СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЕРЕГОНКИ ЖИДКОСТЕЙ
METHOD FOR SURFACE DISTILLATION OF FLUIDS

Изобретение относится к физико-химической технологии и предназначено для упрощения конструкции выпарных установок и дистилляторов, улучшения их экономичности, а так же для устранения образующихся в ходе работы брызг, пены и накипи. Способ пригоден для рационализации методов перегонки жидких растворов и опреснения морской воды.
Известны различные методы промышленного разделения жидких растворов на отдельные фракции. Наиболее распространенные из них - выпаривание растворителя (если полезный продукт - концентрированный осадок) или его перегонка (если полезный продукт - жидкость). Процедура типовая. Исходный раствор нагревают или доводят до пузырькового кипения, а затем через паровое пространство отгоняют из него летучие компоненты, удаляемые или охлаждаемые до жидкого состояния в конденсаторе.
Известны более сложные варианты. Для снижения температуры кипения раствора из парового пространства откачивают неконденсируемые газы. Для увеличения экономичности процесса тепло конденсации отгоняемых паров возвращают в технологический цикл, подогревая исходный раствор. Для увеличения производительности, за счет развития поверхности испарения, горячий раствор разбрызгивают или растягивают в пленку. Для увеличения скорости теплообмена горячий раствор принудительно перемешивают, вдувают туда острый пар или прокачивают другие теплоносители.
Разнообразные комбинации технологических приемов, реализуемых в выпарных аппаратах и промышленных перегонных установках, исчисляются десятками вариантов. Конкретный выбор в каждом случае определяется гаммой задач, стоящих перед проектировщиками.
Источник информации: Е.И.Таубман. Выпаривание (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии). - М.: Химия, 1982. - 328 с., ил. (стр.143-250).
Известны трудности, связанные с эксплуатацией выпарных установок и дистилляторов большой производительности. Энергетически экономичные устройства характеризуются малыми перепадами температур и давлений, а так же мизерными эксплуатационными расходами. Иногда их даже удается свести к нулю, применяя в качестве источников энергии природные ресурсы (солнечный свет, тектоническое тепло и пр.). Типичный пример - широко известные солнечные опреснители. Неустранимый недостаток таких сооружений - огромные размеры (гектары площади). Колоссальные капитальные затраты на их возведение не окупаются десятилетиями.
Источник информации: И.Э.Апельцин; В.А.Клячко. Опреснение воды. - М.: Стройиздат, 1968. - 222 с., ил. (стр.89-98).
Выпарные установки и дистилляторы, сочетающие компактность с большой производительностью, неизменно характеризуются высоким расходом энергии на единицу готового продукта. Типичный пример - аварийно-спасательные опреснительные установки. Заведомо недостаточная поверхность теплообменников (требуется жесткая экономия на массе и габаритных размерах) ведет к непроизводительным потерям тепла.
Попытки добиться оптимального сочетания «экономичность-материалоемкость-производительность» выпарных установок и дистилляторов, как правило, ведут к сильно переусложненным конструктивным решениям. Типичными примерами этого рода являются обычные ректификационные колонны и многоступенчатые парокомпрессионные перегонные установки. Данный подход оправдывают единичностью создаваемых сооружений. Любое предприятие химической промышленности по-своему уникально.
Другой технологической крайностью является применение для разделения растворов экзотических физических принципов (например, биологическое опреснение воды, нагрев жидкостей до сверхкритических температур и пр.). Научные исследования и эксперименты в указанных направлениях тянутся десятилетиями. Экономический эффект от них неизвестен.
В общем случае, при проектировании оборудования и технологических процессов, связанных с фракционным разделением растворов методом испарения, приходится учитывать и комбинировать множество факторов. Рост теплового напора и перепада давлений позволяет наращивать производительность процедуры. Снижение массы и габаритов уменьшает капитальные затраты. Увеличение поверхности теплообмена, при снижении перепадов температур и давлений, обеспечивает энергетическую экономичность.
Источник информации: Е.И.Таубман. Выпаривание (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии). - М.: Химия, 1982. - 328 с., ил. (стр.34-79).
Важной проблемой, сильно усложняющей эксплуатацию перегонных установок, является поведение раствора. Даже сравнительно слабые потоки тепла, жидкости и пара в подвижной среде сопровождаются нежелательными побочными эффектами, в частности формированием прочных слоев накипи на поверхности нагревательных элементов, образованием пены на зеркале испарения и уносом капель от лопнувших пузырей с потоком пара.
Существует понятие пороговой производительности испарителя. В случае его превышения пузырьковое кипение становится настолько бурным, что зеркало испарения исчезает. Раствор превращается в пену, заполняет паровое пространство и может прорываться в конденсатор. Реально достижимый тепловой напор между нагретым донным и активно испаряющимся поверхностным слоями жидкости очень мал. Например, вертикальный перепад температуры на слое воды толщиной 250 мм, кипящей при атмосферном давлении в подогреваемом снизу открытом сосуде, не превышает 0,7°С.
Источник информации: В.А.Пазухин, А.Я.Фишер. Разделение и рафинирование металлов в вакууме. - М.: Металлургия, 1969. - 204 с., ил. (стр.42-44).
Зато непропорционально велики типичные температурные перепады между жидким раствором и поверхностью нагревателя, обычно составляющие 10-25°С и более. Причины тому целых две. Во-первых, уже слой накипи толщиной 0,1 мм понижает коэффициент теплопередачи через стенку латунной трубки типового теплообменника опреснителя на 25-30%. На практике толщина слоя накипи может достигать нескольких миллиметров.
Источник информации: И.Э.Апельцин; В.А.Клячко. Опреснение воды. - М.: Стройиздат, 1968. - 222 с., ил. (стр.60-82).
Во-вторых, площадь непосредственного контакта твердой поверхности нагревателя и кипящей жидкости с ростом температуры постепенно сокращается вплоть до полного разделения сплошной паровой пленкой. Экспериментальная зависимость скорости теплопередачи «нагреватель-вода» от пограничной разницы температур показана на фиг.1. График имеет относительно крутой подъем, острый пик и резкий спад, отражающий момент перехода пузырькового кипения в пленочное. В последнем случае прямой контакт «жидкость-поверхность» практически исчезает, так как на границе раздела сред образуется сплошной слой перегретого пара.
Показательно, насколько полезный тепловой напор в слое испаряемой жидкости меньше бесполезного, на границе раздела сред. Так же видно, что даже легкое увеличение перепада температур у поверхности нагревателя выше предела 50-53°С ведет к катастрофическому ухудшению теплообмена. Процесс теплопередачи из конвекционного становится излучательным (при указанных температурах крайне неэффективным). Нагревать стенки (греющие трубки) обычного испарителя с водой, кипящей при атмосферном давлении, выше +150°С совершенно бессмысленно. Энергия расходуется впустую - на поддержание высокого давления в паровой пленке.
Источник информации: И.В.Радченко. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1965. - 480 с., ил. (стр.449).
В свете вышеизложенного, не приходится удивляться, что фактические энергетические затраты на дистилляцию реальных растворов (например, опреснение морской воды) в десятки раз превышают теоретически необходимую работу разделения молекул воды и соли (теплоту сольватации). Для типичных промышленных опреснителей и выпарных установок полезная составляющая в общих энергетических затратах (тепловой КПД) обычно не превышает 3-5%, в редких случаях достигая 6-7%.
Источник информации: Е.И.Таубман. Выпаривание (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии). - М.: Химия, 1982. - 328 с., ил. (стр.34-36).
Даже сам привычный факт разделения слоем раствора поверхностей нагрева и испарения является источником эксплуатационных трудностей. Перечень веществ, реально содержащихся в перегоняемой жидкости, всегда достаточно обширен. Раствор считается разбавленным, если его концентрация значительно меньше уровня, при котором начинается кристаллизация и выпадение в твердый нерастворимый осадок хотя бы одного минерального компонента смеси.
