МОДУЛЬ ДЛЯ СОВМЕСТНОГО ИСПАРЕНИЯ/ОТГОНКИ И АБСОРБЦИИ
MODULE FOR COMBINED EVAPORATION/DISTILLATION AND ABSORPTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в основном, к области разделения текучей среды.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области разделения текучей среды известно применение соляного раствора, такого как соляной раствор LiBr, для абсорбции технического пара и последующего выделения тепла. Также известно применение насоса для приведения в движение теплоносителя по теплообменному контуру, чтобы переносить тепло, вырабатываемое абсорбером, в испаритель или котел для получения технического пара.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одним из аспектов изобретения является способ для применения с потоком жидкой смеси, разделяемой путем испарения на поток пара и обедненный поток жидкости. Способ включает: стадию испарения, где часть указанного потока жидкой смеси испаряют, чтобы получить указанный поток пара и указанный обедненный поток жидкости; стадию абсорбции, где (i) поток пара вводят в поток соляного раствора, пригодного для экзотермической абсорбции одного или более компонентов из пара, и (ii) тепло отводят, чтобы получить по меньшей мере поток тепла и поток соляного раствора, который обогащен одним или более компонентами; и стадию передачи тепла, где тепло, отведенное на стадии абсорбции, передают, чтобы осуществить испарение на стадии испарения. Передача тепла для осуществления испарения связана с фазовым переходом рабочей текучей среды из газообразного состояния в жидкое состояние. Отвод тепла на стадии абсорбции включает в себя фазовый переход рабочей текучей среды из жидкого состояния в газообразное состояние. В жидком состоянии рабочая текучая среда течет только под действием одного или более из следующих факторов: сила тяжести, конвекция и капиллярность.
В газообразном состоянии рабочая текучая среда течет только под действием одного или более из следующих факторов: диффузия и конвекция.
Другим аспектом изобретения является устройство. Устройство предназначено для применения с потоком жидкой смеси, разделяемой путем испарения на поток пара и обедненный поток жидкости. Устройство включает конструкцию, которая при эксплуатации:
- определяет первый объем, где указанную жидкую смесь принимают и разделяют на указанный поток пара и указанный обедненный поток жидкости;
- определяет первый канал для жидкости, через который указанный обедненный поток выходит из первого объема;
- определяет канал для пара, через который указанный поток пара выходит из первого объема;
- определяет второй объем, в который ведет канал для пара;
- включает приспособление для тепломассопереноса, расположенное по меньшей мере частично во втором объеме; причем приспособление для тепломассопереноса: (i) принимает поток соляного раствора, пригодного для экзотермической абсорбции одного или более компонентов из пара;
(ii) вводит поток соляного раствора в пар и (iii) отводит тепло из второго объема, чтобы получить по меньшей мере поток тепла и поток соляного раствора, который обогащен одним или более компонентами;
- определяет второй канал для жидкости, через который поток соляного раствора, который обогащен одним или более компонентами, выходит из второго объема, и
- включает теплопередающее приспособление для переноса потока тепла в первый объем, чтобы обеспечить указанное разделение.
В данном устройстве при эксплуатации передача тепла в первый объем связана с фазовым переходом рабочей текучей среды из газообразного состояния в жидкое состояние; отвод тепла из второго объема включает в себя фазовый переход рабочей текучей среды из жидкого состояния в газообразное состояние; в жидком состоянии рабочая текучая среда течет только под действием одного или более из следующих факторов: сила тяжести, конвекция и капиллярность; а в газообразном состоянии рабочая текучая среда течет только под действием одного или более из следующих факторов: диффузия и конвекция.
Согласно другому аспекту изобретения теплопередающее приспособление и часть приспособления для тепломассопереноса может представлять собой одну или более тепловых труб; каждая из указанных одной или более тепловых труб включает теплопринимающую часть, расположенную во втором объеме, и теплоотдающую часть, расположенную в первом объеме, чтобы обеспечить указанную передачу тепла.
Согласно другому аспекту изобретения одна или более тепловых труб могут располагаться так, что часть тепловых труб, расположенная в первом объеме, при эксплуатации функционирует как насадочная испарительная колонна, а часть тепловых труб, расположенная во втором объеме, при эксплуатации функционирует как насадочная абсорбционная колонна.
Согласно другому аспекту изобретения при эксплуатации пар, выходящий из первого объема, может по существу находиться в равновесии пар-жидкость с жидкой смесью, поступающей в первый объем.
Согласно другому аспекту изобретения при эксплуатации температура обедненного потока жидкости, выходящего из первого объема, может быть ниже температуры жидкой смеси, поступающей в первый объем.
Согласно другому аспекту изобретения при эксплуатации давление в первом объеме и температура жидкой смеси, поступающей в первый объем, могут быть такими, что по существу все тепло, переданное в первый объем, приводит к испарению жидкой смеси.
Согласно другому аспекту изобретения в конструкции дополнительно может быть предусмотрено отверстие, ведущее из второго объема; и при эксплуатации по меньшей мере существенную часть пара можно абсорбировать во втором объеме, а остаток выходит из второго объема через отверстие.
Согласно другому аспекту изобретения устройство может дополнительно включать десорбционный аппарат для приема потока соляного раствора, полученного в приспособлении для тепломассопереноса, и получения: потока соляного раствора, пригодного для экзотермической абсорбции указанных одного или более компонентов из пара, и потока продукта.
