Установка для получения воды с пониженным содержанием дейтерия

Установка может быть использована для получения воды с пониженным содержанием дейтерия при проведении технологических процессов, получения лекарственных, парфюмерно-косметических средств и питьевой воды. Установка для получения воды с пониженным содержанием дейтерия включает ректификационную колонну непрерывного действия, работающую под вакуумом, испаритель, конденсатор, емкостное оборудование, ректификационная колонна содержит пакеты регулярной насадки в виде цилиндров, диаметром равным диаметру колонны, с суммарной эффективностью 80-120 теоретических тарелок при гидравлическом сопротивлении в рабочих условиях 2,63-6,58 кПа, между пакетами регулярной насадки по высоте колонны через каждые 3-8 диаметров установлены распределительные устройства жидкости и пара. Ректификационная колонна может быть выполнена разрезной, состоящей из двух или более блоков, соединенных последовательно по ходу пара, в верхней части каждого блока установлено распределительное устройство для жидкости, в нижней части каждого блока установлено распределительное устройство для пара, в нижней части первого блока установлен испаритель, в верхней части последнего блока установлен конденсатор. Полезная модель позволяет увеличить выход товарного продукта от общего объема подачи питания, снизить удельные затраты греющего пара и охлаждающей воды, без снижения качества товарного продукта. 2 н.з.п. формулы, 2 табл., 2 ил.

Полезная модель относится к устройству для очистки воды от примесей в виде молекул воды, содержащих в своем составе тяжелые изотопы водорода и кислорода, а именно, к устройству для получения воды с пониженным содержанием дейтерия (легкой воды) и может быть использовано при проведении технологических процессов, получении лекарственных, парфюмерно-косметических средств и питьевой воды.

Известно, что природная вода представляет собой неоднородное вещество по своему изотопному составу. Помимо молекул легкой (протиевой) воды - H₂ O¹⁶, состоящей из двух атомов водорода (протия) и одного атома кислорода - 16, в природной воде присутствуют еще 7 устойчивых изотопных модификаций. Суммарное количество тяжелых изотопов в природной воде составляет ~0,272%. В то же время основным агентом, вызывающим негативные действия является окись дейтерия. В природной воде содержание дейтерия колеблется от 145 до 160 ppm.

Присутствие в любой природной воде тяжелой воды (окиси дейтерия) в отличие от легкой природной воды, являющейся источником жизни, способно вызвать необратимые изменения в организме высших животных и человека. Очистка воды от дейтерия позволит резко улучшить ее свойства, превратив воду в стимулятор жизни. Научные разработки и многие технологические процессы требуют применения воды с очень высокой степенью чистоты, включая однородность ее изотопного состава.

В настоящее время проблема очистки воды для ее использования в различных отраслях промышленности стоит очень остро.

В зависимости от предполагаемого применения вода подвергается различным способам очистки, одним из которых является процесс ректификации, позволяющий снизить в воде количество тяжелых изотопов водорода, в основном дейтерия, при сохранении исходного изотопа кислорода в H₂O ¹⁶.

Известен патент РФ 2125817 "Пищевой продукт для профилактики развития заболеваний и способ производства пищевых продуктов, пригодных для профилактики развития опухолевых заболеваний", МПК A23L 2/00, A61K 33/00, опубл. 10.02.1999. Согласно данному патенту воду с пониженным содержанием дейтерия получают методом дистилляции. Процесс дистилляции происходит путем кипячения дистиллированной воды в перегонной колонне периодического действия на 30-50 тарелок, используемой для фракционной перегонки под давлением 50-60 мбар. Во время перегонки флегмовое число 12-13, кубовый остаток 10-кратный. При использовании таких параметров концентрация дейтерия в первых фракциях составляет 20-30 ppm. Увеличивая число тарелок можно снизить содержание дейтерия в воде до 1-10 ppm. Смешивая полученную таким образом воду с обычной водой с содержанием дейтерия 150 ppm, можно получить воду с любым содержанием дейтерия между 111 и 135 ppm. Однако выход товарного продукта на такой установке чрезвычайно низок и не дает возможность, тем более в промышленном масштабе, существенным образом увеличить долю в исходной воде.

