Способ разделения водно-спиртовой смеси и установка для его осуществления

Изобретение относится к процессам разделения жидких сред. Согласно способу водно-спиртовую смесь подают в эжектор под давлением, обеспечивающим безотрывное течение сверхзвуковой двухфазной смеси, состоящей из жидкой фазы и выделившихся из нее паров. Выделившиеся пары удаляют из приемной камеры эжектора путем ее вакуумирования с помощью второго сверхзвукового эжектора, включенного во второй контур циркуляции жидкой рабочей среды. Водно-спиртовую смесь подают в эжектор при температуре, превышающей температуру циркулирующей среды в независимом контуре на величину, обеспечивающую не менее чем двукратное превышение давления кипения разделяемой водно-спиртовой смеси над давлением кипения циркулирующей рабочей среды. Установка содержит два контура, каждый из которых снабжен сверхзвуковым эжектором, установленным вертикально приемной камерой вверх, парогазовый трубопровод, непосредственно соединяющий приемные камеры эжекторов первого и второго контуров. Первый контур содержит трубопроводы для подачи разделяемой среды и отвода обедненного по спирту компонента. Второй контур содержит отводящий трубопровод обогащенного спиртом компонента, циркуляционную магистраль с насосом и бак для циркулирующей среды, в нижней части которого установлено теплообменное устройство. Изобретение позволяет повысить степень разделения смеси на малогабаритной установке. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к способам и устройствам разделения жидких сред, имеющих в составе компоненты с различными температурами кипения, в частности к разделению водно-спиртовых смесей, и может быть использовано, например, в пищевой промышленности.

Известен способ перегонки гидролизной бражки, включающий ее нагрев, эжектирование, сепарацию и ректификацию (SU 1013461, 23.04.83).

Недостатком данного способа является то, что он не избавляет от необходимости использовать пар хоть и низкого давления и не снижает материалоемкость всей конструкции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ и устройство для разделения жидких сред, в том числе водно-спиртовой смеси, по RU 2165281.

По известному способу обеспечивают эжекцию и циркуляцию заранее выбранного и закачанного в установку газа за счет его эжектирования разделяемой жидкостью, транспортируют пары легкокипящей компоненты газом, отделяют газопаровую смесь от образующейся на выходе из эжектора пены, конденсируют пары легкокипящей компоненты в охлаждаемом конденсаторе, накапливают сконденсированную компоненту в отдельном объеме, подают снова газ на эжекцию, поддерживают постоянное давление в газовом контуре системы, поддерживают в приемной камере эжектора разрежение, которое необходимо для вскипания легкокипящей компоненты. Устройство содержит последовательно соединенные герметичный бак, электронасос, сопловой блок жидкостно-газового эжектора, который герметично соединен своей выходной частью с баком. К баку последовательно присоединены пеногаситель или бак отстоя пены и охлаждаемый конденсатор, соединенный в свою очередь с баком-накопителем отделенной фракции с установленным на нем расширительным баком и соединенным трубкой с редуктором, установленным на входе в приемную камеру эжектора (RU 2165281, 20.04.2001).

Недостатком известного технического решения является использование заранее выбранного газа, что сильно снижает коэффициент полезного действия процесса разделения из-за необходимости перекачивать этот газ по замкнутому контуру, излишнее ценообразование, ведущее к необходимости увеличения объема установки и недостаточная концентрация получаемого спирта сырца, сильно зависящая в этой технологии от концентрации спирта в разделяемой смеси.

Задачей настоящего изобретения является повышение коэффициента полезного действия процесса разделения, уменьшение массогабаритных характеристик установки, снижение пенообразования и повышение концентрации получаемого продукта.

Поставленная задача решается описываемым способом разделения водно-спиртовой смеси, включающим подачу смеси в приемную камеру эжектора, образование сверхзвуковой двухфазной смеси, ее разделение, конденсацию обогащенного спиртом компонента и циркуляцию рабочей среды, согласно которому спиртовую смесь подают в эжектор под давлением, обеспечивающим безотрывное течение сверхзвуковой двухфазной смеси, состоящей из жидкой фазы и выделившихся из нее паров, выделившиеся пары удаляют из приемной камеры эжектора путем ее вакуумирования с помощью второго сверхзвукового эжектора, включенного в независимый контур циркуляции жидкой рабочей среды, при этом водно-спиртовую смесь подают в эжектор при температуре, превышающей температуру циркулирующей среды в независимом контуре на величину, обеспечивающую не менее чем двукратное превышение давления кипения разделяемой водно-спиртовой смеси над давлением кипения циркулирующей рабочей среды.

