组合型蒸发/吹脱吸收模块的制作方法

技术领域

本发明大体涉及流体分离的领域。

背景技术：

在流体分离的领域中，已知利用例如LiBr的卤水用于加工蒸汽和由此产生的热量的吸收。同样已知利用泵来驱动载热流体环绕热交换电路以将由吸收器产生的热量传递至蒸发器或锅炉以产生所述的加工蒸汽。

技术实现要素：

用于将液体混合物流通过蒸发分离为蒸汽流和液体的耗尽流的方法构成了本发明的一个方面。所述的方法包括：蒸发步骤，其中蒸发所述液体混合物流的一部分以产生所述的蒸汽流和所述的液体的耗尽流；吸收步骤，其中(i)所述的蒸汽流被引入适于从所述的蒸汽中放热吸收一种或多种组分的卤水流中和(ii)排出热量以至少产生热流和富含所述的一种或多种组分的卤水流；以及传热步骤，其中在所述的吸收步骤中的排出热量被转移以驱动所述的蒸发步骤中的蒸发。驱动蒸发的传热与工作液体的从气态至液态的相变有关。所述的吸收步骤中的排出热量涉及工作液体的从液态至气态的相变。在液态，工作液体仅仅通过重力，对流和毛细作用中的一种或多种发生流动。

在气态，工作液体仅仅通过扩散和对流中的一种或多种发生流动。

设备构成了本发明的另一个方面。所述的设备用于将液体混合物流通过蒸发分离为蒸汽流和液体的耗尽流。所述的设备包括这样的结构，所述的结构在使用时：

·限定第一体积，在此所述的液体混合物被接收并被分离为所述的蒸汽流和所述的液体的耗尽流；

·限定第一液体通道，通过所述的第一液体通道从所述的第一体积排出所述的耗尽流；

·限定蒸汽通道，通过所述的蒸汽通道从所述的第一体积排出所述的蒸汽流；

·限定第二体积，蒸汽通道通向所述的第二体积；

·包括至少部分被设置于第二体积中的传热设备和传质设备，所述的传热设备和传质设备：(i)接收适于从所述的蒸汽中放热吸收一种或多种组分的卤水流；(ii)将所述的卤水流引入所述的蒸汽；和(iii)从第二体积排出热量以至少产生热流和富含所述的一种或多种组分的卤水流；

·限定第二液体通道，通过所述的第二液体通道从所述的第二体积排出富含所述的一种或多种组分的卤水流；以及

·包括用于将热流传递至所述的第一体积以提供所述的分离的热运动设备。

在所述的设备中，使用时，进入所述的第一体积的传热与工作液体的从气态至液态的相变有关；从所述的第二体积的排出热量涉及工作液体的从液态至气态的相变；在液态，工作液体仅仅通过重力，对流和毛细作用中的一种或多种发生流动；并且在气态，工作液体仅仅通过扩散和对流中的一种或多种发生流动。

根据本发明的另一个方面，热运动设备以及部分传热设备和传质设备能够通过一个或多个热管进行限定，所述的一个或多个热管中的每一个具有被设置于第二体积中的热接收部件和被设置于第一体积中的热传递部件以提供所述的传热。

根据本发明的另一个方面，一个或多个热管可以被堆叠使得设置于第一体积中的部分热管在运行中作为填充蒸发柱并且设置于第二体积中的部分热管在运行中作为填充吸收柱。

根据本发明的另一个方面，使用时，从第一体积排出的蒸汽可以与进入第一体积的液体混合物基本蒸汽-液体平衡。

根据本发明的另一个方面，使用时，从第一体积排出的液体的耗尽流的温度可以低于进入第一体积的液体混合物的温度。

根据本发明的另一个方面，使用时，第一体积中的压力和进入第一体积的液体混合物的温度可以使得传递进入第一体积的全部热量实现液体混合物的蒸发。

根据本发明的另一个方面：所述的结构可以进一步限定从第二体积引出的通风孔；并且使用时，至少大部分蒸汽可以在第二体积中被吸收，并通过所述的通风孔从所述的第二体积排出剩余蒸汽。

根据本发明的另一个方面，所述的设备可以进一步包括用于接收由所述的传热设备和传质设备产生的卤水流的解吸附设备并产生：适于从所述的蒸汽中放热吸收所述的一种或多种组分的卤水流；以及产品流。

