NO320596B1

NO320596B1 - Destillasjonsprosess med redusert beleggdannelse

Info

Publication number: NO320596B1
Application number: NO19993285A
Authority: NO
Inventors: Steve Kresnyak; Minoo Razzaghi; Robert Spiering
Original assignee: Aqua Pure Ventures Inc
Priority date: 1997-01-14
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2005-12-27
Also published as: CN1142808C; EP0963225A1; WO1998031445A1; ES2221145T3; BR9806849B1; JP2001501868A; DK0963225T3; CN1243449A; AU741195B2; CA2274258A1; NO993285D0; SK95499A3; CZ252699A3; EP0963225B1; BR9806849A; NZ336165A; CA2274258C; NO993285L; AU5545798A; HK1025061A1

Description

Teknisk område

Denne oppfinnelsen er rettet mot en høyeffektiv vann-destillasjonsprosess og en anordning for gjennomføring av en slik prosess, og mer spesielt mot en høyeffektiv vanndestil-lasjonsprosess som reduserer groing og beleggdannelse i prosessutstyret over lang driftstid.

Teknikkens stand

Generelt er vanndestillasjon en svært effektiv fremgangsmåte for å fordampe et ublandet vanndestillat og gjenvinne en konsentrert væske som inneholder en stor mengde ikke-flyktige komponenter. Denne prosessfremgangsmåten kan være et effektivt middel for å gjenvinne rent ublandet vann fra forurensete kilder. Imidlertid er typisk flere problemer forbundet méd vanndestillasjonsprosesser, hvor groing og beleggdannelse i apparatet av mineraler eller andre komponenter fra fluidet som destilleres ikke er det minste. Vanlige beleggforbindelser består av kalsium, magnesium og silisium. Groing eller i større utstrekning beleggdannelse på varmetransportflåtene har en ødeleggende virkning på varme-transportkomponentene, noe som forårsaker at konvensjonelle destillasjonsprosesser blir ugjennomførlige.

Et annet vanlig problem med typiske vanndestillasjonsprosesser er de høye behovene for energitilførsel. Uten et middel for effektivt å gjenvinne den tilførte energien, er energibehovet ekvivalent med bundet fordampningsvarme for vann ved gitt trykk/temperatur. Vanndestillasjon er under et slikt forhold ikke kommersielt gjennomførbar for vann-forbedringsanvendelser.

Metodikk i forhold til teknikkens stand rettet mot denne teknologien er fremsatt i US-patent nr. 4,566,947 og fransk patent nr. 2,482,979. Disse referansene er generelle refe-ranser for fjerning av forurensninger ved destillasjon eller andre renseteknikker og er ikke rettet mot problemene som løses ved denne oppfinnelsen.

Flere variabler må betraktes for å overkomme problemene med konvensjonelle destillasjonsmetoder. De følgende tre ligningene beskriver de grunnleggende forholdene i et vann-destillas jonssystem:

hvor:

Q = mengde overført varme (BTU hr"<1>)

U = totalt varmeovergangstall eller systemets evne

til å overføre varme {BTU hr"<1>ft"<2>F"<1>)

A = varmetransportareal (ft<2>)

LMTD = logaritmisk midlere temperaturdifferanse eller

systemets termiske drivkraft (F)

m = massestrøm av fluid i væske- eller dampfase

(lb hr"<1>)

Cp = fluidets spesifikke varmekapasitet

(BTU lb"<1> F"<1>)

Tl,T2 = fluidets temperatur inn og ut fra system (F)

L = bundet fordampningsvarme eller kondensasjons-varme (BTU lb"<1>)

For å få et effektivt destillasjonssystem, må mengden varme som blir utvekslet og gjenvunnet, Q, som er uttrykt ved de ovennevnte ligningene, maksimeres, samtidig som de praktiske grensene for de gjenværende variablene overholdes og beleggdannelse og groing forhindres. For et gitt fluid og fluiddynamikk inne i en gitt varmeveksler, er variablene, U, Cp og L, relativt ikke-variable. Derfor må det vises omhu med tanke på variablene A, QA"<1>, LMTD, m og Tl & T2 for å overkomme problemene som er forbundet med destillasjon av forurenset vann.

For fullstendig å overkomme problemene som angår destillasjon av forurenset vann og eliminere beleggdannelse, må andre viktige faktorer tas i betraktning i tillegg til de grunnleggende ligningene som er angitt ovenfor: hastigheten som varmen transporteres med i destil- lasjonssystemet, kjent som varmefluks eller QA"<1 >(BTU hr"<1> ft"2) ;

nivå av forurensninger i konsentratet;

konsentratets endelige kokepunkt i forhold til

dampstrømmens metningstemperatur;

konsentratets grad av overmetning og nivå av

utfelling; og

fordampningsnivå i den fordampende strømmen.

Før denne oppfinnelsen ble gjort, kunne ikke maksimering av mengden av varme overført og gjenvunnet i en vanndestil-las jonsprosess, uten en tendens til groing eller beleggdannelse, gjennomføres kontinuerlig over lang tid.

En prosess har blitt utviklet som både er energi-besparende og eliminerer problemene med beleggdannelse som man tidligere har støtt på ved destillasjon av forurenset vann som blant annet er forurenset av organiske stoffer, uorganiske stoffer og metaller.

