Iz podzemnih toplih voda u ejektorskim postrojenjima

Destilovana voda dobija se destilacijom (zagrevanjem kuvanjem, isparavanjem i kondezacijom) iz površinskih, vodovodnih ili bunarskih voda. U destilovanoj vodi nema rastvorenih minerala i drugih stranih primesa, pa se kao hemijski i mehanički najčistija voda upotrebljava u prehrambenim, farmaceutskim i u mnogim drugim hemijskim procesima, koji zahtevaju čistu vodu.

Velike količine destilovane vode upotrebljavaju se i u proizvodnji:

• alkoholnih pića,
• piva,
• antifriza,
• akumulatora,
• za napajanje parnih kotlova i dr.

Najjednostavnije i najekonomičnije rešenje za dobijanje destilovane vode je iz termalni izvora u ejektorskim postrojenjima. Proizvodnja destilovane vode iz podzemnih toplih voda u ejektorskom postrojenju predstavlja novo orginalno rešenje, kojim se uz mala investiciona ulaganja, omogućava velika i jevtina proizvodnja. Kapacitet postrojenja zavisan je samo od temperature i količine raspoložive termalne vode.

Princip rada:

Topla voda se, iz izvora, cevima dovodi u sud (isparivač). Ulaskom tople vode, čiji je napon para (pritisak isparavanja) viši od apsolutnog pritiska koji vlada u sudu, dolazi do naglog isparavanja dela ušle tople vode. Toplota potrebana za isparavanje oduzima se od preostale vode, usled čega se ona hladi, sve dok se ne uspostavi ravnotežno stanje između temperature i pritiska.

Ispareni deo vode usisava se i odvodi ejektorom, a deo preostale ohlađene vode odvodi se preko preliva u okolni prostor. Pogonska voda, ulaskom u komoru ejektora, dolazi u dodir sa usisanom isparenom vodom, iz isparivača, meša se sa njom kondezuje je i odvlači sa sobom u skladišne rezervoare. Preostao deo vode ohlađene do temperatre t < 400 °C, odvodi se, iz isparivača, preko prelivnog suda, u okolni prostor.

Ovako postrojenje ne zagađuje okolinu već naprotiv u korito reke vraća donekle ohlađenu vodu, odnosno vraća vodu sa nižom temperaturom, što ekološki gledano predstavlja poboljšanje.

Sl.13.1 Šematski prikaz instalacije za dobijanje destilata iz termalnih podzemnih voda

Prednosti u odnosu na postojeće procese

Proizvodnja destilovane vode iz podzemnih toplih voda uz upotrebu ejektorskog postrojenja ima niz prednosti u odnosu na sva druga postojeća rešenja i to:

• jeftinija cena koštanja po jedinici proizvoda,
• uštedu u investicijama,
• uštedu u utrošenoj toplotnoj i elektro energiji, po jedinici proizvoda (termalnu vodu ne treba zagrevati)
• uštedu u održavanju (ne zahtevaju podmazivanje),
• uštedu u radnoj snazi,
• postrojenje je ekološki potpuno čisto i ne zagađuje okolinu,
• proizvodnja se može potpuno automatizovati i obavljati 24 časa dnevno u svim godišnjim dobima.

Ejektori nalaze široku primenu u procesima mešanja tečnosti i gasova, u oblasti hemijiskih tehnologija i mnogim drugim granama tehnike.

Sva ejektorska mešanja gasova i tečnosti mogu da se podele u dve grupe.

U prvu grupu: spadaju ejektori od kojih se zahteva usisavanje što veće količine gasa po jedinici protoka tečnosti, pri čemu je rastvaranje gasa u tečnosti nebitno.

Ovakvi procesi se upotrebljavaju u ozonatorskim, hloratorskim i drugim uređajima, zatim za kompresiju gasova pomoću tečnosti i u ventilaciji.

