способ перегонки жидкостей

Формула изобретения

Способ перегонки жидкостей, включающий испарение жидкости со свободной поверхности испарения, образование над поверхностью испарения парового пространства, конденсацию пара из парового пространства в капиллярных каналах с удалением из них конденсата по мере его накопления, отличающийся тем, что конденсацию проводят в капиллярных каналах, разделенных свободными промежутками, тепло конденсации отводят через стенки капилляров путем их контакта с перегоняемой жидкостью или окружающей средой, при этом регулируют положение менисков в капиллярных каналах для поддержания максимальной производительности процесса перегонки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физико-химической технологии и предназначено для экономии энергии, упрощения конструкции оборудования, ускорения и удешевления перегонки жидких растворов различных веществ, в частности, при опреснении морской воды. Известны различные способы промышленной очистки жидкостей от растворенных в них веществ. Самый старый и универсальный из них - парокомпрессионный. Жидкий растворитель отгоняется с открытой поверхности раствора в виде пара. Образующийся осадок удаляется. Пар конденсируется на охлаждаемой поверхности, а тепло конденсации рассеивается в окружающей среде или снова возвращается в технологический цикл.

Известны трудности, связанные с парокомпрессионной перегонкой жидких растворов природного и искусственного происхождения. Это всегда хлопотно, дорого, требует использования сложного и громоздкого оборудования. Типичный пример - химические дистилляторы большой производительности и промышленные опреснители морской воды.

Главным недостатком обычных способов парокомпрессионной перегонки жидкостей является высокая совокупная стоимость процедуры.

Во-первых, процесс испарения всегда поглощает много тепла. Надо или в большом количестве расходовать высококачественные энергоносители (газ, нефть, электричество), или строить огромные уловители рассеянной тепловой энергии (солнечной, тектонической и т.п.). Причем по завершении дистилляции теплоту надо рассеивать или возвращать раствору.

Во-вторых, повторно использовать тепло конденсации крайне трудно. Даже в очень качественных промышленных установках его безвозвратные потери огромны. В маломощных устройствах улавливать это тепло просто не выгодно. Слишком мал перепад температур "рассол-дистиллят". Эффективный конденсатор-теплообменник получается чрезмерно дорогим.

За последние 150 лет разработано много альтернативных способов разделения жидких растворов и очистки воды от примесей. Некоторые из них имеют важные преимущества перед парокомпрессионным методом. Обычной дистилляцией, например, почти невозможно очистить растворитель (воду) от жидких примесей органического происхождения. Это гораздо проще и дешевле осуществить фильтрами-поглотителями на основе ионитов. Перед дистилляцией морской воды приходится специальными сорбентами освобождать ее от веществ, образующих накипь. При низком содержании в опресняемой воде растворенных солей (менее 2-3 г/л) экономически выгоден ее электродиализ и так далее. Гребенюк В. Д., Мазо А.А. Обессоливание воды ионитами. - М.: Химия, 1980. - 256 с., ил. (стр. 25-39).

Краткие характеристики основных методов опреснения воды перечислены в сводной таблице 1.

Таблица 1
№п/п	НАИМЕНОВАНИЕ МЕТОДА ОПРЕСНЕНИЯ	Отдача (кВт·ч/м3)	Особенности
1	Парокомпрессионный при+25°С (идеальный)	0,85-1,45	к.п.д.<26-30%
2	Многоступенчатый теплообмен в вакууме (промышл.)	10-20	к.п.д.<4-6%
3	Газгидратный, рабочее вещество пропан (эксперим.)	8,5-11	пожароопасный
4	Замораживание испарением в вакууме (промышл.)	10,5-12	глубокий вакуум
5	Замораживание жидким хладоагентом (промышл.)	8,3-9,4	пожароопасный
6	Фильтрование через брикеты ионита (промышл.)		соленость<3 г/л
7	Обессоливание электродиализом (промышл.)	60-70	очень дорогой
8	Обессоливание гиперфильтрацией (эксперим.)	4,5-5,3	очень медленный
9	Экстракция органическим растворителем (эксперим.)	3,5-5,6	потеря экстрагента
10	Прокачка воды через пористые электроды (эксперим.)	0,7-0,8	соленость<2 г/л

Источники информации: И.Э. Апельцин; В.А. Клячко. Опреснение воды - М.: Стройиздат, 1968. 222 с., ил., периодическая печать, Интернет.

Тем не менее, уже существующие промышленные парокомпрессионные опреснители продолжают эксплуатироваться, а их более мощные аналоги продолжают проектироваться и строиться. Достоинства метода перекрывают недостатки. Слишком велики запасы доступного сырья (морской и соленой подземной воды) и слишком велика потребность в простой пресной воде, годной для питья и бытовых нужд. Те же соображения действуют в химической промышленности, металлургии и смежных отраслях.

Очевидно, что, применяя различные усовершенствования (например, современные полимерные материалы, к которым плохо прилипает накипь) или точную автоматическую регулировку рабочих параметров процесса, можно заметно улучшить экономические характеристики привычных дистилляторов. Также очевидно, что существенно изменить их в лучшую сторону таким образом невозможно. Требуются принципиально новые приемы оптимальной организации процесса перегонки.

Известно, что перегонный аппарат не является тепловой машиной в строгом смысле этого слова. Полезным результатом его действия является не механическая работа или химическая реакция, а сортировка молекул. То есть применительно к опреснению воды абсолютно необходимыми затратами следует считать исключительно компенсацию энергии сольватации (сил межмолекулярного притяжения разнородных веществ) и перемещение массы исходного раствора к приемникам конечных продуктов перегонки. Прочие энергетические потери по условию задачи не обязательны.

Известно, что паровое пространство является функциональной разновидностью полупроницаемой мембраны, пропускающей через себя строго определенные виды молекул. От обычных мембран оно выгодно отличается малым сопротивлением движению вещества.

Известно, что давление насыщенного пара над открытой поверхностью жидкости зависит не только от ее температуры и химического состава, но и от состояния границы раздела сред. Наличие пленки поверхностно-активного вещества или заметная кривизна мениска способны во много раз изменять эту величину при неизменных прочих условиях.

