СПОСОБ АБСОРБЦИОННОЙ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ ЛЕГКОКИПЯЩЕЙ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ АБСОРБЦИОННОЙ КОНДЕНСАЦИИ ПАРОВ ЛЕГКОКИПЯЩЕЙ ЖИДКОСТИ
METHOD OF ABSORPTION VAPOUR CONDENSATION OF EASY-BOILING LIQUID AND DEVICE FOR ABSORPTION VAPOUR CONDENSATION OF EASY-BOILING LIQUID

Изобретение относится к области абсорбционной конденсации паров легкокипящей жидкости, в частности - к области технических мер, направленных на сокращение потерь нефтепродуктов (бензинов) от испарения.
Известно, что абсорбция - поглощение жидкостью веществ, состоящих из смеси газов [1, с.10].
Известен способ абсорбционной конденсации паров легкокипящей жидкости, включающий охлаждение абсорбента посторонним охладителем, подачу абсорбента в абсорбер и поглощение паров поверхностью охлажденного абсорбента [2, с.106].
В известных абсорбционных системах в качестве абсорбента, поглощающего пары бензина, используются либо тяжелые нефтяные фракции (газойль, керосин, дизтопливо), либо охлажденный бензин.
Согласно известному способу паровоздушная смесь (ПВС) поступает в абсорбер с насадкой из керамических колец Рашига. В абсорбере в процессе противоточного движения (ПВС↔бензин) развитая на кольцах Рашига поверхность абсорбента (охлажденного бензина) протекает в насадке, где и происходит сорбция бензиновых паров поверхностью предварительно охлажденного абсорбента (бензина) и их частичная конденсация. А несконденсировавшийся холодный газ (воздух) выбрасывается из абсорбера в атмосферу.
Такой способ абсорбционной конденсации паров легкокипящей жидкости (бензина) реализуется в известном устройстве, которое содержит узел производства холода (посторонний охладитель абсорбента), а также абсорбер с развитой поверхностью конденсации и снабженный газовыми и жидкостными входом и выходом [2, с.107, рис.5.14].
Согласно известному способу после низкотемпературной конденсации паров легкокипящей жидкости, оставшийся несконденсировавшийся газ (в основном - поток воздуха), выбрасывается из известного устройства сильно охлажденным, что приводит к большим потерям холода и снижению эффективности устройства. Это является существенным недостатком.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является уменьшение указанного недостатка.
Указанный технический результат в части способа достигается тем, что перед подачей в абсорбер абсорбент (неохлажденный) разделяют на две части, одну часть абсорбента предварительно охлаждают в теплообменнике холодным потоком несконденсировавшегося газа, выходящего из абсорбера, после чего смешивают с другой частью, охлажденной посторонним охладителем, например холодильной машиной.
Указанный технический результат в части устройства достигается тем, что газовый выход из абсорбера подключен к входу обратного потока противоточного теплообменника, на входе прямого потока которого расположен узел подачи неохлажденного абсорбента, а выход этого (прямого) потока соединен с жидкостным входом абсорбера и с выходом охлажденного абсорбента из постороннего охладителя.
Фиг.1 изображает предлагаемое устройство. Источник ПВС (цистерна) 1 соединен с газовым входом 2 абсорбера 3 (содержащего насадку, например, из керамических колец Рашига), который кроме газового входа 2 имеет и газовый выход 4, а также жидкостный вход 5 и жидкостный выход 6.
Газовый выход 4 абсорбера 3 соединен с входом 7 обратного канала 8 противоточного рекуперативного теплообменника 9. Выход 10 обратного канала 8 открыт в атмосферу.
Рекуперативный теплообменник 9 может быть двух- или одноканальным, но таким, чтобы неохлажденный абсорбент можно было подать навстречу потоку несконденсировавшегося холодного газа, выходящего из абсорбера. Однако следует иметь в виду, что при одноканальной конструкции рекуперативного теплообменника размываются понятия «прямой» и «обратный» каналы. Пример такого одноканального теплообменника - обычный абсорбер. Он состоит из «одного» канала, в котором в противотоке движутся два потока.
Но очевидно, что двухканальная конструкция с раздельными прямым и обратным каналами (поз.9 на фиг.1) предпочтительна, т.к. предотвращает дополнительное испарение абсорбента за счет его разделения теплопроводной металлической стенкой от движущегося потока согревающегося газа (воздуха).
Жидкостный вход 5 абсорбера с помощью тройника-смесителя 11 соединен с выходом 12 прямого канала 13 теплообменника 9, а также с выходом прямого канала 14 теплообменника 15.
