Низкотемпературная дистилляция

Эта статья или раздел могли быть скопированы и вставлены из другого места, возможно, с нарушением политики Википедии в отношении авторских прав . Пожалуйста, проверьте источник и исправьте это, отредактировав эту статью, чтобы удалить любой несвободный контент, защищенный авторским правом, и правильно указав бесплатный контент или отметив контент для удаления. Пожалуйста, убедитесь, что предполагаемый источник нарушения авторских прав сам по себе не является зеркалом Википедии . ( Ноябрь 2021 г. )

Технология низкотемпературной дистилляции (LTD) является первой реализацией процесса прямой распылительной дистилляции (DSD). Первые крупномасштабные установки в настоящее время работают для опреснения. Процесс был впервые разработан учеными из Университета прикладных наук в Швейцарии, которые сосредоточились 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, приводимый в действие тепловой энергией . Прямая распылительная дистилляция включает испарение и конденсацию на каплях воды, которые распыляются в камеру, из которой откачиваются неконденсирующиеся постоянные газы, такие как воздух и углекислый газ. По сравнению с другими системами испарения, на твердых поверхностях, таких как кожухотрубчатые теплообменники, не происходит фазового перехода .

В настоящее время единственной реализацией технологии DSD является низкотемпературная дистилляция (LTD). Процесс LTD протекает под парциальным давлением в испарительной и конденсаторной камерах, а также при температурах процесса ниже 100 °C. В настоящее время эксплуатируются первые крупномасштабные системы LTD для промышленной очистки воды. ^{[ необходима цитата ]}

Процесс DSD был изобретен в конце 1990 года Марком Леманном с первой успешной демонстрацией процесса в заводском цехе Obrecht AG, Дёттинген, Швейцария. Результаты экспериментов были оценены и перепроверены профессором доктором Куртом Хайнигером (Университет прикладных наук и искусств, Северо-Западная Швейцария) ^{[3] [4]} и доктором Франко Блангетти ( Alstom , соавтор VDI Wärmeatlas). ^[5] В последующие годы процесс был дополнительно исследован в рамках многих диссертаций ^[1] под руководством Хайнигера и Леманна. ^[2] Целью было изучение влияния неконденсирующихся газов в средах с пониженным давлением на теплопередачу во время процесса конденсации на охлажденных каплях. Было обнаружено, что размер и распределение капель, а также геометрия конденсационного реактора оказывают наиболее существенное влияние на теплопередачу. Благодаря отсутствию обычных трубчатых теплообменников , достижимый прирост эффективности достигается за счет минимизации теплового сопротивления в процессе конденсации.

Низкотемпературная дистилляция (LTD) — это многоступенчатый процесс термической дистилляции , работающий за счет разницы температур между источниками тепла и охлаждения не менее 5 К на ступень. Два отдельных объемных потока, поток горячего испарителя и поток холодного конденсатора с разными температурами и давлениями паров, распыляются в комбинированной камере давления, где непрерывно удаляются неконденсирующиеся газы. ^{[3] [4]} По мере того, как пар движется к равновесию парциального давления , часть воды из горячего потока испаряется. ^[5] Несколько последовательно расположенных камер в противотоке горячего испарителя и потока холодного конденсатора обеспечивают высокую внутреннюю рекуперацию тепла за счет применения нескольких ступеней. Процесс отличается высокой удельной скоростью преобразования тепла, вызванной снижением потерь при теплопередаче , что приводит к высокой тепловой эффективности и низкому сопротивлению теплопередаче. Процесс LTD устойчив к высокой солености , другим примесям и колебаниям качества питательной воды. Осаждение твердых веществ технически предназначено для обеспечения работы с нулевым сбросом жидкости (полный ZLD). Можно объединить процесс низкотемпературной дистилляции с существующими технологиями опреснения, используя их в качестве нисходящего процесса для увеличения выхода воды и снижения образования рассола.

Следующие рисунки показывают и объясняют термодинамический принцип, на котором построена технология LTD. Рассматривая рис. 1, есть два цилиндра с открытыми кнопками, наполненные водой в двух бассейнах с двумя разными температурами (предположение: горячая при 50°C и холодная при 20°C). Температурное давление паров воды составляет 123 мбар для 50°C и 23 мбар для 20°C. Предполагается, что два цилиндра имеют длину 10 метров и позволяют вытягиваться на одинаковое расстояние.

Вытащенные цилиндры на рис. 2 теперь показывают другую ситуацию относительно уровня столба воды. Из-за более высокого давления пара при 50°C, в столбе горячей воды Атмосферное давление 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, атмосферное давление (1000 мбар) имеет высоту 977 см в равновесии с соответствующим давлением пара 23 мбар. Если не происходит теплообмена, эта ситуация остается неизменной и находится в термодинамическом равновесии .