根据本发明的另一个方面，所述的设备可以进一步包括：二级吸收器，使用时：(i)接收剩余蒸汽；和(ii)将剩余蒸汽引入适于放热吸收一种或多种组分的二次卤水流以产生稀释的卤水。

根据本发明的另一个方面，解吸附设备可以进一步接收所述的稀释的卤水并进一步产生二次卤水流。

根据本发明的另一个方面，使用时：同大气压相比，第一体积和第二体积中的压力可以被减小；至少大量蒸汽可以在第二体积中被吸收；并且真空泵可以提供至少要被从所述的设备中排出的非冷凝性的蒸汽。

根据本发明的另一个方面，第一体积可以通过一个或多个第一空间限定并且第二体积可以通过一个或多个第二空间限定。

根据本发明的另一个方面，一个或多个第一空间中的每一个和一个或多个第二空间中的每一个可以通过各自的容器限定；并且管道可以限定所述的蒸汽通道。

根据本发明的另一个方面，所述的一个或多个第一空间中的每一个和所述的一个或多个第二空间中的每一个可以被限定在容器中。

根据本发明的另一个方面，所述容器外部的管道可以限定蒸汽通道。

根据本发明的另一个方面：所述的容器可以通过隔离壁划分以限定一个或多个第一空间以及一个或多个第二空间；在所述隔离壁上限定的一个或多个孔可以限定蒸汽通道。

所述的设备可以构成生物产品生产设施的一部分，其构成本发明的一个方面。除了所述的设备之外，所述的设施包括设置，其中，使用时，在所述的设置中连续进行发酵液的分解代谢。连接至所述的设置的设备以：连续排出发酵液流；从排出的发酵液中去除代谢抑制剂以产生含有抑制剂的流和剩余物流；并将所述的剩余物流返回至所述的设置。

根据本发明的另一个方面，所述的分解代谢可以是发酵并且所述的抑制剂可以是酒精。

根据本发明的另一个方面，所述的含有抑制剂的流可以具有高于发酵液中含有的抑制剂的浓度。

根据本发明的另一个方面，使用时，发酵液的污水排出流可以被排出以避免毒素积聚；所述的污水排出流可以分批被发酵；并且所述的设施可以进一步包括用于接收一批发酵产品的设备并产生(i)乙醇已经被基本去除的酒糟流以及(ii)被送入所述解吸附设备并被分离的富含乙醇的卤水。

根据本发明的另一个方面，使用时：从所述设置中排出的发酵液可以具有大约28-32℃的温度和大约4-10％的乙醇浓度；剩余物流可以具有低于排出流大约2-4℃的温度并具有低于排出流大约2-6％的乙醇浓度；并且第一体积中的压力可以是大约30-100托。

根据本发明的另一个方面，使用时：从所述设置中排出的发酵液可以具有大约30℃的温度和大约7％的乙醇浓度；剩余物流可以具有大约28℃的温度并具有大约2％的乙醇浓度；并且第一体积中的压力可以是大约30托。

根据本发明的另一个方面，热管可以相对于公共轴线平行排列并且所述的结构可以适于相对于所述的公共轴线垂直定向的水平轴线枢轴运动。

根据本发明的另一个方面，本发明的设备构成了包括设置的生物产品生产设施的一部分，其中，使用时，在所述设置中分批进行发酵液的分解代谢。在这一设施中，设备被连接至设置中：排出发酵液流；从排出的发酵液流中去除代谢抑制剂以产生含有抑制剂的流和剩余物流；并将剩余物流返回至所述的设置。

随着考虑下列的详细的说明书和所附的附图，本发明的其它优点，特点和特征将变得更加清楚，下面将简要地描述，应该理解在全部附图中，相同的标号表示相同的结构。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的吹脱/吸收模块的示意图；

