Низкотемпературная дистилляция
Эта статья или раздел могли быть скопированы и вставлены из другого места, возможно, в нарушение политики Википедии в отношении авторских прав . ( ноябрь 2021 г. ) |
Технология низкотемпературной дистилляции (LTD) является первой реализацией процесса прямой распылительной дистилляции (DSD). В настоящее время введены в эксплуатацию первые крупномасштабные установки по опреснению воды. Этот процесс был впервые разработан учеными Университета прикладных наук в Швейцарии, специализирующимися на низкотемпературной дистилляции в условиях вакуума, с 2000 по 2005 год. [1] [2]
Прямая распылительная дистилляция — это процесс очистки воды, применяемый при опреснении морской воды и очистке промышленных сточных вод , очистке рассола и концентрата, а также в системах нулевого сброса жидкости . Это физический процесс разделения воды, управляемый тепловой энергией . Прямая распылительная дистилляция включает испарение и конденсацию капель воды, которые распыляются в камеру, из которой удалены неконденсирующиеся постоянные газы, такие как воздух и углекислый газ. По сравнению с другими системами испарения, на твердых поверхностях, таких как кожухотрубные теплообменники, фазовых изменений не происходит .
Приложения
[ редактировать ]В настоящее время единственной реализацией технологии DSD является низкотемпературная дистилляция (НТД). Процесс LTD протекает под парциальным давлением в камерах испарителя и конденсатора и при температуре процесса ниже 100 °C. Первые крупномасштабные системы промышленной очистки воды LTD уже введены в эксплуатацию. [ нужна ссылка ]
Процесс | Классификация |
---|---|
Механизм разделения | Фазовый переход при кипячении |
Физический процесс | кипение и конденсация, многоступенчатый |
Энергоснабжение | с приводом от тепловой энергии |
Шкала | центральный завод, крупномасштабный |
История
[ редактировать ]Процесс DSD был изобретен в конце 1990 года Марком Леманном во время первой успешной демонстрации процесса в заводском цехе Obrecht AG, Деттинген, Швейцария. Результаты экспериментов были оценены и перепроверены профессором доктором Куртом Хайнигером (Университет прикладных наук и искусств, Северо-Западная Швейцария). [3] [4] и Др. Франко Бланггетти ( Alstom , соавтор Атласа тепла VDI). [5] В последующие годы этот процесс был дополнительно исследован в рамках многих диссертаций. [1] под руководством Хейнигера и Лемана. [2] Целью исследования было изучение влияния неконденсирующихся газов в средах с пониженным давлением на теплообмен в процессе конденсации на охлажденных каплях. Было обнаружено, что наиболее существенное влияние на теплообмен оказывают размер и распределение капель, а также геометрия конденсационного реактора. Из-за отсутствия общих трубчатых теплообменников достижимый прирост эффективности достигается за счет минимизации теплового сопротивления в процессе конденсации.
Описание технологии
[ редактировать ]Низкотемпературная дистилляция (НТД) — это процесс термической дистилляции , состоящий из нескольких стадий, основанный на разнице температур между источниками тепла и охлаждения не менее 5 К на стадию. Два отдельных объемных потока, горячий поток испарителя и холодный поток конденсатора, с разными температурами и давлениями пара распыляются в комбинированной камере высокого давления, из которой непрерывно удаляются неконденсирующиеся газы. [3] [4] Когда пар движется к равновесию парциального давления , часть воды из горячего потока испаряется. [5] Несколько последовательно расположенных камер в противоточном потоке горячего испарителя и холодного конденсатора обеспечивают высокую степень внутренней рекуперации тепла за счет применения нескольких ступеней. Этот процесс отличается высокой удельной степенью конверсии тепла, что обусловлено снижением потерь при теплопередаче , что приводит к высокому термическому КПД и низкому сопротивлению теплопередаче. Процесс LTD устойчив к высокой минерализации , другим примесям и колебаниям качества питательной воды. Осаждение твердых частиц технически предназначено для обеспечения работы без сброса жидкости (полный ZLD). Можно объединить процесс низкотемпературной дистилляции с существующими технологиями опреснения, служащими последующим процессом для увеличения выхода воды и снижения образования рассола.
