установка для перегонки жидкостей и выпаривания растворов

Формула изобретения

1. Установка для перегонки жидкостей и выпаривания растворов, содержащая трубопровод исходной жидкости, трубопровод отработанной жидкости, циркуляционный контур, включающий в себя циркуляционный насос, циркуляционные трубопроводы, нагреватель жидкости, центробежный парогенератор с подводящим и отводящим патрубками жидкости, включенными в циркуляционный контур, и отводящим патрубком пара, конденсатор пара с конденсатопроводом и емкостью для сбора конденсата (дистиллята), с подводящим и отводящим трубопроводами охлаждающей жидкости, отличающийся тем, что трубопровод охлаждающей жидкости после конденсатора подсоединен к потребителям тепловой энергии, например к тепловой сети, и/или подсоединен к другому центробежному парогенератору, являющемуся парогенератором второй ступени, подводящий патрубок которого подсоединен к конденсатору второй ступени.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что трубопровод охлаждающей жидкости конденсатора второй ступени подсоединен к третьему центробежному парогенератору, являющемуся парогенератором третьей ступени, пароотводящий патрубок которого подсоединен к конденсатору третьей ступени.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что полость конденсации конденсатора соединена трубопроводом с атмосферой и/или с всасывающим патрубком эжектора.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что патрубок слива конденсата из конденсатора соединен с всасывающим патрубком вакуумного насоса.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что пароотводящий патрубок центробежного парогенератора подсоединен непосредственно к всасывающему патрубку эжектора, причем последний входит в циркуляционную систему, включающую бак рабочей жидкости, циркуляционный насос, циркуляционные трубопроводы и теплообменник-охладитель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики и химической технологии, в частности к получению обессоленной воды методом перегонки (опреснение засоленных вод), и может быть использовано для выпаривания растворов и суспензий.

Широко известны установки для термического обессоливания жидкостей (перегонки жидкостей), в которых жидкость нагревают топочными газами или при помощи электрических нагревателей, испаряют, затем конденсируют в конденсаторе и получают обессоленный конденсат (дистиллят) (см. П.Д. Лебедев. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. М.-Л. издат. "Энергия", 1966 г. стр. 145, рис. 5-5).

Эти установки, в которых зона нагрева жидкости совмещена с зоной испарения жидкости, малоэффективны (происходит интенсивное отложение солей на поверхностях испарения и нагрева).

Более эффективны испарительные установки, в которых зона испарения выведена из зоны нагрева жидкости (способ испарения жидкости за счет тепла, ранее приобретенного жидкостью при нагреве).

Такая установка описана в авторском свидетельстве СССР N 419687. Установка принята за прототип.

Недостатком этой установки является то, что тепло, выделяемое при конденсации паров и передаваемое охлаждающей воде конденсатора, теряется безвозвратно. Установка одноступенчатая, т.е. имеет однократное испарение жидкости при подводе тепла, а количество образовавшегося конденсата (при испарении воды) составляет около 1,8 тонны на одну Гкал тепла, переданного воде.

Использование поверхностного конденсатора (у прототипа конденсатором является охлаждаемая емкость для опресненной воды конденсата) в вакуумном режиме обязывает устанавливать его на высоте 10 м и более, чтобы обеспечить свободный слив конденсата в атмосферную емкость. Это увеличивает габариты установки, делает установку нетранспортабельной в собранном виде, т.е. делает невозможным выполнить ее передвижной.

Целью настоящего изобретения является более эффективное использование тепла, например, на отопление и горячее водоснабжение потребителей с одновременной выработкой пищевого конденсата (во многих регионах России, например на Урале, люди вынуждены покупать заграничную воду в бутылках, так как в водопроводной воде содержатся вредные для здоровья человека примеси, например тяжелые металлы), увеличение выхода конденсата (дистиллята) на каждую каллорию затраченного тепла в два-три раза, уменьшение высоты установки конденсатора при вакуумной перегонке жидкости (обеспечение компактности установки и обеспечение возможности выполнить ее передвижной).

Поставленная цель достигается тем, что в установке для перегонки жидкостей, содержащей трубопровод исходной жидкости, трубопровод отработанной жидкости (остатка), циркуляционный контур, включающий в себя циркуляционный насос, циркуляционные трубопроводы, нагреватель жидкости, например водогрейный котел, центробежный парогенератор типа, описанного в патенте России N 1453113 (или в авторском свидетельстве СССР N 419687), с подводящим и отводящим патрубками жидкости и отводящим патрубком пара, конденсатор пара с конденсатопроводом и емкостью для сбора конденсата (конденсатным баком, баком для сбора дистиллята), подводящий и отводящий трубопроводы охлаждающей жидкости, трубопровод охлаждающей жидкости после конденсатора подсоединен к потребителю тепловой энергии (например, к тепловой сети) и (или) к другому центробежному парогенератору, являющемуся парогенератором второй ступени, пароотводящий патрубок которого присоединен к конденсатору второй ступени.