Теперь две верхние части обеих колонн соединены паровым каналом на рис. 3. Если они соединены, две паровые камеры (123 мбар и 23 мбар) спонтанно выравнивают свое давление до среднего давления. В результате два столба воды, как правило, имеют одинаковый уровень с обеих сторон. Однако это соединение вызывает энергетический дисбаланс физических условий поверхности воды наверху колонн. В горячем столбе 50°C давление паров среды выше среднего давления. На холодной стороне 20°C среднее давление выше давления паров воды. Эта ситуация приводит к спонтанному кипению на горячей стороне и конденсации паров на более холодной стороне на поверхности воды. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура с обеих сторон не будет сбалансирована в обоих столбах. После температурной адаптации как давление, так и уровни в камерах равны.

Вследствие этого можно предположить, что пока поддерживается разность температур в обеих колоннах, происходит спонтанное испарение и конденсация поверхностной воды для достижения равновесной температуры и давления. Чтобы сделать это технически возможным, дополнительная внешняя циркуляция на рис. 4 может поставлять тепло на стороне испарения и отводить тепло 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 высоким внутренним скоростям теплопередачи между испарителем и конденсатором. ${\displaystyle \textstyle E_{in}}$${\displaystyle \textstyle E_{out}}$

Этот принцип также работает, если бесполезное дно открытого столба воды отрезать и заменить крышкой, как показано на рис. 5. Эксперименты на демонстрационной установке показали, что для осуществления этого процесса дистилляции достаточно перепада давления всего в несколько миллибар (1 мбар соответствует 1 см водяного столба). Это соответствует очень малым перепадам температур в несколько Кельвинов.

Если разброс температур между источником тепла и конденсатором достаточно большой, конденсатор может выступать в качестве нагревателя для следующего этапа. Это имеет то преимущество, что тепло конденсации повторно используется несколько раз при разных температурах/давлениях, увеличивая энергетическую эффективность с каждым дополнительным этапом. В зависимости от доступной разницы температур, ее можно умножить в несколько раз, что приведет к увеличению производительности дистилляции при том же количестве доступного тепла. Результатом является создание многокаскадной прямой распылительной дистилляции, визуализированной на рис. 6.

Для низкотемпературного процесса дистилляции необходимы реакторы для испарения и конденсации, оборудованные системой распыления для получения капель, и три стандартных пластинчатых теплообменника (нагрев, охлаждение, термическая рекуперация). Питательная вода и дистиллят прокачиваются двумя большими циркуляционными потоками через реакторы. Термическая рекуперация реализуется в теплообменнике, предварительно нагревающем питательную воду дистиллятом после конденсации. Насыщенный рассол и дистиллят удаляются из процесса с помощью запорных клапанов. Процесс и потоки среды визуализированы на рис. 7 в общей технологической схеме. ^[6]

Тепловая энергия (1) подается в главный теплообменник (HEX 1) любым доступным носителем, нагревая всасываемую воду до 95°C. В испарительном цикле (зеленый) горячая вода распыляется и испаряется в камерах пониженного давления (2) и течет самотеком в последующие камеры с пониженной температурой и давлением. Образующийся пар (3) течет из испарителя в конденсатор на каждой ступени, где он конденсируется на охлажденных каплях распыленного 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, чтобы обеспечить конденсацию пара из испарителей на охлажденных каплях. Во время этого процесса температура и давление увеличиваются от ступени к ступени. После последнего конденсатора повышенное тепло дистиллята восстанавливается в теплообменнике для термической рекуперации (HEX 2), предварительно нагревая испарительный цикл. После конденсации в первом реакторе дистиллят горячее по сравнению с рассолом последнего испарителя. Это тепло конденсации восстанавливается в HEX 2 и используется для нагрева испарительного цикла (6). Для энергетической эффективности выгодно проектировать этот теплообменник как можно большего размера. ^[6]

Для запуска процесса вакуумная система (7) извлекает неконденсирующиеся газы (например , ) из камер. В соединительном канале к вакуумному насосу 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 для применения с нулевым сбросом жидкости (ZLD) требует дополнительного испарителя, действующего как кристаллизатор, который не показан на рис. 7. ^[6]${\displaystyle \textstyle CO_{2},N_{2},O_{2}}$

Основными компонентами установок для дистилляции при низкой температуре являются сосуды под давлением и распылительные установки. Другими важными компонентами являются адаптированная система контроля и управления, а также вакуумная система. Установка для дистилляции при низкой температуре не имеет мембран и пучков труб и состоит из следующих основных элементов:

• Сосуды под давлением с уникальной системой контроля давления
• Трубопроводы из полипропилена или армированного волокном пластика (FRP)
• Внешний теплообменник (стандартный компонент)
• Циркуляционные насосы для воды (стандартный компонент)
• Система управления технологическим процессом (пульт управления)

