Спосіб опріснення і концентрування водних розчинів багатоступеневим виморожуванням та багатоступеневий виморожуючий опріснювач-концентратор для його здійснення

Номер патенту: 53239

Опубліковано: 15.01.2003

Автор: Смірнов Леонард Федорович

Є ще 3 сторінки.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Cпосіб обробки водних розчинів багатоступеневим виморожуванням, що включає багатоступеневе за допомогою киплячого холодоагенту виморожування льоду з водного розчину, що обробляється, з роздільними рециркуляційними процесами генерування льоду і росту кристалів льоду в кожному ступені і при послідовному зневодненні розчину зі збільшенням його концентрації, сепарацію та промивку льоду від сконцентрованого розсолу (концентрату) і плавлення льоду за рахунок конденсації холодоагенту з отриманням опрісненої талої води і розсолу (концентрату) потрібної концентрації, який відрізняється тим, що в першому ступені спочатку переводять у лід не більше  від вихідного розчину і цей лід скидають, як збагачений важкою водою, а вихідний розчин, що залишився, змішують з льодом після його виходу з першого ступеня льодогенерування і перед його поданням на сепарацію та промивку; як холодоагент, який відводить теплоту льодогенерування при своєму кипінні, використовують неазеотропну суміш холодоагентів, таку як Ф22-Ф142в, яку вводять протитечією з ходом розчину у останній за ходом розчину ступінь льодогенерування і виводять з першого за ходом розчину ступеня льодогенерування; у випадку утворення в останньому ступені льодогенерування і росту кристалів льоду високов'язких концентратів, що кристалізується у евтектичній точці, в останньому ступені концентрат розчину для зменшення його в'язкості виморожують у суміші з проміжним малов'язким при температурах від -10°С до -30°С (в'язкість не більше 1.10-3 Па.с) транспортним носієм.

2. Спосіб обробки водних розчинів багатоступеневим виморожуванням за п. 1, який відрізняється тим, що концентрацію неазеотропної суміші холодоагентів встановлюють із розрахунку - добуток масової долі легкокиплячого компонента, такого як Ф22, на теплоту його пароутворення дорівнює теплоті процесу плавлення льоду.

3. Спосіб обробки водних розчинів багатоступеневим виморожуванням за п. 1, який відрізняється тим, що як транспортний носій використовують незмішувані з водою рідини,  такі як кремнієорганічну рідину (силікон), недогріті або киплячі холодоагенти, такі як фреон 11, вуглекислоту та інш. або гази, такі як азот, пари вуглекислоти, діоксиду сірки та інш., з якими виморожуваний концентрат турбулентно рециркулює у процесі генерування кристалів льоду і в процесі їх росту.

4. Багатоступеневий виморожуючий пристрій для обробки водних розчинів, що містить ступені, кожна з яких складається з випарника-льодогенератора для генерування льоду і роздільно розташованої під ним місткості-кристалізатора для росту кристалів льоду, шнек, розташований між випарниками-льдогенераторами і місткостями-кристалізаторами льоду для транспортування і виводу льоду від ступенів генерування і росту льоду, рециркуляційні насоси, сепараційно-промивальну колону, прямокутну у плані, для відділення і промивання льоду від розсолу або концентрату, і холодильну установку, що складається з компресора, конденсатора, додаткового конденсатора, випарників, розташованих у міжтрубних просторах льодогенераторів, ресиверів і дроселюючих вентилів, який відрізняється тим, що корпуси випарників - льодогенераторів нахилені до місткостей-кристалізаторів під кутом 15-30°; корпус шнека з того боку, з якого видається лід на сепараційно-промивальну колону, з'єднаний з входом змішувального бака і піднятий, корпус шнека нахилений під кутом 10-20° до горизонталі, причому частина шнека виконана знімною з лівою або правою навивкою витків, і з незнімною частиною шнека має шлицеве з'єднання, при цьому на торці знімної частини шнека встановлено знімне вікно з герметичною кришкою, сепараційно-промивальна колона має у своїй верхній частині з одного боку зігнутий козирок, що утворює з верхньою кромкою колони на її протилежному боці рівнопрохідний з перерізом колони прохід для перевалювання льоду і зміни направлення його руху на 180° в суміжну камеру, в котру вбудований зрошувальний конденсатор холодоагенту-плавильника льоду; входи рідкого холодоагенту в випарники-льодогенератори і виходи холодоагенту з них проходять послідовно через ступені опріснення розчинів протитечією з ходом зневоднюваного розчину.