Согласно другому аспекту изобретения устройство может дополнительно включать: вторичный абсорбер, который при эксплуатации: (i) принимает остаток пара и (ii) вводит остаток пара во вторичный поток соляного раствора, пригодного для экзотермической абсорбции одного или более компонентов, чтобы получить разбавленный соляной раствор.
Согласно другому аспекту изобретения десорбционный аппарат может дополнительно принимать разбавленный соляной раствор и дополнительно создавать вторичный поток соляного раствора.
Согласно другому аспекту изобретения при эксплуатации: давления в первом объеме и во втором объеме можно понизить по сравнению с атмосферным давлением; по меньшей мере большую часть пара можно абсорбировать во втором объеме; и можно предусмотреть вакуумный насос по меньшей мере для неконденсируемых компонентов пара, которые нужно удалить из устройства.
Согласно другому аспекту изобретения одна или более первых полостей могут определять первый объем, а одна или более вторых полостей могут определять второй объем.
Согласно другому аспекту изобретения соответствующий резервуар может определять каждую из одной или более первых полостей и каждую из одной или более вторых полостей; а трубопровод может определять канал для пара.
Согласно другому аспекту изобретения каждую из одной или более первых полостей и каждую из одной или более вторых полостей можно создать в резервуаре.
Согласно другому аспекту изобретения трубопровод, внешний по отношению к резервуару, может определять канал для пара.
Согласно другому аспекту изобретения резервуар можно разделить на отсеки перегородками, чтобы создать одну или более первых полостей и одну или более вторых полостей; а одно или более отверстий, созданных в перегородках, могут определять канал для пара.
Устройство может представлять собой часть оборудования для производства биопродукта, которое представляет собой другой аспект данного изобретения. Оборудование включает в дополнение к устройству установку, где при эксплуатации происходит катаболизм сбраживаемой среды на непрерывной основе. Устройство соединено с установкой, чтобы: отводить поток сбраживаемой среды на непрерывной основе; удалять ингибитор катаболического процесса из отведенной сбраживаемой среды, чтобы получить поток, содержащий ингибитор, и поток остатков; и возвращать поток остатков в установку.
Согласно другому аспекту изобретения катаболизм может представлять собой сбраживание, а ингибитор может представлять собой спирт.
Согласно другому аспекту изобретения концентрация ингибитора в потоке, содержащем ингибитор, может быть более высокой, чем в сбраживаемой среде.
Согласно другому аспекту изобретения при эксплуатации сливаемый поток сбраживаемой среды можно отводить, чтобы избежать накопления токсина; сливаемый поток можно подвергнуть периодическому сбраживанию; а оборудование может дополнительно включать дополнительное приспособление для приема продукта периодического сбраживания и получения (i) потока цельной нефильтрованной барды, из которого по существу удален этанол, и (ii) обогащенного этанолом соляного раствора, который подают в десорбционный аппарат и отделяют.
Согласно другому аспекту изобретения при эксплуатации: температура сбраживаемой среды, отведенной из установки, может составлять приблизительно 28-32°С, а концентрация этанола в ней может составлять приблизительно 4-10%; температура потока остатков может быть приблизительно на 2-4°С ниже, чем температура отведенного потока, а концентрация этанола в потоке остатков может быть приблизительно на 2-6% ниже, чем в отведенном потоке; а давление в первом объеме может составлять приблизительно 4-13,3 кПа (30-100 мм Hg).
Согласно другому аспекту изобретения при эксплуатации: температура сбраживаемой среды, отведенной из установки, может составлять приблизительно 30°С, а концентрация этанола в ней может составлять приблизительно 7%; температура потока остатков может составлять приблизительно 28°С, а концентрация этанола в потоке остатков может составлять приблизительно 2%; а давление в первом объеме может составлять приблизительно 4 кПа (30 мм Hg).
Согласно другому аспекту изобретения тепловые трубы можно расположить параллельно общей оси, а конструкцию можно выполнить с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, которая ориентирована перпендикулярно общей оси.
Согласно другому аспекту изобретения устройство по данному изобретению может представлять собой часть оборудования для производства биопродукта, которое включает установку, где при эксплуатации происходит катаболизм сбраживаемой среды на периодической основе. В данном оборудовании устройство соединено с установкой, чтобы: отводить поток сбраживаемой среды; удалять ингибитор катаболического процесса из отведенной сбраживаемой среды, чтобы получить поток, содержащий ингибитор, и поток остатков; и возвращать поток остатков в установку.