Для заметного (на десятки процентов или в несколько раз) улучшения характеристик парокомпрессионного метода перегонки жидкостей необходимо и достаточно существенно изменить хоть один из перечисленных ниже параметров процедуры. Например:

1. Увеличить перепад давлений "испаритель-конденсатор".

2. Снизить аэродинамическое сопротивление потоку пара.

3. Уменьшить толщину стенок теплообменника без ущерба для их механической прочности.

4. Увеличить тепловой напор на стенке теплообменника.

5. Оптимизировать температурный перепад "нагреватель-рассол".

6. Увеличить скорость теплообмена "конденсат-рассол".

За прототип принят способ опреснения воды путем осмоса через паровой зазор, поддержанный капиллярностью, известный как "пароосмотический метод Хаслера".

По методу Хаслера осмотическую ячейку составляют из двух целлофановых мембран, закрепленных, для придания конструкции механической прочности, на пористых плитах. Промежуток, выполняющий функцию диффузионного зазора между мембранами, заполняют сыпучим гидрофобным материалом, например молотой пемзой. Через одну плиту в ячейку под давлением подают морскую воду. Через другую плиту ячейку соединяют с резервуаром пресной воды. В зазор с пемзой подают сжатый воздух.

В работающей ячейке давление морской воды выше давления осмоса и давления воздуха в зазоре, а давление пресной воды меньше давления воздуха в диффузионном зазоре. При перепаде давлений между сосудами с соленой и пресной водой около 50 кг/см² суточная производительность системы по дистилляту составляет примерно 20 л/м ². Соленость опресняемой морской воды 30-35 г/л, температура ячейки 20-25°С.

Источник информации: И.Э. Апельцин; В.А. Клячко. Опреснение воды. - М: Стройиздат, 1968. - 222 с., ил. (стр.193).

Метод Хасслера основан на остроумном сочетании нескольких одновременно действующих физических эффектов:

1. Соленая вода не может проникнуть в зазор через пористую плиту.

2. Сжатый воздух не может вырваться из зазора через заполненные жидкостью капилляры в пористых плитах, надежно закупоренные силой поверхностного натяжения.

3. Растворенная в морской воде соль прочно связана с жидкой фазой.

4. Молекулы воды почти свободно испаряются и дрейфуют через пористую прослойку между плитами в сторону более низкого давления.

5. Воздушный зазор действует как полупроницаемая мембрана, хорошо пропускающая водяной пар и совсем не пропускающая соль.

В ячейке возникают направленный поток массы, переносящий молекулы воды от рассола к дистилляту, и встречный поток тепла, переносящий энергию конденсации от дистиллята к рассолу. В идеале такая ячейка действует без теплообмена с окружающей средой.

Известен способ получения пресной воды из морской методом капиллярной конденсации при температуре окружающей среды. В древности моряки закрепляли куски пористых эластичных материалов (например, высушенную губку) на такелаже корабельных мачт. Водяные пары легко конденсировались из воздуха в капиллярных каналах губки, а соленые брызги не долетали на большую высоту. Теплоту конденсации уносил обдувающий губку ветер. Жидкость, копящаяся в капиллярах, получалась практически пресной. Время от времени мокрую губку выжимали и снова подвешивали на открытом воздухе. Полученную воду можно было пить.

Источник информации: И.В. Радченко. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1965. - 480 с., ил. (стр.403-405).

Известен эффект самопроизвольной конденсации атмосферной влаги в мелких порах первоначально практически сухого тела. Его приходится учитывать при расчетах различных физико-химических технологий. Обычно процесс развивается медленно, так как роль парового зазора, разделяющего удаленное зеркало испарения воды и поверхность конденсации, выполняет влажный воздух, где концентрация и скорость диффузии молекул незначительны. Так отсыревают книги, рулоны ткани и гигроскопичные порошки (цемент), теряют активность гранулы адсорбентов.

В условиях быстрой капиллярной конденсации наблюдается сильный разогрев гигроскопичных пористых материалов. В микрополостях с хорошо смачиваемыми стенками давление насыщенных паров существенно ниже равновесного значения даже при температурах более 150-200°С. Там интенсивно конденсируется пар, но не кипит вода. Выделяющаяся теплота не находит выхода и греет стенки капилляров. Если влажность воздуха высока, а рыхлого пористого материала много, то возможна его порча и даже самовозгорание. По этой причине строго регламентируют правила безопасного хранения прессованного хлопка, молотого торфа и угольной пыли.

Источник информации: А.В. Лыков. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 472 с., ил. (стр.10-24).

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения

Поверхности испарения и конденсации разделяют общим паровым пространством, непроницаемым для растворенных компонентов и легко проницаемым для паров жидкости. Конденсацию ведут в капиллярных каналах. Давление насыщенных паров конденсата в капиллярах поддерживают более низким, чем над поверхностью раствора. Жидкий конденсат удаляют из капилляров по мере накопления. Сочетая перечисленные факторы, обеспечивают направленный поток пара от поверхности испарения к поверхности конденсации за счет внутреннего тепла компонентов системы. Перегонку ведут без теплообмена с окружающей средой.

Перечисленные свойства метода Хасслера обеспечивают дешевизну процедуры перегонки и простоту необходимого оборудования. Отсутствуют как потребление энергии для нагрева раствора, так и ее невозвратимые потери в процессе рекуперации.

Причины, препятствующие получению требуемого технического результата по прототипу

Скорость перегонки жидкости по методу Хасслера жестко ограничена быстротой возвращения теплоты конденсации к поверхности испарения. Паровое пространство, даже частично заполненное пористым материалом, является очень хорошим теплоизолятором. По указанной причине скорость рекуперации тепловой энергии в ячейке ничтожна и сравнима со скоростью теплопередачи через воздушный зазор между стеклами в двойных оконных рамах. Это объясняет крайне низкую производительность процедуры - менее 1,0 л/м ² в час. Практически возможная скорость парокомпрессионной перегонки воды при комнатной температуре (испарение в вакуум) составляет около 0,2 л/м² в секунду, что на три порядка быстрее.

Испарение жидких компонентов раствора через пористую перегородку делает невозможным оперативное удаление солей, накапливающихся в примыкающем к паровому пространству поверхностном слое. Фактически перегородка работает соляным фильтром. С ростом концентрации рассола давление насыщенных паров растворителя в разделительном зазоре падает, что также жестко ограничивает производительность метода.