Предпочтительно в качестве рабочей среды используют водно-спиртовую смесь.

Поставленная задача решается также описываемой установкой для осуществления способа, охарактеризованной выше, которая содержит два контура, каждый из которых снабжен сверхзвуковым эжектором, установленным вертикально приемной камерой вверх, парогазовый трубопровод с запорно-регулирующей и измерительной аппаратурой, непосредственно соединяющий приемные камеры эжекторов первого и второго контуров, при этом первый контур содержит насос, трубопровод для подачи разделяемой смеси и магистраль отвода обедненной смеси, а второй контур содержит циркуляционную магистраль с насосом, бак для циркулирующей среды, в нижней части которого установлено теплообменное устройство, и отводящий трубопровод обогащенного спиртом компонента.

Теплообменное устройство может быть выполнено в виде холодильной машины, охлаждающий контур которой предназначен для охлаждения рабочей среды, а радиатор сброса тепла связан с трубопроводом подачи разделяемой смеси и предназначен для ее подогрева.

Предложенный способ основан на различии температур кипения компонентов водно-спиртовой смеси.

В таблице 1 приведены значения давлений на линии насыщения (давления кипения) в зависимости от температуры для спирта и воды.

Таблица 1.
t°C	8	19	26	34,9	48,4	63,5	87,4
Спирт, Рмм рт.ст.	20	40	60	100	200	400	760
Вода, Рмм рт.ст.	8	16	25	41	84	175	470

На фиг.1 представлена зависимость давлений на линии насыщения (давления кипения) в зависимости от температуры для спирта и воды.

Для определения массовых долей выделяемых из жидкости в виде паров компонентов следует рассмотреть соотношение, определяющее объем парогазовой смеси (рассматривается раствор спирта в воде):

V_пг=m_сν_с ^(п)=m_вν_в ^(п),

где V_см - объем смеси; m_c и m_в - массовые доли спирта и воды; ν_с ^(п) и ν_в ^(п) - удельные объемы паров спирта и воды.

Массовая доля выделяемого компонента (спирта) связана с массовой долей пара (воды) соотношением:

m_с/m_в=P_с ^(п)·R_в./(Р_в ^(п)·R_с),

где Р_с ^(п) и Р_в ^(п) - парциальные давления паров спирта и воды.

Например, при температуре 19°С имеем следующие значения давлений на линии насыщения: Р_воды=16 мм рт.ст.; Р_спирта=40 мм рт.ст., т.е. давления отличаются в 2,5 раза. Кроме того, газовые постоянные отличаются в 2,56 раза (R_с=18,43, R_в=47,1). Таким образом, при температуре 19°С отношение m_с/m_в составит 6,4. Т.е. на каждую единицу массы воды будет приходиться 6,4 массы спирта (≈84% раствора спирта в воде).

Для получения критического перепада давлений при получении концентрированного раствора спирта из раствора с малыми концентрациями спирта (150 мм рт.ст. и 75 мм рт.ст.) достаточно иметь разницу температур в 12°C (42°C-30°C). При более высоких давлениях необходимая разница температур снижается, но возрастают энергетические потери, связанные с необходимостью дополнительного нагрева обрабатываемой жидкости. При этом возрастает и производительность, т.е. необходима оптимизация в каждом конкретном случае.