Другие преимущества, особенности и признаки настоящего изобретения станут более ясными после рассмотрения последующего подробного описания и прилагаемых чертежей, причем последние кратко описаны ниже; следует иметь в виду, что на всех чертежах одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые элементы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение модуля отгонки/абсорбции согласно примеру воплощения данного изобретения;
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение модуля, изображенного на Фиг.1, в примере применения;
Фиг.3, по аналогии с Фиг.2, представляет собой изображение другого примера применения конструкции, изображенной на Фиг.1;
Фиг.4 представляет собой другое схематическое изображение, на котором представлен другой пример применения конструкции, изображенной на Фиг.1;
Фиг.5 представляет собой схематическое изображение оборудования для производства этанола, в котором применяют два модуля согласно Фиг.1;
Фиг.6 представляет собой упрощенное схематическое изображение оборудования для производства этанола, изображенного на Фиг.5, в сочетании с упрощенным изображением конструкции, изображенной на Фиг.4;
Фиг.7 представляет собой схематическое изображение альтернативного воплощения модуля, изображенного на Фиг.1;
Фиг.8 представляет собой схематическое изображение дополнительного воплощения модуля, изображенного на Фиг.1, и
Фиг.9 представляет собой изображение поперечного сечения дополнительного воплощения модуля, изображенного на Фиг.1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Модуль отгонки/абсорбции (МОА) в схематической форме изображен на Фиг.1 и обозначен в целом номером 20.
Данный модуль включает: резервуар 21, пару перегородок 22, 24, множество тепловых труб 26 и пару распределителей 28, 30.
Резервуар 21 представляет собой прочный резервуар, пригодный для эксплуатации при пониженном давлении, например 4 кПа (30 мм Hg).
Пара перегородок включает первую перегородку 22 и вторую перегородку 24. Первая перегородка 22 идет вверх от дна резервуара и заканчивается ниже верха резервуара. Вторая перегородка 24 расположена на расстоянии от первой, идет вниз от верха резервуара и заканчивается выше дна. Данное расположение определяет внутри резервуара первую 32 и вторую 34 полости, которые соединены друг с другом каналом 35, определенным пространством между перегородками 22, 24.
В резервуаре предусмотрено множество отверстий 36-44: одно нижнее отверстие 36, 38 на дне каждой полости, одно верхнее отверстие 40, 42 вблизи верха каждой полости и одно самое верхнее отверстие 44, ближайшее к верху второй полости 34.
Множество тепловых труб 26 проходит из первой полости 32 во вторую полость 34 для переноса тепла из второй полости 34 в первую полость 32. Тепловые трубы 26 имеют традиционную конструкцию и по существу не описаны подробно в данном документе.
Каждый из пары распределителей 28, 30 проходит от верхних отверстий 40, 42 первой и второй полостей 32, 34 и выполнен с возможностью смачивания тепловых труб 26.
Из этого следует понимать, что основными функциональными признаками проиллюстрированного МОА являются:
- первая полость 32;
- вторая полость 34;
- канал 35, соединяющий первую и вторую полости;
- нижние отверстия 36, 38;
- верхние отверстия 40, 42;
- самое верхнее отверстие 44;
- тепловые трубы 26 и
- распределители 28, 30.
На Фиг.2, которая представляет собой схематическое изображение воплощения примера разделительного устройства, которое применяют для разделения потока смешанной жидкости путем испарения на поток пара и обедненный поток жидкости, показано как работают такие основные функциональные признаки при эксплуатации.
Здесь видно, что модуль 20 изображен вместе с вторичным абсорбером 46 и десорбционным аппаратом 48.
Сначала обратимся к модулю 20; следует иметь в виду, что первая полость 32 образует первый объем. Здесь поток смешанной жидкости принимают и частично испаряют с образованием вышеупомянутого потока пара и обедненного потока жидкости. Способ, согласно которому осуществляют испарение, описан ниже в описании, относящемся к тепловым трубам.
Нижнее отверстие 42 в нижней части первого объема определяет первый канал для жидкости, по которому указанный обедненный поток жидкости выходит из первого объема 32.
Канал 35 определяет канал для пара, по которому указанный поток пара выходит из первого объема 32.
Вторая полость 34 определяет второй объем, в который ведет канал 35 для пара.
Самое верхнее отверстие 44 определяет выходное отверстие.
Распределители 28, 30 и тепловые трубы 26 вместе определяют приспособление для тепломассопереноса и теплопередающее приспособление. Приспособление для тепломассопереноса: (i) принимает поток соляного раствора, пригодного для экзотермической абсорбции одного или более компонентов из пара; (ii) вводит поток соляного раствора в пар (т.е. соляной раствор распыляют или капают во втором объеме 34 на тепловые трубы 26) и (iii) отводит тепло из второго объема, чтобы получить по меньшей мере поток тепла и поток соляного раствора, который обогащен одним или более компонентами. Теплопередающее приспособление передает поток тепла в первый объем 32, чтобы обеспечить указанное разделение, и по существу каждая из тепловых труб 26 включает теплопринимающую часть, расположенную во втором объеме, и теплоотдающую часть, расположенную в первом объеме.
Соляной раствор может представлять собой только в качестве примера раствор LiBr, массовая концентрация бромида лития в котором составляет от 40% до 70%, предпочтительно от 45% до 65%. Однако можно применять любую абсорбирующую текучую среду, известную в уровне техники.
Нижнее отверстие 38 в нижней части второго объема 34 определяет второй канал для жидкости, по которому поток соляного раствора, который обогащен одним или более компонентами, выходит из второго объема 34.
