Парокомпрессионное испарение

Парокомпрессионный дистиллятор производства BRAM-COR (Италия).

Испарение с компрессией пара — это метод испарения , при котором воздуходувка , компрессор или струйный эжектор используются для сжатия и, таким образом, увеличения давления образующегося пара. Поскольку повышение давления пара вызывает также повышение температуры конденсации , тот же пар может служить нагревательной средой для концентрируемой «материнской» жидкости или раствора, из которого первоначально образовался пар. Если бы сжатие не было обеспечено, пар имел бы ту же температуру, что и кипящая жидкость/раствор, и передача тепла не могла бы происходить.

Ее также иногда называют паровой компрессионной дистилляцией (VCD) . Если сжатие осуществляется компрессором или воздуходувкой с механическим приводом, этот процесс испарения обычно называют MVR (механическая рекомпрессия пара). В случае сжатия, выполняемого паровыми эжекторами высокого давления , процесс обычно называют термокомпрессией , паровым сжатием или эжектокомпрессией . ^{[ нужна ссылка ]}

Процесс МВР

Входная энергия

В этом случае входная энергия в систему заключается в энергии накачки компрессора. Теоретическое потребление энергии будет равно $E=Q*(H2-H1)$ , где

E — полная теоретическая энергия накачки
Q — масса паров, проходящих через компрессор.
H ₁ , H ₂ представляют собой общее теплосодержание единицы массы паров соответственно до и после компрессора.

В единицах СИ они измеряются соответственно в кДж , кг и кДж/кг.

Фактическая потребляемая энергия будет больше теоретического значения и будет зависеть от эффективности системы, которая обычно составляет от 30% до 60%. Например, предположим, что теоретическая потребляемая энергия составляет 300 кДж, а КПД — 30%. Фактическая потребляемая энергия составит 300 x 100/30 = 1000 кДж.

В большой установке мощность сжатия составляет от 35 до 45 кВт на метрическую тонну сжатых паров. ^{[ нужны разъяснения ]}

Оборудование для испарителей МВР

Компрессор обязательно является ядром агрегата. Компрессоры, используемые для этого применения, обычно относятся к центробежному типу или агрегатам объемного типа , например, нагнетателям Рутса , аналогичным (гораздо меньшему) нагнетателю типа Рутса . В очень больших агрегатах (производительность испарения 100 метрических тонн в час и более) иногда используются осевые компрессоры . пара Работа сжатия приведет к перегреву по сравнению с теоретическим равновесием давления и температуры. По этой причине подавляющее большинство агрегатов MVR оснащены пароохладителем между компрессором и основным теплообменником.

Термокомпрессия

Входная энергия

Подводимая энергия здесь определяется энергией некоторого количества пара ( движущего пара ) при давлении выше, чем давление паров на входе и выходе. Таким образом, количество сжатых паров выше, чем на входе: $Qd=Qs+Qm$
Где Q _d — количество пара на выходе из эжектора, Q _s на всасывании эжектора и Q _m — количество рабочего пара. По этой причине термокомпрессионный испаритель часто оснащен конденсатором пара из-за возможного избытка пара, необходимого для сжатия, по сравнению с паром, необходимым для испарения раствора. Количество Q _м рабочего пара на единицу объема всасывания является функцией как соотношения движущего давления давления рабочего пара по отношению к давлению всасывания, так и степени сжатия давления нагнетания по отношению к давлению всасывания. В принципе, чем выше степень сжатия и чем ниже степень сжатия, тем выше будет удельный расход рабочего пара, т.е. тем менее эффективен энергетический баланс.

Термокомпрессионное оборудование

Сердцем любого термокомпрессионного испарителя является паровой эжектор , подробно описанный на соответствующей странице. Размер других частей оборудования, таких как основной теплообменник , паровая головка и т. д. (подробнее см. Испаритель ), зависит от процесса испарения.

Сравнение

Эти два испарителя компрессионного типа имеют разные области применения, хотя иногда они пересекаются.

Для крупного агрегата предпочтительнее будет установка МВР благодаря уменьшенному энергопотреблению. Самый большой однокорпусный испаритель MVR, построенный в 1968 году компанией Whiting Co., позже Swenson Evaporator Co., Харви, Иллинойс, Чиро-Марина , Италия ), представлял собой соли кристаллизатор , испаряющий около 400 метрических тонн воды в час, с осевым компрессор потока (Brown Boveri, позже ABB). Эта установка была преобразована примерно в 1990 году и стала первым многокорпусным испарителем . Испарители MVR с испарительной способностью 10 тонн и более широко распространены.
Степень сжатия в блоке МВР обычно не превышает 1,8. При степени сжатия 1,8, если испарение осуществляется при атмосферном давлении (0,101 МПа ), давление конденсации после сжатия составит 0,101 х 1,8 = 0,1818 [МПа]. При этом давлении температура конденсации водяного пара на теплообменнике составит К. 390 Принимая во внимание повышение температуры кипения соленой воды, которую мы хотим испарить (8 К для насыщенного раствора соли), разница температур в теплообменнике составляет менее 8 К. Маленькое ∆T приводит к медленной теплопередаче, а это означает, что нам понадобится очень большая поверхность нагрева для передачи необходимого тепла. Компрессоры с осевым потоком и компрессоры Рутса могут достигать несколько более высокой степени сжатия.
Испарители с термокомпрессией могут достигать более высоких степеней сжатия, но за это приходится платить. Возможна степень сжатия 2 (а иногда и больше), но если рабочий пар не находится под достаточно высоким давлением (скажем, 16 бар (250 фунтов на квадратный дюйм ) или более), расход рабочего пара будет находиться в диапазоне 2 кг на единицу массы. кг всасываемых паров. Более высокая степень сжатия означает меньший размер теплообменника и снижение инвестиционных затрат. Причем компрессор – это дорогая машина, а эжектор гораздо проще и дешевле.