Industriell anvendbarhet

Denne oppfinnelsen har anvendelse i destillasjons-teknikken.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Denne oppfinnelsen kan anses å være en kombinasjon av to atskilte konsepter, der begge tidligere har vært identifisert hver for seg i den tidligere kjente teknikken, men som ikke har vært konfigurert i en enhet med synergivirkningen som følger av denne oppfinnelsen. Det er funnet at ved å benytte en konvensjonell krets for damp-rekompresjon sammen med en krets som er konfigurert i en enhet for varmegjenvinning og

-transport ved tvungen konveksjon, kan svært fordelaktige

resultater oppnås uttrykt ved maksimering av varmetransport og opprettholding av den fordelaktige kretsen for tvungen konveksjon ikke-ledende til beleggdannende vekslere, noe man typisk støter på ved utføring av standard destillasjonsmetoder i praksis.

Et formål med denne oppfinnelsen er å tilveiebringe en forbedret effektiv prosess for destillasjon av vann som inneholder organiske, uorganiske, metall- eller andre forurensingsforbindelser hvor resultatet blir en renset vannfraksjon som er fri for forurensningene som i tillegg ikke medfører beleggdannelse i destillasjonsapparatet.

Det er funnet at ved presis styring av forholdet mellom sirkulerende masse i et område på mindre enn 300 til nær 2 ganger dampfraksjonens masse som komprimeres, kan flere ønskelige fordeler realiseres: 1. Det sirkulerende konsentratet gjennom fordampningssiden av kokeren vil inneholde en nøyaktig styrt dampfraksjon nær 1% til 50% av massen av det sirkulerende konsentratet. 2. Ved presis styring av denne dampfraksjonen forblir temperaturøkningen i det sirkulerende konsentratet svært lav (omkring 1°F) , og kalde varmevekslerflater forblir fuktet ved en temperatur nær det sirkulerende fluidets temperatur. Dette reduserer risikoen for groing på disse flatene. 3. Med denne styrte dampfattige fraksjonen utsettes det konsentrerte fluidet inne i veksleren for en ytterligere lokal konsentrasjonsfaktor på mindre enn 1,1 slik at lokal utfelling av beleggforbindelser unngås. 4. Etter hvert som dampfraksjonen øker og konsentrasjonsfaktoren økes mens den passerer gjennom kokeren, øker strømningshastighetene betydelig for på denne måten å redusere risikoen for groing. 5. Ved å tillate en styrt dampfraksjon i det fordampende fluidet, kan betydelig varmetransport gjennomføres ved hjelp av bundet varme, uten beleggdannelse. 6. Fordi temperaturøkningen på fordampningssiden av kokeren holdes svært lav, opprettholdes LMTD for kokeren, som derved holder kompresjonsenergien svært lav. 7. Ved å justere varmefluksen opprettholdes temperaturen på de fuktige flatene for kondensasjon og fordampning nær temperaturen for mettet damp. Typen koking som finner sted vil spenne fra hovedsakelig tvungen konveksjon til stabil boblekoking på de fuktige flatene.

Et formål med denne oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte for fjerning av forurensninger fra en fødestrøm som inneholder forurensninger ved å anvende en oppvarmet separator og en varmeveksler og forhindre groing og beleggdannelse på separatoren og varmeveksleren, der fremgangsmåten omfatter trinnene med: a) generering av en dampfraksjon fra den oppvarmete separatoren som i det vesentlige er fri for forurensninger og en separat konsentrert forurensningsbærende fraksjon; b) komprimering av dampfraksjonen for å heve den forurensningsbærende fraksjonens temperatur utover den oppvarmete separatorens temperatur; c) anbringelse av dampfraksjonen i kontakt med varmeveksleren for å danne et kondensert destillat; og d) opprettholding av oppvarmingsflater i den oppvarmete separatoren og varmeveksleren i det minste i kontakt

med den konsentrerte forurensete fraksjonen ved å kontinuerlig sirkulere fraksjonen gjennom separatoren og varmeveksleren i et forhold mellom sirkulerende masse og dampmasse på omkring 300 til nær 2, der den sirkulerende dampmassen er ekvivalent med den gjenvundne destillat-massen, for derved å forhindre beleggdannelse og groing på oppvarmingsflåtene.

Fremgangsmåten kan videre omfatte trinnet med oppvarming av fødestrømmen før generering av dampfraksjonen i trinn a), hvor varmeveksleren er en fraksjoneringskoker ("reboiler exchanger"), og trinn b) videre omfatter kontrollering av temperaturdifferansen mellom kokeren og den konsentrerte forurensete fraksjonen for å opprettholde stabil boblekoking, hvor en fuktet overflate opprettholdes inn i kokeren; og etter trinn d) oppsamling av det kondenserte destillat i det vesentlige fritt for forurensninger.

Helst etter styringen av temperaturdifferansen omfatter fremgangsmåten videre trinnene med: overmetning den konsentrerte forurensete fraksjonen for

utfelling av minst ett utvalgt faststoff;

filtrering av konsentratet; og

gjenvinning av det minst ene valgte faststoff.

Videre er fødestrømmen fortrinnsvis gjenstand for et forbehandlingstrinn før oppvarming, idet forbehandlingstrinnet omfatter minst én av: filtrering, ionebytte, destillasjon, utfelling og fordampning.

Fremgangsmåten kan også omfatte trinnene med resirkulering av den konsentrerte forurensete fraksjon, og endring av konsentratets sirkulasjonshastighet.

Fortrinnsvis sirkuleres konsentratets sirkulasjonshastighet for å opprettholde fra omlag 1% til omlag 50% av dampmassen, idet den sirkulerende dampmasse er helst på omlag 10%.

Det er også ønskelig at en del av det kondenserte destillat resirkuleres til en destillasjonskolonne som destillat-tilbakeløp ("destillate reflux").