Перегонку по методу Хасслера необходимо периодически прерывать для очистки или замены контактирующей с морской водой пористой перегородки. Ее капилляры в ходе работы постепенно забиваются солями. Это важный и принципиально неустранимый недостаток, делающий невозможным безостановочную эксплуатацию оборудования.

По аналогичной причине невозможна безостановочная эксплуатация опреснителя на основе пористого поглотителя пара (по типу губки на корабельном такелаже). Капиллярное давление прочно держит жидкий конденсат в материале. Кроме того, периодические выжимания собранной влаги (механическим сдавливанием) быстро разрушают эластичные стенки пор.

Технический результат применения предлагаемого способа

Большая, сравнительно с прототипом, производительность при меньших материальных и эксплуатационных затратах. Возможность длительной работы оборудования без обслуживания и остановок. Нечувствительность к накоплению конечных продуктов перегонки. Простота оперативного управления производительностью процесса.

Способ отличается простотой и технологичностью. Он позволяет осуществлять перегонку жидкостей и жидких растворов различных веществ за счет их внутреннего тепла, без дополнительных затрат энергии, в широком диапазоне рабочих температур и давлений.

Технический результат достигается следующим образом.

Испарение ведут со свободной поверхности раствора, а конденсацию - в капиллярных каналах. Конденсат удаляют из капилляров по мере накопления. Капилляры разделяют свободными промежутками. Положением менисков непрерывно управляют (например, регулируя скорость откачки конденсата), чем поддерживают оптимальную производительность процесса.

С целью ускорения теплообмена, температуру конденсата в капиллярных каналах поддерживают существенно более высокой, чем у окружающей среды или перегоняемого раствора. Разницу температур между внешней поверхностью капилляров и омывающей их жидкостью поддерживают на оптимальном для теплопередачи уровне, который зависит от химического состава компонентов раствора.

Теплоту, выделяющуюся при конденсации паров, передают прямо через стенки капилляров окружающей среде или перегоняемому раствору.

Существенные признаки заявляемого изобретения

В соответствии с прототипом:

поверхности испарения и конденсации разделяют общим паровым пространством;

конденсацию паров ведут в капиллярных каналах;

жидкий конденсат непрерывно удаляют из капилляров, по мере накопления.

В отличие от прототипа:

сплошную массу капиллярных каналов разделяют свободными промежутками для облегчения теплообмена;

положением менисков в капиллярных каналах управляют, поддерживая максимальную производительность процесса перегонки;

тепло конденсации передают окружающей среде или перегоняемому раствору через стенки капилляров.

Перечисленные отличия позволяют существенно удешевить процедуру парокомпрессионной перегонки и сделать ее безостановочной.

Влияние существенных признаков заявляемого изобретения на получаемый технический эффект

Чем меньше плотность материальной преграды (полупроницаемой мембраны), разделяющей жидкий раствор и очищенную от примесей жидкость, тем выше предельная скорость процедуры. Снижаются потери на торможение при столкновениях молекул пара с веществом мембраны. При парокомпрессионной перегонке поток пара максимально плотен, так как поверхности испарения и конденсации разделяет только вакуум, разреженный газ или воздух. Паровое пространство обладает всеми свойствами идеальной полупроницаемой мембраны. Оно легко преодолевается молекулами жидкости, но не пропускает растворенные в этой жидкости твердые вещества и минеральные соли. Напряженность плоского зеркала испарения (поток массы пара с единицы поверхности в секунду) для парокомпрессионных перегонных установок определяется только температурой и составом жидкого раствора. В опреснителях морской воды она колеблется от 0,2 кг/м ²с при +20°С до 1,1 кг/м²с при +120°С.

Источник информации: И.Э. Апельцин; В.А. Клячко. Опреснение воды. - М.: Стройиздат, 1968. -222 с., ил. (стр.33).

В капиллярных каналах давление насыщенных паров конденсирующейся жидкости зависит не только от температуры и ее химического состава, но и от кривизны мениска поверхности. Форма мениска, в свою очередь, зависит от сечения канала капилляра и других факторов. Смачивание, например, сильно снижается при адсорбции на стенках капилляров молекул неконденсируемых газов, заполняющих паровое пространство. Управление этими факторами (например, подбор состава материала и геометрии капиллярных трубок) позволяет в широких пределах варьировать параметры процесса перегонки. Сравнительно легко не допускать кипения перегретого конденсата или, при одинаковой температуре поверхности, создать над вогнутыми менисками чистого дистиллята более низкое давление паров, чем над ровным зеркалом насыщенного рассола. Это позволяет без нагревателей поднять температуру конденсата и значительно ускорить внутренний теплообмен, а следовательно, сам процесс перегонки.

В обычных пористых телах скорость конденсации пара имеет естественные ограничения. Заполненные жидкостью капилляры имеют слабо выраженные мениски. Давление насыщенного пара над поверхностью пропитанного водой пористого материала примерно соответствует его равновесному давлению над свободной поверхностью рассола. Не менее вредна бесконтрольная принудительная откачка конденсата. Мениски уходят глубоко в капиллярные каналы, резко возрастает аэродинамическое сопротивление потоку пара, а скорость перегонки падает. Процесс капиллярной конденсации протекает нормально при условии, что жидкость удаляется из капилляров строго по мере ее накопления. Точный баланс массовых потоков "пар-жидкость" должен поддерживаться автоматически.

Источник информации: А.В. Лыков. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 472 с., ил. (стр.10-63).

Сплошная масса спеченной керамики, перфорированного пластика или порошкового стекла, обычно применяемая в качестве капиллярно пористого материала, дешева, технологична и долговечна, но имеет важный недостаток - низкую теплопроводность. Фактически, это теплоизолятор с очень развитой внутренней поверхностью. Быстро отводить через него в окружающую среду тепло при непрерывной конденсации паров жидкости практически невозможно. Именно этим фактом объясняется опасный разогрев гигроскопичных материалов в условиях высокой влажности. Проблема удовлетворительно решается разделением сплошной массы капилляров свободными промежуткам. Это позволяет заменить неэффективное поверхностное охлаждение материала пористого конденсатора многократно более производительным объемным. Чем больше площадь прямого контакта стенок капилляров с поглотителем тепла, окружающей средой или перегоняемым раствором, тем лучше идет теплообмен и выше производительность процедуры перегонки.

