Способ разделения жидкости на фракции и устройство для его осуществления
METHOD OF LIQUID SEPARATION INTO FRACTIONS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к химической промышленности, и может быть использовано, например, для получения спирта из спиртосодержащего сырья.
Одной из проблем современных технологий разделения жидкостей на фракции является повышение эффективности использования тепловой энергии, необходимой для этого процесса.
Известен способ получения углеподобного материала из биомассы, в котором реакционную смесь, содержащую биомассу, нагревают путем приведения в контакт с паром, причем пар движется в противотоке по отношению к реакционной смеси, с образованием реакционной смеси, содержащей активированную биомассу, с последующим осуществлением полимеризации активированной биомассы с образованием реакционной смеси, содержащей углеподобный материал (см. заявка RU 2011132925, МПК C10L 5/44, дата публикации заявки: 20.03.2013. Бюл. №8).
Известна установка для непрерывной перегонки спиртосодержащего сырья, выполненная виде вертикальной колонны, снабженной поэтажно установленными внутри нее контактными элементами, каждый из которых состоит из патрубка и веерной пластинчатой решетки, установленной у его основания с образованием сливного зазора, причем каждый патрубок выполнен в виде усеченного конуса и снабжен отбойным кольцом, укрепленным у его верхнего основания, при этом контактные элементы расположены по всему сечению колонны и каждый из вышележащих патрубков введен нижним основанием на определенную глубину в отбойное кольцо нижележащего, образуя, таким образом, ряд секций-колонн, сообщенных между собой отбойными кольцами, (см. заявка RU 2011132925, МПК C10L 5\44, дата публикации заявки: 20.03.2013. Бюл. №8).
Известен способ разделения жидкости на фракции, основанный на повышении ее температуры за счет теплообмена в теплообменнике (см. АС СССР №1013461, публ. от 23.04.83 г., кл. С12F 1\00 - прототип).
Известно устройство для разделения жидкости на фракции, выполненное в виде теплообменника, содержащего, термоизолированный корпус, с, как минимум, одним входным и выходным патрубком (см. патент РФ №2119814 от 10.10.98 г., кл. В01Д 53\18 - прототип).
Общим недостатком известных технических решений является низкая эффективность использование тепловой энергии, необходимой для процесса разделения жидкости на фракции.
Технический результат предлагаемых изобретений заключается в устранении отмеченного недостатка, а именно в повышении эффективности использования тепловой энергии в процессе разделения жидкости на фракции и тем самым повышении КПД всего процесса.
Технический результат достигается тем, что в известном способе разделения жидкости на фракции, основанном на повышении ее температуры за счет теплообмена в теплообменнике, согласно изобретения, полость первого контура теплообменника для нагреваемой рабочей жидкости закольцовывают, преимущественно через насосное устройство, эту полость полностью заполняют рабочей жидкостью с температурой кипения выше температуры кипения разделяемой на фракции жидкости, рабочую жидкость нагревают, на верхние радиаторы во второй контур теплообменника подают разделяемую на фракции жидкость под давлением большим, чем давление паров в этом контуре, осуществляют нагрев за счет теплообмена при ее движении вниз по радиаторам, согласуют мощность нагрева с количеством подаваемой жидкости и испарением фракции получаемого продукта, количество разделенной на фракции жидкости на дне второго контура оптимизируют по максимальной эффективности процесса (т.е. необходимо, чтобы данной жидкости на дне второго контура было достаточно для перекрывания выходного отверстия перед выпускным клапаном, но не слишком много, чтобы скопившаяся жидкость не перекрывала собой большое количество радиаторов в этом контуре), а получаемый продукт выводят из теплообменника.
Разновидностью предлагаемого способа является то, что после прохода разделяемой на фракции жидкостью теплообменника и выпаривания из нее получаемого продукта, жидкость выводят из теплообменника.
Следующей разновидностью предлагаемого способа является то, что нагрев разделяемой на фракции жидкости осуществляют до максимальной температуры, установленной технологией разделения ее на фракции.