Текст

1 Спосіб опріснення і концентрування водних розчинів багатоступеневим виморожуванням, що включає багатоступеневе за допомогою киплячого холодоагенту виморожування льоду з водного розчину, що опріснюється (концентрується), з роздільними рециркуляційними процесами генерування льоду і росту кристалів льоду в кожному ступені і при послідовному зневодненні розчину з збільшенням його концентрації, сепарацію та промивку льоду від сконцентрованого розсолу (концентрату) і плавлення льоду за рахунок конденсації холодоагенту з отриманням опрісненої талої води і розсолу (концентрату) потрібної концентрації, який відрізняється тим, що при роботі у режимі опріснення в першому ступені спочатку переводять у лід не більш 3-5% від вихідного розчину і цей лід скидають, як збагачений важкою водою, а вихідний розчин, що залишився, однаково як і вихідний розчин у випадку роботи у режимі концентрування змішують з льодом після його виходу з першого ступеня льодогенерування і перед його поданням на сепарацію та промивку, як холодоагент, який відводить теплоту льодогенерування при своєму КИПІННІ, використовують неазеотропну суміш холодоагентів, наприклад Ф22-Ф142в, яку вводять протитоком з ходом опріснюваного розчину у останній за ходом опріснюваного або концентрованого розчину ступінь льодогенерування і виводять з першого за ходом опріснюваного або концентрованого розчину ступеня льодогенерування, у випадку утворення в останньому ступені льодогенерування і росту кристалів льоду високов'язких концентратів, а однаково і одночасно з льодом, і генерування і росту другої твердої фази, наприклад кристалів солей, цукру і інш , що кристалізуються у евтектичній точці, в останньому ступені концентрат опріснюваного (концентрованого) розчину для зменшення його в'язкості виморожують у суміші з проміжним малов'язким при температурах від -10°С до -30°С (в'язкість не більш 1-10 Па'с) транспортним носієм 2 Спосіб опріснення і концентрування водних розчинів багатоступеневим виморожуванням по п 1, який відрізняється тим, що концентрацію неазеотропної суміші холодоагентів встановлюють із розрахунку - добуток масової частки легкокиплячого компонента (наприклад Ф22) на теплоту його пароутворення дорівнює теплоті процесу плавлення льоду 3 Спосіб опріснення і концентрування водних розчинів багатоступеневим виморожуванням по п 1, який відрізняється тим, що як транспортний носій використовують незмішувані з водою рідини, наприклад кремнієорганічну рідину (силікон), недогріті або киплячі холодоагенти, наприклад фреон 11, вуглекислоту та інш або гази, наприклад азот, пари вуглекислоти, дюксиду сірки та інш , з якими виморожуваний концентрат турбулентно рециркулює у процесі генерування кристалів льоду (і кристалів другої твердої фази) і в процесі росту цих вищезгаданих кристалів 4 Багатоступеневий виморожуючий опріснювачконцентратор, що містить ступені, які складаються з випарника-льодогенератора для генерування льоду і роздільно під ним місткості-кристалізатора для росту кристалів льоду (а в останньому ступені і можливим одночасно з льодом генерування і росту кристалів другої фази), шнек(и), розташований(і) між випарниками-льодогенераторами і місткостями-кристалізаторами льоду і призначений(і) для транспортування і виводу льоду від ступенів генерування і росту льоду, рециркуляційні насоси, сепараційно-промивальну прямокутну у плані колону для відділення і промивання льоду від розсолу або концентрату і холодильну установку, що складається з компресора, конденсатора, додаткового конденсатора, випарників, розташованих у міжтрубних просторах льодогенераторів, ресиверів і дроселюючих вентилів, який відрізняється тим, що випарники-льодогенератори нахилені до місткостей-кристалізаторів під кутом 15-30°, шнек з того боку, з якого видається лід на сепараційнопромивальну колону, з'єднаний з входом змішувального бака і піднятий, шнек(и) нахилений(і) під кутом 10-20° до горизонталі, сепараційнопромивальна колона містить у своїй верхній час со сч со ю 53239 тині з одного боку зігнутий козирок, що утворює з верхньою кромкою колони на її протилежному боці рівнопрохідний з перерізом колони прохід для перевалювання льоду і його зміни направлення руху на 180° в суміжну камеру, в котру вбудований зрошувальний конденсатор холодоагентуплавильник льоду, входи рідкого холодоагенту в випарники-льодогенератори і виходи холодоагенту з них проходять послідовно через ступені опріснення і концентрування розчинів протитоком з ходом зневоднюваного розчину 5 Багатоступеневий виморожуючий опріснювачконцентратор по п 4, який відрізняється тим, що перша за ходом вихідного розчину у режимі опріснення місткість-кристалізатор містить у тильному перерізі корпусу шнека знімне вікно для вивалювання і скидання важководного льоду, крім цього, ця місткість-кристалізатор при роботі у режимі концентрування містить регулятор рівня рідкої фази, який підтримує рівень суспензії вище рівня нижньої твірної шнека на 1/4 його діаметра, при цьому між виходом суспензії з місткостікристалізатора цього ступеня і входом у трубний простір випарника-льодогенератора цього ж ступеня встановлений рециркуляційний пульсаційний компресор аВинахід відноситься до виморажуючого способу опріснення солених вод і очистки будь-яких забруднених водних