ДИСТИЛЛЯТОР

Изобретение относится к технологии получения дистиллированной воды и других чистых растворителей, и может быть использовано в химической, фармацевтической, косметической, пищевой, энергетической и других отраслях промышленности для процессов очистки и обессоливания воды, концентрирования рассолов, водоподготовки, деминерализации и т.п.
Известно устройство для опреснения морской воды (патент России №2142912, С 02 F 1/04), в котором для повышения выхода дистиллята используется рекуперация тепла, передаваемого для нагрева и испарения исходной жидкости, за счет использования теплообменников и тепловых труб. Недостатком данного устройства является сложность установки рабочего режима, а также сложность в изготовлении, большой расход электрической энергии для создания электромагнитного поля и ионизации молекул воды, повышенные требования к безопасности и необходимость установки устройства не менее чем 10 метров от поверхности земли.
Известен испарительный опреснитель (патент России №223455, В 01 D 3/06), содержащий испаритель с емкостью со свободным уровнем жидкости, сообщенный через нагнетатель пара с конденсационным устройством, теплообменник подогрева поступающей для опреснения холодной морской воды, каналы отвода дистиллята и отвода рассола. Емкость со свободным уровнем жидкости снабжена турбулизаторами пара и вихревой камерой, сообщенной с кавитационно-вихревым теплогенератором с образованием контура циркуляции опресняемой жидкости в испарителе и соединенной контуром циркуляции с сепарационной камерой, сообщенной с каналом отвода рассола, кавитационно-вихревой теплогенаратор через сопло тангенциально сообщен с входом в вихревую камеру испарителя. Недостатком данного устройства является повышенный расход энергии для работы электродвигателя турбулизатора пара и насоса циркуляции жидкости.
Технической задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности работы, снижение энергоемкости, повышение производительности и срока службы дистиллятора.
Указанная техническая задача достигается тем, что в предлагаемой конструкции:
- подача и нагрев жидкости в испарителе осуществляется роторным импульсным аппаратом, вход которого соединен с выходом теплообменника испарителя, а выход - с входными патрубками теплообменника испарителя первой ступени;
- на входном патрубке роторного импульсного аппарата установлен эжектор, обеспечивающий подачу исходной жидкости в систему дистиллятора;
- на выходном патрубке роторного импульсного аппарата установлен эжектор, обеспечивающий создание вакуума в системе сбора дистиллята;
- нагрев жидкости, испарение и конденсация пара могут быть многоступенчатыми, причем пар из испарителя n-ой ступени поступает на вход теплообменника испарителя n+1 ступени, конденсат из теплообменника испарителя n+1 ступени подается в систему сбора дистиллята, где n=1, 2, 3, ...;
- остаточное (абсолютное) давление в системе сбора дистиллята составляет не более 0,04 МПа, температура жидкости, поступающей на входные патрубки теплообменника испарителя первой ступени - не менее величины температуры кипения жидкости при данном давлении (для воды не менее 76°С);
- роторный импульсный аппарат может быть встроен в теплообменник испарителя.
На фиг.1 показана технологическая схема одноступенчатого дистиллятора. На фиг.2 - технологическая схема двухступенчатого дистиллятора.
В варианте по фиг.1 одноступенчатый дистиллятор содержит роторный импульсный аппарат 1, вал которого приводится во вращение от двигателя 2,
эжектор 3, своим выходным патрубком присоединен к входному патрубку роторного импульсного аппарата, а входным патрубком - к выходному патрубку испарителя 4. Патрубок слива упаренной жидкости из испарителя 4 соединен с патрубком входа в трубное пространство теплообменника 5, выход из трубного пространства теплообменника 5 сообщен с емкостью сбора упаренной жидкости 6. Патрубок выхода пара из испарителя 4 соединен с патрубком входа в трубное пространство конденсатора 7, патрубок выхода из трубного пространства соединен с системой сбора дистиллята 8, выход из системы сбора дистиллята соединен с емкостью дистиллята 9. Патрубок входа в межтрубное пространство конденсатора 7 соединен с емкостью исходной жидкости 10, а патрубок выхода из межтрубного пространства соединен с патрубком входа в межтрубное пространство теплообменника 5. Патрубок выхода из межтрубного пространства теплообменника 5 соединен с патрубком подсоса исходной жидкости в эжектор 3. На выходном патрубке роторного импульсного аппарата установлен эжектор 11, выходной патрубок которого соединен с патрубками входа в межтрубное пространство и в трубное пространство испарителя 4 через регулируемый дроссель 12. Патрубок подсоса пара эжектора 11 соединен с системой сбора дистиллята 7.