Обычно капиллярная конденсация развивается в пористом материале крайне неравномерно. Сначала возникают отдельные мениски и перехваты в самых узких местах. Постепенно жидкость заполняет весь объем. Начавшийся в глубине тела (зоне его контакта с жидкостью) процесс конденсации постепенно ускоряется к поверхности, достигает предельной величины и затем резко останавливается. Скорость перегонки максимальна, когда мениск находится около открытого среза капилляра. Тогда сопротивление потоку пара незначительно, а отвод теплоты конденсации сильно облегчен. Оптимальное расстояние можно определить только опытом. Оно зависит от динамичного сочетания многих факторов (температуры, давления, материала и диаметра капилляров, состава жидкости).

Источник информации: А.В. Лыков. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 472 с., ил. (стр.83-94).

Удобным критерием для оценки и регулировки положения менисков жидкости в капиллярах (при непрерывной перегонке) является температура их внешних стенок. В случае предельной производительности перегонки она наибольшая (отражает максимальную скорость теплообмена). Это состояние неустойчиво, но в силу инерционности системы его легко поддерживать искусственно, управляя секундным потоком массы, проходящей через конденсатор. Несколько худшие результаты дает контроль температур прилегающей к капиллярам среды или давления в паровом пространстве.

Можно регулировать положение менисков непосредственно, управляя откачкой жидкого конденсата и/или потоком конденсирующегося пара. Можно косвенно - через подбор физических характеристик капиллярно-пористого материала. Например, при четочном профиле внутренних каналов (периодические сужения-расширения, характерные для керамики и изделий из спеченного порошка) мениск автоматически фиксируется у самого верхнего сужения при всех режимах работы конденсатора.

Источник информации: А.В. Лыков. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 472 с., ил. (стр.27-62).

Тесный прямой контакт разделенных промежутками капилляров с поглощающей тепло конденсации внешней средой (перегоняемым раствором или даже открытым воздухом) позволяет оптимально организовать процесс перегонки.

Во-первых, сокращается дистанция передачи тепловой энергии. Фактически, конденсат и перегоняемый раствор (либо внешнюю среду) разделяет только тонкая стенка капилляра (десятые доли миллиметра). В промышленных парокомпрессионных опреснителях воды толщина стенок теплообменных трубок составляет несколько миллиметров и более. Пропорционально изменению толщины стенки снижается тепловое сопротивление, растет тепловой напор и скорость теплопередачи.

Во-вторых, уменьшается паровой зазор между зеркалом испарения и поверхностью конденсации. С традиционных нескольких метров до считанных миллиметров в случае, когда открытые торцы капилляров выступают прямо из зеркала перегоняемого раствора. Поверхности испарения и конденсации фактически совпадают. Аэродинамическое сопротивление потоку пара при такой компоновке элементов стремится к нулю. Сходный принцип вполне оправдал себя в термодиффузионных испарителях-дистилляторах, где медные диски, непрерывно смачиваемые теплой морской водой, вращаются в узких щелях охлаждаемого конденсатора.

Источник информации: И.Э. Апельцин; В.А. Клячко. Опреснение воды. - М.: Стройиздат, 1968. -222 с., ил. (стр.29-30).

В-третьих, принципиально изменяется физика конвекции раствора. Тонкая пленка жидкости непрерывно вытягивается из горячей зоны "раствор-стенка капилляра" в холодную зону "раствор-паровое пространство" силой поверхностного натяжения и уносит с собой полученное тепло. Ее место занимает жидкость из прилегающего объема холодного раствора. Цикл повторяется. Бурное кипение в объеме (с пузырями и брызгами) заменяется спокойным поверхностным испарением. По сравнению с обычной тепловой конвекцией под действием силы тяжести это очень быстрый механизм транспортировки жидкости. Отношение простое: при перепаде температур 0,1°С/см пленка воды самопроизвольно движется в холодную сторону со скоростью около 1 мм/с. В типичном случае (тепловой напор порядка 25°С/мм) справедливо ожидать у среза капилляра скорости поверхностного течения до 0,2-0,25 м/с. Такой быстроты перемещения жидкости (в узких щелях среди капилляров!) не обеспечат никакие мешалки.

Источник информации: В.Г. Левич. Физико-химическая гидродинамика. - М.: Физматлит, 1959. - 700 с., ил. (стр.387).

В-четвертых, рационально используется материал конденсатора. Радиатор с сильно развитой внешней поверхностью (щетка тонких капилляров) обеспечивает эффективный теплообмен даже при контакте с газом. Это общеизвестный факт. Сходный механизм капиллярной конденсации атмосферной влаги возникает в любой большой куче рыхлого песка или мелкого щебня. Разделенные вентилируемыми промежутками куски капиллярно-пористого вещества извлекают жидкую воду из насыщенного паром окружающего воздуха, одновременно передавая ему выделяющееся тепло.

Совокупный технический эффект от применения способа

1. Перепад давлений насыщенного пара между испарителем и конденсатором существенно превышает обычные для адиабатических парокомпрессионных установок значения.

2. Аэродинамическое сопротивление потоку пара стремится к теоретическому минимуму. Испаритель и конденсатор находятся почти рядом.

3. Малая толщина стенок капилляров вполне сочетается с достаточной механической прочностью теплообменника.

4. Благодаря эффекту капиллярного разогрева и малой толщине стенок тепловой напор "конденсат - раствор" заметно превышает обычные для парокомпрессионных установок значения.

5. Величина разогрева конденсата внутри капилляра поддается оперативному управлению. Это позволяет оптимизировать перепад температур "внешняя стенка капилляра - окружающая среда".

6. Сочетание значительного теплового напора на стенках капилляров с оптимальной величиной перепада температур на границе "внешняя стенка капилляра - окружающая среда" позволяет вести производительную перегонку при относительно холодном зеркале испарения.

7. В режиме непрерывной перегонки по предлагаемому способу температура менисков конденсации в каналах капилляров самопроизвольно устанавливается выше температуры окружающей среды.

8. Эффект сортировки молекул раствора обеспечивается за счет внутренней энергии компонентов системы и замкнутой "на себя" системы рекуперации тепла. Теплообмен с окружающей средой практически не нужен.

