ректификационный аппарат, использующий тепловой насос

Формула изобретения

1. Аппарат для отгонки и повышения концентрации и последующей конденсации и повышения концентрации легко испаряемого компонента, предпочтительно водной смеси, в котором тепло, необходимое для отгонки и повышения концентрации, передается через общий теплопередающий корпус (3), причем тепло обеспечивается в результате конденсации пара, генерируемого отгонкой и повышением концентрации, при этом пар посредством сжатия с использованием теплового насоса (26) получает увеличение температуры кипения, необходимое для конденсации, причем аппарат состоит из двух секций, а именно: секции отгонки и повышения концентрации или первой секции (1) и секции конденсации и конечного повышения концентрации или второй секции (2), причем секции объединены вокруг общего теплопередающего корпуса (3), формирующего разделяющую стенку, и каждая секция дополнительно ограничивается горизонтальным частично цилиндрическим кожухом (13) и торцевой стенкой с каждой стороны, при этом каждая из секций снабжена распыляющим ротором (4), приспособленным для вбрасывания жидкости с каждой стороны из нижней части горизонтального частично цилиндрического кожуха (13) внутрь по направлению к общему теплопередающему корпусу, причем аксиальный жидкостный канал (5) обеспечивает непрерывное прохождение жидкости через аппарат, проходя вдоль нижней части.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что каждый из аксиальных жидкостных каналов частично ограничен регулируемой пластиной, образующей регулируемый зазор в нижней части каналов.

3. Аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что секция (1) отгонки и повышения концентрации снабжена входом (24) для жидкости, расположенным в нижней части частично цилиндрического кожуха (13) между торцевыми стенками кожуха (13) и выходом (11) для остатка, расположенным в нижней части частично цилиндрического кожуха (13) вблизи первой торцевой стенки (9) кожуха, и выходом (20) для пара в противоположной второй торцевой стенке, причем выход (20) для пара соединен с секцией конденсации и конечного повышения концентрации (2) входом для пара (27) посредством теплового насоса, причем вход для пара расположен в первой торцевой стенке секции конденсации и конечного повышения концентрации (2) вблизи первой торцевой стенки (9) секции отгонки и повышения концентрации (1), при этом секция конденсации и конечного повышения концентрации (2) снабжена выходом (25) для орошающей фракции, расположенным в нижней части частично цилиндрического кожуха (13) вблизи первой торцевой стенки и в соединении с входом для орошающей фракции в нижней части секции отгонки и повышения концентрации (1) вблизи ее второй торцевой стенки, и выходом для конденсата (28), расположенным в нижней части между ее двумя торцевыми стенками, и выходом для пара (21), расположенным во второй торцевой стенке напротив первой торцевой стенки.

4. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что секция конденсации и конечного повышения концентрации (2) имеет вход для теплой воды (23) в нижней части вблизи второй торцевой стенки.

5. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что он является частью системы для удаления CO₂ из топочного газа, в которой смесь аммиака и воды подается в скруббер, причем топочный газ подается в один конец скруббера, а смесь аммиак/вода подается в другой.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к аппарату для отгонки и повышения концентрации и последующей конденсации и конечного концентрирования легко испаряемого компонента, предпочтительно водной смеси, причем тепло, необходимое для отгонки и повышения концентрации, передается через общий теплопередающий корпус. Тепло возникает в результате конденсации пара, генерируемого отгонкой и повышением концентрации, причем пар посредством сжатия с использованием теплового насоса получает увеличение температуры кипения, необходимое для конденсации.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно изобретению аппарат состоит из двух секций, а именно: секции отгонки и повышения концентрации, или первой секции, и секции конденсации и конечного повышения концентрации, или второй секции, причем указанные секции объединены вокруг общего теплопередающего корпуса, формирующего разделяющую стенку, причем каждая секция дополнительно ограничивается, по существу, горизонтальным частично цилиндрическим кожухом и торцевой стенкой с каждой стороны, и каждая из указанных секций снабжена распыляющим ротором, приспособленным для выброса жидкости с каждой стороны из нижней части горизонтального частично цилиндрического кожуха внутрь по направлению к общему теплопередающему корпусу, причем аксиальный жидкостный канал обеспечивает непрерывное прохождение жидкости через аппарат, проходя вдоль нижней части.

Функция аппарата характеризуется тем, что контакт между жидкостью, паром и поверхностью теплопередачи достигается жидкой смесью, вбрасываемой по направлению к этой поверхности посредством распыляющего ротора, таким образом, осуществляется отгонка и повышение концентрации легко испаряющейся части. Генерированный пар конденсируется во второй части посредством теплового насоса, таким образом, выделяя тепло для непрерывного процесса испарения. Конденсация происходит посредством прямого контакта между паром и поверхностью теплопередачи, причем поверхность, таким образом, действует в качестве охлаждающей поверхности, и посредством охлаждения полученным в результате конденсатом вместе с рециркулирующим конденсатом и после возвращения к распыляющему ротору, приводя его в контакт с более теплым паром посредством рециркуляции. Таким образом, получают дополнительную конденсацию пара, и в обоих случаях конденсат имеет более высокую концентрацию водной части, чем в паре, и оставшийся пар подвергается двойному эффекту повышения концентрации в отношении легко испаряемой части пара в течение однократной рециркуляции конденсата. Устанавливая достаточное число рециркуляций, можно осуществить полную отгонку легко испаряемой части и для определенных продуктов - полную конденсацию пара. Описанные технологические последовательности можно осуществить только достижением непрерывного потока как жидкости, так и пара, причем это получают посредством аксиального жидкостного канала.