В варианте по фиг.2 патрубок выхода пара из испарителя первой ступени 4 соединен с патрубком входа в межтрубное пространство испарителя второй ступени 13. Патрубок слива упаренной жидкости испарителя 4 соединен с патрубком входа в трубное пространство испарителя 13, патрубок слива конденсата испарителя 13 соединен с системой сбора дистиллята 7. Патрубки выхода пара из испарителя 13 соединены с патрубком входа конденсатора 6.
Дистиллятор работает следующим образом.
Гидравлическая система дистиллятора заполняется исходной жидкостью, например морской водой, из емкости исходной жидкости 8. Включается двигатель 2 роторного импульсного аппарата 1. При вращении ротора аппарата 1, в котором для большего насосного эффекта установлены
лопатки, жидкость, находящаяся в гидравлическом контуре дистиллятора, циркулирует по замкнутому циклу. При циркуляции воды по замкнутому контуру через роторный импульсный аппарат 1 и межтрубное пространство испарителя 4, осуществляется ее нагрев до температуры не менее 76°С.
Нагрев жидкости происходит при вращении ротора аппарата 1, который, увлекая за собой слои жидкости, создает большие сдвиговые напряжения, срывы и пульсации вихрей жидкости, интенсивную кавитацию. Периодическое совмещение каналов ротора с каналами статора вызывает пульсации давления и скорости потока жидкости, что инициирует в жидкости импульсную акустическую кавитацию и развитую турбулентность. Эти явления преобразуют кинетическую и акустическую энергию в тепловую энергию.
Многофакторное, интенсивное воздействие на жидкость, как правило, на воду, приводит к изменению ее физико-химических свойств: повышению рН, изменению химического состава, поверхностного натяжения, вязкости, плотности, диэлектрической проводимости, электрической проницаемости и др. Эти эффекты повышают теплообмен, относительный коэффициент теплоотдачи, уменьшают солеотложение и накипеобразование в гидравлической системе.
Импульсная акустическая кавитация, возникающая в роторном импульсном аппарате, представляет собой эффективное средство концентрации энергии низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. В зонах локального понижения давления в жидкости образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения полость захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз. Через стены полости в нее диффундирует растворенный в жидкости газ, который затем подвергается сильному адиабатическому сжатию. В момент схлопывания, давление и температура газа достигают значительных величин (по расчетным данным до 100 МПа и 1000°С).
При достижении температуры воды 80°С в межтрубном пространстве испарителя 4 открывается вентиль на линии, соединяющей патрубок подсоса пара эжектора 11 и системы сбора дистиллята 7. В системе сбора дистиллята 7, трубах конденсатора 6, сепараторе и трубах испарителя 4 создается вакуум не менее 0,04 МПа. Исходная вода поступает из емкости исходной жидкости 8 в эжектор 3 через теплообменник 5 и конденсатор 6. При температуре 76°С и остаточном давлении 0,04 МПа открывается дроссель на выходе из эжектора 3, и вода подается в трубное пространство испарителя 4, где начинает кипеть и испаряться. Образующийся пар отделяется от жидкости в сепараторе испарителя 4 и поступает в конденсатор 6, где конденсируется за счет отдачи тепла исходной жидкости, и поступает в систему сбора дистиллята. Упаренная жидкость (рассол) поступает в теплообменник 5, где отдает свое тепло исходной жидкости и выводится в емкость сбора упаренной жидкости 10. За счет подогрева исходной жидкости в теплообменнике 5 и конденсаторе 6 осуществляется практически полная рекуперация тепла в дистилляторе.
Исходная жидкость поступает в дистиллятор в объеме, равном объему образовавшегося пара в испарителе 4. Объем образующегося пара зависит от количества тепла, переданного жидкости в теплообменнике испарителя 4, которое, в свою очередь, зависит от скорости циркуляции жидкости через роторный импульсный аппарат 1, и определяет объем исходной жидкости, поступающей в эжектор 3. Взаимное влияние и обратная связь тепловой и гидравлической систем дистиллятора поддерживает их в равновесии и способствует устойчивой работе устройства.
