Иллюстрация пока отсутствует

Отпарка водяным паром

Отпарка водяным паром постепенно удаляет летучую примесь из жидкости: пар непрерывно подводят и отводят вместе с перешедшим веществом. [SS11]

Представим воду, в которой растворено немного летучего растворителя. Отстоять его отдельным слоем не получается: молекулы распределены в воде. Но часть этих молекул способна переходить из жидкости в пар. Полезным результатом может быть очищенная вода, возвращённое в работу поглотительное масло или тяжёлая органическая фракция, из которой удалили лёгкие компоненты. Вещество переносится в другой поток; само по себе оно от этого не уничтожается. [SS11]

Почему помогает именно поток пара? Над жидкостью молекулы переходят в обе стороны: из жидкости в пар и обратно. Для данного состава и температуры существует равновесное содержание примеси в паровой фазе. Если в подведённом паре её меньше, суммарный перенос направлен из жидкости. Если пар уже достиг равновесия с этой жидкостью, чистого переноса нет. Поэтому важно не просто нагреть смесь и наблюдать пузырьки, а постоянно подводить пар с достаточно малым содержанием удаляемого вещества и обеспечивать контакт. Скорость приближения к равновесию зависит от площади поверхности и переноса вещества через прилегающие слои. [SS11]

В колонне это обычно организуют противотоком: жидкость стекает сверху, пар поднимается снизу. Самый чистый поступающий пар встречает уже обеднённую жидкость у нижнего выхода; выше он контактирует с более богатой примесью жидкостью. Так сохраняют возможность удаления на разных участках высоты. Тарелки или смоченная насадка создают поверхность контакта. Увеличение высоты помогает только тогда, когда потоки действительно встречаются: обход насадки, пена и плохое распределение жидкости не заменяются числом метров корпуса. Устройство контакта разобрано в карточке Насадочная колонна. [SS01]

Противоточная отпарка.
Противоточная отпарка. Жидкость L₁ поступает сверху и стекает вниз; водяной пар V₁ входит снизу и поднимается ей навстречу. Тонкие поперечные стрелки показывают перенос летучей примеси A из жидкости в пар, а не трубопроводы. Верхний поток V₂ уносит водяной пар и удаляемое вещество, нижний L₂ содержит меньше примеси, но не обязательно свободен от неё; нелетучие загрязнения могут сохраниться. Расход пара может меняться из-за конденсации. Внутреннее устройство контактора не задано.

У растворённой примеси равновесное содержание в паре обычно уменьшается по мере обеднения жидкости. Поэтому убрать основную часть и убрать последние следы — разные по трудности задачи. Температура кипения чистого растворителя не отвечает на вопрос, насколько легко извлечь его из конкретного раствора. Нужны данные равновесия с этим носителем при выбранной температуре: для достаточно разбавленного раствора их часто описывают законом Генри. Сильно удерживаемое растворителем вещество может требовать большого парового расхода или другого способа очистки. [SS13]

Пар одновременно участвует в переносе вещества и в тепловом балансе. Холодное питание способно сконденсировать часть подведённого пара: оно нагреется, но наверх пройдёт меньше паровой фазы, а в жидкости появится дополнительная вода. Отсюда два самостоятельных вопроса: сколько примеси действительно ушло и насколько её концентрация снизилась из-за разбавления. Ни один расход пара без температуры питания и баланса воды не описывает процесс полностью. Эти последствия ниже проверены на условном материальном и энергетическом балансе.

Сверху выходят водяной пар, удалённые вещества и возможные неконденсируемые газы. После охлаждения конденсат может расслаиваться, а может остаться раствором: отдельный органический слой не гарантирован. Внизу остаётся носитель с меньшим содержанием летучей примеси; нелетучие загрязнения могут сохраниться. Поэтому чистота нижнего потока, чистота извлечённого растворителя и выход растворителя являются разными показателями. Sulzer описывает возврат растворителей из воды через сочетание отпарки и последующей ректификации, проверку декантации и пилотирование загрязняющихся потоков. [SS01]

Рабочая температура определяется веществами, абсолютным давлением контакта и тепловым состоянием потоков. Давление паропровода позволяет подать пар в аппарат, но не равно давлению разделения; температура подаваемого пара не равна температуре жидкости. Единого режима для воды, поглотительного масла и пиролизата нет. Ниже поэтому отдельно приведены реальные промышленные, лабораторные и патентные случаи: их числа относятся только к названному сырью, месту измерения и стадии.

