ДЕСОРБЦИОННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2009 года по МПК C02F1/20 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах химводоподготовки на тепловых электростанциях и котельных в качестве декарбонизатора.

Известны и нашли широкое применение десорберы (декарбонизаторы) пленочного типа, представляющие собой колонну (емкость) свободного слива, заполненную кольцами. В этих колоннах (емкостях) в противотоке контактируют декарбонизируемая вода и воздух, подаваемый в декарбонизатор дутьевым вентилятором (вода подается сверху, а воздух - снизу, образуя противоток). Далее декарбонизированная вода сливается в аккумулирующую емкость (бак).

Таковы декарбонизаторы (дегазатоы, десорберы) ([1] Справочник химика -энергетика под редакцией Голубцова В.А. и др., Государственное энергетическое издательство, Москва, Ленинград, 1958, том второй, стр.156. 157, фиг.9-11, 9-12, [2] Ф.И.Белан и Г.П.Сутоцкий «Водоподготовка промышленных котельных», «Энергия» 1969, стр.268,269, рис.11-7).

Недостатком указанных аппаратов является их громоздкость, большая метало- и материалоемкость и недостаточная эффективность работы. Со временем керамические кольца Рашига крошатся, спрессовываются, покрываются скользким налетом, что приводит к неудовлетворительной работе декарбонизатора и к необходимости выгружать 20 и более тонн керамических колец из каждого декарбонизатора, очищать их от налета и заменять разрушенные кольца полностью или частично. Кроме этого недостатком является капельный унос влаги из верхней части декарбонизатора, что приводит к обледенениям вокруг декарбонизатора зимой.

В декарбонизаторе осуществляется десорбция агрессивного газа (CO₂) из жидкости при помощи другого газа (абсорбента - воздуха, в котором парциальное давление десорбируемого газа ничтожно). Существуют несколько способов десорбции газов из воды при помощи другого газа или пара. Это пленочная или струйная десорбция в специальных колоннах, когда жидкость подают в верхнюю часть десорбера, а десорбирующий газ снизу противотоком (выше говорилось о таких десорберах). Кроме этого существуют термические десорберы (термические деаэраторы) струйного, пленочного и барботажного типа. В последних десорбирующий газ (пар) барботируется с максимальной глубины емкости, создавая непрерывную многократную циркуляцию воды при увеличенной поверхности контакта фаз. Эти деаэраторы более эффективны, чем струйные и пленочные, так как пар контактирует с водой многократно, и результат достигается при меньшем выпаре (см. [2], стр.203-205, рис.9-8, 9-9).Существуют также многоступенчатые термические деаэраторы (см. [3] патент РФ №1454781), в которых в первой ступени осуществляется контакт воды с паром и центробежная сепарация выпара (смеси пара с десорбированными газами), во второй ступени - капельная деаэрация на «начальном эффекте» - вскипании каждой капли воды, перегретой выше температуры насыщения, с выделением выпара и контакт капель с паром в паровом пространстве емкости, в третьей ступени барботаж пара через воду и окончательное освобождение от агрессивных газов.

В качестве аналогов можно использовать также и термические деаэраторы (см. [4] патент РФ №2242672 и [5] Патент РФ №2300050), [3], но без барботажа пара через воду в аккумуляторной емкости. Оказалось, что при термической деаэрации центробежно-вихревая деаэрация и капельная деаэрация (вскипание каждой капли воды с образованием выпара) настолько эффективны, что не требуется барботажная деаэрация). Аналогом является также дегазационная установка (декарбонизатор) ([6], авт.свид. СССР №1402582). В этой установке отсутствует дутьевой вентилятор, и воздух эжектируется из атмосферы при помощи водоструйного эжектора с последующей подачей в центробежно-вихревой десорбер. Эта установка, примененная в качестве декарбонизатора, обеспечила 90% удаления углекислоты из воды. Однако достигнуть расчетного качества декарбонизации воды не удалось из-за малого количества эжектируемого воздуха