图2是图1的模块在示例性使用时的示意图；

图3是类似于图2的，图1的结构在另一种示例性使用时的示意图；

图4是显示图1的结构的另一种示例性使用时的另一种示意图；

图5是使用根据图1的两种模块的乙醇生产设施的示意图；

图6是图5的乙醇生产设施与图4结构的简化图结合的简化示意图；

图7是图1模块的另一个实施例的示意图；

图8是图1模块的又一个实施例的示意图；和

图9是图1模块的又一个实施例的剖视图。

具体实施例

以示意方式在图1中显示了吹脱/吸收模块(SAM)被指定为标号20。

这一模块包括：容器21，一对隔离壁22，24，多个热管26以及一对分配器28，30。

容器21是坚固耐用的容器适于例如30托的减压运行。

一对隔离壁包括第一隔离壁22和第二隔离壁24。第一隔离壁22从容器底部向上延伸并终止于容器顶部的下方。第二隔离壁24与第一隔离壁以隔开的关系设置，其从容器顶部向下延伸并终止于容器底部的上方。通过这种设置，第一空间32和第二空间34被限定于容器的内部，它们通过隔离壁22，24之间的距离限定的管道35彼此连接。

容器通过多个端口36-44加强，较低的端口36，38位于每个空间的底部，较高的端口40，42接近每个空间的顶部并且一个最高的端口44最接近第二空间34的顶部。

多个热管26从第一空间32延伸至第二空间34并且用于从第二空间34向第一空间32传递热量。热管26是现有的结构并且因此在此不详细说明了。

一对分配器28，30从第一空间32和第二空间34的较高的端口40，42延伸并适于湿润热管26。

由此，应该理解所示的SAM的主要功能特点是：

·第一空间32；

·第二空间34；

·连接第一空间和第二空间的管道35；

·较低的端口36，38；

·较高的端口40，42；

·最高的端口44；

·热管26；和

·分配器28，30

用于将液体混合流通过蒸发分离为蒸汽流和液体的耗尽流的示例性分离器设备的示例性实施例的图2显示了使用时这些主要的功能特点运行的方式。

在此，可以看到模块20与二级吸收器46和解吸附设备48一起显示。

首先参看模块20，应该理解的是第一空间32构成了第一体积。这是液体混合流被接收并部分被蒸发为上述的蒸汽流和液体的耗尽流的地点。蒸发进行的方式将在下面关于热管的说明中进行描述。

第一体积的底部的较低的端口42限定了第一液体通道，通过所述的通道从第一体积32排出所述的液体的耗尽流。

管道35限定了蒸汽通道，通过所述的通道从第一体积32排出所述的蒸汽流。

第二空间34限定了第二体积，蒸汽通道35通向所述的第二体积。

最高的端口44限定了通风孔。

分配器28，30和热管26一起限定了传热设备和传质设备以及热运动设备。传热设备和传质设备：(i)接收适于从蒸汽中放热吸收一种或多种组分的卤水流；(ii)将卤水流引入蒸汽(即卤水被喷射或滴下进入热管26上方的第二体积34)；和(iii)从第二体积排出热量以至少产生热流和富含一种或多种组分的卤水流。热运动设备将热流传递至第一体积32以提供所述的分离，并且因此热管26的每一个具有设置于第二体积中的热接收部件和被设置于第一体积中的热传递部件。

卤水可以是例如具有40％至70％，优选45％至65％的溴化锂质量浓度的LiBr溶液。但是，本领域中已知的任何吸收剂流体将是适合的。

位于第二体积34的底部的较低的端口38限定了第二液体通道，通过所述的通道从第二体积34排出富含一种或多种组分的卤水流。

由于热管的使用，应该理解的是：进入第一体积的传热与工作液体的从气态至液态的相变有关，在这个例子中，工作液体是水；从第二体积的排出热量涉及从液态至气态的工作液体的蒸发；在液态，工作液体仅仅通过重力和毛细作用中的一种或多种发生流动；并且在气态，工作液体仅仅通过扩散和对流中的一种或多种发生流动。除了水之外，根据应用，可以使用的工作液体可以是氨水和商业制冷剂流体，但这只是两个例子。工作液体的选择是本领域的技术人员的常规选择并因此在此不进行说明。

热管26被堆叠使得设置于第一体积32中的部分热管在运行中作为填充蒸发柱并且设置于第二体积34中的部分热管在运行中作为填充吸收柱。

因此：

·从第一体积32排出的蒸汽可以与进入第一体积32的液体混合物基本蒸汽-液体平衡；

·至少大部分蒸汽可以在第二体积34被吸收，通过通风孔44从所述的第二体积排出剩余蒸汽。

二级吸收器46：(i)接收剩余蒸汽，即，部分在SAM中未被吸收的；和(ii)将剩余蒸汽引入适于放热吸收一种或多种组分的二次卤水流。这产生了稀释的卤水并且还产生了包括不能吸收的气体和任何不能被吸收的可吸收物的气体流，后者沿着箭头50从二级吸收器中被排出。

