Alkohole-Domowe.com

Od dłuższego czasu chodzi mi po głowie zamknięcie obiegu cieplnego kolumny, opis pod awaterem zobowiązuje.
Bo przecież całe ciepło dostarczone do kotła zostaje potem oddane w chłodnicy i gdzieś utracone w powietrze, wodę czy inny sposób. Jak ktoś grzeje 3kW to 3kW ciepła idzie w niwecz. Niektórzy wykorzystują to np do grzania domu. Ale nie każdy tak może i nie zawsze się da, np w lato.
Mój pomysł opiera się o pompę ciepła która energię z chłodnicy wepcha z powrotem do kotła pobierając znacznie mniej energii elektrycznej.

Zacznę od obiegu pompy ciepła. Sprężarka S1 spręża gaz który trafia na wymiennik Ex1, o nim później. Czynnik trafia do płaszcza kotła, specjalnie narysowałem 3 sekcje i taki jest zamysł wykonania. Najcieplejsze będzie dno, a górny pierścień najmniej ciepły (nie mogę powiedzieć najchłodniejszy). Skroplony czynnik o temperaturze kotła trafia na wymiennik Ex2 gdzie jest dochładzany do takiej temperatury by wymiennik odebrał tyle energii ile dostarczyła sprężarka do układu. Zimny czynnik trafia na elektroniczny zawór dławiący (EEV), który dozuje czynnik do wymiennika płaszczowo rurowego który robi jako chłodnica. Konstrukcyjnie wygląda jak głowica puszkowa. Z górnej części chłodnicy czynnik jest zasysany przez sprężarkę i obieg się zamyka. Czujniki P i T to pomiar ciśnienia i temperatury do ustawiania przegrzania czynnika.
Jako czynnik planuję użyć R600 albo R600a, zapewnia niskie ciśnienia w płaszczu ale jednocześnie wymusza stosunkowo duże przegrzanie na poziomie 8-10K.

Teraz prawa strona układu. Zacznę od góry bo to najważniejsza część która wyjaśni sporo pytań.
Pompa P5 jest to pompa próżniowa, która na początku pracy ma zrobić w instalacji ciśnienie na poziomie ok 0,1 bara absolutnego czyli -0,9 bara względnego. Po co to? Żeby zmienić warunki w jakich będzie wrzał wsad. Przy takim ciśnieniu woda wrze już w 47°C a etanol w ok 30.
Pompowanie wg założeń powinno odbyć się tylko raz, na początku pracy. Później cały układ będzie wypełniony parami więc nie będzie potrzeby nic odpompowywać. Ciśnienie a co za tym idzie temperaturę wrzenia będzie można regulować przez zmianę mocy chłodniczej w skraplaczu. A to robi się przez regulację przegrzania lub dochładzanie czynnika na Ex2.
To sprawia że płaszcz kotła będzie musiał mieć temperaturę ok 55-60°C a skraplacz jakieś 20-25.
Przy skrajnych parametrach 20 i 60 stopni, z funkcją dochładzania czynnika na wymienniku Ex2 układ pompy ciepła do przetransportowania 4kW ciepła będzie potrzebował ok 0,8kW. Czyli silnik pobiera 0,8kW (plus pompki da ok 1kW) a w kolumnie krąży 4kW.
Zawór V3 wraz z pompką P4 to system odbioru urobku. Pompki P2-4 są to pompki perystaltyczne, no bo jakoś trzeba pokonać tą różnicę ciśnień z zachowaniem przepływów.
Zawór V4 i pompka P3 to układ podawania nastawu do kolumny w trybie pracy ciągłej. Pompka P3 podaje odgazowany nastaw na wymiennik Ex2 gdzie ogrzewa się od wypływającego dundru, potem trafia na wymiennik Ex1 gdzie zostaje dodatkowo podgrzany. Czynnik chłodniczy opuszczający sprężarkę ma najwyższą temperaturę w całym układzie. Gdy trafi do kolumny to co może już odparować to odparuje a reszta spłynie niżej oddając ważną zawartość. A gdy spłynie do kotła to pompka P2 wyśsie to przez wymiennik Ex2 do kanalizacji. Temperatura odpadu powinna być stosunkowo niska, jak w całym układzie.