Вход прямых потоков 13 и 14 теплообменников 9 и 15 через тройник-разделитель 16 с помощью насоса 17 соединены с полостью резервуара 18. В этот резервуар 18 направлен патрубок жидкостного выхода 6 абсорбера.
Выход 19 обратного канала 20 теплообменника 15 через трубопровод 21 замкнут на вход 22 этого же канала (20) через посторонний охладитель абсорбента, состоящий из последовательно соединенных газового (фреонового, пропанового, аммиачного, воздушного и т.п.) компрессора 23, газоохладителя-влагомаслоотделителя 24 а также пневмодросселя 25 и теплообменника 15.
Вместо дросселя может использоваться вихревая труба 26 (фиг.2). Это позволяет использовать в качестве хладагента обыкновенный атмосферный воздух. Вихревая труба состоит из одного входного патрубка 27 и двух выходных - холодного 28 и горячего 29. Входной патрубок 27 вихревой трубы через охладитель-влагомаслоотделитель 24 присоединен к выходу источника сжатого воздуха (компрессора) 23, а холодный патрубок 28 присоединен к входу 22 обратного канала 20 теплообменника 15.
oc
ос
На вход компрессора 23 может подаваться воздух из окружающей среды с температурой окружающей среды t и с давлением Р - обычное атмосферное давление.
При этом горячий патрубок 29 вихревой трубы, а также выходной патрубок 19 обратного канала 20 теплообменника 15 открыты в атмосферу - разомкнутый режим работы (фиг.2).
Но возможен вариант работы вихревой трубы и в замкнутом режиме, т.е. в таком режиме отработанное рабочее тело (воздух) не выбрасывается в атмосферу, а после смешения в тройнике-смесителе 30 (фиг.3) подается на вход компрессора 23 и повторно используется в качестве хладагента. Такой режим позволяет исключить необходимость непрерывной осушки такого хладагента. При необходимости на горячем выходе 29 вихревой трубы может устанавливаться дополнительный газоохладитель 24'.
Вихревая труба может работать в двухпоточном (фиг.2 и 3) и в однопоточном режиме (наглухо перекрыт горячий патрубок - на фигурах не показано).
Таким образом, в устройстве имеются два охладителя абсорбента: внутренний охладитель - рекуперативный теплообменник 9, расположенный в непосредственной близости от абсорбера 3 (практически сочлененный с ним), и посторонний охладитель, выполненный или в виде холодильной машины, или в виде вихревой трубы, или в виде дьюара с жидким газом (азотом, аргоном), или в виде баллона со сжатым газом и т.п.
Работает рассмотренное устройство следующим образом.
3
При заполнении бензином ранее опорожненной емкости 1 из ее свободного пространства вытесняется воздух, смешанный с оставшимися там бензиновыми парами (паровоздушная смесь - ПВС). Так, известно, что в одном кубическом метре ПВС может содержаться до 2 литров бензина [2, с.85], следовательно в каждой полностью опорожненной (пустой) железнодорожной цистерне объемом 60 м может содержаться до 120 л бензина, которые могут быть сохранены за счет конденсации паров по рассматриваемому способу.
Перед началом работы устройства, предназначенного для реализации способа абсорбционной конденсации паров легкокипящей жидкости, приводится в действие компрессор 23 подающий хладагент под давлением через охладитель-влагомаслоотделитель 24 и дроссель 25 в обратный канал 20 теплообменника 15.
В дросселе 25 хладагент (фреон, хладон, аммиак, пропан и др.) вскипает и сильно охлаждается. Поэтому проходя через обратный канал 20 теплообменника 15, он через теплообменные поверхности выхолаживает первый поток абсорбента (бензина), движущийся прямым потоком 14 в теплообменнике 15, куда он подается из резервуара 18 насосом 17 через тройник 16. Насос 17 и тройник 16 составляют узел подачи неохлажденного абсорбента.
Вытесняемая из цистерны 1 ПВС снизу (через газовый вход 2) поступает в абсорбер 3, где на развитой поверхности колец Рашига вступает в поверхностный контакт с потоками холодного абсорбента (бензина), поступающего из жидкостного входа 5 абсорбера. В результате охлаждения потока ПВС пары бензина в абсорбере конденсируются и поглощаются поверхностью холодного бензина, а оставшийся холодный воздух через газовый выход 4 абсорбера поступает в обратный канал 8 рекуперативного теплообменника 9, где выхолаживает другой поток абсорбента (бензина), проходящий по прямому каналу 13, куда он поступает через тройник 16 с помощью насоса 17.