Наиболее близким техническим решением к объекту нашей полезной модели является патент РФ 2295493 "Способ и установка для производства легкой воды", МПК С01Д 5/00 (2006.1), В01Д 59/00 (2006.1), опубл. 20.03.2007.

Процесс ректификации исходной воды с целью получения легкой воды проводится на установке, состоящей из узла приготовления водяного пара из исходной воды с концентрацией , равной C₁, узла подачи водяного пара в кубовую часть ректификационной колонны, узла взаимодействия пар-жидкость, представляющего собой ректификационную колонну с контактным устройством внутри нее, узла конденсации водяного пара с концентрацией пара C₂, где C₂C₁.

Основными недостатками установки по патенту РФ 2295493 является низкий выход легкой воды (от 0,001 до 0,25 от общего объема подаваемого в колонну водяного пара), высокие удельные затраты греющего пара, неэффективная работа колонны с контактными устройствами в виде тарелок или рандомизированных насадок, имеющих высокое гидравлическое сопротивление.

Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности работы колонны, увеличение выхода товарного продукта от общего объема подачи питания, снижение удельных затрат греющего пара и охлаждающей воды, без снижения качества товарного продукта.

Решение поставленной задачи достигается за счет разработки установки для получения воды с пониженным содержанием дейтерия, включающей ректификационную колонну непрерывного действия, работающую под вакуумом, испаритель, конденсатор, емкостное оборудование, причем ректификационная колонна содержит пакеты регулярной насадки в виде цилиндров, диаметром равным диаметру колонны, с суммарной эффективностью 80-120 теоретических тарелок при гидравлическом сопротивлении в рабочих условиях 2,63-6,58 кПа, между пакетами регулярной насадки по высоте колонны через каждые 3-8 диаметров установлены распределительные устройства жидкости и пара.

Для обеспечения требуемой эффективности (80-120 теоретических тарелок) высота колонны может быть более десяти метров. Для облегчения размещения установки в производственном помещении ректификационная колонна может быть выполнена разрезной, состоящей их двух или более блоков, соединенных последовательно по ходу пара, в верхней части каждого блока установлено распределительное устройство для жидкости, в нижней части каждого блока установлено распределительное устройство для пара, в нижней части первого блока установлен испаритель, в верхней части последнего блока установлен конденсатор.

Рис.1 - схема установки для получения воды с пониженным содержанием дейтерия

Рис.2 - схема установки, где ректификационная колонна выполнена разрезной

На рис.1 представлена схема установки, включающей ректификационную колонну 1, которая содержит пакеты регулярной насадки 2 в виде цилиндров диаметром равным диаметру колонны между которыми расположены распределительные устройства жидкости 3 и распределительные устройства пара 4. Питающая емкость 5 соединена через теплообменник 9 с распределительным узлом нижней части колонны 1. Конденсатор 6 соединен с ректификационной колонной 1 и накопительной емкостью товарной продукции 7. Для обогрева ректификационной колонны установлен испаритель 8, соединенный с кубовой частью колонны.

На рис.2 представлена схема установки, где ректификационная колонна выполнена разрезной, состоящей из двух блоков, блок А и блок Б, включающих модули ректификационной колонны 1, пакеты регулярной насадки 2, распределительные устройства жидкости 3, распределительные устройства пара 4. Питающая емкость 5 соединена через теплообменник 9 с модулем ректификационной колонны 1 блока А, конденсатор 6 совместно с накопительной емкостью 7 соединены с ректификационной колонной 1 блока Б. Испаритель 8 соединен с ректификационной колонной 1 блока А. Для передачи кубовой жидкости модуля колонны 1 блока Б в верхнюю часть модуля колонны 1 блока А установлен насос 10.