Значения растворимости некоторых природных солей в воде приведены в таблице 1.
№ п/п
НАИМЕНОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА
Растворимость в % от массы насыщенного раствора
0°С
+10°С
+20°С
+30°C
+40°С
+50°С
1
Хлористый натрий (NaCl)
26,3
26.3
26,4
26,5
26,7
26,8
2
Сернокислый натрий (Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>)
4,8
8,3
16,3
29,0
32,8
31,8
3
Хлористый калий (KCl)
21,9
23,8
25,5
27,1
28,6
30,0
4
Бромистый калий (КВr)
34,9
37,3
39,5
41,4
43,0
44,5
5
Сернокислый калий (K<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>)
6,9
8,5
10,0
11,5
12,9
14,2
6
Хлористый магний (MgCl<sub>2</sub>)
34,6
34,9
35,3
35,8
36,5
37,2
7
Хлористый кальций (СаСl<sub>2</sub>)
37,3
39,4
42,7
50,1
53,4
57,8
Источник информации: Краткий справочник по химии; под ред. О.Д.Куриленко. - Киев: Наукова думка, 1974. - 985 с., ил. (стр.799).
Теоретически, природные воды с соленостью 0,35-0,02% выгодно упаривать при температуре максимальной эквивалентной растворимости солевой смеси. Для большинства водных растворов эта точка находится ниже +36-40°С. Естественно, в обычных опреснителях это невозможно. Приходится регулярно останавливать перегонку для механической очистки металлических поверхностей, покрытых нерастворимой минеральной коркой.
4
4
2
3
Температура у границы «нагреватель-раствор» традиционных дистилляторов всегда значительно превышает температуру зеркала испарения. В результате, именно там выпадают соли с отрицательным температурным коэффициентом растворимости (сульфат кальция CaSO, полугидрат сульфата кальция 2CaSO·HO, карбонат кальция СаСО и пр.). Перелом кривой растворимости этих веществ лежит в окрестностях +32-40°С. Очевидно, что если перегонку морской воды вести при температуре существенно ниже +50-60°С, то указанный осадок не будет появляться вообще. Кривая растворимости сульфата кальция, для примера, показана на фиг.2.
Источник информации: И.Э.Опельцин; В.А.Клячко. Опреснение воды. - М.: Стройиздат, 1968. - 222 с., ил. (стр.66).
Главными недостатками традиционных методов выпаривания и перегонки, основанных на испарении летучих компонентов жидких растворов, являются нерациональная организация передачи энергии (тепла) от нагревателя к зеркалу испарения и системы движения потоков массы.
Полезный тепловой напор между поверхностями нагрева и испарения крайне мал, естественная конвекция жидкости затруднена. В результате, большая часть подводимой энергии тратится вхолостую - на преодоление вредных тепловых сопротивлений. Процесс сопровождается образованием пены и накипи, отгоняемый пар содержит брызги кипящего раствора.
Попытки преодолеть указанные недостатки за счет снижения мощности тепловых потоков ведут к неоправданному раздуванию геометрических размеров оборудования, а искусственное форсирование процессов передачи тепла и массы (откачка неконденсируемых газов, мешалки, распылители и пр.) к избыточному усложнению его конструкции. Именно благодаря вариантам обхода того или другого конкретного технологического ограничения так разнообразны типы выпарных химических установок.
Известен способ устранения тепловых потерь за счет физического совмещения поверхности нагревателя и зеркала испарения. Правильнее сказать, за счет непосредственного нагрева жидкости со стороны парового пространства коротковолновым электромагнитным излучением, например солнечным светом. Полезный эффект достигается чисто и крайне дешево. Процесс перегонки идет идеально. Практически все поглощенное жидкостью тепло сразу и непосредственно тратится на получение пара. Образование пены, накипи или брызг рассола физически невозможно.
2
Простоту метода и его техническую эффективность подтверждает многолетний опыт успешной эксплуатации солнечных опреснителей, солнечных сушилок и т.п. оборудования. Например, в Лос-Салиносе (Чили) солнечная опреснительная установка простейшей конструкции, общей площадью 4760 м, успешно проработала 36 лет (с 1872 года по 1908 год, до постройки водопровода). Ее средняя производительность по дистилляту составляла 4,6 л/сутки с каждого квадратного метра испарительных лотков.
2
Неустранимым недостатком перегонных установок с нагревом зеркала испарения излучением является малая удельная производительность. Она ограничена энергетикой солнечного света (не более 0,8-1,2 кВт/м) и тепловым напором «испаритель-конденсатор» (обычно 10-25°С). Предельная температура жидкости в лотках редко превышает +50-65°С при температуре воздуха +25-35°С. Контактным нагревом рассола через ту же площадь поверхности удается передавать в 70-120 раз больше энергии.
Предпринимались попытки увеличить температуру зеркала испарения за счет концентрации солнечного света на поверхности раствора системой зеркал. Пар высокого давления получался. Большой выгоды от этого не было. Выяснилось, что размеры нужных отражателей примерно равны площади простых остекленных лотков, причем стоит такая система дороже, а в эксплуатации сложнее. Поверхностная перегонка воды с помощью нагрева СВЧ излучением и т.п. в данный момент экономически нерентабельна.
Источник информации: И.Э.Опельцин; В.А.Клячко. Опреснение воды. - М.: Стройиздат, 1968. - 222 с., ил. (стр.87-98).
Известен способ увеличения производительности низкотемпературных сушилок и дистилляторов за счет механического развития поверхности испарения. Качество (энергетика и давление пара) компенсируются количеством (площадью). Контактно нагретую до температуры не более +40-50°С жидкость растягивают центробежными силами, морщат вибрацией, разбрызгивают через форсунки, в виде тонкой пленки на смачиваемом диске перемещают рядом с конденсатором. Выход конечного продукта за проход обычно мал и одну порцию рассола гоняют по кругу много раз.
Прием позволяет на один-два порядка, сравнительно с обычными условиями при равной температуре, ускорить процесс испарения жидкости. Пена и накипь практически не образуются, так как концентрация испаряемого раствора в ходе каждого цикла изменяется мало, а его температура, напротив, быстро падает. Зона испарения обычно находится на заметном расстоянии от зоны теплообмена (твердой поверхности нагревателя).
Неустранимыми недостатками способа являются его низкая удельная производительность и сложность реализации. Насосы, распылители, вентиляторы и другие механические устройства превращают простой физический процесс в изощренную и дорогостоящую техническую процедуру. Метод оправдывает себя в некоторых специфических ситуациях (производстве пищевых продуктов, лекарственных препаратов и пр.), когда важно не допускать сильного нагрева испаряемой жидкости или необходимо хоть как-то полезно утилизировать большое количество бросового тепла.
Источник информации: К.П.Шумский. Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения. - М.: Машиностроение, 1974. - 576 с., ил. (стр.121-211).
Известен способ рациональной организации контактного теплообмена в перегонных установках за счет нагрева раствора жидким или газообразным теплоносителем. Отсутствие твердой поверхности теплообмена исключает появление сплошного слоя накипи независимо от температуры греющего агента. Сравнительно равномерный (объемный) нагрев раствора исключает формирование паровых пузырей на зеркале испарения, а следовательно, образование пены и брызг в паровом пространстве. Получается чрезвычайно высокий (особенно, в случае продувки острым паром) поток тепловой энергии «греющий агент-жидкость». Контактная разница температур между ними может безвредно достигать 200-300°С. Экстремальным вариантом метода является нагрев раствора погруженными горелками.
Неустранимыми недостатками описанного способа являются дороговизна процедуры и обязательное загрязнение конечных продуктов посторонними химическими веществами. Например, провалились все попытки применить гидрофобные теплоносители (парафин и минеральные масла) в опреснительных установках. Полученную воду нельзя было пить.