Całość ma też mieć możliwość pracy w układzie jednorazowej rektyfikacji. Wtedy zawory V4 i V5 są zamknięte, a pompki P2 i P3 są wyłączone.
Jedynie P4 będzie powoli odbierała urobek. Ze względu na znacznie niższe ciśnienie może się okazać że punkt azeotropu się przesunie i finalny produkt będzie miał inne stężenie niż przy pracy z ciśnieniem atmosferycznym.

Zastanawiam się jedynie nad formą półek w kolumnie, czy robić zasyp czy sitowe. Sita byłyby proste w wykonaniu. Zawieszone na centralnej szpilce. Zasyp najłatwiejszy w wykonaniu. Znowu kołpakowe chyba byłyby mniej wrażliwe na osady dostarczone wraz półproduktem.

Jakieś opinie? Sugestie? O tym że jest to średnio opłacalne to ja wiem, koszty materiału i roboty zapewniłyby środki na opłaty za energię na długi czas. Ale tu jest też wyższy cel, czy się da, czy nie ma błędów w rozumowaniu, no i po prostu przyjemność z konstruowania nowych sprzętów.

Projekt zacny, tylko że przy tylu zmiennych może być ciężki do zestrojenia.
Pierwsza rzecz, to duuuże podciśnienie. Masz kogoś, kto przeliczy ci zbiornik i element puszki, by ciśnienie atmosferyczne tego nie zgniotło? O wiele łatwiej wykonać zbiornik na nadciśnienie niż na podciśnienie.
Może zamiast pełnej kolumny rektyfikacyjnej, warto zrobić aparat odpędowy. Takie układy już istnieją w innych gałęziach przemysłu i można się na nich wzorować
Przykłady:
https://vacat.com.pl/wyparki-prozniowe- ... eraturowe/
https://www.veoliawatertechnologies.pl/ ... ies/evaled

Ja rozważałem zrobienie aparatu odpędowego z pompą ciepła wzorowane na rozwiązaniu Vacatu. Drugim, a zarazem efektywniejszym rozwiązaniem nad którym myślę to mechaniczna rekompresja par w celu odzysku energii parowania (ciepło utajone). Liczę się ze stratą ciepła jawnego - wstępnie nastaw byłby ogrzewany grzałkami do okolic temperatury wrzenia.
Jedną z rzeczy, których mi brakuje, to mechaniczny kompresor do pary wodnej.
Schemat ideowy technologi MVR (Mechanical Vapor Recompression):

A dlaczego nie zrobić zbiornika na wodę chłodniczą w zamkniętym obiegu i z tego obiegu pompować ciepło do płaszcza? Różnice temperatur można obejść pompą ciepła dwustopniową z różnymi czynnikami w razie potrzeby. Zobacz sobie na youtube gościa HyperspacePirate - on robi pompy dwustopniowe z pokazanymi wszystkimi wyliczeniami, tam różnice w temperaturach idą w 120-170 stopni.

Pochlastasz się z tą próżnią, a z pomp perystaltycznych pewnie nie wypłuczesz w procesie dobrze przedgonów i mogą zasyfić cały odbiór. Koncept ciekawy i trzymam kciuki, ale moim zdaniem przekombinowany na skraj niepraktyczności z tą próżnią. I piszę to jako osoba, która z próżniową destylacją kombinuje już trochę czasu.

W naszym zastosowaniu problemem jest maksymalna temperatura wychodzącego czynnika, która nie może przekroczyć ok 130 stopni. Następuje degradacja oleju w sprężarce i jej śmierć.
Przytłoczony kanał opiera się na zejściu temperatury w rejony kriogeniczne, które nie są przeszkodą dla olejów.

Pablito pisze: ↑sobota, 21 paź 2023, 22:09. Masz kogoś, kto przeliczy ci zbiornik i element puszki, by ciśnienie atmosferyczne tego nie zgniotło? O wiele łatwiej wykonać zbiornik na nadciśnienie niż na podciśnienie.