В качестве прототипа выбрана десорбционная установка для термической деаэрации воды (см. [3] Патент РФ №1454781). Она представляет собой трехступенчатую десорбционную установку. В качестве первой ступени используется центробежно-вихревой деаэратор (тепломассообменник) ЦВД (см. [7] Патент РФ №2131555), содержащий цилиндрический корпус верхней и нижней торцевыми крышками, центробежный сепаратор (циклон), выполненный в виде обечайки и соединенный с внутренней частью корпуса посредством отверстий, выполненных в нижней части корпуса, тангенциальный патрубок подвода жидкой среды (воды), патрубок подвода газообразной среды (пара) и патрубки отвода жидкой и газообразной сред, соединенные с внутренним пространством сепаратора, причем патрубок подвода газообразной среды подсоединен к верхней торцевой крышке корпуса, а патрубок отвода газообразной среды из сепаратора проходит через корпус. В качестве первой ступени может быть также использован корпус дегазационной установки (см. [6] Авт.св. 1402582). В качестве второй ступени установки служит диспергирующее устройство (перфорированная труба), размещенное в наджидкостном пространстве емкости и соединенное трубой с выходным патрубком жидкости устройства первой ступени. В качестве третьей ступени служит емкость, в которой под уровнем жидкости находится барботер (устройство для барботирования пара через воду). В емкости имеется труба отвода отработанного десорбирующего агента (пара) и труба отвода десорбированной (деаэрированной) воды.

Такие термические деаэраторы можно было бы использовать в качестве нетермических десорберов (декарбонизаторов), подав вместо пара воздух. Однако применить такие деаэраторы в качестве декарбонизаторов в неизмененном виде нецелесообразно, так как из-за большого сопротивления столба воды над барботером для барботажа воздуха пришлось бы увеличить в 10-50 раз напор воздуха, создаваемого дутьевой машиной, используемой в декарбонизаторах, что привело бы к большому перерасходу энергии на привод воздуходувной машины.

Целью настоящего изобретения является применение изобретения (Патент РФ №1454781) в качестве декарбонизатора при устранении указанного недостатка трехступенчатой установки (обеспечение возможности использовать низконапорный вентиляторный воздух для барботажа через слой воды при высокой кратности циркуляции воды во всем объеме емкости). Барботажная десорбция газов при помощи десорбирующего агента очень эффективна при многократной рециркуляции воды, так как обеспечивает большую поверхность контакта фаз

Вопрос обеспечения повышенной поверхности контакта фаз воздуха и жидкости при надежной циркуляции жидкости во всем объеме емкости при использовании низконапорного вентиляторного воздуха решен в аппаратах других классов (см. [8] авт.св. СССР №1096933 «Аппарат для выращивания микроорганизмов», класс С12М1/02 и [9] патент РФ №2226182 «Аэротенк», класс 7C02F3/22//(C02F 3/22,101:30), 103:34). Применение аналогичных устройств для обеспечения барботажа низконапорного воздуха через воду при надежной циркуляции воды во всем объеме возможно в аккумулирующей емкости декарбонизатора (в третьей ступени установки) для десорбции углекислоты.

В первой ступени установки, описанной выше, вместо подводящего паропровода подведен воздуховод от дутьевого вентилятора, или в рассечку подводящего трубопровода воды устанавливается водоструйный эжектор, засасывающий воздух из атмосферы (см. фиг.3, а также [10] Авт.св. СССР №1402582). Применение этого изобретения в качестве одноступенчатого декарбонизатора дало снижение содержания углекислоты в воде на 90%, но не обеспечило расчетного качества декарбонизации воды.

