НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ УСТАНОВКА ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ВЯЗКИХ ТЕХНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Полезная модель относится к оборудованию для приготовления горячей асфальтобетонной смеси, а также для производства кровельных материалов, гидроизоляционных и антикоразийных покрытий на гудронной или битумной основе.
Известен битумоплавильный агрегат непрерывного действия Д-506 [Е.Н. Дубровин и др. Проектирование производственных предприятий дорожного строительства. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1975, 351с., стр.105], предназначенный для выпаривания влаги из битума. Он состоит из котла, оборудованного жаровыми трубами, двумя насосами для выпаривания влаги из битума и пароотделителя.
Недостатками данного агрегата являются:
- обезвоживание осуществляется при высокой температуре и протекает достаточно длительное время;
- теплоносителем для обезвоживания битума, поступающего из битумохранилища с температурой от 80°С до 90°С в теплообменник, является также битум предварительно обезвоженный и нагретый в собственно котле до температуры от 200°С до 220°С;
- наличие в агрегате жаровых труб с температурой поверхности, достигающей от 500°С до 600°С, что приводит к сильному перегреву битума, потере его основных свойств и его коксованию;
- наличие испарительной камеры с лотками, где битум с высокой температурой при многократной циркуляции протекает тонким слоем, что приводит к его окислению.
Вышеприведенные недостатки создают при обезвоживании условия для активного выделения из битума легких фракций (масел), перехода смолы в асфальтены, что существенно ухудшает его качество, а также значительно ухудшает экологическую обстановку вблизи агрегата.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип является низкотемпературная установка обезвоживания битума с использованием СВЧ энергии [Заявка на изобретение №2001112457 от 04.05.2001 г. Низкотемпературная установка обезвоживания битума с использованием СВЧ энергии].
Низкотемпературная установка обезвоживания битума с использованием СВЧ энергии, содержащая последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума, испарительную камеру в виде лотка с переменным углом наклона к горизонтальной плоскости, выходной патрубок битума. Она снабжена патрубком горячего воздуха с калорифером, выходным патрубком горячего воздуха с воздушным фильтром, дополнительными регуляторами потока битума, и дополнительными лотками, последовательно соединенными с основным, с образованием четного количества прямоугольных, в поперечном сечении, лотков с переменными углами наклона к горизонтальной плоскости, причем у всех нечетных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 5-10°, днища их выполнены радиопрозрачными и под ними установлены СВЧ генераторы, а у всех четных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 25-30° и над их днищами установлены электронагревательные элементы, причем дополнительные регуляторы потока битума установлены на выходе нечетных лотков, при этом нижняя выходная часть последнего лотка присоединена к выходному патрубку битума, выполненному с СВЧ затвором, а верхняя его часть через входной патрубок горячего воздуха соединена с калорифером, причем к верхней выходной части первого лотка подсоединен выходной патрубок горячего воздуха с воздушным фильтром, а последовательно соединенные приемный бак, кран, регулятор потока битума, входной патрубок битума подсоединены к нижней входной части первого лотка.
Эта установка хорошо зарекомендовала себя при обезвоживании битума с низким содержанием воды 3-5%. Однако, при содержании влаги более 15% резко увеличивается удельный расход энергии на литр испаренной влаги, особенно это заметно при обезвоживании гудрона и мазута содержание влаги в котором достигает 15-20%. Для подачи подогретой водно-гудронной смеси в установку по обезвоживанию используются
центробежные насосы. При прокачке через насос этой смеси образуется устойчивая мелкодисперсионная эмульсия (вода в гудроне). Так как скорость всплытия водопаровых шариков прямо пропорциональна размеру шарика и обратно пропорциональна плотности шарика и вязкости среды (согласно формуле Стокса) [Гл. редактор И.П. Голямина. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979, 400с., стр.267], а вязкость среды (гудрон, битум) очень высокая, то мелкие водопаровые шарики не всплывают, а следовательно и не испаряется находящаяся в них вода. Для всплытия мелкого водопарового шарика необходимо снизить его плотность за счет нагрева и уменьшить вязкость среды для чего требуется дополнительная энергия, что приводит к резкому увеличению стоимости обезвоживания и ухудшению качества обезвоживаемого сырья за счет избыточно высокой температуры выпаривания (выгорание и выпаривание легких фракций).
Целью создания полезной модели является создание низкотемпературной установки обезвоживания вязких технических жидкостей с использованием электрофизических методов, позволяющей получить высококачественный обезвоженный продукт, при высоком содержании влаги в исходном продукте, при снижении энергозатрат на обезвоживание, улучшение качества конечной продукции, расширение номенклатуры обезвоживаемого продукта.