ос
В абсорбере 3 конденсат (бензин) и абсорбент (бензин) смешиваются и стекают в резервуар 18, а освободившийся от паров бензина и подогревшийся до t воздух выбрасывается в атмосферу через прямой канал 8 и патрубок 10.
Поступающий из выходного патрубка 14 охлажденный в постороннем охладителе абсорбент смешивается в тройнике-смесителе 11 с прямым потоком 13 холодного абсорбента (бензина), поступающего из теплообменника 9.
В прототипе [2, с.106] абсорбент охлаждают только один раз на входе в абсорбер посторонним источником холода (холодильной машиной), а отработавший поток холодного несконденсировавшегося газа (воздуха) выбрасывают из абсорбера в атмосферу. При этом внутри абсорбера происходит только подогрев абсорбента за счет выделения скрытой теплоты конденсации паров бензина. В результате при работе известного устройства полезно используется только часть холодопроизводительности холодильной машины (приблизительно - половина).
Согласно изобретению абсорбент (бензин) охлаждают дважды. Первый раз - в прямом канале 13 теплообменника 9 в результате рекуперации (возврата) холода из потока холодного несконденсировавшегося газа, входящего в канал 4 из абсорбера 3. Второй раз - в прямом канале 14 теплообменника 15 за счет теплопередачи от обратного канала 20, в котором рабочее тело (фреон и т.п.) охлаждается в процессе работы холодильной машины 23-24-25 (фиг.1) или - 23-24-26 (фиг.2 и 3).
В результате наличия процесса рекуперации холода при работе рассматриваемого устройства холодопроизводительность холодильной машины будет использоваться только лишь на компенсацию подогрева от конденсации паров бензина и очень незначительно - на обычные невосполнимые потери. Поэтому за счет такого возврата холода в рекуперативном теплообменнике 9 потребная мощность холодильной машины может быть уменьшена почти вдвое (по сравнению с прототипом).
oc
На фиг.1, 2 и 3 проставлены температуры, характерные для отдельных точек теплообменников 9 и 15. Так входные температуры ПВС (точка 2) и абсорбента (бензина) (точка 16) обозначены как t≈+20°C - температура окружающей среды, а температура выхода ПВС из абсорбера (начало потока 8 - точка 7) и температура входа абсорбента в абсорбер (точка 11) обозначена как t=-30°C. Именно при такой температуре происходит конденсация бензина и именно с такой температурой в прототипе выбрасывается в атмосферу из абсорбера несконденсировавшийся газ (воздух) и именно это объясняет низкую эффективность такого устройства.
Так как каналы 13 и 14 теплообменников 8 и 15 должны иметь приблизительно одинаковые характеристики, оба являются прямыми каналами и работают параллельно, забирая абсорбент из одного и того же источника (узел подачи поз.16-17) и подавая в один и тот же патрубок 5 абсорбера, то вполне рационально эти два канала объединить в один (с удвоенной площадью теплообмена), создав трехпоточный теплообменник 9', имеющий один прямой канал 13/14 и два обратных 8 и 15 (фиг.4). Такой трехпоточный теплообменник, выполненный с двумя обратными каналами, вход одного из которых должен быть подключен к газовому выходу абсорбера 4, вход другого 22 - к источнику холода 23-24-25, а выход 12 прямого канала 13/14, подключенного к источнику неохлажденного абсорбента 17-18, должен быть подключен к жидкостному входу 5 абсорбера.
Однако в целом предлагаемое устройство несмотря на повышенную эффективность (по сравнению с прототипом), имея невысокую температурную эффективность обычных холодильных машин (не ниже минус 30°С) имеет невысокую степень абсорбционной конденсации бензина - не более 75…80%.
oc
Для повышения степени абсорбционной конденсации бензина (вплоть до 95…98%) необходимо еще более понизить рабочую температуру конденсации - вплоть до -45°С…-50°С. Однако на обычных (фреоновых) поршневых холодильных машинах такой температуры не достигнуть. Специальные низкотемпературные спиральные холодильные машины, работающие на специальных низкотемпературных хладонах, отечественной промышленностью не выпускаются, а импортные, рассчитанные на всю производительность и на весь диапазон температур (от t≈+20°C до -50°С и ниже), стоят очень дорого, что практически исключает их применение в отечественных разработках.
С целью снижения общей стоимости устройства для абсорбционной конденсации паров легкокипящей жидкости посторонний охладитель разбивается на несколько температурных секций с разной температурой кипения рабочего тела. При этом в первой секции устанавливается обычная фреоновая холодильная машина в которой использовано рабочее тело (фреон-22) с температурой кипения не ниже минус 25°С … минус 30°С, вторая - с температурой кипения минус 45°С … минус 50°С (хладон R-404 и др.) и т.д. При этом все секции последовательно соединены, создавая общий канал для подачи абсорбента, а неохлажденный абсорбент последовательно пропускают по этому каналу через секции (теплообменники) постороннего охладителя по направлению от высокотемпературной секции к секции низкотемпературной.
