УСТРОЙСТВО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Полезная модель относится к технологии приготовления и подготовки вязких жидкостей: битума (гудрона), а так же - мазута, которые применяются при строительстве автомобильных дорог.
Задача обезвоживания вязких жидкостей, используемых при строительстве автомобильных дорог возникает в связи с тем, что в процессе хранения резервов этих материалов происходит их обводнение грунтовыми водами и атмосферной влагой. Влагосодержание может достигать 10%, что затрудняет их непосредственное использование. Поэтому возникает необходимость в их обезвоживании. Например, в процессе подготовки битума при приготовлении асфальтобетонной смеси обязательной операцией является выпаривание влаги.
3
Для выпаривания воды и разогрева битума до 130-150°С применяют котлы БКЖ-15, ДС-6, СИ-201 и т.д. (В.Д.Портнягин. Особенности подготовки битумов и приготовление асфальтобетонных смесей. Учебное пособие, Министерство автомобильных дорог РСФСР. М.: 1988, 81 с. стр.40) представляющие собой простейшие по конструкции тепловые аппараты, сварные резервуары емкостью 10÷20 м, в нижней части рабочего пространства которых расположены ТЭН(ы) или жаровые трубы. Котлы работают на принципе свободной конвекции. Поскольку вязкость битумов велика (условия для тепло и массопереноса весьма затруднительны), то процесс обезвоживания весьма длителен, и с целью сокращения времени подготовки битума температурные напоры в котлах предельно повышены: температура поверхности электронагревателей 400÷600°С, нижних жаровых труб порядка 500°С и выше.
Приведенные выше устройства имеют следующие недостатки:
1. Обезвоживание битума протекает при высокой температуре длительное время (что приводит к изменению структуры битума и ухудшению его свойств), а наличие в установках нагревателей с температурой поверхности 400-600°С приводит к сильному перегреву битума и его коксованию.
2. Использование этих устройств для обезвоживания мазута принципиально невозможно из-за достаточно низкой температуры его возгорания.
Известна установка для нагрева и обезвоживания битума (ас. СССР №579369, от 14.06.1976, МКИ Е01с 19/08), которая содержит обогреваемую емкость, резервуар пароотделителя с рубашкой, заполненный теплоносителем, и размещенным в нем валом, на котором установлены пластины и лопасти, и запорно-раздаточную аппаратуру, при этом для ускорения процесса обезвоживания битума за счет интенсификации процесса обезвоживания, каждая лопасть установлена с возможностью радиального перемещения внутри пластины и подпружинена со стороны внутренней кромки, а противоположная кромка имеет вырезы.
Вышеописанная установка для нагрева и обезвоживания битума имеет ряд существенных недостатков, к числу которых следует отнести:
1. Сложность изготовления и сборки конструкции, которая сводится к изготовлению лопастей, их установке в пластины с высокой точностью и в целом к точной установке их совместно с валом в корпус пароотделителя.
2. Разделительное кольцо при выдаче битума, не обеспечит равномерного распределения битума по верхней части поверхности цилиндрического корпуса резервуара пароотделителя. Поэтому рабочей поверхностью нагрева битума по всей длине окружности в корпусе пароотделителя являются средняя и нижняя его части. Это может привести к
перегреву верхней части корпуса резервуара пароотделителя, изменению его размеров и нарушению симметрии.
3. Удаление влаги из вязкой жидкости осуществляется за счет выпаривания при высокой температуре. Это сопровождается высокими энергетическими затратами и не применимо для легковоспламеняющихся вязких жидкостей.