Поставленная цель достигается тем, что в известную низкотемпературную установку обезвоживания битума с использованием СВЧ энергии по заявке №2001112457, содержащую приемный бак, кран, входной патрубок, регулятор потока продукта, выходной воздуховод с воздушным фильтром, СВЧ нагреватель выполненный в виде прямоугольного в поперечном сечении лотка с переменным углом наклона к горизонтальной плоскости с радиопрозрачным дном с установленными под ним СВЧ излучателем, а на выходе - регулятором уровня продукта в СВЧ нагревателе, последовательно соединенный с СВЧ нагревателем с аналогичным ему сечением, с переменным углом наклона к горизонтальной плоскости модуль активации испарения с электротепловыми нагревателями, при любом количестве пар СВЧ нагреватель - модуль активации испарения, последовательно соединенные вентилятор, калорифер и выходной модуль, подключенный к последнему лотку в нижней части выходным патрубком, а верхней частью к калориферу, дополнительно между первым лотком СВЧ нагревателя и выходным воздуховодом с фильтром, а также последовательно соединенными входным патрубком, краном, приемным баком с поплавковым регулятором уровня и регулятором потока продукта на его выходе установлен деэмульгирующий модуль в виде прямоугольного в поперечном сечении лотка с переменным углом наклона к
горизонтальной плоскости, вибрирующий поддон которого и вибрирующее ступенчатое дно модуля активации испарения выполнено в виде гибко закрепленного вибрирующего ступенчатого дна, соединенного с регулируемым источником акустических колебаний, причем под вибрирующим поддоном деэмульгирующего модуля и вибрирующим ступенчатым дном модуля активации испарения установлены электротепловые нагреватели, длина модуля активации испарения в два раза больше длины деэмульгирующего модуля, угол наклона к горизонтальной плоскости СВЧ нагревателя составляет 3-5°, модулей деэмульгирования и активации испарения составляет 20-25°, угол наклона регулируется с помощью регулятора угла наклона на раме установки, на которой закреплены все модули и узлы.
2
Перед первым СВЧ нагревателем установлен модуль деэмульгирования (коагулирование мелких водопаровых шариков в более крупные) [Гл. редактор И.П.Голямина. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979, 400 с., стр.118, 161. И.А.Рогов, А.В.Горбатов. Физические методы обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1974, 584 с., стр.509, 513.] с использованием акустических колебаний. Под влиянием акустических колебаний мелкие пузырьки вовлекаются в колебательное движение, что приводит к их быстрому сближению и в результате гидродинамического воздействия происходит слияние (коагуляция) мелких пузырьков в более крупные. При воздействии акустических колебаний на смесь из взаимно-нерастворимых жидкостей одновременно с коагуляцией происходит и диспергирование (эмульгирование) [Гл. редактор И.П.Голямина. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979, 400 с., стр.118, 265. И.А.Рогов, А.В.Горбатов. Физические методы обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1974, 584 с., стр.509, 513.]. Окончательный результат зависит как от параметров акустических колебаний, так и от физических свойств обрабатьюаемого продукта. Интенсивность акустических колебаний для преобладания процесса коагуляции лежит в пределах 0,1-0,15 Вт/см [И.А.Рогов, А.В.Горбатов. Физические методы обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1974, 584 с., стр.508.], а для преобладания процесса эмульгирования в среде масло-вода необходима интенсивность акустического поля от долей ватт до нескольких ватт [Гл. редактор И.П.Голямина. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979, 400 с., стр.394.] в зависимости от физического состояния среды (вязкость, температура, соотношения компонентов).
Для облегчения выхода паровых пузырьков из вязкой среды после СВЧ камеры установлен акустический дегазатор [Гл. редактор И.П.Голямина. Ультразвук. Маленькая
энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979, 400 с., стр.101.] -модуль активации испарения. Под влиянием акустических колебаний уменьшается структурная вязкость раствора [И.А.Рогов, А.В.Горбатов. Физические методы обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1974, 584 с., стр.507.], что облегчает выход паровых пузырьков. Кроме этого под влиянием пондомоторных сил возникают акустические течения [Гл. редактор И.П.Голямина. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979, 400 с., стр.265.] и пузырьки сливаются в более крупные у которых подъемная сила больше [Гл. редактор И.П.Голямина. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979, 400 с., стр.101.] они легко поднимаются к поверхности среды и лопаются, что облегчает дальнейшее удаление водяного пара без дополнительного нагрева.