解吸附设备48，即锅炉或蒸馏设备，其接收由传热设备和传质设备产生的卤水流和由二级吸收器46产生的稀释的卤水并产生：

·适于从蒸汽中放热吸收一种或多种组分的卤水流52；和二次卤水流54；以及

·产品流56。

图3显示了图2结构的变体，用于同大气压相比，在第一体积和第二体积中压力减少的情况。在这种应用中，至少大量的富集蒸汽可以在第二体积中被吸收并且真空泵58可以提供要被从所述的设备中排出的非冷凝性的和任何不被吸收的冷凝气体。

现在参看图4，同样将被理解的是图4显示了可以用于浓缩苹果汁的工厂的示意图的形式。这个工厂基本类似于图3的结构，即其中它包括SAM20，二级吸收器46和真空泵58，但是解吸附设备48具有两级解吸附器[由于这一应用的目的不是为了分馏混合液体而仅仅是为了浓缩果汁]，所以不是蒸馏装置。所述的两级解吸附器包括多个节能器60以有利地将热量在所述的方法的各个部件之间传递，例如在一对锅炉62和多个泵64之间传递。根据这个系统的运行进行预测，数值在下表1中列出。

表1

通过流12被送入的预测的能量输入(以125psi蒸汽的形式)是557Btu/lb的蒸发水。这一对照利于简化蒸发效率[大约1000Btu/lb]。同时，在看到示意图时本领域的技术人员将明显预计出构造和运行工厂是相对便宜的。

现在参看图5，同样将理解的是图5显示了构成乙醇生产设施的示意图并且可以看到所述的设施包括：

·玉米研磨设施66，烹制/液化设施68和糖化设施70；这些设施基本全部是现有的，在此它们接收玉米并由此产生适于发酵的原料；

·酵母调节设施72，用于产生水，酶和酵母流；

·连续搅拌釜反应器(CSTR)76：原料，水等被送入所述的反应器，在此进行连续发酵并且污水排出流135从此被排出；

·连接至CSTR的SAM设备20以：连续排出发酵液流，优选从排出液中去除酒精以产生富含酒精(卤水)流104和剩余物流131；并将剩余物流131返回至CSTR76；

·批次罐78，它批次接收并发酵污水排出流135

·被连接的第二SAM设备20以从批次罐78接收产品并产生(i)乙醇已经被基本去除的酒糟流以及(ii)富含乙醇的卤水

·酒糟处理器79

·二级吸收器46，它用于吸收不能通过SAM设备20吸收的剩余物；

·通气洗涤器74，它用于在将非冷凝性气体通过流142排出至大气之前从其它的批次罐78和二级吸收器46中提取微量酒精并将酒精转移回到烹制设施68

·设置三个解吸附器84，82，80以产生三级解吸附器以再生卤水，产生浓缩的乙醇流；并产生循环水流；

·冷凝器90和接收器92，它们用于将循环水流冷凝并将它返回至玉米研磨设施68；

·精馏器/脱水设施86；

·节能器60和泵64，它们用于在各个元件之间传递流动；和

·乙醇产品储存设施88。

对于各个流的预测的运行条件在表2中显示。

考虑了这些流和示意图，本领域的技术人员将容易地理解设备的运行。因此，为了简单，不需要也不提供逐项地详细说明。

但是，对于下列内容表2是值得注意的：

·送入精馏器86的产品流的浓度适于现有的全蒸发或分子筛技术的加工；

·计算暗示高质量的热量要求，即对于高压解吸附器84，燃料产生的热量是4，717btu/加仑的乙醇产生的[最多是精馏器86]；这利于对照常见的乙醇生产设施，其中达到精馏的热量要求可以高达18,000btu/加仑。

·从CSTR76排出的发酵液具有大约30℃的温度并且剩余的发酵液具有大约28℃的温度；这种设置是有利的，其中发酵液的温度决不会升高至对活酵母有害的大约30℃的温度以上[或过冷的温度]。

