СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ЛЬДА ИЗ ЛЕДСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СЖИЖЕННОГО ВЕЩЕСТВА
METHOD FOR REMOVAL OF ICE FROM ICE-CONTAINING MATERIAL WITH APPLICATION OF LIQUEFIED SUBSTANCE

Данное изобретение относится к способу удаления льда из ледсодержащего материала при использовании сжиженного вещества и, более конкретно, относится к способу удаления льда и устройству для удаления льда, посредством которых лед может быть эффективно удален при температуре, близкой к температуре наружного воздуха, и при низкой потребности в энергии. Данные способ и устройство применимы к ледсодержащим материалам в разных областях, независимо от содержания льда и вида объекта применения.
В качестве возможных способов удаления льда, содержащегося в материале, могут быть применимы способ нагревания и обтирания, способ сублимационной сушки, а также способ физического разрушения льда, если лед находится на поверхности вещества.
Однако при использовании вышеуказанных способов требуется рабочая сила, а также возможно повреждение материала. Нагревание неприменимо к некоторым материалам и в случае обработки таких материалов используется сублимационная сушка. При обработке сублимационной сушкой лед сублимируется при пониженном давлении и такая обработка требует много энергии и затрат. Поэтому сублимационная сушка ограничивается использованием для производства продуктов высокой ценности, таких как фармацевтические продукты, продукты питания и пористые тела с высокой пористостью. Таким образом, удаление льда является чрезвычайно трудной задачей.
Данное изобретение сделано с учетом таких обычных проблем и его задачей является создание способа удаления льда и устройства для удаления льда, которые применимы для разных ледсодержащих материалов и могут эффективно удалять лед при высокой степени извлечения за короткий промежуток времени, независимо от формы содержащегося льда и его содержания.
В результате обширных исследований, предпринятых для достижения вышеуказанной задачи, было обнаружено, что отделение с высокой эффективностью льда от замороженной измельченной древесины без ее повреждения возможно посредством использования преимуществ явлений сжижения и испарения сжиженного вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении. Кроме того, было подтвердено, что эта стратегия применима на практике к различным ледсодержащим материалам и составляет данное изобретение.
Данное изобретение предоставляет следующее.
[1] Способ удаления льда в ледсодержащем материале при использовании сжиженного вещества, включающий:
стадию (1) приведения сжиженного вещества, при этом указанное сжиженное вещество представляет собой вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, в соприкосновение с указанным ледсодержащим материалом таким образом, что указанный лед в указанном ледсодержащем материале растворяется в указанном сжиженном веществе для образования сжиженного вещества с высоким содержанием воды, и
стадию (2) испарения указанного вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, в сжиженном веществе с высоким содержанием воды для отделения указанного вещества в виде газа от воды.
[2] Способ удаления льда в соответствии с [1] также включает:
стадию (3) извлечения указанного вещества в виде газа, которое является газом при нормальных температуре и давлении и которое испарено и отделено на указанной стадии (2), и сжижения указанного газа для получения сжиженного вещества,
при этом указанное сжиженное вещество, полученное на стадии (3), используется повторно на указанной стадии (1).
[3] Способ удаления льда в соответствии с [1] или [2], в котором указанное вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, представляет собой вещество, которое является газом при 25°C и 1 атм.
[4] Способ удаления льда в соответствии с любым пунктом с [1] по [3], в котором указанное вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, представляет собой одно вещество или смесь нескольких веществ из диметилового эфира, этилметилового эфира, формальдегида, кетена и уксусного альдегида.
[5] Способ удаления льда в соответствии с любым пунктом с [1] по [4], в котором указанный ледсодержащий материал представляет собой уголь, продукт питания, пористый материал, организм, биомассу или лекарственное соединение.
[6] Способ удаления льда в соответствии с любым пунктом с [1] по [5], в котором указанное соприкосновение на указанной стадии (1) выполняется таким образом, что указанное сжиженное вещество и указанный ледсодержащий материал соприкасаются при противотоке.
[7] Способ удаления льда в соответствии с любым пунктом с [1] по [6], в котором количество указанного сжиженного вещества, приводимого в соприкосновение с указанным ледсодержащим материалом на указанной стадии (1) составляет от 0,1 л до 1000 л на 1 кг льда, в расчете на воду, содержащегося в указанном ледсодержащем материале.
[8] Способ удаления льда в соответствии с любым пунктом с [1] по [7], в котором последовательность операций для удаления указанного льда выполняется в температурном интервале от -50°C до 25°C.
[9] Вещество, образованное способом удаления льда в соответствии с любым пунктом с [1] по [8], из которого удален указанный лед.
[10] Устройство для удаления льда из ледсодержащего материала, содержащее соединенные последовательно:
компрессор для приложения давления к веществу в виде газа, которое является газом при нормальных температуре и давлении,
конденсатор для конденсации указанного сжатого газа для получения сжиженного вещества,
водоотделитель для приведения указанного сжиженного вещества в соприкосновение с указанным ледсодержащим материалом таким образом, что указанный лед в указанном ледсодержащем материале растворяется, чтобы образовать сжиженное вещество с высоким содержанием воды,
испаритель для испарения указанного вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, в указанном сжиженном веществе с высоким содержанием воды, и
сепаратор для отделения указанного газа от указанной воды в указанном испаренном веществе.
[11] Устройство для удаления льда в соответствии с [10], в котором указанный конденсатор и указанный испаритель соединены через теплообменник.
[12] Устройство для удаления льда в соответствии с [10] или [11], также содержащее детандер для расширения указанного газа, который представляет собой указанное испаренное вещество, являющееся газом при нормальных температуре и давлении, в котором указанный детандер расположен в последовательном соединении с указанным компрессором так, что работа, переданная указанным детандером наружу, возвращается, и указанная работа используется в качестве части энергии для указанного компрессора.
[13] Устройство для удаления льда в соответствии с любым пунктом с [10] по [12], в котором указанные компрессор, конденсатор, водоотделитель, испаритель и детандер образуют контур, так что указанное вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, циркулирует в указанном контуре.
[14] Устройство для удаления льда в соответствии с любым пунктом с [10] по [13], содержащее дегазирующую колонну для дегазации и извлечения указанного вещества в виде газа, которое является газом при нормальных температуре и давлении, отделенного в указанном сепараторе, в котором указанная колонна соединена с указанным сепаратором таким образом, чтобы указанный газ от указанной дегазации извлекался и возвращался в указанный контур.
[15] Устройство для удаления льда в соответствии с любым пунктом с [10] по [14], в котором указанный водоотделитель приводит указанный сжиженный материал в соприкосновение с указанным ледсодержащим материалом при противотоке.
