Способ охлаждения твердого вещества и система для осуществления способа Российский патент 2017 года по МПК F28C3/12 

Изобретение относится к способу охлаждения твердого вещества, в частности гигроскопического сыпучего материала, и к системе для осуществления способа.

Продукты синтеза химической промышленности, которые после формирования, например, с помощью кристаллизации, гранулирования, приллирования, уплотнения, таблетирования или дражирования, и возможной последующей сортировки, накапливаются в виде сыпучих материалов, в конце процесса производства часто все еще имеют высокую температуру. Это тепло необходимо удалить до того, как их можно будет упаковать и отправить на хранение. Для охлаждения продукта часто применяют устройства охлаждения с псевдоожиженным слоем и барабанные устройства охлаждения, причем в качестве теплопередающей среды применяют воздух. При охлаждении гигроскопических сыпучих материалов, таких как удобрения и соли, необходимо высушивать охлаждающий воздух для предотвращения поглощения влаги продуктом. Без высушивания охлаждающего воздуха существует риск ухудшения качества продукта. Твердость продукта падает с увеличением содержания влаги, из-за чего может быть утеряна форма, приданная продукту ранее. В наихудшем случае могут возникать мостиковые образования и комки.

Окружающий воздух, который применяют в качестве охлаждающего воздуха, как правило, имеет относительную влажность, которая является слишком высокой для контакта с гигроскопическими материалами. Для получения для охлаждающего воздуха значений температуры и относительной влажности, подходящих для процесса охлаждения, охлаждающий воздух проходит через процесс кондиционирования. Там воздух сначала охлаждают, а воду, содержащуюся в нем, отделяют путем конденсации, абсорбции или адсорбции. Это понижает точку росы воздуха. Затем воздух нагревают обратно до точки, в которой получают необходимую относительную влажность для процесса охлаждения. Воздух, предварительно обработанный таким образом, проводят над материалом, подлежащим охлаждению, и он удаляет из него тепло без передачи влажности в процессе. Обеспечение технологического холода и технологического тепла для процесса кондиционирования требует большого расхода энергии.

На фоне возрастающих затрат на энергию существует проблема предложения способа и системы для осуществления способа с более низким потреблением энергии для охлаждения твердого вещества, в частности гигроскопического сыпучего материала.

Объектом настоящего изобретения и решением этой проблемы является способ согласно пункту 1 формулы изобретения и система согласно пункту 10 формулы изобретения для осуществления данного способа.

Настоящее изобретение основано на способе охлаждения твердого вещества, в частности гигроскопического сыпучего материала, при котором поток воздуха применяют в контактном устройстве для охлаждения твердого вещества, причем нагретый поток отработавшего воздуха отводят из контактного устройства. Согласно изобретению часть потока отработавшего воздуха смешивают с потоком воздуха для предварительного нагрева последнего. Это повторное применение способствует тому, что значительная часть энергии подается для установления требуемой относительной влажности.

В одном особенно предпочтительном варианте осуществления поток воздуха охлаждают и/или осушают и/или затем нагревают для уменьшения его относительной влажности. Поток воздуха, предварительно обработанный таким образом, затем подают для смешивания с частью потока отработавшего воздуха.

Это сокращает как потребность в технологическом тепле для нагревания охлажденного и/или осушенного охлаждающего воздуха, так и объем охлажденного и/или осушенного свежего воздуха. Поскольку в контактном устройстве происходит только перемещение тепла, а не перемещение материала, повторное применение не приводит к увеличению абсолютной влажности охлаждающего воздуха. В результате более низкой потребности как в технологическом тепле, так и в свежем воздухе, способ согласно настоящему изобретению имеет заметно более низкое потребление энергии, чем способ, известный в настоящее время. В дополнение к сокращенным таким образом производственным расходам можно сократить и инвестиционные затраты с помощью создания меньшей системы кондиционирования воздуха.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения поток воздуха охлаждают с помощью непрямого теплообмена охладителем до температуры ниже точки росы и отделяют конденсат. Этот способ, inter alia, имеет преимущество по сравнению с отделением с помощью абсорбции, состоящее в том, что материал не нужно подготавливать и/или восстанавливать для абсорбции. Также в объем настоящего изобретения входит охлаждение потока воздуха до температуры выше точки росы.

Соответственно, поток воздуха нагревают с помощью нагревательного устройства, нагреваемого с помощью теплопередающей среды, предпочтительно пара. Греющий пар представляет собой широко распространенную форму технологического тепла. Им легко и безопасно управлять, и он имеет высокую энтальпию конденсации. Конденсат, образующийся в нагревательном устройстве путем выделения тепла, также может быть безопасно удален и использован повторно.