9. Теплота сольватации (работа механического разделения комплекса разнородных молекул, ранее составлявших один раствор) при перегонке по описанному способу практически полностью совершается за счет внутренней энергии компонентов системы.

Сравнительно с обычными методами очистки жидкостей от растворенных в них примесей предлагаемый способ существенно упрощает процедуру перегонки и позволяет заметно сократить материальные затраты на ее осуществление.

Примеры осуществления изобретения

1. Адиабатический водяной дистиллятор непрерывного действия.

Компоновка капиллярной опреснительной системы для реализации патентуемого способа схематически изображена на фиг.1. Центральным узлом капиллярного опреснителя является плоский поддон 1. Его заполняют проточной морской водой. Сверху поддон накрывают прозрачным кожухом 2 для защиты отверстий капилляров от загрязнения пылью с мусором и визуального контроля. Зеркало испарения морской воды 3 через паровое пространство под кожухом соединяют с поверхностью конденсации в виде щетки капилляров. Каждый капилляр 4 (например, иглы одноразовых медицинских шприцев калибра G 30) устанавливают так, чтобы, проходя через слой морской воды, он верхним открытым торцом выходил в паровое пространство (на 3-5 мм возвышаясь над зеркалом испарения), а нижним открытым торцом соединялся с дистиллированной водой. Боковые стенки капилляра используют в качестве поверхности теплообмена с рассолом.

Через входную трубу 5 в поддон подают морскую воду естественной температуры. С ровного зеркала испарения поток пара 6 направляют в канал капилляра (для наглядности показан только один, в увеличенном виде). Там он конденсируется на цилиндрическом мениске 7 и полусферическом мениске 8. Избыток морской воды удаляют через переливной патрубок 9. Тепло конденсации пара через стенки капилляра передают омывающей их снаружи воде. Сила поверхностного натяжения непрерывно вытягивает горячую пленку жидкости из пограничной зоны контакта со стенкой капилляра прямо на холодную поверхность зеркала испарения.

Глубину потока морской воды в поддоне задают близкой к длине участка конденсации пара внутри капилляра (дистанции от его верхнего среза до полусферического мениска). Высота столба дистиллята Н при нулевой скорости конденсации сама устанавливается на уровне, определяемом по известной из курса физики формуле Жюрена. В нормальном режиме работы опреснителя он больше статического уровня на величину Н. Это прибавка не постоянна, так как зависит от температуры и скорости конденсации пара в канале капилляра. Величина Н создает дополнительный гидростатический напор, частично компенсирующий гидравлическое сопротивление потоку текущего через капилляр дистиллята.

Производительность капиллярного опреснителя регулируют вертикальным перемещением регулировочной тарелки 10, куда стекает конденсирующийся дистиллят. Уровень его свободной поверхности в тарелке жестко фиксируют с помощью переливного патрубка 12. Передвигая тарелку вверх-вниз относительно расширительного патрубка 13, управляют текущим положением полусферического мениска в канале капилляра.

Опреснитель функционирует в непрерывном режиме. Проходящий через него поток морской воды естественной температуры и солености автоматически разделяется на две части - более концентрированный рассол и вполне пресный дистиллят. Эксплуатационные расходы сводятся к поддержанию работы подающих воду насосов и трубопроводов.

Для снижения сопротивления течению дистиллята длину капилляра, постоянно заполненную водой, ограничивают необходимым минимумом, достаточным для работы системы. Она должна быть не меньше температурного дрейфа мениска (˜5 мм) и не многим больше регулировочного диапазона перемещения полусферического мениска. Ориентировочно 10-20 мм.

Положительным фактором, облегчающим процедуру перегонки, является удаление из парового пространства неконденсируемых газов. Например, подключением вакуумного насоса к резервуару с дистиллятом. Это устраняет необходимость в промежуточной регулировочной тарелке. Режим работы такого опреснителя менее устойчив. Центральные каналы части капилляров могут оказаться свободными от жидкости. Вместо полусферического мениска конденсации пар будет успевать оседать только на их цилиндрических стенках, что уменьшит производительность процесса. Данный недостаток искупается заметным упрощением конструкции установки. При снятом защитном кожухе изображенное на чертеже устройство превращается в осушитель атмосферного воздуха, так как источником водяного пара для него служит вся окружающая среда.

Давление насыщенного водяного пара над ровной поверхностью зеркала испарения для дистиллированной воды и насыщенного раствора соли всегда отличается на определенную величину, носящую название депрессии давления. Аналогичная депрессия давления наблюдается над искривленной поверхностью любой жидкости. При вогнутом мениске она отрицательная, а при выпуклом - положительная. Этим физическим эффектом объясняется самопроизвольное наполнение водой пористых материалов при контакте с влажным воздухом, аномально быстрое испарение мелких капель при распылении жидкости форсунками и другие подобные явления.

При не слишком высоких температурах (20±15°С) разница давлений водяных паров над дистиллятом и концентрированным рассолом сравнительно мала. Типичные значения для насыщенного раствора поваренной соли (упаренной морской воды) приведены в таблице 2.

Таблица 2

Источник информации: Ю.Ю. Лурье. Справочник по аналитической химии. - М.: Химия, 1971, 496 с., ил. (стр.141).

Над искривленной поверхностью жидкости также наблюдается депрессия давления. Ее величина ( р) зависит от степени кривизны мениска и поверхностного натяжения. Значение р определяет формула Лапласа:

Здесь:

р - депрессия давления над искривленной поверхностью (Па);

- поверхностное натяжение жидкости (Н/м);

R ₁ и R₂ - главные радиусы кривизны поверхности (м).

Результаты расчета по формуле Лапласа депрессии давления (кПа) над цилиндрическим мениском жидкого водяного дистиллята при различных температурах приведены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты расчета по формуле Лапласа депрессии давления (кПа) над полусферическим мениском жидкого водяного дистиллята при различных температурах приведены в таблице 4.

Таблица 4

Значения давления насыщенного водяного пара над ровным зеркалом дистиллята при тех же температурах приведены в таблице 5.