Следующей разновидностью предлагаемого способа является то, что после слива из теплообменника разделенной на фракции жидкости, ей, уже без получаемого продукта, нагревают подаваемую на радиаторы теплообменника жидкость, разделяемую на фракции, например, путем подачи в отдельный теплообменник.
Следующей разновидностью предлагаемого способа является то, что выводимым из теплообменника полученным продуктом нагревают разделяемую на фракции жидкость, например, путем подачи его в отдельный теплообменник.
Следующей разновидностью предлагаемого способа является то, что процесс контролируют с помощью датчиков, а информацию, поступающую с них, обрабатывают на автоматизированном устройстве.
Следующей разновидностью предлагаемого способа является то, что процесс нагрева дублируют, причем в этом случае, в качестве разделяемой по фракциям жидкости используют полученный продукт.
Для реализации способа предлагается устройство разделения жидкости на фракции, выполненное в виде теплообменника, содержащего, как правило, термоизолированный корпус, с, как минимум, одним входным и\или выходным патрубком и образующий второй контур теплообменника, в котором согласно изобретения, внутри корпуса расположен первый контур теплообменника, выполненный в виде трубки с установленными наружными радиаторами, расположенными во втором контуре теплообменника, причем, полость трубки закольцована трубопроводам и преимущественно через установленный насос и полностью заполнена рабочей жидкостью, кроме того, по крайней мере, у одного трубопровода имеется тепловой контакт с нагревателем, расположенным, как правило, вне полости трубки.
Разновидностью предлагаемого устройства является то, что трубка с наружными радиаторами выполнена из теплопроводного материала, например, из меди.
Следующей разновидностью предлагаемого устройства является то, что выходной патрубок или патрубки соединены с входом дополнительного теплообменника, второй контур которого, соединен с полостью корпуса, в которой находится разделяемая по фракциям жидкость.
Следующей разновидностью предлагаемого устройства является то, что соединение с полостью корпуса выполнено в виде общего патрубка, а именно входного для разделяемой на фракции жидкости, и выходного для получаемого продукта.
Следующей разновидностью предлагаемого устройства является то, что дополнительный теплообменник или теплообменники расположены осесимметрично на внешней или внутренней стороне корпуса.
Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что их использование повышает эффективность использования тепловой энергии, затрачиваемой для процесса разделения жидкости на фракции и. тем самым повышение КПД всего процесса.
В качестве примера реализации предлагаемого решения технической задачи представлены устройства на Фиг. 1-3, где:
Фиг. 1 - устройство для реализации способа по п. 1 (с разновидностями),
Фиг. 2 - разновидность устройства по п. 11,
Фиг. 3 - разновидность устройства по п. 12,
Фиг. 4-7 - разновидности радиаторов.
На данных фигурах введены следующие обозначения:
1. корпус
2. входной патрубок
3. выходной патрубок
4. выходной патрубок
5. тепловая трубка
6. перфорированные радиаторы
7. рабочая жидкость
8. нагревательное устройство
9. запорный кран
10. дополнительный теплообменник
11. трубопровод
12. разделяемая по фракциям жидкость
13. запорный кран
14. теплоизолирующий слой
15. датчик температуры
16. нижний поплавок датчика уровня жидкости
17. верхний поплавок датчика уровня жидкости
18. емкость для готового продукта
19. емкость для разделяемой по фракциям жидкости
20. насос
21. трубопровод
22. насос для рабочей жидкости
23. емкость для рабочей жидкости
Для реализации способа по п. 1 формулы предлагается устройство (см. Фиг. 1), выполненное в виде теплообменника, содержащего, термоизолированный корпус 1, с одним входным 2 и двумя выходными патрубками 3, 4 и образующего второй контур данного теплообменника. Внутри корпуса расположен первый контур теплообменника, выполненный в виде трубки 5 с установленными наружными перфорированными радиаторами 6, расположенными в полости второго контура теплообменника, (радиаторы второго контура, на которые подается разделяемая на фракции жидкость, могут быть различной формы и устройства. Главная их задача: обеспечить максимальную передачу тепловой энергии от нагревательного устройства разделяемой на фракции жидкости. В остальном форма и различные варианты исполнения радиаторов лишь меняют в ту или иную сторону коэффициент полезного действия системы). Полость трубки 5, заполнена рабочей жидкостью 7, имеющей возможность нагрева с помощью расположенного преимущественно на периферии нагревательного устройства 8, а к верхней ее части подстыкован трубопровод 21, закольцовывающий ее через насос 22 и емкость для рабочей жидкости 23 с нижней ее частью. Трубка 5 с наружными радиаторами 6 выполнена из теплопроводного материала, например, из меди. Кроме того, патрубок вывода готового продукта 3 соединены с входом дополнительного теплообменника 10, второй контур которого, соединен трубопроводом 11 с полостью корпуса 1, в которой находится разделяемая по фракциям жидкость 12, патрубок 4 для ее вывода расположен в нижней части корпуса 1 (на нем расположен запорный кран 13). На корпус 1 нанесен теплоизолирующий слой 14. В нижней части корпуса расположены датчики 15, 16, 17. Кроме того, устройство снабжено емкостью для готового продукта 18 и емкостью 19 с насосом 20 для разделяемой по фракциям жидкости. В емкости 23 расположено нагревательное устройство 8.