Med hensyn til anordningen er enda et videre formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe en fluidbehandlingsanordning for behandling av en fødestrøm som inneholder minst én forurensning, for frembringelse av en effluent som er fri for denne forurensningen, der anordningen omfatter i kombinasjon: en rekompresjonsanordning for damp ("vapour recompres-sion means") som omfatter en første oppvarmingsanordning for oppvarming av fødestrømmen;

en oppvarmet separatoranordning som står i fluidforbindelse med den første oppvarmingsanordningen for danning av en dampfraksjon og en konsentrert fraksjon;

en varmeveksler som står i fluidforbindelse med en kompressor for gjenvinning av bundet varme fra kondensert damp; og

en krets med tvungen sirkulasjon som omfatter:

en pumpe;

en styreinnretning for variering av den

sirkulerende strømmen;

en varmeveksler, hvor pumpen står i fluidforbindelse med den oppvarmete separatoranordningen og veksleren;

en anordning for fluidforbindelse mellom varmeveksleren og den oppvarmete separatoren som danner en krets med tvungen sirkulasjon;

hvor pumpen er innrettet for selektivt å variere fluidets sirkulasjonsstrømningshastighet gjennom veksleren for selektivt å variere mengden av dampfraksjon gjennom veksleren.

Formålene ved oppfinnelsen

I en mulig utførelse blir i store trekk destillert vann fordampet og sendt gjennom en filterduk ("mesh pad") for å

fjerne eventuelt medført vann før tilførsel til kompressoren. Kompressoren hever dampstrømmens trykk og temperatur over den oppvarmete separatorens for å tillate effektiv varmetransport gjennom kokeren eller varmeveksleren ("reboiler heat

exchanger"). Dampstrømmen tilføres deretter til kokeren hvor den kjøles ned fra overhetet område og kondenseres til destillat. Varmeenergien overføres til det sirkulerende konsentratet fra den oppvarmete separatoren hvor, gjennom å styre massen av sirkulerende konsentrat over dampstrøm, i et område på mindre enn 300 til nær 2, mindre enn 50% damp, mer nøyaktig mindre enn 10%, damp genereres i den sirkulerende konsentratstrømmen. Denne dampfasen absorberer den overførte varmen ved bundet fordampningsvarme, samtidig som temperatur-økningen i det sirkulerende konsentratet ikke tillates å øke mer enn omkring 1°F. Det rene destillerte vannet ved konden-

serende temperatur og trykk passerer gjennom forvarmeren for å gjenvinne systemets følbare varmedel til den inngående fødestrømmen. Samtidig fjernes en del av konsentratstrømmen fra den oppvarmete separatoren for å styre den ønskete konsentrasjonen av forurensninger. Denne nedblåsingsstrømmen av konsentrat ("concentrate blowdown stream") sendes gjennom en ytterligere forvarmer for å gi videre den gjenværende følbare varmen til fødestrømmen. Ytterligere teknikker til for- og etterbehandling kan tas i bruk som satsvise eller kontinuerlige prosessmetoder for å fjerne eller beholde forurensninger under destillasjonsprosessen, pH-styremetoder kan brukes for å ionisere flyktige komponenter eller endre løselighetsbetingelser i konsentratet for ytterligere å forbedre vedkommende destillasjonsprosessen.

Det destillerte vannet som er gjenvunnet kan kontrolle-res med hensyn til renhetsnivå og temperaturnivå, som tillater det å bli gjenbrukt som prosessvann, gjenbrukt som destillert vann eller utsluppet til vannskiller i naturen, samtidig som praktisk talt alle miljømessige standarder for vannkvalitet tilfredsstilles, eventuelt med rikelig margin.

Når det gjelder rekkevidden av denne prosessen, kan denne enkelt anvendes for å rense industrielt prosessvann som for eksempel i raffinerier, petrokjemisk industri, cellulose-og papirindustri, næringsmiddelindustrien, gruvedrift, bil/annen transportindustri og produksjonsindustrien. I tillegg kan man se for seg anvendelser for behandling av sigevann fra landfyllinger, avsalting, grunnvannsbehandling, rensing av brønnvann, lagunebehandling, gjenvinning av avfallsvann fra oljefelt, såvel som produksjon av enhver form av fødevann for kokere, og konsentrering av verdifulle bestanddeler fra fortynnete strømmer. Denne listen er på ingen måte uttømmende, men tjener heller som eksempel.

Etter at oppfinnelsen har blitt beskrevet ovenfor, skal det nå henvises til de vedlagte tegningene som illustrerer de foretrukne utførelsene.

Tegningsoversikt

Figur 1 er en skjematisk illustrasjon av hele prosessen

ifølge en utførelse av oppfinnelsen;

Figur 2 er en alternativ utførelse av figur 1; Figur 3 er enda en alternativ utførelse av figur 1; Figur 4 illustrerer skjematisk de typiske trykk- og temperaturforholdene rundt fordampnings-komponentene; Figur 5 er en prosesskurve for kondensasjon/fordampning for systemets koker; Figur 6 illustrerer skjematisk strømningsmønsteret for kokeren i form av en plate/plate-varmeveksler ("reboiler plate/plate exchanger"); Figur 7 er et diagram som illustrerer fordampningsnivået i kokeren som finner sted i det sirkulerende fluidet med hensyn på forholdet mellom sirkulerende fluid-masse og dampmasse; Figur 8 er et diagram som illustrerer den lokaliserte konsentrasjonseffekten i kokeren med varierende dampfraksjoner; og Figur 9 er et diagram som viser testdata som er oppnådd fra et forsøksanlegg for destillasjon.

Like henvisningstall som er brukt i teksten angir like elementer.

Utførelser av oppfinnelsen

Det henvises nå til figur 1, der det er vist et eksempel på en utførelse av denne oppfinnelsen.