同样，本领域的技术人员将明显预计构造所述的设施是相对便宜的。

不受理论的限定，据信有利的能源和构造成本的要求部分来自：

·第一体积32中的压力和进入第一体积32的混合液体的温度使得全部的热量传递至引起混合液体蒸发的第一体积32中；

·剩余的发酵液具有低于排出的发酵液的温度，因此减少了CSTR的冷却负荷；

·多效解吸附的使用；和

·与蒸发有关的相对适度的制冷负荷[在非常寒冷的地区，冷却水不丰富，即像通常的情况必须通过机械手段提供]

图6显示了图5结构的简化变体，它利用根据本发明的SAM用于酒糟加工的有利方法的进一步详细描述。

简要地，CSTR76接收原料96并产生被送入SAM设备20的浓啤酒98。淡啤酒100从这个SAM返回至CSTR76。污水排出流104通过批次罐78。来自批次罐78的浓啤酒102被送入它自己的SAM20中。来自批次罐78的酒糟108被离心110以产生湿滤饼112和稀酒糟114，后者被送入另一个SAM20以产生糖浆116，糖浆116与滤饼112在DDGS干燥器118中被干燥。由每个SMA产生的稀释的卤水120被送入用于再生的蒸馏炉94。虽然蒸馏炉94显示了全部稀释的卤水的汇合，应该理解的是蒸馏炉94设备可以具有两个顺序，由此保持单独的相对较高浓度乙醇的卤水流和相对没有乙醇的卤水流。

根据前述预计的例子预测的实用性已经用试验方法进行了证明。

试验结果

二十个热管，每个长度7.0”且直径0.25”，以一个在另一个上面的方式进行水平安装以形成大约10.0”高度的排列。这一组装被夹在丙烯酸的透明薄片之间。两个单独的，平行的室[蒸发室和吸收室]在薄片之间形成，热管通过两个室。使用0.5”ID的软管将蒸发室的顶部与吸收室的底部连接。每个室的顶部设置原液分配器。在每个室的顶部，设有排出至大气的2L的瓶子并且瓶子通过流量控制阀被连接至室的液体分配器。在每个室的底部，设置液体排出口，所述的排出口被连接至收集瓶。吸收室顶部的通风孔被连接至具有两道防线的标准试验室真空泵以防止水和乙醇蒸汽从中排出。

第一道防线措施是包括部分填充有浓的冷却的LiBr溶液的瓶子的二级吸收器。进入真空泵的途中的气体通过瓶子中的溶液强迫起泡，吹脱它们的可吸收组分。第二道防线是液氮冷阱。

制定两组试验。在每一组试验中，在起泡罐和连接有吸收器的瓶子中提供卤水的测定量并在连接有蒸发器的瓶子中提供啤酒的测定量；打开流量控制阀；并且随着液体经过所述的单元进行温度和压力测定。当一个或两个原料瓶子已经被排空时停止读数。

表3-试验1

这一试验证实了SAM可以优先从乙醇-水混合物中去除乙醇并同时冷却乙醇水混合物。同时指出二级吸收器在从真空顺序中去除剩余的水和乙醇蒸汽是有用的方式。在这一试验中的所述的设备的传热系统被计算出是33BTU/hr/ft²/°F。

表4-试验2

这一试验同样证实了SAM设备可以优先从乙醇-水混合物中去除乙醇并同时冷却乙醇水混合物。在这一试验中的所述的设备的传热系数被计算出是70BTU/hr/ft²/°F。由于在试验设备中液体分配系统剩下未湿润的大量热管表面积，这一性能被认为是相对有利的。更加彻底的液体分配可能是预期的，以符合商业系统公布值的系数，其通常超过150BTU/hr/ft²/°F。

虽然图1显示了SAM的示意图，但是显然本领域的技术人员将可以进行各种变化。

图7显示了一种这样的可能性，即，这样一种设置，其中热管26与公共轴线X-X平行排列并且所述的结构适于相对于所述的公共轴线垂直定向的水平轴线Y-Y枢轴运动。预计这种设置可以用于热管的热传递部件中的液体的定期快速清除。

