RU2013101C1

RU2013101C1 - Heat pump evaporation method

Info

Publication number: RU2013101C1
Authority: RU
Inventors: М.С. Гофман; А.Л. Штерензон; В.Б. Терентьев; И.Г. Бляхер; Г.Г. Копытов; Т.Л. Кузнецова; Н.А. Кукшанова
Original assignee: Уральский Научно-Исследовательский Химический Институт Научно-Производственного Объединения "Кристалл"
Priority date: 1990-04-12
Filing date: 1990-04-12
Publication date: 1994-05-30

Abstract

FIELD: evaporation of solutions. SUBSTANCE: method involves evaporating basic solution by direct contact with neutral intermediate heat-carrier, which does not mix with this solution; effectuating adiabatic compression of obtained secondary vapor; providing transmission of compressed secondary vapor heat to intermediate heat-carrier during condensation of secondary vapor; separating liquid heat-carrier from evaporated solution and secondary vapor condensate. Method is characterized in that vaporous intermediate heat-carrier is supplied for evaporation of basic solution and in that transmission of heat to intermediate heat-carrier during condensation of secondary vapor is provided through wall. When evaporation aqueous solutions is effectuated, organic compound is used as intermediate heat-carrier. When organic solutions are to be evaporated, water is used as intermediate heat-carrier. EFFECT: increased efficiency of method and enhanced reliability in operation of device. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к химической технологии, в частности к области концентрирования растворов путем упаривания. The invention relates to chemical technology, in particular to the field of concentration of solutions by evaporation.

Известны различные способы упаривания и среди них способ упаривания с применением теплового насоса [1] . Принцип данного способа упаривания с применением теплового насоса состоит в том, что путем адиабатического сжатия вторичного пара в компрессоре повышают температуру насыщения пара и используют его для обогрева того же аппарата, в котором этот вторичный пар образовался. There are various methods of evaporation and among them the method of evaporation using a heat pump [1]. The principle of this method of evaporation using a heat pump is that by adiabatic compression of the secondary steam in the compressor, the temperature of saturation of the steam is increased and it is used to heat the same apparatus in which this secondary steam was formed.

Обычно в выпарном аппарате испаряется количество воды, приблизительно равное расходуемому первичному пару. Следовательно, применяя сжатие вторичного пара, можно теоретически обойтись одним этим паром без добавления свежего. Для проведения выпаривания только за счет механической энергии без добавочных затрат свежего пара необходимо, чтобы тепло, сообщенное пару в ходе сжатия, полностью компенсировало тепло, потерянное в окружающую среду. Экономия греющего пара в установках с тепловым насосом выше, чем в традиционно применяемых многокорпусных аппаратах. Наиболее существенным недостатком способа является малая интенсивность теплообмена, поскольку передача тепла проходит через стенку. Велика опасность инкрустации теплообменных поверхностей, что еще более снижает интенсивность процесса и приводит к необходимости частых остановок для очистки поверхностей, что значительно ухудшает условия эксплуатации. Typically, an amount of water approximately equal to the primary steam consumed is vaporized in the evaporator. Therefore, applying the compression of the secondary steam, it is theoretically possible to dispense with this steam alone without adding fresh. To carry out evaporation only due to mechanical energy without the additional cost of fresh steam, it is necessary that the heat communicated by the steam during compression completely compensates for the heat lost to the environment. Savings in heating steam in heat pump installations are higher than in conventional multihull machines. The most significant disadvantage of this method is the low intensity of heat transfer, since heat transfer passes through the wall. There is a great danger of incrustation of heat-exchange surfaces, which further reduces the intensity of the process and leads to the need for frequent stops for cleaning surfaces, which significantly worsens operating conditions.

Наиболее близким к настоящему изобретению является способ выпаривания с использованием теплового насоса и гидрофобного нейтрального промежуточного теплоносителя [2] . Closest to the present invention is a method of evaporation using a heat pump and a hydrophobic neutral intermediate coolant [2].

