Установка для розділення двокомпонентного розчину

Изобретение относится к аппаратам для перегонки двухкомпонентных растворов и может найти применение в химической, пищевой, фармацевтической промышленности; в частности, может быть использовано для получения спирта из водно-спиртового раствора. В качестве прототипа взята установка для перегонки загрязненного растворителя [1], содержащая испаритель, в которой подают через теплообменник исходный раствор, и компрессор, отсасывающий пары легкокипящего компонента из корпуса испарителя. Сторона нагнетания компрессора связана с конденсатором сжатых паров. Конденсатор выполнен в виде змеевика и установлен в корпусе испарителя, образуя нагреватель для исходного раствора. Установка-прототип не может быть использована для получения достигаемого заявляемым изобретением технического результата по следующим причинам; - в конструкции прототипа не предусмотрено устройство для увеличения концентрации легкокипящего компонента в паровой фазе; - прототип обладает низкой разделяющей способностью в случае превышения в исходном растворе массы труднокипящего компонента, т.к. теплоты конденсации паров небольшой массы легкокипящего компонента недостаточно для подогрева смеси до рабочей температуры; выполнение конденсатора в виде змеевика с оребрением затрудняет очистку теплообменных поверхностей, а это приводит к ухудшению теплообмена между потоками, а следовательно, к увеличению энергозатрат. Таким образом, перечисленные выше недостатки не дают возможности обеспечить высокую разделяющую способность установки при низких энергозатратах. Задача данного изобретения состоит в усовершенствовании установки для разделения двухкомпонентных растворов путем увеличения концентрации легкокипящего компонента в паровой фазе, чем обеспечивается высокая разделяющая способность установки, что приводит к уменьшению энергозатрат на ее эксплуатацию, Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем. Увеличение концентрации легкокипящего компонента в паровой фазе, а следовательно, и повышение разделяющей' способности установки достигается размещением на всасывающем тракте компрессора насадочной ректификационной колонны. В ректификационной колонне поступающие гуда из испарителя пары в результате взаимодействия с исходным раствором, подаваемым через распылитель, соединенный с испарителем, обогащаются легкокипящим компонентом исходного раствора. В установке отсутствуют насосы для подачи исходного раствора в ректификационную колонну, поскольку вакуумный режим органически вписывается в данную технологическую схему и позволяет осуществлять безнасосную подачу исходного раствора из испарителя в ректификационную колонну с целью использования этого раствора для обогащения паров легкокипящего компонента. Заявляемое изобретение обладает высокой разделяющей способностью даже в тех случаях, когда масса труднокипящего компонента значительно превышает массу легкокипящего компонента (например, в водно-спиртовой смеси, масса воды превышает массу спирта в 8 - 10 раз), так как во-первых в корпусе испарителя установлен пусковой электронагреватель, и, во-вторых, снаружи корпус испарителя покрыт слоем теплоизоляционного материала. Использование в конструкции конденсаторанагревателя неребренных гладких, прямых трубок, расположенных внутри корпуса испарителя в один ряд с наклоном в сторону выходного коллектора обеспечивает качественную очистку теплообменных поверхностей, позволяет интенсифицировать теплообмен между потоками и, в конечном итоге, повысить разделяющую способность установки, снизить энергозатраты при эксплуатации установки. Таким образом, вся совокупность существенных признаков изобретения позволяет обеспечить высокую разделяющую способность установки при низких энергетических затратах. На фиг.1 изображена предлагаемая установка, общий вид; на фиг.2 в диаграмме показан открытый цикл работы теплового насоса. Устройство состоит из покрытого слоев тепловой изоляции (1) испарителя 2 с раствором 3, в нижней части которого под углом 3° закреплен ряд гладких трубок 4. Входные и выходные отверстия трубок 4 объединены входным 5 и выходным 6 коллекторами с патрубками 7 и 8. В испарителе 2 установлен пусковой электронагреватель 9, на корпусе испарителя 2 расположены ректификационная колонна 10 и пробка 11. Внутри колонны 10 находится сетка 12, и насадка 13. Трубка 14 с регулятором расхода 15 соединяет испаритель 2 и распылитель 16 в ректификационной колонне 10. Компрессор 17 с приводным электродвигателем 18 соединяется с ректификационной колонной 10 посредством всасывающей трубки 19 и с патрубком 7 нагнетательной трубкой 20. Устройство работает следующим образом. Через пробку 11 в испари гель 2 заливаются раствор 3, компоненты крторого при одинаковом давлении имеют различные температуры кипения (например, водоспиртовый раствор). Включают электронагреватель 9 и подогревают раствор до рабочей температуры (например, 50 ... 60°C). Затем нагреватель выключают и запускают электрокомпрессор 17, 18. В испарителе 2 над уровнем жидкости концентрация легкокипящего вещества (например, спирта) значительно превышает концентрацию второго компонента (например, воды). Эти пары отсасываются компрессором 17 через ректификационную колонну 10, где в результате взаимодействия с раствором жидкости, подаваемой из испарителя 2 через распылитель 16 (по противотоку), происходит обогащение легкокипящим веществом паровой фазы. Для нормального функционирования ректификационной колонны 10 расстояние между уровнем жидкости и местом подвода трубки 14 должно быть связано с сопротивлением загружаемого материала 13 следующим соотношением жидкого раствора, (здесь - плотность сопротивление загрузочного материала). Пары с высокой концентрацией легкокипящего компонента сжимаются в компрессоре 17 и подаются во входной коллектор 5, В испарителе 2 за счет конденсации паров внутри трубок 4 происходит выкипание жидкости в испарителе 2. Пары поступают в ректификационную колонну 10, а конденсат через выходной коллектор 6 и патрубок 8 подается потребителю. Требуемое качество очистки регулируется изменением расхода жидкости, подаваемой в ректификационную колонну 10 и обеспечивается клапаном 15. Таким образом высокая экономичность установки (в 5 ... 10 раз превышает традиционную) достигается реализацией открытого цикла теплового насоса при подводе тепла к жидкости, находящейся в испарителе 2 (см. фиг.2). На фиг.2 в диаграмме показаны процессы, происходящие в устройстве: 1 - 2 процесс кипения при давлении и температуре Tи; 2 - 3 - процесс политропного сжатия от до конденсации при 3 - 4 - процесс давлении и температуре 4 5 процесс переохлаждения жидкости в выходных коллекторе и патрубке. Как видно из фиг.2 всегда соблюдаются следующие соотношения (теплота, выделяемая в процессе конденсации всегда больше теплоты, которую необходимо подводить для реализации процесса кипения) и (т.е. энергия, которую необходимо подвести для сжатия паров в компрессоре в 5 ... 10 раз (в зависимости от режима работы) меньше, необходимой для выпаривания). Вторая особенность связана с тем, что в данной схеме нет нужды в проточной воде, обеспечивающей отвод теплоты при конденсации. Третья особенность связана с тем, что теплообмен в баке между потоками может осуществляться при значительно меньшей поверхности, теплообмена (внутри трубки происходит конденсации паров, а с наружной поверхности - кипение). Это является причиной высоких значений коэффициента теплопередачи. Четвертую особенность иллюстрируют расчеты, характеризующие производительность установки. При емкости бака 20л и производительности компрессора 180л/ч уже через 40с работы концентрация легкокипящего вещества в растворе снизится с 10 до 3,7% (в 2,5 раза), а через 1,5мин - до 1%. В традиционных схемах этот процесс занимает несколько часов.