Парциальное давление: что именно сравнивают

Парциальное давление показывает вклад выбранного вещества в общее давление газовой смеси. При идеализированном поведении пара pA = yA·P, где yA — мольная доля вещества A, P — общее абсолютное давление. Важно отличать фактическое pA в потоке от равновесного pA* над данной жидкостью. При pA < pA* вещество может выходить из жидкости; при равенстве исчезает движущая сила, а при pA > pA* направление меняется. Далее это описание используется только в приближении идеального пара. [SS13]

Для разбавленного раствора запишем pA* ≈ H·xA. Здесь xA — мольная доля A в жидкости, а H — выбранная форма константы Генри с размерностью давления; строго она определяется в пределе бесконечного разбавления. Вместе с pA* = yA*·P получаем yA* ≈ (H/P)·xA. В справочниках встречаются и обратные константы, и отношения к концентрации в моль/м³, поэтому число H без определения и единиц не годится для подстановки. Значение должно относиться к нужной температуре и жидкому носителю. [SS12]

Проследим направление переноса на собственном условном примере. Температуру считаем неизменной, газ — идеальным, раствор — достаточно разбавленным; задаём H = 1000 кПа и P = 100 кПа. Это придуманные параметры, не свойства конкретного растворителя. При xA = 0,0001 равновесное давление pA* = 0,1 кПа, а равновесная доля в паре yA* = 0,001. Пусть поступающий пар содержит yA = 0,0002: его pA = 0,02 кПа. Разность 0,1−0,02 = 0,08 кПа направляет перенос из жидкости в пар.

Теперь оставим тот же пар, но уменьшим долю примеси в жидкости в десять раз, до xA = 0,00001. Получится pA* = 0,01 кПа, уже меньше фактических 0,02 кПа: такой пар будет загрязнять эту более чистую жидкость. Если же подвести пар с yA = 0,00002, его pA = 0,002 кПа, и перенос снова пойдёт наружу. Так из одной зависимости видно, зачем нижнюю часть колонны снабжать достаточно чистым паром. Числа показывают знак переноса, но не число тарелок, скорость удаления или достижимую производительность.

Выражение «пар снижает парциальное давление органики» требует оговорки. При поддерживаемом общем давлении более интенсивный поток бедного примесью пара может уменьшить её долю в объёме газовой фазы. Но равновесное pA* при тех же температуре и составе жидкости не становится меньше от самого факта подачи пара. В закрытый сосуд нельзя просто добавить пар и считать общее давление неизменным. Для рабочего аппарата одновременно решают равновесие, отвод паров, теплообмен и расходы.

Почему это не всегда перегонка двух несмешивающихся жидкостей

Для двух практически несмешивающихся жидкостей, каждая из которых сохраняет отдельную почти чистую фазу, равновесный пар получает вклады от обеих фаз. В идеализированном случае pводы ≈ pводы,sat(T), pорганики ≈ pорганики,sat(T), а при кипении их сумма равна общему давлению. При атмосферном давлении такую смесь можно перегонять при температуре ниже нормальной температуры кипения каждого чистого компонента. Это частный фазовый случай, разобранный в карточке Перегонка с водяным паром: вторичное сырьё, продукты и парциальные давления. [SS14]

Когда органика присутствует только как разбавленная растворённая примесь, отдельной чистой органической фазы нет. Подставить её давление насыщенного пара вместо давления над раствором означало бы потерять зависимость от концентрации. По мере удаления примеси равновесие меняется; после исчезновения свободного органического слоя система также может перейти к этому случаю. Различать следует состояние фаз и цель операции, а не только название: одна установка способна извлекать органический верх и одновременно очищать нижний поток. [SS14]

Нагрев через стенку паровым змеевиком не означает ввод отпаривающего пара в продукт. При косвенном нагреве теплоноситель остаётся по другую сторону стенки. Отпарка катализатора после FCC и паровая обработка твёрдой биомассы тоже не доказывают разделение уже собранного жидкого пиролизата. Такие случаи в результаты ниже не включены.