Аппарат применим для многих различных смесей, однако, в основном, для водных смесей, содержащих этанол или аммиак, в которых смеси аммиака и воды особенно трудны для обработки, поскольку, в последнем случае, разница в температурах кипения составляет приблизительно 133°C, тогда как данная разница для этанола и воды составляет приблизительно 22°C при атмосферном давлении.

В ректификационных установках все еще используются испарители, содержащие трубы в качестве поверхностей теплопередачи, причем испарители разработаны в виде испарителей с нижней тягой или в виде рециркуляционных испарителей, причем наиболее значительный недостаток способа состоит в том, что полное испарение происходит с остатком, который получил свою конечную концентрацию. Такой же недостаток указан в связи с пластинчатыми теплообменниками, нашедшими недавно определенную применимость. Секция отгонки традиционной колонны с колоколообразным дном, ситчатым дном или контактными вставками различных типов может забиваться, поскольку имеется значительное количество сухого вещества, способного образовать корку, которая снова может отвалиться, таким образом, забить проход жидкости. В связи с такими системами может быть необходимо начать с декантации или фильтрации, что может быть дорого для осуществления, и удаленное сухое вещество не будет подвергнуто отгонке.

Система с распыляющим ротором, вбрасывающим жидкость по направлению к поверхности теплопередачи, имеет несколько преимуществ. Ротор может быть разработан, как описано в EP 1185346B1, т.е. сконструирован с центральной трубообразной несущей серединой, снабженной подходящим количеством приваренных к ней подковообразных карманов, причем карманы открыты в направлении вращения ротора. В нижней части емкости внешние края карманов на несколько миллиметров погружены в жидкость, причем карманы, таким образом, собирают жидкость, которая отбрасывается наружу центробежными силами в течение непрерывного вращения, причем жидкость образует концентрированное облако небольших капель от краев карманов по направлению к внутренней стороне стенки корпуса и ударяется о поверхность теплопередачи. Облако вращается со скоростью распыляющего ротора, в то время как капли отбрасываются наружу со скоростью приблизительно 10 м/с, таким образом, получают относительную разность в скорости между жидкостью и паром в среднем до 30 м/с, таким образом, приводя к эффективному контакту между жидкостью и паром, тем самым для каждой рециркуляции получают равновесие между легко испаряющейся частью в жидкости и в паре.

Такая система, в которой жидкость приводится в контакт с поверхностью теплопередачи под значительным усилием посредством распыляющего ротора, дополнительно имеет эффект, состоящий в том, что аппарат способен обрабатывать жидкости со значительным количеством сухого вещества без накапливания налета на поверхности испарителя и, в силу этого, снижения теплопередачи, и поверхность теплопередачи, таким образом, конструируется так, что распыление осуществляется непосредственно на всю поверхность. Это осуществляют изготовлением поверхности из листового материала, причем материал согнут в V-образные вертикальные складки известным способом, причем отверстия складок поочередно обращены к распыляющим роторам в двух секциях. В установках более значительных размеров может быть выгодным изготавливать поверхность теплопередачи из прямоугольных листов, сваренных вместе, так что они образуют V-образные поверхности. Если теплопередающий корпус изготовлен из трубок, только сторона, обращенная к распыляющему ротору, остается свободной от налета. Таким образом, система обеспечивает основное преимущество по сравнению с традиционными системами, а именно сохранение поверхностей теплопередачи свободными от налета.

В традиционных вертикальных колоннах отгонки с колоколообразным дном, ситчатым дном или различными контактными вставками поток жидкости стекает исключительно под действием силы тяжести, и они могут, таким образом, работать только с жидкими смесями, содержащими незначительное количество веществ, способных образовать налет, поэтому необходима предварительная обработка декантацией или фильтрацией, приводящая к увеличенным капиталовложениям и расходу энергии. Испарители (ребойлеры) для таких систем работают испаряя компонент с наиболее высокой температурой кипения, и, таким образом, невозможно использовать довольно большое увеличение температуры, которое может иметь место при отгонке легко испаряющейся части некоторых жидких смесей. Эта проблема может быть решена отгонкой и концентрированием, происходящими в одном и том же объеме, в то время как одновременно достигается непрерывно протекающий противоточный эффект.

Преимущество существования эффективного противотока между жидкостью и паром в течение отгонки достигается посредством жидкостных каналов, характеризующихся признаками по п.2. Предпочтительно - они проходят вдоль всей длины аппарата и герметично примыкают к двум торцевым поверхностям с входными и выходными штуцерами с противоположных сторон каналов. Канал, соответственно, образуется посредством прямоугольной пластины, образующей одну сторону V-образного канала, в то время как вторая сторона обеспечивается внутренней стороной частично цилиндрического корпуса. У своего верхнего края пластина шарнирно удерживается на подходящем расстоянии от стенки корпуса, в то время как нижний край удерживается посредством регулирующих механизмов, так что образуется зазор между пластиной и внутренней стенкой. Канал образуется на подходящем расстоянии от нижней части корпуса, где установлен распыляющий ротор, так что жидкость, выбрасываемая наружу по направлению к части внутренней стенки, расположенной выше канала, проходит назад в канал. Некоторое количество жидкости вместе с жидкостью, которая в то же время проходила вперед, проходит к распыляющему ротору через зазор в нижней части, чтобы снова быть вброшенной наружу. Оставшаяся часть жидкости проходит вперед аксиально в канале и на следующую стадию процесса, чтобы, в конечном счете, быть удаленной из аппарата в виде остатка.

