Выпарная установка для концентрирования жидких растворов
EMISSION INSTALLATION FOR CONCENTRATION OF LIQUID SOLUTIONS

Изобретение относится к области разделения жидких сред, а точнее к выпариванию из растворов растворителей и повышению концентрации растворов, в том числе радиационно и химически опасных веществ, в частности жидких радиоактивных отходов (ЖРО), жидких токсичных отходов химического производств.
Известна многоступенчатая выпарная установка (Портнов В.В. Многоступенчатые выпарные установки: учеб. пособие / В.В. Портнов. В.В. Майоров. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический Университет», 2008. с. 4-5), включающая последовательно установленные емкости для выпаривания, в которых размещены нагреватели в виде теплообменных трубок, по которым проходит греющий пар. На второй и последующих ступенях в качестве греющей среды выступает вторичный пар, произведенный на предыдущей ступени. Концентрированный раствор на выходе из каждой ступени является исходным для последующей ступени. Установка снабжена устройством для сбора конденсата.
Использование на последующих ступенях в качестве греющей среды вторичного пара, произведенного на предыдущей ступени, позволяет снизить расход энергии при концентрировании жидких растворов.
Однако недостатком данных многоступенчатых выпарных установок является ограниченность времени непрерывной работы из-за отложения солей на теплообменных трубках, препятствующих передаче тепла от греющего пара к упариваемому раствору.
Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявленным изобретением по наибольшему количеству существенных признаков, является установка, реализующая способ концентрирования жидких растворов (патент РФ №2488421, B01D 1/22, G21F 9/00, опубл. 27.07.2013). Установка включает барабан с приводом вращения, нагревательный элемент, систему дозированной подачи исходного раствора во внутреннюю полость барабана, систему выгрузки и сбора концентрированного продукта, приспособление для очистки внутренней поверхности барабана от отложений, систему сбора, конденсирования паров и отвода конденсата, систему создания разряжения.
Жидкий раствор подается во вращающийся барабан системой дозированной подачи раствора и перемещается в сторону выгрузки под действием гравитационных сил. При этом формируется поток раствора в нижней части барабана. Вращение барабана осуществляется приводом вращения. Скорость вращения барабана, уровень раствора внутри барабана и тепловая мощность, затрачиваемая на испарение растворителя, выбираются экспериментально из условия обеспечения выгрузки концентрированного продукта в виде жидкости с требуемой концентрацией. Выгрузка обеспечивается системой выгрузки и сбора концентрированного продукта. Требуемая чистота внутренней поверхности барабана в процессе концентрирования поддерживается приспособлением для очистки от отложений, размещаемым под уровнем раствора для получения большей эффективности очистки.
Благодаря эффективному удалению солевых отложений на теплопередающей стенке барабана в процессе упаривания обеспечивается непрерывный режим работы установки. Кроме того, ввиду применения технологии упаривания из тонких пленок минимизируется капельно-аэрозольный унос.
Данная установка позволяет эффективно проводить процесс переработки ЖРО, где важную роль играет степень очистки конденсата.
Недостатком данной установки является большой расход тепловой энергии. Указанный недостаток обусловлен потребностью во внешнем источнике тепла и высокими энергетическими затратами на обеспечение фазового перехода растворителя из жидкости в пар.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого изобретения, заключается в снижении энергетических затрат при обеспечении непрерывной работы и требуемых показателей качества концентрированного продукта и конденсируемых паров растворителя.
Указанный технический результат достигается тем, что выпарная установка для концентрирования жидких растворов содержит, по меньшей мере, одну ступень выпаривания, включающую барабан с приводом вращения, трубкой подачи исходного раствора в его внутреннюю полость и трубкой отвода упаренного раствора. При этом барабан снабжен греющей паровой рубашкой с трубкой для отвода конденсата из ее нижней части. Кроме того, установка снабжена паровым компрессором, выход которого соединен трубопроводом с греющей паровой рубашкой барабана первой ступени выпаривания, а вход компрессора соединен трубопроводом с внутренней полостью барабана одноступенчатой установки или с внутренней полостью барабана последней ступени выпаривания. При этом греющая рубашка каждой ступени соединена трубопроводом с внутренней полостью барабана предыдущей ступени. А количество ступеней выбирается из условия превышения дополнительной генерации пара при переходе сжатого в компрессоре пара из перегретого состояния в насыщенное состояние над суммарной разностью расходов конденсируемого и генерируемого пара в барабанах всех ступеней выпаривания.
Барабаны снабжены приспособлениями для очистки их внутренних поверхностей.
Ступень выпаривания может дополнительно включать противоточный рекуперативный теплообменник для теплопередачи тепловой энергии от отводимого из паровой рубашки конденсата к подаваемому в полость барабана исходному раствору.