Данное изобретение предоставляет способ удаления льда, который применим для разных ледсодержащих материалов и может эффективно удалять лед, независимо от вида ледсодержащего материала и содержания в нем льда, способствует повторному использованию и размещению ледсодержащего материала и тем самым полезен для экономии ресурсов, а также устройство для удаления льда, предназначенное для выполнения эффективным образом вышеуказанного способа.
В способе удаления льда по данному изобретению в качестве среды для удаления льда используется сжиженное вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, т.е. вещество, которое имеет высокую взаимную растворимость со льдом и становится газом при атмосферном давлении и при температуре, близкой к температуре наружного воздуха.
Поэтому отсутствует необходимость в жестких условиях при соприкосновении со льдом и отделении от льда, и лед может быть удален при температуре, близкой к температуре наружного воздуха. Когда лед и сжиженное вещество разделяются, то отсутствует необходимость в испарении льда. Поэтому полностью отсутствует необходимость в рекуперации скрытой теплоты испарения и соответственно лед может быть удален при меньшем расходе энергии.
Кроме того, для извлечения вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, обычно удобно, когда данное вещество находится в виде газа, отделенного от воды, которая образована изо льда. Извлеченный газ может быть использован повторно посредством его сжижения, и соответственно данный способ также чрезвычайно эффективен в отношении использования энергии. Сжиженное вещество может быть легко удалено посредством дегазации отделенных сточных вод, что снижает нагрузку на окружающую среду.
Кроме того, в соответствии с устройством для удаления льда по данному изобретению возможно эффективным образом способствовать удалению льда при использовании вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении.
Скрытая теплота испарения может быть извлечена и использована эффективным образом посредством соединения с теплообменником. Кроме того, дополнительное сохранение энергии может быть выполнено посредством утилизации работы, которая выполнена расширением в детандере.
Поэтому данное изобретение может быть широким образом использовано в обработках для удаления льда из вещества. Например, данное изобретение может быть использовано на практике для процесса, в котором вещество, склонное к повреждению под действием горячего воздуха, такое как продукты питания, сушится при температуре, поддерживаемой вблизи 0°C или ниже; для процесса извлечения вещества, удерживаемого в массе льда, без нагревания; для процесса извлечения вещества, удерживаемого в вечномерзлом грунте, при температуре, поддерживаемой вблизи 0°C или ниже; и для процесса, в котором соединения, составы и белки, например, фармацевтические продукты, которые чувствительны к нагреванию и не могут быть высушены при нагревании, замораживаются и затем дегидратируются при температуре, поддерживаемой вблизи 0°C или ниже. В частности, ожидается, что данное изобретение будет использовано в качестве альтернативной технологии для сублимационной сушки. Данное изобретение применимо к запасам биомассы, посредством чего облегчается ее повторное использование, и также облегчается ее размещение, поскольку удаление льда уменьшает количество материалов. Соответственно, ожидается, что такое применение будет предпочтительно в отношении охраны окружающей среды. Как раскрыто в JP 2004-307294-A, данное изобретение является предпочтительным в качестве процедуры для удаления льда как альтернатива сублимационной сушки в процессе производства пористого материала, такого как силикагель.
Сущность изобретения поясняется на чертежах,
где фиг.1 представляет собой схематическое изображение, показывающее пример структуры устройства для удаления льда по данному изобретению;
фиг.2 представляет собой схематическое изображение, показывающее условия температуры и давления в примере устройства для удаления льда по данному изобретению;
фиг.3 представляет собой схематическое изображение, показывающее пример структуры устройства для удаления льда по данному изобретению.
ПОЯСНЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1, 1' Компрессор
2 Конденсатор
3 Водоотделитель
4 Испаритель
4' Охладитель
4'' Редукционный клапан
5 Теплообменник
6 Сепаратор
7 Детандер
8 Дегазирующая колонна
8' Клапан поддержки давления
8a Контейнер для нагревания
9 Электродвигатель
10 Увлажнитель
21 Контейнер из нержавеющей стали
22 Герметичный контейнер
23 Водоотделитель
24 Ванна из этанола
Данное изобретение относится к удалению льда из ледсодержащего материала, и наиболее важной его особенностью является то, что растворимость льда значительно изменяется посредством использования преимущества явления фазового перехода газ-жидкость для вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении. А именно, к веществу, которое является газом при нормальных температуре и давлении, применяется обработка, например, приложение давления и охлаждение, так что данное вещество переходит в сжиженное состояние. В полученном сжиженном веществе растворяется лед в ледсодержащем материале. Затем температура и давление немного изменяются для осуществления избирательного испарения растворителя и отделения простым образом воды от растворителя в газообразном состоянии.
Ледсодержащий материал, относящийся к данному изобретению, не ограничивается особым образом, при условии, что он содержит лед.
«Лед» означает замерзшую воду или замерзший водный раствор, независимо от его состава и происхождения. Включаются также и кристаллы льда, такие как снег.
«Содержащий» означает, что вышеуказанный лед включен в поверхность и/или внутрь материала некоторого вида. Как размер, так и ингредиенты такого материала не ограничиваются особым образом, однако для ледсодержащего материала предпочтительно твердотельное состояние или состояние в виде полужидкой смеси.
В отношении вида нахождения льда в ледсодержащем материале отсутствуют ограничения. Лед может быть включен внутрь или присутствовать на внешней поверхности между твердыми частицами или в некоторых случаях в тонких порах внутри твердых частиц. Содержание льда в ледсодержащем материале не ограничивается особым образом.
Частные примеры такого ледсодержащего материала могут включать уголь разного вида, продукты питания, пористые тела, организмы, исходную биомассу разного вида (измельченную древесину и т.п.) и соединения, составы и белки для фармацевтических продуктов.
Среди этих материалов данное изобретение может быть применено даже к тем веществам, к которым не может быть применена простым образом термическая сушка, поскольку они становятся хрупкими при высокой температуре. Уголь после добычи может быть сразу, как есть, обработан непосредственным образом в соответствии с данным изобретением. В качестве варианта, уголь после дегидратации (например, способом улучшения в масле, см. JP 2000-290673-A) или дегидратации с использованием сухого инертного газа (см. JP Хэйсэй-10-338653-A) также может быть обработан в соответствии с данным изобретением. Виды угля могут включать слабобитуминозный уголь, бурый уголь, лигнит в брикетах и торф в брикетах.
Способ удаления льда и устройство для удаления льда по данному изобретению будут теперь описаны ниже.
A. Способ удаления льда по данному изобретению
Способ данного изобретения для удаления льда из ледсодержащего материала при использовании сжиженного вещества отличается тем, что включает стадию (1) приведения сжиженного вещества, при этом данное сжиженное вещество представляет собой вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, в соприкосновение с ледсодержащим материалом таким образом, что лед в ледсодержащем материале растворяется в данном сжиженном веществе для образования сжиженного вещества с высоким содержанием воды, и стадию (2) испарения вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, в сжиженном веществе с высоким содержанием воды для отделения данного вещества в виде газа от воды. Стадии (1) и (2) будут описаны здесь ниже.