Известна также установка обезвоживания битума с динамической лотковой системой (патент на изобретение РФ №2236495, от 25.02.2003, МКИ 7 Е01С 19/08, С01С 3/12), содержащая теплоизолирующий корпус, в котором размещены установленные в цилиндрическом кожухе и соединенные между собой элементами связи лопасти, внешние края которых скользят по внутренней поверхности кожуха, соединенного в нижней части с имеющей выходной патрубок сливной емкостью, заборная битумная емкость с входным патрубком, при этом сливная и заборная емкости имеют нагреватели, а на наружной поверхности кожуха закреплены дополнительные нагреватели, двигатель с редуктором для вращения лопастей, которые установлены горизонтально с образованием динамической лотковой системы, их внешние края имеют загиб в направлении вращения лопастей, а цилиндрический кожух в нижней части сообщен с заборной емкостью, имеющей датчик уровня, соединенный с управляемым вентилем, заборная и сливная битумные емкости расположены соответственно по ходу вращения лопастей, имеют термодатчики и разделены вертикальной перегородкой, которая смещена в сторону наружной стенки сливной емкости, причем верхний край перегородки отстоит от центра оси лотковой системы на расстоянии, равном внутреннему радиусу кожуха, на верхней наружной поверхности которого укреплен термодатчик, а торцевые поверхности кожуха выполнены в верхней части с отверстиями для прохода горячего воздуха. Это устройство решает задачу сохранения свойств битума при его обезвоживании за
счет снижения температуры теплоносителя, а также сокращение интервала времени обезвоживания, что достигается повышением скорости переноса теплоты от нагревателя к битуму за счет теплопроводности, свободной и созданной вынужденной конвекциями, а также введением теплового излучения. Это означает, что главная проблема, связанная с энергетическими затратами на испарение имеющегося количества воды в данной установке не решается. В случае высокой влажности сырья энергия, необходимая для выпаривания влаги, становится весьма большой, что снижает экономическую эффективность процесса.
Одним из путей решения поставленной задачи является отказ от выпаривания как основного механизма удаления влаги. Вода и вязкие жидкости, в которые она входит в форме водных включений, достаточно сильно отличаются по плотности и вязкости. Если поток обводненной вязкой жидкости движется по вращающемуся коническому ротору, то за счет растекания вязкой жидкости и действия центробежных сил происходит разделение обводненной жидкости на компоненты: воду и вязкую жидкость, которые затем собираются в раздельных приемных емкостях. В этом случае температурный режим процесса может быть щадящим и обеспечивающим оптимальный режим обезвоживания.
Наиболее близким техническим решением является устройство разделения жидкостей, обладающих различной плотностью - разделительная центрифуга (Соколов В.И., Современные промышленные центрифуги, М., 1961.). Устройство содержит конический ротор, называемый тарельчатым барабаном, укрепленным на валу привода, лотки для приема обезвоженной вязкой жидкости и влаги. В процессе вращения барабана с высокой скоростью более тяжелая жидкость отбрасывается к периферии, откуда отводится с помощью приемного лотка. Легкая жидкость имеет выход ближе к центру.
Недостатками разделительных центрифуг являются:
1. Разделительные центрифуги рассчитаны на сепарацию эмульсий в которых более вязкая фракция составляет меньшую долю. В этом случае положительный эффект достигается за счет высокого центрифугального поля, создаваемого большой частотой вращения ротора. В случае обводненных вязких материалов, применяемых в строительстве автомобильных дорог, реализуется противоположная ситуация: более 90% объема сырья составляет вязкая фракция и движение в ней небольших водных включений затруднено.
2. Для выделения влаги из вязких жидкостей, используемых в строительстве автомобильных дорог, требуется предпринять меры по выведению водных включений на поверхность этой жидкости, откуда, благодаря низкой вязкости воды, возможно ее отбрасывание, причем основная масса вязкой жидкости должна продолжать движение по поверхности барабана. При этом скорость вращения барабана не должна быть очень большой. Однако единственным механизмом, используемым для сепарации в прототипе, является использование центробежных сил, что снижает эффективность работы устройства на пониженных скоростях вращения ротора.