No i to jest właśnie jedna z niewiadomych. Od momentu gdy to wymyśliłem szukam jakiegoś użytecznego wzoru na obliczenie zbiornika. Mam sporo książek, przeczytałem mnóstwo artykułów i niestety nie znalazłem. Dlatego zbiornik jest jeszcze w trakcie dokładniejszego projektowania.
Intuicja podparta dozą wiedzy podpowiada mi że płaszcz w którym będzie ok 6 barów powinien na tyle usztywnić ścianki kotła że bez problemu powinien oprzeć się ciśnieniu atmosferycznemu.
Z drugiej strony nie raz już robiłem próżnię na poziomie 100umHg w 18 litrowych bańkach po czynniki chłodniczym gdzie ścianki są z blachy chyba 0,8mm. I to wytrzymało. Więc nawet taki keg (trzeba by znaleźć jak najwęższy i jak najwyższy) z dodatkowym płaszczem też powinien sobie poradzić.
W drugą stronę radzi sobie wyśmienicie, patrz kanał na YT KEGrocket.

Może zamiast pełnej kolumny rektyfikacyjnej, warto zrobić aparat odpędowy. Takie układy już istnieją w innych gałęziach przemysłu i można się na nich wzorować

Dlatego zamysł jest do pracy ciągłej i jednostkowej.
Najpierw odpęd z możliwe największym odbiorem czyli bez refluksu a potem pełny reżim

mechaniczna rekompresja par

Mi taką formą się nie bardzo podoba, bo trzeba mieć sprężarkę która będzie pracowała z parami alkoholu bez użycia środków smarnych. Nie szukałem ale domyślam się że nie będzie to tanie.

A schemat i wymiennik thin film eveporator to już widziałem gdzieś. I to jest jeden z pomysłów na kocioł. Jeśli nie konkretnie taki to nawet sama mechaniczna konstrukcja może pomóc. Czyli np wymiennik płaszczowo rurowy z rurami np 50mm, w ilości 18szt. Wtedy mechanicznie kocioł będzie mocniejszy to i próżnia mu nie zaszkodzi.

tanczacy-z-drozdzami pisze: ↑sobota, 21 paź 2023, 22:17 A dlaczego nie zrobić zbiornika na wodę chłodniczą w zamkniętym obiegu i z tego obiegu pompować ciepło do płaszcza? Różnice temperatur można obejść pompą ciepła dwustopniową z różnymi czynnikami w razie potrzeby.

Bo każda dodatkowa wymiana ciepła wymusza zwiększenie różnicy temperatur. Czyli robi się to większe, sprawność układu maleje i wchodzi się w rejony gdzie jak pisał pablito może dojść do degradacji oleju.

A kanał HiperspacePirate znam i oglądam. I to co on robi to kriogenika trochę inne zakresy temperatur. A różnice temperatur powinno sie podawać w K, i tam nie ma stopni, jest tylko Kelvin
Czyli np ∆T 170 Kelvinów.
Jest polski kanał M4J5TER i on już kilka lat temu skroplił metan na 3 stopniowej kaskadzie.

Ostatnio trafiłem tutaj na forum na motyw z powrotem flegmy z kolumny do kotła za pomocą pompki perystaltycznej. To też dało mi pomysł że kotłem może być jakikolwiek wymiennik z odpowiednim przepływem. Tylko wtedy pozbawiam się funkcji jednorazowej pracy.

Ogólnie to zbyt przekombinowane. Bardziej konstruktywnie:
1. Sprawność nie będzie tak duża. Należy uwzględnić zasilanie wszystkich komponentów systemu oraz zwiększone ciepło parowania w niższym ciśnieniu.
2. Olej z pompy przedostaje się jednak do końcowego produktu. Polecane są pompy suche (z wszystkimi konsekwencjami/wadami).
3. W praktycznych amatorskich konstrukcjach pompy perystaltyczne zastępowane są dwoma zaworami i zbiorniczkiem buforowym (najpierw otwarty jest tylko zawór do instalacji, który po napełnieni zbiorniczka jest zamykany a otwierany zawór do opróżniania).

czytam pisze: ↑wtorek, 24 paź 2023, 15:07 Ogólnie to zbyt przekombinowane. Bardziej konstruktywnie:
1. Sprawność nie będzie tak duża. Należy uwzględnić zasilanie wszystkich komponentów systemu oraz zwiększone ciepło parowania w niższym ciśnieniu.