Высокая температура и горячие поверхности: меры защиты определяются конкретным оборудованием и его режимом.

Химическая форма тоже определяет, что уйдёт с паром

У аммиачной воды имеет значение не только суммарное содержание азота. Летучая молекулярная форма NH₃ находится в кислотно-основном равновесии с ионом NH₄⁺. Подщелачивание увеличивает долю свободного аммиака; затем его можно переносить в паровую или газовую фазу. Поэтому результат очистки связывают с pH и температурой, а не только с подачей пара. EPA отдельно объясняет это для аммиачной отпарки; её воздушную схему нельзя выдавать за измеренный режим паровой колонны. [SS15]

Этот пример объясняет и границу общей идеи: анализ «всего хлора» или «всего азота» не говорит, какая их часть находится в летучих соединениях. Прежде чем ожидать удаления, нужно установить химические формы. Их превращение реагентом, гидрообработка и последующая очистка воды являются самостоятельными стадиями со своими потоками и результатами.

Что выяснить о сырье до выбора режима

Для сравнения предложений нужен паспорт именно поступающего потока: расход; растворённые и свободные органические фазы; вода; взвесь; целевые вещества и их формы; соли; pH; вязкость; склонность к пене и выпадению осадка. Отдельно задают допустимый остаток внизу, назначение верха и максимально допустимую потерю носителя.

Для каждого опыта фиксируют температуру и место её измерения, абсолютное давление колонны, давление подаваемого пара и базу отношения пар/питание. Температура анализируемой фракции при стандартной разгонке не равна температуре её производства.

В программу испытания включают массу всех отобранных фаз, унос с газом, отложения, возвратные потоки и погрешности анализов. Снижение концентрации из-за добавленного конденсата нельзя выдавать за такое же снижение массы загрязнителя.

Шинное пиролизное масло: выделение лёгких компонентов

В EP4097194B1 Circtec описан пример масла из измельчённых отработанных шин. Перед противоточной насадочной отпаркой масло центрифугируют: сначала примерно до 1 мас.% твёрдых частиц, затем ниже 0,2 мас.%. Это важно для риска устойчивой эмульсии на углеродных частицах.

Описанный режим: верх ниже 120 °C; давление ниже 0,85 бар абсолютного, предпочтительно ниже 0,5 бар абсолютного, то есть 85 и 50 кПа соответственно. Лёгкий поток с началом кипения не выше 75 °C при атмосферном давлении уходит с паром, конденсируется и отделяется от воды. Внизу остаётся fluxant, тяжёлый компонент для последующего смешения.

В примере для fluxant указаны начало кипения 141 °C, плотность 949 кг/м³ при 15 °C, вспышка 49 °C, стирол 1376 ppm и органический галоген в пересчёте на Cl 14 мг/кг. Это свойства компонента, не сертификат готового топлива.

При его лабораторной разгонке ASTM D86 получено 50 об.% отгона, 49% остатка, 1% потерь. Эти доли не являются выходами отпарной установки на масло или шины. Производительность, расход пара и раздельные выходы её продуктов не раскрыты. Число TAN не переносится: единица в примере требует уточнения. [SS02]

Масло смешанных пластиков: опубликованный расчёт

SABIC в WO2025149439A1 рассматривает удаление летучих хлорсодержащих веществ перед дальнейшей обработкой масла смешанных пластиков. В примере 1 смоделированы три ступени, питание 1250 кг/ч и пар 100 кг/ч; указаны авторские значения liquid temperature 175 °C и vapor temperature 58 °C. Рабочее давление примера не дано, поэтому из этих температур нельзя восстановить полноценный режим.