Установка, представленная на рис.1, работает следующим образом. Подготовленная вода из емкости 5 поступает через теплообменник 9, где нагревается до температуры, близкой к кипению, в зону ввода питания на распределительный узел нижней царги ректификационной колонны 1, которая обогревается с помощью выносного испарителя 8. Пары легкой воды, поднимаясь вверх по колонне и освобождаясь от тяжелых компонентов, поступают в конденсатор 6, охлаждаемый оборотной водой (на схеме подача воды в конденсатор не показана). Часть конденсата (в количестве 30-60% от подачи питания) отбирают в виде товарного продукта и направляют в накопительную емкость 7. Другая часть конденсата в виде флегмы возвращается на распределительное устройство 3 в верхней части ректификационной колонны 1. Из кубовой части ректификационной колонны 1 жидкость подается в испаритель 8, и частично в количестве равном разности между подачей питания и отбором дистиллята выводится из промышленного цикла.

Установка, представленная на рис.2, где ректификационная колонна 1 выполнена разрезной, например, в виде двух блоков А и Б, работает следующим образом. Подготовленная вода поступает из емкости 5 через теплообменник 9, где нагревается до температуры, близкой к кипению, в зону ввода питания на распределительный узел нижней царги блока А колонны 1, который обогревается с помощью выносного испарителя 8. Пары воды, поднимаясь вверх по колонне 1 и освобождаясь от тяжелых компонентов, из верхней части блока А колонны 1 поступают в кубовую часть блока Б колонны 1, где продолжая подниматься вверх по колонне и освобождаясь от тяжелых компонентов, поступают в конденсатор 6, охлаждаемый оборотной водой (на схеме подача воды в конденсатор не показана). Конденсат в виде флегмы возвращается на верхнее распределительное устройство 3 Блока Б колонны 1. Часть конденсата отбирают в виде товарного продукта и направляют в накопительную емкость 7. Из кубовой части блока Б колонны 1 жидкость отбирается с помощью насоса 10 и подается в верхнюю часть блока А колонны 1 на распределительное устройство 3. Из кубовой части блока А колонны 1 жидкость подается в испаритель 8, и частично в количестве равном разности между подачей питания и отбором дистиллята выводится из промышленного цикла.

Установка для получения воды с пониженным содержанием дейтерия имеет следующие характеристики.

Эффективность колонны - 100 теоретических тарелок (т.т.);

Давление верха - 80 мм Hg;

Давление в кубе - 100 мм Hg;

Гидравлическое сопротитвление колонны - 20 мм Hg;

Доля отбора - 50 кмоль;

Точка ввода питания - N_f=20 т.т.

Проведение сопоставительного анализа параметров заявляемой установки и прототипа при получении воды с пониженным содержанием дейтерия показывает, что удельные затраты греющего пара (на кг готовой продукции) и охлаждающей воды заявляемой установки в 1,2-1,5 раза ниже, чем по прототипу (см. табл.1), а при равных энергозатратах получается продукт более высокого качества, см. табл.2.

1. Установка для получения воды с пониженным содержанием дейтерия, включающая ректификационную колонну непрерывного действия, работающую под вакуумом, испаритель, конденсатор, емкостное оборудование, отличающаяся тем, что ректификационная колонна содержит пакеты регулярной насадки в виде цилиндров диаметром, равным диаметру колонны, с суммарной эффективностью 80-120 теоретических тарелок при гидравлическом сопротивлении в рабочих условиях 2,63-6,58 кПа, между пакетами регулярной насадки по высоте колонны через каждые 3-8 диаметров установлены распределительные устройства жидкости и пара.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ректификационная колонна выполнена разрезной, состоящей из двух или нескольких блоков, соединенных последовательно по ходу жидкости и пара, в верхней части каждого блока установлено распределительное устройство для жидкости, в нижней части каждого блока установлено распределительное устройство для пара, в нижней части первого блока установлен испаритель, в верхней части последнего блока колонны установлен конденсатор.