PL211704B1

PL211704B1 - The manner of execution of carbon dioxide evaporation in the process of pressure fumigation of materials, especially of organic origin

Info

Publication number: PL211704B1
Application number: PL384189A
Authority: PL
Inventors: Edward Rój
Original assignee: Inst Nawozow Sztucznych
Priority date: 2007-12-31
Filing date: 2007-12-31
Publication date: 2012-06-29
Also published as: PL384189A1

Abstract

Ujawniono sposób prowadzenia procesu odparowania ditlenku węgla w procesie ciśnieniowej fumigacji materiałów, zwłaszcza pochodzenia organicznego, który odbywa się w autoklawach ciśnieniowych, zasilanych ze zbiornika ciekłego CO2. Sposób charakteryzuje się tym, że strumień ciekłego ditlenku węgla, o temperaturze równowagowej i ciśnieniu w zakresie 2,0 ÷ 3,0 MPa, przepuszcza się rurą z wydajnością 100 - 1000 kg/m2s CO2 i kontaktuje się ze strumieniem czynnika grzejnego poprzez strumień z czynnikiem pośredniczącym o temperaturze na poziomie 32 - 48°C i ciśnieniu 0,11 - 0,4 MPa, który przepływa korzystnie w przeciwprądzie. Stosunek strumienia ditlenku węgla do strumienia czynnika grzejnego wynosi 0,3 - 0,5 kg CO2/kg H2O, z tym że liczba Reynoldsa w strumieniu CO2 kształtuje się powyżej 4 000 celem zapewnienia przepływu burzliwego w rurach wymiennika.A method of carrying out the process of evaporating carbon dioxide in the process of pressure fumigation of materials, especially of organic origin, is disclosed, which takes place in pressure autoclaves powered by a liquid CO2 tank. The method is characterized by the fact that a stream of liquid carbon dioxide with an equilibrium temperature and pressure in the range of 2.0 ÷ 3.0 MPa is passed through a pipe with a capacity of 100 - 1000 kg/m2s CO2 and contacted with the stream of the heating medium through the stream with the medium. intermediate with a temperature of 32 - 48°C and a pressure of 0.11 - 0.4 MPa, which preferably flows in countercurrent. The ratio of the carbon dioxide stream to the heating medium stream is 0.3 - 0.5 kg CO2/kg H2O, but the Reynolds number in the CO2 stream is above 4,000 to ensure turbulent flow in the exchanger pipes.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób prowadzenia procesu odparowania ditlenku węgla w procesie ciśnieniowej fumigacji materiałów, zwłaszcza pochodzenia organicznego, który odbywa się w autoklawach ciśnieniowych, zasilanych ze zbiornika ciekłego CO2.The subject of the invention is a method of carrying out the process of carbon dioxide evaporation in the process of pressure fumigation of materials, especially of organic origin, which takes place in pressure autoclaves supplied from a liquid CO2 tank.

Technologia fumigacji materiałów, zwłaszcza pochodzenia organicznego, obejmuje magazynowanie ciekłego CO2 w specjalnym zbiorniku, odparowanie CO2 i jego podgrzanie do odpowiedniej temperatury oraz zasilanie autoklawu gazowym CO2 i ewakuację CO2 po zakończeniu procesu fumigacji. Ciśnieniowa fumigacja materiałów pochodzenia organicznego jest procesem szarżowym, w którym wyróż nia się trzy fazy robocze: kompresja - czyli napeł nianie autoklawu gazowym ditlenkiem węgla, fumigacja właściwa - jest to utrzymywanie autoklawu pod ciśnieniem przez określony czas, dekompresja - usunięcie gazowego ditlenku węgla z autoklawu.The technology of fumigation of materials, especially of organic origin, includes storing liquid CO2 in a special tank, evaporating CO2 and heating it to the appropriate temperature, and supplying the autoclave with CO2 gas and evacuating CO2 after the fumigation process is completed. Pressure fumigation of organic materials is a batch process, in which three working phases are distinguished: compression - i.e. filling the autoclave with carbon dioxide gas, proper fumigation - it is keeping the autoclave under pressure for a specified time, decompression - removing carbon dioxide gas from the autoclave.

Zbiorniki przeznaczone do magazynowania ditlenku węgla mogą pracować przy relatywnie niskim ciśnieniu poduszki gazowej, np. do 30 barów, co wymaga utrzymania niskiej ujemnej temperatury CO2 w zbiorniku lub przy podwyższonym ciśnieniu, rzędu 60 barów, przy dodatniej temperaturze CO2 zbliżonej do temperatury otoczenia.Tanks intended for the storage of carbon dioxide can operate at a relatively low pressure of a gas cushion, e.g. up to 30 bar, which requires maintaining a low negative CO2 temperature in the tank or at an increased pressure of 60 bar, at a positive CO2 temperature close to the ambient temperature.