В известной конструкции третьей ступени установки, содержащей емкость, устройство для подвода воды (диспергатор), отводящий патрубок десорбированной воды, подводящий патрубок десорбирующего агента, барботер (распределительное устройство, погруженное в воду), изменена конструкция устройства для обеспечения барботажа десорбирующего агента при обеспечении достаточной кратности циркуляции воды через это устройство. В новой конструкции это устройство представляет собой вертикальный циркуляционный канал в виде обечайки или короба прямоугольного или другого сечения, верхняя часть которого имеет отбортовку, а над отбортовкой с зазором помещен отбойник, при этом барботирующее воздух устройство (барботер) расположено в верхней части циркуляционного канала ниже верхней кромки отбортовки (глубина погружения барботера должна соответствовать давлению десорбирующего воздуха в мм вод.ст.). В емкости должен поддерживаться уровень воды над барботером, не превышающий давления воздуха при помощи регулятора уровня (регулятора подачи воды) или при помощи сливного трубопровода, расположенного на расчетной высоте, соответствующей заданному уровню воды.

На фиг.1 схематически показана трехступенчатая десорбционная установка с продольными разрезами ее частей, с подводящими и соединительными трубопроводами и воздуховодами (вариант, когда аккумулирующая емкость десорбированной воды является одновременно и барботажным десорбером третьей ступени).

На фиг.2 - вариант установки, когда десорбером второй и третьей ступени является промежуточная емкость со свободным переливом воды в другую емкость, в которой поддерживается уровень воды при помощи регулятора уровня).

На фиг.3 - вариант первой ступени установки, когда заглушен патрубок подвода десорбирующего воздуха от воздуходувной машины (вентилятора), а на трубопроводе подвода воды в рассечку установлен водоструйный эжектор, засасывающий воздух из атмосферы (см. авт.св. СССР №1402582).

На фиг.4 - вариант десорбционной установки, когда в качестве десорбционной установки используются только вторая и третья ступени.

Десорбционная установка имеет десорбер первой ступени, аналогичный описанному выше (см. патент РФ №2131555), содержащий цилиндрический корпус 1 с верхней и нижней торцевыми крышками, с тангенциальным патрубком 2, подводящим воду от трубопровода исходной воды 3, тангенциальным патрубком 4, отводящим воду во вторую ступень, сепаратором 5, соединенным с внутренней частью корпуса отверстиями 6, патрубком 7 на верхней крышке с подводящим воздуховодом 8а от дутьевого вентилятора 9, трубой 10, соединяющей внутреннюю часть сепаратора 5 с атмосферой и проходящей через корпус 1. Десорберов первой ступени может быть установлено несколько штук, если нагрузка десорбера изменяется в широких пределах. Десорбер первой ступени может быть выполнен упрощенным, например, аналогичным описанному в авторском свидетельстве СССР №1402582, имеющим цилиндрический корпус с верхней и нижней торцевыми крышками, с тангенциальными подводящим и отводящим патрубками воды и отводящим патрубком газов на верхней крышке.

Десорбером второй ступени служит диспергатор 11 (перфорированная труба), разбрызгивающий воду, поступающую из первой ступени в наджидкостное пространство емкости 12 третьей ступени (этих десорберов может быть несколько, по числу десорберов первой ступени). Десорбер третьей ступени (аналогичный устройству для аэрации и циркуляции жидкости в аэротенке и в дрожчане, защищенный патентом РФ №2226182 и а.с СССР №1096933) состоит из емкости 12. Эта емкость может быть одновременно и емкостью -аккумулятором (см. фиг.1) или промежуточной емкостью свободного перелива воды из емкости 12 в емкость 13 через сливную трубу 14, выполненную в виде гидрозатвора (см. фиг 2). Основной воздуховод 8 от воздуходувной машины 9 (вентилятора) проложен внутрь емкости 12. На конце воздуховода имеется барботер 15, выполненный, например, в виде боковой щели или отверстий в воздуховоде, заглушенном с торца. Над барботером имеется отбойник 16, а ниже его - циркуляционное устройство в виде вертикальной обечайки 17, не доходящей до дна емкости (или короба прямоугольного или другого сечения), верхняя часть которого имеет отбортовку 18, которая вместе с отбойником 16 образует наклонный циркуляционный канал. На фиг.1 отводящий патрубок десорбированной воды 19 присоединен к емкости 12 в нижней ее части и соединен с насосом 20, а на фиг.2 отводящим патрубком из емкости 12 служит сливная труба 14 с гидрозатвором, поддерживающим постоянный уровень воды в емкости 12, а насос 20а отводит воду из бака 13. Соединительный трубопровод 21 является трубопроводом стояночного слива воды из емкости 12. Регулятор 22 предназначен для регулирования расхода воды по уровню в баке 12 (варианты фиг.1 и фиг.4) или по уровню в баке 13 (вариант фиг.2). Регулятор 22 может быть установлен или на трубопроводе 3 перед установкой, или на трубопроводе 23 после насоса 20. Патрубок 24 (люк в баке 12) служит для отвода отработанного воздуха из десорбера третьей ступеней (из бака 12). На фиг.3 в рассечку трубопровода 3 установлен водоструйный эжектор 25, эжектирующий воздух из атмосферы.