En forurenset vannfødestrøm, hovedsakelig betegnet med henvisningstall 10, tilføres et forbehandlingstrinn, hovedsakelig betegnet med henvisningstall 12, for fjerning av uløselige komponenter, flyktige komponenter og/eller utføring av andre pH- eller behandlingstrinn for klargjøring av føde-strømmen 10. Flyktige komponenter ventileres fra fødestrømmen ved 14, mens mindre flyktige komponenter tappes av føde-strømmen ved 16. Den forbehandlete fødestrømmen som forlater 12 sendes så til en forvarmer 18 for å heve fødestrømmens temperatur for å øke følbar varmegjenvinning før innførsel i en oppvarmet separator 20. Fødestrømmen kan splittes i flere strømmer og sendes gjennom andre forvarmere for sekundær følbar varmegjenvinning for å maksimere enhetens hele gjen-vinningspotensiale. Slike arrangementer vil fremgå for fagfolk. De mangfoldige forvarmerne kan konfigureres som en enkelt flerbruks-forvarmer eller enkelte enheter som angitt av 18 og 26. De separate fødestrømmene gjenforenes og varmes opp til nær oppvarmet temperaturene for den oppvarmete separatoren, før tilførsel til den oppvarmete separatoren 20. Om ønskelig, kan fødestrømmen også tilføres den tvungne sirkulasjonsstrømmen for å skape en lokal fortynningseffekt i kokeren. Den oppvarmete separatoren kan omfatte en flertrinns separasjonsenhet, såsom en syklonseparator. Det nedre partiet, hovedsakelig betegnet med henvisningstall 22, har syklonvirkning for å bringe fast materiale i suspensjon i konsentratet og slippe ut det som det henvises til som "nedblåsning" eller konsentrat, som angitt av linjen 24. Nedblåsningshastigheten 24, som kan være kontinuerlig eller satsvis, styrer konsentrasjonen av komponenter i den oppvarmete separatoren 20, noe som regulerer konsentratets metningsgrad, overmetningsgrad, påfølgende utfelling av faste stoffer og koketemperaturen i den oppvarmete separatoren 20. Nedblås-ningen 24, som befinner seg ved oppvarmet separator-temperatur, sendes gjennom den andre forvarmeren 2 6 for varmegjenvinning til fødestrømmen via ledning 28. Nedblås-ningsstrømmen 24 reduseres til en temperatur innenfor omkring 3°F til å nærme seg fødestrømmen ved 26.

Det øvre partiet av den oppvarmete separatoren 20, som for det meste inneholder mettet vanndamp, er beregnet for damp/væske-separasjon og kan inneholde slike trekk som en filterduk ("mesh pad") (ikke vist) for å koalescere væske-dråper fra dampstrømmen. Damp som forlater den oppvarmete separatoren 20 og generelt er indikert med linjen 30, utgjør destillat av miljøkvalitet, og som avhenger av komponentene som er til stede i fødestrømmen, kan omfatte drikkevann eller kvalitetsfødevann for kokeren. Dampen overføres til en kompressor 32 for å heve trykk og temperatur i dampstrømmen over temperaturen i den oppvarmete separatoren 20. Damp-strømmen kan være ved et hvilket som helst trykk når den forlater den oppvarmete separatoren, inkludert undertrykk. Denne dampen mettes primært ved betingelsene i den oppvarmete separatoren, men den kan imidlertid overmettes dersom konsentratet inneholder komponenter med en tilstrekkelig konsentrasjon til å øke dampens kokepunkt. Dette begrepet er kjent som kokepunktsforhøyelse, eller BPR, og skal forstås slik at det kan kompenseres i passende grad for kompresjonen. Den ytterligere energien som tilføres dampstrømmen gir den nødvendige LMTD eller termiske drivkraften som er nødvendig for bevirke varmeoverføring i kokeren eller varmeveksleren, som hovedsakelig er betegnet med henvisningstall 34.

Kompressoren eller blåsemaskinen, betegnet med henvis-ningstallet 32, kan være enhver innretning kjent for fagfolk som kan påføre et trykk på omkring 3 til 10 psi i dampen og avgi den ønskete dampmassen. Det virkelige trykket som er nødvendig fra kompressoren 32 blir spesifikt bestemt for hver enhet ut fra fordampningsbetingelsene i den oppvarmete separatoren 20 og den nødvendige LMTD for kokeren 34. Dampen som forlater kompressoren 32 er primært overhetet damp. Graden av overheting er avhengig av utløpstrykket og kompressorens 32 virkningsgrad.

Kokeren 34 kondenserer den komprimerte dampen mottatt fra kompressoren 32 til destillat som dreneres fra kokeren 34 gjennom en mottaker for kondensat, betegnet med henvisningstall 36. Dette trinnet fanger opp overhetingsvarmen og den bundne varmen i dampstrømmen og overfører den ved hjelp av termisk drivkraft til den sirkulerende konsentratstrømmen betegnet med henvisningstall 38. Destillatet som akkumuleres i mottakeren 36 er hovedsakelig mettet væske ved en spesifikk temperatur- og trykkbetingelse. Den ytterligere følbare varmen som er opptatt i destillatet blir gjenvunnet ved å sende varmt destillat ved hjelp av pumpen 40 tilbake gjennom forvarmeren 18, hvor utløpsstrømmen kjøles til omkring 3°F innenfor den innkommende fødestrømmen fra 12.