После охлаждения и осушения поток воздуха необходимо нагреть до температуры охлаждающего воздуха, которая ниже, чем температура потока воздуха на входе, соответственно, чем температура окружающей среды. Соответственно, чтобы охладить твердое вещество, применяют поток осушенного воздуха, который холоднее, чем окружающий воздух, и, следовательно, имеет более высокий потенциал охлаждения.

Предпочтительно, в качестве контактного устройства для охлаждения твердого вещества применяют охлаждающее устройство с псевдоожиженным слоем или барабанное охлаждающее устройство.

В способе согласно настоящему изобретению относительная влажность потока кондиционированного охлаждающего воздуха сохраняется ниже критического граничного значения, при котором вода путем обмена тепла и материала превращается в твердое вещество, подлежащее охлаждению. Это гарантирует, что свойства продукта не подвергаются отрицательному воздействию со стороны влажности, приходящей с охлаждающим воздухом.

Эффективность использования энергии может быть дополнительно повышена, когда твердое вещество охлаждают на по меньшей мере двух последовательно соединенных этапах охлаждения. В этом контексте твердое вещество предварительно охлаждают на первом этапе охлаждения с помощью теплообмена путем контакта со смесью свежего воздуха и частью потока нагретого отработавшего воздуха, выводимого со второго этапа охлаждения, и дополнительно охлаждают на втором этапе охлаждения до необходимой окончательной температуры с помощью теплообмена путем контакта с предварительно обработанным охлаждающим воздухом. Кроме того, другую часть потока отработавшего воздуха из второго этапа охлаждения для кондиционирования охлаждающего воздуха смешивают с потоком воздуха, чтобы предварительно нагревать последний. Низкая относительная влажность потока отработавшего воздуха, выводимого из второго этапа охлаждения, сохраняет достаточную емкость для забора влажности из потока свежего воздуха, так что критическое граничное значение относительной влажности на первом этапе охлаждения не превышается. Кроме того, диапазон температур на первом этапе охлаждения, как правило, выше, чем на втором этапе охлаждения, так что критическое граничное значение относительной влажности на первом этапе охлаждения достигается только для более высокой абсолютной влажности. Следовательно, более высокое значение влажности в потоке воздуха в этом случае можно допустить. Целесообразно подавать весь поток отработавшего воздуха из второго этапа охлаждения, который не применяют для предварительного нагрева охлажденного и осушенного входящего воздуха, на первый этап охлаждения продукта.

В одном предпочтительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению объем свежего воздуха, подаваемого на первый этап охлаждения на стороне продукта, соответствует объему частичного потока отработавшего воздуха, который подмешивают к потоку воздуха для кондиционирования охлаждающего воздуха второго этапа охлаждения. Таким образом, одинаковый размер потока воздуха оказывает влияние на оба контактных устройства.

Изобретение также относится к системе, применяемой для осуществления описанного способа. Эта система содержит контактное устройство для охлаждения твердого вещества путем теплообмена с предварительно обработанным охлаждающим воздухом. Согласно настоящему изобретению предоставляется устройство для повторного применения частичного потока охлаждающего воздуха, который выводят из контактного устройства и который нагревают путем теплообмена с твердым веществом.

В одном предпочтительном варианте осуществления система дополнительно имеет устройство для охлаждения и/или осушения потока воздуха и/или устройство для нагрева потока воздуха.

Еще один вариант осуществления настоящего изобретения относится к системе, применяемой для осуществления двухэтапного способа охлаждения, с первым контактным устройством для предварительного охлаждения, с помощью теплообмена путем контакта с воздухом, твердого вещества и со вторым контактным устройством для охлаждения, с помощью теплообмена путем контакта с предварительно обработанным воздухом, твердого вещества, которое было предварительно охлаждено в первом контактном устройстве. Согласно настоящему изобретению предоставляется устройство для повторного применения частичного потока охлаждающего воздуха, который выводят из второго контактного устройства и который нагревают в теплообмене с твердым веществом, и для подмешивания его в поток воздуха. Система дополнительно содержит устройство для смешивания второго частичного потока нагретого охлаждающего воздуха, выведенного из второго контактного устройства, с входящим воздухом и подачи его в первое контактное устройство.

Изобретение необходимо понимать со ссылкой на иллюстративный вариант осуществления. На графических материалах:

фиг. 1 представляет системную диаграмму для системы согласно известному уровню техники для охлаждения твердого вещества;

фиг. 2 представляет системную диаграмму для системы для осуществления способа согласно настоящему изобретению охлаждения твердого вещества;

фиг. 3 представляет системную диаграмму для системы для осуществления двухэтапного способа согласно настоящему изобретению охлаждения твердого вещества.