Источник информации: Е.И.Таубман. Выпаривание (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии). - М.: Химия, 1982. - 328 с., ил. (стр.230-241).
Для решения проблемы оптимизации работы выпарных и перегонных установок необходимо и достаточно найти способ прямого совмещения твердой поверхности нагревателя с зеркалом испарения, который обеспечит максимально возможный тепловой напор при отсутствии пены и накипи. Метод должен надежно действовать в широком диапазоне эксплуатационных режимов, без мешалок, распылителей и прочих механических приспособлений. Крайне желательна простая рекуперация теплоты конденсации отгоняемых паров в дополнительный нагрев исходного раствора.
За прототип принят способ перегонки морской воды термодиффузионным испарением с поверхности вращающихся дисков.
Вокруг горизонтальной оси, со скоростью 50-60 об/мин, вращают диски из хорошо проводящих тепло нержавеющих материалов (медь, латунь и др.). Нижнюю часть дисков погружают в нагретую испаряемую воду, заполняющую поддон. Верхнюю часть дисков помещают в зазоры между плоскими, охлаждаемыми изнутри конденсаторами.
Расстояние между поверхностями испарения и конденсации сводят к минимуму (от сантиметров до нескольких миллиметров). Образование на дисках пены и накипи совершенно исключено. Атмосферный воздух из установки не удаляют. Пар с покрывающей диски водяной пленки оседает на расположенных рядом холодных поверхностях, отдавая тепло конденсации соленой воде, циркулирующей в испарителе. Полученный дистиллят стекает в желоба и выводится из установки. Убыль жидкости компенсируется притоком свежей соленой воды. Для увеличения полезного теплового напора между элементами установки соленый раствор, поступающий в поддон, дополнительно подогревают, а прокачиваемый через конденсаторы - охлаждают. Схема компоновки такого испарителя (отсканированное изображение №5.13 со стр.29 источника информации) изображена на фиг.3.
Источник информации: И.Э.Опельцин; В.А.Клячко. Опреснение воды. - М.: Стройиздат, 1968. - 222 с., ил. (стр.29-30).
Способ ценен для утилизации бросового пара от низкотемпературного источника (градирни). В конструкции много перспективных идей: возгонка растворителя из тонкого слоя жидкости на теплопроводящей поверхности, непрерывное обновление этого слоя, удаление испаряемой пленки от нагревателя, сближение конденсатора и зеркала испарения на минимально возможное расстояние, устранение причин образования пены и накипи. Перечисленные меры значительно уменьшают бесполезные тепловые потери. Сравнительно с солнечными опреснителями изделие более компактно.
Очевидными недостатками описанного технического решения являются избыточная сложность процедуры. Принцип перегонки исключает появление пены, но паровое пространство все равно содержит брызги рассола, взбаламученного крутящимися дисками. Зеркало испарения тянут к конденсатору, хотя поверхностное натяжение холодной жидкости выше, чем у нагретой. Пленка рассола могла бы двигаться самостоятельно. И так далее.
Известен способ опреснения морской воды путем осмоса через паровой зазор, поддержанный капиллярностью, известный как «пароосмотический метод Хасслера». По методу Хасслера осмотическую ячейку составляют из двух целлофановых мембран, закрепленных на пористых плитах. Промежуток, выполняющий функцию диффузионного зазора между мембранами, заполняют сыпучим гидрофобным материалом, например молотой пемзой. Через одну плиту в ячейку под давлением подают морскую воду. Через другую плиту ячейку соединяют с резервуаром пресной воды. В зазор с пемзой подают сжатый воздух. Подвижных деталей нет.
2
В работающей ячейке давление морской воды выше давления осмоса и давления воздуха в зазоре, а давление пресной воды меньше давления воздуха в диффузионном зазоре. При перепаде давлений между сосудами с соленой и пресной водой около 50 кг/см суточная производительность системы по дистилляту составляет примерно 20 л/м площади. Соленость опресняемой морской воды 30-35 г/л, температура ячейки 20-25°С.
Источник информации: И.Э.Апельцин; В.А.Клячко. Опреснение воды. - М.: Стройиздат, 1968. - 222 с., ил. (стр.193).
Метод Хасслера основан на остроумном сочетании нескольких молекулярных физических эффектов:
Соленая вода не может проникнуть в зазор через пористую плиту. Сжатый воздух не может вырваться из зазора через заполненные жидкостью капилляры в пористых плитах, надежно закупоренные силой поверхностного натяжения. Растворенная в морской воде соль прочно связана с жидкой фазой. Молекулы воды почти свободно испаряются и дрейфуют через пористую прослойку между плитами в сторону более низкого давления. Воздушный зазор действует как полупроницаемая мембрана, хорошо пропускающая водяной пар и совсем не пропускающая соль.
В ячейке возникают направленный поток массы, переносящий молекулы воды от рассола к дистилляту, и встречный поток тепла, переносящий энергию конденсации от дистиллята к рассолу. Схема установки для деминерализации воды, по методу Хасслера изображена на фиг.4.
Источник информации: М.Трайбус. Термостатика и термодинамика. Пер. с английского. - М.: Энергия, 1970. - 504 с., ил. (стр.417-419).
Известен способ получения пресной воды методом капиллярной конденсации. В древности моряки закрепляли куски пористых эластичных материалов (высушенную губку) на корабельном такелаже. Давление пара над вогнутыми менисками дистиллята было ниже, чем над ровной поверхностью моря. Влага конденсировалась в узких капиллярных каналах. Теплоту конденсации уносил ветер. Копящаяся в порах жидкость получалась практически пресной. Периодически мокрую губку выжимали и снова подвешивали на открытом воздухе. Полученную воду можно было пить.
Источник информации: И.В.Радченко. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1965. - 480 с., ил. (стр.403-405).
Известен эффект конденсации атмосферной влаги в мелких порах первоначально сухого тела. Так отсыревают книги и гигроскопичные порошки, теряют активность адсорбенты. При быстрой капиллярной конденсации наблюдается сильный разогрев гигроскопичных материалов. Давление насыщенных паров в микрополостях существенно ниже равновесного значения даже при температурах более 150-200°С. Там не кипит вода. Выделяющаяся теплота греет стенки капилляров. Если влажность воздуха высока, а пористого материала много, то возможна его порча и даже самовозгорание. По этой причине строго регламентируют правила безопасного хранения прессованного хлопка, молотого торфа и угольной пыли.
Источник информации: А.В.Лыков. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 472 с., ил. (стр.10-24).
Известен эффект энергичного поглощения водяных паров из атмосферного воздуха мелко пористыми гидрофобными материалами. Значение краевого угла смачивания конденсатом вещества стенок капилляров на ход процесса не влияет. Развивается температура до +200°С и более.
Источник информации: Е.Н.Серапионова. Промышленная адсорбция газов и паров. - М.: Высшая школа, 1969. - 416 с., ил. (стр.31-42).
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения:
Растворитель выпаривают из непрерывно обновляемого пленочного слоя жидкости, прилегающего к твердой теплопроводящей поверхности. Испаряемый раствор непрерывно перемещают от нагревателя к зеркалу испарения, предельно близко совмещенному с поверхностью охлаждаемого конденсатора. Процесс ведут при температуре ниже уровня кипения раствора, чем устраняют причины образования на дисках пены и накипи.
Перечисленные приемы обеспечивают высокий тепловой напор и малые промежуточные потери энергии в слое испаряемой жидкости. Присутствие атмосферного воздуха, относительно низкая температура перегонки и малое давление конденсирующихся паров жидкости на эффективность процедуры испарения практически не влияют.