Модель предсказывает снижение chloride content с 288 до 69 ppm и потерю масла 4%. Это расчёт, а не проведённый промышленный пробег. По этим данным: пар/масло = 0,08 кг/кг, или 80 кг/т; снижение концентрации = 76,04%. Число 76% нельзя автоматически считать извлечением массы хлора при изменяющемся расходе масла.

Предлагаемая схема предусматривает дальнейшие экстракцию, адсорбцию и гидрообработку; не все формы хлора удаляются одним испарением. При использовании пара авторы также предусматривают обработку загрязнённой воды после конденсации. Заявленные диапазоны патента не становятся гарантией для произвольной смеси отходов. [SS03]

Древесный пиролизат: остаток может стать слишком тяжёлым

В лабораторном исследовании SUNTECH для FHWA изучались продукты пиролиза древесных отходов как предшественники дорожных вяжущих. В таблице 22 отдельно обозначены три отпаренных образца D/E/F: температуры размягчения 68/67/64 °C, вязкости при 135 °C — 1700/1600/1450 мПа·с, содержание кислорода — 21,9/19,0/21,2% соответственно.

Это свойства остатков; 135 °C является температурой измерения вязкости. Для этих трёх строк не приведены температура отпарки, абсолютное давление, расход пара и выходы фаз. Исследователи получили твёрдые, малопластичные остатки; снижение доли лёгких компонентов само по себе не обеспечило подходящего вяжущего. Тем более эти результаты не доказывают получение моторного топлива. Исследование историческое, лабораторное; современную производительность по нему не назначают. [SS04]

Биомассовое масло после экстракции: пар может мешать регенерации

В заявке UOP US20240010937A1 рассматривается возврат органического экстрагента из обогащённой органической фазы биомассового пиролизата. Авторы отмечают риск образования двух жидких фаз и загрязнения аппарата при водяной отпарке: гидрофобные вещества могут выпадать из раствора.

Предложенный ими вариант использует пары лёгкого органического растворителя, например спирта, с последующим разделением и возвратом растворителей. Это другой отпаривающий агент, поэтому его результаты нельзя записать как эффективность водяного пара. Практический вывод для такого сырья — сначала проверить фазовую устойчивость при добавлении воды и нагреве, затем выбирать способ возврата экстрагента. Патент даёт обоснование выбора схемы, а не измеренную эксплуатацию паровой колонны на биомасле. [SS05]

Промышленный сток Dow: удаление и чистота верха конфликтуют

Сотрудники Dow описали работу колонны на стоке производства целлюлозных продуктов в Midland. Питание содержало 1000–2500 массовых ppm метанола, обычно 2000 ppm, и около 7000 ppm тяжёлой неотпариваемой органики. Колонна диаметром 5 ft, то есть 1,524 м, работала немного выше атмосферного давления. Пар подавали при 25 psig, около 172 кПа избыточного: это давление подачи, не колонны. Числовые рабочие температуры не опубликованы.

С начала эксплуатации в 2005 году отпарная часть удаляла более 95% метанола. Верхняя укрепляющая секция, однако, периодически захлёбывалась: примесь 1,2-диметоксипропан уходила из воды, но удерживалась ниже верха. После обследования и ремонта в 2006 году допустили 5–10 мас.% воды в дистилляте вместо прежних 3–5%; этого хватило для вывода примеси, и эпизоды прекратились.

Результат показывает цену чрезмерного концентрирования регенерата. Это совмещённая отпарка с ректификацией; приведённые удаления метанола не характеризуют устранение всей органики из воды. Расходы питания, пара и товарный выход растворителя в статье не указаны. [SS06]

Аммиачный сток: коммерческая установка и отдельный продукт

SULTRADE сообщает о поставленной в 2017 году установке для стоков производства нитроцеллюлозы: 2,5–10 м³/ч при исходном аммиаке 300–1600 мг/л. После подщелачивания NaOH поток обрабатывается в насадочной колонне при атмосферном давлении.

