Спосіб одержання опрісненої води шляхом виморожування

Реферат: Спосіб одержання опрісненої води шляхом виморожування передбачає взаємодію розчину із стрижневими робочими органами, відвід тепла від поверхні стрижневих робочих органів, наморожування на них блоків льоду, знімання з робочих органів блоків льоду і наступне їх плавлення. Розчин охолоджують до початку утворення зони росту кристалів, після чого підвищують температуру до величини, яка забезпечує різницю температур між твердою фазою і температурою замерзання розчину, рівною 0,6…1 °C, і при цій різниці проводять процес виморожування. UA 82086 U (12) UA 82086 U UA 82086 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способу опріснення високомінералізованих природних і стічних вод та концентрування розчинів шляхом виморожування. Відомий спосіб отримання опрісненої води [див. опис до патенту FR № 2858607], який передбачає охолодження вихідної води, кристалізацію її в два етапи, наступне промивання від розсолу кристалів льоду прісною водою. Недоліком цього способу є велика енергоємність процесу із-за наявності циркуляційних контурів і додаткового обладнання для сепарування льоду. У пористій структурі шару льоду міститься значна кількість розчинених речовин. Спосіб не передбачає ефективного розділення твердої фази і розсолу, наслідком чого є великі втрати опрісненої води з розсолом. Відомий також спосіб опріснення води шляхом виморожування, який передбачає занурення у ємність з рідиною стрижневих робочих органів, відведення тепла від поверхні стрижневих робочих органів, наморожування на них блоків льоду, вилучення робочих органів з ємності, витримування їх на повітрі при температурі вище 0 °C, видалення розсолу у ємність, знімання з робочих органів блоків льоду та їх топлення. Під час виморожування рідину піддають механічному перемішуванню в діапазоні значень відцентрованого числа Рейнольдса 20≤Reц≤130 [див. опис до патенту України № 26171 на корисну модель]. Але, в даному способі внаслідок механічного перемішування посилюються дифузійні процеси і формується блок льоду збільш щільним упакуванням кристалів. Це призводить до збільшення тривалості сепарування блоків льоду. Найближчим до способу, що заявляється, є спосіб отримання концентрованих рідких продуктів харчових виробництв [див. А.С. СРСР № 1716976]. Спосіб передбачає занурення в ємність з попередньо охолодженим продуктом стрижневих робочих органів, відвід тепла від їх поверхні і наморожування на ній блоків льоду з подальшим вилученням робочих органів з ємності і знімання з них блоків льоду. Особливістю способу є те, що з метою зменшення втрат продукту і спрощення процесу концентрування, після вилучення блоків з ємності здійснюють їх витримку на повітрі при температурі повітря плюс 15…30 °C. Вирощування блоку льоду на поверхні кристалізатора, на відміну від об'ємної кристалізації, виключає утворення суміші розсолу і кристалів льоду і необхідність використання складного обладнання (центрифуг, пресів, промивних колон) для сепарування льоду. Спосіб дозволяє підвищити ступінь опріснення води, зменшити втрати опрісненої води з розсолом та спростити процес опріснення. Даний спосіб обрано прототипом. Прототип і корисна модель, що заявляється, мають такі спільні ознаки: - відвід тепла від поверхні стрижневих робочих органів та наморожування на них блоків льоду; - видалення концентрованого продукту, що стікає з блоків льоду у ємність (сепарування); - знімання з робочих органів блоків льоду та їх плавлення. Недоліком цього способу є те, що в процесі кристалізації наморожуються блоки льоду діаметром 80 мм і більше, що призводить до збільшення тривалості процесу кристалізації і вимагає організації ефективного тепловідводу від поверхні кристалізації. Тому досліди проводилися або в посудині Дьюара, або в ємностях з адіабатичними оболонками. Крім того, на останніх стадіях виморожування ріст блоку льоду здійснюється в стислих умовах, які ускладнюють процеси тепломасопереносу, що призводить до утворення блоку льоду зі значним вмістом у міжкристалічних порожнинах концентрованого розсолу. Це призводить до значних втрат прісної води з розсолом та обмежує ступінь опріснення води. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити удосконалений спосіб одержання прісної води, в якому шляхом підтримання заданої температури виморожування, забезпечити підвищення ступеня опріснення, зменшення втрат продукту і скорочення тривалості процесу. Поставлена задача вирішена в способі одержання опрісненої води шляхом виморожування, що передбачає взаємодію розчину із стрижневими робочими органами, відвід тепла від поверхні стрижневих робочих органів, наморожування на них блоків льоду, знімання з робочих органів блоків льоду і наступне їх плавлення, тим, що рідину охолоджують до початку утворення зони росту кристалів, після чого підвищують температуру до величини, яка забезпечує різницю температур між твердою фазою і температурою замерзання розчину рівною 0,6…1 °C і при цій різниці проводять процес виморожування. На відміну від прототипу та інших способів опріснення, в початковий момент зони росту кристалів на охолоджуваній поверхні інтенсивність охолодження розчину встановлюється високою і такою, що залежить від концентрації розчину, а далі для зменшення захоплення сухих речовин у пори льоду, процес