Таблица 5
Температура °C)	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Давление (кПа)	1,224	2,327	4,229	7,375	12,33	19,92	31,16	47,34	70,10	101,32

Источник информации: И.Т. Гороновский, Ю.П. Назаренко, Е.Ф. Некрич. Краткий справочник по химии. Киев: Наукова думка. 1974.- 985 с., ил.

Таким образом, пренебрегая влиянием адсорбированных газов, примесей активных веществ и поверхностных неоднородностей, можно примерно определить абсолютную величину давления насыщенного водяного пара в цилиндрическом капилляре с идеально смачиваемыми стенками. Она рассчитывается как разница между давлением над ровным зеркалом жидкости и депрессией, вызванной кривизной поверхности.

Полезно сравнить эти величины с известными значениями давления насыщенного водяного пара над концентрированными и разбавленными растворами солей. Результат позволяет оценить диапазон применимости предлагаемого способа для перегонки морской воды и техническую сложность необходимого оборудования.

Значения депрессии ( Р) и давления водяного пара над менисками дистиллята внутри типичного капилляра с внутренним радиусом 0,08 мм (медицинские инъекционные иглы калибра G30), ровным дистиллятом и ровным насыщенным раствором поваренной соли, приведены в таблице 6.

Таблица 6

Видно, что при равной температуре давление водяных паров в капилляре бывает заметно ниже, чем над ровным зеркалом насыщенного раствора. При равенстве давлений возможен заметный перегрев содержимого капилляра относительно рассола. Эффективный максимум T=5-6°С соответствует температуре дистиллята +28°С и температуре рассола +22°С. При большем перегреве полусферический мениск дистиллята ползет от горячего торца в глубину капилляра, что уменьшает производительность процесса.

Давления насыщенного пара (кПа) над разбавленными растворами поваренной соли приведены в таблице 7.

Таблица 7

Содержание соли в природной морской воде колеблется от 13 г/л (Каспий) до 30-35 г/л (океаны). Видно, что если ограничить степень ее выпаривания и сбрасывать в окружающую среду разбавленный рассол (сравнительно безопасный экологически), то эффективную разницу температур "раствор-дистиллят" легко увеличить примерно вдвое (до T=8-10°С).

Описанный факт можно использовать в прикладных целях. Например, для адиабатического опреснения морской воды парокомпрессионным методом, без затрат энергии на ее нагрев.

Пример реализации способа опреснения морской воды (функциональный аналог пароосмотического метода Хаслера)

Перегонную установку составляют из испарителя (поверхность моря), конденсатора и защитного кожуха. Конденсатор собирают из капиллярных трубок. Трубки разделяют промежутками. Открытые концы трубок выводят в паровое пространство прямо через зеркало испарения. Паровое пространство и зеркало испарения накрывают кожухом (устраняя загрязнение капилляров пылью из воздуха и плавающим по воде мусором). Жидкий дистиллят удаляют из конденсатора по мере накопления. Тяжелый рассол растворяется в море сам. Положением менисков в трубках непрерывно управляют. Тепло конденсации передают морской воде через стенки капилляров.

Оценочный расчет перегонной установки

1. Задают состав и предельную концентрацию рассола. Например, насыщенный до выпадения твердого осадка раствор поваренной соли.

2. Задают (узнают из справочника) предельные отклонения температуры зеркала испарения водоема и его соленость. Например, Тихий океан, субтропики, не менее +15°С и не более +25°С, соленость воды 35 г/л.

3. Определяют максимально возможную теоретически производительность перегонной установки. Давление над насыщенным рассолом при +25°С равно давлению над дистиллятом при +20°С (2,327 кПа). Секундный поток пара с поверхности в вакуум при этом составляет 0,2 кг/м ².

4. Выбирают размер и материал капилляров. Например, трубка для медицинских инъекционных игл калибра G 30. Внешний диаметр 0,3 мм, внутренний диаметр 0,16 мм, рабочая длина 12 мм, нержавеющая сталь.

5. Определяют максимальные температуру и давление насыщенного водяного пара над зеркалом испарения, при которых еще возможна конденсация дистиллята на цилиндрическом мениске. Это гарантирует, что края мениска будут жестко привязаны к срезу канала капилляра, независимо от коэффициента смачивания. Согласно таблице 6 соответственно температура +28°С и давление 2,87 кПа.

6. Определяют давление насыщенного пара над полусферическим мениском конденсации внутри капилляра при +28°С. В данном случае согласно таблице 6 оно составляет 1,976 кПа.

7. Определяют оптимальную рабочую температуру зеркала испарения при заданных условиях. В данном случае (согласно п.2) +25°С.

8. Определяют рабочий перепад температуры и давления между рассолом и конденсатом. Согласно таблице 6: T=3°С; Р_Р=0,405 кПа.

9. Определяют максимальный перепад давления между рассолом и конденсатом (пуск при +25°С, солености 35 г/л и давлении пара над водой 3,143 кПа). Р_МАХ=1,167 кПа.

10. Определяют рабочий секундный поток пара между поверхностями рассола и конденсата: М_с=0,2 кг/м² х 0,405 кПа/2,327 кПа=0,035 кг/м².

11. Определяют максимальный секундный поток пара между поверхностями рассола и конденсата в момент запуска установки: М_сМАХ =0,2 кг/м² х 1,167 кПа/2,327 кПа=0,1 кг/м ².

12. Определяют рабочий и максимально возможный поток тепла через боковую поверхность капилляров. Теплота испарения воды 2,26 МДж/кг.

Следовательно, Р_р =0,035 кг/м² х 2,26 МДж/кг=79,1 кВт;

Р_МАХ=0,1 кг/м² х 2,26 МДж/кг=226 кВт.

13. Задают ориентировочно длину погруженной в рассол части капилляра, служащей теплообменником. Например, 10 мм.

14. Определяют перепад температур между столбиком конденсата внутри капилляра и рассолом как среднее арифметическое от максимальной +28°С и минимальной +25°С рабочей температуры зеркала испарения. Верхнее значение наблюдается у среза торчащего из рассола конца капилляра, а нижнее - на глубине. В данном случае T=1,5°С.

15. Определяют по справочным данным коэффициент теплопроводности материала капилляра . В данном случае для медицинской нержавеющей стали марки 30X13, =45 (Вт/(м·К)).