Вследствие применения тепловых труб следует иметь в виду, что: передача тепла в первый объем связана с фазовым переходом рабочей текучей среды, в данном случае, воды, из газообразного состояния в жидкое состояние; отвод тепла из второго объема включает в себя испарение рабочей текучей среды из жидкого состояния в газообразное состояние; рабочая текучая среда в жидком состоянии течет только под действием одного или более из следующих факторов: сила тяжести и капиллярность; а рабочая текучая среда в газообразном состоянии течет только под действием одного или более из следующих факторов: диффузия и конвекция. Можно применять другие текучие среды помимо воды в зависимости от применения; только двумя примерами являются аммиак и промышленные хладагенты. Выбор рабочей текучей среды является обычной практикой для специалистов в данной области и по существу не описан в данном документе.
Тепловые трубы 26 расположены так, что часть тепловых труб, расположенная в первом объеме 32, при эксплуатации функционирует как насадочная испарительная колонна, а часть тепловых труб, расположенная во втором объеме 34, при эксплуатации функционирует как насадочная абсорбционная колонна.
Соответственно:
- пар, выходящий из первого объема 32 по существу находится в равновесии пар-жидкость со смешанной жидкостью, поступающей в первый объем 32;
- по меньшей мере существенную часть пара абсорбируют во втором объеме 34, а остаток выходит из второго объема через отверстие 44.
Вторичный абсорбер 46: (i) принимает остаток пара, т.е. часть, не абсорбированную в МОА, и (ii) вводит остаток пара во вторичный поток соляного раствора, пригодного для экзотермической абсорбции одного или более компонентов. Это создает разбавленный соляной раствор, а также создает поток газа, состоящего из неабсорбируемых газов и любых неабсорбированных абсорбируемых компонентов, причем указанный поток выходит из вторичного абсорбера вдоль стрелки 50.
Десорбционный аппарат 48, т.е. котел или дистиллятор, принимает поток соляного раствора, полученный в приспособлении для тепломассопереноса, и разбавленный соляной раствор, полученный во вторичном абсорбере 46, и создает:
- поток соляного раствора 52, пригодного для экзотермической абсорбции по меньшей мере одного или более компонентов из пара; и вторичный поток соляного раствора 54 и
- поток продукта 56.
На Фиг.3 показан вариант конструкции, изображенной на Фиг.2, для применения в обстоятельствах, когда давления в первом объеме и во втором объеме понижены по сравнению с атмосферным давлением. В данном применении по меньшей мере большую часть обогащенного пара абсорбируют во втором объеме, и предусмотрен вакуумный насос 58 для неконденсируемых компонентов и любых неабсорбированных конденсируемых компонентов в паре, которые нужно удалить из устройства.
Теперь обратимся к Фиг.4; следует иметь в виду, что на данном чертеже в схематической форме изображена установка, которую можно успешно применять для концентрирования яблочного сока. Данная установка в основном аналогична конструкции, изображенной на Фиг.3, т.е. она включает МОА 20, вторичный абсорбер 46 и вакуумный насос 58, но десорбционный аппарат 48 представляет собой не дистиллятор, а двухступенчатый десорбер (поскольку в данном применении задачей является не разделение смешанной жидкости на фракции, а только концентрирование сока). Двухступенчатый десорбер включает ряд экономайзеров 60, преимущественно, чтобы передавать тепло между различными частями процесса, пару котлов 62 и ряд насосов 64. Была проведена предварительная оценка в отношении эксплуатации данного устройства; значения приведены ниже, в Таблице 1.
Таблица 1
Поток
Скорость потока, кг/ч (фунт/ч)
Температура, °С
% LiBr
Вода
LiBr
Суммарная
1
45,36 (100)
0
45,36 (100)
30
0
2
27,22 (60)
0
27,22 (60)
30
0
3
18,14 (40)
0
18,14 (40)
30
0
4A
36,29 (80)
54,43 (120)
90,72 (200)
165
60
4B
36,29 (80)
54,43 (120)
90,72 (200)
70
60
5A
18,14 (40)
54,43 (120)
108,86 (240)
55
50
5B
18,14 (40)
54,43 (120)
108,86 (240)
85
50
6
44,45 (98)
54,43 (120)
98,88 (218)
90
54,2
7
8,48 (18,7)
0
8,48 (18,7)
30
0
8
9,66 (21,3)
0
9,66 (21,3)
105
0
9
11,61 (25,6)
0
11,61 (25,6)
178
0
10
по требованию
<30
Прогнозируемая потребляемая энергия (в форме пара под давлением 862 кПа (избыт.) (125 фунт/кв.дюйм (избыт.))), которую подают через поток 12, составляет 1296 кДж на 1 кг (557 британских тепловых единиц (БТЕ) на 1 фунт) испарившейся воды. Это благоприятно контрастирует с эффективностью простого испарения (приблизительно 2326 кДж/кг (1000 БТЕ/фунт)). В то же время согласно прогнозам создание и эксплуатация оборудования являются относительно недорогими, что будет очевидно специалистам в данной области при рассмотрении схемы.
