RU2612667C1 - Устройство для получения воды с пониженным содержанием тяжелых молекул - Google Patents

Устройство для получения воды с пониженным содержанием тяжелых молекул Download PDF

Info

Publication number
RU2612667C1
RU2612667C1 RU2015143707A RU2015143707A RU2612667C1 RU 2612667 C1 RU2612667 C1 RU 2612667C1 RU 2015143707 A RU2015143707 A RU 2015143707A RU 2015143707 A RU2015143707 A RU 2015143707A RU 2612667 C1 RU2612667 C1 RU 2612667C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
column
water
nozzle
heat pump
distillation column
Prior art date
Application number
RU2015143707A
Other languages
English (en)
Inventor
Игорь Львович Селиваненко
Александр Алексеевич Тимаков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "МТК Айсберг"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "МТК Айсберг" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "МТК Айсберг"
Priority to RU2015143707A priority Critical patent/RU2612667C1/ru
Priority to PCT/RU2016/000696 priority patent/WO2017065647A1/ru
Priority to US15/768,017 priority patent/US10688436B2/en
Priority to EP16855838.5A priority patent/EP3363516B1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2612667C1 publication Critical patent/RU2612667C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D59/00Separation of different isotopes of the same chemical element
    • B01D59/02Separation by phase transition
    • B01D59/04Separation by phase transition by distillation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D3/00Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/16Fractionating columns in which vapour bubbles through liquid
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D1/00Evaporating
    • B01D1/28Evaporating with vapour compression
    • B01D1/284Special features relating to the compressed vapour
    • B01D1/2856The compressed vapour is used for heating a reboiler or a heat exchanger outside an evaporator
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D3/00Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/007Energy recuperation; Heat pumps
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D3/00Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/008Liquid distribution
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D3/00Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/10Vacuum distillation
    • B01D3/106Vacuum distillation with the use of a pump for creating vacuum and for removing the distillate
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D3/00Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/141Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column where at least one distillation column contains at least one dividing wall
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D3/00Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/143Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column by two or more of a fractionation, separation or rectification step
    • B01D3/148Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column by two or more of a fractionation, separation or rectification step in combination with at least one evaporator
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D59/00Separation of different isotopes of the same chemical element
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/02Treatment of water, waste water, or sewage by heating
    • C02F1/04Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
    • C02F1/041Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation by means of vapour compression
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/02Treatment of water, waste water, or sewage by heating
    • C02F1/04Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
    • C02F1/10Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation by direct contact with a particulate solid or with a fluid, as a heat transfer medium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D3/00Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/10Vacuum distillation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D3/00Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/14Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B4/00Hydrogen isotopes; Inorganic compounds thereof prepared by isotope exchange, e.g. NH3 + D2 → NH2D + HD
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B5/00Water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B5/00Water
    • C01B5/02Heavy water; Preparation by chemical reaction of hydrogen isotopes or their compounds, e.g. 4ND3 + 7O2 ---> 4NO2 + 6D2O, 2D2 + O2 ---> 2D2O
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/02Non-contaminated water, e.g. for industrial water supply
    • C02F2103/026Treating water for medical or cosmetic purposes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/02Non-contaminated water, e.g. for industrial water supply
    • C02F2103/04Non-contaminated water, e.g. for industrial water supply for obtaining ultra-pure water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/002Construction details of the apparatus
    • C02F2201/003Coaxial constructions, e.g. a cartridge located coaxially within another
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00Specific treatment goals
    • C02F2303/10Energy recovery
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10Process efficiency
    • Y02P20/129Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Abstract

Изобретение относится к ректификационному устройству для очистки воды от примесей в виде молекул воды, содержащих в своем составе тяжелые изотопы водорода и кислорода. Устройство содержит ректификационную колонну, работающую под вакуумом, испаритель, конденсатор и тепловой насос. При этом ректификационная колонна состоит из двух коаксиальных труб с диаметрами D1 и D2, причем D1>D2 и (D1-D2)/2<300 мм, со слоем насыпной насадки, расположенным в зазоре между ними, при этом распределитель жидкости вверху колонны имеет не менее 800 точек орошения па квадратный метр площади сечения насадочной части колонны. Изобретение обеспечивает повышение производительности и снижение энергетических затрат. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 4 табл., 3 пр.