Причины, препятствующие получению требуемого технического результата по прототипу:
Поверхность дисков, с которых испаряется пленка раствора, является не нагревателем, а только тепловым аккумулятором, причем плохим. Теплоемкость меди в десять раз меньше, чем у воды. Реальную дистанцию теплопередачи определяет длина трубопровода, подающего в поддон горячий рассол. Не менее длинный путь, вместе с охлаждающим рассолом, преодолевает теплота конденсации дистиллята. Совокупный тепловой напор в системе крайне мал. Без циркуляционного насоса она не работоспособна.
Конструкцию портит избыток подвижных частей. Уже при радиусе дисков 0,5 метра и скорости вращения 60 об/мин их края режут воду со скоростью более 3 м/с, поднимая фонтаны брызг. В паровое пространство и дистиллят попадают капли взбаламученного рассола. Хотя сам принцип термодиффузионной перегонки, как таковой, исключает появление пены.
Поток молекул воды через паровое пространство организован нерационально. Быстрое движение зеркала испарения относительно конденсатора возбуждает вихри, мешающие течению дистиллята. Большая часть механической мощности двигателя тратится на преодоление гидравлических и аэродинамических сопротивлений (фактически, разогрев воздуха и рассола).
Совершенно игнорируются разнообразные молекулярные явления, способные облегчить работу перегонной установки. Например, зеркало испарения принудительно тянут в сторону конденсатора, хотя пленка рассола вполне могла бы двигаться туда самостоятельно. Поверхностное натяжение интенсивно охлаждаемой жидкости заметно выше, чем у нагретой. Воздушные вихри от крутящихся дисков мешают приблизить испаритель к конденсатору на оптимальную для газовой диффузии дистанцию порядка 1 мм.
Принцип рекуперация тепла конденсации такой же, как в традиционных опреснителях. Рассол нагревают через обычный паропровод, на поверхности которого может оседать накипь. Это нивелирует эффект от содержащихся в прототипе перспективных технических решений. Производительность описанного метода перегонки получается заведомо низкой.
Технический результат применения предлагаемого способа.
Оптимизация процесса работы выпарных и перегонных установок за счет прямого совмещения нагреваемой поверхности с зеркалом испарения раствора, что обеспечивает в системе максимально возможный тепловой напор, при отсутствии пены и накипи. Расширение диапазона режимов эксплуатации указанного оборудования, без применения мешалок, распылителей и прочих механических приспособлений с подвижными частями. Простая и эффективная рекуперация теплоты конденсации отгоняемых паров в прямой нагрев поверхности исходной жидкости. Упрощение конструкции и уменьшение габаритов контактных теплообменников за счет использования молекулярных эффектов на границе раздела фаз и сред.
Технический результат достигается следующим образом:
Зеркало испарения перегоняемой жидкости нагревают.
Полученный пар направляют из парового пространства к поверхности конденсации и там осаждают в виде жидкой фазы.
Поток пара направляют на поверхность конденсации, оформленную в виде внутренних каналов щетки капилляров.
Каждый капилляр проходит сквозь свободную поверхность зеркала испарения перегоняемой жидкости.
Каналы капилляров сверху открыты в паровое пространство, а нижними торцами погружены в жидкий конденсат.
Теплоту фазового перехода от стекающего по каналам конденсата возвращают зеркалу испаряемой жидкости прямо через стенки капилляров.
Существенные признаки заявляемого изобретения:
В соответствии с прототипом:
1. Процесс перегонки сосредоточен у свободной поверхности жидкости.
2. Пар жидкости удаляют от ее нагреваемой поверхности.
3. Нагреваемую поверхность жидкости совмещают с зеркалом испарения.
4. Полученный пар осаждают в жидком виде на поверхности конденсации.
В отличие от прототипа:
5. Поток пара направляют на поверхность конденсации в виде щетки капилляров, проходящих через зеркало испарения перегоняемой жидкости.
6. Пар конденсируют во внутренних каналах капилляров, сверху открытых в паровое пространство, а нижними торцами погруженных в конденсат.
7. Теплоту фазового перехода конденсирующегося пара, за счет перепада температуры на внутренней и внешней стенке капилляров, немедленно возвращают к испаряемой жидкости.
8. Теплоту фазового перехода стекающего внутренним каналам конденсата возвращают зеркалу испарения жидкости по кратчайшему пути, прямо через стенки капилляров.
Влияние существенных признаков заявляемого изобретения на получаемый технический эффект:
2
2
1. Производительность перегонки (испарения, выпаривания) определяется потоком тепловой энергии в цепочке нагреватель, зеркало испарения, паровое пространство, поверхность конденсации. В случае рекуперации к перечисленным звеньям следует добавить обратный поток тепла «конденсатор-зеркало испарения». На участке «испаритель-конденсатор» поток тепла приобретает форму потока пара, переносящего скрытую теплоту фазового перехода. Связь габаритных размеров установки с выходом конечного продукта задает плотность теплового потока через границы сред (Вт/м) и секундный поток молекул через поперечное сечение паропровода (кг/м).
Очевидно, что сокращение толщины промежуточных барьеров, рост перепадов температуры и увеличение площади теплообменников благоприятно влияют на ход процедуры. Возможны варианты. Малый тепловой напор часто компенсируют развитой поверхностью испарения (конденсации). Реже встречаются попытки добиться того же, сокращая толщину тепловых переходов. К ним относится выбранный прототип изобретения.
2
О перспективности последнего приема можно судить по известному факту: с каждого квадратного метра свободной поверхности воды при +20°С ежесекундно испаряется и конденсируется обратно около 0,2 кг пара. При мизерной разнице температур (доли градуса) и ничтожной толщине пограничного слоя «жидкость-пар» (микроны) поток энергии в каждую сторону огромен - 0,45 МВт/м. Совмещение поверхностей испарения и конденсации, при автоматической рекуперации тепла, делает природную границу «жидкость-пар» демонстрационной моделью идеального опреснителя.
Источник информации: И.В.Радченко. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1965. - 480 с., ил. (стр.401).
2
2
Для сравнения, в известных технических устройствах, при пузырьковом кипении воды под атмосферным давлением, максимально возможный поток тепла через поверхность охладителя (испарителя) равен 0,9 МВт/м. Реально это величина не превышает 0,2-0,3 МВт/м. Перепад температур, необходимый для ее достижения, измеряется десятками градусов.
Источник информации: Г.Н.Дульнев. Тепло и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высшая школа, 1984. - 247 с., ил. (стр.85-91).
Таким образом, сосредоточив процесс перегонки у самой поверхности жидкого раствора (не дальше 1-2 мм), легко получить высокую плотность потока тепловой энергии даже при комнатной температуре. Чем ближе соседние участки испарения и конденсации, тем выше оказывается фактический тепловой напор между ними и экономичнее вся процедура.
В технической литературе справедливо указывают, что габаритная производительность дистилляторов при низкой температуре мала в силу низкого давления насыщенного пара над зеркалом испарения. Выход конденсата получается незначительным. Типичные величины для адиабатической перегонки морской воды при +20°С составляют 3,5-25,0 литров в сутки (0,04-0,29 грамма в секунду) с квадратного метра поверхности.
2
2
Свойства пара в дальней зоне соответствуют известным табличным данным. При температуре рассола +110°С (обычной в промышленных дистилляторах) его поток достигает 500-3500 кг/м в час (0,14-1,0 кг/м в секунду), а давление - 100 кПа. При комнатной температуре давление водяного пара над рассолом той же концентрации в 50 раз меньше - около 2-3 кПа. Однако реальный выигрыш от указанной разницы невелик. При бурном кипении вода разбрызгивает рассол. Приходится увеличивать высоту парового пространства до 0,7-1,0 м, ограничивать скорость потока пара 7-9 м/с, ставить сетки для улавливания капель, сооружать гигантские паропроводы. Это в десятки и сотни раз уменьшает фактический тепловой напор.