На фиг.2 представлена схема установки для разделения водно-спиртовой смеси, содержащая два контура, каждый из которых снабжен сверхзвуковым эжектором, установленным вертикально приемной камерой вверх, парогазовый трубопровод с запорно-регулирующей и измерительной аппаратурой, непосредственно соединяющий приемные камеры эжекторов первого и второго контуров. Первый контур содержит: 1 - насос; 2 - подводящую магистраль; 3 - радиатор теплообменного устройства; 4 - трубопровод; 5 - трубку подачи смеси к эжектору; 6 - приемную камеру эжектора; 7 - сверхзвуковой эжектор; 8 - магистраль отвода смеси. Второй контур содержит: 10 - сверхзвуковой эжектор; 11 - приемную камеру эжектора; 12 - трубку подачи рабочей жидкости; 13 - трубку; 14 - бак; 15 - насос; 16 - охлаждающий контур теплообменного устройства; 17 - холодильник; 18 - отводящий трубопровод обогащенного спиртом компонента. Соединяются два контура парогазовым трубопроводом с запорно-регулирующей и измерительной аппаратурой - 9.

Работа установки с производительностью до 1 г/с, по удаляемой из исходного раствора легкокипящей компоненте может быть продемонстрирована на примере разделения 10% спиртового раствора в воде (брага) на спирт сырец и очищенную от него воду.

На графике на фиг.1. выбирается температура разделяемой спирто-водяной смеси в 42°С (давление кипения составляет 150 мм рт.ст.). Этой температуре соответствует отношение m_с/m_в=P_с ^(п)·R_в./(Р_в ^(п)·R_с), равное 6,4. Готовится необходимое количество раствора рабочей жидкости второго контура (необходимо заполнить магистрали, бак и насос) с отношением массовых долей спирта и воды равном 6,4. С помощью охлаждающего радиатора 16 холодильника 17 обеспечивается температура этого раствора, не превышающая 30°С, т.к. при этой температуре давление кипения этого раствора не превышает 75 мм рт.ст. Таким образом, при разнице температур в 12°С будет обеспечен перепад давлений, близкий к критическому между двумя контурами. Температура водно-спиртовой смеси, подаваемой на разделение, поддерживается на уровне 42°С дополнительным теплообменным устройством (радиатор сброса тепла).

В первый контур водно-спиртовая смесь, в которой объемное содержание спирта составляет 10% с температурой не менее 42°С, поступает по магистрали 2. Для обеспечения безотрывного течения сверхзвуковой двухфазной смеси, состоящей из жидкой фазы и выделившихся из нее паров в эжекторе 7, насосом 1 повышают давление смеси до 6 ата, после чего эта смесь проходит через радиатор сброса тепла теплообменного устройства 3 и по трубопроводу 4 поступает к трубке подачи 5 водно-спиртовой смеси в приемную камеру 6 эжектора. При этом в ней поддерживается низкое давление за счет работы второго контура, связанного с первым через парогазовый трубопровод 9. Таким образом, спиртовой раствор на выходе из трубки подачи водно-спиртовой смеси 5 попадает в зону (приемная камера эжектора первого контура 6) более низкого давления, чем его собственное давление кипения (150 мм рт.ст). Часть спиртового раствора мгновенно вскипает, что приводит к образованию в приемной камере эжектора первого контура паровой смеси с отношением массовых долей спирта и воды равном 6,4. Выделившиеся пары удаляются из приемной камеры эжектора путем ее вакуумирования с помощью второго сверхзвукового эжектора, включенного в независимый контур циркуляции жидкой рабочей среды. Невскипевшая часть раствора из эжектора 7 отводится по магистрали отвода обедненной по спирту смеси 8 при давлении выше атмосферного (Р_вых≈0,15 МПа). При необходимости этот раствор может быть повторно направлен на разделение.

Во втором контуре жидкость с температурой не более 30°С (P_s=75 мм.рт.ст.) циркулирует по замкнутому контуру от электронасоса 15 по трубке циркуляционной магистрали 13 к трубке подачи рабочей жидкости 12, расположенной в приемной камере эжектора второго контура 11, затем в эжектор второго контура 10 и в бак циркулирующей жидкости 14, после которого опять к электронасосу 15. При этом в приемной камере эжектора второго контура 11 создается вакуум, соответствующий давлению, при котором закипает жидкость второго контура. В данном случае P_s=75 мм рт.ст., что соответствует температуре жидкости 30°С. За счет непрерывной работы насоса и засасывания из первого контура пара, конденсирующегося в более холодной жидкости второго контура, происходит непрерывный и интенсивный нагрев жидкости. Поэтому ее охлаждают с помощью охлаждающего контура теплообменного устройства 16, которым снабжен бак циркулирующей жидкости 14. Во втором контуре накапливается сконденсировавшийся пар, содержащий спирт и воду в массовом соотношении 6,4. Накопленный продукт по трубопроводу обогащенного спиртом компонента 18 отводится из второго контура. При этом за счет значительного повышения давления на участке от приемной камеры эжектора второго контура (P_s=75 мм рт.ст.) до давления в баке циркулирующей жидкости, соответствующего атмосферному (Р_атм=735÷760 мм рт.ст.), резко снижается объем пены.

