická práce L vnášená do systému pracovním kompresorem 2 ^a pomocné teplo Qg budou ze systému odváděny jak zahuštěnou kapalinou z výměníku £, tak kondenzátem rozpouštědla vytékajícím z výměníku 5. Na obr. 2 je ve schematickém řezu zakresleno jedno z možných konstrukčních řešení uzlové části zařízení a jejich tepelné izolace. Odpařovací nádobu 2 tvoří podtlaková válcová nádoba uzavřená zespodu pevným a seshora odklopným víkem 2.5 s varným žlabem 2.1 vinutým společně s kondenzátorem 2 jako dvojitá spirála p.o vnitřní stěně válce. Ve střední části válcové dutiny je umístěn odlučovač 11 kapek a k jeho výstupu je na přírubu připojen sací větví pracovní kompresor 2·

Trubice vinutého kondenzátoru 2 xiá průřez písmene D přiléhajícího rovnou stranou ke dnu varného žlabu 2.1. Funkci skapávacích plechů 3.1 zajištujících i potřebný gradient tlaku v kondenzátoru zajištuje v tomto případě jeho samotná délka při relativně úzkém průřezu, funkci přepážek 3.2 plní seříznuté konce trubic 3;3 dílčího odvodu kondenzátu zapuštěné v pravidelných odstupech do dna spirály kondenzátoru 2· V takto uspořádané uzlové části zařízení. Izolované z vnější strany např. vrstvou 150 mm tvrdé polyuretanové pěny, bude ztrátové teplo <Q_Z( unikající za jednotku času do vnějšího okolí ve srovnání s kondenzačním teplem (r) převáděným přes teplosměnnou plochu kondenzátor 2 “ varný žlab 2.1 zcela zanedbatelné a v úvahách o celkové účinnosti zařízení se nemusí uvažovat.

Z fyzikálního hlediska představuje kombinace kompresoru 2» odpařovací nádoby 2 a kondenzátoru 2» uspořádaná podle vynálezu, speciální případ tepelného čerpadla, u kterého je chladivém rozpouštědlo protékající kontinuálně ve formě zahuštovaného roztoku varným žlabem 2.1. Odpařovací nádoba 2 je v tomto uspořádání nejen výparníkem tepelného čerpadla, ale i prostředím, kam se odvádí teplo uvolněné v kondenzátoru. Kondenzátor 2 3^e naopak i prostředím, ze kterého výparník tepelného čerpadla teplo odnímá.

λ

S ohledem na to, že množství rozpouštědla (A^), které se ve varném žlabu 2.1 za jednotku češu odpaří je vždy menší, než celkové množství (ih) kapaliny protékající výměníky 5.1 a 6, nebude zpravidla množství tepla předané zahušťované kapalině ve výměníku 5.1 dostačovat na její předehřátí na potřebnou hodnotu T^i Z tohoto důvodu bude zpravidla nutné přivádět i po startu zařízení určité množství tepla (Qg) (srovnatelné s velikostí mechanické práce dodávané do systému kompresorem 2) ^z vnějšího zdroje do pomocného výměníku ji·

Hodnotit účinnost zařízení podle vynálezu bude možno technologickoekonomickým faktorem (^eTE), což je koeficient analogický ne zcela objektivnímu topnému faktoru (^Et) používanému prt hodnocení účinnosti klasických tepelných čerpadel.

(Topný faktor sám o sobě nevystihuje exergetickou kvalitu produkovaného tepla). Faktor &j,_E bude definován vzorcem:

^εΤΕ ~ ®1 ^Z ' ^k<^^e Qj je množství tepla teoreticky potřebného pro získání zahuštěné kapaliny v množství m₂ za jednotku času a navíc pro získání kondenzátu rozpouštědla v množství ráj za jednotku času v případě, že by se neprováděla žádná rekuperace tepla. Q₂ představuje součet mechanické práce L, dodávané do systému za jednotku času kompresorem i a externího tepla Ů_g přiváděného za jednotku času do pomocného výměníku j>.

Za předpokladu, že teplota T' zahuštěné kapaliny vystupující z výměníku 4. je stejná jako teplota kondenzátu vystupujícího z výměníku 5, vyplyne z energetické bilance vztah pro Q₂:

®2 ^{= L +} “ ^(ή1·° ^{+ ň}2-^c9’-^(Tó “ ^To’ ^Α·°·^(τ/> - ^To>' kde c je měrná tepelná kapacita rozpouštědla a c_g měrná tepelná kapacita zahuštěného roztoku v nádrži 9. (U silně zředěných roztoků je možno rozdíl v hodnotách c a c_g zanedbat).

V případech, že jako technologicky žádoucí produkt je hodnocen i kondenzát rozpouštědla (což bude převážná většina případů), vychází pro hodnotu tato bilance:

Teplo nezbytně nutné pro přípravu množství m₂ zahuštěného roztoku za jednotku času bude:

Q' = ň.c_?. (T₇ - Τθ) + iňj.r kde r je střední výparní teplo rozpouštědla při teplotě Tj a Τθ je teplota okolí.