图8显示了另一种可能性，其中第一体积32由一个或多个第一空间32A限定，第二体积34由一个或多个第二空间34A限定，一个或多个第一空间32A的每一个和一个或多个第二空间34A的每一个由各自的容器130限定；并且管道132限定了蒸汽通道36。预计这一实施例在减少构造成本以及传热效率[较短的热管通常是较佳的]方面可能具有一些有效性。离散的容器使得它可以在吸收和蒸发操作之间产生大量的压差和相当大的温差。较大的温差通过热管将形成较大的传热；这可能在资金成本，即较少的热管和较小的容器的方面具有优势。

但是，应该理解的是，通过在蒸汽通道中插入例如泵或风扇，甚至在图1示意性所示类型的SAM装置中可以产生较小的压差。

图9显示了SAM结构的另一种可能性，其中容器21由水平定向的圆柱形容器限定，蒸汽通道35[由箭头A所示]由外部管道(未示出)限定并且第一体积32和第二体积34通过垂直的分叉壁(bifurcating wall)140相互分开。所述的壁由上部脊部142和下部脊部144限定，上部脊部142和下部脊部144从容器21的管状壁向内延伸。橡胶薄片148横跨上部脊部142和下部脊部144之间并被夹在钢板146和150之间，钢板146和150由上部腹板156和下部腹板(web)152相互保护。橡胶薄片148被穿出多个孔以使得热管26基本以密封方式通过其中；钢板146，150具有较大直径的相应的孔，以使得热管自由通过。不受理论的限定，从相对低的构造成本的观点以及维护方面的简单性来说这一设置被认为是有利的；对于维护，操作者仅仅需要去除容器的一端，并将全部热管组件水平滑出。如果需要，同样可以使用各种轴承或辊子(未示出)以进一步简化构造。此外，虽然示出了单独的分叉壁，容器可以由两个壁分割，每个具有在其中形成的热管以产生具有与图8所示类似功能性的结构。在这种两个壁的实施例中(未示出)，热管可以具有角度，使得液滴流可以在室中来回传递。

此外，根据图4和图5在说明书中描述了特定的操作条件，可以理解的是大量的变化是可能的。

例如，在上下文的乙醇生产设施中，其中在连续发酵中保持酵母的生存能力，预计至少下列范围具有实用性：

·从发酵设置中排出的发酵液可以具有大约28-32℃的温度和大约4-10％的乙醇浓度；

·剩余物流可以具有低于排出的发酵液大约2-4℃的温度并具有低于排出的发酵液大约2-4％的乙醇浓度；并且

·第一体积中的压力可以是大约30-100托。

同样，虽然图5的结构显示了对于乙醇生产的有效性，本领域的技术人员容易地认识到所述的结构可以容易地被修改用于处理其它分离，明显不限于丁醇和甲醇。事实上，图5的通用结构对于具有能够通过吸收去除的代谢抑制剂的分解代谢反应可能是有用的。此外，虽然本说明书涉及连续生产，应该理解的是这不是严格需要的。在批次乙醇操作中，发酵液可以从批次罐中排出同时进行发酵并通过SAM装置以排出乙醇。从批次中去除乙醇将减少酵母的应力并缩短循环时间并增加产量。同样，虽然在上下文的乙醇和LiBr卤水中，热力学使得乙醇优先被排出，即在比体积稍高的浓度下，这对有效性不是严格需要的。在水系统的上下文中，例如水和其它组分被排出，这种时机，水比其它组分被优先去除是可接受的，并且添加补给水以平衡流动。进一步关心的，应该理解在这一说明书和所附的权利要求中，‘液体混合物’意思是与另一种材料混合在一起的液体；另一种材料可以是液体，例如乙醇，但这不是必须的，例如苹果汁浓缩器的例子中可以看出。

此外，虽然二级吸收器与SAM装置串联显示，应该意识到这不是必须的。二级吸收器可以平行设置或在其它情况下可以被完全省略。

此外，虽然示意性显示的分配器为穿孔的管道，但是应该理解的是可以使用例如用于填充柱中的喷雾器或分配盘。根据反应器的几何形状选用的分配器的特定形式将改变并且对于本领域的技术人员来说这是常规选择。

本领域的技术人员将容易地意识到上述的其它变化。因此，本发明应该被理解为不是仅仅由所附的权利要求所有意的限定的。