EA029197B1

EA029197B1 - Способ разделения водно-органических смесей

Info

Publication number: EA029197B1
Application number: EA201600462A
Authority: EA
Inventors: Владимир Петрович Кащеев; Ольга Владимировна Кащеева
Original assignee: Владимир Петрович Кащеев; Гринюк Александр Владимирович
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2018-02-28
Also published as: EA201600462A1

Abstract

Изобретение относится к технологии фракционирования водно-органических смесей путём упаривания и может быть использовано в пищевой промышленности, преимущественно, для разделения фруктовых и овощных соков, концентрирования различных веществ. Техническая задача реализуется техническим результатом, определяющим новое свойство, улучшающее технические характеристики, проявляющиеся в новом способе разделения водно-органических смесей с использованием непрерывной ректификации в центробежном поле, включающем разделение исходной смеси на жидкостный остаток и на поток пара, при котором в процессе непрерывной ректификации в центробежном поле задают перемешивание исходной смеси и перемещение вращающегося слоя исходной смеси по криволинейной траектории вдоль теплообменных поверхностей, при этом процесс упаривания исходной смеси проводят при скоростях движения с интенсивностью испарения исходной смеси вдоль теплообменных поверхностей, при которых уносящая способность пара связана с окружной скоростью wτ вращающегося слоя водно-органической смеси и с радиальной составляющей скорости wпара следующим неравенством,где wτ- скорость вращающегося слоя жидкости; w- радиальная составляющая скорости пара; k - коэффициент возврата капли жидкости из паровой фазы во вращающийся слой водно-органической смеси; R- радиус зеркала испарения вращающегося слоя жидкости.

Description

Изобретение относится к технологии фракционирования водно-органических смесей путём упаривания и может быть использовано в пищевой промышленности, преимущественно, для разделения фруктовых и овощных соков, концентрирования различных веществ. Техническая задача реализуется техническим результатом, определяющим новое свойство, улучшающее технические характеристики, проявляющиеся в новом способе разделения водно-органических смесей с использованием непрерывной ректификации в центробежном поле, включающем разделение исходной смеси на жидкостный остаток и на поток пара, при котором в процессе непрерывной ректификации в центробежном поле задают перемешивание исходной смеси и перемещение вращающегося слоя исходной смеси по криволинейной траектории вдоль теплообменных поверхностей, при этом процесс упаривания исходной смеси проводят при скоростях движения с интенсивностью испарения исходной смеси вдоль теплообменных поверхностей, при которых уносящая способность пара связана с окружной скоростью тег вращающегося слоя водно-органической смеси и с радиальной составляющей скорости те_г пара следующим неравенством

029197 Β1

где тег - скорость вращающегося слоя жидкости; те_г - радиальная составляющая скорости пара; к коэффициент возврата капли жидкости из паровой фазы во вращающийся слой водно-органической смеси; К окр - радиус зеркала испарения вращающегося слоя жидкости.

029197

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технологии фракционирования водно-органических смесей, к области концентрирования растворов путём упаривания и может быть использовано в пищевой, химической промышленности, преимущественно, для разделения фруктовых и овощных соков, концентрирования различных веществ.

Предпосылки создания изобретения

Известны различные способы упаривания- разделения и среди них способ упаривания по технологии теплового насоса [1]. Технология известного способа состоит в том, что образованному в процессе упаривания пару, так называемому "соковому пару" в результате адиабатного сжатия в компрессоре подводят энергию, чем повышают его давление и температуру, что позволяет использовать его энергию, в первую очередь теплоту фазового перехода пар-жидкость, для обогрева того же устройства, где этот пар и образовался.

В выпарных установках с применением теплового насоса затраты энергии меньше, чем в многокорпусных аппаратах.

Недостатком известного способа является малая интенсивность теплообмена из-за малых скоростей выпариваемых сред и появления отложений на теплообменных поверхностях. В связи с этим возникает необходимость частых остановок для очистки поверхностей, что ухудшает условия эксплуатации и удорожает производство.