розчинів - для отримання очищеної талої полегшеної питної води, а також концентрирування водних розчинів, наприклад харчових рідин - фруктових соків, цукрових розчинів, розсолів, технологічних розчинів хімічної, харчової, фармацевтичної промисловості з метою отримання концентратів будь-якого ступеня концентрації вплоть до евтектичної, при якої можуть бути отримані і кристали другої твердої фази солей, цукру та інш Виморажуючий метод опріснення і концентрирування водних розчинів складається із 3-х принципиво необхідних операцій концентрату у кожній із 3-х ступенів утворюється у 2 этапи Зародиші кристалів льоду утворюються в попередньому кристалізаторі, що охолоджується до температури мінус 10°С, і обладнаний скребковим ножом Потім ЦЯ суспензія подається у другий кристалізатор, що охолоджується до температури -ЗО -ь -50°С, де утворюються великі кристали льоду Для сепарації суспензії і промивки льоду пристосовується центріфуга бесперервної дії Для запобігання окислення соку пристосовується інертний газ 1 виморажування льоду із соленого, харчового або любого іншого водного розчину, 2 сепарації кристалів льоду від концентрату і промивка цього льоду від покриваючих кристаліки льоду концентратної плівки, 3 плавлення льоду В результаті здійснення вказаних процесів одержується 2 продукта - чиста тала вода питного стандарту і концентрат, концентрація котрого залежить від степеня обезвожування вихідного водного розчину В залежності від виду кінцевого продукту одна і та ж установка називається опріснювачем або концентратором Запропоновано багато способів, схем і конструкцій виморажуючих опреснювачівконцентраторів (ВОК) Виморажування льоду із водного розчину (плавлення льду) здійснюють 1 неконтактно, тобто теплоту льодоутворення (плавлення) відводять (підводять) через теплопередаючу поверхню, 2 контактно, тобто в виморажуючем розчині (на льоду) кипить (конденсується) рідкий хладоагент (пар хладоагенту) Сепарацію і промивку льоду від концентрату здійснюють в гидроциклонах, центріфугах, сепараційно-промивочних колонах Найбільш повно рівень техники концентрування харчових рідин (фруктових соків) описан у книзі - Л Пап Концентрирование вымораживанием, Москва, Изд-во «Легкая и пищевая промышленность», 1982г На с 50-52 цієї книги описан багатоступеневий спосіб, застосовуємий у Німеччині, для різних харчових рідин Суспензія кристалів льоду і Після другого кристалізатору суспензія поділяється в центріфуп Відділений концентрат подається в другий ступінь (обладнання и аналогічно обладнанню 1-ого ступіня аналогічні і процеси, відміна - збільшується концентрація концентрату), а потім в таку ж третю ступінь, після котроупконцентрат відводиться як продукт Лід після усіх 3-х ступеней змішується і плавиться у плавильнику Недоліки цього способу і схеми наступні, 1 Низькі температури льодоутворення приводять к збільшеним витратам електроенергії, 2 Необхідність мати ненадійний механізм соскребування льоду в кристалізаторах, 3 Сепарація і промивка льоду від коцентрату виробляється у кожній ступені, що приводить у 2-ої і особливо З-оі ступенях до недоотмивці льоду з огляду високих концентрацій вихідного концентрату перед операцієй промивки і зайвим утратам сухих речовин Відомий багатоступеневий виморажуючий спосіб концентрування водних розчинів і установка для нього здійснення (див U S Patent №4666484, May 19,1987, Multistage freeze concentrating process and apparatus) В цьому способі - прототипі вихідний водний розчин виморажується в 3-х ступенях, в котрих здійснюються процеси генерування льоду (в кожухотрубчатих вертикальних іспарителях - льодогенераторах І-ЛГ) і росту кристалів льоду (в місткостях-кристалізаторах Кр) В межтрубної просторині другого І-ЛГг і третього І-ЛГз кипить хладоагент, відводя теплоту льодоутворення, а в трубках за допомогою рециркуляційних насосів циркулює водний розчин, в котром генеруються зародиші льоду, котрі потім, попадая у другий кристалізатор Крг і третій Крз, зростають до розмірів 100-ь200ткт Між другими І-ЛГг і Крг та третьімі І-ЛГз і Крз розташован шнек, дно корпусу 53239 котрого перфорировано отворами Льодорозсольна суспензія із І рубок І-ЛГг і І-ЛГз тече на вітки шнеку і далі через його дону перфорацію попадає в Крг и Крз, при цьому крупні кристали льоду не проходять через перфорацію шнеку і переміщаються в перший кристалізатор (у цього Крі нема сопутствуючого І-ЛГз), ВІДКІЛЯ після кристалізації і отбору нових кристалів льоду другим шнеком виводяться з установки Вихідний водний розчин (наприклад фруктовий сік) вводиться в перший кристалізатор Крі, змішуясь з льодом з третього IЛГз і другого І-ЛГг Кінцевий концентрат в якости продукту відбирається з третього Крз Від першого Крі по напряму ко другому І-ЛГг-Крг і третьому тандемів І-ЛГз-Крз концентрація концентруемого розчину і пропорційно його в'язкість збільшуються Недоліки цього способу і пристрою наступні 1 Неможливо получити полегшену воду (тобто воду з зниженим утриманням важкої води ДгО), яка має доказаний сприятливий вплив на живі бюлогичні об'єкти (і на людину) 2 Вивод льоду з першого кристалізатору Крі за допомогою шнека - утрудливий, поскільки лід знаходиться у середовищі водної фази і ефекти його вспливання і ковзання у рідині перешкоджують (експериментально