здійснюють при безперервному пониженні температури, забезпечуючи постійне переохолодження розчину у двофазній зоні на рівні 0,6…1 °C. 1 UA 82086 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Процес опріснення розчину можна розділити на три періоди, які мають свої особливості (див. рисунок). На першому відрізку (період І) відбувається охолодження розчину до температури кристалізації води в розчині, яка нижче рівноважної температури замерзання розчину на величину 2…5 °C в залежності від концентрації. В момент утворення на охолоджуваній поверхні кристалічної структури температуру холодоносія піднімають до величини яка забезпечує переохолодження розчину у двофазній зоні на рівні 0,6…1 °C (період II). У зв'язку з тим, що в результаті опріснення утворюється тверда фаза з меншим вмістом сухих речовин ніж у розчині, концентрація якого в процесі підвищується, це призводить до пониження температури замерзання. Ще одним фактором, який впливає на необхідність більшого зниження температури холодоносія для підтримання необхідного переохолодження є ріст блоку льоду, а разом з цим і термічного опору на ділянці "холодоносій - двофазна зона". Тому, подальше виморожування проводять постійно понижуючи температуру холодоносія (період III). Таким чином, запропонований спосіб відрізняється від відомого способу отримання концентрованих рідких харчових продуктів (див. А.С. СРСР № 935065) тим, що в області переохолодження (період II) після утворення зони росту кристалів температуру підвищують і далі процес заморожування проводиться з врахуванням вище зазначеного переохолодження. Реалізація такого алгоритму зміни температури холодоносія дозволяє зменшити енерговитрати у зв'язку з проведенням процесу при вищій температурі холодоносія. Приклади здійснення способу. Приклад 1 2,325 кг модельного розчину хлориду натрію з масовою часткою розчинених речовин 0,209 % і температурою 18 °C заливали в ємність, в якій розміщені стрижневі кристалізатори у вигляді трубок Фільда з діаметром 12 мм. Рівноважна температура замерзання модельного розчину становить мінус 0,13 °C. Через кристалізатори циркулює проміжний холодоносій для відводу тепла. Процес здійснювали наступним чином. Температуру проміжного холодоносія, який циркулює в стрижневих кристалізаторах, понижували до рівня, при якому починається утворення в початковий момент зони росту кристалів на охолоджуваній поверхні. Для розчину хлориду натрію масовою часткою розчинених речовин 0,209 % ця температура дорівнює мінус 5 °C. В цей момент утворюється шар льоду товщиною 1…3 мм, який слугує центрами кристалізації. Внаслідок того, що структура вимороженої твердої фази аналогічна структурі переохолодженого розчину, а здійснення процесу направленої кристалізації води із розчину на охолоджуваній поверхні призводить до зменшення енергії поверхні розділу фаз, то з врахуванням цього подальший ріст твердої фази доцільно проводити при незначному переохолодженні. Тому в наступний момент процесу виморожування швидкість охолодження розчину різко зменшують (за рахунок підвищення температури холодоносія в кристалізаторі) і далі підтримується температурний режим на такому рівні, щоб різниця температур між температурою на фронті кристалізації і температурою замерзання розчину (відповідно лінії ліквідусу для розчину) дорівнювала 0,6…1 °C. Це досягається шляхом автоматичного регулювання температури холодоносія в кристалізаторі. Температуру проміжного холодоносія безперервно змінюють в часі від мінус 2 до мінус 4 °C по кривій, яка відображає умови фазової рівноваги в розчині. Після закінчення процесу виморожування концентрат зливають в накопичувальну ємність, а в кристалізатор подають холодоносій з температурою, що на 1…2 °C вище температури замерзання розплаву льоду і проводять процес сепарування льоду до досягнення заданої концентрації сухих речовин, яка визначається технологічними вимогами до якості опрісненої води. Отриманий блочно-трубчатий лід, видаляють з установки і здійснюють процес його плавлення для отримання води. Тривалість процесу опріснення склала 1,4 години в результаті чого отримали 1053 гр опрісненої води з масовою часткою розчинних речовин 0,106 %. Приклад 2 Процес одержання прісної води проводили, як наведено в прикладі 1, але температуру проміжного холодоносія безперервно змінювали в часі від мінус 2,4 до мінус 4,4 °C по кривій, яка відображає умови фазової рівноваги в розчині, при цьому величину переохолодження розчину складала біля 1 °C. Тривалість процесу опріснення склала 1,17 години в результаті чого отримали 1061 гр опрісненої води з масовою часткою розчинних речовин 0,117 %. 60 2 UA 82086 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Спосіб одержання опрісненої води шляхом виморожування, що передбачає взаємодію розчину із стрижневими робочими органами, відвід тепла від поверхні стрижневих робочих органів, наморожування на них блоків льоду, знімання з робочих органів блоків льоду і наступне їх плавлення, який відрізняється тим, що розчин охолоджують до початку утворення зони росту кристалів, після чого підвищують температуру до величини, яка забезпечує різницю температур між твердою фазою і температурою замерзання розчину, рівною 0,6…1 °C, і при цій різниці проводять процес виморожування. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3