Кроме того, трубопровод охлаждающей жидкости конденсатора второй ступени подсоединен к третьему центробежному парогенератору, являющемуся парогенератором третьей ступени, пароотводящий патрубок которого присоединен к конденсатору третьей ступени.

Другое отличие состоит в том, что полость конденсации паров конденсатора соединена трубопроводом с атмосферой и (или) с всасывающим патрубком вакуумного насоса.

Следующее отличие состоит в том, что патрубок слива конденсата из конденсатора соединен трубой с всасывающим патрубком водоструйного вакуумного насоса (эжектора).

Еще одно отличие состоит в том, что пароотводящий патрубок центробежного парогенератора присоединен непосредственно к всасывающему патрубку водоструйного вакуумного насоса (эжектора), что превращает систему создания вакуума, включающую в себя бак рабочей воды, эжектор, насос, циркуляционные трубопроводы, в конденсатор пара, поэтому на циркуляционной системе устанавливается водоводяной теплообменник-охладитель со своей системой трубопроводов охлаждающей воды.

Присоединение трубопровода охлаждающей жидкости после конденсатора к потребителю тепловой энергии (к теплосети) позволяет вырабатывать пищевой конденсат одновременно с выработкой тепла для теплоснабжения потребителей. Присоединение же этого трубопровода охлаждающей жидкости к центробежному парогенератору второй ступени позволяет удвоить количество полученного конденсата (дистиллята).

Присоединение трубопровода охлаждающей жидкости от конденсатора второй ступени к центробежному парогенератору третьей ступени позволяет утроить количество вырабатываемого конденсата.

Установка на конденсаторах вестовой трубы (трубы, соединенной с атмосферой) и (или) трубы, соединенной с всасывающим патрубком вакуумного насоса (эжектора), позволяет парогенератору и конденсатору данной ступени работать как в вакуумном, так и в атмосферном режимах.

Присоединение патрубка слива конденсата из конденсатора к всасывающему патрубку водоструйного вакуумного насоса (эжектора) позволяет устанавливать конденсатор на высоте, значительно меньшей, чем 10 м от уровня жидкости в конденсатном баке (на любой высоте), кроме этого, использовать бак рабочей воды в качестве конденсатного бака.

Присоединение пароотводящего патрубка центробежного парогенератора непосредственно к всасывающему патрубку водоструйного вакуумного насоса (эжектора) без конденсатора позволяет значительно упростить схему, отказаться от поверхностного конденсатора, использовать в качестве конденсатора систему обеспечения вакуума (перенести при этом систему охлаждения конденсатора на охлаждение рабочей воды, используя конденсат в качестве рабочей воды). Это позволяет устанавливать парогенератор на любой высоте (ниже 10 м) даже при работе в вакуумном режиме.

На фиг. 1 изображена схема установки для перегонки жидкостей (для получения конденсата (дистиллята) из воды) с трехступенчатым испарением.

На фиг. 2 показана схема установки с двухступенчатым испарением, могущая быть использованной как в атмосферном, так и в вакуумном режимах для одновременной выработки тепла и производства конденсата. Схема может быть использована для перегонки других кроме воды жидкостей, например для перегонки нефти, спиртовой браги для получения чернового спирта (процессы, предшествующие более тонкой ректификации).

На фиг. 3 дана упрощенная схема установки, могущей работать в тех же качествах, что и предыдущие. В этой установке совмещен бак сбора конденсата (дистиллята) с баком рабочей жидкости. Это компактная установка, не требующая при работе в вакуумном режиме высоты более 10 м для парогенератора и конденсатора.