Физический принцип
[ редактировать ]Следующие рисунки показывают и поясняют термодинамический принцип, на котором построена технология LTD. Учитывая рис. 1, имеются два цилиндра с открытыми кнопками, наполненные водой в двух емкостях с двумя разными температурами (предположение: горячая при 50°С и холодная при 20°С). связанное с температурой, Давление пара воды, составляет 123 мбар для 50°C и 23 мбар для 20°C. Предполагается, что длина двух цилиндров составляет 10 метров и их можно вытащить на одинаковое расстояние.
Вытащенные цилиндры на рис. 2 показывают теперь другую ситуацию с уровнем водного столба. Из-за более высокого давления пара при 50°C атмосферное давление в столбе горячей воды способно поднять столб горячей воды примерно на 877 см. В оставшемся пространстве вода начинает испаряться при давлении 123 мбар. Столб холодной воды при 20°C, атмосферном давлении (1000 мбар) составляет 977 см в равновесии с соответствующим давлением пара 23 мбар. Если теплообмена не происходит, эта ситуация остается неизменной и находится в термодинамическом равновесии .
Теперь две вершины обеих колонн соединены паровым каналом на рис. 3. Если они соединены, две паровые камеры (123 мбар и 23 мбар) самопроизвольно уравнивают свое давление до среднего давления. В результате два столба воды имеют тенденцию иметь одинаковый уровень с обеих сторон. Однако эта связь вызывает энергетический дисбаланс физических состояний водной поверхности над колоннами. В горячей колонне с температурой 50°C давление паров среды выше среднего давления. На холодной стороне с температурой 20°C среднее давление выше, чем давление паров воды. Такая ситуация приводит к самопроизвольному кипению на горячей стороне и конденсации пара на более холодной стороне на поверхности воды. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура с обеих сторон не будет сбалансирована в обеих колоннах. После температурной адаптации давление и уровень в камерах становятся равными.
Вследствие этого можно предположить, что пока сохраняется разница температур в обеих колоннах, происходит самопроизвольное испарение и конденсация поверхностной воды с целью достижения равновесия температуры и давления. Чтобы сделать это технически возможным, дополнительная внешняя циркуляция на рис. 4 может подавать тепло. на стороне испарения и отвода тепла на стороне конденсатора. Поскольку скорость реакции сильно зависит от доступной поверхности воды, специально разработанная система распыления создает миллионы мелких капель. Эта огромная внутренняя поверхность воды приводит к очень высокой скорости внутренней теплопередачи между испарителем и конденсатором.
Этот принцип работает и в том случае, если бесполезное дно открытой толщи воды отрезать и заменить крышкой, как показано на рис. 5. Эксперименты на демонстрационной установке показали, что перепад давления всего в несколько миллибар (1 мбар соответствует 1 см водного столба) достаточно для проведения этого процесса дистилляции. Это соответствует очень маленькой разнице температур в несколько Кельвинов.
Если разброс температур между источником тепла и конденсатором достаточно велик, конденсатор может выступать в качестве нагревателя на следующем этапе. Преимущество этого метода заключается в том, что тепло конденсации повторно используется несколько раз при разных температурах/давлениях, повышая энергетическую эффективность с каждой дополнительной ступенью. В зависимости от имеющейся разницы температур ее можно умножить в несколько раз, что приведет к увеличению производительности дистилляции при том же количестве доступного тепла. Результатом является создание многокаскадной установки прямой распылительной дистилляции, представленной на рис. 6.