Испарительные и конденсаторные сосуды рассчитаны на вакуумметрическое давление до 20 и включают в себя распылительные установки для испарительных/конденсационных реакторов. ^[6]${\displaystyle \textstyle mbar_{abs}}$

Для энергоснабжения самого процесса устанавливаются только стандартные пластинчатые теплообменники. Низкотемпературная дистилляционная установка состоит из одного теплообменника для передачи тепла от источника тепла в воду и одного для передачи тепла от дистиллята к среде повторного охлаждения. Установка с несколькими каскадами имеет один дополнительный теплообменник для внутренней рекуперации тепла (HEX 2), увеличивая тепловую эффективность установки. ^[7] Благодаря гибкости процесса низкотемпературной дистилляции возможны различные схемы адаптации каждой установки к данному применению. Если доступен только небольшой общий разброс температур или ограниченный источник тепла, внутренние потоки можно отрегулировать для максимальной внутренней рекуперации 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 вакуумных условий. Из-за пониженных объемных потоков на небольших заводах рекомендуется применение вытеснительных насосов.

Низкотемпературная дистилляция работает при низкой температуре и низком давлении, аналогично многоэффектной дистилляции (MED) и многоступенчатой ​​флэш-дистилляции (MSF) . ^[8] Хотя технологический процесс похож на установку MSF, динамика температуры и давления более сопоставима с системой MED. ^[7] Она разработана с использованием низкопотенциального или отработанного тепла от других промышленных процессов или возобновляемых источников, таких как солнечные тепловые коллекторы. ^[9] Наиболее существенное отличие по сравнению с технологиями MED и MSF заключается в том, что в камерах давления нет теплообменников с трубчатыми пучками . Это позволяет усовершенствовать ^[6] процесс термической дистилляции:

• Очистка сточных вод с высоким содержанием солей или сильным загрязнением, даже с выпадением твердых частиц
• Оптимизированная теплопередача и общая высокая тепловая эффективность установки
• На твердых поверхностях не происходит никаких фазовых изменений, опасность образования накипи, загрязнения или засорения исключена.
• Уменьшение количества внутренних установок (в основном в испарителе), что приводит к снижению расхода материалов.
• Устойчив к работе с частичной нагрузкой или изменяющимся условиям технологического процесса (возможно питание от возобновляемых источников энергии)

Из-за относительно высокой потребности в энергии в процессах термической дистилляции для очистки воды, низкотемпературная дистилляция наиболее экономически применима для высокосоленых исходных вод. На рис. 8 сравниваются относительные затраты на энергию и установку по сравнению с мембранными процессами опреснения, такими как обратный осмос (RO) при опреснении морской воды. Возможные исходные воды могут содержать широкий спектр примесей, таких как рассолы с опреснительных установок, радиоактивные грунтовые воды, попутная вода от добычи нефти, загрязненная углеводородами вода и высокая соленость до 33% NaCl. Установка работает даже при высоких концентрациях вплоть до осаждения неорганических соединений. Кроме того, сточные воды существующих установок опреснения морской воды могут быть дополнительно очищены в низкотемпературной дистилляции, чтобы максимизировать обезвоживающую способность системы опреснения.

Низкотемпературная дистилляция может приспосабливаться к изменениям в нагрузке установки, эффективно работая от 50 до 100% проектной мощности установки в зависимости от доступного источника тепла. Процесс распыления является саморегулирующимся, и количество производимой воды пропорционально количеству поставляемого тепла.

Процесс LTD наиболее подходит для высокосоленых исходных вод, начиная от типичных концентраций морской воды до концентрированных растворов сточных вод из различных промышленных процессов. ^[10] Одним из возможных применений является дублирование мощности систем опреснения на основе обратного осмоса путем 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 потребления энергии. ^[6]

Низкотемпературные дистилляционные установки не склонны к образованию накипи или засорению даже при очень высоком содержании растворенных твердых веществ в исходной воде. Внутри сосудов высокого давления нет установок, которые могли бы образовывать накипь. Фазовые переходы (испарение и конденсация) происходят только на поверхности капель воды, а не на твердых поверхностях. Следующие конструктивные особенности обеспечивают минимальный риск образования накипи внутри установки:

• В сосудах высокого давления LTD (испарителях и конденсаторах) капли находятся в свободном падении. Испарение и конденсация происходят непосредственно на поверхности капель в течение времени пребывания внутри реактора (менее одной секунды).
• Средства управления завода не допускают, чтобы концентрация растворенных твердых веществ в испарительном цикле никогда не достигала точки осаждения. В специально разработанном контуре с высоким содержанием соли (кристаллизаторе) рассол из испарительного цикла дополнительно концентрируется до тех пор, пока твердые частицы не начнут выпадать в осадок. Все осаждения твердых веществ непрерывно извлекаются из этого контура.
• В стандартных пластинчатых теплообменниках нет фазового перехода. Внутри основного теплообменника вся тепловая энергия передается внутренним водным потокам. Поэтому никогда не возникает эксплуатационного риска со стороны теплоснабжения.