Известен способ проведения тепло-массообменных процессов водно-органических смесей в поле центробежных сил в цилиндрическом корпусе с тангенциальным вводом рабочей среды для интенсивного перемешивания водно-органических смесей [2].

Как показывают практические эксперименты, из-за поверхностного взаимодействия жидкой составляющей водно-органической смеси со стенками цилиндрического корпуса жидкость "ползёт" по стенкам к выходу цилиндрического корпуса под действием перепада давлений внутри корпуса и на выходе из него.

Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности является способ для непрерывной ректификации водно-органических смесей в центробежном поле [3].

Принятый за прототип, способ разделения водно-органических смесей с использованием непрерывной ректификации в центробежном поле, отличается тем, что исходную смесь разделяют на поток пара с высоким расчетным содержанием тяжелой фракции и жидкостный остаток, затем паровой поток подогревают путем механической компрессии и подают на поверхность пароразделительной мембраны, где от потока отделяют водяной пар, а дистиллят используют для нагрева кубовой жидкости, причем ректификацию проводят в центробежном поле в условиях противоточного и перекрестного движения жидкости и газа, а поверхность испарения обладает гидрофобными свойствами. При этом подогретую упариваемую смесь перемещают её вдоль теплообменных поверхностей, пар конденсируют, а сухой остаток тяжелой фракции упаренной жидкости и конденсат пара непрерывно удаляют из технологической схемы [3].

Особенности технологии прототипа и его недостатки показаны на примере, приведённом в описании и формуле к патенту прототипа.

В связи с тем, что в устройстве реализующем известный способ-прототип не применяют регуляторы давления и паровоздушные клапаны, поэтому очевидно, что давление в разных частях технологической схемы прототипа, кроме компрессора, близко к атмосферному. Метиловый спирт, выделяемый из водно-органической смеси в описанном примере, кипит при атмосферном давлении при 64,6°С. Поэтому в центробежном ректификационном аппарате, где кипит метанол, температура смеси примерно равна или незначительно превышает температуру паров воды в так называемом "соковом" паре, а температура насыщенного "сокового" пара 64,6°С. В компрессоре температура "сокового" пара возрастает до 105,8°С, а давление - до 1,67 атм. Основная теплота передаётся смеси от фазового перехода пара (г = 1100 кДж/кг, с_р-Д1 = 101,76 кДж/кг), поэтому перегретый пар метанола быстро становится насыщенным с низкой температурой, очевидно, что передача теплоты первичной водно-органической смеси происходит при низкой температуре и паров воды практически нет.

В примере реализации известной технологии конденсат на 99,7% состоит из метанола. В рекуперативном конденсаторе - "ребойлере", где происходит этот процесс, со стороны жидкости скорости малы, поэтому на теплообменных поверхностях наблюдается образование отложений.

В центробежном ректификационном аппарате скорости жидкости большие, вероятность отложений исключается, но так как ректификационный аппарат используется как смесительный, то большие скорости жидкости излишни и не технологичны.

Достигая цели, реализующий известный способ, центробежный ректификационный аппарат работает только как сепаратор, к тому же разбавляя вновь поступившую упаренную смесь из конденсатора "ребойлера", часть разбавленной упаренной смеси удаляют из системы, а другую часть упаренной смеси используют для работы разделения. Пароразделительная мембрана в известном способе не работает вообще, так как нет водяного пара, к тому же для работы мембран требуется в её направлении больший перепад давления, чем в поточной трубе, в которой по линии пара стоит конденсатор, создающий разряжение в основной трубе.

- 1 029197

Достигая решения технической задачи известной технологией, реализующий известный способ, и в связи с вышеуказанным, недостатки прототипа проявляются в сложности технологии, высокой стоимости оборудования, работающего по известному способу, сложности обслуживания, возможности образования отложений в застойных зонах, высоких энергозатрат, больших массогабаритных характеристик, возможности уноас капель жидкости из центробежного поля устройства.