Вначале, на стадии (1), сжиженное вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, приводится в соприкосновение с ледсодержащим материалом, и лед в ледсодержащем материале растворяется в сжиженном веществе с образованием сжиженного вещества с высоким содержанием воды.
Вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, означает вещество, которое находится в газообразном состоянии по меньшей мере при определенных температуре и давлении, находящихся в пределах нормальных температуры и давления. А именно, если вещество находится в газообразном состоянии при определенной температуре A и давлении В, находящихся в пределах нормальных температуры и давления, то вещество не должно находиться в газообразном состоянии при температурах и давлениях, иных, чем температура A и давление В, находящиеся в пределах нормальных температуры и давления.
Нормальная температура, на которую здесь дается ссылка, означает температуру, близкую к температуре наружного воздуха в холодном регионе, и обычно означает интервал от -50°C до 25°C, в частности от -25°C до 10°C. Нормальное давление означает давление, близкое к атмосферному давлению, и обычно означает интервал вблизи 1 атм.
Частный пример вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, предпочтительно включает вещество, которое является газом при 25°C и 1 атм, или вещество, которое является газом при 0°C и 1 атм. В частности, вещество, которое является газом при 25°C и 1 атм, а также при 0°C и 1 атм, наиболее предпочтительно.
Для вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, предпочтительно, чтобы его температура кипения находилась вблизи нормальной температуры или ниже, исходя из требования обеспечения удаления льда при низких затратах энергии. В частности, температура кипения предпочтительно составляет 25°C или ниже, более предпочтительно 10°C или ниже и особенно предпочтительно -5°C или ниже. Использование вещества с температурой кипения выше нормальной температуры нежелательно, поскольку такое вещество требует источника энергии для обеспечения высокой температуры и испарения вещества на стадии (2), описанной далее, что вызвало бы увеличение энергии, затрачиваемой для удаления льда. Вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, предпочтительно не содержит в своей молекулярной структуре серы, которая является веществом, создающим нагрузку на окружающую среду и вызывающим кислотные дожди.
Примеры вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, могут, конкретно, включать диметиловый эфир, этилметиловый эфир, формальдегид, кетен, уксусный альдегид, бутан и пропан. Каждый из них может быть использован по отдельности и также в виде смесей двух или более таких веществ. Среди них предпочтительными являются диметиловый эфир, используемый в чистом виде, и смеси диметилового эфира с любым другим веществом из указанных выше в качестве других конкретных примеров.
Диметиловый эфир имеет температуру кипения -24,8°C при 1 атм и является газом в интервале от -10°C до 50°C и при атмосферном давлении. Способы и устройства для получения диметилового эфира с высокой эффективностью описаны в JP Хэйсэй-11-130714-A, JP Хэйсэй-10-195009-A, JP Хэйсэй-10-195008-A, JP Хэйсэй-10-182527-A по JP Хэйсэй-10-182535-A, JP Хэйсэй-09-309850-A по JP Хэйсэй-09-309852-A, JP Хэйсэй-09-286754-A, JP Хэйсэй-09-173863-A, JP Хэйсэй-09-173848-A и JP Хэйсэй-09-173845-A, и диметиловый эфир может быть легко получен в соответствии с раскрытыми в них технологиями.
В то же время, сжиженное вещество в данном изобретении означает жидкость, полученную из газа сжижением, которое будет описано ниже. То есть, в данном изобретении вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, используется в жидком состоянии.
На данной стадии (1) сжиженное вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, приводится в соприкосновение с ледсодержащим материалом, и лед в ледсодержащем материале растворяется в сжиженном веществе с образованием сжиженного вещества с высоким содержанием воды. А именно, сжиженное вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, приводится в соприкосновение со льдом, содержащимся в ледсодержащем материале, т.е. льдом, находящимся на внешней поверхности или внутри ледсодержащего материала, посредством чего лед в ледсодержащем материале растворяется в виде жидкости в сжиженном веществе с образованием сжиженного вещества, содержащего лед в высокой концентрации.
Для приведения сжиженного вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, в соприкосновение с ледсодержащим материалом необходимо поддерживать данное вещество в жидком состоянии. Способ поддержания жидкого состояния не ограничивается особым образом, однако желательно поддерживать сжиженное вещество при давлении насыщенного пара. В частности, желательно, чтобы температура на стадии (1) устанавливалась соответственно в интервале от -50°C до 25°C, в частности от -25°C до 10°C.
Также соответствующим образом могут быть установлены иные, чем температура и давление, условия, такие как метод приведения в соприкосновение сжиженного вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, с ледсодержащим материалом, количество сжиженного вещества, приводимого в соприкосновение, и время соприкосновения, с тем, чтобы лед в ледсодержащем материале растворялся в сжиженном веществе.
Способ приведения в соприкосновение может представлять собой любой из способов, обычно используемых для удаления льда, такой как погружение ледсодержащего материала в сжиженное вещество или пропускание сжиженного вещества через ледсодержащий материал. Желательно использовать приведение в соприкосновение при противотоке. А именно, предпочтительно, чтобы соприкосновение вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, с ледсодержащим материалом выполнялось при использовании противотока. Также возможно выполнение приведения в соприкосновение при противотоке в комбинации с любыми другими процессами приведения в соприкосновение. Например, после приведения в соприкосновение при противотоке ледсодержащий материал может быть погружен в сжиженное вещество перед выполнением другого приведения в соприкосновение при противотоке.
Количество сжиженного вещества, приводимого в соприкосновение с ледсодержащим материалом, может быть определено соответствующим образом. В данном изобретении поставленная задача может быть достигнута, даже если количество сжиженного вещества, приводимого в соприкосновение, по отношению к количеству льда, содержащегося в ледсодержащем материале, представляет собой небольшое количество, например количество, равное теоретическому количеству сжиженного вещества или превышающее его, в частности, если данное количество равно теоретическому количеству или превышает его и равно двукратному теоретическому количеству или меньше его, и особенно, если данное количество равно теоретическому количеству или превышает его и равно величине, составляющей 1,5 от теоретического количества или меньше ее. Однако при практической обработке желательно устанавливать данное количество таким образом, чтобы сжиженного вещества было достаточно для приведения в соприкосновение со льдом в ледсодержащем материале. Обычно количество сжиженного вещества может быть установлено в интервале от 0,1 л/кг до 1000 л/кг, предпочтительно от 0,5 л/кг до 900 л/кг и более предпочтительно от 1,0 л/кг до 800 л/кг льда (количество воды, образуемой, когда лед расплавлен и становится водой), содержащегося в ледсодержащем материале.
