Аппарат для термической очистки метилового эфира от примесей в производстве биотоплива

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(54) АППАРАТ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ МЕТИЛОВОГО ЭФИРА(71) Заявитель Открытое акционерное общество Гродно Азот(72) Авторы Агеев Вячеслав Васильевич Лакомкин Александр Андреевич Радевич Александр Михайлович Сиротин Андрей Вячеславович Юрша Иосиф Антонович Седач Михаил Павлович Капалыгин Николай Николаевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Гродно Азот(57) 1. Аппарат для термической очистки метилового эфира от примесей в производстве биотоплива, включающий нижнюю и верхнюю камеры с крышками, соединенные между собой вертикальным корпусом, внутри которого установлена греющая камера в виде пучка теплообменных труб с внутренней циркуляционной трубой, жестко закрепленных в нижней и верхней трубных решетках, причем нижние концы теплообменных труб, размещенные в нижней камере за пределами нижней трубной решетки, выполнены с перфорацией боковой поверхности, а нижний конец внутренней циркуляционной трубы размещен 13873 1 2010.12.30 в нижней камере по высоте ниже нижнего конца теплообменных труб, на корпусе аппарата размещены штуцеры ввода и вывода метилового эфира, ввода и вывода греющего теплоносителя, вывода примесей, причем к штуцеру ввода метилового эфира, размещенному по высоте над греющей камерой, подсоединена сопловая трубка, которая заведена во внутреннюю циркуляционную трубу сверху и размещена выходным концом в нижней камере, на корпусе по высоте между нижней трубной решеткой и нижним концом теплообменных труб размещен штуцер ввода инертного газа, в верхней камере установлен сепаратор, выполненный в виде цилиндрического завихрителя, установленного на оси аппарата, который жестко соединен с сопловой трубкой, а в нижней камере на ее оси и на расстоянии от нижнего конца внутренней циркуляционной трубы размещен распределитель, выполненный в виде тела вращения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в штуцере ввода инертного газа установлен ограничитель расхода, выполненный в виде кольца. Устройство относится к аппаратам химической технологии и может быть использовано в системах очистки жидкостей от растворенных в них примесей физическими методами, и может найти применение в химической, нефтехимической промышленности,например, для очистки метилового эфира рапсового масла от примесей метанола и воды в производстве биотоплива. В качестве прототипа изобретения выбран аппарат для термической очистки метилового эфира от примесей в производстве биотоплива, включающий нижнюю и верхнюю камеры с крышками, соединенные между собой вертикальным корпусом, внутри которого установлена греющая камера в виде пучка теплообменных труб с внутренней циркуляционной трубой, жестко закрепленных в нижней и верхней трубных решетках, сепаратор,установленный в верхней камере, штуцера ввода и вывода метилового эфира, ввода и вывода греющего теплоносителя, вывода примесей 1. Недостатками прототипа являются низкая производительность процесса и высокое остаточное содержание примесей в продукте из-за недостаточного времени пребывания метилового эфира в зоне греющей камеры и недостаточной поверхности контакта фаз. Физической причиной этого является, главным образом, отсутствие кипения метилового эфира в греющей камере при осуществлении процесса его термической очистки от примесей из-за физических свойств метилового эфира (недостижимо высокая температура кипения). В этом случае разность плотностей метилового эфира в теплообменных трубах греющей камеры и во внутренней циркуляционной трубе (движущая сила процесса циркуляции), определяемая по разности температур метилового эфира в этих зонах, практически отсутствует. Отсутствие циркуляции метилового эфира в зоне греющей камеры существенно снижает его время пребывания в зоне эффективного осуществления процесса термической очистки метилового эфира от примесей, что и обуславливает недостатки прототипа. Задача, на решение которой направлено изобретение, - повышение производительности и эффективности процесса очистки метилового эфира от примесей за счет увеличения времени пребывания метилового эфира и поверхности контакта фаз в зоне эффективного осуществления процесса очистки. Поставленная задача решается в аппарате для термической очистки метилового эфира от примесей в производстве биотоплива, включающем нижнюю и верхнюю камеры с крышками, соединенные между собой вертикальным корпусом, внутри которого установлена греющая камера в виде пучка теплообменных труб с внутренней циркуляционной трубой, жестко закрепленных в нижней и верхней трубных решетках, причем нижние концы теплообменных труб, размещенные в нижней камере за пределами нижней трубной 2 13873 1 2010.12.30 решетки, выполнены с перфорацией боковой поверхности, а нижний конец внутренней циркуляционной трубы размещен в нижней камере по высоте ниже нижнего конца теплообменных труб, на корпусе аппарата размещены штуцеры ввода и вывода метилового эфира, ввода и вывода греющего теплоносителя, вывода примесей, причем к штуцеру ввода метилового эфира, размещенному по высоте над греющей камерой, подсоединена сопловая трубка, которая заведена во внутреннюю