Det er funnet ved å bruke en sirkulasjonspumpe 42 for å sirkulere en bestemt mengde konsentrat fra den oppvarmete separatoren 20 gjennom kokeren 34, at betydelige resultater kan realiseres uten risiko for groing eller beleggdannelse på veksleroverflåtene. Mengden av sirkulerende konsentratmasse velges spesifikt til å ligge i et område på mindre enn 300 til nær 2, slik at det derved nøyaktig genereres en dampfraksjon på nær 1% til mindre enn 50% i strømmen 38 som forlater kokeren 34 . Denne massestrømmen kan varieres og settes til ønsket parameter ved å bruke en styreinnretning som hovedsakelig er betegnet med henvisningstall 44. Mer spesielt er ønsket mål for dampfraksjonen i den utgående sirkulerende strømmen 38, når de fleste forurensete føde-strømmene betraktes, mindre enn 10% dampfraksjon. Massen av dampen som genereres i strømmen 38 er ekvivalent med massen av mengden som sendes gjennom kompressoren og som gjenvinnes som destillat ved 46. Dampen som dannes i kokeren 34, selv om det er en liten massefraksjon (omlag 1 til 10% av den sirkulerende massen), absorberer hoveddelen av varmen som over-føres fra den kondenserende siden av kokeren 34. Valget av dampfraksjonens og konsentratets sirkulasjonsstrømnings-hastighet er en viktig faktor for reduksjon av groing og beleggdannelse. I større utstrekning er denne parameteren svært viktig for å etablere en svært liten temperaturøkning i det sirkulerende konsentratfluidet for å opprettholde en effektiv LMTD uten temperaturkryssing i kokeren 34. Enhver temperaturøkning vil raskt eliminere LMTD, og varmeover-føringen vil stoppe. For eksempel, dersom trykket i det sirkulerende konsentratet ble økt i kokeren slik at fluidet ikke kunne danne damp, ville temperaturen øke ved absorpsjon av følbar varme til ingen LMTD ville eksistere lenger, og varmeoverføringen ville avta. Mottrykket fra sirkulasjons-systemet for konsentratet, som består av statisk trykktap og trykktap på grunn av friksjon, er planlagt for å være minimalt. Mottrykket er faktisk primært likt det statiske trykktapet i den vertikale vekslere, fordi det dynamiske trykkfallet i veksleren er redusert til et minimum. Den sirkulerende strømmen av konsentrat velges så for å oppnå nær 1% til 10% dampfraksjon i ledningen 38. Den resulterende temperaturøkningen er svært liten og LMTD forblir ved konstruksj onsverdien.

Det henvises nå til figur 2, hvor det er vist en alternativ prosesskrets som tillater at nedblåsningsstrømmen 24 fra den oppvarmete separatoren 20 kan justeres til den totale konsentrasjonseffekten eller systemets konsentrasjonsfaktor (CF) danner et overmettet konsentrat med hensyn på en eller flere komponenter for å forårsake utfelling. Etter hvert som de faste stoffene dannes og hoper seg opp i den oppvarmete separatoren 20, sendes nedblåsningsstrømmen 24 gjennom en faststoff/væske-separator, som hovedsakelig er betegnet med henvisningstall 50 for fjerning av de faste stoffene eller slammet. Som et alternativ kan faststoff/væske-separatoren 50 plasseres mellom kokerens pumpe 42 og veksleren 34, i en slippstrøm eller totalt strømningsarrangement. Den gjenvundne væsken resirkuleres videre tilbake til den oppvarmete separatoren 20 som indikert ved 52, og en andel som representerer nedblåsningsmengden sendes videre gjennom forvarmeren 26 for varmegjenvinning og kjølt til omkring 3°F. Faststoff/væske-separatoren 50 kan ha en hvilken som helst form såsom en hydrosyklon, et sentrifugal-skillekammer, et fallkammer, sentrifuge eller en dekanteringsseparator, som er kjent for fagfolk. Denne prosessen er spesielt attraktiv når hoved-formålet er å gjenvinne en forbindelse som et fast stoff eller når forbindelsen har betydelig kommersiell verdi.

Videre henvises det til figur 3, hvor det er vist en

ytterligere prosessvariant hvor dampstrømmen kan inneholde en andel av en spesifikk forurensning fra fødestrømmen. Den oppvarmete separatoren 20 er utstyrt med en destillasjonskolonne 54 forut for kompressoren 32 og kompressorens sugeledning 30.

Kolonnen 54 blir brukt til å fraksjonere og vaske ut forurensningen ved å benytte flere trinn i forbindelse med tilbakeløp (refluks) av rent, kaldt vann, betegnet med henvisningstall 56. Tilbakeløpet kan hentes enten oppstrøms eller nedstrøms for forvarmeren 18 eller fra en kombinasjon, avhengig av den nødvendige tilbakeløpstemperaturen. Denne prosessvarianten er interessant når fødedampen inneholder for eksempel flyktige forbindelser som hydrokarboner, glykol, ammoniakk, osv.