Источник информации: Физические величины. Справочник. /Под ред. И.С. Григорьева. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с., ил. (стр.349).

16. Определяют максимальную тепловую мощность, передаваемую рассолу через стенку единичного капилляра, по стандартной формуле:

Источник информации: Г.Н. Дульнев. Тепло и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Высшая школа, 1984. - 247 с., ил. (стр.30-32).

Здесь:

- коэффициент теплопроводности материала стенки (Вт/(м·К));

L_ц - суммарная длина всех капилляров (м);

r_ВНЕШ ^_ внешний радиус капилляра (мм);

r_ВНУТ - внутренний радиус капилляра (мм);

Т - перепад температур между стенками капилляра (К).

В данном случае:

L_ц =0,01 м; r _ВНЕШ=0,3/2=0,15 мм; r_внут=0,16/2=0,08 мм; T=1,5К;

=45 (Вт/(м·К)). Результат: Р_max1 =6,75 Вт.

17. Определяют минимальное количество капилляров на 1 м² зеркала испарения. В данном случае: N_MIN=226 кВт/6,75 Вт=33481˜33,5 тыс.шт.

18. Определяют фактическое число капилляров. Тепловое сопротивление стенок водяного конденсатора в реальной перегонной установке никогда не превышает 5-10% от его полной величины. Теплопроводность воды и ее пограничных слоев в 50-100 раз хуже, чем у металла. Вывод: ориентировочно необходимо N=33,5х20=670 тыс.шт. капилляров на 1 м².

19. Определяют технологические ограничения плотности монтажа капилляров в условиях автоматизированного производства. Процесс изготовления конденсатора аналогичен задаче сверления и сборки печатных плат. Стандартный шаг монтажа 1,25 мм. Вывод: на 1 м² зеркала рассола будет приходиться не более 640000 капилляров.

20. Определяют потребительские свойства перегонной установки с рабочей площадью зеркала испарения 1 м²:

Производительность, не менее - 126-360 л/час или 3,0-8,6 т/сутки.

Эксплуатационные расходы - круглосуточная работа электрического насоса мощностью 25-30 Вт для откачки дистиллята (около 1,0 $ в день).

21. Определяют себестоимость перегонной установки. Главная операция - изготовление конденсатора. То есть цена его корпуса и монтажа 640000 игл от одноразовых шприцев. По данным производителей медицинской техники, примерно: S=640000х0,01$=6400$. Всего не более 7000$.

22. Оценивают конкурентоспособность метода. Зависимость мировой цены опреснения морской воды парокомпрессионной дистилляцией (табл.1; строка 2) от производительности установки изображена на фиг.2.

Источник информации: периодическая печать, Интернет.

Годовая производительность: M_MIN=3,0 тыс.л х 365 дней=1095 тыс.л.

Рыночная цена полученной воды: S_MIN=1,1 тыс.т/год х 20$=22000$.

Вывод: в своем классе (производительность до 50 т/сутки) изделие не имеет аналогов и полностью окупается за первый год эксплуатации.

Примечание

Приведенный расчет демонстрирует потенциальные возможности предлагаемого способа. Очевидно, что производительность описанной установки заметно возрастет при использовании в качестве сырья морской воды обычной солености. Аналогичный эффект дадут уменьшение внутреннего диаметра капилляров (например, до 0,1 мм и менее), использование гидрофобного покрытия на их внешней поверхности, откачка из парового пространства над зеркалом испарения неконденсирующихся газов и другие хорошо известные технические приемы.

2. Осушитель атмосферного воздуха.

Все известные устройства для извлечения влаги из воздуха или крайне громоздки (адиабатические водосборники в виде каменных пирамид, сооружаемые жителями пустынь), или дороги в эксплуатации (офисные конденционеры), или имеют специфическое назначение (замкнутые системы водоснабжения на космических кораблях и подводных лодках).

Известны способы извлечения пресной воды из влажной атмосферы с помощью эластичных капиллярно-пористых материалов (губка). Они не экономичны и оправдывают себя только в аварийно-спасательных целях.

Полезно оценить возможности этого метода водоснабжения. Данные по абсолютному влагосодержанию воздуха (г/м) приведены в таблице 8.

Таблица 8

Источник: М. Рихтера. Б Бартакова. Тропикализация электрооборудования (пер. с чешского). М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962, 400 с. с ил. (стр.31).

Влажность воздуха достигает максимума в тропическом климате, особенно над поверхностью теплых водоемов. Рекордные значения абсолютного влагосодержания (до 32-34 г/м³) и среднегодовой относительной влажности (более 90%) зарегистрированы в устье Амазонки и джунглях Юго-Восточной Азии. В умеренном климате обычное содержание паров воды в воздухе составляет 10-15 г/м³ при относительной влажности 65-80%. На морских побережьях влажность почти всегда близка к 75%.

Источник информации: М. Рихтера; Б Бартакова. Тропикализация электрооборудования (пер. с чешского). М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962, 400 с. с ил. (стр.30-48).

На основании перечисленного атмосферу в любом месте Земли при температуре выше 3-5°С можно рассматривать как паровое пространство над крепким водяным рассолом. Значения относительной влажности воздуха (%) над гигростатом NaCl для сравнения приведены в таблице 9.

Таблица 9

Источник информации: М. А. Берлинер, Измерения влажности. М.: Энергия, 1973, 400 с., ил. (стр.362).

Допустимо использовать табличные данные из первого примера (адиабатический водяной дистиллятор) для оценки капиллярного осушения воздуха как варианта опреснения морской воды через протяженное паровое пространство. За счет разницы давлений пара между менисками и окружающей атмосферой (согласно таблице 6) влага конденсируется в капиллярах, а теплоту конденсации уносит обдувающий их воздух. Из таблицы 8 видно, что парциальное давление атмосферного водяного пара выше уровня, необходимого для капиллярной конденсации. Оно может быть дополнительно увеличено чисто аэродинамическими средствами. Например, фронтальным разворотом срезов капилляров навстречу набегающему воздушному потоку. Тогда к ним приложится еще и давление скоростного напора. Секундный выход дистиллята в данном случае зависит от температуры элементов системы и абсолютной влажности, но главным образом - от скорости ветра и условий воздушного охлаждения конденсатора.