Fakt. Ciepło przemiany fazowej ciecz-para przy niższej temperaturze i niższym ciśnieniu jest większe.
Ale na szczęście przemiana para-ciecz odda tyle samo energii. Więc jedyny ujemny wpływ to że odbiór powinien być mniejszy niż przy normalnej atmosferycznej kolumnie i 4kW mocy grzewczej.

2. Olej z pompy przedostaje się jednak do końcowego produktu. Polecane są pompy suche (z wszystkimi konsekwencjami/wadami).

@czytam polecam czytać uważnie. Już wzmianka o R600 i R600a powinna dać do myślenia że sprężarka nie pompuje par alkoholu tylko czynnik chłodniczy. Obie substancje się nie mieszają bo są rozdzielone stalową przegrodą.

3. W praktycznych amatorskich konstrukcjach pompy perystaltyczne zastępowane są dwoma zaworami i zbiorniczkiem buforowym (najpierw otwarty jest tylko zawór do instalacji, który po napełnieni zbiorniczka jest zamykany a otwierany zawór do opróżniania).

Żeby ciecz spłynęła do zbiorniczka to w nim musi być takie samo ciśnienie, więc potrzeba jednego zaworu dla cieczy i drugiego dla równowagi ciśnienia.
Żeby odebrać urobek trzeba zamknąć te dwa zawory po czym otworzyć kolejne dwa, jeden do spustu urobku i drugi do wyrównania ciśnienia.
Kolejny krok to zamknięcie tych dwóch zaworów, opróżnienie zbiorniczka z powietrza (wymagana pompa próżniowa) i dopiero znów możemy go napełniać urobkiem z kolumny.
Czy 4 zawory (3 w optymalnych warunkach, z lepszą próżnią w zbiorniczku niż w kolumnie) i pompa próżniowa to prostszy system niż pompka perystaltyczna? To niech każdy sobie sam odpowie.

Ja robiłem dużo destylacji na próżni różnych rzeczy + przez kilka miesięcy pracowałem nad optymalizacja najpierw quasi rektyfikacji w trybie periodycznym, a potem rektyfikacji w trybie ciągłym, to akurat pod wysoka próżnia.

Pod obniżonym ciśnieniem destyluje się wtedy kiedy trzeba. To nie jest dobre rozwiązanie, ale czasami po prostu jedyne, głównie ze względu na to że temperatura wrzenia jest wyższa niż temperatura rozkładu i produkt albo się całkowicie po trasie rozpada, albo mocno zanieczyszcza.
Wyparki rotacyjne służą do odpędzania rozpuszczalnika, interesuje cię to co zostaje w kolbie, nie to co wyleciało.
Pod obniżonym cisnieniem różnica temperatur wrzenia substancji spada. Jeżeli obnizasz ciśnienie to spada ci temperatura wrzenia, w niższej temperaturze różnica prężności par różnych substancji jest mniejsza => pogarsza się rozdział składników. Obrazowo to wygląda tak że masz mieszaninę substancji A i B po 50%. A jest bardziej lotne i jak destylujesz pod ciśnieniem atmosferycznym to w destylacie jest 80% A. Jak destylację robisz pod p=0,5bar to A masz 70%, jak pod p=0.1 to A jest już np. jedynie 55%. Powiem szczerze że nie sprawdzałem dokładnych danych dla układu etanol-woda, ale te krzywe VLE są bardzo blisko siebie.
Dodatkowo wraz z obniżeniem ciśnienia rośnie ci wysokość półki teoretycznej - nie dość że dla uzyskania takiego samego rozdziału potrzebujesz więcej półek, to jeszcze ich wysokość rośnie. W efekcie kolumna powinna być 2-3 krotnie wyższa jeżeli chciałbyś na niej robić rektyfikację i uzyskać ten sam produkt co pod cisniem atmosferycznym.
Koledze czytam chodziło o to że układ do destylacji musi być non stop podłączony pod pompę próżniową, jeżeli w układzie ma panować stała proznia. Membranowe są słabe, a olejowe plują olejem - jak olej w pompie się mocno nagrzeje to zaczyna "mglic" i może przechodzić do układu z którego jest odciagany gaz - ze względu na niskie ciśnienie ruch gazu w stronę pompy nie spycha efektywnie mgły olejowej. To nie jest tak że nie da się tego obejść, dobry olej (drogi) i bardzo dobre pompy (super drogie) maja z tym mniejszy problem + do tego filtr oleju, po trasie akumulator próżni, manostat membranowy i odpowiednie zawory jednodrożne do próżni i wtedy olej nie powinien ci się dostawać do układu. Za głównym skraplaczem do par, przed pompa potrzebujesz jeszcze jednego wymiennika ciepła - wymrazalnika, ja zawsze korzystałem z suchego lodu, ale już -30°C powinno zabezpieczyć pompe. Pompy i oleje nie lubią wilgoci, ani innych rozpuszczalników.