Description

Область техники.
Изобретение относится к ректификационному устройству для очистки воды от примесей в виде молекул воды, содержащих в своем составе тяжелые изотопы водорода и кислорода, а более конкретно - к устройству для получения легкой особо чистой воды с повышенным содержанием в ней доли легких молекул 1H2 16O. Изобретение может быть использовано в пищевой промышленности, медицине, сельском и жилищно-коммунальном хозяйстве, в производстве косметических и парфюмерных средств.
Уровень техники.
Качество и чистота воды, используемой в различных областях промышленности, вносят существенный вклад в качество конечного продукта и влияют на технологические характеристики процесса производства. Качество и безопасность пищевых продуктов и напитков, в том числе питьевой воды, определяют качество жизни и здоровья человека. Молекула воды (H2O) состоит из двух химических элементов - водорода H и кислорода O. В свою очередь, каждый элемент представляет собой совокупность нескольких изотопов [1]. Стабильные изотопы водорода и стабильные изотопы кислорода образуют 9 изотопных разновидностей молекул воды, а именно: 1H2 16O, 1H2 17O, 1H2 18O, 1HD16O, 1HD17O, 1HD18O, D2 16O, D2 17O, D2 18O. В количественном отношении основная масса воды природных источников представлена молекулами 1H2 16O, состоящими из легких изотопов 1H и 16O. Количество молекул воды, содержащих тяжелые изотопы: D, 17O, 18O, зависит от концентрации указанных изотопов, которая в природной воде колеблется в пределах, зафиксированных в основных стандартах изотопного состава гидросферы VSMOW и SLAP [2]. В природной воде весовая концентрация молекул 1H2 17O, 1H2 18O, 1HD16O, 1HD17O, 1HD18O, D2 16O, D2 17O, D2 18O, может составлять до 2,97 г/л, что превышает допустимое содержание солей в питьевой воде. Физические, химические и биологические свойства изотопно-тяжелых вод (тяжелой по D, тяжелой по кислороду 17O и кислороду 18O) существенно отличаются как друг от друга, так и от свойств природной воды. Например, различаются температуры кипения и замерзания, плотность скорость химических и биохимических реакций [3, 4, 5]. Это позволяет рассматривать вышеперечисленные тяжелые изотопные модификации H2O как различные самостоятельные вещества, которые по отношению к воде 1H2 16O являются примесями. Реакция биосистем при воздействии на них воды может изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений изотопного состава воды. Применение воды с повышенной концентрацией тяжелых изотопов, в частности дейтерия, вызывает выраженные токсические эффекты на уровне организма [4]. В то же время на разных объектах зарегистрирована положительная биологическая активность воды со сниженной концентрацией дейтерия [4, 6-10]. Таким образом, создание устройств для очистки воды от тяжелых молекул является актуальной задачей.
Современный уровень техники по вопросам производства изотопно-легкой воды представлен рядом патентов.
Так, известны способ и устройства для получения «талой» и «реликтовой» воды с пониженным содержанием тяжелых изотопов дейтерия и трития, см. патенты: RU 2031085 C1, МПК C02F 9/00, B01D 19/00, опубл. 20.03.1995 г., RU 2091335 C1, МПК C02F 9/00, опубл. 27.09.1997 г., RU 2091336 C1, МПК C02F 9/00, опубл. 27.09.1997 г., RU 2525494 C2, МПК C02F 1/22, C01B 5/02, B01D 59/08, C02F 103/04, опубл. 20.08.2014 г. Сущность известного способа состоит в том, что он включает операции охлаждения и замораживания воды с последующими операциями оттаивания замороженной воды. Однако степень очистки воды от дейтерия в таких устройствах невелика и не превышает 136 ppm по дейтерию.
Известны также устройства, позволяющие методом электролиза воды с последующим сжиганием водорода в среде кислорода достигать довольно значительного обеднения воды дейтерием. См., например, патенты RU 2182562 C2, МПК C02F 1/46, B01D 59/00, C02F 103:04, опубл. 20.05.2002 г. и RU 125092 U1, МПК B01D 59/00, опубл. 27.02.2013 г. Но производительность указанных выше устройств мала. Недостатками таких устройств являются многостадийность процесса, загрязнение конечного продукта переходными металлами в процессе сжигания водорода, пожаро- и взрывоопасность.
Более близкими к заявляемому изобретению по технической сути являются устройства с ректификационной колонной. В настоящее время известны ректификационные устройства для получения воды с пониженным содержанием дейтерия, работающие под вакуумом, с регулярной и насыпной насадкой. См., например, патенты RU 125092 U1, МПК B01D 59/00, опубл. 27.02.2013 г., RU 2125817 C1, МПК A23L 2/00, A61K 33/00, опубл. 10.02.1999 г., RU 2139062 C1, МПК A61K 33/00, A61K 7/00, A61K 9/00, опубл. 10.10.1999 г. и международную заявку WO 9308794 A1, МПК A61K 9/08, 33/00, опубл. 13.05.1993 г.
Регулярные насадки обычно используют в виде рулонов, пакетов и блоков. Такие насадки, обладая упорядоченной структурой, препятствуют возникновению непредвиденных застойных зон, имеющих место в насыпных насадках. Кроме того, они способны работать с высокими нагрузками по паровой фазе, обладают более низким собственным сопротивлением. Колонны с регулярными насадками относятся к наиболее эффективным ректификационным аппаратам. Мировыми лидерами в области исследования и разработки регулярных насадок являются фирмы SULZER, NORTON и GLITSCH. Эффективность лучших образцов их промышленных насадок составляет 5-6 т.т./м (теоретических тарелок на 1 м высоты насадки) при факторе нагрузки F=1,5-2,0 кг 0,5/(с*м0,5).
Поскольку для очистки природной воды от дейтерия в три раза требуется около 100 теоретических тарелок, использование таких насадок потребует колонну с высотой насадочной части не мене 17 м. Это существенным образом ограничивает широкое распространение подобных устройств для очистки воды от тяжелых молекул воды. Использование разрезной колонны, как предложено в патенте RU 125092 U1, усложняет конструкцию устройства и усложняет размещение такого устройства в стандартном помещении.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство с насыпной насадкой, описанное в патенте RU 2295493 C2, МПК C01D 5/00, B01D 59/00, B01D 59/02, B01D 3/14, опубл. 20.03.2007 г. Устройство для получения воды с пониженным содержанием тяжелых молекул воды, выбранное в качестве ближайшего аналога, включает узел приготовления водяного пара из исходной воды с концентрацией 1H2 16O, равной C1; узел подачи водяного пара в ректификационную колонну; ректификационную колонну, представляющую собой узел взаимодействия пар-жидкость между нисходящим потоком жидкости и восходящим потоком пара на поверхности контактного устройства внутри ректификационной колонны путем противотока жидкости и пара при направлении основного потока жидкости и основного потока пара вдоль оси колонны; узел конденсации водяного пара с концентрацией 1H2 16O, равной C2, в конденсаторе, установленном в верхней части ректификационной колонны, и накопление части конденсата в виде конденсированной легкой воды, при этом C2>C1; при этом давление пара в ректификационной колонне составляет от 0,05 до 0,6 бар и выход конденсированной легкой воды составляет от 0,001 до 0,25 общего объема водяного пара, прошедшего через ректификационную колонну.