циркуляционную трубу сверху и размещена выходным концом в нижней камере, на корпусе по высоте между нижней трубной решеткой и нижним концом теплообменных труб размещен штуцер ввода инертного газа,в верхней камере установлен сепаратор, выполненный в виде цилиндрического завихрителя, установленного на оси аппарата, который жестко соединен с сопловой трубкой, а в нижней камере на ее оси и на расстоянии от нижнего конца внутренней циркуляционной трубы размещен распределитель, выполненный в виде тела вращения. В штуцере ввода инертного газа установлен ограничитель расхода, выполненный в виде кольца. Существенность отличительных признаков изобретения состоит в следующем. Так как нижние концы теплообменных труб размещены в нижней камере за пределами нижней трубной решетки и выполнены там с перфорацией боковой поверхности, а устройство снабжено штуцером ввода десорбента, размещенным на корпусе устройства по высоте между нижней трубной решеткой и нижним концом теплообменных труб, то такое решение обеспечивает ввод десорбента (инертный газ) в загрязненный метиловый эфир во всей обогреваемой зоне греющей камеры за исключением объема внутренней циркуляционной трубы, т.е. в зоне наиболее эффективного проведения процесса очистки. Это существенно увеличивает поверхность контакта фаз, при этом отсутствие парциального давления паров примесей над инертным газом создает высокую движущую силу для процесса перехода примесей из жидкой фазы в парогазовую фазу, что повышает производительность и эффективность очистки метилового эфира от примесей. При этом наличие инертного газа в теплообменных трубах существенно снижает плотность движущейся в них смеси, и, следовательно, возрастает движущая сила и скорость циркуляции метилового эфира в трубном пространстве греющей камеры, что повышает производительность аппарата. Нижний конец внутренней циркуляционной трубы размещен в нижней камере по высоте ниже нижнего конца теплообменных труб. Такое решение исключает проскок инертного газа во внутреннюю циркуляционную трубу и обеспечивает газовую подушку в зоне между трубной решеткой и концами теплообменных труб, что повышает гидродинамическую устойчивость процесса высокоскоростной циркуляции метилового эфира. К штуцеру ввода метилового эфира подсоединена сопловая трубка и размещена выходным концом в нижней камере. Такое решение позволяет использовать энергию входного загрязненного потока метилового эфира за счет эжектирования циркуляционного потока, что позволяет увеличить скорость циркуляции метилового эфира. Штуцер ввода метилового эфира размещен по высоте над греющей камерой, а сопловая трубка заведена во внутреннюю циркуляционную трубу сверху. Так как сопловая трубка проходит через значительную часть циркуляционной трубы, то такое решение обеспечивает использование внутренней циркуляционной трубы в качестве теплообменника и позволяет подогреть входной раствор до температуры циркулирующего раствора, а это в условиях подачи в устройство холодного метилового эфира способствует повышению эффективности и производительности процесса очистки. Сепаратор выполнен в виде цилиндрического завихрителя. Такое решение обеспечивает высокую эффективность отделения газопаровой фазы от жидкой фазы, причем гидравлическое сопротивление сепаратора является низким, что в условиях очистки метилового эфира под вакуумом исключает снижение производительности процесса очистки. 13873 1 2010.12.30 Цилиндрический завихритель установлен на оси устройства и жестко соединен с сопловой трубкой. Такое решение фиксирует сопловую трубку на оси циркуляционной трубы, что обеспечивает максимальную эжекцию циркуляционного потока входным потоком метилового эфира. В нижней камере на ее оси и на расстоянии от нижнего конца внутренней циркуляционной трубы размещен распределитель, выполненный в виде тела вращения. Такое решение обеспечивает радиальное растекание потока из циркуляционной трубы в направлении теплообменных труб по кратчайшему пути, что снижает гидравлическое сопротивление и обеспечивает высокую скорость в контуре циркуляции. В штуцере ввода инертного газа установлен ограничитель расхода, выполненный в виде кольца. Такое решение обеспечивает эксплуатационную надежность устройства, т.к.предотвращает подачу избыточного количества десорбента, приводящую к наступлению аварийного режима работы по причине прекращения циркуляции метилового эфира и перехода устройства в прямоточный режим работы. Сущность устройства поясняется чертежом. На фиг. 1 показан общий вид устройства,фронтальный разрез на фиг. 2 - разрез по - фиг. 1. Аппарат для термической очистки метилового эфира от примесей в производстве биотоплива включает нижнюю и верхнюю камеры с крышками 1 и 2 соответственно, соединенные между собой вертикальным корпусом 3, внутри которого установлена греющая камера в виде пучка теплообменных труб 4 с внутренней циркуляционной трубой 5, жестко закрепленных в нижней и верхней трубных решетках 6 и 7 соответственно, сепаратор 8 в виде многолопастного цилиндрического завихрителя, установленный в верхней камере 2, штуцера ввода 9 и вывода 10 метилового эфира, штуцера ввода 11 и вывода 12 греющего теплоносителя, штуцер 13 вывода примесей. Нижние концы теплообменных труб 4 размещены в нижней