Кроме того, аппарат согласно изобретению имеет признаки, описанные в п.3. Так, имеется противоток в секции конденсации между проходящим вперед конденсирующимся паром и частью конденсата, отводимого в виде орошающей фракции в конце аппарата, куда подается сжатый пар. Оставшийся конденсат вместе с конденсирующимся паром проходит по направлению к противоположному концу аппарата, где конденсат отводится в виде продукта и где размещен штуцер для вентиляции аппарата.

Поскольку как нижние части двух секций, так и распыляющий ротор смонтированы горизонтально, в канале происходит полное аксиальное перемещение жидкости, причем жидкость подается к распыляющему ротору посредством регулирования ширины зазора. Скорость пара, проходящего через аппарат, может необязательно незначительно изменяться по поперечному сечению аппарата вследствие влияния рециркулирующей жидкости, но часть, проходящая с максимальной скоростью, имеет отчасти более низкую концентрацию легко испаряемой жидкости в паре, причем это частично уравновешивается фактом, что обмен вещества и температуры между жидкостью и паром увеличивается как следствие более существенной разницы в концентрациях.

Использование аппарата для отгонки и повышения концентрации этанола является более простым, чем обработка смесей, содержащих азот и газообразный CO₂ , где нельзя достичь полной конденсации аммиака, частично из-за большой разницы в температурах кипения и частично из-за содержания газообразного CO₂. Таким образом, новая система обладает важным преимуществом, состоящим в том, что жидкость может как подаваться, так и отводиться из аксиального жидкостного канала; посредством этого аппарат способен поглощать аммиак и отгонять газообразный CO₂.

Обработка ферментационного бульона брожения биоэтанолом

В секции отгонки и повышения концентрации аппарата одностадийная операция начинается с выброса жидкости из распыляющего ротора, тем самым достигается контакт между жидкостью и паром, который соответствует контакту в одной стадии традиционной ректификационной колонны, но с однократной рециркуляцией жидкости; жидкость ударяется о поверхность теплопередачи, где вначале образующийся пар имеет значительно более высокую концентрацию этанола, чем жидкость, из которой пар образуется. Таким образом, отгонка и повышение концентрации приводят к двойной производительности, и орошающую фракцию можно снизить приблизительно наполовину, таким образом, получая соответствующее снижение расхода энергии.

После сжатия пар, таким образом, образованный отгонкой и повышением концентрации, подается в секцию конденсации, где он входит в контакт с поверхностью теплопередачи, которая здесь действует в качестве охлаждающей поверхности, и полученный в результате конденсат имеет более высокую концентрацию воды, чем пар, образовавший конденсат. Оставшийся пар, таким образом, получает повышенную концентрацию этанола. В то же время полученный конденсат охлаждается вместе с рециркулирующим конденсатом, и когда он проходит к распыляющему ротору и вбрасывается наружу, это приводит к дополнительной конденсации пара посредством контакта с более теплым паром и соответствующему повышению концентрации оставшегося пара. И снова таким образом получают двойной эффект посредством одной рециркуляции концентрата.

Если необходимо получить наиболее высокую возможную концентрацию, используя данный способ, этот способ можно осуществить различными методами. Если в течение конденсации должна происходить настолько большая часть концентрирования, насколько возможно, необходимо меньше орошающей фракции; но было обнаружено, что смесь, которую необходимо выпарить, имеет более высокое содержание воды, чем полученная при полном концентрировании в секции 1, таким образом, вызывая низкий расход энергии для испарения. Чтобы понять идею теоретического расхода энергии, можно провести вычисления посредством диаграммы Маккейп-Тиле, где вычисления основаны на молях. Начиная, например, с 10000 кг ферментационного бульона брожения, имеющего количество чистого этанола 1000 кг, который можно сконцентрировать только до 88 мольных % вследствие точки эвтектики, причем исходная концентрация составляет примерно 4,16 мольных %, причем эта концентрация находится в равновесии с паром, имеющим концентрацию этанола приблизительно 29 мольных %, орошающая фракция плюс продукт могут составлять приблизительно 88/22=4 в традиционной колонне, но поскольку система работает приблизительно с двойным эффектом, можно ожидать, что орошающая фракция плюс продукт будут составлять 2. Таким образом, пар, который следует сжать, составляет:

1000 кг/46 кг/моль×(100/88)×2=49,41 кмоль.

Приложение давления всасывания 0,5 атм и противодавления 1,5 атм приводит к объему пара, равному 22,4×49,41×336/273°C×1/0,5=2725 м³/ч.

Расход энергии составляет: 1,4/0,4×5000×2725/3600×(-1+(1,5/0,5) ^(0,4/1,4))=4884 кгм/с=47,9 кВт/ч

47,9 кВт/ч(1000/0,95 кг/л)=0,0455 кВт/кг 95% массового этанола=0,036 кВт/л 95% массового этанола.

Принимая цену приблизительно 0,45 DKK/кВтч, что не является необычным для такой цели, стоимость 1 л этанола составляет 0,016 DKK, исходя из эффективности 100%, предполагая, что достигается сравнительно хорошая эффективность.