Теперь обратимся к Фиг.5; следует иметь в виду, что на данном чертеже в схематической форме изображено оборудование для производства этанола, которое включает:
- зернодробильное оборудование 66, оборудование 68 для разваривания/разжижения и оборудование 70 для осахаривания; все они по существу является традиционными, в том отношении, что они создают из зерна сырье, пригодное для сбраживания;
- оборудование 72 для кондиционирования дрожжей для получения потока воды, ферментов и дрожжей;
- реактор 76 непрерывного действия с перемешиванием (РНДП), в который подают сырье, воду и т.д., в котором непрерывно происходит сбраживание и из которого отводят сливаемый поток 135;
- МОА 20, соединенный с РНДП, чтобы: отводить поток сбраживаемой среды на непрерывной основе, предпочтительно удалять спирт из отведенной сбраживаемой среды, чтобы получить поток 104 (соляного раствора), обогащенный спиртом, и поток 131 остатков; и возвращать поток 131 остатков в РНДП 76;
- дозировочный резервуар 78, который принимает сливаемый поток 135, и в котором проводят его периодическое сбраживание;
- второй МОА 20, присоединенный так, чтобы принимать продукт из дозировочного резервуара 78, и получать (i) поток цельной нефильтрованной барды, из которой по существу удален этанол, и (ii) соляной раствор, обогащенный этанолом;
- перегонную установку 79;
- вторичный абсорбер 46 для абсорбции остатка абсорбируемых компонентов, не поглощенных в МОА 20;
- выпускной газоочиститель 74 для извлечения следов спирта, среди прочего, из дозировочного резервуара 78 и вторичного абсорбера 46 и отведения спирта обратно в оборудование 68 для разваривания перед выпуском неконденсируемых компонентов в атмосферу через поток 142;
- 3 десорбера 84, 82, 80, расположенные так, чтобы создать трехступенчатый десорбер, чтобы регенерировать соляной раствор, получить поток концентрированного этанола и получить поток оборотной воды;
- конденсатор 90 и приемник 92 для конденсации потока оборотной воды и его возврата в зернодробильное оборудование 68;
- оборудование 86 для ректификации/дегидратации;
- экономайзеры 60 и насосы 64 для направления потоков между различными элементами и
- оборудование 88 для хранения полученного этанола.
Расчетные рабочие режимы для различных потоков приведены в Таблице 2.
Таблица 2
ЛИНИЯ СБРАЖИВАНИЯ
№ потока
Массовая скорость потока, кг/ч (фунт/ч)
Содержание этанола, %
Содержание сахаров, %
Температура, °С
Название потока
вода
сахара
барда (DGS)
этанол
суммарная
Сусло, которое подают в основной ферментатор
137
101786 (224400)
29937 (66000)
17064 (37620)
0
148787 (328020)
0
20
30
Бражка, которую подают в МОА 1
132
95914 (211455)
2545 (5610)
17064 (37620)
8218 (18117)
123741 (272802)
7
2
30
Бражка, которую возвращают из МОА 1
131
90043 (198511)
2545 (5610)
17064 (37620)
2739 (6039)
112391 (247780)
2
2
28
Сток из основного рерментатора
135
95914 (211455)
2545 (5610)
17064 (37620)
8218 (18117)
123741 (272802)
7
2
30
Полностью сброженная бражка
136
95914 (211455)
0
17064 (37620)
9490 (20922)
122469 (269997)
8
0
32
ЛИНИЯ СОЛЯНОГО РАСТВОРА
№ потока
Массовая скорость потока, кг/ч (фунт/ч)
Состав потока, %
Температура, °С
Название потока
LiBr
вода
этанол
суммарная
LiBr
вода
этанол
Пары в МОА 1
99а
0
5872 (12944,63)
5478 (12078,00)
11350 (25022,63)
0
51,73
48,27
30
Пары в МОА 2
99b
0
9039 (19927,34)
9522 (20922,00)
18529 (40849,34)
0
48,78
51,22
30
Подача во вторичный абсорбер
100
60340 (133028)
55138 (121558)
14969 (33000)
130447 (287586)
50
42
11,47
55
Продукт из вторичного абсорбера
101
60340 (133028)
58417 (128787)
15333 (33803)
134090 (295618)
45
44
11,43
45
Концентрированный соляной раствор в МОА 1
103
30170 (66514)
20114 (44343)
0
50284 (110857)
60
40
0
70
Концентрированный соляной раствор в МОА 2
104
30170 (66514)
20114 (44343)
0
50284 (110857)
60
40
0
70
Продукт из десорбера низкого давления
107
60340 (133028)
40227 (88686)
0
100568 (221714)
60
40
0
95
Продукт из десорбера высокого давления
112
60340 (133028)
47990 (105799)
1554 (3426)
109885 (242254)
55
44
1,41
260
Продукт из десорбера среднего давления
113
60340 (133028)
53647 (118271)
7211 (15898)
121199 (267197)
50
44
6
175
Конденсат, обогащенный этанолом
117
0
5657 (12472)
5657 (12472)
11314 (24944)
0
50
50
202
Пар среднего давления
128
0
4770 (10516)
8122 (17905)
12892 (28421)
0
37
63
138
Этанол, полученный в виде пара
163
0
61 (134)
14969 (33000)
15029 (33134)
0
0
100
окружающей среды
Специалисты в данной области легко поймут работу устройства при рассмотрении данных потоков и схемы. Соответственно, для краткости подробное постатейное описание не требуется и не предусмотрено.