Теоретическое количество сжиженного вещества означает минимальное теоретическое количество, требуемое для растворения льда в ледсодержащем материале для образования сжиженного вещества с высоким содержанием воды. А именно, теоретическое количество означает минимальное количество сжиженного вещества, требуемое для растворения льда, соответствующего 1 г воды при температуре, при которой сжиженное вещество приводится в соприкосновение с ледсодержащим материалом, и может быть представлено обратной величиной давления насыщенного пара сжиженного вещества при данной температуре. Например, когда диметиловый эфир используется в качестве вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, и лед изготовлен замораживанием 1 г воды, теоретическое количество сжиженного диметилового эфира, требующееся для растворения льда, соответствующего 1 г воды, составляет 19,6 г, поскольку давление насыщенного пара диметилового эфира (DME) при -10°C составляет 0,18 МПа и предельная растворимость воды в сжиженном DME при -10°C составляет 5,1% по массе.
Время соприкосновения (время удаления льда) зависит от вида и количества ледсодержащего материала и сжиженного вещества, а также от метода приведения в соприкосновение, и его трудно определить однозначно. Однако данное время может быть соответствующим образом установлено так, чтобы лед в ледсодержащем материале был в достаточное мере растворен в сжиженном веществе.
В качестве обычных условий в случае приведения в соприкосновение при противотоке, расход сжиженного вещества может составлять 10 л/час или более, предпочтительно 30 л/час или более и более предпочтительно 50 л/час или более, и его верхний предел может обычно составлять 400 л/час или менее и предпочтительно 100 л/час или менее. Время соприкосновения может составлять 5 минут или более, предпочтительно 8 минут или более и более предпочтительно от 10 минут до 5 часов.
В качестве обычных условий в случае приведения в соприкосновение погружением 10 л сжиженного вещества может быть приведено в соприкосновение с 85 г ледсодержащего материала в течение промежутка времени от 1 до 3 часов.
Таким образом, на стадии (1), сжиженное вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, приводится в соприкосновение с ледсодержащим материалом, и лед в ледсодержащем материале растворяется в сжиженном веществе с образованием сжиженного вещества с высоким содержанием воды, при этом лед в ледсодержащем материале удаляется.
Затем, на стадии (2), вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, содержащееся в сжиженном веществе с высоким содержанием воды, образованным на вышеописанной стадии (1), отделяется в виде газа от воды, образованной из льда, посредством испарения данного вещества. А именно, сжиженное вещество с высоким содержанием воды, образованное на вышеописанной стадии (1), представляет собой смесь вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, и воды, образованной из ледсодержащего материала, и сжиженное вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, может быть отделено от воды, образованной из ледсодержащего материала, посредством селективного испарения одного лишь данного сжиженного вещества.
Испарение означает изменение фазового состояния из жидкого (сжиженное вещество) в газообразное. Вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, в сжиженном веществе с высоким содержанием воды может быть испарено повышением температуры и/или давления до уровней, которые выше температуры и/или давления на стадии (1).
Когда температура повышается, то предпочтительно увеличивать ее до температуры выше температуры кипения вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении. Поскольку в данном изобретении используется вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, то оно может быть обычно испарено при температуре вблизи нормальной температуры, т.е. близкой к температуре наружного воздуха. Таким образом, возможно выполнение испарения посредством лишь возврата от охлажденного состояния на стадии (1) к состоянию с нормальной температурой, а не нагреванием. Температура при испарении зависит от используемого сжиженного вещества и применяемого давления, однако предпочтительной является нормальная температура, от -50°C до 25°C и, в частности, от -25°C до 10°C. Когда давление на стадии (2) уменьшается, то оно становится ниже давления насыщенного пара и может быть соответствующим образом определено в зависимости от используемой температуры.
Таким образом, на стадии (2) вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, может быть простым образом испарено и преобразовано из жидкости (сжиженного вещества) в газ без подвергания воздействию жестких условий. В то же время этот газ может быть легко отделен ото льда или воды, образованной из ледсодержащего материала.
Как описано выше, в способе удаления льда по данному изобретению лед может быть удален из ледсодержащего материала на вышеуказанных стадиях (1) и (2). Кроме того, способ может включать стадию (3) извлечения указанного вещества в виде газа, которое является газом при нормальных температуре и давлении и которое испарено и отделено на указанной стадии (2), и последующего сжижения данного вещества в виде газа для получения сжиженного вещества.
Сжижение означает, что вещество в виде газа, которое является газом при нормальных температуре и давлении, преобразуется в жидкость. Вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, сжижается приложением давления и/или охлаждением, т.е. применением давления или охлаждения или же применением как давления, так и охлаждения. Конкретные условия могут быть соответствующим образом выбраны из благоприятных условий, принимая во внимание стандартную температуру кипения используемого вещества. В частности, когда используется охлаждение, то температура охлаждения предпочтительно составляет вплоть до стандартной температуры кипения, и предпочтительно, с точки зрения простоты удаления льда, устанавливать температуру в интервале нормальной температуры, т.е. температуры наружного воздуха, например, от -50°C до 25°C, в частности от -25°C до 10°C.
Когда используется вещество с температурой кипения выше 0°C при 1 атм, то предпочтительно сжижение охлаждением при температуре, равной температуре кипения или выше. Это обусловлено тем, что при температуре, равной стандартной температуре кипения или ниже ее, давление насыщенного пара данного вещества меньше 1 атм, и это приводит к тому, что внутреннее давление устройства меньше 1 атм, и соответственно стоимость изготовления устройства увеличивается и затрудняется обращение с ним.
Сделать общее заключение в отношении условий применения давления трудно, однако предпочтительно условия устанавливаются таким образом, чтобы температура кипения при приложенном давлении оставалась в интервале нормальной температуры, т.е. температуре наружного воздуха, например, от -50°C до 25°C в частности, от -25°C до 10°C. Когда такие условия используются в комбинации с охлаждением, то данные условия могут быть определены в зависимости от температуры охлаждения.
Сжиженное вещество, извлеченное на стадии (3) таким образом, может быть использовано повторно на вышеуказанной стадии (1) для уменьшения количества DME, подлежащего добавлению в способе удаления льда по данному изобретению, и соответственно количества отходов. Это предпочтительно с точки зрения экономии ресурсов.
В случае таких веществ, как продукты питания и соединения, которым могут быть легко нанесен ущерб сушкой с нагреванием и из которых лед должен быть удален в замороженном состоянии, предпочтительно, чтобы температура на стадиях (1) и (2) и опциональной стадии (3) составляла 0°C или ниже и, в частности, составляла от -25°C до 0°C. Посредством обработки при температуре в таком интервале возможно осаждение результирующих сточных вод, образованных изо льда, в виде льда.