Низкая температура имеет свои преимущества. В отсутствие кипения рассола можно сдвинуть испаритель и конденсатор вплотную. Пузырей и брызг, могущих с потоком пара достигать дистиллята, в данном случае нет. А давление насыщенного пара над свободной поверхностью жидкости (вопреки популярным справочникам) зависит не только от температуры, но и от расстояния до нее. Зависимость резко нелинейная. Экспериментальный график для пресной воды при температуре +10°С показан на фиг.5.
Источник информации: А.В.Лыков. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 472 с., ил. (стр.171).
Указанные измерения (потребовавшие изготовления особых микроскопических датчиков и тонких опытных методов) проведены в СССР более 50 лет назад. В доступной литературе сведения о них почти отсутствуют.
Источник информации: Н.Ф.Докучаев, автореферат диссертации «Применение термогигрометрических методов к исследованию процесса испарения», М.; 1951 год.
Известно, что над открытой поверхностью жидкости в свободном пространстве всегда существует заметная прослойка плотного пара. Давление там меняется, от низкого парциального уровня (на расстоянии порядка метра) до атмосферного и выше. При сильно запыленном воздухе эта граница видна в боковом освещении как свободная от пыли зона (толщиной 0,5-1 мм) между жидкостью и атмосферой, так называемый «черный слой».
Источник информации: А.И.Пирумов. Обеспыливание воздуха. - М.: Стройиздат, 1981. - 296 с., ил. (стр.53).
При тесном совмещении поверхностей испарения и конденсации (не дальше 1,0-2,0 мм) можно при +10-40°С, без механических приспособлений, иметь напряженность зеркала испарения как в дальней зоне обычных промышленных дистилляторов. Данный эффект снимает габаритные ограничения созданию перегонных установок без пузырькового кипения раствора.
2. Длительный контакт ограниченного объема перегоняемого раствора с твердой поверхностью нагревателя неизбежно сопровождается либо выпадением твердого осадка (накипи), либо перегревом жидкости до парообразного состояния и уменьшением площади прямого теплообмена. Эти недостатки легко устранить, если раствор непрерывно перемешивать. Тогда его температура и концентрация мало отличаются от состояния объемной фазы. Хотя именно тонкий пограничный слой привести в движение трудно.
3. Известно, что теплопроводность растворов, сравнительно с металлом, ничтожна. Конвекция, за счет разницы плотностей горячей и холодной жидкости так же невелика. Паровое кипение позволяет ускорить конвективный теплообмен на границе, но провоцирует выпадение накипи. Идеальное решение проблемы - искусственно создать течение тонкого слоя раствора вдоль поверхности нагревателя, по направлению к зоне интенсивного испарения. В прототипе это производят вращающимися дисками. Результат - нет пены и накипи, горячий пограничный слой эффективно обновляется, предельно облегчено его испарение за счет молекулярных эффектов.
В водных растворах неорганических электролитов поверхностный слой всегда обогащен молекулами растворителя. Ионы соли гидратируются и отжимаются в глубину, а чистая вода, как своеобразное поверхностно активное вещество, концентрируется у границы раздела фаз. При отсутствии парового кипения и пленочном течении жидкости это существенно ускоряет перегонку морской воды. Химическая сепарация раствора, за счет молекулярных сил, происходит уже на этапе его нагрева.
Источник информации: Е.Д.Щукин и др. Коллоидная химия, учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 2004. - 445 с., ил. (стр.80-83).
4. Оптимальным вариантом компоновки твердой поверхности нагревателя парового пространства и зеркала испаряемой жидкости является их прямой физический контакт в одной плоскости. Регулярно расположенные нагревательные элементы, протыкающие границу «жидкость-пар», исключают бесполезные потери теплового напора. Пленка горячего раствора сама по себе, без помех, перетекает на зеркало испарения. Замкнутые паровые пузыри возле нагревателя не возникают даже при самой высокой температуре. Результат - жидкость не бурлит, хотя испаряется чрезвычайно быстро.
2
Сходный эффект от дробления зеркала испарения известен в металлургии. Сверхбыстрое охлаждение стали (до 600-1200°С/с) получают ее капельным обрызгиванием водными растворами солей. Плотность теплового потока на границе раздела сред при этом достигает 4,2-7,5 МВт/м и более.
Источник информации: Ю.П.Солнцев и др. Металловедение и технология металлов. - М.: Металлургия, 1988. - 512 с., ил. (стр.158-164).
5. Чем ближе зеркало испарения и поверхность конденсации, тем меньше помехи потоку пара и размеры перегонной установки. Сократить зазор до толщины плотного парового слоя (1,0-2,0 мм) в прототипе не дает взаимное скольжение поверхностей. Вместо упорядоченного движения молекул возле крутящихся дисков получаются хаотичные газовые вихри. Взаимная неподвижность участков свободной поверхности жидкости устраняет эту проблему. Максимальную пользу указанная компоновка дает в случае контактной рекуперации энергии конденсации.
По эффективности режим работы перегонной установки стремится к природному аналогу - свободной поверхности воды. Даже при комнатном диапазоне температур. Особенно, когда зоны испарения и конденсации достаточно малы, равномерно чередуются и не выступают за пределы плотного парового слоя над зеркалом жидкости.
Естественно, соседние участки испарения и конденсации, при самом тесном сближении, не могут соприкасаться физически. Более того, необходимо препятствовать обратному потоку пара от дистиллята к раствору (выгодному с позиций термодинамики). Ячейки жидкой поверхности должен разделять материальный барьер, а нужная разница давлений насыщенного пара над ними - поддерживаться искусственно, например, за счет перепада температур по сторонам перегородки. Последнее осуществимо, если нагревательные элементы совместить с капиллярными конденсаторами - открытыми в паровое пространство трубками с тонким внутренним каналом.
Давление насыщенного пара над вогнутым мениском конденсации при одинаковой температуре всегда ниже, чем над ровной поверхностью испарения. Следовательно, пар будет сам конденсироваться в капилляре и создавать там зону локального нагрева. При своевременном удалении накапливающейся жидкости - это безостановочный процесс, скорость которого ограничена только плотностью теплового потока через стенки капилляра. Трубка-конденсатор автоматически превращается в нагреватель.
При диаметре канала капилляра в пределах 0,4-0,1 мм перепад температур между его внешней и внутренней поверхностью может достигать нескольких градусов и более. Это довольно много, с учетом масштабного коэффициента. Тепловой поток через стальную стенку парового котла толщиной 1 см (перепад температур 150°С) равен тепловому потоку через ту же площадь стенок (толщиной 0,1 мм) стальных капилляров при перепаде температур 1,5°С. Частая щетина капиллярных трубок, пронизывающая зеркало испарения, позволяет компактно свернуть поверхность теплообмена. Рекуператор теплоты конденсации получается простым и эффективным.
6. Процесс поверхностной перегонки крайне чувствителен к абсолютной величине и перепадам температуры в системе. Любой конкретной комбинации химического состава и концентрации раствора, давления паров и прочих параметров процесса соответствует некоторый оптимальный температурный режим. Способ его установления принципиального значения не имеет. Допустимы как прямой нагрев-охлаждение реагентов, так и косвенные методы - быстрое или медленное обновление выпариваемого раствора, вакуумная откачка парового пространства и прочее.
Особенно точно требования по минимальной и максимальной температуре отдельных элементов установки должны соблюдаться при холодной перегонке с рекуперацией энергии парообразования. Производительность процесса максимальна, когда внутренние капиллярные каналы смачиваются идеально, а их внешние стенки отталкивают жидкость. Для этого давление насыщенного пара над вогнутой поверхностью трубок должно быть заметно ниже, чем над зеркалом испарения, а давление над внешней поверхностью трубок немного его превышать. Эффект зависит от верного сочетания геометрии капилляров и поверхностного натяжения раствора с дистиллятом.
7. Особенностью поверхностной перегонки жидкости является широкое использование макроскопических молекулярных эффектов на границе раздела жидкости и ее насыщенного пара.