Фиг.5 показывает такой вариант устройства (с двумя холодильными секциями) для абсорбционной конденсации паров легкокипящей жидкости.
Первая секция I включает обычный поршневой компрессор 23 с температурой кипения рабочего тела не ниже -30°С (фреон-22).
Вторая секция II содержит спиральный компрессор 31 с температурой кипения рабочего тела -45°С…-50°С (хладон R-404 и др.) и низкотемпературный теплообменник 32 с прямым 33 и обратным 34 каналами. Прямой канал 33 последовательно подсоединен и к прямому каналу 14 теплообменника 15, и к тройнику-смесителю 11, через который (также как и на фиг.1) происходит подача в абсорбер двух потоков охлажденного абсорбента.
1
2
После охлаждения в первой секции I до температуры -30°С холодный абсорбент из прямого канала 14 теплообменника 15 поступает в секцию II, где в прямом канале 33 теплообменника 32 через теплообменные поверхности обратного канала 34 и с помощью спирального компрессора 31, доохлаждается от температуры -30°С до температуры -50°С. То есть, в такой двухсекционной схеме компрессор 31 должен обеспечить перепад температур всего лишь Δt=15…20 град., вместо Δt=65…70 град. при использовании односекционного низкотемпературного устройства.
2
В результате потребная холодопроизводительность самого дорого элемента в низкотемпературной схеме резко снижается, а суммарная стоимость двух холодильных агрегатов I и II ступени (поз.23 и поз.31 на фиг.4) оказывается в ~2,5 раза меньше стоимости одного низкотемпературного холодильного агрегата, работающего по одноступенчатой схеме (поз.23 на фиг.1) и рассчитанного на полный перепад температур Δt.
Также секционно могут строиться посторонние охладители, основанные на других источниках холода (вихревые трубы, жидкие и сжатые газы и др.) и даже на их комбинации.
Таким образом, способ абсорбционной конденсации паров легкокипящей жидкости, включающий охлаждение абсорбента посторонним охладителем, подачу абсорбента в абсорбер и поглощение паров поверхностью охлажденного абсорбента, отличается тем, что перед подачей в абсорбер абсорбент (неохлажденный) разделяют на две части, одну часть абсорбента предварительно охлаждают в теплообменнике холодным потоком несконденсировавшегося газа, выходящего из абсорбера, после чего смешивают с другой частью, охлажденной посторонним охладителем, например холодильной машиной.
Кроме того:
- неохлажденный абсорбент подают по прямому каналу теплообменника навстречу потоку холодного несконденсировавшегося газа, выходящего из абсорбера (и проходящего по обратному каналу двухканального теплообменника);
- неохлажденный абсорбент последовательно пропускают через секции (теплообменники) постороннего охладителя по направлению от высокотемпературной секции к секции низкотемпературной.
При этом устройство для реализации предложенного способа абсорбционной конденсации паров легкокипящей жидкости, содержащее посторонний охладитель абсорбента, а также абсорбер с развитой поверхностью конденсации и с газовыми и жидкостными входом и выходом, отличается тем, что газовый выход из абсорбера подключен к входу обратного потока противоточного теплообменника, на входе прямого потока которого расположен узел подачи неохлажденного абсорбента, а выход этого (прямого) потока соединен с жидкостным входом абсорбера и с выходом охлажденного абсорбента из постороннего охладителя.
Кроме того:
- выход прямого потока противоточного (рекуперативного) теплообменника подключен к трубопроводу, по которому подается дополнительный поток абсорбента, охлажденный с помощью постороннего охладителя;
- посторонний охладитель может иметь источники холода, выполненные или в виде холодильной машины, или в виде дьюара с сжиженным газом, или в виде вихревой трубы и т.п.;
- посторонний охладитель выполнен секционным с источниками холода, имеющими разную рабочую температуру, причем все секции имеют последовательно соединенные теплообменные каналы для охлаждения и подачи абсорбента.
Изобретение может быть использовано не только для конденсации паров нефтепродуктов на АЭС, на НПЗ, на терминалах разливки нефтепродуктов и т.п., но и в других отраслях, например, в химической промышленности для конденсации летучих веществ и т.п.
Источники информации
1. Политехнический словарь. Советская энциклопедия. - М., 1976.
2. Коршак А.А. Современные средства сокращения потерь бензинов от испарения. Уфа, 2001.