СПОСОБ АДИАБАТНОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ РАСТВОРОВ Российский патент 1997 года по МПК B01D3/06 C12G3/12 

Изобретение относится к перегонке растворов и может быть использовано для разделения на чистые фазы, растворов всех типов:
жидкостей смешивающихся в любых отношениях, т. е. так называемых "истинных" растворов;
жидкостей, частично смешивающихся;
данный способ применим для разделения на чистые фазы положительных азеотропов (имеющих минимальную температуру кипения);
отрицательные азеотропы (имеющие максимальную температуру кипения) способом адиабатной дистилляции разделить на чистые компоненты невозможно, но если раствор образует отрицательный азеотроп, то его можно разделить на азеотроп и чистый компонент A или B, тот который в избытке в начальном растворе.

Сущность способа состоит в распылении жидкости (раствора) в объем ее насыщающего пара, что определяет собой процесс в адиабатически изолированной системе. Самопроизвольный процесс превращения капель раствора в капли чистой жидкости происходит без притока тепла извне и без изменения объема системы, что показывает превращения капли, как фазовый переход II рода. Явно видно, что известные способы разделения растворов простая перегонка и ректификация, основанные на фазовом переходе I рода испарении, не являются аналогами способа адиабатической дистилляции.

При адиабатической дистилляции происходят молекулярные обмены между каплями диспергированной жидкости и насыщающим паром жидкости. Объем насыщающего пара жидкости, в котором распылены капли раствора, выражает собой адиабатически изолированную систему, которая не обменивается теплом с окружением (Q=const, P=const, T=const). Это исключает возможность односторонних процессов испарения диспергированной жидкости, или конденсации парообразной фазы. Объем системы сохраняется неизменным (V=const). Следовательно сохраняются неизменными как количество моль диспергированной жидкости, так и количество моль парообразной фазы. Переменной величиной, в результате молекулярных обменов, оказываются только составы жидкой и парообразной фазы. В каплях жидкости нижекипящий компонент присутствует в виде растворенного газа. Растворимость газа при температуре кипения жидкости становится равной нулю, что определяет полное выделение молекул газа из капли, когда ее температура повысится до температуры ее насыщающего пара. В начальный момент распыления температура капли ниже, и может быть даже значительно ниже температуры ее насыщающего пара. Нагревание капли происходит в результате конденсации молекул ее пара на поверхности капли. Когда температура капли становится равной температуре ее пара, то капля полностью самоочищается (десорбируется) от молекул газа. Капля становится чистой. Таким образом, способ адиабатной дистилляции определяет возможность полного разделения раствора на чистые фазы.

Способ адиабатной дистилляции растворов осуществляется в перегонном аппарате, показанном на чертеже.

Перегонный аппарат работает следующим образом. Насосом 1 раствор подается в теплообменник 2, где подогревается теплом жидкости A, далее раствор x поступает в конденсатор 3, где дополнительно подвергается теплотой конденсации паров жидкости A. Из конденсатора горячий раствор x стекает в сборник 4. Из сборника раствор поступает на паровой инжектор 5, где распыляется, и в виде парожидкостной смеси попадает в сепаратор, (например), циклон 6. В циклоне капли жидкости, в среде ее насыщающего пара, в результате молекулярных обменов, полностью очищаются (десорбируются) от газа низкокипящего компонента B, становятся чистыми. В циклоне, капли жидкости центробежной силой отбрасывается на стенки, и стекают вниз. Чистая жидкость A из циклона стекает в теплообменник 2, где отдает часть тепла раствору x, и выходит из теплообменника как готовый продукт перегонки чистой жидкостью A (x 0). Из циклона парогазовая смесь попадает в конденсатор 3, где пары компонента A конденсируются, а газ компонента B проходит через конденсатор почти без задержки. Поскольку температура конденсата несколько ниже, чем температура кипения жидкости A, то небольшая часть газа B будет растворяться в конденсате A, и образовывать раствор низкой концентрации x, который стекает в сборник 4 для повторной перегонки. Из конденсатора 3 вместе с газом B, конечно, будет и проскок небольшого количества пара жидкости A. Поэтому установлен дополнительно конденсатор 7 для глубокого осушения газа B от паров жидкости A. Конденсатор работает в жестком режиме глубокого переохлаждения жидкости. Получающийся при этом раствор имеет высокую концентрацию и может использоваться как самостоятельный продукт перегонки. Выходящий из конденсатора 7 почти осушенный газ B поступает в конденсатор-холодильник 8, где конденсируется, охлаждается и выходит готовым продуктом перегонки почти чистой жидкостью B (x 1 B(x = 1 - Δx).
Пример 1. Для перегонки брали водно-спиртовый раствор концентрацией 8 мас. Такую концентрацию обычно имеют бражки спиртового производства. Удельный вес спирта 0,8, значит в 100 кг бражки, концентрацией 8 мас. дел. содержится один декалитр спирта.