В силу мозаичности рабочей зоны и малых габаритных размеров ее элементов организовать механическое или конвекционное перемешивание раствора невозможно. Поэтому транспортировку пленки раствора от нагревателя к месту испарения производят за счет ее собственной силы поверхностного натяжения. На короткой дистанции, не превышающей несколько миллиметров, это удобно и крайне результативно.
Известно, что теплопроводность жидкостей на 2-3 порядка хуже, чем у металлов. Конвекция помогает плохо. Например, при самом бурном кипении воды скорость подъема пузырей пара (диаметром от 2-3 мм и крупнее) не превышает 30 см/с. Если увеличить плотность теплового потока за предел допустимого, над зеркалом испарения поднимается шапка пены.
Источник информации: В.Г.Левич. Физико-химическая гидродинамика. - М.: Издат. физ-мат. литературы, 1959. - 700 стр., ил. (стр.434-450).
Ситуация полностью меняется, когда перегонная система целиком сосредоточена на границе раздела фаз и сред. Поверхностное натяжение жидкостей зависит от температуры. Чистая вода, например, при 0°С имеет поверхностное натяжение 75,64 мН/м, а при +20°С уже только 72,75 мН/м. Если эта разница целиком приложена к тончайшему слою вещества (3-7 молекулярных слоев), не имеющему прочной связи с прилегающими материалами, то скорость, которую он приобретает, оказывается довольно значительной. Пленка воды, на границе с воздухом, при поверхностном градиенте температуры 1°С/см стягивается в холодную сторону со скоростью порядка 1-2 см/с. При типичном тепловом напоре 2-2,5°С/мм можно ожидать у стенки нагревательного элемента скорости пленочного течения воды не менее 0,2-0,25 м/с. Замкнутых пузырей там нет и пена отсутствует.
Источник информации: В.Г.Левич. Физико-химическая гидродинамика. - М.: Издат. физ-мат. литературы, 1959. - 700 стр., ил. (стр.382-388).
В данном случае зеркало испарения на границе с паровым пространством покрыто частой (шаг 2-3 мм) матрицей воронок вокруг плохо смачиваемых нагретых стержней. Сила поверхностного натяжения непрерывно вытягивает из них пленку горячего раствора, увлекая с собой часть жидкости. Молекулы растворителя улетучиваются. Концентрированный раствор опускается вниз, поскольку его удельный вес стремительно возрастает. Скорость переноса массы заметно превышает обычные значения.
Совокупный технический эффект от применения способа:
Во-первых, предельно сокращаются габаритные размеры технологического оборудования. Использование молекулярных эффектов позволяет отказаться от теплообменников, паропроводов, вакуумных насосов и мешалок. Это рационализирует привычный производственный процесс.
Во-вторых, без ущерба для производительности расширяется доступный для перегонки жидкостей диапазон температур и давлений.
В-третьих, за счет рациональной компоновки элементов рабочей зоны значительно облегчается рекуперация энергии конденсации пара, соответственно, сокращаются необходимые затраты энергии.
В-четвертых, полностью исключается образование пены и накипи.
Пример осуществления изобретения.
Адиабатический водяной дистиллятор непрерывного действия.
Наиболее полно проявить свойства и преимущества предлагаемого способа позволяет его применение в хорошо известной области техники, например, для адиабатической перегонки морской воды.
Если направить естественный поток пара, поднимающийся с ее поверхности, в капиллярный конденсатор, проходящий через ту же самую поверхность, то можно замкнуть тепловой поток «дистиллят-рассол» по кратчайшему пути, не дальше нескольких миллиметров от границы раздела фаз и сред. Теплота сольватации будет компенсироваться за счет охлаждения потока выходящей жидкости, а все энергетические затраты сведутся к ее перекачке. Компоновка такой системы схематично показана на фиг.6.
Описание конструкции и работы опреснителя.
Центральным узлом капиллярного опреснителя является плоский поддон 1. Его заполняют проточной морской водой. Сверху поддон накрывают прозрачным кожухом 2 для защиты отверстий капилляров от пыли и мусора. Зеркало испарения морской воды 3 через паровое пространство под кожухом соединяют с поверхностью конденсации в виде щетки капилляров. Каждый капилляр 4 устанавливают так, чтобы, проходя через слой морской воды, он верхним открытым торцом выходил в паровое пространство (слегка возвышаясь над зеркалом испарения), а нижним открытым торцом соединялся с дистиллированной водой. Боковые стенки капилляра используют в качестве поверхности теплообмена с рассолом.
Через входную трубу 5 в поддон подают морскую воду естественной температуры. С ровного зеркала испарения поток пара 6 направляют в канал капилляра. Там он конденсируется на цилиндрическом мениске 7 и полусферическом мениске 8. Избыток морской воды удаляют через переливной патрубок 9. Тепло конденсации пара через стенки капилляра передают омывающей их снаружи воде. Сила поверхностного натяжения непрерывно вытягивает горячую пленку жидкости из пограничной зоны контакта со стенкой капилляра прямо на холодную поверхность зеркала испарения.
Глубину потока морской воды в поддоне задают близкой к длине участка конденсации пара внутри капилляра (от его верхнего среза до мениска). Высота столба дистиллята Н, при нулевой скорости конденсации, сама устанавливается по формуле Жюрена. В нормальном режиме работы опреснителя она больше статического уровня на величину ΔН. Это прибавка не постоянна, зависит от температуры и скорости конденсации пара. Величина ΔН создает дополнительный гидростатический напор, частично компенсирующий гидравлическое сопротивление потоку текущего дистиллята.
Производительность капиллярного опреснителя задают перемещением регулировочной тарелки 10, куда стекает дистиллят. Уровень его свободной поверхности в тарелке жестко фиксируют с помощью переливного патрубка 12. Передвигая тарелку вверх-вниз, относительно расширительного патрубка 13, управляют текущим положением полусферического мениска в канале капилляра.
ВНУТ
Для данной конструкции опреснительной установки и выбранного диаметра капилляров (медицинская игла стандарта 24G1, R=0,17 мм) являются существенными определенные ограничения условий эксплуатации. Оптимальная температура перегоняемой воды должна находиться в диапазоне +5-15°С, а конечное весовое содержание растворенных в ней веществ не превышать 10%. Таким образом, морская вода с естественным солесодержанием 17-35 г/л может упариваться примерно в 3-4 раза.
Опреснитель функционирует в непрерывном режиме. Проходящий через него поток морской воды естественной температуры и солености автоматически разделяется на две части - более концентрированный рассол и вполне пресный дистиллят. Эксплуатационные расходы сводятся к поддержанию работы подающих воду насосов и трубопроводов.
Для снижения сопротивления течению дистиллята длину капилляра, постоянно заполненную водой, ограничивают необходимым минимумом, достаточным для работы системы. Она должна быть не меньше температурного дрейфа мениска (5 мм) и не многим больше регулировочного диапазона перемещения полусферического мениска. Ориентировочно, 10-20 мм.
Теоретическое обоснование принципа действия опреснителя.
Давление водяного пара над ровной поверхностью дистиллированной воды и раствора соли отличается на величину Δр (Па), депрессию давления. Аналогичная депрессия давления наблюдается над искривленной поверхностью воды в капилляре. При температуре +20±15°С они сравнимы. Первая обычно измеряется, вторая рассчитывается по формуле Лапласа:
;
Здесь Δр - депрессия давления над искривленной поверхностью (Па);
δ - поверхностное натяжение жидкости (Н/м);
1
2
R и R - главные радиусы кривизны поверхности (м).
ВНУТ
Давления пара над менисками дистиллята, в типичном капилляре (стальная медицинская игла стандарта 24G1, R=0,17 мм) над ровным зеркалом дистиллята и упаренной морской воды приведены в таблице 2.