Поставщик указывает менее 50 ppm аммиака в нижнем потоке, который затем поступает на существующие очистные сооружения. Верх после конденсации даёт 25 мас.% водный раствор NH₃. Температура, расход пара, pH и массовый выход аммиачной воды не раскрыты; база остаточных ppm на странице не уточнена. Поэтому по крайним значениям разных диапазонов здесь не вычисляется гарантированное извлечение.

Это промышленный пример получения отдельного вторичного продукта одновременно со снижением нагрузки на очистку. Он не подтверждает возможность прямого сброса нижнего потока. [SS07]

Поглотительное масло: регенерируется сам носитель

ZVU Engineering описывает Wash Oil Still для возврата поглотительной способности масла, насыщенного бензольными компонентами коксового газа. Обеднённое масло возвращается в процесс с остатком примерно 0,3 мас.% benzole. Верх — пары воды и бензольной смеси; после охлаждения примерно до 35 °C получают конденсат. Это температура последующего охлаждения, не отпарки.

Компания указывает, что около 95 мас.% полученного benzole приходится на фракцию, выкипающую до 180 °C. Это характеристика сырой смеси, а не 95%-ная чистота индивидуального бензола.

В перечне введённых объектов есть установки на 20–240 м³/ч поглотительного масла; для JSW KOKS / Przyjaźń указаны 240 м³/ч и ввод в октябре 2014 года. Расход циркулирующего масла не является выходом извлечённых ароматических соединений. Давление, температура контакта, паровой расход и полный баланс водной фазы в описании отсутствуют. [SS08]

Реальные отработанные растворители: периодическая регенерация

EPA обследовало коммерческий объект Plant D с прямой паровой обработкой отходов химических, лакокрасочных и других производств. Аппарат объёмом 1900 л имел барботёр и рециркуляцию жидкости; конденсат разделяли, водную часть собирали для повторного извлечения растворителя.

Для партии 3, воды с 1,1,1-трихлорэтаном, загружено 564 л. В таблице B-7 указаны 0,93 ч процесса, температура выходящих паров от 68 до 99 °C и давление подаваемого пара 262–276 кПа избыточного, то есть 38–40 psig. Абсолютное давление аппарата отдельно не сообщено. Расход пара около 272 кг/ч оценён по тепловому балансу, а не непосредственно измерен.

Получены 45 л органического дистиллята, 179 л водного дистиллята и 545 л остатка. Таблица 28 сообщает 18 мас.% VOC в питании, 1,2 мас.% в остатке и 93% удаления. Это данные конкретной партии, не спецификация регенерата. Складывать объёмы как массы нельзя; поступивший пар тоже входит в баланс.

Исторический полевой отчёт подтверждает обработку реального отхода, но описанные тогда способы обращения с остатками не являются современной рекомендацией. [SS10]

Малый пилот: почему расход пара нельзя переносить напрямую

Hassan и Timberlake исследовали разбавленный водный раствор 2-нитропропана в двухдюймовой колонне, рассчитанной на питание около 0,1 US gal/min, примерно 22,7 л/ч. Это пилотные растворы; опыт не представлен как длительная обработка конкретного заводского стока.

Два опыта с насадкой, эквивалентной 20 теоретическим ступеням, дали средние концентрации 1064 мг/л в питании и 0,93 мг/л внизу. Верх достиг примерно 5300 мг/л и не расслаивался; использовали возврат конденсата. При 90–99 °C первоначально требовалось 0,5–1,5 кг пара/кг питания. После устранения тепловых мостов и изоляции от конденсатора расход для поддержания температуры снизился до 0,1 кг/кг. Это нельзя автоматически приписывать отдельному повторно измеренному опыту с тем же остатком 0,93 мг/л.

Давление конкретных двух опытов в описании результатов не задано. Снижение концентрации по средним составляет 99,913%; это концентрационный показатель, не замкнутый массовый баланс. Полученный верх требует дальнейшего разделения для возврата растворителя. [SS09]

Баланс: отделить извлечение от разбавления

Для стационарной границы «колонна» обозначим F — питание, S — прямой пар, O — верх, B — низ, все расходы в кг/ч. Без накопления и дополнительных потоков:

F + S = O + B.