Работает установка следующим образом. Исходная вода подается в десорбер первой ступени через водоподводящую трубу 3 и тангенциальный патрубок 2, а воздух от дутьевого вентилятора 9 - через патрубок 7 внутрь корпуса 1. Вода вращается около стенки, а воздух проходит ближе к центру, контактируя с водой. Далее вода дробится на струи, проходя через отверстия 6 в нижней части корпуса, а между струями проходит воздух, обеспечивая контакт фаз (воздуха и воды). Вращающийся поток воды обладает эжектирующим эффектом. Далее вода и воздух попадают в нижнюю часть десорбера - в сепаратор 5, в котором воздух сепарируется и уходит в атмосферу через трубу 10, соединяющую сепаратор с атмосферой через корпус 1. В десорбере первой ступени вода освобождается от большей части агрессивных газов (углекислоты). Далее вода поступает в диспергатор 11 и разбрызгивается в надводном пространстве емкости 12. Капли воды соприкасаются с воздухом и еще более освобождаются от углекислоты. Попав на поверхность воды, капли увлекаются потоком циркулирующей воды вниз, и далее поток воды поднимается вверх внутри циркуляционного устройства 17. Попадая в наклонную часть этого устройства (между отбортовкой 18 и отбойником 16), вода встречается с потоком воздуха, выходящего из барботера 15. Вода диспергируется на мелкие брызги, и водовоздушный поток разлетается над поверхностью воды в стороны до пяти метров. Происходит интенсивнейший контакт капель воды с воздухом, освобождая воду от остатков углекислоты. Многократная рециркуляция воды через циркуляционное устройство способствует лучшей десорбции газов из воды.

Наличие в емкости 12 (третьей ступени десорбции) устройства, обеспечивающего барботаж низконапорного вентиляторного воздуха, позволяет использовать барботажную десорбцию газов из воды при многократной рециркуляции потоков воды по замкнутому контуру. Барботажная десорбция эффективнее струйной. Одна третья ступень установки без первой могла бы справиться с обеспечением расчетного качества десорбции.

Присоединение трубопровода исходной (десорбируемой) воды к емкости 12, непосредственно или через диспергатор 11, позволяет третьей ступени работать самостоятельно и не устанавливать десорбер первой ступени, что упрощает конструкцию. Качество десорбции будет несколько хуже, но в пределах установленных норм.

Наличие еще первой и второй ступеней установки позволяет обеспечить качество десорбции выше нормы.

Центробежно - вихревая десорбция газов из жидкости обеспечивает улавливание капель воды и предотвращает капельный унос воды из первой ступени установки. Десорбция газов в большой емкости - аккумуляторе, имеющей большой объем над поверхностью воды (вместо узкой колонны), также обеспечивает оседание капель на поверхность воды и минимальный унос капель в атмосферу из третьей ступени.