В данном способе упариваемый раствор приводят в непосредственный контакт с нагретым промежуточным теплоносителем. При опреснении морской воды в качестве такового используют парафин. Рассол в смеси с парафином выводят из испарителя и подвергают расслаиванию, учитывая несмешиваемость гидрофобного теплоносителя с рассолом (соответственно водой). Образовавшийся пар адиабатически сжимают термокомпрессором и приводят в непосредственный контакт с остывшим парафином. Нагретый парафин после отделения от конденсата вторичного пара расслаиванием вновь возвращают на упаривание. К недостаткам данного способа относится повышенный расход энергии на перекачку значительных объемов промежуточного теплоносителя из-за малой теплоемкости последнего. Кроме того, при работе под атмосферным давлением в этом случае не может быть снижена температура испарения, что необходимо при работе с термолабильными веществами. In this method, the evaporated solution is brought into direct contact with the heated intermediate coolant. When desalinating sea water, paraffin is used as such. The brine in a mixture with paraffin is removed from the evaporator and subjected to delamination, taking into account the immiscibility of the hydrophobic coolant with brine (respectively, water). The resulting vapor is adiabatically compressed by a thermocompressor and brought into direct contact with cooled paraffin. The heated paraffin after separation of the secondary steam from the condensate by delamination is again returned to evaporation. The disadvantages of this method include the increased energy consumption for pumping significant volumes of the intermediate coolant due to the low heat capacity of the latter. In addition, when working under atmospheric pressure in this case, the evaporation temperature cannot be reduced, which is necessary when working with thermolabile substances.

Целью изобретения является экономия энергии и снижение температуры испарения. The aim of the invention is to save energy and reduce the temperature of evaporation.

Цель достигается тем, что промежуточный теплоноситель подают на испарение исходного раствора в парообразном виде, а передачу тепла промежуточному теплоносителю при конденсации вторичного пара осуществляют через стенку. При выпаривании водных растворов в качестве промежуточного теплоносителя используют органические соединения, а при упаривании органических растворов в качестве промежуточного теплоносителя используют воду. The goal is achieved in that the intermediate heat carrier is supplied to vaporize the initial solution in vapor form, and heat is transferred to the intermediate heat medium during condensation of the secondary steam through the wall. When evaporating aqueous solutions, organic compounds are used as an intermediate heat carrier, and when evaporating organic solutions, water is used as an intermediate heat carrier.

Сопоставительный анализ настоящего изобретения с прототипом показывает, что отличие состоит в использовании на стадии собственно выпарки промежуточного теплоносителя в парообразном виде и в передаче тепла промежуточному теплоносителю при конденсации вторичного пара через стенку. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "Новизна". A comparative analysis of the present invention with the prototype shows that the difference lies in the use of the intermediate coolant in vapor form at the stage of the actual evaporation and in the transfer of heat to the intermediate coolant during condensation of the secondary steam through the wall. Thus, the claimed method meets the criterion of "Novelty."

Сравнение заявленного решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в области выпарки, показывает, что известны решения, связанные с использованием пара органического агента при упарке водных растворов [3] . Однако только совокупность признаков настоящего изобретения позволяет решить поставленную задачу неочевидным для специалиста путем, что соответствует понятию об изобретательском уровне и критерию "Существенные отличия". Говоря о соответствии решения этому критерию следует отметить следующее. В подавляющем большинстве случаев термин "выпарка" используется применительно к водным растворам неорганических соединений. Однако возможны случаи концентрирования по какому-либо веществу смеси, например, двух органических соединений. Если под агентом при выпарке водных растворов неорганических соединений понимается нейтральное органическое вещество, то при упарке - концентрировании смеси органических соединений в качестве промежуточного теплоносителя может выступать вода. Comparison of the claimed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in the field of evaporation, shows that there are known solutions associated with the use of steam of an organic agent when evaporating aqueous solutions [3]. However, only the totality of the features of the present invention allows to solve the problem in an unobvious way for a specialist, which corresponds to the concept of inventive step and the criterion of "Significant differences". Speaking about the compliance of the solution with this criterion, the following should be noted. In the vast majority of cases, the term "residue" is used in relation to aqueous solutions of inorganic compounds. However, there may be cases when a mixture of, for example, two organic compounds is concentrated on some substance. If an agent during evaporation of aqueous solutions of inorganic compounds is understood to be a neutral organic substance, then during evaporation - concentration of a mixture of organic compounds, water may act as an intermediate heat carrier.