U drugu grupu: spadaju ejektori od kojih se zahteva rastvaranje gasova i potpuno zasićenje rastvora. Ovakvi procesi se zahtevaju u flotaciji, aeraciji, zatim pri čišćenju tečnosti od naftinih proizvoda i drugim procesima.

Rastvorljivost gasova u tečnostima određuje se zakonom Henrija koji glasi

m = k·p·Q. gde su:

• m – masa rastvorenog gasa,
• k – konstanta rastvorljivosti, koja zavisi od vrste gasa i od temperature i vrste tečnosti,
• p – pritisak,
• Q – zapremina tečnosti.

Iz formule se vidi da količina gasa koja se može rastvoriti u tečnost je u linearnoj zavisnosti od koeficijenta k, pritiska p i količine tečnosti Q, što znači da u određenoj zapremini tečnosti količina rastvorenog gasa može da se poveća, snižavanjem temperature ili povećanjem pritiska tečnosti i obratno.

Brzina rastvaranja (prenosa mase) zavisi od mehanizma prenosa materije između tečnosti i gasova. U nepokretnoj sredini mehanizam prenosa mase je spor i obavlja se molekularnom difuzijom. U pokretnoj sredini u strujnom protoku prenos mase se intevizira, a u turbulentnoj struji zbog uticaj pulzacije nastaje turbulentna difuzija. Uslovi rada u kojima se postiže burno turbulentno strujanje ostvaruju se u ejektorima, pa iz tih razloga ejektori predstavljaju najpovoljnije uređaje za rastvaranje gasova u tečnostima.

Rastvorljivost vazduha u vodi obično ne prelazi nekoliko zapreminskih procenata. Pa se zapreminski koeficijent usisavanja kreće u granicama

q =Q₂/Q₁ = 0,1 – 0,15 gde su:

• Q₂ - zapreminski protok usisavanog gasa,
• Q₁ - zapreminski protok pogonske tečnosti.

Princip rada ejektorskog uređaja:

Tečnost pod pritiskom p, prolaskom kroz mlaznicu ejektora, vrši transformaciju pritisne energije u kinetičku (brzinsku) energiju. Tečnost, koja sa velikom brzinom ulazi u komoru ejektora, hvata i povlači sa sobom, u komori prisutan gas, formirajući pri tome potpuno finu homogenu mešavinu. Usled različitih brzina strujanja, između tečnosti i usisanog gasa, dolazi do razbijanja oba fluida u najsitnije čestice. Ovako razbijeni i usitnjeni fluidi imaju veliku aktivnu površinu dodira, koja im omogućuje, vrlo brzu međusobnu izmenu energija (mehaničke, hemijske i toplotne i vrlo brzu apsorciju usisanih gasova).

Na putu strujnog toka kroz ejektor, u burnoj turbulentnoj struji dolazi do relativno brzog rastvaranja gasova i zasićenja rastvora. Mešavina fluida (tečnost sa rastvorenim gasom i nerastvoren gas) odolazi u rezervor u kojem se vrši izdvajanje nerastvorenog gasa.

Najjednostavniji uređaj za rastvaranje gasova prikazan je na Sl.12.1. Rastvaranje gasa u tečnostima vrši se u jednom prolazu.

Na.Sl.12.2 i Sl.2.3 prikazani su uređaji sa zatvorenom kružnom cirkulacijom u kojima se, sa istom pumpom, postižu viši pritisci p3 pri kojima se vrši rastvaranje gasova (vidi dijagram 12.1 i 12.2).

Na Sl.12.2 rastvaranje gasa obavlja se pod pritiskim p₃, koji je viši od pritiska p₃ na Sl.11.1, jer pogonska tečnost ulazi u ejektor sa pritiskom p₃ + p_p, pa je i pritisak na izlazu iz ejektora p₃, za iste uslove rada viši (vidi dijagram 12.1 i 12.2). Rastvorljivost gasa može se povećati hlađenjem mešavine gas-tečnost, po izlasku iz ejektora.