Nie możesz zastosować pompy perystaltycznej do odbierania urobku - widziałem już wiele rzeczy, ale pompy perystaltycznej która jest wstanie wyciągnąć podciśnienie 0,1bar mi umknęła. Pewnie są takie, ale cena cię może zaskoczyć.
Kolega czytam ma rację, jest to stosowane do małej i nawet dużej skali. Fachowo sie to nazywa krówką;), i pojemników do odbioru jest przeważnie kilka. Kiedy jeden się napełnia, drugi jest opróżniany, a trzeci ma zaciągana próżnię. Na małym układzie w zupełności wystarczy ci 1 odbiornik.

W ogóle cały temat próżni wziął się pewnie z tego że ciężko wycisnąć z R600a odpowiednią rozpiętość temperatur. Z tego co ja pracowałem i widziałem to przemysłowe pompy ciepła nie do kriogeniki mają jako czynnik pentan (chyba r601) i na gorącej stronie dobijają do 160°C, byłem prawie pewien że ta na której pracowałem była z Huber, ale jak teraz sprawdzilem to nie mają takich w katalogu, chyba że robiłi na zamówienie.

Sterowanie pompą ciepła, tak aby oddawała stałe ciepło może być pewnym wyzwaniem. W dużym układzie ktory ja widziałem pompa ciepła chłodziła / grzała olej silikonowy i to on był rozprowadzany po układzie.

Żeby nie było. Pomysł z pompą ciepła jest świetny, ale destylacja próżniowa tutaj akurat się nie sprawdzi.

kwzi86 pisze: ↑środa, 25 paź 2023, 01:48 Pod obniżonym cisnieniem różnica temperatur wrzenia substancji spada.

Czy w drugą stronę miałoby to zastosowanie praktyczne przy psoceniu? W wersji najprostszej np. szybkowar na ciśnieniu 2 bar (tyle chyba mają roboczo) - przed chłodnicą zawór rozprężny, który trzyma ciśnienie i puszcza tyle par do chłodnicy ile trzeba.

tanczacy-z-drozdzami pisze: ↑czwartek, 26 paź 2023, 16:35

kwzi86 pisze: ↑środa, 25 paź 2023, 01:48 Pod obniżonym cisnieniem różnica temperatur wrzenia substancji spada.

Czy w drugą stronę miałoby to zastosowanie praktyczne przy psoceniu? W wersji najprostszej np. szybkowar na ciśnieniu 2 bar (tyle chyba mają roboczo) - przed chłodnicą zawór rozprężny, który trzyma ciśnienie i puszcza tyle par do chłodnicy ile trzeba.

Dużo o tym wczoraj myślałem, i nie mam na to jednoznacznej odpowiedzi. Hipotetycznie to tak, ale nie jestem w stanie stwierdzić czy różnica byłaby zauważalna, ani czy nie byłoby różnicy w zaleźności od składu wsadu.

Moje Gogglejitsu ostatnio trochę siadło i nie znalazłem danych empirycznych z odpowiedniego zakresu ciśnień, a modele matematyczne które znalazłem na necie to porażka - po podstawieniu danych empirycznych rozbieżność pomiędzy modelem a danymi literaturowymi sięgają 10K jeżeli chodzi o t.w. a różnica w %etanolu w parze sięgają od 40 do 300%, pomiędzy tym co mówi pomiar, a tym co przewiduje model. Także tego.

Widziałem projekty aparatury pracującej przy 2 atmosferach, temperatura oczywiście wyższa. I miało to dawać niemal 100% etanol.

Mam podejrzenie, że po części ten efekt występuje w kolumnach rektyfikacyjnych - jednak zasyp stawia pewien opór przepływu. No nic, będzie okazja to się sprawdzi w praktyce