Основными недостатками устройства по патенту RU 2295493 C2 являются низкая производительность устройства и высокие энергетические затраты на единицу готовой продукции.
Раскрытие изобретения.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства с насыпной насадкой, характеризующейся повышенной производительностью устройства и пониженными энергетическими затратами на единицу готового продукта.
Техническими результатами, которые достигаются при использовании предлагаемого изобретения, являются повышение производительности устройства с насыпной насадкой и снижение энергетических затрат на единицу готового продукта.
Известно [11], что повышение эффективности массообмена в колоннах с насыпной насадкой может быть достигнуто как за счет использования более эффективных конструкций насадочных тел, так и за счет оптимизации конструкции всей колонны (использования эффективных перераспределителей жидкостного и парового потоков, опорных решеток, узлов ввода и отбора жидкой и паровой фаз).
Несмотря на значительный прогресс в области создания высокоэффективных устройств с насыпной насадкой колоннам такого типа присущи недостатки, которые ограничивают их применение:
- относительно низкие допустимые нагрузки;
- значительная материалоемкость;
- сложность изготовления высокоэффективных насадочных тел.
Из литературы известно, что эффективность «идеальных» насадочных колонн при соблюдении определенных условий практически не должна зависеть от их диаметра. Для этого необходимо обеспечить равномерное распределение стекающей жидкости на единицу площади зеркала насадки и равномерность распределения поднимающегося пара.
Однако на практике добиться этого достаточно сложно, поскольку с увеличением диаметра колонны в насадочном слое возникает градиент скоростей паровой фазы, характеризующийся более высокой скоростью в центре сечения колонны и уменьшением скорости по направлению к стенке.
Кроме того, в слое насадки может происходить образование каналов для стекающей сверху жидкости. «Каналообразование» в слое насыпной насадки приводит к возникновению неравномерности распределения жидкой фазы в поперечном сечении колонны. Эти эффекты приводят к существенному увеличению высоты эквивалентной теоретической ступени разделения (далее - ВЭТС) с ростом диаметра колонны. Поэтому на практике насадочные колонны с высокой ВЭТС имеют диаметр не более 150 мм [12]. Это, в свою очередь, не позволяет создавать устройства с высокой производительностью.
Указанные выше технические результаты достигаются в устройстве для получения воды с пониженным содержанием тяжелых молекул воды, включающем ректификационную колонну, работающую под вакуумом, испаритель и конденсатор.
Технические результаты достигаются тем, что устройство работает с тепловым насосом, ректификационная колонна состоит из двух коаксиальных труб диаметром D1 и D2 (D1>D2) со слоем насыпной насадки, расположенным в зазоре между ними, при этом (D1-D2)/2<300 мм, а распределитель жидкости вверху колонны имеет не менее 800 точек орошения на квадратный метр площади сечения насадочной части колонны. При этом насыпная насадка может быть выполнена в виде спирально призматической насадки. В качестве рабочего тела теплового насоса может быть использован хладагент. Тепловой насос также может работать за счет механокомпрессии водяного пара. Устройство может включать в себя несколько последовательно включенных тепловых насосов.
Краткое описание графических материалов.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами.
В Таблице 1 представлены значения ВЭТС в насадочных колоннах цилиндрического сечения, заполненных спирально призматической насадкой 3×3×0,2, в зависимости от диаметра колонны.
В Таблице 2 представлены значения ВЭТС в насадочных колоннах цилиндрического сечения, заполненных спирально призматической насадкой 3×3×0,2, в зависимости от количества точек орошения на квадратный метр площади сечения насадочной части колонны, для колонны диаметром 300 мм.
В Таблице 3 представлены значения ВЭТС в насадочных колоннах кольцевого сечения, заполненных спирально призматической насадкой 3×3×0,2, в зависимости от размеров колонны для распределителя жидкости с 800 точками орошения на квадратный метр площади сечения насадочной части колонны.
В Таблице 4 представлены параметры заявляемого устройства и ближайшего аналога при получении воды одной степени очистки.
На Фиг. 1 представлено фото опорной решетки, одновременно выполняющей функцию перераспределителя парового потока.
На Фиг. 2 представлено фото распределителя потока жидкости.
На Фиг. 3 изображена ректификационная колонна, состоящая из двух коаксиальных труб.
На Фиг. 4 представлено заявляемое устройство с тепловым насосом, в качестве которого используется чиллер, работающий на хладагенте - фреоне.
На Фиг. 5 представлено заявляемое устройство, с тепловым насосом, работающим за счет механокомпрессии водяного пара.
Позициями на Фиг. 3-5 обозначены:
1 - наружная труба; 2 - внутренняя труба; 3 - слой насадки, расположенный в пространстве между указанными коаксиальными трубами; 4 - опорная решетка; 5 - жидкость, поступающая сверху; 6 - распределительное устройство потока жидкости; 7 - пар, поступающий снизу; 8 - ректификационная колонна; 9 - электрические теплоэлектронагревательные элементы (далее - ТЭНы) для запуска устройства; 10 - конденсатор-дефлегматор; 11 - насос; 12 - емкость для сбора продукта; 13 - испаритель теплонасосного устройства; 14 - компрессор; 15 - конденсатор теплонасосного устройства - кипятильник; 16 - куб колонны; 17 - дроссельный вентиль; 18 - линия питания; 19 - линия отвала; 20 - рекуперативный теплообменник.
Осуществление изобретения
Известные распределительные устройства потока жидкости, используемые в насадочных колоннах, имеют число орошения от 100 до 300 на м2 сечения аппарата. Авторами экспериментально обнаружено, что использование в колонне эффективного распределителя жидкости, имеющего не менее 800 точек орошения на квадратный метр площади сечения насадочной части колонны, позволяет увеличить диаметр колонны, заполненной спирально призматической насадкой, до 300 мм практически без изменения ВЭТС (см. Таблицы 1, 2). При этом степень неравномерности распределения жидкости на 1 м высоты насадки уменьшается до 5%, что резко повышает эффективность колонны.
На Фиг. 1 представлено фото использованного авторами перераспределителя парового потока, а на Фиг. 2 - фото распределителя жидкости.
В Таблице 1 представлено изменение ВЭТС в насадочных колоннах цилиндрического сечения, заполненных спирально призматической насадкой 3×3×0,2 в зависимости от диаметра колонны. Распределитель жидкости имеет 800 точек орошения на квадратный метр площади сечения насадочной части колонны.