В заключение можно сказать, что машины MVR используются в крупных энергосберегающих установках, в то время как термокомпрессионные установки, как правило, ограничивают свое использование небольшими установками, где потребление энергии не является большой проблемой.

Эффективность

Эффективность и осуществимость этого процесса зависят от эффективности сжимающего устройства (например, воздуходувки, компрессора или парового эжектора) и коэффициента теплопередачи, достигаемого в теплообменнике, контактирующем с конденсирующимся паром и кипящим «маточным» раствором/жидкостью. Теоретически, если полученный конденсат переохлажден , этот процесс может позволить полностью восстановить скрытую теплоту парообразования , которая в противном случае была бы потеряна, если бы конечным продуктом был пар, а не конденсат; следовательно, этот метод испарения очень энергоэффективен. Процесс испарения может быть вызван исключительно механической работой, выполняемой сжимающим устройством.

Некоторые варианты использования

Производство чистой воды ( Вода для инъекций )

Испаритель с компрессией пара, как и большинство испарителей , может производить достаточно чистую воду из любого источника воды. В кристаллизаторе соли , например, типичный анализ полученного конденсата показывает типичное содержание остаточной соли не выше 50 ppm или, в пересчете на электропроводность , не выше 10 мкСм/см . В результате получается питьевая вода, если соблюдены другие санитарные требования. Хотя он не может конкурировать на рынке с обратным осмосом или деминерализацией , компрессия пара главным образом отличается от них своей способностью производить чистую воду из насыщенных или даже кристаллизующихся рассолов с общим содержанием растворенных твердых веществ (TDS) до 650 г/л. Две другие технологии позволяют производить чистую воду из источников с содержанием TDS не выше примерно 35 г/л.

По экономическим причинам испарители редко эксплуатируются на источниках воды с низким содержанием TDS. Эти приложения заполняются методом обратного осмоса. И без того солоноватая вода, поступающая в типичный испаритель, концентрируется дальше. Повышенное содержание растворенных твердых веществ приводит к повышению температуры кипения , значительно превышающей температуру кипения чистой воды. Морская вода с TDS примерно 30 г/л имеет повышение температуры кипения менее 1 К , но насыщенный раствор хлорида натрия при 360 г/л имеет повышение температуры кипения примерно на 7 К. Такое повышение температуры кипения является проблемой для паров. Испарение при сжатии, поскольку оно увеличивает степень сжатия, которую должен достичь паровой компрессор, чтобы осуществить испарение. Поскольку повышение температуры кипения определяет степень давления в компрессоре, это основной общий фактор эксплуатационных затрат.

Парогравитационный дренаж

Технология, используемая сегодня для извлечения битума из нефтеносных песков Атабаски, представляет собой водоемкий метод парогравитационного дренажа (SAGD). ^[1] В конце 1990-х годов бывший инженер-ядерщик Билл Хейнс из компании RCC Thermal Products компании General Electric разработал испарительную технологию, называемую испарением с падающей пленкой или механическим сжатием пара. В 1999 и 2002 годах предприятие Petro-Canada в Маккей-Ривер было первым предприятием, установившим в 1999 и 2002 годах системы нулевого сброса жидкости (ZLD) GE SAGD, в которых использовалась комбинация новой испарительной технологии и системы кристаллизации , в которой вся вода перерабатывалась и только твердые вещества были выброшены за пределы площадки. ^[1] Эта новая испарительная технология начала заменять старые методы очистки воды, используемые на предприятиях SAGD, которые включали использование умягчения теплой известью для удаления кремнезема и магния , а также слабый кислотный катионный обмен, используемый для удаления кальция . ^[1] Процесс парокомпрессионного испарения заменил традиционно используемые для производства пара прямоточные парогенераторы (ОПГ). OTSG обычно работал на природном газе , стоимость которого в 2008 году становилась все выше. Качество воды в испарителях в четыре раза лучше, что необходимо для барабанных котлов. Испарители в сочетании со стандартными барабанными котлами производят пар, который является более «надежным, менее затратным в эксплуатации и менее водоемким». К 2008 году около 85 процентов объектов SAGD на нефтеносных песках Альберты внедрили испарительную технологию. «SAGD, в отличие от других термических процессов, таких как циклическая паровая стимуляция (CSS), требует пара 100-процентного качества». ^[1]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Смит, Морис (октябрь 2008 г.), «Переломный момент: операторы SAGD используют новые варианты очистки воды» , Air Water Land , получено 11 декабря 2014 г.

[airwaterland-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Смит, Морис (октябрь 2008 г.), «Переломный момент: операторы SAGD используют новые варианты очистки воды» , Air Water Land , получено 11 декабря 2014 г.

[1]