Особенность работы дистиллятора по схеме, представленной на фиг.2, заключается в том, что пар из испарителя первой ступени 4 поступает в межтрубное пространство испарителя второй ступени 13, а упаренная жидкость из испарителя 4 поступает в трубное пространство испарителя 13, где часть ее испаряется, отбирая тепло от пара, который конденсируется и поступает в систему сбора дистиллята 7. Пар из испарителя второй ступени
13 поступает в конденсатор 6, где отдает свое тепло исходной жидкости, конденсируется и поступает в систему сбора дистиллята 7.
Технологическая схема дистиллятора, представленная на фиг.2, может быть дополнена n-ым количеством ступеней испарения и конденсации пара. На практике, рекомендуется ограничиваться 2-4-ю ступенями (Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. В 2-х книгах. / Под общ. ред. В.Г.Айнштейна. - М.: Логос, Высш. шк., 2000.).
Описываемый дистиллятор имеет несложную конструкцию и надежен в работе, прост в эксплуатации, не требует частого осмотра и выполнения профилактических и ремонтных работ, так как жидкость, обработанная кавитационным полем приобретает активные свойства и способствует снижению накипеобразования и солеотложения. Достоинством конструкции является также то, что обработка и нагрев жидкости осуществляется роторным импульсным аппаратом, измельчающим механические включения в жидкости, имеющие твердость меньше твердости материала ротора и статора.
Для проверки эффективности работы предлагаемой конструкции дистиллятора была изготовлена экспериментальная установка, схема которой показана на фиг.3. Установка состоит из 4-х ступенчатого роторного импульсного аппарата 1, встроенного в емкость 2, Внутри емкости 2 установлена испарительная камера 3, соединенная трубопроводом с кожухотрубчатым конденсатором 4 и емкостью для сбора дистиллята 5. Вал роторного импульсного аппарата 1 приводится во вращение электродвигателем 6. К патрубку емкости для сбора дистиллята 5 присоединен вакуумный насос 7. Емкость 2 соединена с испарительной камерой трубопроводом, имеющим регулируемый вентиль 8, дроссель 9, счетчик воды 10 и ротаметр 11. На всех трубопроводах для подвода или отвода жидкости установлены регулируемые вентили 8. На входном патрубке емкости 2 установлен счетчик воды 10.
Экспериментальная установка работает следующим образом.
Исходная соленая вода (10% водный раствор NaCl) поступает в емкость для нагрева 2 до полного ее заполнения. Затем включается электродвигатель 6, вращающий вал роторного импульсного аппарата 1. Вода циркулирует внутри емкости 2 через роторный импульсный аппарат 1, подвергается многофакторной импульсной обработке и нагревается до температуры 76°С. При достижении указанной температуры включается вакуумный насос 7, создающий остаточное давление не более 0,04 МПа в сборнике дистиллята 5, трубах конденсатора 4 и испарительной камеры 3. За счет разности давлений вода из емкости 2 поступает в испарительную камеру 3, где вскипает и испаряется. Пар из испарительной камеры 3 поступает в конденсатор 4, где конденсируется за счет отдачи тепла холодной воде, поступающей в межтрубное пространство конденсатора 4, и дистиллят собирается в емкости 5.
При конденсации паров жидкости усиливается разрежение в трубах конденсатора 4 и испарительной камере 3, остаточное давление может достичь величины 0,03 МПа. За счет интенсивного испарения, снижения давления, температура в испарительной камере также может опуститься до температуры, соответствующей температуре кипения при данном давлении, т.е. до 69°С. При снижении температуры кипения, уменьшается количество образующегося пара, и происходит частичное повышение давления в трубах конденсатора 4 и испарительной камере 3, что приводит к увеличению температуры жидкости в испарительной камере. Описанный процесс имеет автоколебательный характер с затухающей амплитудой.
Массовый расход воды из емкости 2 в испарительную камеру 3 устанавливается на 5% больше массового расхода пара и массового поступления дистиллята в емкость 5. Исходная вода подается в емкость 2 в том же массовом расходе, что и вода, поступившая в камеру 3. Расход жидкостей регулируется вентилями 8, дросселем 9 и контролируется счетчиками воды 10 и ротаметром 11.
Экспериментальная установка работает в циклически периодическом режиме. При заполнении емкости 5 процесс прерывается, дистиллят и рассол сливаются. Затем процесс возобновляется при тех же режимных параметрах.
Удельный расход энергии в экспериментальной установке без рекуперации тепла и развитой системы теплообмена в испарителе составил около 0,68 кВт на 1 литр дистиллята, что ниже, чем для электрических дистилляторов.