Na Sl.12.3 prikazan je uređaj u kojem se gas rastvara u potisnom cevovodu ejektora i rezervoaru 1 pod pritiskom p3, a potom nakon prolaska kroz pumpu rastvaranje se obavlja u potisnom cevovodu pumpe i u rezervoaru 2 pod pritiskom p₃ + p_p.

Kako je količina gasa, koji se ejektorom usisava i rastvara (q₀ = Q₂/Q₁ = 0,1–0,15) mala, može se u prvom približavanju smatrati da u cirkulaciji struji samo jednofazn fluid tj. tečnost.

Uređaji izvedeni prema Sl.12.2 i Sl.13.3 omogćuju bitno poboljšanje stepena iskorišćenja u odnosu na pumpe i ejektore sa jednokratnim prolazom (Sl.12.1) Povećanje stepena iskorišćenja proporcionalno povećava količinu rastvorenog gasa. Količina rastvorenog gasa prema Sl.12.2 i Sl.12.3 može biti više puta veća od količine rastvorenog gasa prema Sl.12.1. Proces može da se obavlja šaržno i kontinuirano. U kontinuiranom procesu tečnost i gas uvode istovremeno kako je to na Sl.12.2 i Sl.12.3 prikazano.

Na dijagramima 12.1 data je zavisnost odnosa pritisaka p₃/p_p od odnosa zapreminskih protoka usisanog vazduha i protoka pumpe Q₂/Q_p. Dijagrami važe za usisavanje vazduha iz atmosfere, a pritisci p₃ i p_p dati su u bar.

Na dijagramu 12.2 data je orjentaciona kriva zavisnosti odnosa pritisaka od odnosa protoka. Obzirom da je usisana količina vazduha mala zanemarena je, pa Q₂ predstavlja samo protok tečnosti.

Maksimalni odnos manometarskih pritisaka p₃/p_p (bar/bar) koji se može postići pri protoku Q₂ = 0 iznosi:

• za povezivanje prema šemi Sl.12.1 p₃/p_p = 0,7
• za povezivanje prema šemi Sl.12.2 p₃/p_p = 2,5
• za povezivanje prema šemi Sl.12.3 p₃/p_p = 3,5

U praktično interesantnom i najčešćem dijapazonu primene koeficijent usisavanja q = 0,1– 0,15 dovoljan je za obezbeđenje vaduha (gasa) za potpuno zasićenje tečnosti.

Primer 12.1

Koliko se, prema šemi na Sl.12.1 i Sl.12.2 može usisati atmosferskog vazduha (p_vaz = 1 bar_aps) sa pumpom p_p = 5 bar i protoka Q_p = 10 m³/h i ubaciti u rezervoar u kojem vlada pritisak p₃ = 2 bar?

Rešenje: Za odnos pritisaka p₃/p_p= 2/5 = 0,4 iz dijagrama 12.1 očitava se:

• za instalaciju prema Sl.12.1 Q₂/Q_p = 0,3, i Q₂ = 0,3·Q_p = 0,3·10 = 3 m³_vazduha / m³_vode,
• za instalaciju prema Sl.12.2 Q₂/Q_p = 0,6 i Q₂ = 0,6·Q_p = 0,6·10 = 6 m³_vazduha / m³_vode.

Sl.12.3 Zatvorena kružna cirkulacija sa mogućnošću hlađenja

Hidrogenizacija je jedna od najviše primenjivanih procesa u organskoj sintezi, a u industrijskoj primeni je najčešći način izvođenja reakcija. Molekul vodonika može brže ući u reakciju sa više funkcionalnih grupa, od bilo kojeg drugog molekula. Hidrogenizacija je u upoređenju sa alternativnim metodama za izvođenje redukcije najekonomičnija. Posmatrajući opšte trendove u tehnologiji hidrogenizacije može se ustanoviti da se sve veća pažnja poklanja:

• optimizaciji razvojnih laboratoriskih i poluindustrijskih istraživanja,
• povećanju ekonomičnosti i
• poboljšanju bezbednosti rada i bezbednosti okoline.