Предложенная установка имеет нагреватель жидкости 1 огневого, электрического или другого типа (например, водогрейный котел), циркуляционный насос 2, циркуляционные трубопроводы 3, центробежный парогенератор 4 с подводящим 3а и отводящими 3б патрубками жидкости, пароотводящим патрубком 5, трубопровод подпитки 6 (подачи исходной жидкости в испарительную систему), трубопровод отвода сгущенного (упаренного) остатка 7 (трубопровод продувки), теплообменник 8 для утилизации тепла, содержащегося в остатке, паропровод собственных нужд 9, конденсатор первого контура 10, циркуляционный трубопровод охлаждающей жидкости второго контура 11, циркуляционный насос 12, вестовую трубу 13 (трубопровод, соединяющий с атмосферой паровую полость конденсатора), трубопровод слива конденсата (дистиллята) 14, бак сбора сконденсировавшейся жидкости (конденсатный бак) 15, трубу перелива конденсата 16, трубу 17 для первичного заполнения части бака 15 с целью образования гидрозатвора при работе в вакуумном режиме, насос 18 для перекачки конденсата, трубу 19 для опорожнения бака 15 при ремонте, центробежный парогенератор 20 второй ступени парогенерации с пароотводящим трубопроводом 21, трубопровод подпитки 22, трубопровод отвода остатка 23, конденсатор 24 с трубой слива конденсата 25, циркуляционный насос 26, циркуляционный трубопровод 27, центробежный парогенератор третьего контура 39 с пароотводящим трубопроводом 40, трубопровод отвода остатка 46, трубопровод подпитки 45, конденсатор третьей ступени 41, трубу 28 для перекачки конденсата потребителю (28а) и на подпитку первого циркуляционного контура (28б), водоструйные вакуумные насосы 29 и 29а, бак рабочей жидкости 30, циркуляционный насос рабочей жидкости 31, циркуляционный трубопровод 32 и 32а, всасывающие патрубки эжекторов 33 и 33а, трубопровод наполнения 34 бака, трубу слива при опорожнении 36, трубу перелива 35, трубу слива конденсата из конденсатора третьей ступени 42, циркуляционный трубопровод системы охлаждения конденсатора третьей ступени 43, циркуляционный насос 44, обводной трубопровод 37, служащий для подключения конденсатора первой ступени к вакуумной системе в случае необходимости, трубопровод 38, служащий для подключения конденсатопровода от конденсатора непосредственно к эжектору, охладитель рабочей жидкости 47 с циркуляционным трубопроводом 49 и циркуляционным насосом 48. Задвижки на некоторых трубопроводах обозначены 49, 50, 51, потребители тепла 52.

Работа установки осуществляется следующим образом. Рассмотрим варианты работы установки, изображенной на фиг. 1.

Установка может работать в атмосферном и в вакуумном режимах в нескольких вариантах.

Циркуляционный насос 2 обеспечивает циркуляцию жидкости (воды) по замкнутому контуру: водонагреватель 1 (водогрейный котел), центробежный парогенератор 4, насос 2. По трубопроводу 6 происходит подпитка системы (пополнение потерь воды от испарения и от продувки). По трубопроводу 7 производят продувку системы с целью уменьшения концентрации солей в оставшейся после испарения воде. Нагретая вода поступает в цилиндрический корпус центробежного парогенератора 4 тангенциально. Вода приобретает вращательное движение и отжимается к стенкам цилиндрического корпуса. Образуется вертикальная (в виде цилиндра) граница раздела фаз. Паровая фаза находится в центре. В нижней части корпуса парогенератора (возле стенки корпуса) происходит частичное восстановление давления воды за счет превращения динамического давления в статическое при увеличении радиуса закрутки потока воды. Образовавшийся пар выходит через центральный паровой патрубок 5 (пароотводящий). Подробно конструкция и принцип действия центробежного парогенератора описаны в патенте России N 1453113.

Образовавшийся пар направляется в конденсатор 10 (теплообменник поверхностного типа). Конденсат стекает по трубе 14 в конденсатный бак 15.

Вариант 1 работа с максимальной выработкой конденсата без подачи тепла в систему теплоснабжения.

Циркулирующую воду нагреваем в котле 1 до 150^oC или выше. Парогенератор 4 выдает пар давлением 2-3 кгс/см² (избыточн.) с температурой 130-140^oC. Отработанная вода возвращается к насосу 2 с температурой 130-140^oC. Охлаждение воды происходит за счет парообразования. Охлаждающая вода, циркулирующая по трубопроводам 11 при помощи насоса 12, нагревается в конденсаторе 10 до 110-115^oC и подается в парогенератор второй ступени 20, где испаряется (частично) и охлаждается до 104^oC, образуя пар давлением 0,2 кгс/см². Этот пар направляется в конденсатор 24, где конденсируется за счет охлаждающей воды, циркулирующей по трубам 27 при помощи насоса 26. Конденсат сливается по трубе 25 в бак 15. Конденсатор 24 может работать при атмосферном давлении (тогда задвижка на вестовой трубе 13а чуть-чуть приоткрыта, чтобы сбрасывать неконденсирующиеся газы) или при вакуумном режиме (тогда открыта задвижка на трубопроводе 33а и включен в работу эжектор 29а с насосом 31, а также эжектор 29). Вода в конденсаторе 24 нагревается до 70-90^oC и направляется в центробежный парогенератор третьей ступени 39, который находится под вакуумом за счет соединения с эжектором трубами 40 и 33 через конденсатор 41. Вода охлаждается до 50-70^oC и возвращается к насосу 26. Подпитка контуров осуществляется трубами 6, 22, 45, а продувка трубами 7, 23, 46. Пар из парогенератора 39 направляется в конденсатор 41, конденсат стекает по трубе 42 в бак 15. Работа эжекторов 29 и 29а позволяет обеспечить трехступенчатое испарение воды и получение конденсата даже при температурах воды за котлом 1 110-120^oC. Чем выше температура воды, тем меньше нужен вакуум.