Проектирование завода
[ редактировать ]Для процесса низкотемпературной дистилляции необходимы реакторы для испарения и конденсации, оснащенные системой распыления для образования капель, а также три стандартных пластинчатых теплообменника (нагрев, охлаждение, термическая регенерация). Питательная вода и дистиллят прокачиваются через реакторы двумя большими циркуляционными потоками. Термическая рекуперация осуществляется в теплообменнике, предварительно нагревающем питательную воду дистиллятом после конденсации. Насыщенный рассол и дистиллят удаляются из процесса с помощью клапанных затворов. Процесс и медиапотоки представлены на рис. 7 в общей схеме процесса. [6]
Тепловая энергия (1) подается в основной теплообменник (HEX 1) любым доступным теплоносителем, нагревая поступающую воду до 95°С. В испарительном цикле (зеленый) горячая вода распыляется и испаряется в камерах пониженного давления (2) и под действием силы тяжести течет в последующие камеры с пониженной температурой и давлением окружающей среды. Образующийся пар (3) на каждой ступени течет из испарителя в конденсатор, где он конденсируется на охлажденных каплях распыляемого дистиллята. [6]
Теплообменник для охлаждения (HEX 3) снижает температуру дистиллята (4) перед его перекачкой в конденсаторный цикл. В конденсаторном цикле (5) охлажденный дистиллят перекачивается и распыляется в напорные камеры для обеспечения конденсации пара из испарителей на охлажденных каплях. В ходе этого процесса температура и давление увеличиваются от этапа к этапу. После последнего конденсатора повышенное тепло дистиллята рекуперируется в теплообменнике термической регенерации (HEX 2) с предварительным нагревом испарительного цикла. После конденсации в первом реакторе дистиллят более горячий по сравнению с рассолом последнего испарителя. Это тепло конденсации рекуперируется в HEX 2 и используется для нагрева испарительного цикла (6). Для обеспечения энергетической эффективности выгодно спроектировать этот теплообменник как можно большего размера. [6]
Для запуска процесса вакуумная система (7) удаляет неконденсирующиеся газы (например, ), в палатах. В соединительном канале вакуумного насоса дополнительный теплообменник (HEX 5) охлаждает пар, чтобы конденсировать как можно больше воды (8). Полученный дистиллят после дополнительной рекуперации тепла (9) выводится из процесса. Система последующей обработки может обрабатывать дистиллят в соответствии с желаемыми требованиями (реминерализация). Рассол извлекается в испарительном цикле после последней ступени испарителя (10). Перенасыщение и осаждение солей при применении без сброса жидкости (ZLD) требует дополнительного испарителя, действующего в качестве кристаллизатора, который не показан на рис. 7. [6]
Планировка завода
[ редактировать ]Основными компонентами установок температурной перегонки являются сосуды под давлением и распылительные установки. Другими важными компонентами являются адаптированная система контроля и управления, а также вакуумная система. Установка низкотемпературной перегонки не имеет мембран и трубных пучков и состоит из следующих основных элементов:
- Сосуды под давлением с уникальной системой контроля давления
- Трубопроводы из полипропилена или армированного волокнами пластика (FRP)
- Внешний теплообменник (стандартный компонент)
- Циркуляционные насосы воды (стандартный компонент)
- Система управления технологическими процессами (панель управления)
Растительные компоненты
[ редактировать ]Сосуды испарителя и конденсатора рассчитаны на условия вакуума до 20 и включают распылительные установки для реакторов испарения/конденсации. [6]
Для энергообеспечения самого процесса устанавливаются только стандартные пластинчатые теплообменники. Установка низкотемпературной перегонки состоит из одного теплообменника для передачи тепла от источника тепла в воду и одного теплообменника для передачи тепла от дистиллята к охлаждающей среде. Установка с несколькими каскадами имеет один дополнительный теплообменник для внутренней рекуперации тепла (HEX 2), повышающий тепловой КПД установки. [7] Благодаря гибкости процесса низкотемпературной дистилляции возможны различные варианты адаптации каждой установки к конкретному применению. Если доступен лишь небольшой общий разброс температур или ограниченный источник тепла, внутренние потоки можно отрегулировать для максимальной рекуперации внутреннего тепла. Также могут быть интегрированы дополнительные низкотемпературные источники тепла, такие как системы солнечных коллекторов. [7]
Подача среды в основном осуществляется с помощью стандартных центробежных насосов. Условия процесса благоприятствуют конструкции с низким NPSH , чтобы облегчить выход горячей среды из системы из условий вакуума. Из-за пониженного объемного расхода на небольших установках рекомендуется применение поршневых насосов.