Navedene trendove razvoja najefikasnije ispunjavaju reaktori sa kružnim (cirkulacionim) tokom i ejektorskim mešačem. Ovakvi tipovi reaktora imaju sve širu primenu, u mnogim hemijskim procesima, ali najčešće se primenjuju u hidrogenizaciji.

Princip rada šaržnog postupka hidrogenizacije, sa primenom ejektora, prikazan je na Sl.11.1. Polazni materijal (može biti bez rastvarača ili rastvoen u rastvaraču i fino usitnjen čvrst katalizator) pumpom se usisava iz reaktora, a potom preko izmenjivača toplote (u koliko je potrebno hlađenje ili grejanje) i ejektora ponovo ubacuje u reaktor, formirajući pri tome kružnu cirkulaciju.

Pri prolasku kroz mlaznicu ejektora brzina reakcione suspenzije raste, tako da u komoru ejektora ulazi sa velikom brzinom. U komori ejektora pridošle čestice reakcione suspenzije sudaraju se sa prisutnim česticama gasa (vodonika), pri čemu dolazi do razbijanja oba fluida u najsitnije čestice, formirajući pri tome potpuno finu homogenu mešavinu.

Razbijene fine čestice oba fluida imaju veliku međusobnu aktivnu površinu dodira, koja im omogućava brzu izmenu energije (mehaničke, toplotne i hemijske), a zavisno od vrste fluida i relativno brzu reakciju, odnosno apsorciju.

Formirana mešavina gasa i suspenzije potiskuje se, iz ejektora, u prostor reaktora ispunjen suspenzijom. Nerastvoren, odnosno neizreagovan višak usisavanog vodonika (gasa), po napuštanju ejektora, isplivava na površinu suspenzije, u gasni prostor reaktora, odakle ga ejektor ponovo usisava.

Eksperimentima je ustanovljeno da je u kružnom reaktoru sa ejektorom odnos površina prenosa masa prema reakcionoj zapremini po jedinici energije (m²/m³) dva pota veća od one koja se postiže u reaktoru sa turbinskom mešalicom, pa je time značajno povećana i brzina reakcije.

Sl.11.1 Hidrogenizacija

U reaktoru sa kružnim tokom stepen mešanja gas-tečnost konstantan je tokom svog vremena reakcije, što bitno utiče na skraćenje vremena potrebnog za obavljanje reakcije, kao i na smanjenje utrošene energije po jedinici proizvoda.

Velika prednost kružnog reaktora je u tome što je izmenjivač toplote smešten van autoklava, pa nema ograničenja njegovih gabaritnih dimenzija. Izborom odgovarajuće veličine izmenjivača, sa velikim koeficijentom prenosa toplote, omogućava se brzo odvđenje ili odvođenje toplote, koja je potrebna za obavljanje reakcije.

Sistemom automatske kontrole temperature omogućava se održavanje reakcione temperature sa tačnošću većom od ±1 °C. Ovakav sistem omogućuje održavanje homogene mešavine za sve vreme mešanja.

Kombinacija velike brzine reakcije i precizne kontrole temperature, u većini slučajeva, dovodi do najboljeg mogućeg prinosa i sprečavanja bočnih rakcija. Zbog intezivnijeg i kraćeg vremena mešanja, te ujednačenije raspodele katalizatora, smanjuje se procenat katalizatora dovedenog u reakciju za 30 do 50%, a u nekim slučajevima i više, pa se time smanjuje i njegova apsolutna potrošnja.