В Таблице 2 представлено изменение ВЭТС в насадочных колоннах цилиндрического сечения, заполненных спирально призматической насадкой 3×3×0,2, в зависимости от количества точек орошения на квадратный метр площади сечения насадочной части колонны. Колонна диаметром 300 мм.
Определение ВЭТС проводили по степени разделения изотопов водорода в ректификационной колонне в стационарном состоянии и безотборном режиме [12]. Для этого после выхода колонны в стационарное состояние (когда профиль концентраций перестает изменяться) отбирали пробы воды из конденсатора ([D]в) и из куба ([D]н) колонны и рассчитывали:
- степень разделения колонны К по уравнению:
K=[D]н/[D]в;
- число теоретических ступеней разделения (ЧТСР) N по уравнению Фенске для безотборного режима:
N=lnK/lnα, где α - средний коэффициент разделения изотопов водорода в колонне.
Далее ВЭТС рассчитывали по уравнению:
ВЭТС=Н/N, где H - высота слоя насадки в колонне.
Как видно из Таблицы 1, дальнейшее увеличение диаметра колонны цилиндрического сечения сопровождается существенным увеличением ВЭТС и, соответственно, высоты колонны. Это делает использование колонн с диаметром более 300 мм неэффективным и, следовательно, не позволяет дальше увеличить производительность отдельного устройства.
Авторами экспериментально доказано, см. Таблицу 3, что для решения поставленной задачи можно использовать колонны и большего диаметра без потери ВЭТС. Для этого в устройствах предлагается использовать ректификационную колонну, состоящую из двух коаксиальных труб диаметром D1 и D2 (D1>D2) со слоем насыпной насадки, расположенным в зазоре между ними (см. Фиг. 3). При этом расстояния между стенками не должно превышать 300 мм. Т.е. должно выполняться условие: (D1-D2)/2 меньше или равно 300 мм. Это позволяет существенно увеличить площадь сечения насадочной части колонны при таком же расстоянии между стенками, как и у цилиндрической колонны. Например, при диаметре внешней колонны 700 мм и диаметре внутренней колонны 100 мм площадь сечения насадочной части колонны будет в 5,3 раза больше площади сечения одиночной цилиндрической колонны диаметром 300 мм. При этом расстояние между стенками будет составлять те же 300 мм.
Это техническое решение позволяет существенным образом увеличить производительность устройства при использовании колони диаметром больше 300 мм без уменьшения ВЭТС.
Изменение ВЭТС в насадочных колоннах кольцевого сечения, заполненных спирально призматической насадкой 3×3×0,2, в зависимости от размеров колонны. Распределитель жидкости имеет 800 точек орошения на квадратный метр площади сечения насадочной части колонны.
Центральная (внутренняя) труба также может быть заполнена насадкой и представлять собой независимую колонну сплошного сечения с отдельным кубом и конденсатором.
Одним из способов, позволяющих сократить расход тепла на устройствах ректификации, является использование теплоты конденсации пара верха колонны для нагрева продукта в кубе колонны. Однако вследствие разности температур между верхом и низом колонны непосредственно использовать теплоту конденсации пара верхнего продукта невозможно. В этом случае можно применить схему ректификации с тепловым насосом.
На Фиг. 4 представлена схема устройства, в котором в качестве теплового насоса используется чиллер, работающий на хладагенте - фреоне.
Ректификационная колонна (см. Фиг. 3) состоит из наружной и внутренней коаксиально расположенных труб. Слой насадки расположен в пространстве между коаксиальными трубами на опорной решетке, которая одновременно является перераспределителем парового потока. Насадка предназначена для увеличения поверхности взаимодействия между восходящим потоком пара и нисходящим потоком жидкости в ректификационной колонне. Жидкость поступает сверху через распределительное устройство, пар - поступает снизу. Полученный в кубе колонны водяной пар поступает в ректификационную колонну, представляющую собой узел взаимодействия между восходящим потоком пара и нисходящим потоком жидкости.
Пары, выходящие из верхней части ректификационной колонны 8 (см. Фиг. 4), поступают в конденсатор-дефлегматор 10, где конденсируются, отдавая теплоту воде промежуточного контура. Образовавшийся конденсат частично поступает в емкость для сбора продукта 12, частично идет на орошение колонны 8. Циркуляция воды промежуточного контура между конденсатором-дефлегматором 10 и испарителем теплонасосного устройства 13 обеспечивается насосом 11. В испарителе 13 хладон теплонасосного устройства испаряется за счет охлаждения сетевой воды промежуточного контура. Пары хладона сжимаются компрессором 14 и подаются в конденсатор теплонасосного устройства - кипятильник 15. При определенном соотношении параметров может оказаться, что теплоты конденсации хладона недостаточно для испарения воды. В этом случае дефицит теплоты покрывается электрическими ТЭНами 9, которые необходимы также для первоначального (пускового) разогрева устройства.
Работа заявляемого устройства может быть продемонстрирована следующими примерами. (Следует заметить, что примеры приведены только для иллюстрации эффективности и возможностей данного изобретения, ни в коей мере не ограничивая области его применения.)
Пример 1. Исходная дистиллированная вода поступает в куб колонны через линию запитки воды. При запуске колонны пар вырабатывается с помощью ТЭНов общей мощности 80 кВт. В дальнейшем колонна работает с тепловым насосом и выключенными ТЭНами. Тепловой насос представляет собой чиллер, работающий на хладагенте - фреоне R134a. Электрическая мощность привода компрессора - 48 кВт. Ректификационная колонна состоит из наружной и внутренней коаксиально расположенных труб. Диаметр внутренней трубы составляет 100 мм, диаметр наружной трубы составляет 400 мм. Расстояние между стенками равно 150 мм. Слой насадки расположен в пространстве между коаксиальными трубами на опорной решетке, которая одновременно является перераспределителем парового потока. Насадка представляет собой 3-миллиметровые спирально-призматические элементы, выполненные из нержавеющей проволоки диаметром 0,2 мм. Удельная поверхность насадки составляет 2800 м23, доля свободного объема 0,9 м23. Жидкость поступает сверху через распределительное устройство, пар поступает снизу. Распределитель жидкости имеет 800 точек орошения на квадратный метр площади сечения насадочной части колонны. Процесс массообмена происходит путем противотока жидкости и пара при направлении основного потока жидкости и основного потока пара вдоль оси колонны. Колонна выполнена из нержавеющей стали 02Х12Т, толщина стенки 2 мм, высота колонны - 6000 мм.