Сравнение с другими технологиями термического опреснения
[ редактировать ]Низкотемпературная дистилляция осуществляется при низкой температуре и низком давлении, аналогично многоступенчатой дистилляции (MED) и многоступенчатой мгновенной дистилляции (MSF) . [8] Хотя технологический процесс аналогичен установке MSF, динамика температуры и давления более сопоставима с системой MED. [7] Он предназначен для использования низкопотенциального тепла или отработанного тепла других промышленных процессов или возобновляемых источников, таких как солнечные тепловые коллекторы. [9] Наиболее существенным отличием от технологий MED и MSF является отсутствие пучковых теплообменников в барокамерах . Это позволяет усовершенствовать [6] процесса термической дистилляции:
- Очистка высокосоленых или сильно загрязненных сточных вод, даже с осаждением твердых частиц
- Оптимизированная теплопередача и общий высокий тепловой КПД установки.
- Никаких фазовых изменений на твердых поверхностях, опасность образования накипи, загрязнения или засорения запрещена.
- Уменьшение количества внутренних установок (в основном в испарителе), что приводит к снижению расхода материалов.
- Устойчивость к работе при частичной нагрузке или изменяющимся условиям процесса (возможно энергоснабжение с использованием возобновляемых источников энергии)
Из-за относительно высоких энергозатрат процессов термической дистилляции для очистки воды, низкотемпературная дистилляция наиболее экономически применима для питательных вод с высоким содержанием солей. На рис. 8 сравниваются относительные затраты на электроэнергию и установку по сравнению с мембранными процессами опреснения, такими как обратный осмос (RO) при опреснении морской воды. Возможные питательные воды могут содержать широкий спектр примесей, таких как рассолы опреснительных установок, радиоактивные грунтовые воды, пластовые воды нефтедобычи, воды, загрязненные углеводородами, а также высокие минералы до 33% NaCl. Установка работает даже при высоких концентрациях вплоть до осаждения неорганических соединений. Кроме того, сточные воды существующих установок по опреснению морской воды можно дополнительно обрабатывать с помощью низкотемпературной дистилляции, чтобы максимизировать обезвоживающую способность системы опреснения.
Низкотемпературная дистилляция может компенсировать изменения нагрузки на установку, эффективно работая от 50 до 100% проектной мощности установки в зависимости от доступного теплоснабжения. Процесс распыления является саморегулируемым, а количество производимой воды пропорционально количеству подаваемого тепла.
Питательная вода с высоким содержанием соли
[ редактировать ]Процесс LTD наиболее подходит для питательных вод с высоким содержанием солей, начиная от морской воды с типичной концентрацией и заканчивая концентрированными растворами сточных вод различных промышленных процессов. [10] Одним из возможных применений является увеличение мощности систем опреснения на основе обратного осмоса за счет дальнейшей обработки образующихся стоков для осаждения солей. Опреснение солоноватой воды в принципе также возможно, но другие процессы опреснения, как правило, более экономичны из-за низкого осмотического давления и, как следствие, низкого удельного энергопотребления. [6]
Накипь и загрязнение
[ редактировать ]Установки низкотемпературной дистилляции не склонны к образованию накипи или засорению даже при очень высоком TDS в питательной воде. Внутри сосудов под давлением нет никаких установок, которые могли бы накипеть. Фазовые изменения (испарение и конденсация) происходят только на поверхности капель воды, но не на твердых поверхностях. Следующие конструктивные особенности обеспечивают минимальный риск образования накипи внутри установки:
- Капли в сосудах высокого давления (испарителях и конденсаторах) LTD находятся в свободном падении. Испарение и конденсация происходят непосредственно на поверхности капель в течение времени пребывания внутри реактора (менее одной секунды).