встановленої) його переміщенню Турбулізація Крі мішалками не усуває цієї труднощі тому, що в льодяній масі при її накопиченні і при роботі мішалок утворюються канали, які заповнені розчином, в котрих і обертаються лопасті мішалок, а вкруг їх формується «стоячий» лід 3 Змішення вихідного розчину з льодом в першій ступені кристалізації після другої і третьої ступеней виморажування не дозволяє повністю використувати потенціал цього приймання (для зменьшення В'ЯЗКІСТІ розсолу поверхневої плівки, що покриває кристали льоду, і полегшення їх наступної промивки від цього розсолу) Переважно це приймання використувати не під час першого льодоутворення, як у прототипі, а вже після його здійснення Недолік цей, не очевидний на перший погляд, з огляду ефекта рециркуляції в 1-ій ступені дуже істотний, що показує наступний приклад Хай вихідний апельсиновий сік має концентрацію (висловленую опосередньо як приведено в опису прототипу через одиниці В'ЯЗКІСТІ ВПХ І В першому приближенні прямо пропорційну їй) So=12ofl (його видаток Со=26галлонів/хв - будемо вказувати для облегшення експертизи значення одиниць вимірювання ті ж самі, що приведені у патентіпрототипі /див таблицу в столбцях 5 и 6/) Після 1оі ступені концентрація сконцентрованного сіку буде Si=18ofl і видаток його рециркуляції в 1-ої ступені дорівнює Gi=74ran/xB, після 2-ої S2=30ofl, після З-оі - Зз=45од Зміщення вихідного соку з рециркулятом 1-ої ступені дає концентрацію суміші 18)/(26+74)=16,44од Кристали льоду на ВИХІДІ із Крз і будуть забруднені плівкою з цього концентрату Коли ж вихідний сік подавати на зміщення з льодом, попередньо вже віддренірованому на шнекі від концентрату, то його поверхня плівка буде мати концентрацію рівну практично So=12ofl Такий лід промити від концентратної плівки легше Крім того в прото типі невелика КІЛЬКІСТЬ вихідного розчину змішується з великою КІЛЬКІСТЮ рециркуляційного концентрату, який має понижену температуру, що практично не підвищує температуру вихідного льоду, що в свою чергу підвищує в'язкість концентратної плівки Відмова від приймання прототипу, як це і зроблено у нашій пропозиції, і в цьому пункті зрівняння сприятливо для кращої відмивки льоду від концентрату і зменьшенню утрат сухих речовин з льодом 4 В концентруємому розчині по ходу його руху по ступеням виморажування збільшується концентрація, тобто знижується рівноважна температура заморожування Кипіння ж хладоагенту в ступенях іспарителей-льодогенераторів в прототипі підтримується холодильною машиною при ПОСТІЙНІЙ температурі, котра для забезпечення теплопередачі повинна бути нижче самій нижчей температури заморажування, тобто такой ж, як в І-ЛГз Це приводить до великої різниці температур між температурами заморажування розчину і температурою кипіння хладоагенту в 2-х перших ступенях концентрування, що приводить до незворотним загубам роботи, а, головне, к утворенню умов наморажування льоду з циркулюючого розчину на внутрішній поверхні трубок іспарителя Зауважемо, що умова незабиваємості трубок льодом складається не тільки в забезпеченні високої ШВИДКІСТІ циркуляції розчину в трубках, не тільки гидрофобністю внутрішній поверхні трубок, не тільки малою КІЛЬКІСТЮ льоду в потоці (до 5-ь7%), але і малою різницею температур при ВІДВОДІ теплоти льодоутворення, яка не перевищує згідно досвідним данним 3,5°С В прототипі ця умова не забезпечується А щоб приблизитесь к виконанню цієї умови в прототипі - треба поставити другу холодильну машину 5 В прототипі не забезпечується концентрування фруктових соків і цукрового розчину до концентрацій порядку 60% і температур до мінус 21 °С, при котрих густий сироп має високу в'язкість (більше 800« 10"3 Па»с) і малу швидкість росту кристалів, а тім більш не досягається концентрація евтектики (64,9% для цукрів), при котрій разом з льодом кристалізується і друга тверда фаза - кристали солей, цукрів і інш , причому ці дві тверді фази, що знаходяться у рівновазі з своїм насиченим розчином необхідно розділити з технично приємлімою швидкістю Відомо ряд устрмв для відділення і промивки кристалів льоду від розсолу (концентрату) - центріфуги, отжимні шнеки, гідроциклони, дренажні і витиснітельні промивочні колони Найбільшу ефективність і промислове розповсюдження має витиснітельна сепараційнопромивочна колона СПК, що робе з протитиском (примітка принцип дії і гідромеханіка цієї СПК описані у довіднику «Различные области применения холода», Москва, Агропромиздат, 1985, глава 9 «Опреснение соленой воды», см с 247-248) СПК буває в плані коловою і прямокутною В середній частині колони на и боковій поверхні розташовувається фільтруюча сітка, через котру фільтрується розеол, а лід при своєму руху вверх через цю сітку не пропускається Льодорозсольна суспензія насосом подається в нижню частину колони, розеол відводиться через фільтруючу сітку, а лід, сформувавшись в пористий поршень, 53239 рухається «насосною» силою вверх, промиваючись від поверхневої розсольної плівки, що покриває кристали льоду, противоточним рухом вниз промивочної води В верхній частині колони відмитий лід розбивається обертаючимся ножом - скрепером або конвейерною лентою і скидується в суміжний з колоною карман, відкиля направляється гидротранспортом в плавильник льодуконденсатор хладоагенту Недоліки такої СПК - наявність механічного пристрою в верхній частині колони, направляючого льодяну масу в плавильник льоду-конденсатор хладоагенту, і труднощі з організацією ефективного процесу транспортування і плавлення льоду конденсації агенту в апараті Задачею винаходу є створення способу опріснення і концентрування водних розчинів багатоступеневим виморожуванням та багатоступеневого виморожуваючого опріснювача-концентратора, які дозволили би опріснення з отриманням полегшеної води і з більш глибоким витяганням опрісненої води з вихідного соленого розчину до його розділення до сухої остачі (примітка технологія опріснення морської води і одночасово и концентрування до 17-20% -1 до сухої остачі - в теперішній час розроблена автором для витягання метану з морських величезних покладів газогідратів метану /100 трилюнів м3/, захоронених на дні шельфу Чорного моря, цим концентратом морської води буде виплавлюватися метан з газогідратів, а подорожна чиста тала опріснена вода використовуваться як високоякісна питна вода для арідного Криму), концентрування харчових рідин до більш високих концентрацій - біля 60%, перемагає заслон високої В'ЯЗКІСТІ високонцентрованих, наприклад, СІКІВ при низьких температурах до евтектичних концентрацій, зменшеня капитальних витрат на холодильну машину і упрощения її експлуатації Поставлена задача вирішується тим що при роботі у режимі опріснення в першому ступені спочатку переводять у лід не більш 3-ь5% від вихідного розчину і цей лід скидають як збагачений важкою водою, а залишаючийся вихідний розчин рівно як і вихідний розчин у випадку роботи у режимі концентрування змішують з льодом після його вихіду з першого ступеня льодогенерування і перед його поданням на сепарацію та промивку При цьому як хладоагент який відводить теплоту льодогенерування при своєму кипинні, використовують неазеотропну сумішь хладоагентів, наприклад Ф22-Ф142в, яку вводять противотоком з ходом опріснюємого розчину у останню по ходу опріснюємого або концентруемого розчину ступінь льодогенерування і виводиму з першого по ходу опріснюємого або концентруемого розчину ступеня льодогенерування, при цьому концентрацію неазеотропної суміші хладоагентів встановлюють із розрахунку - добуток масової долі легкокиплячого компоненту (наприклад Ф22) на теплоту його пароутворення дорівнює теплоті процесу плавлення льоду У випадку утворення в останнжступені льодогенерування і росту кристалів льоду високов'язких концентратів, а рівно і одночасово з льодом і генерування і росту другої твердої фази - наприклад, 8 крмсдлів солей, цукру і інш , що кристалізуються у евтектичній точці, у останньому тупені концентрат опріснюємого (концентруемого) розчину для зменшення його в'язкості виморажують у суміші з проміжним малов'язким при температурах від 10°С до -30°С (в'язкість не більш 110 3Па с) транспортним носієм Як транспортний носій пристосовують незмішувані з водою рідини -наприклад, кремнійорганичну рідину (СІЛІКОН), недогріті або киплячі хладоагенти, наприклад, фреон 11, вуглекислоту та інш або гази, наприклад азот, пари вуглекислоти, дюксіда сіри та інш , з котрими виморажуваний концентрат турбулентно реціркулірують у процесі генерування кристалів льоду (і кристалів другої твердої фази) і в процесі росту цих вищезгаданих кристалів Запропонований спосіб здійснюється в пристрої багатступеневого виморажуючого опріснювача-концентратора, в котрому іспарителі - льодогенератори нахилені до місткостеи-кристалізаторів під кутом 15-ьЗО°, шнек з того боку, котра видає лід на сепараційно-промивочну колону, з'єднаний з вхідом змішувального бака і піднятий, шнек(і) нахилений^) під кутом 10-ь20° до горизонталі, сепараційно-промивочна колона має у своїй верхній частині з одного боку зігнутий козирьок, що утворює з верхньою кромкою колони на и протилежному боці рівнопрохідний з перерізом колони прохід для перевалювання льоду і його зміни направлення руху на 180° в суміжну камеру, в котру вбудований зрошувальний конденсатор хладоагентуплавильник льоду, вхіди рідкого хладоагенту в іспарителі-льодогенератори і вихіди хладоагенту з них проходять послідовно через ступені опріснення і концентрування розчинів противотоком з ходом зневоднюваного розчину При цьому перша за ходом вихідного розчину у режимі опріснення місткість-кристалізатор має у тильному перерізі корпусу шнека знімне вікно для вивалення і сбросу важководного льоду, крім того ця місткість-кристалізатор при роботі у режимі концентрування має регулятор рівня рідкої фази, який підтримує рівень суспензії вище рівня нижньої отвірної шнека на 1/4 його діаметра, при цьому між виходом суспензії з місткісті-кристалізатора цього ступеня і входом у трубний простір іспарителя-льодогенератора цього ж ступеня встановлений рециркуляційний пульсаційний компресор Суть винаходу показана на фіг 1 и 2 Фіг 1 - схема і конструктивне рішення багатоступеневого виморажуючого опріснювачаконцентратора ВОК Фіг 2 - конструктивне рішення першої для режима опріснення і третьої для режима концентрування харчових рідин - по ходу переробляємого розчину - ступені опріснення - концентрування На фіг 1 приведена схема ВОК, який складається з • системи ввода вихідного розчину - вивода продуктів опріснення-концентрування, • ступенів генерування льоду і росту кристалів