Teplo, teoreticky nutné pro přípravu ihj kondenzátu za jednotku času bude:

Q'' = m^.c. (Τ_χ - Τθ) + m₁.r (Q' + Q~ = Qj) kde c₇ je měrná tepelná kapacita zahušíovaného roztoku v nádrži 7_.

Pro technologickoekonomický topný faktor e_TE vychází:

ε_ΤΕ = DA.c_? + *₁.o) . (Tj-Τθ) + 2 nij.r] / (jrhj-c + m₂.o_g) . (Τθ-Τθ£] , nebo po zjednodušení pro zředěné roztoky:

«_TE * C*-c. (Tj - Τθ) + 2 Aj.fJ/Bl.c. (Τ' - ΤθΠ .

Z uvedeného vztahu vyplývá, že hodnota ε_ΤΕ roste prakticky úměrně s hodnotou ráj a že maximální hodnoty může dosáhnout v případě, kdy zařízení bude seřízeno pro totální destilace (*₂ = 0).

V tom případě by pro í'_TE platil vztah:

^eTE “ ^(T1 - ^To> ^{Z (T}Ó - ^Zo> ^{+ 1 r 7} C^c· ^(t; - ^To0

Např. pro takto připravovanou destilovanou vodu za podmínek chodu zařízení, kdy Tj = = 353 °K, t_o = 293 °K a Τθ = 313 °K vychází:

» 60/20 + 2.2 308/(4,187.20) = 3 + 55,1 = 58 TE *

Na základě výpočtu je možno stanovit, že i při nižším podílu odpařeného rozpouštědla.

(kdy se bude poměr iym pohybovat v rozmezí 0,3 až 0,8), bude se hodnota pohybovat v rozmezí 20 až 50, tzn. bude v průměru o jeden řád vyšáí než topný faktor soudobých tepelných čerpadel voda-voda používaných pro vytápění.

Z rozboru poměrů v odpařovací nádobě 2, kde se může výrazně uplatnit ebulioskopický efekt a tudíž i nutnosti řešit adekvátně konstrukčně i kondenzátor 3,, vyplývá, že zařízení bude muset být konstruováno vždy pro jeden účel nebo pro zahušťování takového souboru roztoků, u kterých budou tepelné poměry ve varném žlabu podobné.

Jako uživatelé zařízení pro adiabatické zahušťování roztoků podle vynálezu přicházejí v úvahu chemický průmysl (zahušťování roztoků solí ve vodě, příprava technické destilované vody) farmaceutický průmysl (příprava destilované vody velmi vysoké čistoty několikanásobnou destilaci, izolace sloučenin a léčiv z velmi zředěných roztoků), potravinářský průmysl (zahušťováni ovocných šťáv a jiných potravinářských roztoků) a různá výzkumná a speciální pracoviště. V principu přichází v úvahu i zcela okrajové použití zařízení v miniaturním provedení, jako odsolovač mořské vody pro trosečníky. Vzhledem k vysokému dosažitelnému technologickoekonomickému faktoru je možno zařízení konstruovat tak, aby pracovní kompresor (vývěva) .1 mohl být poháněn lidskou silou a pomocný tepelný výměník J5 byl řešen jako tepelně vodivá hadice uspořádaná do plošného tvaru a přikládaná pod oděvem přímo na lidské tělo.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Zařízení pro kontinuální adiabatické zahušťování roztoků sestávající z odpařovací nádoby, pracovního kompresoru s kondenzátorem par odpařeného rozpouštědla, dopravního čerpadla zahušťované kapaliny, systému protiproudých výměníků pro předehřev zahušťované kapaliny a zásobních nádrží pro zahušťovanou kapalinu, zahuštěnou kapalinu i kondenzát rozpouštědla, vyznačené tím, že pracovní kompresor (1) je sací větví napojen na odpařovací nádobu (2) a výtlačnou větví na vstup do kondenzátoru (3) rozpouštědla přichyceného ke dnu varného žlabu (2.1)

   a.dopravní čerpadlo (8) zahušťované kapaliny je výtlačnou větví napojeno přes dva paralelně připojené protiproudé výměníky (4, 5), dále přes protiproudý výměník (5.1) a startovací výměník (6) na vstup do varného žlabu (2.1) a vývod zahuštěné kapaliny ze sběrné jímky (2.2) je napojen přes protiproudý výměník (4) do zásobní nádrže (9), kdežto odvod kondenzátu rozpouštědla ze sběrné nádoby (3.4) je napojen přes protiproudé výměníky (5.1, 5) do zásobní nádrže (10), přičemž pracovní kompresor (1), odpařovací nádoba (2) s integrovaným kondenzátorem (3) a sběrnou nádobou (3.4) i všechny protiproudé výměníky (4, 5, 5.1, 6) jsou od vnějšího okolí tepelně izolovány.