W obydwu przypadkach celem uzyskania gazowego CO2 o odpowiedniej temperaturze, ciekły CO2 poddaje się odparowaniu, a następnie podgrzaniu w wymienniku ciepła. Operacje wymiany ciepła są łatwe w realizacji, jeżeli temperatury zamarzania czynnika grzejnego i ogrzewanego są sobie bliskie, szczególnie gdy niska temperatura jednego z czynników nie powoduje zamarzania drugiego.In both cases, the liquid CO2 is evaporated and then heated in a heat exchanger to obtain gaseous CO2 at an appropriate temperature. Heat transfer operations are easy to implement if the freezing points of the heating medium and the heated medium are close to each other, especially when the low temperature of one medium does not freeze the other.

W rozpatrywanym przypadku czynnikiem grzejnym jest zwykle woda, a ogrzewanym ciekły CO2 o niskiej ujemnej temperaturze, okoł o - 20°C.In the case under consideration, the heating medium is usually water, and the heated medium is liquid CO2 with a low negative temperature, about -20 ° C.

Celem wynalazku jest taki sposób prowadzenia procesu odparowania ciekłego ditlenku węgla i podgrzewania gazowego CO2, aby zapewnić odpowiednią temperaturę gazowego CO2 podawanego do autoklawu i aby zapobiec możliwości dostarczenia ciekłego CO2 do autoklawu.The object of the invention is to carry out the process of vaporizing liquid carbon dioxide and heating the gaseous CO 2 to ensure the appropriate temperature of the gaseous CO 2 fed to the autoclave and to prevent the possibility of liquid CO 2 being supplied to the autoclave.

Istota wynalazku polega na tym, że strumień ciekłego ditlenku węgla o temperaturze równowagowej i ciśnieniu w zakresie 2,0-3,0 MPa, który przepuszcza się rurą z wydajnością 100-1000 kg/m²s CO2 kontaktuje się ze strumieniem czynnika grzejnego poprzez strumień z czynnikiem pośredniczącym o temperaturze na poziomie 32-48°C i ciśnieniu 0,11-0,4 MPa, który przepływa korzystnie w przeciwprądzie. Stosunek strumienia ditlenku wę gla do strumienia czynnika grzejnego wynosi 0,3-0,5 kg CO2/kg H2O, z tym że liczba Reynoldsa w strumieniu CO2 kształtuje się powyżej 4 000 celem zapewnienia przepływu burzliwego w rurach wymiennika.The essence of the invention consists in the fact that the stream of liquid carbon dioxide with the equilibrium temperature and pressure in the range of 2.0-3.0 MPa, which is passed through the pipe with an efficiency of 100-1000 kg / m ² s CO2, is contacted with the stream of heating medium through the stream with an intermediary medium having a temperature of 32-48 ° C and a pressure of 0.11-0.4 MPa, which is preferably flowing in countercurrent. The ratio of the carbon dioxide stream to the heating medium stream is 0.3-0.5 kg CO2 / kg H2O, however, the Reynolds number in the CO2 stream is above 4,000 to ensure turbulent flow in the exchanger tubes.

Jako czynnik grzejny stosuje się wodę.Water is used as the heating medium.

Jako czynnik grzejny stosuje się korzystnie płyn o temperaturze zamarzania niższej od temperatury ciekłego ditlenku węgla.Preferably, a fluid with a freezing point lower than that of liquid carbon dioxide is used as the heating medium.

Jako czynnik pośredniczący stosuje się glikol etylenowy i/lub propylenowy lub jego mieszaniny z wodą lub alkohol metylowy albo etylowy lub ich mieszaniny.The intermediating agent used is ethylene and / or propylene glycol or mixtures thereof with water, or methyl or ethyl alcohol or mixtures thereof.

Jako czynnik pośredniczący stosuje się dowolny płyn o temperaturze zamarzania niższej od temperatury zasilającego ciekłego CO2.Any fluid with a freezing point below that of the liquid CO2 feed is used as the brine.