Задачей полезной модели является снижение энергетических затрат на обезвоживание вязких жидкостей, используемых при строительстве автомобильных дорог, а также сокращение интервала времени обезвоживания, за счет отделения влаги от вязких жидкостей механическим способом без выпаривания.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве влага отделяется от вязкой жидкости двигающейся по поверхности вращающегося конического ротора под действием центробежной силы и механических активаторов выполненных в виде линейных щеток из упругих металлических ворсин.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство обезвоживания вязких жидкостей, содержащее корпус устройства, регулируемое устройство ввода вязкой жидкости, конический ротор, укрепленный симметрично на валу привода с регулируемой частотой вращения, приемные лотки обезвоженной вязкой жидкости и выделенной влаги со сливными патрубками и нагреватели, при этом приемный лоток обезвоженной вязкой жидкости регулируемый по высоте, выполнен в виде полого вертикального цилиндра с дном в форме поверхности усеченного конуса с внутренним диаметром, превышающим диаметр вала, и установлен коаксиально этому валу, а на внутренней боковой поверхности приемного лотка обезвоженной вязкой жидкости под острым углом и с некоторым наклоном прикреплена замкнутая металлическая полоса, образующая с внутренней поверхностью, расположенной выше линии крепления полосы, приемный лоток влаги, причем свободная кромка металлической полосы образует в горизонтальной плоскости круглое отверстие симметричное коническому ротору и превышающее его максимальный диаметр. Кроме этого устройство содержит регулируемые по высоте механические активаторы, выполненные в виде линейных щеток из упругих металлических ворсинок и установленные радиальными рядами параллельно поверхности ротора.
При реализации механического метода обезвоживания вязких жидкостей необходимо решить две основные задачи:
- во-первых, создать условия возникновения центробежных сил в движущемся слое обводненного битума с целью обеспечения выхода водяных включений (капель) на поверхность этого слоя;
- во-вторых, уменьшить величину поверхностного натяжения вода-битум.
В предлагаемом устройстве решение первой задачи, то есть создание центробежных сил, обеспечивающих выход и удаление капель влаги
с поверхности движущегося слоя битума, осуществляется вращением конического «лотка», а также постепенным уменьшением толщины движущегося слоя битума, что достигается при его стекании по коническому «лотку». Вторая задача - уменьшение коэффициента поверхностного натяжения на границе «вода - вязкая жидкость», обеспечивается обволакиванием водных капель масляными фракциями, образующими на границе контакта тонкий поверхностно активный слой и механической активацией движущегося слоя вязкой жидкости.
Скорость вращения конического лотка должна выбираться такой, чтобы вязкость жидкости при температуре процесса препятствовала ее центробежному отрыву, в то время как водные включения, покрытые тонким масляным слоем и находящиеся на поверхности слоя вязкой жидкости движущейся по ротору, прорвав поверхностную пленку, были отброшены с ее поверхности. Важным элементом повышения эффективности механического обезвоживания битума является секционное расположение механических щеточных активаторов с выделением определенного свободного пространства для сбора удаленной влаги. Этот процесс является активационным для окончательного выхода водяных включений на поверхность тонкого битумного слоя.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где показаны на фиг.1 - конструкция устройства, фиг.2 - момент разделения воды и вязкой жидкости.
Устройство содержит каркас 1, с которым жестко связан двигатель 2 с регулируемой частотой вращения. С осью двигателя 2 связан вертикальный вал 3, укрепленный в системе центрирующих подшипников 4 и соединенный с коническим ротором 5, установленным коаксиально валу 3. Конический ротор 5 расположен внутри вертикального цилиндрического приемного лотка 6 обезвоженной вязкой жидкости, укрепленного на устройствах вертикального перемещения 7. Дно вертикального
цилиндрического приемного лотка 6 выполнено в виде усеченного конуса 8 с внутренним диаметром превышающим диаметр вала 3, а в нижней части его дна 8 укреплен патрубок 9 для слива обезвоженной вязкой жидкости, связанный с приемной емкостью 10 для обезвоженной вязкой жидкости. На внутренней боковой поверхности цилиндрического лотка 6 под некоторым уклоном прикреплена замкнутая металлическая полоса 11, образующая вместе с внутренней боковой поверхностью цилиндрического лотка, расположенной выше линии крепления полосы, приемный лоток выделенной влаги, причем верхняя свободная кромка металлической полосы 11 образует в горизонтальной плоскости круглое отверстие симметричное коническому ротору 5 и превышающее его максимальный диаметр. В нижней точке дна приемного лотка влаги расположен выходной патрубок 12 для слива отделенной влаги, связанный со сборной емкостью 13. В верхней части конического ротора 5 расположено регулируемое устройство ввода 14 вязкой жидкости соединенное с трубопроводом 15 содержащим вентильное устройство 16 с напорной емкостью 17.