Краткое изложение сущности изобретения

Изобретение направлено на решение технической задачи, заключающейся в упрощении технологии разделения водно-органических смесей, снижении стоимости и массогабаритных характеристик оборудования, упрощении его обслуживания, уменьшении энергозатрат, в исключении образования отложений и в предотвращении уноса капель жидкости из технологической схемы.

Техническая задача реализуется техническим результатом, определяющим новое свойство улучшающее технические характеристики, проявляющиеся в соблюдении одного из важнейших требования к современному уровню технологии в новом способе разделения водно-органических смесей с использованием непрерывной ректификации в центробежном поле, включающем разделение исходной смеси вдоль теплообменных поверхностей на жидкостный остаток и на поток пара, подогрев выделяемого потока пара путем механической компрессии и подачу в рекуперативный теплообменник, где им подогревают упариваемую исходную смесь, перемещая её вдоль теплообменных поверхностей, конденсацию пара и непрерывное удаление упаренной водно-органической смеси и конденсата пара из центробежного поля, согласно изобретению, в процессе непрерывной ректификации в центробежном поле осуществляют перемешивание исходной смеси и перемещение вращающегося слоя исходной смеси по криволинейной траектории вдоль теплообменных поверхностей со скоростями, при которых в верхнележащей зоне теплообменных поверхностей происходит отрыв, ползущих по ним из-за поверхностного притяжения, капель исходной смеси с последующим возвращением их во вращающийся слой упариваемой исходной смеси под действием центробежных сил, в нижнележащей зоне, где исходную смесь подогревают, ей придают аналогичное движение, как и в верхнележащей зоне, а в необогреваемой зоне теплообменных поверхностей осуществляют беспрепятственное передвижению упаренной исходной смеси к выходу центробежного поля, при этом процесс упаривания исходной смеси проводят при скоростях движения обеспечивающих интенсивность испарения исходной смеси вдоль теплообменных поверхностей, при которых не происходит отложений накипи на теплообменных поверхностях и при которых уносящая способность пара, выходящего из упариваемой исходной смеси, связана с радиальной составляющей его скорости №_г для капель жидкой составляющей исходной смеси и не превышает центробежного сепарирующего эффекта в поле центробежных сил, при этом уносящая способность пара связана с окружной скоростью №_τ вращающегося слоя водно-органической смеси и с радиальной составляющей скорости №_гпара следующим неравенством

где №_τ - его скорость вращающегося слоя жидкости;

№_г- радиальная составляющая скорости пара;

к - коэффициент возврата капли жидкости из паровой фазы во вращающийся слой водноорганической смеси;

К _окр - радиус зеркала испарения вращающегося слоя жидкости.

В способе возможно, чтобы с момента запуска центробежного поля до его выхода на номинальный рабочий режим исходную смесь удерживали бы в центробежном поле, а с выходом на рабочий режим увеличивали бы толщину вращающегося слоя исходной смеси и придали бы ей движение, чтобы жидкая составляющая в нижнележащей зоне получила бы возможность ползти вдоль теплообменных поверхностей и выходить из центробежного поля. В способе технологично, чтобы при запуске центробежного поля механической компрессии подвергали бы атмосферный воздух и подали бы его в рекуперативный теплообменник, где им подогревают упариваемую смесь.

Технический результат изобретения достигается в предотвращении уноса капель жидкости из устройства при интенсификации теплообмена и в исключении образования отложений.

Подробное описание предпочтительного примера осуществления изобретения

Для лучшего понимания изобретение поясняется чертежом, где

на фиг. 1 изображена упрощённая технологическая схема способа разделения водно-органических смесей;

на фиг. 2 приведена кинематическая схема реализации способа разделения водно-органических смесей путем непрерывной ректификации в центробежном поле;

на фиг. 3 изображен фрагмент схемы действия скоростных потоков вращающегося слоя водноорганических смесей в центробежном поле.