T (°С)
δ дистил. (мН/м)
Над менисками в капилляре (Па)
Вода и насыщ. рассол NaCl (Па)
цилиндр
сфера
депрессия
дистиллят
рассол
депрессия
5
74,92
423,8
0,3
864,2
864,5
651,7
212,8
6
74,78
491,1
51,23
879,8
931,0
704,9
226,1
7
74,64
558,4
119,4
878,1
997,5
758,1
239,4
8
74,50
625,8
187,5
876,5
1064,0
811,3
252,7
9
74,36
706,4
269,0
874,8
1143,8
864,5
279,3
10
74,22
787,0
350,4
873,2
1223,6
917,7
305,9
11
74,07
867,7
432,0
871,4
1303,4
984,2
319,2
12
73,93
961,6
526,7
869,8
1396,5
1050,7
345,8
13
73,78
1055,6
621,6
868,0
1489,6
1130,5
359,1
14
73,64
1162,8
729,6
866,3
1596,0
1210,3
385,7
15
73,49
1270,1
837,8
864,6
1702,4
1290,1
412,3
16
73,34
1377,4
946,0
862,8
1808,8
1369,9
438,9
Продолжение таблицы 2
17
73,19
1498,0
1067,4
861,1
1928,5
1463,0
465,5
18
73,05
1631,8
1202,1
859,4
2061,5
1556,1
505,4
19
72,90
1765,7
1336,8
857,6
2194,5
1649,2
545,3
20
72,75
1899,5
1471,6
855,9
2327,5
1755,6
571,9
21
72,59
2060,1
1633,1
854,0
2487,1
1875,3
611,8
22
72,44
2207,3
1781,2
852,2
2633,4
1995,0
638,4
23
72,28
2381,1
1955,9
850,3
2806,3
2114,7
691,6
24
72,13
2554,9
2130,6
848,6
2979,2
2247,7
731,5
25
71,97
2742,0
2318,7
846,7
3165,4
2380,7
784,7
26
71,82
2929,1
2506,7
844,9
3351,6
2527,0
824,6
27
71,66
3129,6
2708,0
843,1
3551,1
2686,6
864,5
28
71,50
3343,3
2922,7
841,2
3763,9
2846,2
917,7
29
71,35
3570,3
3150,6
839,4
3990,0
3019,1
970,9
30
71,18
3810,7
3392,0
837,4
4229,4
3192,0
1037,4
31
71,03
4064,3
3646,4
835,6
4482,1
3364,9
1117,2
32
70,88
4331,2
3914,2
833,9
4748,1
3564,4
1183,7
33
70,73
4598,0
4182,0
832,1
5014,1
3777,2
1236,9
34
70,56
4891,6
4476,6
830,1
5306,7
3990,0
1316,7
35
70,38
5210,0
4796,0
828,0
5624,0
4218,0
1406,0
Источники информации:
Расчет давления насыщенного пара в капилляре - по формуле Лапласа; И.Т.Гороновский и др. Краткий справочник по химии; Киев: Наукова думка. 1974. - 985 с., ил. (стр.772, Поверхностное натяжение воды); Ю.Ю.Лурье. Справочник по аналитической химии; Химия, - М., 1971, 496 с., ил. (стр.141, Давление водяного пара над дистиллятом); Справочник химика, второе издание, III том, под ред. П.Б.Никольского. - М.: Химия, 1964. - 1008 с., ил. (стр.345, Пары воды над растворами соли).
Из таблицы видно, что если брать в качестве сырья насыщенный раствор соли, то поднимать температуру внутри капилляра выше +15°С бессмысленно - нарушаются условия внутреннего смачивания канала. При этом максимальный перепад температур (ΔТ) между холодным рассолом и горячим дистиллятом не может превышать 6°С даже теоретически.
Реально, следует рассчитывать на тепловой перепад около 3°С, соответствующий минимально возможной производительности системы. Однако есть выход - изобилие доступной морской воды с весовой концентрацией соли не более 35 г/кг позволяет получить гораздо более высокую производительность за счет непрерывного сброса в окружающую среду (море) слабого рассола. Заодно исчезает опасность появления накипи.
Давления паров воды (кПа) над дистиллятом (контрольная строка) и растворами поваренной соли различной концентрации сведены в таблицу 3.
Т (°С)
Весовая концентрация водного раствора поваренной соли
(дистиллят)
50 г/кг
100 г/кг
150 г/кг
200 г/кг
250 г/кг
0
0,6105
0,5852
0,5719
0,5453
0,5054
0,4655
10
1,2278
1,1837
1,1438
1,0906
1,0241
0,9443
20
2,338
2,261
2,1812
2,0881
1,9684
1,8088
30
4,242
4,1097
3,9634
3,7905
3,5644
3,2851
40
7,375
7,1288
6,8761
6,5835
6,1978
5,719
Продолжение таблицы 3
50
12,33
11,930
11,491
11,012
10,387
9,6026
60
19,92
19,258
18,580
17,782
16,758
15,534
70
31,16
30,111
29,034
27,784
26,267
24,352
80
47,34
45,752
44,156
42,294
39,966
37,094
90
70,10
67,697
65,303
62,510
59,198
55,062
100
101,32
97,888
94,430
90,440
85,519
79,667
110
143,3
138,32
133,40
127,81
121,16
112,92
Источник информации: Справочник химика, второе издание, III том, под ред. П.Б.Никольского. - М.: Химия, 1964. - 1008 с., ил. (стр.345).
Видно, что давление пара над водой с солесодержанием 50-100 г/кг при низких температурах почти равно давлению над чистым дистиллятом. Разница не превышает нескольких процентов. Условия полного смачивания внутреннего канала капилляра и работоспособность сохраняются до рубежа в +40-50°С. Так же видно, что депрессия давления в капилляре с ростом температуры падает и перегонку выгодно вести в тепловом диапазоне ниже +15°С. Теоретический максимум (ΔT) в этом случае примерно равен 10°С.
ВНУТ
Найденные величины позволяют найти размах рабочего хода мениска конденсации в канале вертикальной капиллярной трубки медицинского стандарта 24G1 (R=0,17 мм) по разнице капиллярного поднятия при минимальной и максимальной температуре согласно формуле Жюрена:
;
Здесь: Н - высота капиллярного поднятия жидкости (м);
R - радиус капиллярного канала (мм);
δ - поверхностное натяжение жидкости (мН/м);
2
g - ускорение свободного падения (9,87 м/с);
3
ρ - плотность жидкости (кг/м).
При обычных температурах капиллярное поднятие конденсата может колебаться в диапазоне от 0,09 м (при 5°С) до 0,085 м (при 35°С). Тепловой дрейф мениска составляет 5 миллиметров. Сумма длины зоны конденсации пара и запас на дрейф мениска определяет минимальную длину капилляра.
Нормальное движение горячей пленки рассола, от внешних станок капилляров к зеркалу испарения, требует заведомо плохого смачивания греющей поверхности морской водой. Этому способствуют повышенная температура стенок капилляров, пониженное давление насыщенного пара над рассолом и заметная кривизна внешних стенок капилляров.
В случае опреснения обычной морской воды (без органических примесей) все перечисленное гарантировано. С другой стороны, в условиях малого перепада температур на границе «нагреватель-раствор» полезна большая площадь теплообмена. Трубки конденсатора желательно делать толще. Поиск оптимума для каждого конкретного случая требует практических экспериментов.
Оценочный расчет опреснителя.
1. Задают состав и предельную концентрацию рассола. Например, выпаренный до концентрации 50 г/л раствор поваренной соли.
2. Задают (узнают из справочника) предельные отклонения температуры источника морской воды и его соленость. Например, Тихий океан, умеренные широты, от +5°С до +15°С, соленость воды 35 г/л.
2
3. Принимают за ориентир производительность зеркала испарения опреснителя без подогрева. Секундный поток молекул воды с единицы поверхности в вакуум при температуре +15°С составляет 0,16-0,2 кг/м.