2
Сущность полезной модели заключается в том, что в предложенной низкотемпературной установке обезвоживания вязких технических жидкостей с использованием электрофизических методов, процесс обезвоживания происходит в несколько этапов. На первом этапе под влиянием акустических колебаний происходит коагуляция отдельных мелких водопаровых пузырьков в более крупные [Гл. редактор И.П.Голямина. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979, 400 с., стр.161.] происходит деэмульгирование. Деэмульгирование происходит за счет вибрации гибко закрепленного ступенчатого поддона. Для того, чтобы процесс деэмульгирования преобладал над эмульгированием необходимо, чтобы интенсивность акустических колебаний не превышала определенного порога (0,1-0,15 Вт/см), так как при более высоком уровне энергии преобладает процесс эмульгирования. Интенсивность акустических колебаний зависит от физического состояния среды (вязкость, температура, соотношения компонентов). Для исключения налипания жидкости вибрирующий поддон снизу подогревается электронагревателями. На втором этапе в СВЧ нагревателе происходит интенсивное преобразование в пар водяной фракции под воздействием СВЧ энергии. Обводненная смесь поступает в лоток установленный под небольшим углом (3-5)° к горизонту. Толщина слоя (40-70мм) поддерживается механическим регулятором уровня продукта. Дно лотка выполнено из радиопрозрачного материала. СВЧ энергия подводится снизу с помощью специальных излучателей. Так как битум, гудрон и аналогичные жидкости имеют низкий тангенс угла диэлектрических потерь - 0,01, а вода сильно поглощает СВЧ энергию, под влиянием СВЧ энергии происходит сильный разогрев воды с преобразованием ее в пар. При этом температура битума практически не растет. В разогретых пузырьках поднимается давление, они увеличиваются в размерах и в них снижается плотность. Так как скорость всплытия шариков прямо пропорциональна
квадрату радиуса, плотности и обратно пропорциональна вязкости среды, большие шарики легко преодолевая вязкость среды всплывают и лопаются [Гл. редактор И.П.Голямина. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979, 400 с., стр.267.]. Образовавшийся пар из пузырьков легко удаляется встречным потоком горячего воздуха. Мелкие пузырьки, подъемной силы которьм недостаточно для преодоления вязкости среды, поступают в следующий модуль. На третьем этапе обезвоживание происходит за счет уменьшения толщины слоя, протекающего по наклонному лотку с большим углом наклона (20-25°) к горизонтальной плоскости. Дно лотка закреплено и имеет ступенчатую форму. Дно соединено с регулируемым источником акустических колебаний. Под влиянием акустических колебаний происходит ускоренная дегазация (удаление паровых пузырьков) [Гл. редактор И.П.Голямина. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1979, 400 с., стр.100.]. При протекании сырья через край ступеньки происходит растягивание верхнего слоя и интенсивное перемешивание, что облегчает выход паровых пузырьков. Для компенсации потери энергии на испарение и исключения налипания на дно продукта под днищем установлены электротепловые нагреватели. Под влиянием механических колебаний скорость теплопередачи возрастает в десятки раз [И.А.Рогов, А.В.Горбатов. Физические методы обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1974, 584 с., стр.523.], что обеспечивает и равномерный нагрев продукта по всему объему. Кроме того под влиянием акустических колебаний происходит уменьшение вязкости [И.А.Рогов, А.В.Горбатов. Физические методы обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1974, 584 с., стр.507.], что облегчает выход паровых пузырьков, которые не успели выйти на предыдущем этапе. Второй и третий этапы повторяются. Число таких пар можно брать любое в зависимости от требуемой производительности и обводненности исходного сырья.
Низкотемпературная установка обезвоживания вязких технических жидкостей с использованием электрофизических методов (далее установка) представленная на фиг.содержит: входной патрубок 1, кран 2, бак приемный 3 с поплавковым регулятором уровня 4 и регулятором потока продукта 5, выходной воздуховод 7 с воздушным фильтром 8, деэмульгирующий модуль 9 с вибрирующим поддоном 6, регулируемые источники акустических колебаний 12, СВЧ нагреватели 11 с СВЧ излучателями 15 и регулятором уровня продукта в СВЧ нагревателе 14, модули активации испарения 17 с вибрирующим ступенчатым дном 18 и электротепловыми нагревателями 13, вентилятор 19, калорифер 20, выходной модуль 21 с выходным патрубком 22, рама 16 с регулятором угла наклона 10.