Низкотемпературные дистилляционные установки способны очищать такие исходные воды, как:

• Высокосоленый рассол с любой другой опреснительной установки, например, с внутренних опреснительных установок с использованием установок BWRO, которые в противном случае не получили бы разрешения на эксплуатацию из-за отсутствия решения по утилизации рассола.
• Пластовая/гидроразрывная вода из нефтяных или газовых месторождений с соленостью до 300 000${\displaystyle \textstyle ppmTDS}$
• Промышленные сточные воды текстильного производства и сушки

Качество опресненной воды из процесса низкотемпературной дистилляции — это почти деминерализованная вода с остаточной соленостью 10 ppm. Остаточные загрязняющие вещества возникают из-за потерь в демистере и зависят от очищенной питательной воды, а также от скоростей пара между испарителем и конденсатором. Концентрация рассола в процессе LTD может быть скорректирована в соответствии с условиями на месте и вариантами утилизации. Текущие исследования сосредоточены на селективной кристаллизации для извлечения различных видов солей помимо NaCl.

• Удельный расход энергии (энергия/м³ выработки), электричество: от 0,8 до 2,5 для внутренней откачки и непрерывного удаления неконденсирующихся газов ^{[8] [9] [10]}${\displaystyle \textstyle кВтч_{эл}/м^{3}}$
• Удельный расход энергии (энергия/м³ выработки), тепловой: от 80 до 200 , в зависимости от количества ступеней и температуры источника тепла. Возможно использование низкопотенциального тепла при 45 – 95°C. ^{[7] [8] [9] [10]}${\displaystyle \textstyle кВтч_{th}/м^{3}}$
• Скорость восстановления, фактор концентрации: LTD преобразуется вверх и 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 исходного сырья (96% воды и 4% NaCl) 98,95% для ZLD (мокрого), а для сброса жидкого рассола извлечение воды составляет 91,6%.
• Потребление химических добавок: для обычной морской воды, а также для рассола, получаемого в процессах опреснения, таких как RO/MSF/MED, химические добавки не требуются.
• Интенсивность персонала: LTD автоматизирован. Периодические проверки и техническое обслуживание согласно производственной практике.
• Замены (например, замена мембраны): Нет никаких мембран или фильтров, которые нужно заменить. Насосы низкого давления, клапаны и прокладки должны обслуживаться в соответствии с отраслевой практикой.

Применение процесса LTD становится экономически целесообразным, начиная с солености более 4%. LTD может быть полезен для обычного опреснения морской воды, если требуются высокие показатели извлечения или дальнейшей обработки рассола обратного осмоса. Высокосоленые стоки от промышленных процессов, таких как нефтегазовая промышленность, текстильная промышленность и химическая промышленность, более выгодны. В целом, предварительная обработка для систем сброса с нулевой жидкостью с помощью LTD является наиболее экономичным вариантом. Очистка солоноватой воды в принципе возможна, но потребление энергии, необходимое для испарения, выше по сравнению с обычным обратным осмосом.

Благодаря уменьшению объема рассола воздействие на окружающую среду значительно снижено по сравнению со стандартными установками обратного осмоса с морской водой. Возможно восстановление NaCl высокой чистоты, и его можно использовать, например, в качестве регенеративной соли для ионообменников или умягчителей воды.

Процесс LTD имеет стабильное поведение частичной нагрузки, что облегчает использование возобновляемых источников энергии. Тепловая энергия может поставляться солнечными коллекторами, такими как плоские пластины или вакуумные трубки, солнечные пруды, концентрирующие солнечные коллекторы или в когенерации с солнечными электростанциями. ^{[7] [8] [9] [10]}

Возможности для улучшения в основном сосредоточены на интеграции в соответствующую рабочую среду с управлением теплом. Сочетание установок LTD с тепловыми электростанциями в качестве источников тепла представляется выгодным. Также возможны комбинации с другими процессами опреснения, такими как термическая или механическая компрессия пара (MVC). При определенных условиях процесса такие системы могут компенсировать колебания подачи тепла путем замены электроэнергии в интегрированном блоке MVC.

Текущие исследования сосредоточены на снижении потребления тепла и электроэнергии вспомогательными системами. Также исследуются селективная кристаллизация рассола и извлечение солей (совместно с TU Berlin, Германия). Дальнейший потенциал развития заключается в интеграции адсорбционных и абсорбционных технологий для комплексного охлаждения и опреснения.