Однако следует отметить по меньшей мере следующие факты из Таблицы 2:
- концентрации продукта в потоках, которые подают в ректификатор 86, подходят для традиционной обработки методами диффузионного испарения или с применением молекулярных сит;
- расчеты показывают, что требуемое количество высококачественного тепла, т.е. тепла, вырабатываемого из топлива, для десорбера 84 высокого давления составляет 1095 кДж на 1 л (4717 БТЕ на 1 галлон) полученного этанола (до ректификатора 86); это благоприятно контрастирует с обычным оборудованием для производства этанола, где требуемое количество тепла до ректификации может достигать 4177 кДж/л (18000 БТЕ/галлон);
- температура сбраживаемой среды, отведенной из РНДП 76, составляет приблизительно 30°С, а температура остатка сбраживаемой среды составляет приблизительно 28°С; предпочтительно, чтобы в данной установке температура не поднималась выше приблизительно 30°С (или не опускалась значительно ниже указанного значения), поскольку это может нанести вред живым дрожжам.
Кроме того, согласно прогнозам создание оборудования будет относительно недорогим, что очевидно специалистам в данной области.
Не ограничиваясь какой-либо теорией, можно предположить, что выгодные потребности в энергии и стоимость создания оборудования частично являются следствием того, что:
- давление в первом объеме 32 и температура смешанной жидкости, поступающей в первый объем 32, таковы, что по существу все тепло, переданное в первый объем 32, приводит к испарению смешанной жидкости;
- температура оставшейся сбраживаемой среды ниже, чем температура отведенной сбраживаемой среды, посредством чего уменьшают охлаждающую нагрузку на РНДП;
- применяют многократную десорбцию; и
- относительно умеренные охлаждающие нагрузки связаны с испарением (которое в областях, где очень холодная охлаждающая вода недоступна в большом количестве, т.е., как это обычно бывает, охлаждение нужно обеспечивать механическими средствами).
На Фиг.6 изображен упрощенный вариант конструкции, изображенной на Фиг.5, с дополнительной деталью, относящейся к предпочтительному способу перегонки, в котором применяют МОА согласно данному изобретению.
Вкратце, РНДП 76 принимает сырье 96 и создает крепкую бражку 98, которую подают в МОА 20. Бражка 100 низкой концентрации идет обратно из данного МОА в РНДП 76. Сливаемый поток 104 идет в дозировочный резервуар 78. Крепкую бражку 102 из дозировочного резервуара 78 подают в его собственный МОА 20. Цельную нефильтрованную барду 108 из дозировочного резервуара 78 направляют в центрифугу 110, чтобы получить влажный осадок 112 на фильтре и разбавленную отфильтрованную барду 114, причем последнюю направляют в другой МОА 20, чтобы получить сироп 116, который вместе с осадком 112 сушат в сушилке 118 для высушенной барды (DDGS). Разбавленный соляной раствор 120, полученный в каждом из МОА, подают в дистиллятор 94 для регенерации. Хотя показано, что в дистиллятор 94 сходятся все разбавленные соляные растворы, следует иметь в виду, что дистиллятор 94 может включать две линии, посредством чего сохраняют раздельные потоки соляного раствора с относительно высокой концентрацией этанола и потоки соляного раствора с относительно низкой концентрацией этанола.
Прогнозируемая полезность, предсказанная вышеупомянутыми примерами, была подтверждена экспериментально.
Экспериментальные результаты
Двадцать тепловых труб, каждая длиной 17,8 см (7,0 дюймов) и диаметром 0,64 см (0,25 дюйма), установили горизонтально одну над другой, чтобы образовать группу высотой приблизительно 25,4 см (10,0 дюймов). Данную сборную конструкцию поместили между прозрачными листами из акрилового полимера. Между листами были образованы две раздельные, расположенные бок о бок камеры (камера испарителя и камера абсорбера), причем тепловые трубы проходят через обе камеры. Чтобы соединить верхнюю часть камеры испарителя с нижней частью камеры абсорбера, применяли шланг с внутренним диаметром 1,27 см (0,5 дюйма). В верхней части каждой камеры предусмотрен распределитель неочищенной жидкости. В верхней части каждой камеры предусмотрен сосуд объемом 2 л с отверстием, выходящим в атмосферу, и соединенный с распределителем жидкости той камеры через клапан-регулятор потока. В нижней части каждой камеры предусмотрено отверстие для выхода жидкости, соединенное со сборным сосудом. Отверстие в верхней части камеры абсорбера соединено со стандартным лабораторным вакуумным насосом с двумя линиями защиты, предохраняющими его от паров воды и этанола.
Первым средством защиты являлся вторичный абсорбер, включающий сосуд, частично заполненный концентрированным холодным раствором LiBr. Газы, идущие в вакуумный насос, принудительно барботировали через раствор в сосуде, удаляя из них абсорбируемые компоненты. Второй ступенью защиты являлась ловушка, охлаждаемая жидким азотом.
Провели два испытания. В каждом испытании отмеренные количества соляного раствора поместили в барботер и соединенный с абсорбером сосуд, а отмеренное количество бражки поместили в соединенный с испарителем сосуд; открыли клапаны-регуляторы потока; и проводили измерения температуры и давления при прохождении жидкостей через установку. Снятие показаний заканчивали, когда один или оба подающих сосуда становились пустыми.