Разогретый до 60-95°С обводненный продукт через входной патрубок 1, кран 2, поступает в бак приемный 3. С помощью поплавкового регулятора уровня 4 в баке поддерживается постоянный уровень. Из приемного бака через регулятор потока продукта 5, продукт поступает в деэмульгирующий модуль 9. Регулятор потока продукта 5, выполненный в виде заслонки, закрепленный на оси с возможностью фиксации в различных положениях, равномерно распределяет слой продукта по вибрирующему поддону 6 деэмульгирующего модуля 9 и с его помощью осуществляется регулировка производительности установки. Деэмульгирующий модуль 9 выполнен в виде прямоугольного наклонного лотка с углом наклона к горизонтальной плоскости 20-25° с гибко закрепленным вибрирующим поддоном - ступенчатым дном б соединенного с регулируемым источником акустических колебаний 12 и подогреваемым снизу электротепловыми нагревателями 13. СВЧ нагреватель 11 выполнен в виде прямоугольного лотка с углом наклона к горизонтальной плоскости (3-5°) и радиопрозрачным дном, под которым установлен СВЧ излучатель 15 и регулятором уровня продукта 14 выполненным в виде заслонки, который искусственно поддерживает уровень продукта в 40-70мм. Модуль активации испарения 17 выполнен аналогично модулю деэмульсации только его длина в 2 раза больше. Число пар модулей СВЧ нагреватель - активации испарения может быть любое в зависимости от требуемой производительности и обводненности сырья. Выходной модуль 21 выполнен в виде прямоугольного лотка к нижней части которого присоединен выходной патрубок 22, а к верхней - вентилятор 19 с калорифером 20. Регулятор угла наклона 10 регулирует дополнительно угол наклона установки.
Геометрические размеры модулей выбраны с учетом рабочей частоты СВЧ излучателей и обеспечения режима бегущей волны по всей длине установки, чем обеспечивается хорошее согласование и полное поглощение СВЧ энергии обезвоживаемым продуктом. Встречный поток горячего воздуха от калорифера 20 через верхнюю часть модулей 21, 17, 11, 9, воздушный фильтр 8 и выходной воздуховод 7 удаляет испаренную влагу. При комплексном воздействии на продукт СВЧ энергии и акустических колебаний происходят структурные изменения сырья (снижается вязкость, повышается эластичность и стойкость к окислению), что позволяет уменьшить угол наклона лотков (высоту установки) облегчает смешивание с наполнителями и повышает качество конечного продукта.
Данная установка обеспечивает следующий технический результат по сравнению с прототипом:
- сохраняет качество исходного продукта при обезвоживании даже при большом обводнении;
- обеспечивает более высокое качество готовой продукции (механическую прочность, стойкость к температурным перепадам и солнечной радиации).
- имеет более низкий удельный расход энергии;
- позволяет производить большую номенклатуру обезвоживаемого сырья;
Низкотемпературная установка обезвоживания вязких технических жидкостей с использованием электрофизических методов может применяться в промышленности для приготовления горячей асфальтобетонной смеси, а также для производства кровельных материалов, гидроизоляционных и антикоразийных покрытий на гудронной или битумной основе.
Практическая промышленная применимость установки не вызывает затруднений. Все элементы конструкции установки смонтированы на раме, выполненной из стальных уголков, трубок и закрытых защитным кожухом из листовой стали (на фиг. не показаны), лотки, элементы соединения, опорные стойки выбираются из условия обеспечения механической прочности с учетом массы обрабатываемого продукта. Биологическая защита установки достигается защитными кожухами и закрытой конструкцией.
В качестве СВЧ излучателей используются магнетроны M152-II, выпускаемые промышленностью по техническим условия АБУК.433160.019ТУ с блоками питания, широко используемые в бытовых СВЧ печах мощностью 700 ватт каждый.
Конструктивно электротепловой нагреватель 13 представляет собой трубчатый корпус, с размещенным в корпусе между изоляторами, закрепленными на концах и вынесенными за пределы лотка, нагревательной спиралью с коммутационной платой для электропитания.
В качестве источника акустических колебаний используется механоакустический преобразователь, выполненный в виде толкателя с кулачком, приводимый в движение с помощью электродвигателя с регулируемым числом оборотов.
К промышленно выпускаемым калориферу, СВЧ излучателям, электродвигателям и электротепловым нагревателям подводится промышленная трехфазная электросеть напряжением 380В 50Гц.