Ступень выпаривания может дополнительно включать устройство очистки паров, которое может быть размещено во внутренней полости барабана.
Барабаны могут быть дополнительно снабжены нагревателем.
Внутренняя полость барабана может быть соединена с системой вакуумирования.
Ступени выпаривания могут быть размещены в теплоизолированной камере.
Подача исходного раствора во внутреннюю полость барабана, перемещение раствора в сторону выгрузки обеспечивают создание в нижней части барабана потока раствора. При вращении барабана его внутренняя поверхность периодически погружается в раствор и на ней формируется тонкая пленка раствора. Нагревание раствора осуществляют преимущественно путем нагревания внутренней поверхности барабана при подаче пара в греющую паровую рубашку. При этом пленка прогревается за счет контакта с греющей поверхностью. Из-за малой толщины пленки быстро прогревается как сама пленка, так и ее поверхность, контактирующая с парогазовой средой во внутренней полости барабана, что приводит к увеличению давления насыщенных паров растворителя на границе раздела фаз и их выходу (диффузии) во внутреннюю полость барабана. По мере испарения растворителя концентрация перемещающегося в барабане потока раствора увеличивается и достигает максимума в зоне выгрузки продукта из барабана. Интенсивный процесс испарения осуществляется в непрерывном режиме.
Нагрев раствора, испарение растворителя из пленки раствора, выгрузку концентрированного продукта осуществляют при вращающемся барабане, что позволяет обеспечить непрерывность процесса концентрирования жидких растворов.
Для формирования и удерживания тонкой пленки раствора на внутренней поверхности барабана эта поверхность выполняется смачиваемой, что обеспечивается использованием соответствующих материалов и обработкой поверхности.
Для достижения требуемой чистоты внутренней греющей поверхности барабана дополнительно может проводиться ее очистка от отложений в непрерывном или периодическом режиме. Очистка проводится преимущественно под уровнем раствора, что способствует наиболее быстрому разрушению и растворению отложений, соответственно, значительно сокращает время вынужденных остановов для выполнения операций отмывки и промывки оборудования, а также сводит до минимума количество вторичных отходов.
К внутренней полости барабана может быть подсоединена система вакуумирования для интенсификации испарения и предотвращения выхода газообразных продуктов в помещение.
Отбор пара из внутренней полости барабана последней ступени выпаривания, его сжатие в паровом компрессоре, направление сжатого пара в греющую паровую рубашку барабана первой ступени, отбор вторичного пара из внутренней полости барабана первой ступени, направление его в греющую паровую рубашку барабана следующей ступени и так далее до последней ступени и направление вторичного пара из внутренней полости барабана последней ступени в паровой компрессор позволяет снизить энергетические затраты при обеспечении непрерывной работы установки.
При механическом сжатии пара происходит его перегрев относительно температуры на линии насыщения, и поэтому при поступлении в греющую паровую рубашку барабана производится дополнительное количество пара при охлаждении перегретого пара до температуры на линии насыщения. По этой причине общее количество пара, сконденсировавшегося на внешней стенке барабана первой ступени, будет превышать количество пара, поступившего в греющую паровую рубашку барабана первой ступени после парового компрессора.
Количество ступеней выпаривания N выбирается из условия:
где
N
G - расход пара, поступающего в компрессор с последней (N-й) ступени, кг/с;
N
h - удельная энтальпия пара, поступающего в компрессор с последней (N-й) ступени, Дж/кг;
k
_
a
h - удельная энтальпия пара в конечной точке процесса адиабатического сжатия, Дж/кг;
k
η - внутреннее относительное КПД процесса сжатия;
гр
_
Б1
r - теплота скрытого парообразования в греющей рубашке барабана первой ступени, Дж/кг;
i
ΔG - разность расходов конденсируемого и генерируемого пара в барабане i-й ступени;
Причем для барабана первой ступени
а для барабана каждой последующей i-й ступени (i>1)
где
Б(i)
D - средний диаметр i-го выпарного барабана, м;
Б(i)
L - длина образующей i-го выпарного барабана, м;
гр
_
Б(i)
t - температура на линии насыщения в греющей рубашке i-го выпарного барабана, °С;
исп
_
Б(i)
t - температура на линии насыщения внутри i-го выпарного барабана, °С;
исп
_
Б(i)
r - скрытая теплота парообразования внутри i-го выпарного барабана, °С;
Б(i)
2
k - коэффициент теплопередачи через стенку i-го выпарного барабана, Вт/(м⋅K), который находится по формуле