камере 1 за пределами нижней трубной решетки 6 и выполнены там с перфорацией на боковой поверхности в виде отверстий 14. На корпусе устройства 1 по высоте между нижней трубной решеткой 6 и нижним концом теплообменных труб 4 размещен штуцер ввода инертного газа 15, в котором установлен ограничитель расхода 16,выполненный в виде кольца. К штуцеру ввода метилового эфира 9 подсоединена сопловая трубка 17 и размещена выходным концом в нижней камере 1. Штуцер 9 может быть размещен как в нижней камере 1 на ее крышке, так и на верхней камере 2 над сепаратором 8. При этом сопловая трубка 17 проведена насквозь через сепаратор 8 и заведена во внутреннюю циркуляционную трубу 5 сверху. Нижний конец внутренней циркуляционной трубы 5 размещен в нижней камере 1 по высоте ниже нижнего конца теплообменных труб 4. В нижней камере 1 на ее оси и с зазором 18 от нижнего конца внутренней циркуляционной трубы 5 размещен распределитель 19, выполненный в виде тела вращения, например конуса, обращенного вершиной вверх. Аппарат для термической очистки метилового эфира от примесей в производстве биотоплива работает следующим образом. Метиловый эфир (например, рапсового масла), загрязненный метанолом или водой, поступает в устройство через штуцер 9, входит в сопловую трубку 17 и при прохождении по высоте циркуляционной трубы 5 нагревается потоком циркулирующего метилового эфира. Далее загрязненный поток метилового эфира выходит из сопловой трубки 17 с высокой скоростью, что обеспечивает ускорение им(эжекцию) циркулирующего потока и повышение скорости циркуляции метилового эфира. При этом также происходит перемешивание входного (загрязненного) и циркуляционного (частично очищенного) потоков с образованием смешанного потока метилового эфира. Выходя из внутренней циркуляционной трубы 5, смешанный поток натекает на распределитель 19 и через зазор 18 растекается в радиальном направлении. В зоне нижней камеры 1 происходит торможение смешанного потока и изменение радиального движения на восходящее движение за счет всасывающего эффекта со стороны теплообменных труб 4. Инертный газ (осушенный азот) поступает в устройство через штуцер 15, проходит 4 13873 1 2010.12.30 ограничитель 16, препятствующий подаче избыточного его количества, входит в пространство нижней камеры 1 и создает газовую подушку под нижней трубной решеткой 6 снаружи теплообменных труб 4. Из газовой подушки инертный газ поступает внутрь теплообменных труб 4 через отверстия 14 на их боковой поверхности с образованием пузырей, которые совершают восходящее движение и распределяются в теплообменных трубах 4 по всей их высоте. При этом в нижней зоне теплообменных труб 4 создается пониженное давление за счет эжектирующего действия пузырей, что оказывает подсасывающее воздействие на смешанный поток метилового эфира из нижней камеры 2 и повышает скорость циркуляции. Наличие в метиловом эфире инертного газа создает режим газлифтного движения и снижает плотность смеси в теплообменных трубах 4, что повышает движущую силу процесса циркуляции метилового эфира за счет увеличения разности плотностей потоков во внутренней циркуляционной трубе 5 и в теплообменных трубах 4. При этом отсутствие в инертном газе паров примесей, находящихся в метиловом эфире, создает высокую движущую силу массообменного процесса перехода примесей из метилового эфира в инертный газ за счет разности парциальных давлений примесей. Распределение инертного газа в теплообменных трубах в виде пузырей создает высокоразвитую поверхность контакта фаз, что повышает эффективность очистки метилового эфира за счет массообменного процесса. Одновременно осуществляется тепловое воздействие на газожидкостную смесь, находящуюся внутри теплообменных труб 4. Тепло поступает в устройство через штуцер 11 с греющим теплоносителем в виде водяного пара и передается метиловому эфиру за счет процессов конденсации пара и теплопроводности через стенки пучка теплообменных труб 4. Тепловое воздействие снижает плотность газожидкостной смеси, что повышает скорость циркуляции, а в инертном газе повышает величину давления насыщенного пара примесей, что обеспечивает более полный переход примесей из метилового эфира в инертный газ и повышает производительность процесса очистки. После выхода газожидкостной смеси из теплообменных труб 4 происходит расширение потока за счет слияния струй, что сопровождается торможением восходящего движения и прекращением газлифтного режима. Часть метилового эфира увлекается во внутреннюю циркуляционную трубу 5 и движется через нее в нижнюю камеру 1, образуя контур циркуляции. Остальная часть метилового эфира вместе с загрязненным инертным газом участвует в восходящем движении и поступает в сепаратор 8 и закручивается. За счет возникающих инерционно-центробежных сил за пределами сепаратора 8 происходит отделение газопаровой фазы от жидкой фазы. Жидкая фаза, представляющая собой очищенный метиловый эфир, выводится из устройства через 10, а загрязненная газопаровая фаза выводится из верхней камеры 2 через штуцер 13 и направляется на обезвреживание или утилизацию. Источники информации 1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 1. - М. Химия, 1995. - С. 360-362. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6