Способ разделения водно-органических смесей реализуют на примере работы кинематической схемы и конструкции устройства центробежного ректификационного аппарата по фиг. 1.

Технологическая схема для реализации способа разделения водно-органических смесей содержит

- 2 029197

центробежный ректификационный аппарат 1, характеризуемый заданными рабочими режимами центробежного поля, имеющий трубопровод 2 для вывода пара и воздуха из ректификационного аппарата 1, трубопровод 3 для выхода конечных продуктов в форме упаренных водно-органических смесей, трубопровод 4 для ввода пара, воздуха или паровоздушной смеси после механической компрессии из компрессора 5, трубопровод 6 для вывода конденсата из ректификационного аппарата 1. Центробежный ректификационный аппарат 1 оснащен рекуперативными теплообменниками-подогревателями исходных водно-органических смесей. Теплообменник 7 предназначенный для передачи теплоты от упаренных смесей, теплообменник 8 - для утилизации теплоты конденсата и пусковой теплообменник 9. Трубопроводами 2-3-4-6 с дополнительной регулирующей арматурой соединены между собой в единую сеть теплообменники 7, 8, 9, напорный насос 10 для подачи исходных водно-органических смесей 11 в центробежный ректификационный аппарат 1, блок 12 с регулирующим клапаном и сборный коллектор 13. Через сборный коллектор 13 пар поступает посредством трубопровода 2, а паровоздушная смесь или воздух или воздух в смеси с газами из блока 12 идут затем в компрессор 5.

На фиг. 2 приведена кинематическая схема реализации способа разделения водно-органических смесей путем непрерывной ректификации в центробежном поле. На схеме по фиг. 2 показана кинематика взаимодействия вращающегося слоя упариваемой смеси 14 на поверхности теплообмена, соответственно, на её нижнележащей зоне 15 и верхнележащей зоне 16, на необогреваемой зоне 17 поверхности теплообмена, 18 - капля жидкости, вышедшая в паровую фазу, 19 - капля жидкости или её плёнка, ползущие по необогреваемой зоне 17 поверхности 20 теплообмена.

На фиг. 3 показан фрагмент схемы действия скоростных потоков вращающегося слоя упариваемой смеси 14 и фрагменты схемы действия скоростей в центробежном поле.

Реализации способа разделения водно-органических смесей работает по следующей технологической схеме.

Водно-органическую смесь далее в виде исходной смеси 11 подают под давлением насоса 10 через теплообменники; 7, 8 в центробежный ректификационный аппарат 1. До запуска центробежного поля исходную смесь 11 предварительно подогревают почти до температуры кипения в пусковом теплообменнике 9. Одновременно из блока 12 в коллектор 13 подают воздух или газы, в качестве теплоносителей, и далее в компрессор 5, где ведут стабилизацию их параметров и по трубопроводу 4 подают в центробежный ректификационный аппарат 1 во вращающийся слой упариваемой смеси 14. Нагретый теплоноситель передаёт свою теплоту упариваемым фракциям исходной смеси 14 через теплообменную поверхность в её верхнележащую зону 16, а через теплообменную поверхность передаёт свою теплоту в её нижнележащую зону 15. Пар отводится из ректификационного аппарата 1 через трбопровод 2 и через коллектор 13 поступает в компрессор 5. Центробежный ректификационный аппарат 1 выходит на номинальный режим работы. Блок 12 автоматически отключается. При номинальном режиме работы в центробежный ректификационный аппарат 1 поступает только такое количество исходной смеси 11, чтобы на выходе получить требуемый конечный продукт. Конденсат пара из ректификационного аппарата 1 через трубопровод 6 проходит через теплообменник 8, отдавая там часть своей теплоты входящей исходной смеси 11, затем по трубопроводу, имеющему регулируемый клапан 21, уходит из технологической схемы наружу.