льоду, • сепараційне - промивочної колони, • холодильної машини Згідно фіг 1 система ввода вихідного розчину 53239 10 ні 42 рівнопрохідній з перерізом колони проход 43 вивода продуктів опріснення-концентрування для перевалювання льоду і його зміни направленскладається з насосу подання вихідного розчину 4, ня руху на 180° в суміжну камеру 44, в котру вбуфільтрів грубої очистки вихідного розчину 5 і тондований зрошувальний конденсатор хладоагентукої очистки опрісненої води 6, попереднього тепплавильник льоду 45 Холодильна машина (ХМ) лообмінника 7, джерела ультрафіолетового вискладається з одноступеневого компресора 46, промінювання 8 (бактерицидномлампи для обезконденсатору хладоагента - плавильнику льоду заражування опрісненої води) Ступенів генеру45, повітряного додаткового конденсатору 47, тепвання льоду і росту кристалів льоду - три (справа лообмінника 48, ресиверів рідкого хладоагенту 49 і наліво на фіг 1 вони визначені - 1,2,3) Кожна сту50 і дроселюючих вентилів 51 і 52 ХМ скомутовапень включає в себе кожухотрубчатий іспаритель натак, що при відкритих усіх вентилях, визначених хладоагенту - льдогенератор І-ЛГ і під ним містлітерою О, установка працює в режимі опріснення, кість-кристалізатор Кр Між І-ЛГ і Кр розташований а при відкритих усіх вентилях, визначених літерою шнек, який переміщає лід від усіх трьох ступеней К, працює в режимі концентрування Епектромагні1-а і 2-а ступені конструктивно однакові 3-я стутни вентилі О і К переключаються усі одночасно пень має ВІДМІНИ В режимі опріснення вихідний (команда «усі вдруг») солений розчин «проходить» ступені в такій ПОСЛІДОВНОСТІ 3, потім 1, потім 2 Згідно фіг 2 ступень 3 має іспарительВ режимі концентрування вихідний харчовий льодогенератор І-ЛГз 3, місткість-кристалізатор розчин (наприклад виноградний сік) «проходить» Крз 54, насоси 20 і 21, мішалку 55, регулятор рівня ступені в такій ПОСЛІДОВНОСТІ 1,2,3 рідкої фази 57, пульсаційний компресор 58 Іспаритель - льодогенератор І-ЛГз нахилений к місткоВ ступені 1 іспаритель-льдогенератор І-ЛП сті-кристалізатору Крз під кутом 15-ьЗО° (ця ж ососкладається з корпусу 9, 2-х трубних гратів 10 і бливість конструкції є і в ступенях 1 і 2, це передтрубок 11 Місткість-кристалізатор Крі цієї ступені бачено для того, щоб в випадку помилки персонавключає МІСТКІСТЬ 12, мішалку 13, турбулізуючі лу - збільшенню різниці температур при перегородки 14 і рециркуляційний насос 15 Крі теплопередачі в І-ЛГ більш 3,5°С і можливому при може мати суміжні стінки з іншими аналогічними такої помилки відкладенню льоду на внутрішній апаратами, а може мати і окремий корпус поверхні трубок іспарителя - можно було б, зупиШнек 27 складається з корпусу 28, нижня часнив роботу ступені (на 3-ь5хв) і нагрів міжтрубну тина котрого перфорирована отворами з діаметпросторинь горячим хладоагентом після нагнетаром 0,2мм, і власне витків шнека 29 Ліва частина ния компресору, дати можливість трубному льоду витків шнека 29 - з'ємна (це власне другий шнек швидко /1-ь2хв/ зсунутись на витки шнека) 29а, припіднятии правим кінцем на кут 10-20°), має стиковочний вузел ЗО (шлицеве з'єднання), дозвоВ схемі ступені 3 передбачено також сепараляючий міняти стики шнеків на протилежний з тор транспортного носія 70 з ЛІНІЯМІ вороття носія правою незмінною його частиною В режимі опріс71 і вивода продуктового концентрату 72 Конструнення ліва частина шнека 29а має ліву навивку кція сепаратору 70 і принцип його дії можуть бути витків, що переміщує лід вліво, в режимі концентрізними і на схемі не деталізовані Він може бути рування ліва частина шнека 29а (перевернута на просто відстойник - коли ЩІЛЬНІСТІ рідкого носія 180°) має праву навивку витків, що переміщує лід і продуктового концентрату ВІДМІННІ на великість вправо Лівий торец шнека 29а має вікно 31, відне менш 100кг/м2, крите в режимі опріснення для вивалювання тяжвін може бути у вигляді іспарителя з теплообководного льоду, і закрите герметичною кришкою мінником, коли носій - це легкокипляча рідина, 32 в режимі концентрування харчових рідин Шненаприклад Ф-11, СОг або SO2, ки мають також редуктор 33, забезпечующий їх він може бути і у вигляді дегазаційної колони, обертання з швидкістю 10-20об/хв, і електродвигун в котрій з концентрату мембраний компресор від34 Правий відкритий торец шнека 27 - з сторони, бирає розчиненний носій -газ, котра видає лід на сепараційно-промивочну колов випадку, якщо в ступені 3 процеси кристаліну, - з'єднаний з вхідом змішувального баку 35 і зації проводяться в евтектичній точці, коли разом з припіднят під кутом 10-ь20° до горизонталі Бак 35 кристалами льоду утворюються більш тяжкі крисмає мішалку 36, турбулізуючі перегородки 37 і натали цукрів, то сепаратор 70 може бути виконаний сос 38 у вигляді шнека, котрий ці кристали цукрів буде Сепараційно - промивочна колона СПК склавіджимати від насиченого розчину, висушивати дається з прямокутного в плані (тобто при виді досуха і видавати у вигляді сухого розчиненого зверху) корпусу 39 і розташованої на боковій попорошку (автор по такому устрію має а с СССР верхні СПК фільтраційних ґрат 40, маючих розміри №1576125, патенти України №13808 и №23240) отворів «в світу» 100-200мкм (через ці отвори стіТеплофизичні властивості деяких опріснюємих і кає розеол /концентрат/, але