При выпарке водных растворов наблюдается значительное повышение температуры кипения по сравнению с чистой водой. Температура вторичного пара - более низкая величина и соответствует температуре кипения воды при давлении процесса. Следовательно, необходимо такое адиабатическое сжатие вторичного пара, при котором конечная температура будет выше (по крайней мере на 8-10^оС) температуры кипения раствора. При значительной температурной депрессии работа с тепловым насосом может стать невыгодной. При упарке, например, водных растворов по предлагаемому способу при непосредственном контакте паров органического агента с раствором при неизбежной конденсации части органики температура кипения соответствует температуре кипения смеси органики и водного раствора и всегда ниже наименьшей из них. При подаче собственно на стадии упарки органики в парообразном состоянии необходимо сжимать вторичный пар до приобретения им температуры, превышающей (по крайней мере на 8-10^оС) температуру кипения органического агента. При этом общей совокупностью признаков обеспечивается свойство, позволяющее снизить температуру кипения, температуру сжатия и потребную на это энергию.When evaporating aqueous solutions, a significant increase in boiling point is observed compared to pure water. The temperature of the secondary steam is a lower value and corresponds to the boiling point of water at the process pressure. Consequently, a need adiabatic compression of vapor, wherein the final temperature will be higher (at least 8-10 ° ^C) the boiling point of the solution. With significant temperature depression, working with a heat pump can become disadvantageous. When evaporating, for example, aqueous solutions according to the proposed method with direct contact of the vapors of the organic agent with the solution during the inevitable condensation of part of the organics, the boiling point corresponds to the boiling point of the mixture of organic and aqueous solution and is always lower than the smallest of them. When applying proper step uparki organics in the vapor state is required to compress the vapors to the acquisition of temperature higher than (at least 8-10 ° ^C) the boiling point of the organic agent. In this case, a common set of features provides a property that allows to reduce the boiling point, compression temperature and the energy required for this.

Основная экономия энергии в предлагаемом решении формируется за счет снижения энергии, потребной на перекачку органики. Если по прототипу передачу органики из испарителя в сепаратор и из него в конденсатор можно организовать самотеком, то возврат нагретой органики в испаритель проводят с помощью насоса. В заявляемом решении из сепаратора (разделителя) конденсата часть вторичного пара органики может быть подана в конденсатор также с помощью насоса. Однако, учитывая, что на стадии собственно выпарки используется тепло фазового перехода пар - жидкость, а не тепло нагрева органики и частичного тепла фазового перехода жидкость - твердое, перекачиваемый объем несопоставимо уменьшается против объема перекачиваемой органики по прототипу. The main energy savings in the proposed solution is formed by reducing the energy required for pumping organics. If according to the prototype the transfer of organics from the evaporator to the separator and from it to the condenser can be organized by gravity, then the return of the heated organics to the evaporator is carried out using a pump. In the claimed solution from the condensate separator (separator), a part of the organic organic vapor can be supplied to the condenser also by means of a pump. However, given that at the stage of the actual evaporation, the heat of the phase transition of the vapor — liquid is used, and not the heat of heating of organics and the partial heat of the phase transition of the liquid — solid, the pumped volume decreases incomparably against the volume of the pumped organics according to the prototype.

На чертеже представлена схема осуществления предлагаемого способа. The drawing shows a diagram of the implementation of the proposed method.

На стадию испарения исходного раствора подают последний и пар органического агента (реализация испарения в ходе непосредственного контакта в аппарате 1). Органический агент, нейтральный по отношению к упариваемому раствору и несмешивающийся с ним, в основной массе претерпевает конденсацию, передавая упариваемому раствору теплоту испарения (и возможно перегрева). Присутствие на стадии испарения упаренного раствора и жидкого органического агента определяет в полной мере состав вторичного пара. Последний представляет собой смесь паров воды и органического агента в гетероазеотропном состоянии. Вторичный пар далее подвергают адиабатическому сжатию, повышая его температуру и теплосодержание за счет подведения механической энергии - реализация, например, компрессор 2. Далее сжатый вторичный пар направляют на испарение органического агента, т. е. при использовании основной его тепловой энергии (реализация - теплообменник 3 кожухотрубного типа с рубашкой). Конденсат вторичного пара расслаивают, отделяя органический агент от воды (реализация - обычный отстойный аппарат (4, 5). Отделенный органический агент направляют на испарение в теплообменник 3. At the stage of evaporation of the initial solution serves the last and the vapor of the organic agent (the implementation of evaporation during direct contact in the apparatus 1). The organic agent, neutral with respect to the evaporated solution and immiscible with it, undergoes condensation in the bulk, transferring the heat of evaporation (and possibly overheating) to the evaporated solution. The presence of an evaporated solution and a liquid organic agent at the stage of evaporation fully determines the composition of the secondary vapor. The latter is a mixture of water vapor and an organic agent in a heteroazeotropic state. Secondary steam is further subjected to adiabatic compression, increasing its temperature and heat content due to the addition of mechanical energy - sale, for example, compressor 2. Next, the compressed second steam is directed to the evaporation of the organic agent, i.e. when using its main heat energy (sale - heat exchanger 3 shell-and-tube type with a shirt). The condensate of the secondary vapor is separated by separating the organic agent from water (the implementation is a conventional settling apparatus (4, 5). The separated organic agent is sent for evaporation to the heat exchanger 3.