Упаренная смесь 14 из зон, где в ней максимальна концентрация конечных продуктов в исходной смеси 11 через выходной трубопровод 3, проходит по трубопроводу к теплообменнику 7, отдаёт там часть своей теплоты входящим исходным смесям и через клапан удаляется из центробежного ректификационного аппарата 1. Пусковой режим работы центробежного ректификационного аппарата 1, вывод его на номинальный режим и стабильная работа в номинальном режиме обеспечиваются блоком для автоматического управления работой насоса 10, клапанами компрессора 5, блоком 12 подачи воздуха или газов в центробежное поле, поддержанием нужных расходов и параметров исходной смеси и газовоздушных смесей.

При разрыве пузырька пара, по фиг. 2 вышедшего на поверхность зеркала испарения, из его оболочки образуются капли 18 жидкости, которые могут выйти в паровое пространство. Под действием центробежных сил капля 18 возвращается во вращающийся слой упариваемой смеси 14. Капли жидкости 19 или их жидкая плёнка, ползущие по теплообменной поверхности в верхнележащей зоне 16 из-за поверхностного притяжения, срываются в паровой объём. Под действием центробежных сил они также возвращаются во вращающийся слой упариваемой смеси 14. Плёнка жидкости или её капли 19, ползущие по необогреваемой зоне 17 теплообменной поверхности 20, не срываются в паровой объём, а попадают в выходной трубопровод 3 для упаренной смеси 14 и уходят из центробежного ректификационного аппарата 1 через регулируемый клапан 22.

В рабочую зону вводят жидкую исходную смесь с температурой, близкой к температуре насыщения, дополнительно подводят теплоту, поэтому кипение жидкости происходит в объёме. Известно, что при объёмном кипении режим кипения - пузырьковый. На образовавшийся пузырёк, кроме центробежных сил, действует сила давления окружающей его жидкости и сила поверхностного натяжения плёнки межфазной поверхности, которая подобно упругой оболочке сжимает пар в пузырьке. Эта сила действует по касательной к поверхности раздела фаз в пузырьке. Давление пара внутри пузырька оказывается выше

- 3 029197

давления окружающей его жидкости. Поэтому, когда пузырёк пара выходит к зеркалу испарения и лопается, то мельчайшие капли жидкости выходят из жидкости в паровую фазу. Для того, чтобы мельчайшие капли возвратились во вращающийся слой жидкости требуется, чтобы сепарирующая сила Р_центр. превышала силу уноса Р _унос., связанную с динамическим давлением, воздействующим паром на вышедшую в паровой объём каплю, его радиальной составляющей скорости.

р > Р

центр. унос.

с = 1-2ϋ.

^Г центр. β Л ГС

окр

Здесь р_воды - удельная плотность воды, К - радиус капли жидкости, попавшей в паровой поток, К _окр радиус зеркала испарения вращающегося слоя жидкости и ν_τ - его скорость.

2

Здесь р_пара - удельная плотность пара над зеркалом испарения, ν_Γ - радиальная составляющая скорости пара.

(-4

Отсюда

3 Рпара ^окр

3 Рпара ^л '‘окр х 0,5

Или

Ж

_к_ ⁸Ρ^#

У ³ Рпара

Где .

Для конкретного случая - водосодержащих смесей при нормальном атмосферном давлении и предполагая, что капля жидкости очень мелкая, трудноуловимая, её размеры порядка 0,01 мм, получаем, например для воды к=4,81:

Получаем, что в реальных рабочих условиях паровая нагрузка зеркала испарения по изобретению составляет к 3 кг/с, т.е. в 15 раз больше, чем по известному уровню техники, например, при использовании трубчатых испарителей, что характеризует уменьшение энергозатрат, исключение образования отложений и предотвращение уноса капель жидкости из центробежного поля устройства.