Кроме этого, над поверхностью конического ротора 5 с помощью устройств регулировки по высоте 18 расположены механические активаторы 19, выполненные в виде расположенных рядами параллельно поверхности ротора линейных щеток из упругих проволочных ворсин 20.
Устройство обезвоживания вязких жидкостей работает следующим образом. Расположенный на каркасе 1 двигатель 2 приводит во вращение вал 3 укрепленный в системе центрирующих подшипников 4 и соединенный с коническим ротором 5. После открытия вентильного устройства 16 обводненная вязкая жидкость из напорной емкости 17 через трубопровод 15 поступает в регулируемое устройство ввода 14, где происходит первоначальное распределение вязкой жидкости по поверхности ротора 5. Производительность установки регулируется величиной
зазора между устройством ввода 14 и поверхностью конического ротора 5. В процессе движения вязкой жидкости по поверхности вращающегося конического ротора 5 происходит уменьшение толщины ее слоя. Благодаря действию укрепленных над поверхностью конического ротора 5 с помощью устройств регулировки по высоте 18 механических активаторов 19, выполненных в виде расположенных рядами параллельно поверхности ротора 5 линейных щеток из упругих проволочных ворсин 20, обеспечивается выход водных включений на поверхность вязкой жидкости. Наличие масляной оболочки на водных включениях облегчает разрыв поверхностной пленки на границе раздела сред «вязкая жидкость - вода» и вода отбрасывается с поверхности ротора 5. Частота вращения ротора 5 подбирается такой, чтобы при срыве поверхностных капель воды масса вязкой жидкости продолжала стекание. Для отделения влаги от основной массы вязкой жидкости используется вертикальный цилиндрический приемный лоток 6 обезвоженной вязкой жидкости, укрепленный на устройствах вертикального перемещения 7. Отброшенные с поверхности конического ротора 5 капли влаги попадают на лоток для выделенной влаги, образованный замкнутой металлической полосой 11 прикрепленной к внутренней боковой поверхности приемного лотка 6 обезвоженной вязкой жидкости и этой поверхностью, расположенной выше линии крепления. Стекающие по стенкам вертикального цилиндрического лотка 6 капли задерживаются полосой 11 и благодаря наклону линии соединения с внутренней поверхностью цилиндра, через выходной патрубок 12 попадают в приемную емкость 13. На фиг.2 показан момент разделения воды и вязкой жидкости. Поток вязкой жидкости «Ж» за счет сцепления с поверхностью конического ротора продолжает движение, и стекает во внутрь цилиндрического приемного лотка 6, дно которого выполнено в виде усеченного конуса 8, а в нижней части дна укреплен выходной патрубок 9, через который вязкая жидкость стекает в
10. приемную емкость 10 для обезвоженной вязкой жидкости. Одновременно капли воды «В» срываются с поверхности вязкой жидкости, стекающей по ротору 5 и собираются в пространстве между вертикальной стенкой 6 и наклонной полосой 11. Так как вода обладает малой вязкостью, то она легко стекает к выходному патрубку 12, а через него в емкость 13. В результате процесс удаления влаги протекает непрерывно.
Таким образом, реализация механического обезвоживания битума позволяет:
- значительно снизить энергетические затраты на обезвоживания единицы массы битума, так как отсутствуют составляющие энергопотребления на выпаривание воды и теплопередачу через теплоизолирующий слой битума;
- исключить ухудшение качества битума, связанное с окислением в результате длительного нагрева и взаимодействия с водой и паром;
- обеспечить непрерывность технологического процесса механического обезвоживания битума, а следовательно, обеспечить бесперебойный режим работы АБЗ.