Способ разделения жидких сред и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способам разделения жидких сред, имеющих в своем составе компоненты с разными температурами кипения. Предлагаемые способ и устройство могут найти применение в химических технологиях, использующих массообмен и ректификацию, например, при разделении спиртоводяных растворов. Сущность изобретения: используемые для реализации способа приемы заключаются в следующем: обеспечивают эжекцию и циркуляцию заранее выбранного и закачанного в установку газа за счет его эжектирования разделяемой жидкостью, транспортируют пары легкокипящей компоненты газом, отделяют газопаровую смесь от образующейся на выходе из эжектора пены, конденсируют пары легкокипящей компоненты в охлаждаемом конденсаторе, накапливают сконденсированную компоненту в отдельном объеме, подают снова газ на эжекцию, поддерживают постоянное давление в газовом контуре системы, поддерживают в приемной камере эжектора разрежение, которое необходимо для вскипания легкокипящей компоненты. Устройство содержит последовательно соединенные герметичный бак, электронасос, сопловой блок жидкостно-газового эжектора, который герметично соединен своей выходной частью с баком. К баку последовательно присоединены пеногаситель или бак отстоя пены и охлаждаемый конденсатор, соединенный в свою очередь с баком-накопителем отделенной фракции с установленным на нем расширительным баком и соединенным трубкой с редуктором, установленным на входе в приемную камеру эжектора. Изобретение позволяет использовать высокоэффективный способ увеличения площади контакта очищаемой исходной жидкости с используемым газом за счет ее дробления в скачках уплотнений. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способам разделения жидких сред, имеющих в своем составе компоненты с разными температурами кипения. Предлагаемые способ и устройство могут найти применение в химических технологиях, использующих массообмен и ректификацию, например, при разделении спиртоводяных растворов.

Известен способ разделения жидких сред, используемый, в частности для получения спирта-ректификата [1]. Способ состоит в том, что исходный раствор жидкости нагревают до температуры t=78^oC, а затем поддерживают эту температуру, при этом пары легкокипящего компонента конденсируют и собирают.

Недостатком этого способа является низкая эффективность, особенно при малых содержаниях выделяемого компонента за счет необходимости нагрева и поддержания температуры t=78^oC всего объема исходной жидкости.

Наиболее близким по технической сущности является способ эжекторной очистки жидкостей, в котором разделяют гидрожидкости (удаляют из них воду, являющуюся легкокипящей компонентой исходного раствора) с помощью газа (воздуха) и скачков уплотнений, выбранный в качестве прототипа. Этот способ включает эжектирование воздуха исходной жидкостью со скоростью не менее 30 м/с, с температурой большей, чем температура, при которой давление насыщения удаляемого компонента оказывается равным минимальному абсолютному давлению, создаваемому исходной эжектирующей жидкостью без натекания воздуха и смешение этой жидкости с воздухом при обеспечении массового отношения суммарного расхода эжектируемого воздуха и выделившихся пара легкокипящей компоненты к расходу исходной жидкости в диапазоне от 0,00001 до 0,005 с образованием сверхзвуковой двухфазной равновесной смеси [2].

Недостатком этого способа является низкая эффективность разделения при содержании легкокипящей компоненты (воды) в исходной гидрожидкости более 1% и выбрасывание использованного для разделения воздуха в атмосферу вместе с легкокипящей компонентой.

Известно устройство для получения спирта-ректификата [1].

Недостатки известного устройства заключаются в малой эффективности при низких содержаниях летучей компоненты, металлоемкости конструкции и большом количестве тепла, необходимого для нагрева и поддержания температуры t=78^oC всего объема жидкости в процессе разделения.

Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, содержащее сверхзвуковой жидкостно-газовый эжектор, который герметично соединен своей выходной частью с вакуумируемым от независимой вакуумной системы баком, сопловым блоком с магистралью подачи жидкости от электронасоса, а приемной камерой - с атмосферой через редуктор [2].

Недостатками известного устройства являются большая металлоемкость и энергопотребление из-за использования независимой вакуумной системы и использование окружающего воздуха, в состав которого входит кислород, являющийся сильным окислителем.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение энергозатрат при проведении процесса разделения жидких сред за счет снижения температуры проведения процесса.

Предлагаемый способ разделения жидких сред заключается в том, что осуществляют эжектирование газа исходной жидкостью со скоростью не менее 30 м/с, с температурой большей, чем температура, при которой давление насыщения удаляемого компонента оказывается равным минимальному абсолютному давлению, создаваемому исходной эжектирующей жидкостью без натекания газа и смешение этой жидкости с газом при обеспечении массового отношения суммарного расхода эжектируемого газа и выделившихся паров легкокипящей компоненты к расходу исходной жидкости в диапазоне от 0,00001 до 0,005 с образованием сверхзвуковой двухфазной равновесной смеси, при этом разделяемой жидкостью обеспечивают эжекцию и циркуляцию заранее выбранного газа по замкнутому контуру, газом транспортируют пары легкокипящей компоненты, отделяют газопаровую смесь от пены, затем конденсируют пары легкокипящей компоненты и накапливают, а газ снова подают на эжекцию, при этом поддерживают постоянное давление в газовом контуре системы и разрежение в приемной камере эжектора.