Наличие водоструйного эжектора на водопроводе перед десорбционной установкой позволяет уменьшить производительность дутьевого вентилятора и общий расход воздуха (подавать его только в третью ступень) и уменьшить затраты энергии на привод дутьевого вентилятора. Испытания декарбонизатора, защищенного авт.св. №1402582, в одноступенчатом варианте показало уменьшение содержания углекислоты в декарбонизируемой воде на 90 процентов, что оказалось недостаточно.

После прохождения водой такого трехступенчатого декарбонизатора, в ней практически не останется углекислоты (только следы, значительно ниже нормы).

Изобретение относится к области водоподготовки на тепловых электростанциях и котельных и может быть использовано в качестве декарбонизатора. Десорбционная установка содержит десорберы первой, второй и третьей ступени. Десорбер третьей ступени содержит емкость, барботер десорбирующего агента, патрубок подвода десорбирующего агента к барботеру, а также отводящие патрубки десорбированной воды и отработанного десорбирующего агента. Барботер десорбирующего агента установлен внутри барботажно - циркуляционного устройства, выполненного в виде вертикальной обечайки или вертикального короба, имеющего отбортовку, выше которой расположено отбойное устройство, образующее вместе с отбортовкой наклонный канал, причем барботер установлен ниже верхней кромки отбортовки. Десорбер второй ступени выполнен в виде перфорированной трубы, размещен в верхней части емкости десорбера третьей ступени и соединен трубой с патрубком, отводящим воду из десорбера первой ступени. Изобретение позволяет повысить качество десорбции углекислоты из воды при снижении металлоемкости и материалоемкости установки. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Десорбционная установка, содержащая десорбер первой ступени, десорбер третьей ступени, содержащий емкость, барботер десорбирующего агента, патрубок, подводящий десорбирующий агент к барботеру, отводящие патрубки десорбированной воды и отработанного десорбирующего агента, десорбер второй ступени в виде перфорированной трубы, размещенный в верхней части емкости, соединенный трубой с патрубком, отводящим воду из десорбера первой ступени, отличающаяся тем, что барботер установлен внутри барботажно-циркуляционного устройства, выполненного в виде вертикальной обечайки или вертикального короба прямоугольного или другого сечения, имеющего отбортовку, выше которой расположено отбойное устройство, образующее вместе с отбортовкой наклонный канал, а барботер установлен ниже верхней кромки отбортовки.

2. Десорбционная установка по п.1, отличающаяся тем, что десорбер первой ступени выполнен в виде цилиндрического корпуса с верхней и нижней торцевыми крышками, с подводящим и отводящим тангенциальными патрубками воды, с подводящим патрубком десорбирующего агента, с центробежным сепаратором в виде обечайки, соединенным с внутренней частью корпуса посредством отверстий в нижней части корпуса, с патрубком отвода газообразной среды из сепаратора, проходящим через корпус, а к подводящим патрубкам десорбирующего агента первой и третьей ступеней десорбирующей установки присоединены воздуховоды от дутьевого вентилятора.

3. Десорбционная установка по п.1, отличающаяся тем, что патрубок подвода десорбирующего агента к десорберу первой ступени заглушен, а на трубопроводе подвода воды к десорберу первой ступени присоединен в рассечку водоструйный эжектор, соединенный всасывающим патрубком с атмосферой.

4. Десорбционная установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве первой ступени установки применен упрощенный вариант центробежно-вихревого десорбера, представляющий собой цилиндрический корпус с верхней и нижней торцевыми крышками с тангенциальными патрубками подвода и отвода жидкости, с патрубком отвода газов, присоединенным к верхней крышке.

5. Десорбционная установка по п.1, отличающаяся тем, что последовательно по ходу воды за емкостью третьей ступени установлена дополнительная емкость с регулируемым уровнем воды, а емкость третьей ступени соединена с ней при помощи сливной трубы, выполненной в виде гидрозатвора.