Процесс обогащения водяного пара наиболее легкими молекулами воды происходит в ректификационной колонне на поверхности насадки при температуре 60°C и давлении 0,2 бар. Пары, выходящие из верхней части колонны 8 (см. Фиг. 4), поступают в конденсатор-дефлегматор 10, где конденсируются, отдавая теплоту воде промежуточного контура. Образовавшийся конденсат частично поступает в емкость для сбора продукта 12, частично идет на орошение колонны 8. Циркуляция воды промежуточного контура между конденсатором-дефлегматором 10 и испарителем теплонасосного устройства 13 обеспечивается насосом 11. В испарителе 13 хладагент теплонасосного устройства испаряется за счет охлаждения сетевой воды промежуточного контура. Пары хладагента сжимаются компрессором 14 и подаются в конденсатор теплонасосного устройства - кипятильник 15. Полученный водяной пар с повышенным содержанием 1H2 16O в объеме 240 л/час конденсируется в узле конденсации, расположенном в верхней части ректификационной колонны. Выход сконденсированной легкой воды составляет 0,025 часть от общего объема водяного пара, прошедшего через ректификационную колонну, и равен 6 л/час. Готовый продукт представляет собой легкую воду с повышенным содержанием молекул 1H2 16O, остаточным содержанием дейтерия 10 ppm и тяжелокислородной воды (1H2 18O) - 800 ppm.
Пример 2. Все операции те же, что и в примере 1. Электрическая мощность привода компрессора теплового насоса - 200 кВт. Размеры колонны: диаметр внутренней трубы составляет 100 мм, диаметр наружной трубы составляет 700 мм. Расстояние между стенками равно 300 мм. Выход готового продукта - легкой воды с остаточным содержанием дейтерия 10 ppm и тяжелокислородной воды (1H2 18O) - 800 ppm - составляет - 20 л в час.
Пример 3. На Фиг. 5 представлена схема работы заявляемого устройства с тепловым насосом, использующим пары дистиллята, которые непосредственно поступают в компрессор, и тепловой насос устройства работает за счет механокомпрессии водяного пара. Исходная дистиллированная вода поступает в куб колонны через линию запитки воды. При запуске колонны пар вырабатывается с помощью ТЭНов общей мощности 80 кВт. В дальнейшем колонна работает с тепловым насосом и выключенными ТЭНами. Ректификационная колонна состоит из наружной и внутренней коаксиально расположенных труб. Диаметр внутренней трубы составляет 200 мм, диаметр наружной трубы составляет 400 мм. Расстояние между стенками равно 100 мм. Слой насадки расположен в пространстве между коаксиальными трубами на опорной решетке, которая одновременно является перераспределителем парового потока. Насадка представляет собой 3-миллиметровые спирально-призматические элементы, выполненные из нержавеющей проволоки диаметром 0,2 мм. Удельная поверхность насадки составляет 2800 м23, доля свободного объема 0,9 м23. Жидкость поступает сверху через распределительное устройство, пар - поступает снизу. Распределитель жидкости имеет 800 точек орошения на квадратный метр площади сечения насадочной части колонны. Процесс массообмена происходит путем противотока жидкости и пара при направлении основного потока жидкости и основного потока пара вдоль оси колонны. Колонна выполнена из нержавеющей стали 02Х12Т, толщина стенки 2 мм, высота колонны - 6000 мм. Колонна работает при температуре 60°C и давлении 0,2 бар. Пары, выходящие из верхней части колонны 8 в объеме 210 л/ч, сжимаются механическим компрессором пара 14 и поступают в теплообменник куба 16 колонны, где конденсируются, испаряя воду, находящуюся в кубе при более низком давлении. Пары воды из куба поднимаются вверх но колонне и снова поступают в механический компрессор 14 со степенью сжатия пара -2. А образовавшийся конденсат насосом 11 подается в емкость для сбора продукта 12 и на орошение колонны. При этом только 0,025 часть конденсата, равная 5,2 л, поступает в емкость для сбора продукта 12, а остальное количество поступает на орошение колонны 8. Готовый продукт представляет собой легкую воду с повышенным содержанием молекул 1H2 16O, остаточным содержанием дейтерия 10 ppm и тяжелокислородной воды (1H2 18O) - 800 ppm. Для увеличения эффективности теплового насоса служит рекуперативный теплообменник 20, в котором выходящие из верхней части колонны пары подогреваются конденсатом, а конденсат возвращается из теплообменника куба колонны.
В Таблице 4 представлены параметры заявляемого устройства и ближайшего аналога при получении воды одной степени очистки.
Как видно из Таблицы, заявляемое изобретение значительно превосходит ближайший аналог по энергоэффективности и производительности.
Источники информации
1. Глинка. Общая химия. М.: Химия, 1975 г., стр. 102.
2. Ферронский В.И., Поляков В.А. Изотопия гидросферы. М.: Наука, 1983 г., стр. 47., стр. 10, 47, 46, 10.
3. Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. Москва: ИздАТ, 2000 г., с. 186.
4. Лобышев В.И., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2O в биологических системах. Москва: Наука, 1978 г.
5. Гончарук В.В., Лапшин В.Б., Бурдейная Т.Н., Чернопятко А.С. и др. Физико-химические свойства и биологическая активность воды обедненной по тяжелым изотопам // Химия и технология воды - 2011 г. - T. 33, N 1. - с. 15-25.
6. Strekalova Т., Evans М., et al. Deuterium content of water increases depression susceptibility: The potential role of a serotonin-related mechanism. // Behav. Brain Res. Epub 2014 Aug 1.
7. Мартынов A.К., Артемкина И.В., Тимаков A.A., Москвичева Т.И. Оценка биологической активности воды с пониженным содержанием дейтерия. Материалы междисциплинарной конференции с международным участием «Новые биокибернетические и телемедицинские технологии XXI века», Петрозаводск, 23-25 июня 2003 г., с. 57.
8. Синяк Ю.Е., Левинских М.А., Гайдадымов В.В., Гуськова Е.И., Сигналова О.Б., Дерендяева Т.А.. Влияние воды с пониженным содержанием дейтерия на культивирование высших растений: Arabidopsis thaliana и Brassica гара. Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях. Материалы Российской конференции. Москва, 2000 г., т. 2, с. 90.
9. Синяк Ю.Е., Григорьев А.И., Гайдадымов В.В., Медникова Е.И., Лебедева З.Н., Гуськова Е.И. Метод получения бездейтериевой воды и исследование ее влияния на физиологический статус японского перепела. Космическая биология и авиакосмическая медицина. Материалы XI конференции, 1998 г., т. II, с. 201.
10. М.G. Baryshev, A.A. Basov, S.N. Bolotin, S.S. Dzhimak, D.V. Kashaev, S.R. Fedosov, V.Yu. Frolov, D.I. Shashkov, D.A. Lysak, A.A. Timakov NMR, EPR, and mass spectroscopy estimates of the antiradical activity of water with modified isotope composition. Bulletin of the Russian Academy of Sciences Physics 12/2012; 76(12).
11. Леонтьев B.C., Сидоров С.И. Современные насадочные колонны: особенности конструктивного оформления. Химическая промышленность. 2005, №7, с. 347-356.
12. Андреев, Б.М.; Зельвенский, Я.Д.; Катальников, С.Г. Разделение стабильных изотопов физико-химическими методами. М.: Энергоатомиздат, 1982 г.
Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
Figure 00000004