Figur 4 illustrerer de typiske trykk- og temperatur-sammenhengene for de forskjellige strømmene omkring fordampningsdelen av prosessen. Henvisningstall fra figur 1 til 3 til denne drøftingen. Selv om de spesifikke prosess-parametrene er vist gjennom eksempler, kan de modifiseres til å passe til enhver spesifikk destillasjonsanvendelse. Dette skjemaet viser betingelsene basert på et fluid uten koke-punktsforhøyelse og hvor den oppvarmete separatoren er i drift ved et trykk som er litt over atmosfæretrykk, 16 psia og 212,5°F. Temperaturøkningen i det sirkulerende konsentratet er mindre enn 1°F for et trykkfall på 2,5 psi i kokeren. Dampfraksjonen i den sirkulerende strømmen er omkring 10%. Forholdene omkring kokeren 34 kan fremstilles ved en fordamp-nings/kondensasjonskurve som vist i figur 5. På den kondenserende siden av varmeveksleren tilføres overhetet damp ved punkt C ved omtrent 289°F og 21,0 psia og kondenseres ved dampens metningstrykk ved punkt C, ved omkring 232°F og 21,0 psia. Denne sonen henvises vanligvis til som hetdamp-avkjølingssonen og består av omkring 2% av veksleroverflaten, og der den gjenværende sonen er flaten hvor kondensasjons-varmen avgis. Et lett trykk- og temperaturfall vil finne sted gjennom veksleren 34 på grunn av varmevekslerens iboende trykkfall. Utløpsbetingelsene blir omkring 231,8°F og 20,9 psia. Overflatetemperaturen på den kondenserende siden vil være mindre enn metningstemperaturen i den innkommende dampen, slik at det derved dannes en kondensatfilm på varme-vekslerflaten. Varmeoverføringen vil derfor finne sted utenfor betingelsen for fuktet vegg, (eng.-: "the wet wall condition"), noe som opprettholder den effektive film-temperaturen ved metningstrykk for damp. Destillatet ledes fra veksleren til kondensatmottakeren 36 ved punktet D, noe som holder kokeren fri for væske og som utsetter hele varme-veksleroverflaten for kondensasjonsprosessen.

På den fordampende siden kommer konsentratet motstrøms inn i veksleren fra bunnen ved punkt A ved omlag 212,5°F og 18,0 psia etter sirkulasjonspumpen 42. Sirkulasjons-strømningshastigheten justeres slik at massestrømmen av konsentrat er minst 10 ganger større enn massestrømmen av damp. Konsentratfluidets temperatur begynner å stige til punkt A', og jevnes så ut til omlag 213,2°F når punkt B nås, hvor statisk trykk overkommes og trykket reduseres til 15,5 psia. Mens konsentratet stiger opp i veksleren 34, begynner det ved tvungen konveksjon å dannes damp, som absorberer den bundne varmen som overføres. Ved å øke fluidmassen på den fordampende siden til forholdet mellom sirkulerende masse og dampmassen ligger innenfor ønsket område, styres koke-virkningen innenfor områdene for tvungen konveksjon og stabil boblekoking. På grunn av den høye massestrømmen av væske, forblir varmeovergangsflaten fuktet ved en temperatur som er ekvivalent med metningstemperaturen i den nydannete dampen. Ved videre å sørge for at flukshastigheten (QA<-1>) for en varmeveksler er under 6000 BTU hr<-1> ft"<2>, kan temperatur-økningen for den fordampende siden opprettholdes under 1°F, og den fuktige filmoverflaten opprettholdes, noe som eliminerer risikoen for beleggdannelse. Dersom flukshastigheten er for høy, overskrider det umiddelbare damp-akselerasjons-trykkfallet midlertidig det tilgjengelige statiske trykket, noe som resulterer i ustabil midlertidig tilbakestrømning og eventuell nedbrytning av den fuktige varmeovergangsflaten. Dette kan resultere i groing på varmeovergangsflaten. Under varmeflukser på 6000 BTU hr<-1> ft<-2> og innenfor området for sirkulerende konsentratmasse over dampmasse på mindre enn 300, eksisterer det et område hvor væske og damp kan sameksistere i stabil operasjon og opprettholde en fullstendig fuktet varmeovergangsflate på den fordampende siden av kokeren, uten risiko for groing eller beleggdannelse .

Henvisninger til punktene A til D kan også finnes på figur 6.

Figur 6 illustrerer et sideriss av en svært effektiv varmeoverføringsveksler 58, kjent for fagfolk som en plate-ramme-varmeveksler, hvor rader av vertikalt stablete plater 60 med pakninger anordnes mellom to faste plater 62 og 64. Disse innretningene er velkjente for sin kompakte størrelse og evne til å ha høye U-verdier eller totale varmeovergangstall. Når denne typen veksler er konfigurert med ett rørpass for motstrøms strømning, er den velegnet for denne oppfinnelsen og tilbyr spesifisert de følgende fordelene for å utføre oppfinnelsen:

1. Platevarmeveksleren tilbyr et lavt, fast statisk trykk og svært lavt trykkfall på det sirkulerende konsentratfluidet eller den fordampende siden, samtidig som den gir et relativt høyt varmeovergangstall; 2. Varmefluksen kan lett endres ved å tilføye ytterligere overflateareal eller plater i en gitt ramme; 3. Den kondenserende siden i en plate-ramme-konstruksjon har fritt-rennende avløp og har lavt trykkfall; 4. Det svært effektive varmeovergangstallet tillater overflatetemperaturene å være nær begge fluidstrøm-temperaturene, noe som reduserer risikoen for groing; 5. Den høye turbulensen og de tilsvarende høye fluid-hastighetene resulterer i lite groing og holder fast-stoffene i homogen suspensjon etter hvert som de passerer gjennom veksleren; 6. Det er ingen varme eller kalde områder og ingen

dødvannsområder (eng.: "dead flow regions") iboende i en plate-ramme-konstruksjon, noe som reduserer risikoen for groing eller beleggdannelse;

7. Platene er glatte og ferdigpolerte noe som

reduserer risikoen for groing; og

8. Kort fluidoppholdstid reduserer risikoen for

utfelling, fordi det er utilstrekkelig tid til å nå likevekt og generere beleggdannende forurensninger.