Kružni reaktori sa ejektorom imaju niz prednosti u odnosu na reaktore sa mešalicom i to:

• imaju veliku brzinu odvođenja i dovođenja toplote,
• imaju manju potrošnju katalizatora, po jedinici proizvoda,
• imaju bržu reakciju,
• imaju uštedu u pogonskoj energiji prenosa mase a time i kraće obljanje radnog ciklusa,
• nemaju mešalicu koja zahteva velike pogonske motore I jaku noseću konstrukciju,
• ejektori nemaju pokretne delove, pa ne zahtevaju podmazivanje i održavanje,
• ejektori se relativno lako mogu ugradti i pustiti u rad samostalno bez mešalice ili raditi paralelno sa mešalicom,
• proces se može lako automatizovati, sa preciznom kontrolom temperature, čime se omogućava fizički lakši, bezbedniji i sigurniji rad.

Primena: Hidrogene katalitičke idrogenizacije primenjuju se u proizvodnji jestivih ulja, hemijskoj industriji organskih intermedijera, boja, rastvarača, agrohemiji, farmaciji i u mnogim drugim tehnološkim procesima. Standardne vrste reakcija gde se primenjuju su:

• heterogena katalitika hidrogenizacija,
• alkilovanje,
• nitrilacija,
• fozgenizacija,
• amilacija,
• hloracija,
• karbonizacija,
• etoksilacija i
• mnoge druge reakcije.

Napomena: U mnogim postojećim reaktorima sa mešalicom može se dodatno ugraditi ejektor, koji može raditi paralelno sa uključenom mešalicom ili samostalno bez rada mešalice. Ugradnja ejektora je jednostavna i ne zahteva skoro nikakve izmene postojećih reaktora.

Ejektorske vakuum pumpe dele se na:

• Ejektorske parne vakuum pumpe (para–isparenja i gasovi)
• Ejektorske hidro vakuum pumpe (tečnost–isparenja i gasovi)
• Ejektorske gasne vakuum pumpe (komprimovani vazduh–isparenja i gasovi)

Ejektorske vakuum pumpe imaju široku primenu u mnogim oblastima tehnike u kojima se procesi odvijaju pod pritiscima nižim od atmosferskog.

Kapacitet pumpi i visina vakuuma mogu se kretati u širokim granicama (protoci do nekliko hiljada m³/h, a usisni apsolutni pritisak p < 1 mbar). Ejektorske vakuum pumpe za pogon koriste energiju pogonskog fluida. Pogonski fluid prolaskom kroz mlaznicu najveći deo svoje pritisne energije preobražava u kinetičku (brzinsku) energiju, tako da u usisnu komoru ejktora, ulazi sa velikom brzinom (kod gasova i para i nadzvučnom). U usisnoj komori pogonski fluid dolazi u dodir sa usisavanim fluidom, kojeg zahvata, meša se sa njim, povlači sa sobom i pri tome sabija na atmosferski pritisak.

Upotreba:

Upotrebljavaju se pri vakumiranju sudova, uređaja i aparata, vakumiranju komora i prostorija, za povećanje usisnh visina centrifugalnih pumpi, za pretakanje tečnosti i obezbeđenju vakuuma u mnogim drugim operacijama.

Sl.10.1 Vakumiranje u liniji

Sl.10.2 Vakumiranje u recirkulaciji

Prednosti U odnosu na druge tipove vakuum pumpi imaju niz prednosti i to:

• nemaju pogonske motore;
• konstrukcija im je prosta i jednostavna;
• imaju malu masu i male dimenzije;
• nemaju pokretne delove i delove koji se habaju;
• ne zahtevaju podmazivanje;
• lake su za rukovanje i održavanje, rad im je stabilan, miran i bez buke;
• montaža im je jednostavna i mogu se montirati u svim položajima;
• jevtine su i imaju dugi vek trajanja.

10.1 Ejektorske parne vakuum pumpe

Za pogon ovih pumpi upotrebljava se vodena para. Mogu se koristiti kao jednostepeni sa jednim ejektorom (Sl.10.2), ili sa više ejektora vezanih na red (Sl.10.3 – Sl.10.5). Jednostepene ejektorske vakuum pumpe upotrebljavaju se za usisne pritiske veće od 100 mbar apsolutnog pritiska, a višestepene za vrlo niske usisne pritiske.