Таблица 3 - Испытание 1
Истекшее время, мин
Температура бражки на входе, °С
Температура бражки на выходе, °С
Температура соляного раствора на входе, °С
Температура соляного раствора на выходе, °С
Давление в системе, кПа (мм ртутного столба)
1
26
24
49
23
5,56 (41,7)
2
27
27
60
42
4,96 (37,2)
3
27
27
62
48
4,4 (33)
4
27
27
63
52
3,88 (29,1)
5
27
27
64
52
3,69 (27,7)
6
27
28
64
55
3,69 (27,7)
7
27
29
65
53
3,81 (28,6)
8
27
31
66
56
3,73 (28)
Барботер
начальная масса
1303 г
конечная масса
1304 г
Охлаждаемая ловушка
начальная масса
0
конечная масса
0
Бражка
начальная масса
83 г этанола + 952 г воды = 1035 г (8% EtOH)
конечная масса
70 г этанола + 931 г воды = 1000 г (7% EtOH)
Соляной раствор
начальная масса
701 г воды + 1052 г LiBr = 1753 г (60% LiBr)
конечная масса
13 г этанола + 713 г H<sub>2</sub>O + 1052 г LiBr=1778 г (59% LiBr)
2
2
Данное испытание подтверждает, что МОА может предпочтительно удалять этанол из смеси этанол-вода и одновременно охлаждать смесь этанол-вода. Также показано, что применение вторичного абсорбера является полезным способом удаления паров остаточной воды и этанола из вакуумной линии. Рассчитанный коэффициент теплопередачи для устройства в данном испытании составляет 187 Вт/(м·K) (33 БТЕ/(ч·фут·°F)).
Таблица 4 - Испытание 2
Истекшее время, мин
Температура бражки на входе, °С
Температура бражки на выходе, °С
Температура соляного раствора на входе, °С
Температура соляного раствора на выходе, °С
Давление в системе, кПа (мм ртутного столба)
1
35
22
50
37
2,67 (20)
2
36
25
63
44
3,33 (25)
3
36
27
68
49
3,33 (25)
4
36
27
69
52
4 (30)
5
36
27
71
53
4 (30)
6
37
30
72
55
4 (30)
7
37
30
72
55
5,33 (40)
8
36
30
72
54
5,6 (42)
9
37
31
72
53
5,33 (40)
10
37
31
72
53
5,33 (40)
11
37
31
73
53
5,33 (40)
12
36
31
73
52
5,33 (40)
13
36
32
73
53
5,33 (40)
14
36
33
76
58
5,33 (40)
15
36
33
77
60
6 (45)
16
35
34
78
61
5,73 (43)
17
34
34
78
63
5,73 (43)
18
34
34
79
64
6 (45)
Барботер
начальная масса
1303 г
конечная масса
1304 г
Охлаждаемая ловушка
начальная масса
0
конечная масса
16,5 г этанола + 16,5 г воды = 33 г (50% EtOH)
Бражка
начальная масса
481 г этанола + 1236 г воды = 1717 г (28% EtOH)
конечная масса
307 г этанола + 1154 г воды = 1462 г (21% EtOH)
Соляной раствор
начальная масса
1239 г воды + 1859 г LiBr = 3098 г (60% LiBr)
конечная масса
115 г EtOH + 1293 г H<sub>2</sub>O + 1859 г LiBr = 3267 г (43% LiBr)
2
2
2
2
Данное испытание также подтверждает, что МОА может предпочтительно удалять этанол из смеси этанол-вода и одновременно охлаждать смесь этанол-вода. Рассчитанный коэффициент теплопередачи для устройства в данном испытании составляет 397 Вт/(м·K) (70 БТЕ/(ч·фут·°F)). Поскольку система распределения жидкости в испытательном устройстве оставила несмоченной большую часть площади поверхности тепловой трубы, данную характеристику рассматривали как относительно благоприятную. Можно ожидать, что более тщательное распределение жидкости приведет коэффициент в соответствие с опубликованными значениями для промышленных устройств, которые обычно превышают 850 Вт/(м·K) (150 БТЕ/(ч·фут·°F)).
Хотя на Фиг.1 МОА изображен схематически, специалистам в данной области очевидно, что можно провести изменения.
На Фиг.7 изображена одна такая возможность, а именно установка, где тепловые трубы 26 расположены параллельно общей оси Х-Х, а конструкция выполнена с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси Y-Y, которая ориентирована перпендикулярно общей оси. Предполагают, что данную схему можно применять, чтобы периодически проводить беспрепятственный сброс жидкости из теплоотдающих частей труб.
На Фиг.8 изображена другая возможность, где первый объем 32 определен одной или более первыми полостями 32А, второй объем 34 определен одной или более вторыми полостями 34А, каждая из одной или более первых полостей 32А и каждая из одной или более вторых полостей 34А определены соответствующим резервуаром 130; а трубопровод 132 определяет канал 36 для пара. Предполагают, что данное воплощение может обладать некоторой полезностью с точки зрения уменьшения стоимости создания оборудования, а также эффективности теплопередачи (более короткие тепловые трубы обычно лучше). Отдельные резервуары предоставляют возможность создания существенной разности давлений между операциями абсорбции и испарения, и, соответственно, большей разности температур. Большая разность температур может привести к повышенной передаче тепла через тепловые трубы; это может стать преимуществом с точки зрения капитальных затрат, т.е. уменьшения числа тепловых труб и применения резервуаров меньших размеров.