Приведя, таким образом, пар близко к эвтектическому составу в секции отгонки и повышения концентрации, конечная часть концентрирования может преимущественно происходить в секции конденсации и без каких-либо издержек, подбором размеров распыляющего ротора с необходимым числом рециркуляций конденсата. Кроме того, в то время как температура остатка на выходе соответствует температуре кипения воды, температура пара превышает температуру кипения этанола не более чем на 1 градус или приблизительно от 20 до 22°C ниже температуры кипения воды на выходе к тепловому насосу. В традиционных установках с ректификационной колонной, ребойлером и тепловым насосом выпаривается только остаток и конденсируется только пар с максимальной концентрацией этанола, и производители открыто заявляют, что является наиболее экономичным позволить тепловому насосу работать с низкой температурой или перепадом давления. В принципе, тепловой насос работает при одном и том же всасывании или давлении конденсации как в новой, так и в традиционной системе, однако в последнем случае следует ожидать значительное падение давления, когда поток проходит через колонны, поскольку их высота составляет до 30 м.

Расположение теплопередающего корпуса внутри технологического объема новой системы является выгодным тем, что разница температур в среднем на 10-11°C выше и, следовательно, имеющаяся разница температур для старой системы составляет приблизительно 7°C и 7+10,5°C для новой системы. При задании размеров поверхностей теплопередачи двух систем при условии, что они имеют одинаковую производительность и коэффициент теплопередачи идентичен в обеих системах, получается:

площадь, новая система×17,5°C=площадь, старая система×7°C, таким образом, получая:

площадь, новая система=площадь, старая система×(7/17,5=0,40=40%),

но поскольку как отгонка, так и концентрирование в новой системе имеет двойную производительность, это означает, что, поскольку процесс происходит в самом технологическом объеме, можно достичь такой же производительности, как у старой системы, используя поверхность теплопередачи, имеющую площадь приблизительно 20% от площади, необходимой для старой системы, и таким образом, достичь значительной экономии капитальных затрат.

Контакт между рециркулируемым конденсатом и паром особенно эффективен и, следовательно, нет сомнения, что система работоспособна. Важная деталь в данном контексте состоит в том, что непрерывный проход конденсата через аппарат контролируется посредством аксиального жидкостного канала, и если трубные штуцеры установлены на обоих концах данного канала, является возможным извлечь часть конденсата в противотоке с паром, которая соответствует количеству орошающей фракции. В противоположном конце аппарата, где конденсируется последняя часть пара, также можно извлечь продукт с максимумом приблизительно 88 мольных % этанола.

В результате параллельных температур для отгонки и конденсации расход энергии является особенно низким, в добавление к факту, что нет затрат на установку традиционных колонн отгонки и концентрирования, где затраты могут быть значительными, поскольку они представляют собой колонны высотой до 30 м, и со значительными потерями, когда пар проходит через колонну, причем потери зависят от типа выбранной насадки для контакта, но в любом случае приводящей к увеличенному расходу энергии.

С каждой стадией, где пар проходит по направлению получения идентичной концентрации этанола как в конденсате, так и паре, увеличение концентрации этанола становится меньше, и чем более высокой желаемой концентрации надо достичь, тем больше стадий необходимо установить. Таким образом, необходимое количество орошающей фракции зависит как от этого, так и от концентрации исходного продукта на входе в аппарат. Орошающая фракция плюс продукт могут, например, составлять 2, где 50% конденсата должно рециркулировать в секцию отгонки, в то время как оставшиеся 50% пара конденсируется параллельно с конденсатом, извлекаемым в виде продукта, и достаточно применить значительно сниженное количество стадий для концентрирования и, таким образом, снизить количество орошающей фракции, температуру и перепад давления, причем все в результате приведет к значительной экономии энергии.

Смеси, включающие некоторое количество аммиака, который нужно отделить, необходимо обрабатывать, что зависит от концентрации аммиака в смеси. Жидкий навоз, например, имеет сравнительно маленькую концентрацию, в то же время значительно более высокие концентрации предполагаются при использовании способности смеси аммиак/вода поглощать CO₂ в форме бикарбоната аммония.

После дегазации жидкий навоз имеет содержание азота приблизительно 0,3%, преимущественно присутствующего в форме бикарбоната аммония. При нагревании выше 70°C он диссоциирует на CO₂ и водную смесь аммония и аммиака. Если жидкий навоз был предварительно нагрет до температуры кипения на входе в секцию отгонки аппарата, то этот жидкий навоз образует пар при последующей подаче тепла при контакте с поверхностью теплопередачи, причем пар имеет концентрацию аммиака в равновесии с аммиаком в жидком навозе, т.е. концентрация в паре приблизительно в 10 раз выше, чем концентрация в жидком навозе, который образует пар. В течение потока жидкого навоза по направлению к выходу остатка, включая многократное вбрасывание по направлению к поверхности теплопередачи, и при каждом контакте с ней, жидкий навоз образует некоторое количество пара, имеющего концентрацию аммиака в равновесии с испаряющимся жидким навозом, т.е. если жидкий навоз включает 0,1% аммиака, образующийся пар содержит приблизительно 1%, причем данное отношение применимо для сравнительно большого диапазона. При контакте с нагретой поверхностью жидкий навоз проходит обратно к распыляющему ротору и снова вбрасывается, таким образом, входя в тесный контакт с паром, проходящим в противотоке, причем пар имеет более высокую температуру и меньшую концентрацию аммиака, тем самым обеспечивая дополнительный перенос аммиака из жидкого навоза в пар. Отгонка требует тепловой энергии для отгонки как подаваемой жидкости, так и необязательно требуемой орошающей фракции. Для осуществления данного процесса существует условие, состоящее в том, что отгонка протекает непрерывно с повторной рециркуляцией жидкого навоза, причем это достигается пропусканием жидкого навоза через аппарат в аксиальном канале. Одновременно с противоточным испарением отогнанный пар проходит обратно к входу жидкого навоза, чтобы продолжить перемещение оттуда к следующей секции процесса вместе с газообразным CO₂, который не связан ни с жидким навозом, ни с паром, и тем самым практически не влияет на отгонку и концентрирование.