Радиаторы второго контура, на которые подается разделяемая на фракции жидкость, могут быть различных форм и конструкций (см. фиг. 4-7). Главная их задача: обеспечить максимальную передачу тепловой энергии от нагревательного устройства разделяемой на фракции жидкости. В остальном форма и различные варианты исполнения радиаторов лишь меняют в ту или иную сторону коэффициент полезного действия системы. В связи с этим радиаторы должны быть изготовлены из теплопроводящего материала (например, из меди), иметь хороший контакт с центральной трубкой, которая также изготовлена из теплопроводящего материала и получает тепловую энергию от нагревательного устройства, и обеспечивать максимальный по площади соприкосновения его времени контакт радиаторов и разделяемой на фракции жидкости. Также необходимо обеспечить отсутствие обхода разделяемой на фракции жидкости мимо радиаторов и прямого попадания жидкости на дно системы, где должна находиться отработанная жидкость (проваливание через несколько радиаторов в сквозные отверстия радиаторов, расположенные друг над другом, перелив жидкости через край радиатора и другие случаи).
Приведено несколько примеров исполнения радиаторов:
Первый вариант исполнения (фиг. 4) - это перфорированные тарелки, расположенные горизонтально, имеющие бортик по краям, исключающий стекания жидкости на дно системы.
Второй вариант исполнения (фиг. 5) - это перфорированные тарелки, расположенные горизонтально с уклоном, расположенные с чередованием: с уклоном вниз меньшего диаметра, с уклоном вверх большего диаметра.
Третий вариант (фиг. 6) аналогичен второму, за исключением того, что тарелки имеют особую конструкцию, обеспечивая определенное движение по ним жидкости (например, спиралевидные каналы на тарелках).
Четвертый вариант исполнения (фиг. 7) - это теплопроводящий спиралевидный канал, по которому жидкость стекает вниз по системе, проходя относительно длинный путь.)
Для начала работы предлагаемого устройства необходимо включить нагревательное устройство 8 и циркуляционный насос 22, подождать, пока рабочая жидкость нагреется, и нагревательное устройство 8 по достижении нужной температуры временно отключится. Запустить остальные узлы системы в работу.