где
кон(i)
2
α - средний коэффициент теплоотдачи при конденсации пара в греющей рубашке барабана i-й ступени, Вт/(м⋅K);
исп(i)
2
α - средний коэффициент теплоотдачи при испарении пара в барабане i-й ступени, Вт/ Вт/(м⋅K);
ст(i)
δ - толщина теплопередающей стенки в барабане i-й ступени, м;
отл(i)
δ - средняя толщина отложений на теплопередающей стенке барабана i-й ступени, м;
ст(i)
λ - теплопроводность теплопередающей стенки в барабане i-й ступени, Вт/(м⋅K);
отл(i)
λ - теплопроводность отложений на теплопередающей стенке барабана i-й ступени, Вт/(м⋅K);
Графическое изображение представлено в виде схемы выпарной установки для концентрирования жидких растворов, содержащей две ступени выпаривания, где 1 - барабан первой ступени; 2 - греющая паровая рубашка барабана первой ступени; 3 - привод вращения; 4 - вращающиеся опоры; 5 - упариваемый раствор в барабане первой ступени; 6 - трубка подачи исходного раствора; 7 - трубка отвода упаренного раствора; 8 - трубка отвода конденсата из греющей паровой рубашки; 9 - барабан второй ступени; 10 - греющая паровая рубашка барабана второй ступени; 11 - упариваемый раствор в барабане второй ступени; 12 - паровой компрессор; 13 - трубопровод, соединяющий выход парового компрессора с греющей паровой рубашкой барабана первой ступени; 14 - трубопровод, соединяющий вход парового компрессора с внутренней полостью барабана второй ступени; 15 - трубопровод, соединяющий внутреннюю полость барабана первой ступени с паровой рубашкой барабана второй ступени; 16 - приспособление для очистки внутренней поверхности барабана.
Работа заявляемой выпарной установки для концентрирования жидких растворов описана на примере двухступенчатой установки и осуществляется следующим образом.
После выхода на стационарный режим сжатый и разогретый в компрессоре 12 пар по трубопроводу 13 поступает в греющую паровую рубашку 2 барабана первой ступени 1, который вращается с помощью привода вращения 3 на вращающихся опорах 4. Поступающий пар, конденсируясь на внешней поверхности барабана 1, передает свое тепло во внутреннюю полость барабана 1, разогревая и испаряя раствор 5. Вторичный пар из внутренней полости барабана 1 по трубопроводу 15 поступает в греющую рубашку 10 барабана второй ступени 9, где, конденсируясь на внешней поверхности барабана 9, передает свое тепло во внутреннюю полость барабана 9, разогревая и испаряя раствор 11. Пар из внутренней полости барабана 9 в постоянном режиме отбирается по трубопроводу 14 паровым компрессором 12, где производится его сжатие.
Жидкий раствор на упаривание подается во внутренние полости барабанов 1 и 9 через трубки подачи исходного раствора 6, при этом обеспечивается перемещение раствора в сторону выгрузки под действием гравитационных сил. При этом формируется поток раствора в нижней части барабанов 1 и 9. Перемещение раствора можно дополнительно ускорить, например, за счет наклона барабанов 1 и 9 в сторону выгрузки. Выгрузка готового продукта осуществляется по трубкам отвода упаренного раствора 7 в периодическом режиме. Перед поступлением в барабаны 1 и 9 исходный раствор соответственно 5 и 11 и конденсат, отводимый по трубкам отвода конденсата 8 из греющих паровых рубашек 2 и 10, проходят через противоточный рекуперативный теплообменник (на схеме не изображено), в котором исходный раствор нагревается, а отводимый конденсат охлаждается.
Скорость вращения барабанов 1 и 9, поддерживаемый уровень раствора внутри барабанов 5, 11 и периодичность выгрузки по трубкам 7 выбираются экспериментально из условия обеспечения выгрузки упаренного продукта в виде жидкости с требуемой концентрацией.
При выгрузке контролируют заданную концентрацию растворенного вещества в выгружаемом продукте. Подачу раствора и выгрузку концентрированного продукта производят преимущественно с противоположных торцов барабанов 1 и 9. Выгрузка может быть произведена как у торца барабана, где достигается максимальная концентрация продукта, так и в нескольких точках вдоль образующей барабана, что позволяет получить раствор различной концентрации без изменений параметров процесса.
В процессе упаривания поддерживают требуемую чистоту внутренней поверхности барабанов 1 и 9 приспособлениями для очистки внутренней поверхности барабана 16, размещаемом предпочтительно под уровнем раствора для получения большей эффективности очистки.
Обеспечение выхода установки на стационарный режим работы может достигаться различными способами, например барабан первой ступени выпаривания может быть дополнительно снабжен нагревателем, а полости барабанов соединены с системой вакуумирования (на схеме не изображено).