Когда жидкий навоз достигает выхода остатка, образуя пар аммиак/вода, он возвращается через свободную площадь поперечного сечения данной секции, находясь в постоянном контакте с рециркулирующим жидким навозом, в силу чего все время поддерживается равновесие между концентрацией аммиака в жидком навозе и в паре. В то же время данная простая конструкция дает возможность работы со значительным содержанием сухого вещества в жидком навозе, работы в качестве секции отгонки и обеспечивает уменьшение расхода энергии теплового насоса посредством достижения полного противотока, поскольку снова получают равновесие между жидким навозом и паром после центрифугирования из распыляющего ротора, и впоследствии, когда жидкий навоз ударяется о поверхность теплопередачи, образованный пар имеет значительно более высокую концентрацию аммиака, чем жидкий навоз. Однако одно необходимое условие получения остатка, совершенно не содержащего аммиак, состоит в поддержании высокого значения рН.

Будучи сжат до соответствующей температуры конденсации, пар циркулирует к секции конденсации в конце аппарата, где температура является наиболее высокой. Пар циркулирует непрерывно через весь аппарат, в то время как часть конденсата, соответствующая противоточному обратному потоку пара, циркулирует назад в секцию выпаривания.

В то же время оставшийся пар, составляющий продукт, содержит полное количество CO₂ и продолжает проходить к противоположному концу аппарата, в то же время одновременно концентрируя газообразный CO₂, при этом добавляют некоторое количество воды, достаточное для очистки газа и для поглощения последних остатков аммиака, достигая равновесия с чистой водой.

Вода вместе с конденсатом проходит назад в противотоке с паром. Вначале существует только незначительная прямая конденсация аммиака/водяного пара из-за высокого содержания газа, но жидкость - вода и конденсат, - вбрасываемая по направлению к охлаждающей поверхности, охлаждается, и когда она затем вбрасывается для контакта с более теплым паром, достигается необходимая конденсация пара, и с каждой рециркуляцией жидкости получается новое равновесие между аммиаком в воде и в паре. Когда пар достигает необходимой концентрации и полученный конденсат циркулирует обратно в секцию испарителя в форме орошающей фракции, устанавливается выход для отогнанной смеси аммиак/вода.

Топочный газ, содержащий некоторое количество газообразного CO₂, удаляемого очисткой смеси аммиака и воды, существует в форме смеси бикарбоната аммония и воды. В качестве скруббера можно использовать скруббер, описанный в патенте Дании № 173513, поскольку в данном случае можно добавлять жидкую среду в различных местах в аксиальный жидкостный канал, так что конечная очистка осуществляется, например, чистой водой.

После прохождения скруббера жидкая смесь стекает обратно в аппарат для разложения бикарбоната аммония на газообразный CO₂ и аммиак, и поскольку очистка может осуществляться со значительно более высокой концентрацией аммиака в очищающей жидкости, чем в жидкой смеси, достаточными являются только отгонка или, возможно, очень умеренное орошение, и тепловой насос, таким образом, может работать с небольшим перепадом давления и низким расходом энергии. Достижимым является теоретический расход энергии 15 кВт исключительно для теплового насоса для удаления 1 метрической тонны газообразного CO₂ с адиабатическим сжатием, и оказывается, что данная система удовлетворяет требованию даже с умеренной эффективностью насоса.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Аппарат и его различные функции объяснены в деталях ниже и со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 представляет собой поперечный разрез аппарата согласно изобретению, и

фиг.2 представляет собой горизонтальный разрез через аппарат согласно изобретению.

НАИЛУЧШИЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 и 2 показан поперечный разрез аппарата, включающего секцию 1 отгонки и повышения концентрации и секцию 2 конденсации и окончательного повышения концентрации, а также общий теплопередающий корпус 3, разделяющий две секции, который составляет общую стенку между двумя секциями. Оставшаяся часть стенок корпуса предпочтительно представляет собой частично цилиндрические стенки 13 и торцевые стенки, снабженные фиксированной частью 7 для установки опор распыляющего ротора 8, в то время как отверстие в торцевых стенках закрывается удаляемыми крышками 9, снабженными различными штуцерами для жидкости и пара и одновременно действующими в качестве крышки люка. В принципе, элементы двух данных секций сами по себе известны и идентичны, однако их функции отличаются. Каждая секция снабжена распыляющим ротором 4 и аксиальным жидкостным каналом 5, функция которого - частично контролировать поступление жидкости к распыляющему ротору 4 и частично обеспечить аксиальный перенос жидкой смеси через аппарат, причем этот перенос должен происходить горизонтально из-за режима работы. Общий теплопередающий корпус 3 обеспечивается большой площадью поверхности и значительной жесткостью за счет сгибания пластины в остроугольные V-образные складки 6, сравни фиг.2, способом, который сам по себе известен, причем складки попеременно обращены отверстиями к системе распыления в секции испарения 1 и системе распыления в секции конденсации 2, причем работа в секции 1 основана на вбрасывании исходного продукта по направлению к поверхностям теплопередачи с большой силой, при этом получают эффективный контакт между жидкостью и паром в течение вбрасывания жидкости от распыляющего ротора для столкновения с поверхностью теплопередачи.