Claims (5)

1. Устройство для получения воды с пониженным содержанием тяжелых молекул воды, включающее ректификационную колонну, работающую под вакуумом, испаритель и конденсатор, отличающееся тем, что устройство снабжено тепловым насосом, ректификационная колонна состоит из двух коаксиальных труб диаметром D1 и D2 (D1>D2) со слоем насыпной насадки, расположенным в зазоре между ними, при этом (D1-D2)/2<300 мм, а распределитель жидкости вверху колонны имеет не менее 800 точек орошения па квадратный метр площади сечения насадочной части колонны.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что насыпная насадка выполнена в виде спирально призматической насадки.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве рабочего тела теплового насоса использован хладагент.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тепловой насос работает за счет механокомпрессии водяного пара.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство включает в себя несколько последовательно включенных тепловых насосов.
RU2015143707A 2015-10-13 2015-10-13 Устройство для получения воды с пониженным содержанием тяжелых молекул RU2612667C1 (ru)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015143707A RU2612667C1 (ru) 2015-10-13 2015-10-13 Устройство для получения воды с пониженным содержанием тяжелых молекул
PCT/RU2016/000696 WO2017065647A1 (ru) 2015-10-13 2016-10-12 Устройство для получения воды с пониженным содержанием тяжелых молекул
US15/768,017 US10688436B2 (en) 2015-10-13 2016-10-12 Device for producing water having reduced heavy molecule content
EP16855838.5A EP3363516B1 (en) 2015-10-13 2016-10-12 Device for producing water having reduced heavy molecule content