Przy użyciu wymiennika z dwoma czynnikami, gdy czynnikiem grzejnym jest woda oraz gdy czynnik ogrzewany posiada ujemną temperaturę, np. zimny CO2, przy kontakcie tych czynników w przestrzeni mię dzyrurowej istnieje moż liwość oblodzenia się tej części rur wymiennika, przez które przepływa ciekły CO2 o ujemnej temperaturze. Prowadzi to do gwałtownego pogorszenia się współczynników wymiany ciepła i utraty kontroli nad szybkością wymiany ciepła. Zapobiec temu można poprzez zamianę wody na inny czynnik grzejny, co nie zawsze jest możliwe, lub poprzez wprowadzenie dodatkowego niezamarzającego (temperatura zamarzania < - 25°C) czynnika pośredniczącego w wymianie ciepła pomiędzy ciepłą wodą grzejną i zimnym ditlenkiem węgla. Aby wymiana ciepła pomiędzy czynnikiem grzejnym i ciekłym ditlenkiem węgla była efektywna, należy zapewnić odpowiednio stabilny pobór gazowego CO2 oraz odpowiednią temperaturę czynnika pośredniczącego.When using an exchanger with two factors, when the heating medium is water and when the heated medium has a negative temperature, e.g. cold CO2, when these factors come into contact in the space between the pipes, there is a possibility of icing of the part of the exchanger pipes through which the liquid CO2 flows with a negative temperature. temperature. This leads to a sharp deterioration in heat transfer coefficients and loss of control over the heat transfer rate. This can be prevented by replacing the water with a different heating medium, which is not always possible, or by introducing an additional anti-freeze (freezing point <- 25 ° C) medium in the heat exchange between hot heating water and cold carbon dioxide. In order for the heat exchange between the heating medium and liquid carbon dioxide to be effective, it is necessary to ensure a sufficiently stable gaseous CO2 intake and an appropriate temperature of the medium.

W wyniku badań procesu wymiany ciepł a przy odparowaniu ciekł ego CO2 w wymienniku pł aszczowo-rurowym określono ważne parametry procesu, przeanalizowano problem zapewnienia stałego obciążenia wymiennika ciepła w czasie cyklu napełniania autoklawu oraz określono zakres optymalnych temperatur czynnika pośredniczącego.As a result of the research on the heat exchange process during the evaporation of liquid CO2 in the shell-and-tube exchanger, important parameters of the process were determined, the problem of ensuring a constant load of the heat exchanger during the autoclave filling cycle was analyzed and the range of optimal temperatures of the intermediary medium was determined.

Stałe obciążenie wymiennika zrealizowano przy pomocy układu regulacji przepływu ditlenku węgla, natomiast stabilizację optymalnej temperatury czynnika pośredniczącego przy pomocy układu regulacji temperatury.The constant load of the exchanger was achieved by means of the carbon dioxide flow control system, while the stabilization of the optimal temperature of the brine was achieved by means of the temperature control system.

PL 211 704 B1PL 211 704 B1

Odparowanie ciekłego ditlenku węgla i jego ogrzanie prowadzi się w wymienniku ciepła, korzystnie z pośredniczącym czynnikiem grzejnym. Jeżeli proces odparowania CO2 nie jest prowadzony w sposób prawidłowy, wówczas występuje albo bardzo intensywne wrzenie i parowanie ciekłego CO2 lub też odparowanie ciekłego CO2 zachodzi zbyt wolno. Przy zbyt wysokiej temperaturze czynnika pośredniczącego zachodzi bardzo intensywne wrzenie CO2 i szybkie parowanie ciekłego CO2, co prowadzi do znacznego obniżenia temperatury czynnika pośredniczącego i obniżenia intensywności wymiany ciepła. Wymiennik ciepła pracuje wtedy mniej wydajnie i temperatura CO2 spada do niebezpiecznie niskiego poziomu. Przy zbyt niskiej temperaturze czynnika pośredniczącego zachodzi bardzo powolna wymiana ciepła i temperatura ditlenku węgla jest zbyt niska, aby kontynuować proces napełniania autoklawu. W obydwu przypadkach występuje zagrożenia napełnienia autoklawu ciekłym ditlenkiem węgla, co jest bardzo niebezpieczne.The evaporation of liquid carbon dioxide and its heating is carried out in a heat exchanger, preferably with an intermediate heating medium. If the CO2 evaporation process is not carried out properly, then either very intense boiling and evaporation of the liquid CO2 occurs or the evaporation of the liquid CO2 takes place too slowly. When the temperature of the brine is too high, very intense boiling of CO2 and rapid evaporation of liquid CO2 take place, which leads to a significant reduction in the temperature of the brine and a reduction in the intensity of heat exchange. The heat exchanger then works less efficiently and the CO2 temperature drops to a dangerously low level. When the brine temperature is too low, very slow heat exchange takes place and the carbon dioxide temperature is too low to continue the autoclave filling process. In both cases there is a risk of filling the autoclave with liquid carbon dioxide, which is very dangerous.