Разделяемая по фракциям жидкость из бака 19 при помощи насоса 20 поступает в дополнительный теплообменник 10 в качестве охлаждающей жидкости, принимая тепло от пара, поступающего из выходного патрубка 3. Насос 20 включается, когда поплавок датчика 17 находится в нижнем положении (опустился). Нагретая разделяемая по фракциям жидкость по трубке поступает во второй контур теплообменника и попадает на перфорированные радиаторы 6, нагревается и частично испаряется, теряя легкокипящие фракции. После испарения, на дно попадает отработанная жидкость. Она задерживается с помощью запорного крана 13, который открывается, если поплавок датчика 16 находится в верхнем положении (всплыл) и датчик температуры 15 показывает температуру выше заданной. Если он показывает температуру ниже заданной, то кран 13 закрыт, и отработанная жидкость продолжает прогреваться, испаряя необходимые легкокипящие фракции. Если верхний поплавок 17 датчика уровня жидкости перейдет в верхнее положение (жидкость не прогрелась и кран 13 еще не открыт), насос 20 перестает работать и жидкость перестанет поступать в систему. Пар, поступающий в дополнительный теплообменник, отдает тепло разделяемой по фракциям жидкости и попадает в виде конечного продукта в приемную емкость 19. Запорный кран 13 открывается, только если поплавок 16 находится в верхнем положении (всплыл) и датчик температуры 12 показывает температуру выше заданной. Если датчик температуры 12 показывает температуру ниже заданной, то запорный кран 13 закрыт, и жидкость продолжает прогреваться, испаряя необходимые фракции. Если поплавок 16 опущен, то запорный кран 13 также закрыт, тем самым создавая гидрозатвор в нижней части корпуса 1. Это предотвращает выход испаренных фракций через запорный кран 13, предназначенный для вывода отработанной жидкости.(При наступлении данной ситуации система исключает возможные потери отделяемых фракций при выводе отработанной жидкости, в которой нужные фракции еще не до конца испарились (если температура отработанной жидкости не дошла до установленной конкретным техническим процессом для конкретной разделяемой жидкости), а также система предотвратит переизбыток отработанной жидкости во втором контуре, что за собой повлечет перекрытие большого количество радиаторов, что в конечном итоге, может полностью нарушить технический процесс. Если в данной ситуации процесс подачи жидкости не остановить, то на первом этапе предположительно будет значительно снижаться КПД системы и количество извлекаемых фракций снизится до минимального, а в дальнейшем система переполнится, и в конечный продукт будет поступать исходная жидкость. Температурные режимы определяются отдельно для каждой разделяемой жидкости по температуре кипения ее составляющих, а также с учетом того, что температура жидкости активного испарения при кипении отдельных фракций значительно отличается от температуры жидкости активного испарения этих же фракций при кипении смеси составляющих с различной температурой их кипения. Тем самым пределы температур подбираются следующим образом: нижний температурный предел устанавливается по начальной фазе активного испарения (что положительно сказывается на взаимодействии всех компонентов системы), верхний предел определяется максимальной температурой кипения жидкости, при которой из нее уже испарились все необходимые фракции. Например, при разделении сброженного дрожжевыми культурами сахарного сусла для извлечения из него максимального количества этилового спирта можно установить пределы температур 60-120 градусов по Цельсию. Сужение этих пределов для данной жидкости возможно, но возможны потери отбираемой жидкости. Верхний предел завышен для компенсации изменений кипения при избыточном давлении. Для других жидкостей, например нефтепродуктов, подбираются иные пределы температур.) Рабочая жидкость постоянно циркулирует преимущественно при помощи циркуляционного насоса 22. Без насоса (например, за счет стремления масс с более высокой температурой подниматься вверх) возможно снижение КПД из-за снижения передачи тепловой энергии от нагревательного устройства, разделяемой на фракции жидкости.
Особенности системы
Внешний нагрев рабочей жидкости позволяет использовать различные способы ее нагрева (электричество, газ, дрова), как поодиночке, так и в совокупности.
На Фиг. 2 показана разновидность устройства отличающегося тем, что соединение с полостью корпуса 1 с входом дополнительного теплообменника 10, выполнено в виде общего патрубка, а именно входного для разделяемой на фракции жидкости, и выходного для получаемого продукта. А в остальном его работа аналогична функционированию описанных устройств.
На Фиг. 3 показана разновидность устройства отличающегося тем, что дополнительный теплообменник или теплообменники расположены осесимметрично на внешней или внутренней стороне корпуса 1. Его работа аналогична функционированию описанных устройств.
Таким образом, указанная совокупность признаков, их использование, повышает эффективность использования тепловой энергии, затрачиваемой для процесса разделения жидкости на фракции, повышая тем самым коэффициент полезного действия, как технологии, так и установки в целом.