В способе удаления льда по данному изобретению жидкость используется в качестве среды для удаления льда. Соответственно, разность между предельной растворимостью льда в сжиженном веществе и концентрацией льда в сжиженном веществе может являться движущей силой для удаления льда. Теоретическое максимальное количество льда, которое может быть растворено в сжиженном веществе, пропорционально предельной растворимости льда и массе сжиженного вещества. По сравнению с теоретическим максимальным количеством льда, которое может быть испарено в сухом инертном газе, обычно используемом для удаления льда в угле, предельная растворимость льда составляет примерно 5,1% при примерно -10°C, что много выше парциального давления насыщенного пара (примерно 0,26%) для паров воды в воздухе при той же самой температуре. Такое чрезвычайно высокое соотношение невозможно в газах, и именно оно представляет собой отличительное свойство для использования жидкости в качестве среды для удаления льда. Плотность льда много больше плотности водяного пара. Соответственно, становится возможным удаление льда с помощью небольшого количества сжиженного вещества.
Когда лед удаляется сублимационной сушкой, то лед сублимируется при снижении давления ниже давления насыщенного пара льда. Поскольку давление насыщенного пара льда чрезвычайно низкое, то плотность скрытой теплоты испарения паров воды становится малой и трудно извлечь для повторного использования скрытую теплоту испарения.
В противоположность этому, когда жидкость используется в качестве среды для удаления льда как в способе удаления льда по данному изобретению, лед может быть удален без испарения льда, что делает излишним извлечение для повторного использования скрытой теплоты испарения. Поскольку в качестве жидкости используется сжиженное вещество, которое является газом при нормальных температуре и давлении, т.е. при условиях наружного воздуха, то последовательность операций по удалению льда может быть выполнена при условиях наружного воздуха, т.е. при температуре примерно от -50 до 25°C, простым регулированием, при необходимости, давления вблизи 1 атм. Соответственно, лед может быть удален при экономии энергии.
Вещество, из которого лед удаляется способом удаления льда по данному изобретению, может быть повторно использован в качестве исходного материала. Соответственно предполагается, что данный способ будет использован в качестве технологии, альтернативной сублимационной сушке. Например, данный способ может быть использован на практике для выполнения процесса сушки вещества, которое склонно к повреждению при сушке горячим воздухом, такого как продукты питания, при поддержании его температуры при 0°C или ниже; процесса извлечения вещества, заделанного в массу льда без его нагревания; процесса извлечения вещества, погруженного в вечномерзлый грунт при поддержании его температуры при 0°C или ниже; и процесса удаления влаги из замороженных соединений, композиций и белков, таких как те, что используются для фармацевтических продуктов, которые чувствительны к нагреванию и непригодны для термической сушки, при их поддержании при температуре 0°C или ниже.
Посредством применения данного способа к запасам биомассы облегчается их повторное использование, и количество материала уменьшается посредством удаления из него льда, что облегчает его размещение. Соответственно предполагается, что данный способ будет предпочтителен в отношении охраны окружающей среды. В частности, предполагается, что данный способ будет использован в качестве технологии, альтернативной сублимационной сушке.
В. Устройство для удаления льда по данному изобретению
Данное изобретение предоставляет устройство для удаления льда при использовании сжиженного вещества.
Устройство для удаления льда по данному изобретению отличается тем, что данное устройство содержит соединенные последовательным образом компрессор для приложения давления к веществу в виде газа, которое является газом при нормальных температуре и давлении; конденсатор для конденсации сжатого газа и получения сжиженного вещества; водоотделитель для приведения сжиженного вещества в соприкосновение с ледсодержащим материалом таким образом, чтобы лед в ледсодержащем материале был растворен с образованием сжиженного вещества с высоким содержанием воды; испаритель для испарения вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении в сжиженном веществе с высоким содержанием воды; и сепаратор для отделения газа от воды в испаренном веществе.
Такое устройство для удаления льда по данному изобретению подходит для реализации способа удаления льда по данному изобретению, описанному выше в (A). При использовании данного устройства возможно эффективное выполнение способа удаления льда по данному изобретению.
Основные принципы одного из вариантов осуществления структуры устройства для удаления льда по данному изобретению представлены на фиг.1. В этом варианте осуществления предполагается использование диметилового эфира в качестве вещества, которое является газом при нормальных температуре и давлении, однако устройство по данному изобретению не ограничено этим веществом. Как описано выше в (A), диметиловый эфир имеет температуру кипения примерно -25°C при 1 атм и является газом при атмосферном давлении и при температуре от -25 до 10°C. Соответственно, требуется проведение операции при приложении давления для получения диметилового эфира в жидком состоянии (сжиженный диметиловый эфира) при нормальной температуре.
Устройство для удаления льда, представленное на фиг.1, имеет компрессоры 1, 1' для приложения давления к пару диметилового эфира, конденсатор 2 для сжижения сжатого пара, водоотделитель 3 для приведения сжиженного диметилового эфира в соприкосновение с ледсодержащим материалом и растворения льда с образованием сжиженного вещества с высоким содержанием воды (сжиженного диметилового эфира, содержащего воду, образованную изо льда) для удаления тем самым льда, и испаритель 4 для селективного испарения диметилового эфира из сжиженного диметилового эфира, содержащего воду, образованную из льда, который получен удалением льда,
которые все соединены последовательно трубами в указанном порядке. Среди них конденсатор 2 и испаритель 4 соединены через теплообменник 5.
В устройстве, представленном на фиг.1, сепаратор (сепаратор газ/жидкость или сепаратор газ/твердотельный материал) 6 и детандер 7 соединены последовательно в указанном порядке трубами с испарителем 4. Сепаратор 6 предназначен для отделения пара диметилового эфира, который образуется посредством испарения в испарителе 4, от воды или льда. Детандер 7 предназначен для адиабатического расширения пара диметилового эфира, который отделяется в сепараторе 6. Детандер 7 также соединен с компрессором 1, и данное устройство образует, тем самым, замкнутый контур (циркуляционный контур).
Диметиловый эфир циркулирует в этом контуре с изменением своего состояния из газа в жидкость и, наоборот, для повторения отделения и соприкосновения со льдом.
Последовательно с водоотделителем 3 соединены также охладитель 4' и редукционный клапан 4''. Они предназначены для регулирования температуры и давления при испарении сжиженного диметилового эфира и могут рассматриваться как часть испарителя 4.
Кроме того, в устройстве, представленном на фиг.1, дегазирующая колонна 8 соединена с сепаратором 6. Дегазирующая колонна 8 предназначена для отделения в виде газа диметилового эфира, который растворен во льду или в воде, отделенных от диметилового эфира в сепараторе 6. А именно, диметиловый эфир извлекается посредством уменьшения давления внутри дегазирующей колонны 8 при использовании клапана поддержки давления 8' для испарения диметилового эфира. Когда внутреннее давление в сепараторе 6 повышается до уровня выше атмосферного давления, еще остается некоторое количество газообразного диметилового эфира, растворенного в воде (во льде), отделяемой сепаратором 6. Поэтому, если эта вода (лед) выпускается непосредственным образом, то возрастает нагрузка на окружающую среду и также увеличивается количество теряемого диметилового эфира. Для решения этой проблемы в дегазирующей колонне 8 диметиловый эфир, растворенный в воде (во льде), извлекается, чтобы минимизировать нагрузку на окружающую среду и количество теряемого диметилового эфира.