4. Определяют предельную рабочую температуру зеркала испарения при заданных условиях. В данном случае (согласно п.2) это +15°С.
MIN
5. Определяют минимальный перепад температуры между ровным зеркалом рассола и цилиндрическим мениском конденсата на влажных стенках капилляра. Согласно таблице 2: ΔT=19-15=4°С.
6. Определяют минимальный перепад давления между ровным зеркалом рассола и полусферическим мениском конденсата в глубине капилляра. Согласно таблице 2:
MIN
ΔР=1,702-1,337=0,365 кПа.
MAX
7. Определяют максимальный перепад температуры между ровным зеркалом рассола и цилиндрическим мениском конденсата на влажных стенках капилляра. Согласно таблице 2: ΔТ=11-5=6°С.
8. Определяют максимальный перепад давления между ровным зеркалом рассола и полусферическим мениском конденсата в глубине капилляра. Согласно таблице 2:
MAX
ΔР=0,864-0,432=0,432 кПа.
9. Задают ориентировочную длину участка конденсации пара внутри капилляра (активную длину теплообмена), например 20 мм.
10. Задают распределение теплового напора по толщине стенки капилляра и пограничным слоям жидкости. В отсутствии справочных данных по тепловому течению поверхностной пленки соленой воды принимают, что на металл приходится половина общего теплового сопротивления. Тогда перепады температуры между внутренним каналом и внешней поверхностью капилляра составят:
MIN
мax
ΔТ=2°С; ΔТ=3°С.
11. Определяют теплопроводность материала капилляра λ. В данном случае, для медицинской нержавеющей стали марки 30Х13, λ=45 (Вт/(м·°К)). Источник информации: Физические величины; Справочник; под ред. И.С.Григорьева. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с., ил. (стр.349).
12. Определяют тепловую мощность Р (Вт), передаваемую рассолу через стенку единичного капилляра, по стандартной формуле:
Источник информации: Г.Н.Дульнев. Тепло и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высшая школа, 1984. - 247 с., ил. (стр.30-32).
Здесь:
λ - коэффициент теплопроводности материала стенки (Вт/(м·°К));
ЦИЛ
L - активная длина капилляра (м);
ВНЕШ
r - внешний радиус капилляра (мм);
ВНУТ
r - внутренний радиус капилляра (мм);
ΔТ - перепад температур между стенками капилляра (°К);
ВНУТ
В данном случае, для капилляра калибра 24G1 (R=0,17 мм):
Ц
ВНЕШ
ВНУТ
MIN
L=0,02 м; r=0,55/2=0,275 мм; r=0,17 мм; ΔТ=2°К;
MAX
ΔТ=3°К; λ=45 (Вт/(м·°К));
MIN
MAX
Результат: P=23,5 Вт; Р=35,3 Вт.
13. Определяют массовую производительность единичного капилляра с точки зрения теплообмена. Энергия испарения воды при +5°С составляет 2,5 кДж/г, а при +15°С соответственно - 2,47 кДж/г. Результат:
MIN
m=23,5 Вт/2,47 кДж/г=9,5 мг/с;
MAX
m=35,3 Вт/2,5 кДж/г=14,1 мг/с.
14. Определяют гидростатическое давление Δр (Па), создаваемое в капиллярном канале водяным столбом высотой ΔН, по стандартной формуле:
Δp=ρgh
3
Здесь: ρ - плотность жидкости (кг/м);
2
g - ускорение свободного падения (м/с);
h - высота столба жидкости (м);
3
2
MIN
В данном случае: ρ=1000 кг/м; g=9,81 м/с; h=0,01 м;
Результат: Δр=98,1 Па.
C
ВНУТ
3
15. Проверяют секундный поток дистиллята V (м/с) через канал иглы от шприца калибра 24G1 (R=0,17 мм) по формуле:
;
Источник информации: Л.М.Батунер, М.Е.Позин. Математические методы в химической технике. - Л.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1963. - 640 с., ил. (стр.161).
Здесь:
R - радиус капиллярного канала (м);
L - длина заполненного жидкостью капиллярного канала (м);
η - вязкость жидкости (Па·с);
Δр - гидростатическое давление жидкости внутри капилляра (Па).
-4
-3
MAX
В данном случае: R=1,7·10 м; L=0,01 м; Δр=98,1 Па; предельная вязкость дистиллированной воды при +5°С η=1,518·10 Па·с.
C
C
-9
3
Результат: V=2,12·10 м/с или m=2,12 мг/с.
16. Учитывают, что статическое давление, создаваемое столбом дистиллята в канале капилляра, недостаточно для его возможной производительности (в 4-7 раз меньше необходимого) и должно быть усиленно давлением столба дистиллята в расширительном патрубке. Отсюда находят необходимый ход вертикального перемещения регулировочной тарелки - 0,04-0,07 м. С запасом принимают этот ход равным 0,1 м.
17. Определяют длину расширительного патрубка как сумму максимального капиллярного поднятия дистиллята (0,09 м) и расчетного вертикального хода регулировочной тарелки (0,1 м). Результат: не менее 0,19 м.
2
18. Определяют технологические ограничения плотности монтажа капилляров в условиях автоматизированного производства. Процесс изготовления конденсатора аналогичен сверлению и сборке печатных плат. Стандартный шаг монтажа 2,5 мм. Вывод: на 1 м зеркала рассола в среднем будет приходиться не более 160000 капилляров.
19. Задают конструктивные ограничения размеров одиночного блока капиллярного конденсатора. Очевидно, что для нормальной работы переливного ограничителя уровня рассола это должен быть радиально симметричный диск с центральным отверстием. Принимают, что для удобного регламентного обслуживания (визуального контроля, ручной замены, чистки капилляров и пр.) его поперечник не превышает 200 мм.
20. Задают число капилляров в единичном блоке. Например, N=3300 шт.
MIN
MIN
-3
21. Определяют теоретически возможную минимальную и максимальную производительность указанного блока капиллярного конденсатора: M=m×N=9,5·10 г/с×3300=31,35 г/с=112,9 л/ч;
MAX
MAX
-3
М=m×N=14,1-10 г/с×3300=46,5 г/с=167,5 л/ч.
K
2
22. Для контроля определяют паровую производительность ровного водяного зеркала, равного по площади капиллярному блоку (диск с радиусом R=0,1 м при +20°С), только за счет внутренней теплоемкости воды: М=200 г/с×π×0,1=6,28 г/с=22,62 л/ч.
Вывод: производительность блока находится в пределах 20-160 л/час.
2
2
23. Определяют потребительские свойства перегонной установки в сравнении с прототипом, солнечными опреснителями (3,5-4,6 л/м в сутки) и сходным по общей идее «методом Хаслера» (20 л/м в сутки): Производительность, оценочно - 20-160 л/час или 0,48-3,84 т/сутки. Эксплуатационные расходы - круглосуточная работа электрического насоса мощностью 50-100 Вт для откачки дистиллята (около 1,0 $ в день).
При наличии особо тонких капилляров с диаметром внутреннего канала менее 0,1 мм становится технически целесообразным дополнительный нагрев свободной поверхности перегоняемой жидкости светом, излучением или контактным способом, например полупогруженной в нее спиралью, по которой проходит электрический ток. Образование пены и накипи у стенки такого нагревателя, по описанным выше причинам, физически невозможно.
2
Выводы: Прототип избыточно сложен. Метод Хасслера проще, но требует работы компрессоров, для создания перепада давлений между соленой и пресной водой около 50 кг/см. Солнечные опреснители - громоздки.
Выгоды предлагаемого способа перегонки очевидны. Удельную производительность конструкции можно повышать, уменьшая диаметр капилляров, откачивая неконденсирующиеся газы и применяя другие общеизвестные технические приемы.