Если не включать в работу парогенератор 39, конденсатор 41 и эжектор 29, оставив в работе эжектор 29а (или их не монтировать), то получится схема двухступенчатого испарения. А если циркуляционную систему трубопроводов 11 подключить к потребителям тепловой энергии (к тепловой сети) 52, то получится схема, изображенная на фиг. 2. Эту схему можно использовать для одновременной выработки тепловой энергии для теплосети и для получения питьевого конденсата. Парогенератор 20 может быть отключен полностью или работать параллельно с потребителями тепла 12. Установка может работать в атмосферном режиме при отключенном эжекторе (если температура воды достаточна) или в вакуумном режиме. Если трубу 21 соединить трубой 37 с конденсатором 10, то можно вырабатывать тепловую энергию и получать конденсат при температурах за котлом 95^oC (парогенератор 20 отключен). (Есть водогрейные котлы с температурой нагрева воды до 95^oC). Наличие трубы 37 упрощает схему до одноступенчатой, работающей в вакуумном режиме (вырабатывается тепло и конденсат). Такую схему проще всего применить в действующих котельных.

Рассмотрим несколько вариантов работы установки, изображенной на фиг. 3.

Выработка конденсата при двухступенчатом испарении. Парогенератор 4 вырабатывает пар с избыточным давлением. Пар конденсируется при атмосферном давлении в конденсаторе 10. Тепло конденсации паров передается воде, циркулирующей по трубам 11 (нагрев ниже 100^oC), конденсат стекает в бак 15. Парогенератор 20 вырабатывает вторичный пар давлением ниже атмосферного. Этот пар поступает сразу на всас эжектора 29 и конденсируется струей рабочей воды (в качестве рабочей воды используется конденсат). Это позволяет обойтись без конденсатора 24, который должен бы быть установлен на высоте более 10 м от верхнего уровня конденсата в баке 15. Потребители тепла 12 отключены.

Другой вариант работы установки (фиг. 3) это вариант, когда и конденсатор 10 и парогенератор 21 находятся под вакуумом (температура воды за котлом 1 ниже 100^oC). Конденсатная труба 14 соединена с патрубком 33 эжектора 29 (задвижка 51 открыта, задвижка 50 закрыта).

Третий вариант работы это совместная выработка тепла и конденсата при одноступенчатом испарении (в атмосферном или в вакуумном режимах). Парогенератор 20 отключен. Все схемы могут быть использованы для выпаривания растворов.

Технико-экономические показатели.

Присоединение трубопровода охлаждающей жидкости конденсатора к теплосети позволяет использовать действующие котельные для получения пищевого конденсата наряду с выработкой тепловой энергии. Наличие парогенераторов второй и третьей ступеней позволяет в два-три раза увеличить выход конденсата (дистиллята) при незначительном увеличении затрат тепла, уменьшить удельные затраты тепла на единицу продукции. При использовании установки в качестве выпарной (для концентрации растворов) упрощается оборудование, снижается налипание на поверхности нагрева из-за отсутствия зоны испарения в зоне нагрева.

Установка на конденсаторах вестовых труб (13) и труб, соединенных с эжектором, позволяет расширить диапазон применения установки при различных температурах жидкости (использовать атмосферный и вакуумный режимы).

Присоединение патрубка слива конденсата из конденсатора к всасывающему патрубку эжектора позволяет избавиться от обязательного условия установки конденсатора, работающего под вакуумом, на большой высоте (более 10 м), т.е. обеспечивает компактность установки, позволяет освободиться от конденсатного бака, а использовать в качестве такового бак рабочей жидкости (уменьшает количество баков).

Той же цели повышения компактности служит присоединение пароотводящего патрубка парогенератора к эжектору, позволяет обойтись без поверхностного конденсатора (использовать эжектор в качестве конденсатора).