Фиг. 1 представляет систему согласно известному уровню техники с устройством 100 для охлаждения потока 101 воздуха, устройством 102 для осушения потока 103 охлажденного воздуха, устройством 104 для нагрева потока 105 охлажденного и осушенного воздуха и контактным устройством 106 для охлаждения твердого вещества 107 с помощью теплообмена путем контакта с предварительно обработанным охлаждающим воздухом 108. Технологический холод 109 воздействует на устройство 100 для охлаждения воздуха. Для этого хорошо подходит, например, жидкий аммиак, который может испаряться в устройстве 100 для охлаждения воздуха и извлекать тепло из входящего воздуха 101 путем непрямого теплообмена. Сбросное тепло удаляют из устройства 100 для охлаждения воздуха с потоком 110. Часть влаги 111, содержащейся в потоке 103 охлажденного воздуха, освобождается в устройстве 102. В частности, поток 101 воздуха может быть охлажден в устройстве 100 для охлаждения воздуха до температуры ниже точки росы, и конденсат 111 может быть отделен в устройстве 102. Поток 105 охлажденного и осушенного воздуха нагревают в нагревательном устройстве 104 путем непрямого теплообмена с теплопередающей средой 112. Эта теплопередающая среда 112 предпочтительно представляет собой пар, который выпускают после выделения тепловой энергии в виде конденсата 113. Нагретый отработавший поток 114 выводят из контактного устройства 106. Охлажденное твердое вещество 115 удаляют из контактного устройства 106 или непрерывно, или поэтапно, в зависимости от конструкции контактного устройства.

Фиг. 2 схематически представляет систему согласно настоящему изобретению с устройством, также называемым устройством 2 для охлаждения воздуха, для охлаждения потока 1 воздуха, с устройством 3 для осушения потока 4 охлажденного воздуха, с устройством, также называемым нагревательным устройством 5, для нагрева охлажденного и осушенного потока 6 воздуха и с контактным устройством 7 для охлаждения твердого вещества 8 с помощью теплообмена путем контакта с предварительно обработанным охлаждающим воздухом 23. Согласно настоящему изобретению частичный поток 10 охлаждающего воздуха 11, выведенный из контактного устройства 7 и нагретый в теплообмене с твердым веществом 8, перерабатывают с помощью подходящего устройства и смешивают с охлажденным, осушенным и повторно нагретым потоком 9 воздуха с целью предварительного нагрева последнего. Охладитель 12 воздействует на устройство 2 для охлаждения воздуха, и сбросное тепло 13 удаляют оттуда. Конденсат 14, полученный путем осушения потока 4 охлажденного воздуха, отделяют в устройстве 3. Нагревательное устройство 5 обеспечивается теплом посредством теплопередающей среды 15, которая может представлять собой греющий пар. После передачи тепла теплопередающую среду 16 выводят из нагревательного устройства 5. Охлажденное твердое вещество 17, удаленное из контактного устройства 7, может быть упаковано или направлено на хранение. Поток 11 отработавшего воздуха, выведенный из контактного устройства 7, разделяют на перерабатываемый частичный поток 10 и дополнительный частичный поток 18, который, как и ранее, отбрасывается неиспользованным, как отходы.

Двухэтапный способ, представленный на фиг. 3, отличается от способа согласно фиг. 2 тем, что частичный поток 18 отработавшего воздуха, который не перерабатывают для предварительного нагрева охлажденного, осушенного и повторно нагретого потока 9 воздуха, смешивают с дополнительным потоком 1' свежего воздуха для получения второго потока 22 охлаждающего воздуха и предоставляют дополнительное контактное устройство 19, в котором предварительно охлаждают твердое вещество 8. Предварительно охлажденное твердое вещество 20 затем подают в контактное устройство 7, где его охлаждают до необходимой конечной температуры. Отработавший воздух 21, выведенный из контактного устройства 19, удаляют из системы. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления объемы воздуха 22 и 23, которые подаются в устройства 7 и 19 для охлаждения продукта, имеют приблизительно одинаковый размер. В таком случае частичный поток 10 отработавшего воздуха, который выводят из контактного устройства 7 и повторно применяют для нагревания охлажденного и осушенного потока 9 воздуха, также соответствует объему свежего воздуха 1', который подмешивают ко второму частичному потоку 18 отработавшего воздуха.

Также в объем настоящего изобретения попадает альтернативное смешивание частичного потока 10 отработавшего воздуха с потоком 6 охлажденного и осушенного воздуха.

Полезный эффект способа согласно изобретению объясняется ниже со ссылкой на энергетический баланс. Энергетический баланс относится к системе для охлаждения нитрата аммония низкой плотности (LDAN), в которой окружающий воздух (1) охлаждают путем испарения аммиака и после осушения путем отделения конденсата поток (6) осушенного охлажденного воздуха кондиционируют посредством греющего пара (15).