Известны характеристики атмосферного воздуха в диапазоне температур 25±10°С: теплоемкость С _р=1,01 кДж/(кг·К), плотность р=1,22 кг/м ³. Средняя теплота конденсации воды при тех же условиях - около 2,26 кДж/г. Для конденсации в капиллярах 1 грамма дистиллята надо нагреть кубометр воздуха примерно на два градуса. Важно, что в отсутствие какой либо связи между поверхностями испарения и конденсации аналогичный результат получается при нагреве 4 м³ воздуха на 0,5°С и тому подобное.

Как уже отмечалось, для капиллярных трубок калибра G30 рабочий перепад температур "стенка-среда" в описанных условиях не превышает 10°С. Среднегодовая скорость ветра над Тихим океаном в субтропиках составляет 5-6 м/с. Эти данные позволяют оценить работоспособность капиллярного конденсатора в режиме осушителя атмосферного воздуха.

Пример реализации способа косвенного опреснения морской воды посредством конденсации пара из атмосферного воздуха (функциональный аналог пароосмотического метода Хаслера)

1. Задают минимальную относительную влажность воздуха равной 75%.

2. Задают климат и предельное значение температуры воздуха. Например: субтропики, средняя скорость ветра 6 м/с, температура не более +25°С.

3. Определяют влагосодержание воздуха. В данном случае согласно таблице 8 оно составляет 17,2 г/м³.

4. Определяют парциальное давление водяного пара в атмосфере. В данном случае согласно таблице 6 и таблице 9 оно составляет 2,381 кПа.

5. Выбирают размер и конструкцию конденсатора. Например, блок с активной площадью 1 м² из медицинских инъекционных игл калибра G30. Его компоновка аналогична предыдущему примеру, за исключением двух отличий. Во-первых, блок, как лопасть флюгера, свободно вращается на вертикальной оси и торцы капилляров всегда ориентированы навстречу воздушному потоку. Во-вторых, капилляры не стоят на одной плоскости, а ровными слоями закатаны в ленты из металлической фольги, натянутые параллельно друг другу. Вода удаляется из капилляров самотеком.

6. Определяют максимальные температуру и давление насыщенного водяного пара над зеркалом конденсации. Края мениска должны быть жестко привязаны к срезу канала капилляра, независимо от коэффициента смачивания. По аналогии с данными предыдущего примера согласно таблице 6, соответственно, температура +28°С и давление 1,976 кПа.

7. Определяют рабочий перепад температуры и давления пара между атмосферой и конденсатом. Согласно таблице 6: T=3°С; Р_Р=0,405 кПа.

8. Определяют теоретическую производительность конденсационной установки по эффективной разнице температур "холодный воздух-теплый воздух" T=3°С и известному отношению между теплотой конденсации и теплоемкостью воздушного потока. Если его средняя скорость через сечение 1 м² равна 5 м/с, то выход дистиллята составит M_MIN1=7,5 г/с.

9. Определяют теоретическую производительность установки по величине Р_Р=0,405 кПа "холодный воздух-мениск дистиллята". Грубо принимают, что лобовое сопротивление конденсатора тормозит поток воздуха на 1 м³ /с. Из пропорции 0,405 кПа/2,381 кПа=M_MIN2 /17,2 г/м³ находят, что M _MIN2=2,96 г/с. Это наименьший возможный результат.

10. Принимают среднюю производительность установки по дистилляту равной 6 г/с (0,006 л/с). Реально достижимое значение гораздо выше (обычный ветер, высокая (90-95%) влажность воздуха, оптимальная компоновка элементов и пр.), но его получение требует строгих аэродинамических расчетов и предварительных практических экспериментов.

11. Определяют потребительские свойства описанной конструкции с общим активным сечением воздушных каналов между капиллярами 1 м²:

Производительность, не менее - 0,006 л/с х 3600 х 24=518,4 л/сутки.

Эксплуатационные расходы - смазка поворотного узла на опорной стойке, периодические осмотры и т.п.работы (не более 100,0 $ в год).

12. Определяют себестоимость установки. Как и в первом примере, главная операция - изготовление конденсатора. Число капилляров в 3-4 раза меньше, так как теплообмен с воздухом идет через фольгу. Цена корпуса и операции автоматизированной заделки 160000 игл от шприцев между двумя полосами фольги много дешевле их поштучного монтажа на плоскости. Для сборки годен промышленный полуфабрикат - готовые иглы в ленточной транспортной таре. По данным поставщиков, примерная цена: S=160000х0,01$=1600$. Вместе со стоимостью работы - 2500$.

Необходимым элементом конструкции является опорная стойка высотой в несколько метров. Телескопическая мачта типа ХЖ2.092.099 (высота 13,3 м; масса 65,5 кг; нагрузка 30 кг) отечественного производства стоит 1200$. Все затраты составляют: S _MAX=2500+1200=3700$.

13. Оценивают конкурентоспособность метода. Зависимость мировой цены опреснения морской воды парокомпрессионной дистилляцией (табл.1; строка 2) от производительности установки изображена на фиг.2.

Годовая производительность: M _MIN=0,52 т/сутки х 365 дней=190 т/год.

Рыночная цена полученной воды: S_MIN=190 т/год х 20$=3800$

Вывод: в своем классе (производительность до 50 т/сутки) изделие не имеет аналогов и полностью окупается за первый год эксплуатации.

Примечание

Приведенный расчет демонстрирует потенциальные возможности предлагаемого способа. Очевидно, что производительность описанной установки заметно возрастет при оптимальной аэродинамике теплообменных поверхностей и точном учете особенностей местного климата.

Аналогичный эффект дадут уменьшение внутреннего диаметра капилляров (например, до 0,1 мм и менее), автоматическая регулировка высоты подъема конденсатора (влажность воздушных потоков сильно зависит от времени суток и их удаления от поверхности почвы), применение высокопрочных конструкционных материалов и другие хорошо известные технические приемы.

Из приведенных примеров видно, что по сравнению с такими прототипами, как пароосмотический метод Хаслера, конденсация атмосферной влаги на искусственно охлаждаемых поверхностях и естественная капиллярная конденсация в пористых материалах, предлагаемый способ перегонки жидкостей существенно проще, причем обеспечивает большую производительность при меньших материальных и эксплуатационных затратах.