Mer generelt er platevarmeveksleren svært kompakt og kan kostnadseffektiv skaffes til veie med plater av spesielle legeringer for å motstå fluidkorrosjon og spenningssprekking på grunn av korrosjon, noe som er vanlig ved anvendelser for avsalting. Andre typer vekslere, som rørsatsvekslere, dobbeltrørsvekslere, vekslere med finnete rør eller spiral-vekslere, kan også komme i betraktning av fagfolk, forutsatt at de spesifikke kravene til oppfinnelsen opprettholdes. Figur 7 er et diagram som viser ønsket designområde, globalt betegnet av 66, for forholdet mellom sirkulerende konsentrat-massestrøm og damp-massestrømmen. Det ønskete område fra omlag 10 til 100 resulterer i en dampfraksjon på mindre enn 10% til nær 1%. Figur 8 er et diagram som viser den resulterende påvirkningen på den lokale konsentrasjonsfaktoren CFexchan<g>er i forhold til risikoen for ytterligere overmetning og utfelling i varmeveksleren. Hovedsakelig kan systemets konsentrasjonsfaktor uttrykkes som følger:

Konsentrasjonen som når likevektstilstand i den oppvarmete separatoren resulterer fra den vedvarende fjerningen av damp i balanse med en kontinuerlig nedblåsning fra den oppvarmete separatoren. Verdien av CFTOtal er typisk av størrelsesorden mindre enn 5 til omkring 20 ganger, avhengig av mengden og typen forurensninger i fødestrømmen. Dessuten blir, avhengig av mengden dampmasse som forlater kokeren, den resulterende CFexchanger bestemt (mellom 1,0 og 1,1) og nedblåsningshastigheten justert slik at de ønskete konsentrasjons-nivåene ikke overskrides i kokeren. Et typisk eksempel kan vises som følger: o Fødestrømmen inneholder 20 000 TDS, og det er ønskelig

ikke å overskride 100 000 TDS i konsentratet.

o Det er avgjort at det mest effektive masseforholdet er 20, noe som resulterer i en dampfraksjon på 5%, fra

figur 7.

o CFexchan<g>er leses av fra figur 8 til å være omlag 1,07.

CFtotal beregnes til å være (100000/20000) = 5.

o CFBLOwdown beregnes til å være (5/1,07) = 4,7.

0 Derfor blir den korrigerte nedblåsningshastigheten ("blowdown rate") (1/4,7) = 21% av inntaksfødestrømmen.

Følgelig, ved å benytte en prosess med damp-rekompresjon 1 kombinasjon med et varmeovergangssystem med tvungen konveksjon, og ved å følge trinnene med omhyggelig valg av forholdet mellom massestrømmen i det sirkulerende systemet og massestrømmen til dampstrømmen til å være mindre enn 300 til omlag 2, mer spesifikt et forhold på omkring 10 til 100, valg av en varmefluks på mindre enn 6000 BTU hr-1 ft-2, og styring av en nedblåsningsstrøm for å oppnå ønsket konsentrasjons-virkning (CF), blir resultatet en svært effektiv vanndestil-lasjonsenhet som ikke er følsom for groing eller beleggdannelse over lange driftstider. Ved å kombinere de to prosessdiagrammene med en unik varmeveksler-konfigurasjon, og mer spesielt, konstruert for en spesifisert sirkulasjonshastighet for konsentrat som ikke fremgår av kjent teknikk, tillates det at det med denne oppfinnelsen er frembrakt en effektiv fremgangsmåte for å destillere vann fritt for forurensninger, uten risikoen for groing og beleggdannelse.

De følgende eksemplene tjener til å illustrere oppfinnelsen.

Eksempel 1

Denne eksempelberegningen er til hjelp for å demonstrere varmebalansen omkring kokeren. Dette eksempelet representerer en designbasis for en destillasjonsenhet som er konstruert for å gjenvinne 53000 USgpci rent destillat fra en forurenset kilde.

Informasjon om varmeveksler

Kondenserende side

Fordampende side

Dette eksempelet illustrerer at den 10% (prosents) dampfraksjonen som dannes i det sirkulerende fluidetvil fange opp 99% av varmeovergangen fra den kondenserende siden og øke temperaturen i det sirkulerende fluidet med mindre enn 1°F, selv om det er 10 ganger massen av den sirkulerende væsken.

Eksempel 2

En prototyp-enhet ble fremstilt og konstruert for å gjenvinne 10 000 USgpd rent destillat fra en sigevannslagune for en landfylling. Enheten ble testet over en utvidet periode og detaljerte ytelsesforsøksdata ble samlet i løpet av denne perioden. Forsøksanlegget fungerte prikkfritt i en utvidet 4-måneders-periode og ved inspeksjon var groing i kokeren og den oppvarmete separatoren neglisjerbar. Utstyret som ble brukt i forsøksanlegget inkluderte en Spencer™ modell GF36204E kompressor av blåser-typen {"blower compressor") som yter en 3,0 psia stor trykkforskjell. Standard platevarme-vekslere med enkelt pass ble brukt under forsøksperioden.

Sigevannsføde-, konsentrert nedblåsnings-, og behandlet effluent-karakteristika var som følger:

Effluenten er av en slik kvalitet at den kan slippes ut til overflatevann slik at praktisk talt alle regler og retningslinjer tilfredsstilles. Kompressorens energiforbruk ble målt for forskjellige ytelsespunkter, inkludert kompressorens reduksjonsoversetting og resirkuleringsforhold. Det målte energiforbruket ble fremstilt grafisk på figur 9 som energiforbruk per 1000 US-gal. for de forskjellige destillat-strømmene. Forsøksdatakurven ble korrigert for kompressorens lavere virkningsgrad over omfanget av strømmer, og det ble funnet en jevn energiforbruksverdi på 50 kWh/1000 US-gal. Ved å tillate standard kompressor-virkningsgrader på omkring 77%, er det nødvendige energiforbruket for den høy-effektive destillasjonsenheten omlag 65 kWh/1000 US-gal. Nedblåsningsstrømmen var gjennomsnittlig 10% av fødestrømmen gjennom hele forsøksperioden, noe som resulterte i en gjennomsnittlig konsentrasjonsfaktor (CF) på 10. En visuell inspeksjon ble gjennomført etter forsøket, og det var ikke tegn på beleggdannelse i anlegget for den oppvarmete separatoren og kokeren.