П р и м е р. На упарку подают насыщенный раствор NaCl, содержащий 27,5 мас. % соли в количестве 10000 кг/ч с целью получения 1000 кг/ч кристаллического продукта. Количество выпариваемой воды составляет 2636 кг/ч. Упарку проводят при непосредственном контакте раствора с парами Н-гептана, в количестве 43204 кг/ч, подаваемыми при температуре кипения, равной 98,4^оС при атмосферном давлении. При непосредственном контакте проходит конденсация 18538 кг/ч паров Н-гептана. Температура кипения смеси раствора поваренной соли и Н-гептана составляет 82,2^оС. Из процесса упарки на сжатие в адиабатическом режиме поступает смесь паров, состоящая из 2636 кг/ч пара воды и 24666 кг/ч пара Н-гептана. В компрессоре смесь паров адиабатически сжимают до давления 1,52 ата. При этом температура паров повышается до 108,4^оС. Сжатый пар подают на испарение Н-гептана в количестве 43204 кг/га. Непосредственно из процесса упарки выводят смесь, содержащую 1000 кг кристаллического продукта, 6364 кг насыщенного раствора и 18538 кг/ч Н-гептана. Со стадии испарения Н-гептана выводят конденсат, содержащий 2636 кг/ч воды и 24666 кг/ч Н-гептана. Смесь и конденсат расслаивают, и весь отделившийся Н-гептан подают на испарение, а пар Н-гептана соответственно в процесс упарки раствора.PRI me R. A saturated NaCl solution containing 27.5 wt. % salt in an amount of 10,000 kg / h in order to obtain 1000 kg / h of crystalline product. The amount of evaporated water is 2636 kg / h. The evaporation is carried out with direct contact of the solution with vapors of N-heptane, in an amount of 43204 kg / h, supplied at a boiling point equal to 98.4 ^about C at atmospheric pressure. With direct contact, condensation of 18538 kg / h of N-heptane vapor occurs. The boiling point of the mixture of salt solution and n-heptane was 82.2 ^C. From uparki compression process adiabatically enters vapor mixture consisting of 2636 kg / h of water vapor and 24666 kg / h of n-heptane vapor. In the compressor, the vapor mixture is adiabatically compressed to a pressure of 1.52 atmospheres. The temperature of the vapor rises to 108.4 ^about C. Compressed steam is fed to the evaporation of N-heptane in an amount of 43204 kg / ha. A mixture containing 1000 kg of crystalline product, 6364 kg of saturated solution and 18538 kg / h of N-heptane is removed directly from the evaporation process. A condensate containing 2636 kg / h of water and 24666 kg / h of N-heptane is removed from the evaporation stage of N-heptane. The mixture and condensate are delaminated, and all the separated N-heptane is fed to evaporation, and the N-heptane vapor, respectively, in the process of evaporation of the solution.

Claims

1. METHOD OF EVAPORATION USING THE HEAT PUMP, including evaporation of the initial solution in direct contact with a neutral and immiscible intermediate heat carrier, adiabatic compression of the resulting secondary steam, heat transfer of compressed secondary steam during its condensation to the intermediate heat carrier, separation of the heat carrier in liquid form from the heat carrier solution and from the condensate of the secondary steam, and mixing the separated liquid coolant with each other, characterized in that in order to save energy In order to reduce the evaporation temperature, the intermediate coolant is fed to vaporize the initial solution in vapor form, and heat is transferred to the intermediate coolant during condensation of the secondary steam through the wall.

2. The method according to p. 1, characterized in that when evaporating aqueous solutions, organic compounds are used as an intermediate heat carrier.

3. The method according to p. 1, characterized in that when evaporating organic solutions, water is used as an intermediate heat carrier.