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015143707A RU2612667C1 (ru) 2015-10-13 2015-10-13 Устройство для получения воды с пониженным содержанием тяжелых молекул

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2612667C1 true RU2612667C1 (ru) 2017-03-13

Family

ID=58457996

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015143707A RU2612667C1 (ru) 2015-10-13 2015-10-13 Устройство для получения воды с пониженным содержанием тяжелых молекул

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10688436B2 (ru)
EP (1) EP3363516B1 (ru)
RU (1) RU2612667C1 (ru)
WO (1) WO2017065647A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2775889C1 (ru) * 2021-04-05 2022-07-11 Виталий Алексеевич Узиков Способ и установка для изотопного разделения воды с молекулами, содержащими тяжелые изотопы водорода

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3735394A4 (en) 2018-01-02 2022-02-16 Botanical Water Technologies IP Ltd ISOTOPIC COMPOSITIONS II

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996033129A1 (en) * 1995-04-20 1996-10-24 Kotai Laszlo A chemical procedure to produce water of reduced deuterium content
RU2295493C2 (ru) * 2004-05-28 2007-03-20 Сергей Павлович Соловьев Способ и установка для производства легкой воды
RU125092U1 (ru) * 2012-06-25 2013-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "МТК Айсберг" Установка для получения воды с пониженным содержанием дейтерия