Таким образом, процесс отделения и транспортировки легкокипящей фракции осуществляют за счет циркулирующего по замкнутому контуру газа с заранее выбранными свойствами (газовая постоянная, показатель адиабаты, теплоемкость и т. д.) и давлением. При этом циркуляция газа по замкнутому контуру происходит за счет его эжекции, разделяемой жидкостью, циркулирующей по замкнутому контуру с помощью электронасоса. Эффективность отделения легкокипящей компоненты обеспечивается за счет эффективного дробления разделяемой жидкости в скачках уплотнений, образующихся при торможении двухфазной газопарожидкостной смеси и последующего охлаждения образующейся при этом парогазовой смеси.

В предлагаемом процессе рекомендуется использовать циркулирующий по замкнутому контуру газ, обладающий необходимыми свойствами, например инертный азот при отделении спирта от воды. Газ используется в качестве второй фазы (газовой) для получения двухфазного сверхзвукового потока и одновременного уноса выделяющихся из исходной жидкости паров.

Для оценки эффективности использования газа в процессе выделения легкокипящей фракции можно рассмотреть известные соотношения (закон Дальтона и уравнение Клапейрона и Майера) P_с=P_г^(п)+P_п^(п), P⁽_г^п)·ν⁽_г^п)= R_г·T_с, где P_с - давление смеси; P_г^(п) - парциальное давление газа; P_п^(п) - парциальное давление пара; ν⁽_г^п) - удельный объем газовой фазы; R_г - газовая постоянная газа; T_с - температура смеси.

Из этих соотношений следует, что отношение массовых расходов паровой и газовой фаз, определяющее эффективность уноса легкокипящей фазы используемым газом, может быть оценено по формуле m_п/m_г= R_г·T_с/(ν^//·(P_с-P_s)), где m_п - массовый расход паровой фазы; m_г - массовый расход газовой фазы; ν^// - удельный объем паровой фазы; P_s - парциальное давление пара.

Для определения массовой доли пара выделяемой компоненты по отношению к массовой доле пара низкокипящей компоненты следует рассмотреть известное соотношение, определяющего объем парогазовой смеси: V_пг= m_сν⁽_с^п)= m_исх.ж.ν^(п)_исх.ж., где V_пг - объем парогазовой смеси; m_с и m_исх.ж. - массовые доли пара легкокипящей компоненты и исходной жидкости; ν⁽_с^п) и ν_исх.ж.^п - объемы паров легкокипящей компоненты и исходной жидкости.

В результате получается, что массовая доля выделяемого компонента связана с массовой долей пара более низкокипящей компоненты соотношением m_с/m_исх.ж.=P_с^(п)·R_исх.ж./ P_исх.ж.^(п)·R_с, где P_с^(п) и P_исх.ж.^(п) - парциальные давления паров легкокипящей компоненты и исходной жидкости.

Используемые для реализации способа разделения сред приемы заключаются в следующем:
обеспечивают эжекцию и циркуляцию по замкнутому контуру заранее выбранного и закачанного в установку газа за счет его эжектирования разделяемой жидкостью;
транспортируют пары легкокипящей компоненты газом;
отделяют газопаровую смесь от образующейся на выходе из эжектора пены;
конденсируют пары легкокипящей компоненты в охлаждаемом конденсаторе;
накапливают сконденсированную компоненту в отдельном объеме;
подают снова газ на эжекцию;
поддерживают постоянное давление в газовом контуре системы;
поддерживают в приемной камере эжектора разрежение, которое необходимо для вскипания легкокипящей компоненты.

Следует отметить, что двухфазный поток, образующийся на выходе из эжектора, может представлять собой смесь газа, пара и жидкости в виде пены, а следовательно, возникает необходимость в ее отделении от парогазовой составляющей потока. Это отделение необходимо проводить до момента конденсации легкокипящей компоненты из газопаровой смеси для получения наибольшей эффективности разделения.

Устройство для реализации предлагаемого способа разделения жидких сред приведено на фиг. 1. Оно состоит из последовательно соединенных герметичного бака с исходной жидкостью 1, трубки 2, электронасоса 3, трубки 4, соплового блока эжектора 5, который герметично соединен своей выходной частью с баком 1 и камеры смешения со сверхзвуковым диффузором 6, присоединенным герметично к баку 1. При этом, бак 1 последовательно соединен трубкой 7 с пеногасителем 8, который в свою очередь соединен трубкой 9 с охлаждаемым конденсатором 10, а затем трубкой 11 с баком-накопителем отделенной фракции 12, установленным на нем расширительным баком 13 и соединенным трубкой 14 с редуктором 15, установленным на входе в приемную камеру эжектора 16.