затримуються крисконцентруємих розчинів і транспортних носив, витали льоду - навіть в тому випадку, коли кристали користовуємих в теперішньому винаході в ступені мають і менші розміри - працює добре відомий з «ефект натовпу») В верхній своїй частині СПК має з однієї сторони зігнутий козирьок 41, утворюючий з верхней кромкой колони на її протилежній стороТаблиця Транспортний носій, розчин Температура, Тиск, Концентрація, ЩІЛЬНІСТЬ, В'ЯЗКІСТЬ, 11 1 Розчин NaCI 2 Розчин цукру — « — 3 Фреон 11 4 Фреон 12 5 Вуглекислота СОг 6 Диоксид сіри SO2 °С -12 -18 -1,5 -3,0 -4,5 -7,5 -10 -20 -10 -20 -13 -23 -10 -23 5323S кПа 101 101 101 101 101 101 25,73 15,76 221,9 152,7 2421 1787 101,3 53,3 В режимі опріснення ВОК працює наступним чином Вихідний солений розчин насосом 4 подається в фільтр грубої очистки 5, в котром розчин очищується від грубих взвесей розміром до 5мкм Потім розчин охолоджується в попередньому теплообміннику 7 до 3-5°С і направляється по трубопроводу 69 в МІСТКІСТЬ -кристалізатор 54 (Крз) Із Крз розчин вибирається насосом 21 і по ЛІНІЯМ 22 і 25 подається в трубну просторинь іспарителяльдогенератору ступені 3 (І-ЛГз) Під час руху по трубкам вниз розчин охолоджується за рахунок холоду (теплоти пароутворення) киплячего в межтрубної просторині хладоагенту, частково виморажується і разом з кристалами льоду стікає з нижчей частини І-ЛГз на витки шнеку 29а і потім через його донну перфорацію корпусу 28 в Крз Роботой холодильної машини (тобто виратой хладоагенту, що подається в І-ЛГз) холодопродукційність І-ЛГз створюють таку, щоб при роботі в режимі опріснення в першой ступені виморажувалось по масі не більш 3-ь5% від вихідного розчину Цей лід збагачений тяжкою водою ДгО Збагачення засновано на ефекті збільшеної температури льодоутворення тяжкої води (+3,8°С) - термодинамичному факторі Цей фактор (необхідний, але не достатній) повинен бути зміцнений кінетичним фактором - перемішуванням розчину в процесі його льодоутворення, щоб перешкодити при утворенні льоду ДгО зменшенню концентрації тяжководних молекул у поверхні льодоутворення з огляду зменшеної їх рухливисті (в 10 разів) у порівнянні з молекулами легководними, тобто НгО При попаданні в полость шнеку лід затримується перфорацією корпусу шнека і його витками 29а пересувається ліворуч по напряму до вікна 31 (кришка 32 в цьому режимі отодвинута від вікна 31), перевалюється через вікно 31 в воронку і разом з транспортною водою (перелив її через вікно 31) по лінії 23 за допомогою насосу 20 скидається в канализацію Скидання «першого льоду» (його утворення в обсязі потоку і не затримання на стінках трубок дуже залежить від інтенсивності турбулізації потоку у стінок трубок І-ЛГз) забезпечує полегшення опрісненої талої води (тобто зменшення утримання дейтерія в опрісненої води на 10-ь25% в порівнянні з тієї КІЛЬКОСТІ, яка звичайно знаходиться в природній воді, в котрій його утримання складає 0,035ч-0,04% мольних) % 16 22 20 ЗО 40 50 12 кг/м' 1130 1170 1083 1130 1179 1234 1557 1579 1426 1465 998 1046 1460 1487 Пас 3,510' 6,310' 3,7 1 0 ' 7,410' 15,610' 50,2 1 0 ' 0,595 1 0 ' 0,685 1 0 ' 0,316 1 0 ' 0,345 1 0 ' 0,015 1 0 ' 0,42 1 0 ' 0,45 1 0 ' Діапазон 3-ь5% скидуваємого льоду обґрунтовується так при перевищуванні 5% занадто збільшується загуба роботи на виморажування «не продукта», при зменшенні нижче 3% важко регулювання цього малого потоку і, крім того, є можливисть не досягнути мети цієї операції - полегшення ще невимороженого розчину, що залишається Невиморожений в ступені 3 вихідний розчин (у вигляді рециркулята після насосу 21) по лінії 26 направляють в змішувальний бак 35, в якому він змішується з льодом, пересуваємим праворуч в цей бак шнеком 27 (більш певно - його витками 29) Турбулизація в баку 35 льодорозсольної суспензії забезпечує и вибір разом з льодом насосом 38 і подання и по лінії 74 в нижню частину сепараційно-промивочної колони СПК В цьому апараті суспензія рухається верх Розеол фільтрується через фільтраційні грати 40 і по лінії 75 повертається на зрошування верхньої частини льоду, пересуваємим шнеком 27 праворуч між ступеню 1 і баком 35 Цей розеол, що має меньшу концентрацію у порівнянні з розсольною плівкою на льоду, попередньо промиває цей лід перед його вступом в бак 35 і потім стікає по нахилу ліворуч (10-20° нахилу достатньо для стоку рідини ліворуч, нахил з кутом більш 20° робити нерационально з огляду збільшення вертикального габариту 1-ої ступені) вниз через перфорацію дна корпусу шнека в місткість-кристалізатор 1-ої ступені Крі Колоборот розсолу - бак 35, ЛІНІЯ 74, нижня частина СПК, грати 40, ЛІНІЯ 75, права частина шнеку між І-ЛП| і баком 35 - попередньо сприятствує далі ефектівній роботі СПК, а саме • підвищує температуру льоду, що запобігає його змерзанню внизу СПК, • зменьшує концентрацію розсольної плівки, що покриває кристали льоду, • зменьшує в'язкість розсолу, що покращує фильтрацію розсолу внизу СПК -спочатку через масу льоду, а потім і через ячейки фільтраційних ґрат З дна Крі насос 15 відбирає розеол і направляє його більшу частину по лінії 17 в трубну просторинь І-ЛП| При циркуляції розсолу по трубкам небхідно витримувати умови його незамерзання і затикання трубок льдом, що забезпечується високою швидкістю потоку, малою різницьою температур між