Секция испарения 1 имеет жидкостный вход 10 для исходного продукта, который необходимо обрабатывать и который содержит легко испаряемый компонент или, если требуется дополнительное концентрирование, вход для орошающей фракции. В последнем случае исходный продукт необходимо подавать в аксиальный жидкостный канал 5 в положении 24, относительно соответствующем тепловым требованиям для концентрирования с одной стороны и отгонки с другой стороны. Удаление жидкого остатка происходит на выходе 11. Обработка исходного продукта между входом и выходом контролируется V-образным каналом 5, образованным между наклонной пластиной 12 и стенкой корпуса 13. Верхний край 14 наклонной пластины 12 шарнирно удерживается на соответствующем расстоянии от стенки корпуса, так что канал обеспечивает площадь поперечного сечения, необходимую для аксиального потока жидкости, тогда как нижний край регулируемо удерживается, так что образуется регулируемый зазор 15, через который жидкая смесь может проходить к распыляющему ротору 4 вместе с жидкой смесью, проходящей обратно из теплопередающего корпуса 3 с другой стороны для повторного центрифугирования. Часть центрифугированной жидкой смеси, ударяясь о стенку выше канала, проходит обратно в канал, и зазор 15 в нижней части канала необходимо регулировать с тем, чтобы компенсировать возможное увеличение вязкости и получить подходящее падение уровня жидкости в канале, чтобы направить поток жидкости к выходу 11 остатка. Непрерывное поэтапное прохождение жидкой смеси через аппарат контролируется, регулируя вход 10 и выход 11, так что тепловой насос работает с постоянным расходом энергии.

Распыляющий ротор, выбрасывающий жидкость, таким образом, включает часть, воздействующую на стенку выше канала 5, и часть, воздействующую на теплопередающий корпус, и здесь конструкция распыляющего ротора 4 позволяет достичь желаемого прогресса выброса/измельчения. Ротор сконструирован с центральной трубковидной несущей серединой 16, снабженной подходящим числом приваренных к ней U-образных карманов 17, причем карманы открыты в направлении вращения ротора. Приводя в соответствие поперечный размер и глубину кармана, а также наклон с окружностью ротора в течение выброса по всей площади поперечного сечения корпуса, получают эффективный контакт между жидкостью и паром, а также достаточный поток жидкости к поверхности теплопередачи для испарения. В то же время поверхность можно содержать свободной от налета даже при использовании продукта с высоким содержанием твердых веществ, поскольку жидкость выбрасывается с огромной скоростью. Ротор 4 устанавливается вблизи нижней части аппарата, и когда содержание жидкости в аппарате низкое, заостренные края 18 карманов могут погружаться так глубоко в жидкость, что они заполняются жидкостью в течение своего прохождения, и чуть только жидкость в карманах поднимется посредством скорости вращения ротора, центробежная сила будет выталкивать жидкость за внешние края 18 карманов в пленку, таким образом, быстро разделяющуюся на маленькие капли, формирующие прилегающее концентрированное облако 19, причем облако проходит от края кармана по направлению к месту удара на стенке аппарата и на поверхности теплопередачи 6 и вращается со скоростью распыляющего ротора. Когда жидкая смесь выбрасывается по направлению к поверхности теплопередачи, последняя снабжается количеством жидкости, более значительным, чем количество для испарения, и, следовательно, изменения концентрации не являются такими большими, чтобы предотвратить практически полное равновесие между концентрацией легко испаряемого компонента в паре и в жидкости.

Пар, образованный в секции отгонки и повышения концентрации 1, проходит по направлению к выходу 20, непосредственно ведущему к тепловому насосу 26, необязательно через вставленный щиток против брызг. В течение этого предотвращается циркуляция пара в результате погружения распыляющего ротора 4 в жидкость в нижней части, и, следовательно, проходящее вперед облако капель жидкости 19 должно проникать в пар, где капли имеют абсолютную скорость приблизительно 10 м/с, но будут достигать относительной скорости по отношению к пару, причем эта скорость, возможно, будет находиться в диапазоне в среднем 30 м/с, и, таким образом, достигается особенно эффективный контакт между жидкостью и паром.