Ejektori međusobno mogu biti povezani direktno na red ili se između njih postavljaju kondezatori.

Kondezatori mogu biti mešajući (Sl.10.3), u kojima se mešavina pare i usisanog gasa meša sa rashladnom tečnošću, ili površinski u kojima se izlazna mešavina pogonske pare i usisanih isparenja ne meša sa rashladnom tečnošću (Sl.10.4). U zavisnosti od načina dodvođenja kondezata mogu biti barometarski (Sl.10.5 - Sl.10.6), polu barometarski i nebarometarski. Kod barometarskih ejektorskih pumpi kondezator je podignut, na odgovarajuću visinu (zavisnu od visine vakuuma), u odnosu na prelivni sud, a kod polubarometarskih ili nebarometarskih vakuum pumpi kondezat se izvlači pumpama ili ejektorima.

10.2 Ejektorske hidro vakuum pumpe

Za pogon ovih pumpi upotrbljava se tečnost.Visina vakuuma kod ovih pumpi zavisi od temperature i pritiska pogonske tečnosti. Sa nižim temperaturama i većim pritiscima tečnosti postiže se veći vakuum i obratno. Najniži pritisak koji se može postići, u prostoru koji se vakuumira, jednak je pritisku temperature isparavanja pogonske tečnosti. Pogonska tečnost može se koristiti u jednom prolazu (Sl.10.1) ili u recirkulaciji i (Sl.10.2). Pri radu sa recirkulisanom tečnošću, usled kondezacije usisanih isparenja, dolazi do zagrevanja pogonske tečnosti pa je potrebno povremeno ili kontinualno dovoditi svežu hladnu tečnost ili u recerkulisanu tečnost povremeno ubacivati led.

Dijagram 10.1 važi za pogonsku vodu temperature t₁ = 150 °C i za atmosferski pritisak na izlazu iz ejektora (p₃ = 1 bar_aps).

Primer 10.1

Podaci: Koliko kubnih metara vode treba da se upotrebi po kilogramu usisanog vazduha, ako u vakuum sudu treba održavati apsolutni pritisak p₂ = 75 mbar?

Raspolaže se sa pogonskim pritiskom vode: a) p₁ = 10 bar b) p₁ = 7 bar Temperatura vode jei t₁ = 150 °C. Pritisak na izlazu iz ejektora je atmosferski. Rešenje: Prema Dijagramu 10.1: a) Ako se za pogon koristi voda pritiska p₁= 10 bar (11 bar_aps) po jednom kilogramu usisanog vazduha potrošiće se 7 m³ vode; b) Ako se za pogon koristi voda pritiska p₁ = 7 bar (8 bar_aps) po jednom kilogramu usisanog vazduha potrošiće se 9 m³ vode .

10.3 Ejektorske gasne vakuum pumpe

Za pogon koriste komprimovani gas (najčešće komprimovani vazdyuh). Ove pumpe se upotrbljavaju za relativno male protoke i niske vakuume. Najčešće se upotrebljavaju za obezbeđenje odgovarajućeg vakuuma u usisnim cevima centrifugalnih pumpi i za podizanje tečnosti sa nižeg na viši nivo.

Ako se ove pumpe povežu sa sa klasičnim vakuum pumpama, sa vodenim prstenom onda se kao pogonski fluid koristi vazduh iz atmosfere. Vazduh iz atmosfere struji kroz mlaznicu u kojoj se ubrzava, tako da na njenom izlazu postiže brzinu zvuka, a sa ugrađenom Lavalovom mlaznicom postiže nadzvučnu brzinu.

Vazduh sa ovako velikom brzinom ulazi u usisnu komoru, u kojoj zahvata usisavani fluid, povlači ga sa sobom, a potom sabija na na pritisak p > 40 mbar i potiskuje u pumpu sa vodenim prstenom.