В процессе непрерывной ректификации водно-органической смеси в центробежном поле по фиг. 2 уносящая способность выходящего пара из упариваемой водно-органической смеси, связанная с его радиальной составляющей скорости ν_Γ для капель 18 жидкой водно-органической смеси, не превышает центробежного сепарирующего эффекта в поле центробежных сил, при этом окружная скорость ν_τ вращающегося слоя водно-органической смеси связана с радиальной составляющей скорости ν_Γ пара следующим неравенством:

, где

ν_τ - скорость вращающегося слоя жидкости; ν_Γ - радиальная составляющая скорости пара;

К _окр- радиус зеркала испарения вращающегося слоя жидкости;

к - коэффициент возврата капли жидкости из паровой фазы во вращающийся слой водноорганической смеси, например для воды к=4,81.

Таким образом, техническая задача изобретения, заключающаяся в упрощении технологии упаривания, снижении стоимости и массогабаритных характеристик оборудования, упрощении его обслуживания, уменьшении энергозатрат, в исключении образования отложений и в предотвращении уноса капель жидкости из устройства, решена.

Источники информации

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М. 2012 г., с. 373-377.

2. Патент 3ϋ 965441. Вихревой аппарат для проведения теплообменных процессов в поле центробежных сил. В 01 03/06; Р 22 В 29/08. Левадный В.А., Кащеев В.П.

3. Патент РФ 2489198. Способ разделения водно-органических смесей и устройство для его осуществления.

- 4 029197

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ разделения водно-органических смесей с использованием непрерывной ректификации в центробежном поле, включающий разделение исходной смеси вдоль теплообменных поверхностей на жидкостный остаток и на поток пара, подогрев выделяемого потока пара путем механической компрессии и подачу в рекуперативный теплообменник, где им подогревают упариваемую исходную смесь, перемещая её вдоль теплообменных поверхностей, конденсацию пара и непрерывное удаление упаренной водно-органической смеси и конденсата пара из центробежного поля, отличающийся тем, что при непрерывной ректификации в центробежном поле осуществляют перемешивание исходной смеси, перемещение вращающегося слоя исходной смеси по криволинейной траектории вдоль теплообмееных поверхностей со скоростями, при которых в верхнележащей зоне теплообменных поверхностей происходит отрыв капель исходной смеси с последующим возвращением их во вращающийся слой упариваемой исходной смеси под действием центробежных сил, в нижнележащей зоне, где исходную смесь подогревают, ей придают аналогичное движение, как и в верхнележащей зоне, а в необогреваемой зоне теплообменных поверхностей осуществляют беспрепятственное передвижению упаренной исходной смеси к выходу центробежного поля, при этом процесс упаривания исходной смеси проводят при скоростях движения, обеспечивающих интенсивность испарения исходной смеси вдоль теплообменных поверхностей, при которых не происходит отложений накипи на теплообменных поверхностях и при которых уносящая способность пара, выходящего из упариваемой исходной смеси, связана с радиальной составляющей его скорости для капель жидкой составляющей исходной смеси и не превышает центробежного сепарирующего эффекта в поле центробежных сил, при этом уносящая способность пара связана с окружной скоростью вращающегося слоя водно-органической смеси и с радиальной составляющей скорости пара следующим неравенством

где ^_τ - скорость вращающегося слоя жидкости;

\ν,. - радиальная составляющая скорости пара;

к - коэффициент возврата капли жидкости из паровой фазы во вращающийся слой водноорганической смеси;

К _окр - радиус зеркала испарения вращающегося слоя жидкости.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что с момента запуска центробежного поля до его выхода на номинальный рабочий режим исходную смесь удерживают в центробежном поле, а с выходом на рабочий режим увеличивают толщину вращающегося слоя исходной смеси и придают ей движение, чтобы жидкая составляющая в нижнележащей зоне получила возможность ползти вдоль теплообменных поверхностей и выходить из центробежного поля.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при запуске центробежного поля механической компрессии подвергают атмосферный воздух и подают его в рекуперативный теплообменник, где им подогревают упариваемую смесь.