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB860689A (en) * 1958-02-28 1961-02-08 David Geoffrey Randall Improvements in or relating to packed columns or column packings for distillation and like purposes
US3869351A (en) * 1973-11-09 1975-03-04 Everett H Schwartzman Evaporation system as for the conversion of salt water
US4681661A (en) * 1983-10-14 1987-07-21 Rakesh Govind Dual distillation columns
EP0940172A1 (en) * 1998-02-25 1999-09-08 Ammonia Casale S.A. Process for effecting mass transfer between a liquid phase and a gaseous phase
MX2007009543A (es) * 2005-02-08 2008-03-19 Woodford Associates Ltd Bebida alcoholica enriquecida con 1h2 16o.
RS20070331A (en) * 2005-02-08 2009-03-25 Woodford Asociates Ltd., Non-alcoholic beverage enriched with 1h216o
US20080138439A1 (en) * 2005-03-05 2008-06-12 Sergey Pavlovich Soloviev Cosmetic Composition Enriched With 1H216O
WO2006096083A1 (en) * 2005-03-11 2006-09-14 Vada Consulting Limited Method for stimulating hair growth and regeneration
WO2006096084A1 (en) * 2005-03-11 2006-09-14 Vada Consulting Limited Methods for intradermal, transdermal or transmucosal delivery of biologically active substances
JP2008533004A (ja) * 2005-03-11 2008-08-21 ヴァーダ コンサルティング リミテッド 無生物の表面を消毒するための組成物
EP1855699B1 (en) * 2005-03-11 2012-08-15 Sergey Pavlovich Soloviev Light pharmaceutical water and therapeutic compositions and methods thereof
RU2275920C1 (ru) * 2005-04-01 2006-05-10 Игорь Анатольевич Помыткин Способ лечения новообразований
EA014535B1 (ru) * 2005-12-12 2010-12-30 Тимантти Аб Способ подавления аппетита и снижения объема поглощения пищи
EA014537B1 (ru) * 2005-12-12 2010-12-30 Тимантти Аб Способ снижения уровня постпрандиальной глюкозы
EA014536B1 (ru) * 2005-12-12 2010-12-30 Тимантти Аб Способ лечения метаболического синдрома
RU2301067C1 (ru) * 2006-06-19 2007-06-20 Сергей Павлович Соловьев Средство и способ для повышения половой активности человека
WO2016001643A1 (en) * 2014-06-30 2016-01-07 Mitochondrial Substrate Invention Limited Nutrients solutions for enhancement of cognitive function
US20180028473A1 (en) * 2014-06-30 2018-02-01 Mitochondrial Substrate Invention Ltd. Nutrients solutions

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996033129A1 (en) * 1995-04-20 1996-10-24 Kotai Laszlo A chemical procedure to produce water of reduced deuterium content
RU2295493C2 (ru) * 2004-05-28 2007-03-20 Сергей Павлович Соловьев Способ и установка для производства легкой воды
RU125092U1 (ru) * 2012-06-25 2013-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "МТК Айсберг" Установка для получения воды с пониженным содержанием дейтерия

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2775889C1 (ru) * 2021-04-05 2022-07-11 Виталий Алексеевич Узиков Способ и установка для изотопного разделения воды с молекулами, содержащими тяжелые изотопы водорода

Also Published As

Publication number Publication date
EP3363516A1 (en) 2018-08-22
EP3363516A4 (en) 2018-09-26
WO2017065647A1 (ru) 2017-04-20
EP3363516B1 (en) 2019-12-11
US20180311617A1 (en) 2018-11-01
US10688436B2 (en) 2020-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zambrano et al. Freeze desalination by the integration of falling film and block freeze-concentration techniques
Hanshik et al. Improved productivity of the MSF (multi-stage flashing) desalination plant by increasing the TBT (top brine temperature)
EP2758142B9 (en) Bubble-column vapor mixture condenser
CN101214970B (zh) 制备高纯三氟化硼气体的工艺方法及设备
RU156382U1 (ru) Дистиллятор колонного типа с контролируемым внутренним флегмообразованием
KR20140079367A (ko) 액체 혼합물 성분의 분리방법 및 장치
RU2612667C1 (ru) Устройство для получения воды с пониженным содержанием тяжелых молекул
US9168467B1 (en) Assembly for separating gas mixtures in fractionating columns
Zhao et al. Study of a compact falling film evaporation/condensation alternate-arrayed desalination system
Voinov et al. A study of diabatic distillation in a column with a low pressure drop
El-Ashtoukhy et al. An innovative unit for water desalination based on humidification dehumidification technique
Zarei et al. Performance evaluation of an HDH desalination system using direct contact packed towers: experimental and mathematical modeling study
CN101481088A (zh) 一种超轻水的制备装置及超轻水的制备方法
Altohamy et al. An experimental study of a newly designed freezing desalination unit equipped with reversed vapor compression cycle
CN217139234U (zh) 一种多级戊烷蒸馏组合系统
CN109081778A (zh) 一种酰氯产品生产系统及工艺
CN111419083B (zh) 一种集成式小型化的低氘饮水机
CN208898769U (zh) 酰氯产品生产系统
RU2775889C1 (ru) Способ и установка для изотопного разделения воды с молекулами, содержащими тяжелые изотопы водорода
RU2482903C1 (ru) Способ получения криптоноксеноновой смеси и устройство для его осуществления
JP5212940B2 (ja) バロメトリックサイホンによる冷暖房発電蒸留装置
JP2010110759A (ja) 蒸留装置及び酸素同位体の濃縮方法
RU2604685C2 (ru) Способ получения концентрата криптона и ксенона
RU2295493C2 (ru) Способ и установка для производства легкой воды
CN112357883B (zh) 一种超轻水的制备装置及其制备方法