Исходные данные: количество бражки 100 кг; концентрация бражки 8 мас. температура бражки 28^oC; теплоемкость бражки 1,0 Ккал/кг; теплоемкость барды 1,0 Ккал/кг; теплота испарения воды 537 Ккал/кг; теплота испарения спирта при 100^oC 199 Ккал/кг; концентрация парообразной фазы y0,45 мол.д. или 67 мас. доли.

Расход тепла при перегонке раствора состоит: в подогреве бражки от начальной температуры 28^oC, до конечной температуры 100^oC, и расходе насыщенного водяного пара в адиабатическом процессе очистки капель жидкости от молекул спирта.

Пример 2. Подогрев бражки от начальной температуры 28^oC до температуры 50^oC, производится теплом барды. Количество получаемой барды, с учетом веса конденсата, не менее 100 кг, теплоемкость бражки и барды полагаем равными. Это позволяет в простейшем теплообменнике подогреть бражку до средней температуры равной 64^oC. Ограничимся подогревом теплом барды до температуры 50^oC.

Пример 3. Дальнейший подогрев бражки производили теплотой конденсации водяного пара в конденсаторе 3. Парообразная фаза, поступающая в конденсатор 3 имеет концентрацию 67 мас. Значит, в объеме 8 кг спиртового газа содержится масса водяного пара в количестве
(8•0,33)/0,67 4,95 кг.

Теплота конденсации 4,95 кг водяного пара равна 4,95•537 4150 Ккал, что достаточно для подогрева 100 кг бражки, с учетом теплопотерь, на 40^oC, т.е. от температуры 50^oC до температуры 90^oC.

Пример 4. Окончательный нагрев 100 кг бражки от температуры 90 до 100^oC производится паром в инжекторе адиабатического дистиллятора. Необходимо тепла для подогрева бражки: 0 100,1 (100 90) 1000 Ккал, что определяет расход пара равным
1000/537 1,85 кг
Пример 5. Дистилляция капельной жидкости происходит в результате конденсации молекул водяного пара на поверхности капель жидкости, что приводит к испарению молекул спирта, в равном тепловом отношении. Теплота испарения (конденсации) воды при 100^oC, равна 537 Ккал/кг, теплота испарения спирта при 100^oC равна 199 Ккал/кг. Следовательно конденсация 1 кг водяного пара приводит к испарению
537/199 2,7 кг
этилового спирта.

В 100 кг бражки содержится 8 кг спирта, что определяет расход пара равным
8/2,7 3 кг.

Суммарный расход пара на перегонку 100 кг бражки и получение одного декалитра чистого безводного этилового спирта составляет 4,85 кг/дал.

Сравним с расходом пара при получении одного декалитра "абсолютного" спирта например способом брагоректификации.

Получение "абсолютного", безводного спирта способом ректификации производится на комбинированном брагоректификационном аппарате, состоящим из трехколонного брагоректификационного аппарата, дополненного дегидратационным аппаратом. Данная установка считается наиболее эффективной по технико-экономическим показателям. Средний расход пара на данном аппарате для получения одного декалитра безводного спирта составляет 59 кг/дал.

Способом адиабатной дистилляции потребность в расходе пара для получения одного декалитра безводного спирта составляет только 5 кг/дал. т.е. на порядок ниже.

При адиабатной дистилляции на порядок ниже и расход охлаждающей воды, которая используется только для конденсации спиртового пара и охлаждения спирта до конечной температуры 20^oC, что осуществляется в комбинированном конденсаторе холодильнике (чертеж).

Исходные данные: количество спиртового пара 8 кг; теплота испарения (конденсации) спирта 214,4 Ккал/кг; теплоемкость спирта 0,58 Ккал/кг; теплоемкость воды 1,0 Ккал/кг; температура охлаждающей воды 15^oC; конечная температура воды 60^oC; температура конденсации спирта - 78,3^oC.

Количество теплоты конденсации паров спирта равно 8•214,4 1730 Ккал.

Количество теплоты охлаждения спирта равно 8•0,58•(78-20) 270 Ккал.

Всего требуется отвести тепла 1730 + 270 2000 Ккал. Потребное количество охлаждающей воды
2000/(60 15) 44 кг.

При ректификации расход охлаждающей воды составляет 600 кг.

Использование: для разделения на чистые фазы раствора всех типов. Сущность изобретения: жидкость (раствор) подогревается до температуры кипения, затем с помощью инжектора или другого устройства распыляется в среду насыщающего пара жидкости, после чего смесь пара с диспергированной жидкостью попадает в сепаратор, например, циклон, где отделяется жидкость, а выходящая из сепаратора парообразная фаза поступает в конденсатор, где конденсируется насыщающий пар жидкости. 1 ил.

Способ адиабатной дистилляции растворов, отличающийся тем, что жидкость (раствор) подогревается до температуры кипения, затем с помощью инжектора или другого устройства распыляется в среду насыщающего пара жидкости, после чего смесь пара с диспергированной жидкостью попадает в сепаратор, где отделяется жидкость, выходящая из сепаратора парообразная фаза поступает в конденсатор, где конденсируется насыщающий пар жидкости.