Дегазирующая колонна 8 соединена с вышеуказанным контуром, и диметиловый эфир, выделенный и извлеченный в данной колонне, возвращается в контур по трубам, не показанным на данной фигуре.
Посредством предоставления контейнера 8a для нагревания льда под дегазирующей колонной 8 также возможно способствовать отделению диметилового эфира ото льда и улучшению степени извлечения и повторного использования диметилового эфира.
В детандере 7 создаваемая внешняя работа возвращается, и эта работа вводится в компрессор 1 и утилизируется в качестве части энергии для приложения давления к диметиловому эфиру. Компрессор 1 состоит из двух ступеней, состоящих из первого компрессора 1 и второго компрессора 1'. Первый компрессор 1 соединен с детандером 7, и работа, совершенная в детандере 7, возвращается и утилизируется в качестве энергии в первом компрессоре 1. Обычно работа, создаваемая вне детандера 7, относится к работе, создаваемой объемным расширением газообразного диметилового эфира. Перегретый газообразный диметиловый эфир, выпускаемый из испарителя, может содержать капли, которые вовлекаются потоком перегретого газа. Таким образом, возможно получение работы, обусловленной испарением вовлеченных капель в детандере 7. Это может также составлять часть работы, передаваемой наружу.
Поскольку конденсатор 2 и испаритель 4 соединены через теплообменник 5, то скрытая теплота испарения сжиженного диметилового эфира отбирается и утилизируется эффективным образом.
В то же время второй компрессор 1' получает энергию от электродвигателя 9 и внешняя работа поступает лишь в этот второй компрессор 1'.
В устройстве на фиг.1 также размещен увлажнитель 10. Увлажнитель 10 предназначен для регулирования температуры газа, выпущенного из детандера 7, до оптимальной температуры на входе компрессора 1 и размещается опционально, в зависимости от условий использования сжиженного диметилового эфира.
В устройство на фиг.1 вводятся три материала - ледсодержащий материал, лед, содержащийся в данном материале, и сжиженный диметиловый эфир. Ниже будут описаны потоки в данном устройстве в отношении каждого вещества.
Вначале, как показано пунктирной линией на фиг.1, ледсодержащий материал загружается в водоотделитель 3, приводится в соприкосновение со сжиженным диметиловым эфиром для удаления льда и затем извлекается из контейнера для завершения его обработки.
Ниже в данном документе будет описан поток льда, содержащегося в ледсодержащем материале, в устройстве на фиг.1. Поток льда, содержащегося в ледсодержащем материале, показан на фиг.1 двойными линиями.
Лед подается из водоотделителя 3 в устройство как лед, содержащийся в ледсодержащем материале. Лед первоначально вымывается из ледсодержащего материала в сжиженный диметиловый эфир в водоотделителе 3 и достигает испарителя 4 в виде воды, растворенной в сжиженном диметиловом эфире. Основная часть сжиженного диметилового эфира испаряется в испарителе 4, и вода, растворенная в сжиженном диметиловом эфире, отделяется и достигает сепаратора 6. Затем пар диметилового эфира и вода разделяются в сепараторе 6.
После этого лед вводится в дегазирующую колонну 8. Когда лед вводится в дегазирующую колонну 8, то внутреннее давление в дегазирующей колонне 8 уменьшается клапаном поддержки давления 8' на входе, и диметиловый эфир может быть извлечен, что минимизирует нагрузку на окружающую среду, которая была бы увеличенной в случае непосредственного удаления льда, отделенного в сепараторе 6, а также минимизирует потери диметилового эфира. Посредством нагревания воды контейнером 8a для нагревания, расположенным под дегазирующей колонной 8, также возможно улучшение степени извлечения диметилового эфира.
Дегазированный лед выпускается в виде жидкости из нижней части, а пар диметилового эфира, отделенный от этой выпускаемой воды в сепараторе 6, возвращается и используется в контуре устройства для удаления льда.
Ниже будет описан поток диметилового эфира в устройстве на фиг.1. Поток диметилового эфира показан на фиг.1 сплошной линией.
Газообразный диметиловый эфир становится перегретым газом посредством приложения давления в компрессоре 1, 1' и затем становится переохлажденной жидкостью в конденсаторе 2. Переохлажденная жидкость, образованная сжиженным диметиловым эфиром, поступает в водоотделитель 3, приводится в соприкосновение с ледсодержащим материалом, чтобы вовлечь лед в качестве растворенной воды, и протекает к испарителю 4. Сжиженный диметиловый эфир отделяется от воды и снова становится перегретым паром в испарителе 4. При этом скрытая теплота испарения сжиженного диметилового эфира отбирается и используется эффективным образом, поскольку конденсатор 2 и испаритель 4 соединены через теплообменник 5. Перегретый газообразный диметиловый эфир, выпущенный из испарителя, выполняет работу в детандере 7, и данная работа отбирается в качестве части энергии в компрессоре. Газообразный диметиловый эфир, выпущенный из детандера 7, направляется снова в компрессор 1 и циркулирует в устройстве.
В случае удаления льда из веществ, которые должны поддерживаться в замороженном состоянии во время удаления льда, таких как продукты питания и соединения, которые склонны к повреждению при сушке горячим воздухом, предпочтительно, чтобы температура в устройстве по данному изобретению составляла 0°C или ниже и, в частности, от -25°C до 0°C. Посредством обработки при температуре в таком интервале возможно осаждение сточных вод, образованных изо льда, в виде льда.
Пример задания фазовых состояний, давления, температуру и температуры насыщения в случае использования диметилового эфира в примере устройства по данному изобретению представлен на фиг.2. Для упрощения схемы с указанием величин давления и температуры дегазирующая колонна 8 для отделения диметилового эфира от воды не включена, и предполагалось, что диметиловый эфир мог быть полностью отделен от воды в сепараторе 6. Также предполагалось, что ледсодержащий материал, обработанный в водоотделителе 3, не содержит диметилового эфира. Кроме того, предполагалось, что ледсодержащий материал не содержит примеси, такой как лед.