Для компонента A при отсутствии его в свежем паре и химического превращения:

F·wF,A = O·wO,A + B·wB,A.

Извлечение A из низа в верх равно 1 − B·wB,A/(F·wF,A). Выражение 1 − wB,A/wF,A сравнивает только концентрации. Для мг/л необходимо использовать объёмные расходы соответствующих фаз; заменять их одинаковыми допустимо лишь при обоснованном равенстве.

Рассмотрим условный учебный пример. Подаются 1000 кг/ч жидкости, содержащей 10 кг/ч A и 990 кг/ч нелетучего носителя, и 100 кг/ч пара. Зададим извлечение A 90%, отсутствие испарения носителя и выход всего добавленного пара сверху. Тогда O = 109 кг/ч, B = 991 кг/ч, A внизу = 1 кг/ч; концентрация внизу 0,1009 мас.%. Невязка общего баланса: 1000 + 100 − 109 − 991 = 0.

Если 20 кг/ч пара остаётся внизу конденсатом, при том же извлечении получаем O = 89 кг/ч, B = 1011 кг/ч и 0,09891 мас.% A. Извлечение всё ещё 90%; дополнительное снижение концентрации вызвано водой. Сумма внешних выходов остаётся 1100 кг/ч.

Ни один из вариантов не доказывает достижимость заданных 90%: нужны фазовое равновесие и модель контакта. Для разбавленной системы фактор отпарки S* = m·V/L использует согласованные молярные расходы и локальный наклон равновесия y* = m·x. Он не равен массовому отношению пар/питание.

Энергия и подготовка испытания

Для первого условного баланса примем учебные удельные энтальпии с общим нулём: hF = 100, hS = 2800, hO = 2700, hB = 150 кДж/кг. Они служат проверкой метода и не являются свойствами реального стока. При положительном тепле в колонну:

Q = 109×2700 + 991×150 − 1000×100 − 100×2800 = 62 950 кДж/ч = 17,49 кВт.

Следовательно, выбранные расходы и состояния требуют дополнительного тепла. Называть такой набор данных адиабатическим нельзя. Парогенератор, конденсатор и вакуумная система находятся за этой границей; при сравнении установок учитывают и их нагрузки.

Для реального пробега составляют программу контроля: температуры и давления по высоте; расход и состояние пара; перепад давления; составы всех жидких фаз; неконденсируемый газ; накопления и изменения качества во времени. Предварительный подогрев, теплоизоляцию и рекуперацию оценивают в общей энергетической схеме, а не по одному расходомеру.

Что переносимо на новое сырьё

Промышленные водные и масляные случаи показывают разные полезные результаты: удалённый растворитель, аммиачную воду, восстановленный поглотитель. Для пиролизатов нужны дополнительные проверки термической и фазовой устойчивости. Ни название исходного отхода, ни подходящий интервал кипения не заменяют анализа состава.

В изученных источниках не найден отдельный измеренный опыт отпарки жидкой смеси пиролизатов пластика, шин и растительной биомассы. Результаты отдельных видов сырья не складываются в прогноз смешанного питания. Назначать ему универсальный режим или выход на исходный отход по этим данным нельзя.

Для масштабирования нужны испытания реального питания и сведения о контактном устройстве, нагрузках, пене, эмульсиях, отложениях и допустимой потере носителя. Маршруты для органического верха, загрязнённой воды, неконденсируемого газа и отходов очистки определяют до запуска. При горючих, токсичных или коррозионных компонентах проектируют закрытый сбор, контроль выбросов и защиту при отказе охлаждения или росте давления.

Карточка позволяет сопоставить опубликованные результаты, условия их получения и границы применимости. Для переноса на промышленную установку нужны данные конкретного сырья, фазового равновесия, устойчивости процесса и оборудования.

Связанные карточки

Источники и материалы

Источники и точные привязки

Экспериментальные результаты, описания поставщиков и патентные расчёты обозначены раздельно. Карточка не устанавливает действующие разрешительные нормы и не является инструкцией запуска установки.

Предупреждений нет