температурою замерзання розчину при 13 53239 14 данної концентрації і температурою кипіння хлаперетиняється з нижчею кривою, що показує склад доагенту в межтрубної просторині В трубках І-ЛП рідкої рівноважної фази, характерна особливість генеруються зародиші льоду, їх розміри по причині такої суміші - при постійних тисках вона кипіть і вьюокої ШВИДКІСТІ потоку (1 м/с) - невелики конденсується при перемінних температурах (при (1-И0мкм) Такі мікророзміри льоду забезпечують КИПІННІ спочатку переважно википає при найнизчей їх проход через льодяну масу, транспортуємую температурі легкокиплячий (нижчекиплячий) комшнеком зліва направо, а також через перфорацію понент, тобто той компонент /в нашому випадку дна шнеку в місткість-кристалізатор Крз Обсяг Кр Ф22/, котрий має при однаковому тиску з другим розраховується на час пребування розсолу в ньокомпонентом більш низьку температуру насиченму порядка 5-ь8мш, що забезпечує вирост кристаня, після чого начинає википати другий компонент лів льоду при турбулизацм суспензії мішалкою 13 - тяжкокиплячий /вищекиплячий, в нашому випадку до розмірів 150-ь250мкм При рециркуляції разсолу - Ф142в/, причому температура кипіння такої суміпо кільцу (насос 15, ЛІНІЯ 17, трубки І-ЛП, шнек з ши поступово підвищується, при конденсації такої льодом) льодяна маса в полості шнека как класисуміші спочатку конденсується практично повністю фикатор пропускає дрібні кристали-зародиші і затяжкокиплячий компонент, а другий компонент тримує відносно великі кристали льоду, формуючи буде конденсуватися при тому ж спільном тиску з них сніжну масу, підвержену транспортировці суміші, але при зниженрі температурі і під своїм парциальним тиском) Після компресору 46 стисВ І-ЛП концентрація розсолу по солям збільнута сумішь поступає в додатковий конденсатор шується до оптимальної, звичайно в цієй ступені 47, в котрому за рахунок теплообміну з повітрям виморажується біля 80% льоду Меньшу частину конденсується тяжкокиплячий компонент - Ф142в рециркуляту насос 15 направляє по трубі 18 во 2-у Парорідинна сумішь по трубі 81, через теплообступень виморажування - спочатку на поверхню мінник 48 і по трубі 82 поступає в ресивер 50, в льоду, пересуваємого шнеком між І-ЛГг і І-ЛП з котрому рідка і газова фази розділюються Рідка метою його часткової промивки, а потім і в Крг фаза - переважно тяжкокиплячий компонент Процеси в ступені 2 аналогичні процесам в (Ф142в)- дроселюється в дросельному вентилі 51 і ступені 1 (при цьому труба 21 перекрита запорним тече на змішення з легкокиплячим компонентом вентилем - не показаний) Концентрація розсолу (Ф22) Газова фаза з ресивера 50 - в основному збільшується до кінцевої, при котрій він виводится легкокиплячий компонент (Ф22) -поступає по лінії із Крг за допомогою насосу 19 по трубопроводу 71 83 в зрошувальний конденсатор 45, вбудований в і через теплообмінник 7 камеру 44 СПК Тут легкокиплячий компонент конПісля відділення льоду від розсолу в середній денсується при теплопередачі з льодом і вже як частини СПК лід рухається вверх, промиваясь від рідина стікає в ресивер 49, ВІДКІЛЯ ВІН ПО ЛІНІЇ 89 і поверхневої розеол ьної плівки противоточним після дроселювання в дросельному вентилі 52 опусканням промивочної води з лінії 76, котра тече на змішення з тяжкокиплячим компонентом пронизує пористий льодяний поршень і потім в (Ф142в) Сумішь хладоагентів в режимі опріснення районі фільтраційної грати підмішується к фільтпроходить через іспарителі-льодогенератори проруємому розсолу В верхній частині СПК промита тивотоком опріснюємому розсолу Це означає, що від розсолу льодяна маса за допомогою направколи опріснюємий розчин переходить з однієї стуляючого козирька 41 повертає свій рух на 180° і пені льодогенерування в другу ступень в ПОСЛІДОопускається в суміжну камеру 44 Переріз 43, рівВНОСТІ ступеней - ^ 3 ^ 1 ->2->, то неазеотропна сунопрохідний з перерізом СПК, не пресує сніжну мішь в цьому режимі проходить назустріч (протимасу і не зменшує и пористость і проникливість, вотоком), тобто в ПОСЛІДОВНОСТІ ступеней що не погіршує процес промивки В суміжній каме^ 3 ^ 1

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Method for desalination and concentration of aqueous solutions by multi-stage freezing-out and multi-stage desalter- concentrator for realizing the same

Автори англійською

Smirnov Leonard Fedorovych

Назва патенту російською

Способ опреснения и концентрирования водных растворов многоступенчатым вымораживанием и многоступенчатый вымораживающий опреснитель-концентратор для его осуществления

Автори російською

Смирнов Леонард Федорович

МПК / Мітки

МПК: B63J 1/00, F25C 1/12

Мітки: багатоступеневий, виморожуванням, концентрування, опріснення, виморожуючий, спосіб, багатоступеневим, здійснення, опріснювач-концентратор, розчинів, водних

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/11-53239-sposib-oprisnennya-i-koncentruvannya-vodnikh-rozchiniv-bagatostupenevim-vimorozhuvannyam-ta-bagatostupenevijj-vimorozhuyuchijj-oprisnyuvach-koncentrator-dlya-jjogo-zdijjsnennya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб опріснення і концентрування водних розчинів багатоступеневим виморожуванням та багатоступеневий виморожуючий опріснювач-концентратор для його здійснення</a>

Подібні патенти