Первоначально, при использовании температуры на входе первого компрессора 1 в качестве исходной точки, устанавливались температура и давление. Температура на входе (1) первого компрессора 1 составляет -15°C. При перегреве на 10°C выше температуры насыщения давление составляет 0,10 МПа. Чем меньше степень перегрева, тем больше увеличивается давление в первом компрессоре 1. Соответственно, снижается энергия для первого компрессора 1. С другой стороны, это увеличивает риск конденсации газообразного диметилового эфира, который охлаждается наружным воздухом на стадии перед впуском в компрессор. Соотношение теплоемкости для диметилового эфира мало и составляет 1, 11. Соответственно, трудно повысить температуру при адиабатическом сжатии. Вследствие этого, степень перегрева на выпускных сторонах (2), (3) первого компрессора 1 и второго компрессора 11 меньше степени перегрева на впускной стороне компрессора. В данном устройстве при определении степени перегрева на впускной стороне компрессора необходимо также учитывать степень перегрева на выходе компрессора.
Давление на выходе (3) второго компрессора 1' определяется на основании температуры охлаждающей воды, используемой для охладителя 4' перед испарителем 4. При этом предполагается, что температура наружного воздуха составляет -15°C и что температура охлаждающей воды равна температуре наружного воздуха. Когда степень сближения температур в охладителе 4' составляет 5°C, то температура диметилового эфира на выходе (6) охладителя 4' (на входе испарителя) составляет -10°C. Кроме того, когда степень сближения температур в конденсаторе 2 и испарителе 4 составляет 5°C, то температура на выходе (4) конденсатора 2 составляет -5°C. Предполагается, что диметиловый эфир в водоотделителе 3 находится в виде жидкости при температуре насыщения и с учетом этого определяется рабочее давление в конденсаторе 2 (давление на выходе компрессора). В этом случае температура насыщения составляет -5°C. Соответственно, давление на выходе (4) конденсатора 2 и выходе (3) компрессора 1' (на входе конденсатора) составляет 0,22 МПа. Если также предполагается, что сжатие осуществляется адиабатическим образом, то температура на выходе (3) второго компрессора 1' становится равной 6°C, вследствие чего диметиловый эфир становится перегретым газом с более высокой температурой по сравнению с его температурой насыщения на выходе компрессора.
Поскольку температура насыщения в испарителе 4 составляет -10°C, то необходимо снизить давление до давления насыщенного пара при -10°C на входе (6) испарителя 4. Давление насыщенного пара здесь представляет собой давление насыщенного пара жидкости, которая является смесью воды и сжиженного диметилового эфира, в которой вода образуется из расплавленного льда. Давление насыщенного пара теперь приближается к давлению насыщенного пара диметилового эфира, обладающего высоким давлением пара, и предполагается, что оно составляет 0,18 МПа. Температура на выходе (7) испарителя 4 (на входе детандера) составляет 1°C, поскольку разность температур в конденсаторе 2 и в испарителе 4 составляет 5°C. Степень перегрева при этом составляет 11°C. Соответственно, потери тепла в интервале энергии, требующейся для нагревания диметилового эфира на 11°C, в области от выходного отверстия второго компрессора 1' до входного отверстия детандера 7 могут быть допустимыми.
Газообразный диметиловый эфир отделяется от воды в сепараторе 6 и затем адиабатически расширяется в детандере 7. Давление на выходе (8) детандера 7 равно давлению на входе первого компрессора 1. Газообразный диметиловый эфир охлаждается до -16°C посредством адиабатического расширения. Эта температура на 1°C ниже температуры на входе первого компрессора 1 и соответственно требуется нагревание. Энергия извлекается в детандере 7 и используется в качестве энергии для первого компрессора 1. Если предполагается, что адиабатический коэффициент полезного действия в детандере 7 и первом компрессоре 1 составляет 80%, то температура и давление на выходе первого компрессора устанавливаются как равные -5°C и 0,15 МПа соответственно.
Кроме того, в предположении, что механический коэффициент полезного действия в детандере 7 и двух компрессорах 1, 1' составляет 0,8, энергия, требующаяся для второго компрессора 1', рассчитывается в соответствии с первоначальными установками для температуры и давления.
Во-первых, сумма работ, требующихся для двух компрессоров 1, 1' составляет (теоретическая работа, требующаяся для двух компрессоров 1, 1') /0,8. В то же время работа, совершенная в детандере 7 и введенная в качестве приводной энергии в первый компрессор 1, составляет (теоретическая работа, совершенная при расширении)×0,8. Поэтому работа, требующаяся вторым компрессором 1', составляет [(теоретическая работа, требующаяся для двух компрессоров 1, 1')/0,8]-[(теоретическая работа, совершенная при расширении)×0,8]. Кроме того, эта работа должна быть введена в виде энергии. Если предполагается, что эффективность ее преобразования составляет 0,35, то общая энергия, требующаяся вторым компрессором 1', составляет (работа, требующаяся вторым компрессором 1')/0,35. Эта эффективность преобразования является той же самой величиной, что и эффективность преобразования энергии сжатия для извлечения скрытой теплоты водяного пара, используемой для оценки энергии в способе улучшения в масле.
При этом, если предполагается, что диметиловый эфир является идеальным газом, сжатие выполняется адиабатическим образом, и предельная растворимость льда в сжиженном диметиловом эфире при -5°C составляет 5,4% по массе, то требуемая энергия в данном устройстве для удаления льда составляет 1,383 кДж/кг воды.
Из этой оценки следует, что теоретически подтверждается то, что удаление льда может быть выполнено при низкой потребности в энергии устройством для удаления льда по данному изобретению.
ПРИМЕРЫ
Данное изобретение будет описано ниже в деталях со ссылкой на примеры. Данное изобретение не ограничивается представленными ниже примерами.
Пример 1 (Испытание на дегидратацию замороженной измельченной древесины)
Сухие кусочки древесины, грубо нарезанные таким образом, что они имеют толщину примерно от 1 до 3 мм и длину примерно 1 см, погружали в воду (масса в сухом состоянии 0,9345 г; масса во влажном сухом состоянии 3,0006 г) и размещали в стеклянной колонке с внутренним объемом 14 куб. см. Затем их замораживали охлаждением в морозильной камере в течение 24 часов и после этого подвергали данному испытанию в качестве одной порции.
Замороженные кусочки древесины, приготовленные в ходе описанной выше процедуры, дегидратировали посредством устройства, представленного на фиг.3, при использовании сжиженного диметилового эфира (DME), имеющего чистоту 99% или более.
А именно, замороженные кусочки древесины загружали в стеклянную колонку, соответствующую водоотделителю 3 на фиг.1. Сжиженный DME загружали в контейнер из нержавеющей стали 21 на фиг.3 при давлении насыщенного пара и пропускали через водоотделитель 23 выталкиванием азотом. Затем сжиженный DME извлекался в пустой герметичный контейнер 22 для приема сжиженного DME. Это устройство в целом было размещено в ванне из этанола 24, поддерживаемого при
-23°C, и испытание на дегидратацию выполняли при поддержании кусочков древесины в замороженном состоянии при -23°C.