Aby poprawić sprawność wymiennika ciepła, należy kontrolować intensywność wrzenia CO2. Kontrolę intensywności wrzenia można uzyskać poprzez zapewnienie sterowanego dopływu ciepła do przepływającego CO2. Można to zrobić poprzez zapewnienie stabilnego przepływu i temperatury czynnika grzejnego, określonej cyrkulacji i temperatury czynnika pośredniczącego oraz określonego, stabilnego przepływu czynnika ogrzewanego.In order to improve the efficiency of the heat exchanger, the intensity of the CO2 boiling should be controlled. Boiling intensity can be controlled by providing a controlled supply of heat to the flowing CO2. This can be done by ensuring a stable flow and temperature of the heating medium, a specific circulation and temperature of the brine, and a specific, stable flow of the heating medium.

PrzykładExample

Strumień ciekłego ditlenku węgla o temperaturze -20°C i ciśnieniu 2,0 MPa przepuszczono przez jeden z układów rurowych wymiennika ciepła z wydajnością ok. 560 kg/m²s CO2.A stream of liquid carbon dioxide with a temperature of -20 ° C and a pressure of 2.0 MPa was passed through one of the heat exchanger pipe systems with the efficiency of approx. 560 kg / m ² s CO2.

Woda, jako czynnik grzejny, przepływała przez drugi układ rurowy.Water, as a heating medium, flowed through the second piping system.

Strumień ciekłego CO2 i woda kontaktowały się w przeciwprądzie poprzez czynnik pośredniczący, którym był glikol etylenowy o temperaturze 36°C i ciśnieniu 0,2 MPa. Stosunek strumienia ditlenku węgla do strumienia czynnika grzejnego wynosił ok. 0,4 kg CO2/kg H2O. Liczba Reynoldsa obliczona dla strumienia CO2 wynosiła ok. 100 000. Uzyskano dodatnią temperaturę gazowego ditlenku, co zapewniło bezpieczną pracę autoklawu.The liquid CO 2 stream and the water were countercurrently contacted through an intermediary agent which was ethylene glycol at a temperature of 36 ° C and a pressure of 0.2 MPa. The ratio of the carbon dioxide stream to the heating medium stream was approx. 0.4 kg CO2 / kg H2O. The Reynolds number calculated for the CO2 stream was about 100,000. A positive temperature of the gas dioxide was obtained, which ensured safe operation of the autoclave.

Stałe zasilanie autoklawu gazowym CO2 zrealizowano przy pomocy układu regulacji przepływu.The autoclave is continuously fed with CO2 gas by means of a flow control system.

Temperaturę czynnika pośredniczącego regulowano przy pomocy układu regulacji automatycznej. Cyrkulację czynnika pośredniczącego utrzymywano na poziomie intensywnym bez konieczności kontroli.The brine temperature was regulated by an automatic control system. The circulation of the mediator was kept at an intensive level without the need for control.

Claims

1. The method of carrying out the process of evaporation of carbon dioxide in the process of fumigation of materials, especially of organic origin, which takes place with diaphragm heat exchange using a heating medium in a heat exchanger, characterized in that the stream of liquid carbon dioxide with equilibrium temperature and pressure in the range of MPa, which is passed through the pipe with an efficiency of 100-1000 kg / m ² s CO2, is contacted with the heating medium stream through the stream with an intermediary medium with a temperature of 32-48 ° C and a pressure of 0.11-0.4 MPa, which flows preferably in countercurrent, the ratio of carbon dioxide stream to heating medium stream is 0.3-0.5 kg CO2 / kg H2O, with the Reynolds number in the CO2 stream being greater than 4,000 to ensure turbulent flow in the exchanger tubes.

2. The method of carrying out the carbon dioxide evaporation process according to claim The process of claim 1, wherein the heating medium is water.

3. The method of carrying out the process of evaporating carbon dioxide according to claim 1, The process of claim 1, wherein the heating medium is a fluid with a freezing point lower than that of the liquid carbon dioxide.

4. The method of carrying out the carbon dioxide evaporation process according to claim 1, The process of claim 1, wherein the medium is a fluid with a freezing point lower than the equilibrium temperature of the liquid CO2 feed.

5. The method of carrying out the process of evaporating carbon dioxide according to claim 1, 4. The process of claim 4, characterized in that ethylene and / or propylene glycol or mixtures thereof with water or methyl or ethyl alcohol or mixtures thereof are used as the intermediate fluid

6. The method of carrying out the process of evaporating carbon dioxide according to claim 1, The process of claim 4, wherein the medium is any fluid with a freezing point lower than the liquid CO2 feed temperature.