- Средства управления установкой позволяют избежать того, чтобы концентрация растворенных твердых веществ в испарительном цикле никогда не достигала точки выпадения осадков. В специально разработанном контуре с высоким содержанием соли (кристаллизаторе) рассол из цикла испарителя дополнительно концентрируется до тех пор, пока твердые частицы не выпадут в осадок. Все осадки твердых веществ непрерывно извлекаются из этого контура.
- В стандартных пластинчатых теплообменниках фазовый переход отсутствует. Внутри основного теплообменника вся тепловая энергия передается внутренним потокам воды. Поэтому никогда не возникает эксплуатационного риска со стороны теплоснабжения.
Установки низкотемпературной дистилляции способны очищать такие питательные воды, как:
- Рассол с высоким содержанием солей из любой другой опреснительной установки, например, из внутренних опреснительных установок с помощью установок BWRO, которые в противном случае не получили бы разрешение на эксплуатацию из-за отсутствия решения для утилизации рассола.
- Пластовая вода/вода гидроразрыва нефтяных или газовых месторождений с минерализацией до 300 000.
- Промышленные сточные воды текстильного производства и сушки
Опресненная вода и рассол
[ редактировать ]Опресненная вода, полученная в процессе низкотемпературной дистилляции, представляет собой почти деминерализованную воду с остаточной минерализацией 10 частей на миллион. Остаточные загрязнения возникают в результате потерь туманоуловителя и зависят от очищенной питательной воды, а также от скорости паров между испарителем и конденсатором. Концентрацию рассола в процессе LTD можно регулировать в зависимости от условий площадки и вариантов утилизации. Текущие исследования сосредоточены на селективной кристаллизации для извлечения различных видов солей, помимо NaCl.
Конкретные данные и информация
[ редактировать ]- Удельный расход энергии (энергия/м³ выход), электроэнергии: от 0,8 до 2,5 для внутренней откачки и непрерывного удаления неконденсирующихся газов [8] [9] [10]
- Удельный расход энергии (энергия/м³ выход), тепловой: от 80 до 200 , в зависимости от количества ступеней и температуры источника тепла. Возможно использование низкопотенциального тепла при температуре 45 – 95°С. [7] [8] [9] [10]
- Скорость восстановления, коэффициент концентрации: LTD преобразуется в осадки для сброса жидкого рассола или в осадки для ZLD (мокрого), где вода и твердые частицы полностью разделены. Для морской воды (соленость 4%) это приводит к извлечению воды из сырья (96% воды и 4% NaCl) на уровне 98,95% для ZLD (мокрого), а для утилизации жидкого рассола — на 91,6%.
- Потребление химических добавок: Для обычной морской воды, а также для рассола в процессах опреснения, таких как RO/MSF/MED, не требуется никаких химических добавок.
- Персоналоёмкость: ООО автоматизировано. Периодические проверки и техническое обслуживание соответствуют производственной практике.
- Замены (например, замена мембран): Мембраны или фильтры, подлежащие замене, отсутствуют. Насосы низкого давления, клапаны и прокладки должны обслуживаться в соответствии с отраслевой практикой.
Предпочтительное использование
[ редактировать ]Применение процесса LTD становится экономически целесообразным, начиная с солености более 4%. LTD может быть полезен для обычного опреснения морской воды, если требуется высокая степень извлечения или дальнейшая обработка рассола обратного осмоса. Более выгодными являются сточные воды с высоким содержанием солей из промышленных процессов, таких как нефтегазовая промышленность, текстильная промышленность и химическая промышленность. В целом, предварительная очистка систем сброса с нулевой жидкостью с помощью LTD является наиболее экономичным вариантом. Очистка солоноватой воды в принципе возможна, но затраты энергии, необходимые для испарения, выше по сравнению с обычным обратным осмосом.