Расход сжиженного DME составлял 10 куб. см в минуту и его циркуляцию поддерживали в течение 10 минут. Соотношение расхода 0,01 л сжиженного DME и содержания воды 0,0020661 кг в объекте, подлежащем дегидратированию, составляет 4,84 л/кг в минуту. Предельная растворимость воды в сжиженном DME при -19,45°C составляет 4,3% по массе, и количество DME, требующегося для растворения 1 г воды при насыщении, составляет 23,3 г.
После прекращения дегидратации герметичный контейнер 22 удаляли из устройства и DME отделяли от воды посредством открытия клапана герметичного контейнера 22 при нормальной температуре, чтобы испарить DME. После испарения DME воду, оставшуюся в нижней части герметичного контейнера 22, извлекали в качестве выпускаемой воды.
После прекращения дегидратации измеряли массу кусочков древесины перед дегидратацией и после нее, изменение массы вследствие дегидратации (величина уменьшения массы), и массу выпущенной воды. Полученные результаты представлены в Табл.1.
Таблица 1
Масса перед дегидратацией (г)
3,0006
Масса после дегидратации (г)
1,8932
Величина уменьшения массы (г)
1,1074
Масса удаленной воды (г)
1,0334
Как следует из Табл.1, масса кусочков древесины после дегидратации заметно уменьшалась по сравнению с массой перед дегидратацией. Кусочки древесины после дегидратации дегидратировали в основном вблизи левой стороны колонки, которая имела впускное отверстие для сжиженного DME, в то время как вода удерживалась на правой стороне колонки, являвшейся выпускной стороной для сжиженного DME. Это обусловлено тем, что требуется длительное время для извлечения воды из замороженных кусочков древесины в процессе прохождения сжиженного DME через кусочки древесины, и на ранней стадии обработки сжиженный DME, который насыщен водой на левой стороне колонки и потерял способность к дегидратации, протекает затем к правой стороне колонки, посредством чего дегидратация на левой стороне колонки протекает быстрее, а дегидратация на правой стороне колонки соответственно происходит позже.
Из этого следует, что подтверждается тот факт, что большое количество замерзшей воды может быть легко удалено из кусочков древесины, содержащих замерзшую воду (ледсодержащих) за короткий промежуток времени при температуре ниже температуры замерзания по данному изобретению.
Пример 2 (Испытание на дегидратацию замороженного угля)
Уголь из соломы (слабобитуминозный уголь, изготовленный в Индонезии) после грубого измельчения классифицировали при использовании сита с отверстиями 4 мм и сита с отверстиями 8 мм для отбора частиц диаметром от 4 до 8 мм, которые выдерживали в атмосфере с относительной влажностью 100% посредством хранения с водой в нижней части в течение одного года и получали влажный уголь (масса во влажном состоянии 2,397 г). Этот уголь загружали в часть внутреннего пространства стеклянной колонки с внутренним диаметром 11 мм и длиной 42 мм (объем примерно 4 мл). Оставшуюся пустой часть стеклянной колонки заполняли кварцевой ватой. Все это замораживали охлаждением в морозильной камере в течение 24 часов и подвергали испытанию в качестве одной порции.
Замороженные кусочки древесины, приготовленные в ходе описанной выше процедуры, дегидратировали посредством устройства, представленного на фиг.3, при использовании сжиженного диметилового эфира (DME), имеющего чистоту 99% или более.
А именно, замороженный уголь загружали в стеклянную колонну, соответствующую водоотделителю 23 на фиг.3. Сжиженный DME загружали в контейнер из нержавеющей стали 21, соответствующий компрессору на фиг.3, при давлении насыщенного пара и пропускали через водоотделитель 23 выталкиванием азотом. Затем сжиженный DME извлекался в пустой герметичный контейнер 22 для приема сжиженного DME. Это устройство в целом было размещено в ванне из этанола 24, поддерживаемого при -10°C, и испытание на дегидратацию выполняли при поддержании угля в замороженном состоянии при -10°C.
Расход сжиженного DME составлял 5 куб.см в минуту и его циркуляцию поддерживали в течение 13 минут. Предельная растворимость воды в сжиженном DME при -9,5°C составляет 5,1% по массе, и количество DME, требующегося для растворения 1 г воды при насыщении, составляет 19,6 г.
После прекращения дегидратации герметичный контейнер 22 удаляли из устройства, и DME отделяли от воды посредством открытия клапана герметичного контейнера 22 при нормальной температуре для испарения DME. После испарения DME воду, оставшуюся в нижней части герметичного контейнера, извлекали в качестве выпускаемой воды.
После прекращения дегидратации измеряли массу угля перед дегидратацией и после нее, изменение массы вследствие дегидратации (приведенное количество) и массу выпущенной воды.
Полученные результаты представлены в Табл.2.
Таблица 2
Масса угля перед дегидратацией (г)
2,397
Масса угля после дегидратации (г)
1,955
Уменьшение массы в результате дегидратации (г)
0,442
Масса удаленной воды (г)
0,460
Как следует из Табл.2, масса угля после дегидратации заметно уменьшалась по сравнению с массой перед дегидратацией.
Пример 3
Уголь дегидратировали таким же образом, что и в Примере 2, за исключением того, что уголь перед дегидратацией и после нее выдерживали при 107°C в течение 3 часов для испарения воды. Затем измеряли количество воды в угле перед дегидратацией и после нее. Полученные результаты представлены на фиг.3.
Таблица 3
Масса угля перед дегидратацией (г)
1,921
Масса угля перед дегидратацией, после нагревания при 107°С в течение 3 часов (г)
1,106
Уменьшение массы в результате нагревания (г)
0,815
Масса угля после дегидратации (г)
1,922
Масса угля после дегидратацией, после нагревания при 107°С в течение 3 часов (г)
1,329
Уменьшение массы в результате нагревания (г)
0,593
Как следует из Табл. 3, содержание воды в угле перед дегидратацией составляло (0,815/1,921=) 42,4% по массе, в то время как содержание воды после дегидратации составляло (0,593/1,922=) 30,9% по массе. Иными словами, в расчете на единицу содержания горючего компонента в угле (т.е., когда масса угля после нагревания составляла 1) уголь перед дегидратацией содержал 0,736 частей по массе воды, в то время как уголь после дегидратации содержал 0,447 частей по массе воды. Таким образом, было подтверждено, что замерзшая вода в большом количестве в соответствии с данным изобретением может быть легко удалена за короткий промежуток времени при температуре ниже температуры замерзания из угля, содержащего замерзшую воду.
Как описано выше, способ удаления льда по данному изобретению применим к разным ледсодержащим материалам и может удалять лед из любого ледсодержащего материала при низких затратах энергии за короткий промежуток времени.
Поэтому данное изобретение позволяет уменьшить массу материалов посредством удаления льда из разных ледсодержащих материалов и облегчить размещение отходов, переработку и использование различных ресурсов, таких как биомасса.