Эксплуатация установки, рассчитанной на обработку 8 литров спирто-водяной смеси (см. фиг. 1) осуществляется следующим образом. Установку заполняют нагретой до температуры не менее 314,7 К (41,7^oC) (давление насыщения водяного пара над плоской поверхностью раздела фаз P_s = 20000 Па) спиртоводяной смесью и после этого продувают (заполняют) азотом (инертный газ, исключающий возможность воспламенения газопаровой смеси). Затем включают электронасос и обеспечивают циркуляцию разделяемой жидкости по замкнутому контуру: бак 1, трубка 2, электронасос 3, трубка 4, сопловой блок эжектора 5, камера смешения эжектора со сверхзвуковым диффузором 6, соединенным герметично с баком 1. При этом, электронасос обеспечивает абсолютное давление спирто-водяной смеси перед сопловым блоком не менее P_0ж = 0,32 МПа и секундный массовый расход смеси, равный 0,5 кг/с. Газ (азот) засасывается циркулирующей по замкнутому контуру разделяемой жидкостью в приемную камеру эжектора 16 через редуктор 15, обеспечивающий давление в приемной камере эжектора и камере смешения эжектора 6 от 0,02 до 0,1 МПа. При этом газ контактирует со спиртоводяной смесью с образованием равновесной двухфазной смеси, которая тормозится на выходе из камеры смешения в системе скачков уплотнений. Газ, увлажненный парами спирта и воды, поступает в бак 1, а затем, по трубке 7 в пеногаситель 8 и в конденсатор 10, где происходит конденсация паров легкокипящей компоненты. Сконденсированные пары поступают по трубке 11 в бак-накопитель отделенной фракции 12, а газ на новый цикл разделения по трубке 14 в редуктор 15 и приемную камеру эжектора 16. При этом на накопительном баке установлен расширительный бак 13 для компенсации перепадов давления из-за изменения температуры сред в процессе разделения.

Результаты разделения спиртоводяной смеси, полученные по предлагаемому способу, приведены на фиг. 2. Из анализа этой фигуры видно, что степень разделения жидких сред по предлагаемому способу возрастает с уменьшением исходной концентрации спирта в воде. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет снизить температуру, необходимую для разделения сред и повысить эффективность их разделения при малых концентрациях выделяемой легкокипящей фракции.

Кроме того, полученный технический результат позволяет не ограничиваться разделением только водно-спиртовых смесей, но может быть использован и при разделении других смесей и растворов, содержащих легкокипящие компоненты. В качестве примера можно привести пример удаления легких фракций нефтепродуктов из воды. В этом случае необходимо исключить выброс паров и аэрозолей в атмосферу, а также обеспечить улавливание образующейся на выходе из жидкостно-газового эжектора пены, состоящей преимущественно из нефтяных фракций, и возврат очищенной воды в замкнутый контур очистки. Эта задача решается за счет отвода этой пены в отдельный объем (бак отстоя пены), в котором производятся отстаивание воды и ее возврат в замкнутый жидкостный контур.

Устройство для реализации предлагаемого способа очистки воды от нефтепродуктов приведено на фиг. 3. Оно отличается от устройства, приведенного на фиг. 1 тем, что вместо пеногасителя 8 устанавливается бак отстоя пены 8, из которого по трубке 7 обеспечивается возврат отстоявшейся воды в бак 1.

Таким образом, бак 8 является многофункциональным элементом и обеспечивает не только возможность разделения жидких сред, но и осуществления, например, очистки воды от нефтепродуктов.

Эксплуатация установки очистки воды от нефтепродуктов осуществляется аналогично эксплуатации установки для разделения спиртоводяных смесей.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 243557, М.кл. B 01 D 3/14, 3/16, 13.10.1969.

2. Патент RU N 2124551, М.кл. C 10 G 31/06, 33/00, 10.01.1999.

Формула изобретения

1. Способ разделения жидких сред, включающий эжектирование газа исходной жидкостью, со скоростью не менее 30 м/с, с температурой большей, чем температура, при которой давление насыщения удаляемого компонента оказывается равным минимальному абсолютному давлению, создаваемому исходной эжектирующей жидкостью без натекания газа, и смешение этой жидкости с газом при обеспечении массового отношения суммарного расхода эжектируемого газа и выделившихся паров легкокипящей компоненты к расходу исходной жидкости в диапазоне от 0,00001 до 0,005 с образованием сверхзвуковой двухфазной равновесной смеси, отличающийся тем, что разделяемой жидкостью обеспечивают эжекцию и циркуляцию заранее выбранного газа по замкнутому контуру, при этом газом транспортируют пары легкокипящей компоненты, отделяют газопаровую смесь от пены, а затем конденсируют пары легкокипящей компоненты и накапливают, а газ снова подают на эжекцию, при этом поддерживают постоянное давление в газовом контуре системы и разрежение в приемной камере эжектора.

2. Устройство для разделения жидких сред, содержащее последовательно соединенные герметичный бак, электронасос, сопловой блок жидкостно-газового эжектора, который герметично соединен своей выходной частью с баком, отличающееся тем, что к герметичному баку последовательно присоединены пеногаситель или бак отстоя пены и охлаждаемый конденсатор, соединенный в свою очередь с баком-накопителем отделенной фракции с установленным на нем расширительным баком и соединенным трубкой с редуктором, установленным на входе в приемную камеру эжектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3