В парогазовом трубопроводе возникает критический перепад давлений, обеспечивающий перетекание парогазовой смеси из первого контура во второй, т.к. в приемной камере эжектора первого контура 6 минимальное абсолютное давление, которое может быть достигнуто, соответствует P_s=150 мм рт.ст. (t_ж=42°С), а в приемной камере эжектора второго контура 11 это давление соответствует P_s=75 мм рт.ст. (t_ж=30°С). Критический перепад обеспечивает течение парогазовой смеси со скоростью звука (a_п=247 м/c). Поэтому с целью минимизации потерь полного давления при звуковом течении смеси по парогазовому трубопроводу и обеспечения максимально возможного расхода парогазовой смеси необходимо обеспечить течение по парогазовому трубопроводу смеси с максимально возможной плотностью. Для реализации такого режима самое узкое сечение должно быть при подводе паровой смеси к рабочей жидкости второго контура, выходящей из трубки подачи рабочей жидкости 12. Площадь кольцевого зазора в данном случае составит 0,18 см². При этом от приемной камеры эжектора первого контура 6 до минимального сечения течет паровая смесь с давлением 150 мм рт.ст.

В представленном примере предложенное изобретение позволяет получать раствор с объемным содержанием спирта ≈84% из исходного раствора с объемным содержанием спирта ≈10%. При этом в исходном растворе, содержавшем 10% спирта по объему, остается не более 0,2% спирта. Кроме того, уменьшены энергетические затраты, связанные с необходимостью транспортировки заранее выбранного газа по замкнутому контуру, а также уменьшены габариты установки и устранены условия, приводившие к появлению обильной пены из-за отсутствия в устройстве газа и увеличения давления перед выходом из установки до атмосферного.

1. Способ разделения водно-спиртовой смеси, предусматривающий подачу ее в приемную камеру сверхзвукового эжектора первого контура, образование сверхзвуковой двухфазной смеси, ее разделение, конденсацию обогащенного спиртом компонента и циркуляцию рабочей среды, отличающийся тем, что циркуляцию рабочей среды, в качестве которой используют жидкость, осуществляют во втором контуре, включающем второй сверхзвуковой эжектор, водно-спиртовую смесь подают в эжектор первого контура под давлением, обеспечивающим безотрывное течение сверхзвуковой двухфазной смеси, состоящей из жидкой фазы и выделившихся из нее паров, и с температурой, превышающей температуру циркулирующей рабочей среды на величину, обеспечивающую не менее чем двукратное превышение давления кипения разделяемой водно-спиртовой смеси над давлением кипения циркулирующей рабочей среды, при этом разделение осуществляют путем удаления выделившихся паров из приемной камеры эжектора первого контура путем ее вакуумирования с помощью второго сверхзвукового эжектора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды используют водно-спиртовую смесь.

3. Установка для осуществления способа по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что содержит два контура, каждый из которых снабжен сверхзвуковым эжектором, установленным вертикально приемной камерой вверх, парогазовый трубопровод с запорно-регулирующей и измерительной аппаратурой, соединяющий приемные камеры эжекторов первого и второго контуров, при этом первый контур включает насос, трубопровод для подачи разделяемой смеси и магистраль отвода обедненной смеси, а второй контур содержит циркуляционную магистраль с насосом, бак для циркулирующей среды, в нижней части которого установлено теплообменное устройство и отводящий трубопровод обогащенного спиртом компонента.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что теплообменное устройство выполнено в виде холодильной машины, охлаждающий контур которой предназначен для охлаждения рабочей среды, а радиатор сброса тепла связан с трубопроводом подачи разделяемой смеси и предназначен для ее подогрева.