Claims

1. Fremgangsmåte for fjerning av forurensninger fra en fødestrøm (10) som inneholder forurensninger, ved å anvende en oppvarmet separator (20) og en varmeveksler eller koker (34) , karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter trinnene med: a) generering av en dampfraksjon (30) fra den oppvarmete separatoren (20) som i det vesentlige er fri for forurensninger, og en separat konsentrert forurensningsbærende fraksjon (24); b) komprimering av dampfraksjonen (30) for å heve dampfraksjonens temperatur utover den oppvarmete separatorens (20) temperatur; c) anbringelse av dampfraksjonen (30) i kontakt med varmeveksleren (34) for å danne et kondensert destillat; og d) opprettholding av oppvarmingsflater i den oppvarmete separatoren (20) og varmeveksleren (34) i det minste i kontakt med den konsentrerte forurensete fraksjonen (24) ved å kontinuerlig sirkulere den konsentrerte forurensete fraksjonen gjennom den oppvarmete separatoren (20) og varmeveksleren (34) i et forhold mellom sirkulerende masse og dampmasse på omkring 300 til nær 2, der dampmassen er ekvivalent med destillat-massen (36) gjenvunnet fra den komprimerte dampfraksjon, for derved å forhindre beleggdannelse og groing på oppvarmingsflåtene; og e) fjerning av en del av de konsentrerte forurensninger fra den oppvarmete separatoren (20).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter trinnene med: oppvarming av fødestrømmen før genereringen av dampfraksjonen i trinn a); varmeveksleren (34) er en fraksjoneringskoker ("reboiler exchanger"), og trinn b) videre omfatter opprettholding av områder for stabil boblekoking på oppvarmings-flatene til fraksjoneringskokeren, hvor en fuktet overflate opprettholdes inn i kokeren; og oppsamling av det kondenserte destillat (36) i det vesentlige fritt for forurensninger.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, der etter opprettholding av stabil boblekoking er fremgangsmåten karakterisert ved at den videre omfatter trinnene med: i) overmetning den konsentrerte forurensete fraksjonen (24) for utfelling av minst ett utvalgt faststoff; ii) filtrering av konsentratet; og iii) gjenvinning av det minst ene valgte faststoff (50).

4. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at fødestrømmen er gjenstand for et forbehandlingstrinn (12) før oppvarming.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at forbehandlingstrinnet (12) omfatter minst én av: filtrering, ionebytte, destillasjon, utfelling og fordampning.

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at den videre omfatter trinnet med resirkulering av den konsentrerte forurensete fraksjon (28).

7. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at den videre omfatter trinnet med endring av konsentratets sirkulasjonshastighet.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at konsentratets sirkulasjonshastighet sirkuleres for å opprettholde fra omlag 1% til omlag 50% av dampmassen.

9. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-8, karakterisert ved at den sirkulerende dampmasse er på omlag 10%.

10. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved at fremgangsmåten videre omfatter trinnene med: a) resirkulering av en del av det kondenserte destillat (36) til en fraksjonskolonne (54) som destillat-tilbakeløp (56) ("destillate reflux"); og b) sending av dampfraksjonen (30) gjennom fraksjonskolonnen (54) samtidig som den er i kontakt med destillat-tilbakeløpet (56) av det kondenserte destillat (36).

11. Fluidbehandlingsanordning for behandling av en fødestrøm (10) som inneholder minst én forurensning, for frembringelse av en effluent som er fri for denne forurensningen, karakterisert ved at anordningen omfatter i kombinasjon: en rekompresjonsanordning for damp som omfatter en første oppvarmingsanordning for oppvarming av fødestrømmen (10) ; en oppvarmet separatoranordning (20) som står i fluidforbindelse med den første oppvarmingsanordningen for danning av en dampfraksjon (30) og en konsentrert fraksjon (24); en varmeveksler (34) som står i fluidforbindelse med en kompressor (32) for gjenvinning av bundet varme fra kondensert damp; og en krets (42,44,38) med tvungen sirkulasjon som omfatter: en pumpe (42); en styreinnretning (44) for variering av den sirkulerende strømmen; en varmeveksler, hvor pumpen (42) står i fluidforbindelse med den oppvarmete separatoranordningen (20) og veksleren (34); en anordning for fluidforbindelse (38) mellom varmeveksleren og den oppvarmete separatoren som danner en krets med tvungen sirkulasjon; hvor pumpen er innrettet for selektivt å variere fluidets sirkulasjonsstrømningshastighet gjennom veksleren for selektivt å variere mengden av dampfraksjon gjennom veksleren.

12. Anordning ifølge krav 11, karakterisert ved at anordningen er selv-rensende.

13. Anordning ifølge krav 11 eller 12, karakterisert ved at pumpen kontinuerlig sirkulerer fluidet for å opprettholde damp fra omlag 1% til omlag 50% av massen i fluidet.

14. Anordning ifølge et av kravene 11-13, karakterisert ved at den oppvarmete separatoren (20) danner en i det vesentlige forurensingsfri dampfraksjon (30) og en konsentrert forurensningsfraksjon (24).