В течение потока жидкой смеси через аксиальный жидкостный канал 5 с многократными выходами к распыляющему ротору 4, полное аксиальное перемещение будет противоточным с образуемым паром, и в течение каждого выброса в свободной площади поперечного сечения достигается плотный контакт между жидкой смесью и паром и в силу этого достигается равновесие между концентрацией легко испаряемой фазы в жидкости и в паре прежде, чем жидкость снова приходит в контакт с поверхностью теплопередачи. Поскольку количество рециркулирующей жидкости во много раз превышает количество пара, пар, образованный в течение испарения, находится в равновесии с испаряемой жидкой смесью, и поскольку образуемый пар имеет более высокую концентрацию легко испаряемой части, чем жидкость, концентрация легко испаряемой части в жидкости снижается. После испарения, когда жидкость проходит обратно к распыляющему ротору и снова выбрасывается, она входит в контакт с противоточным паром, имеющим более высокую температуру и более низкую концентрацию легко испаряемой части смеси. Данное нарушение равновесия разрешается тем, что пар отдает тепло жидкости, таким образом, приводя к дополнительному испарению легко испаряемой части, т.е. в течение каждой стадии легко испаряемая часть переносится в пар двумя путями - частично прямым испарением из жидкости у поверхности теплопередачи и частично посредством последующего контакта между жидкостью и паром в течение выброса жидкости. В результате отгонки и ректификации, осуществляемой в технологическом объеме, можно снизить затраты для отдельной колонны отгонки, поскольку полное количество легко испаряемого компонента можно отогнать, устанавливая достаточное число стадий, и в результате получают двойную производительность в течение отгонки и значительную экономию относительно расхода энергии по сравнению с традиционно сконструированной установкой.

В принципе, отгонка этанола и аммиака является идентичной, несмотря на большую разницу температуры и давления и тот факт, что некоторое количество газообразного CO₂ имеет только незначительное влияние на отгонку аммиака, поскольку после отгонки из жидкого навоза газ вместе с паром немедленно подается на следующую стадию способа.

Как указано выше, отгонка и повышение концентрации биоэтанола являются сравнительно простыми, и поскольку обычно желательна наиболее высокая возможная концентрация этанола, ферментационный бульон брожения необходимо подавать в аппарат в положении 24 вследствие того факта, что орошающая фракция из секции конденсации 2 направляется обратно в секцию выпаривания 1 через вход 10. Отогнанный и сконцентрированный этанольный пар сжимается 26 и подается в секцию 2 посредством входа 27. Пар конденсируется при контакте с поверхностью теплопередачи 6, в данный момент действующей в качестве охлаждающей поверхности, и поскольку этанол уже был сконцентрирован настолько сильно, насколько возможно в секции испарения 1, концентрация этанола в конденсате, полученном в секции 2, идентична концентрации в паре, и, таким образом, повышение концентрации в связи с конденсаций отсутствует. Полученный конденсат вместе с рециркулирующим конденсатом охлаждается, и когда он в дальнейшем вбрасывается для контакта с паром, происходит дополнительная конденсация пара, и, таким образом, полная операция осуществляется с двойным эффектом концентрирования. Концентрация контролируется посредством регулирования количества продукта, извлекаемого через выход этанола 22, а извлечение орошающей фракции 25 контролируется распыляющим ротором, работающим с постоянным расходом энергии.

Если продукт из секции 1 не был сконцентрирован настолько сильно, насколько это возможно, пар, выходящий из входа 27 к охлаждающей поверхности, образует конденсат, имеющий более низкую концентрацию этанола, чем пар, и оставшийся пар, таким образом, концентрируется. В то же время полученный конденсат вместе с рециркулирующим конденсатом охлаждается, и когда он приводится в контакт с паром после вбрасывания, пар конденсируется, и, таким образом, оставшийся пар концентрируется. Таким образом, этанол дважды концентрируется с каждой рециркуляцией конденсата, и ферментационный бульон брожения можно полностью обработать без традиционных колонн отгонки и концентрирования, поскольку можно ввести в действие тепловой насос, имеющий необходимую производительность, и нетрудно получить необходимое число рециркуляций конденсата. Таким образом, можно достичь необходимого концентрирования посредством противоточной конденсации между паром и жидкостью. Конденсат, соответствующий орошающей фракции, извлекается 25 из конца жидкостного канала 5, куда подается сжатый пар 27, орошающая фракция направляется обратно к входному отверстию 10 секции 1 и возвращается на отгонку и повышение концентрации данного способа.

В дальнейшем пар, оставшийся в секции 2, концентрируется настолько сильно, насколько возможно, и он составляет продукт, и, следовательно, конечная часть конденсации представляет собой чистую конденсацию без концентрирования, и пар и жидкость могут проходить к противоположному концу данной секции параллельно, где конденсат извлекается из аксиального жидкостного канала 5 через выход 22, в то время как пар полностью конденсируется. Однако торцевая крышка оборудуется вентиляционным штуцером 21 для удаления необязательно неконденсируемых компонентов. Очевидно, что можно создать аппарат для отгонки и повышения концентрации этанола из ферментационного бульона брожения без необходимости использования традиционной колонны, но приводящего к значительному снижению стоимости.

Аппарат идентичной конструкции можно использовать для обработки смесей, включающих некоторое количество бикарбоната аммония, например для обработки жидкого навоза, подаваемого через вход 24, поскольку концентрация аммиака является настолько низкой, что необходимо работать с дополнительным повышением концентрации, и орошающая фракция подается обратно в секцию отгонки через вход 10. Отгонка, по существу, не зависит от количества газообразного CO₂, который продолжает проходить в процессе вместе с отогнанным, содержащим аммиак паром, причем последний концентрируется в течение своего прохождения к выходу 20 к тепловому насосу 26. Теплопередача в течение отгонки не представляет никаких трудностей, поскольку жидкий навоз подается напротив поверхности теплопередачи, и орошающая фракция в концентрирующей части секции 1 представляет собой чистый дистиллят, что также не вызывает трудностей.