Однако следует иметь в виду, что небольшую разность давлений можно создать даже внутри МОА типа, схематически изображенного на Фиг.1, путем вставки, например, насоса или вентилятора в канал для пара.
На Фиг.9 изображена другая возможная конструкция МОА, где резервуар 21 определен горизонтально ориентированным цилиндрическим резервуаром, канал 35 для пара (указан стрелками А) определен внешним трубопроводом (не показан), а первый объем 32 и второй объем 34 отделены друг от друга вертикальной раздвоенной стенкой 140. Стенка определена верхним 142 и нижним 144 выступами, идущими внутрь от трубчатой стенки резервуара 21. Резиновый лист 148 простирается между выступами 142 и 144 и расположен между стальными листами 146 и 150, которые прикреплены друг к другу верхней 156 и нижней 152 перемычками. В резиновом листе 148 проделаны отверстия, чтобы предоставить возможность прохождения через него тепловых труб 26 с по существу герметичным соединением; стальные листы 146 и 150 включают соответствующие отверстия большего диаметра, чтобы предоставить возможность свободного прохождения тепловых труб. Не ограничиваясь конкретной теорией, можно предположить, что данная схема благоприятна с точки зрения относительно низкой стоимости создания оборудования и простоты технического обслуживания; для технического обслуживания оператору может потребоваться только удалить одну торцевую стенку резервуара и выдвинуть всю сборку тепловых труб по горизонтали. Если требуется, также можно применять различные подшипники или ролики, чтобы дополнительно упростить создание оборудования. Кроме того, хотя показана одна раздвоенная стенка, резервуар можно разделить двумя стенками, каждая из которых включает тепловые трубы, проходящие через нее, чтобы получить конструкцию, обладающую функциональностью, аналогичной функциональности конструкции, изображенной на Фиг.8. В данном воплощении с двумя стенками (не показано) тепловые трубы могут быть наклонными, чтобы поток капель мог стекать обратно и вперед в камеру.
Кроме того, хотя в описании, относящемся к Фиг.4 и 5, очерчены особые условия эксплуатации, следует иметь ввиду, что возможно множество вариантов.
Например, в контексте оборудования для производства этанола, где необходимо поддерживать жизнеспособность дрожжей в условиях непрерывного сбраживания, предполагают, что полезными являются по меньшей мере следующие интервалы:
- температура сбраживаемой среды, отведенной из установки для сбраживания, может составлять приблизительно 28-32°С, а концентрация этанола в ней может составлять приблизительно 4-10%;
- температура остатка сбраживаемой среды может быть приблизительно на 2-4°С ниже, чем температура отведенной сбраживаемой среды, а концентрация этанола в остатке может быть приблизительно на 2-4% ниже, чем в отведенном потоке, и
- давление в первом объеме может составлять приблизительно 4-13,3 кПа (30-100 мм Hg).
Кроме того, хотя указано, что конструкция, изображенная на Фиг.5, пригодна для производства этанола, специалисты в данной области легко установят, что данную конструкцию можно легко модифицировать для проведения других разделений, а именно (но не ограничиваясь перечисленным) бутанола и метанола. Действительно, общую конструкцию, изображенную на Фиг.5, можно применять для проведения любой катаболической реакции, в которой ингибитор катаболического процесса можно удалять посредством абсорбции. Кроме того, хотя в описании указано непрерывное производство, следует иметь в виду, что это не является строго необходимым. При периодическом производстве этанола можно отводить сбраживаемую среду из дозировочного резервуара, когда идет сбраживание, и пропускать ее через МОА, чтобы извлечь этанол. Извлечение этанола из партии может уменьшить нагрузку на дрожжи и может сократить продолжительность цикла и повысить выход. Кроме того, хотя в контексте этанола и соляного раствора LiBr термодинамические характеристики таковы, что предпочтительным является отведение этанола, т.е. повышение его концентрации по сравнению с основной массой, это не является обязательным требованием для полезности. Например, в контексте водной системы, где отводят воду и другой компонент, возможны случаи, когда приемлемо предпочтительное отведение воды относительно другого компонента и добавление подпиточной воды в оставшиеся потоки. Кроме того, при этом следует иметь в виду, что в данном описании изобретения и в прилагаемой формуле изобретения «жидкая смесь» означает жидкость с другим веществом, смешанные друг с другом; другое вещество может представлять собой жидкость, такую как спирт, но это не обязательно, как очевидно из, среди прочего, примера концентратора яблочного сока.
Кроме того, хотя показано, что вторичные абсорберы соединены последовательно с МОА, следует иметь в виду, что это не обязательно. Вторичные абсорберы можно разместить параллельно или полностью опустить в некоторых ситуациях.
Кроме того, хотя распределители схематически изображены как перфорированные трубы, следует иметь в виду, что можно применять распылители или распределительные лотки, такие как применяют в насадочных колоннах. Конкретная форма выбранного распределителя будет меняться, среди прочего, в зависимости от геометрической формы реактора, и это является обычной практикой для специалистов в данной области.
Специалистам в данной области хорошо понятно, что возможны дополнительные варианты всего вышеизложенного. Соответственно, следует иметь в виду, что данное изобретение ограничено только прилагаемой формулой изобретения.