Изобретение относится к способу и устройству для охлаждения твердого вещества (8), в частности гигроскопического сыпучего материала, более энергоэффективным способом. С этой целью поток (1) воздуха, если необходимо, охлаждают и/или осушают и/или затем нагревают для уменьшения относительной влажности потока воздуха. Поток (9) охлаждающего воздуха, кондиционированный таким образом, затем применяют в контактном устройстве (7) для охлаждения твердого вещества (8), и поток (11) нагретого отработавшего воздуха выводят из контактного устройства. Согласно изобретению часть (10) потока (11) отработавшего воздуха смешивают с потоком (9) воздуха для предварительного нагрева потока воздуха и таким образом уменьшения относительной влажности потока воздуха. Кроме того, вторая часть потока (18) отработавшего воздуха может быть смешана с загрузочным воздухом (1') и использована в отдельном втором контактном устройстве (19) для предварительного охлаждения твердого вещества (8). Изобретение также относится к системе для осуществления способа. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ охлаждения твердого вещества (8), в частности гигроскопического сыпучего материала, при котором поток воздуха применяют в контактном устройстве (7) для охлаждения твердого вещества (8), причем поток (11) нагретого отработавшего воздуха выводят из контактного устройства (7), отличающийся тем, что часть (10) потока (11) отработавшего воздуха смешивают с потоком (9) воздуха для предварительного нагрева последнего.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток (1) воздуха охлаждают и/или осушают, и/или повторно нагревают, а затем предварительно нагревают путем подмешивания части (10) потока (11) отработавшего воздуха.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что поток (1) воздуха охлаждают непрямым теплообменом с помощью охладителя (12) до температуры ниже точки росы и отделяют конденсат (14).

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что поток (1) воздуха охлаждают непрямым теплообменом с помощью охладителя (12) до температуры выше точки росы.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток (6) воздуха нагревают в нагревательном устройстве (5), нагреваемом с помощью теплопередающей среды (15).

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве контактного устройства (7) для охлаждения твердого вещества (8) применяют устройство охлаждения с псевдоожиженным слоем или барабанное устройство охлаждения.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что относительная влажность потока (23) кондиционированного охлаждающего воздуха сохраняется ниже критического граничного значения, при котором вода путем обмена теплом и материалом превращается в твердое вещество (8), подлежащее охлаждению.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердое вещество (8) охлаждают на по меньшей мере двух последовательно соединенных этапах (19, 7) охлаждения, причем твердое вещество (8) предварительно охлаждают на первом этапе (19) охлаждения с помощью теплообмена путем контакта со смесью (22) свежего воздуха (1') и части (18) потока (11) нагретого отработавшего воздуха, выведенного со второго этапа охлаждения, и дополнительно охлаждают на втором этапе (7) охлаждения до необходимой окончательной температуры с помощью теплообмена путем контакта с предварительно обработанным охлаждающим воздухом (23), и причем другую часть (10) потока (11) отработавшего воздуха для кондиционирования охлаждающего воздуха подмешивают к потоку воздуха для предварительного нагрева последнего.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что объем свежего воздуха (1'), подаваемого на первый этап (19) охлаждения, соответствует объему частичного потока (10) отработавшего воздуха, который подмешивают к потоку воздуха для кондиционирования охлаждающего воздуха.

10. Система для осуществления способа по одному из пп. 1-9 с контактным устройством (7) для охлаждения твердого вещества (8) с помощью теплообмена путем контакта с предварительно обработанным охлаждающим воздухом (23), отличающаяся тем, что обеспечено устройство для повторного применения частичного потока (10) охлаждающего воздуха (11), который выводят из контактного устройства (7) и который нагревают в теплообмене с твердым веществом (8).

11. Система по п. 10, отличающаяся тем, что система имеет устройство (2, 3) для охлаждения и/или осушения потока воздуха и/или устройство (5) для нагревания потока воздуха.

12. Система по любому из пп. 10 или 11 с первым контактным устройством (19) для предварительного охлаждения твердого вещества (8), с помощью теплообмена путем контакта с воздухом (22), и вторым контактным устройством (7) для охлаждения, с помощью теплообмена путем контакта с предварительно обработанным воздухом (23), твердого вещества (20), которое было предварительно охлаждено в первом контактном устройстве (1), отличающаяся тем, что обеспечено устройство для повторного применения частичного потока (10) охлаждающего воздуха (11), который выводят из второго контактного устройства и который нагревают в теплообмене с твердым веществом, и для подмешивания его к потоку воздуха, и причем система дополнительно содержит устройство для смешивания второго частичного потока (18) нагретого охлаждающего воздуха (11), выведенного из второго контактного устройства, с входящим воздухом (1') и подачи его в первое контактное устройство (19).