Воздействие на окружающую среду
[ редактировать ]Благодаря уменьшению объема рассола воздействие на окружающую среду значительно снижается по сравнению со стандартными установками RO с морской водой. Возможна регенерация NaCl высокой чистоты, и его можно использовать, например, в качестве регенеративной соли для ионообменников или умягчителей воды.
Процесс LTD имеет стабильное поведение при частичной нагрузке, что облегчает использование возобновляемых источников энергии. Тепловая энергия может поставляться с помощью солнечных коллекторов, таких как плоские пластины или вакуумные трубки, солнечных прудов, концентрирующих солнечных коллекторов или совместного производства с солнечными электростанциями. [7] [8] [9] [10]
Дальнейшие разработки
[ редактировать ]Возможности для улучшения сосредоточены главным образом на интеграции в соответствующую операционную среду с управлением теплом. Объединение станций ООО с теплоэлектростанциями в качестве источников тепла представляется выгодным. комбинации с другими процессами опреснения, такими как термическая или механическая компрессия пара Также возможны (MVC). При определенных технологических условиях такие системы могут компенсировать колебания подачи тепла за счет замены электроэнергии интегрированной установкой MVC.
Текущие исследования направлены на снижение потребления тепла и электроэнергии вспомогательными системами. Также исследуются селективная кристаллизация рассола и извлечение солей (в сотрудничестве с Берлинским техническим университетом, Германия). Потенциал дальнейшего развития заключается в интеграции адсорбционных и абсорбционных технологий для комплексного охлаждения и опреснения.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б С. Видемайер. Моделирование и экспериментальное исследование вакуумной дистилляции для опреснения воды. Дипломатия, Университет прикладных наук, Северо-Западная Швейцария, 2004 г.
- ^ Перейти обратно: а б Ф. Хуг. Дистилляция низкого давления - исследование влияющих факторов. Дипломатия, Университет прикладных наук, Северо-Западная Швейцария, 2005 г.
- ^ Перейти обратно: а б С. Мейер и Д. Альтдорфер. Низкотемпературная перегонка в помещении, свободном от посторонних газов. Дипломатия, Университет прикладных наук, Северо-Западная Швейцария, 2000 г.
- ^ Перейти обратно: а б С. Мартин и Л. Трейер. Измерения и моделирование низкотемпературной дистилляции и переноса аэрозолей. Дипломатия, Университет прикладных наук, Северо-Западная Швейцария, 2002 г.
- ^ Перейти обратно: а б Г. Котрле. Низкотемпературная дистилляция – измерения и моделирование. Дипломатия, Университет прикладных наук, Северо-Западная Швейцария, 2003 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Низкотемпературная дистилляция, Общее описание установки и процесса, Watersolutions AG, Марк Леманн, Бухс, Швейцария, 2012 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Дж. Веллманн, Концептуальный проект концентрационной солнечной электростанции для комбинированного электро- и водоснабжения города Эль-Гуна, Кандидатская диссертация, Берлинский технический университет, Институт энергетических технологий, Берлин, 2015, ISBN 978-3-945682-21-0
- ^ Перейти обратно: а б с д Дж. Веллманн, К. Нойхойзер, М. Леманн, Ф. Берендт, Моделирование когенерации электроэнергии и воды с помощью CSP и низкотемпературного опреснения, Премия Desertec Best Paper Award, Берлин, 2012 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Й. Веллманн, К. Нойхойзер, М. Леманн, Ф. Берендт, Моделирование инновационной низкотемпературной системы опреснения со встроенной когенерацией в концентрационной солнечной электростанции, Опреснение и очистка воды 1–9, 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Дж. Веллманн, Б. Мейер-Кален, Т. Моросюк, Экзергоэкономическая оценка установки CSP в сочетании с опреснительной установкой, Возобновляемые источники энергии 1-17, 2017 г.