После сжатия посредством теплового насоса 26 смесь пар/газ подается через вход 27 в секцию 2, и она проходит к противоположному концу секции при постоянном контакте с поверхностью теплопередачи. Таким образом, полученный конденсат находится в равновесии с паром, дающим конденсат, означая, что концентрация аммиака в конденсате составляет только приблизительно 1/10 от концентрации в паре, и оставшийся пар, таким образом, будет сконцентрирован. Кроме того, конденсат, вброшенный внутрь по направлению к поверхности теплопередачи, причем указанная поверхность теперь действует в качестве охлаждающей поверхности, охлаждается, и когда конденсат стекает вниз к распыляющему ротору 4 и входит в контакт с более теплым противоточным паром после отбрасывания наружу, последнее приводит к дальнейшему концентрированию аммиачного пара, причем каждая рециркуляция конденсата осуществляется с двойным концентрированием аммиака в паре, и, таким образом, очевидно, что аммиак можно достаточно сконцентрировать без инвестирования в традиционную колонну концентрирования.

В начале конденсации существует незначительное парциальное давление, полученное от газообразного CO₂, причем давление увеличивается по мере конденсации пара, и это может иметь побочное действие, состоящее в том, что газ захватывается в течение конденсации пара, и поскольку газ не может быть сконденсирован, он будет образовывать слой, покрывающий охлаждающую поверхность, причем этот слой предотвращает контакт пара с охлаждающей поверхностью. На традиционный конденсатор это может оказывать абсолютно разрушительное воздействие, в то время как на новую систему это будет оказывать лишь ограниченное воздействие, поскольку газ не препятствует отбрасыванию конденсата к охлаждающей поверхности и, таким образом, охлаждению, возможно, вместе с конденсатом от пара, захваченного с конденсатом, который отбрасывался. В течение последующего выброса с контактом между жидкостью и паром охлажденный конденсат в контакте с более теплым паром получает дополнительное концентрирование.

Когда пар в течение конденсации настолько продвигается в аппарате, что необходимый орошающий конденсат в противотоке с паром отводится назад в секцию 1 из выхода 25 в секции 2 ко входу 10 в секции 1, пар с увеличивающейся концентрацией CO ₂ может продолжать проходить в аппарат параллельно с полученным конденсатом, но поскольку парциальное давление газа увеличивается, температура конденсации падает настолько резко, что теплота конденсации не может быть передана для испарения, и удаление газа сопровождается соответствующим объемом пара, приводя к потере для испарения. Решение введения дополнительного корпуса испарителя в секцию 1 является достаточно сложным, и было обнаружено, что проблема решается заявленной системой посредством поглощения аммиака подаваемой водой.

В заявленном способе объем воды подается в аксиальный жидкостный канал в месте присоединения торцевой крышки 23, причем этот объем достаточен для получения эффективной очистки газообразного CO₂ и полной конденсации аммиака в паре. В дальнейшем вода остается вместе с абсорбированным конденсатом в противотоке с паром и газом и вместе с постоянным поглощением конденсата, пока количество аммиака в конденсате не будет соответствовать содержанию азота жидкого навоза, и собирается из аксиального жидкостного канала через выпускной штуцер 28, расположенный там, где достигается желаемая концентрация.

Газообразный CO₂ отводится через выпускной штуцер 21. Газ можно сконденсировать в случае, когда его можно использовать, однако компрессор должен подавать давление в диапазоне 70 бар, причем это решение является достижимым, поскольку существуют холодильные установки, использующие этот газ в качестве хладагента.

Полученное решение для достижения экономичного выделения аммиака и CO₂ из раствора, включающего бикарбонат аммония, необязательно может являться альтернативой удаления газообразного CO₂ из топочного газа аммиаком, поскольку смесь аммиак/вода может отделять данный газ посредством очистки такой смеси при подходящей температуре. Способствующим фактором в этом экономическом решении является тот факт, что при связывании 44 кг CO₂ используется только 17 кг аммиака, который, в свою очередь, извлекается. Очистку можно осуществлять с помощью аппарата, описанного в EP 1185346B1, поскольку можно добавить жидкую среду в различных местах аксиального жидкостного канала, так что конечная очистка может осуществляться, например, чистой водой.

После прохождения скруббера жидкая смесь направляется в секцию 1, вход 10 аппарата или, если требуется повышение концентрации, на вход 24, имеющий подходящее положение между входом 10 и выходом 11, соответствующее требуемому повышению концентрации. Нет необходимости, чтобы подводящий вход имел фиксированное соединение с жидкостным каналом, поскольку распыляющий ротор будет немедленно доставлять подаваемую жидкость на бесперебойную рециркуляцию. Поскольку отделение газообразного CO₂ можно осуществлять при сравнительно высокой концентрации аммиака, ожидается, что будут необходимыми только чистая отгонка или только незначительное концентрирование, и, таким образом, тепловой насос будет иметь благоприятные рабочие условия. Теоретический расход энергии 14 кВт с адиабатическим сжатием количества пара, соответствующего отгонке 1 метрической тонны одного газообразного CO₂ для приведения в действие компрессора, очевидно, является достижимым, и поскольку аппарат может обеспечить отгонку и повышение концентрации без необходимости традиционной колонны отгонки и концентрирования, капиталовложения являются достаточно умеренными. Единственный недостаток системы состоит в небольшой производительности одиночного устройства по сравнению с потребностями силовой установки.