Ступень выпаривания может дополнительно включать устройство очистки паров, которое может быть размещено во внутренней полости барабана (на схеме не изображено).
Выпарная установка оснащается приборами контроля основных рабочих параметров, а также органами управления для регулирования и поддержания процесса концентрирования (на схеме не изображено).
В качестве примера конкретного исполнения выпарной установки для концентрирования жидких растворов рассмотрен случай переработки ЖРО с концентрацией (в массовых долях) солей 0,005-0,01 кг/кг при температуре 25°С в двух последовательно соединенных ступенях выпаривания со сжатием вторичного пара из барабана второй ступени в паровом компрессоре с КПД=55% и подачей пара в греющую паровую рубашку барабана первой ступени. Расход пара через паровой компрессор 468 кг/ч (130 г/с). В качестве исходных параметров принято, что давление вторичного пара в барабане второй ступени составляет 0,07 МПа при температуре насыщения 89,9°С. Сжатие пара в паровом компрессоре производится до давления 0,27 МПа.
2
Диаметр греющей поверхности барабанов 0,52 м, длина греющей поверхности 11 м, а толщина теплопередающей стенки барабана 0,007 м. Материал стенки барабана - нержавеющая сталь 12Х18Н10Т с теплопроводностью 16 Вт/(м⋅К). Принимается, что на внутренней стенке барабана присутствуют солевые отложения толщиной 0,5 мм с теплопроводностью 1,1 Вт/(м⋅К). Коэффициент теплоотдачи при конденсации и испарении составляет ~7000 Вт/(м⋅K).
По известной величине внутреннего относительного КПД парового компрессора и удельной энтальпии в конечной точке процесса адиабатического сжатия находим удельную энтальпию для реального процесса:
где
1
h - удельная энтальпия перегретого пара, выходящего из парового компрессора, кДж/кг;
2
h - удельная энтальпия пара, поступающего в паровой компрессор с последней (2-й) ступени, кДж/кг;
k
_
a
h - удельная энтальпия пара в конечной точке процесса адиабатического сжатия, кДж/кг;
k
η - внутреннее относительное КПД процесса сжатия, отн. ед.
Количество сконденсировавшегося пара в греющей паровой рубашке барабана первой ступени после охлаждения перегретого пара и генерации дополнительного количества пара:
где
1гр
_
Б1
G - количество сконденсировавшегося пара в греющей рубашке барабана первой ступени, кг/с;
1гр
_
Б1
r - удельная теплота парообразования при давлении в греющей паровой рубашке первой ступени, кДж/кг.
Коэффициент теплопередачи через стенку первого и второго барабана составляет:
где
кон
2
α - средний коэффициент теплоотдачи при конденсации пара в греющей паровой рубашке барабана, Вт/(м⋅K);
исп
2
α - средний коэффициент теплоотдачи при испарении пара в барабане, Вт/(м⋅K);
ст
δ - толщина теплопередающей стенки в барабане, м;
отл
δ - средняя толщина отложений на теплопередающей стенке барабана, м;
ст
λ - теплопроводность теплопередающей стенки в барабане, Вт/(м⋅K);
отл
λ - теплопроводность отложений на теплопередающей стенке барабана, Вт/(м⋅K);
Площадь теплопередающей поверхности барабана
где
Б
D - средний диаметр выпарного барабана, м;
Б
L - длина выпарного барабана, м.
исп
_
Б1
исп
_
Б1
Б1
Итерационно найдено давление вторичного пара в барабане первой ступени Р=0,14 МПа, при этом температура вторичного пара составляет Т=109°С. Тогда переданная в первом барабане мощность Q:
При использовании рекуперационного теплообменника, в котором конденсат из греющей паровой рубашки передает свое тепло потоку поступающего на упаривание исходного раствора, в барабан раствор подается при температуре насыщения, поэтому количество генерируемого в барабане пара определяется из простого соотношения:
исп
_
Б2
исп
_
Б2
Б2
Давление вторичного пара в барабане второй ступени Р=0,07 МПа, при этом температура вторичного пара составляет Т=89,9°С. Тогда переданная во втором барабане мощность Q:
При этом количество генерируемого пара в барабане второй ступени с учетом использования рекуперационного теплообменника для нагрева поступающего раствора составит
3
Таким образом, количество генерируемого во второй ступени пара достаточно для замыкания баланса материальных потоков при парокомпрессионном способе испарения. Мощность компрессора сжатия пара составляет около 100 кВт. При этом производится переработка упариванием около 1 м/час.
Для снижения потерь тепла ступени выпаривания размещаются внутри теплоизолированной камеры.
Заявляемым устройством может быть проведена концентрация жидких радиоактивных отходов (ЖРО) атомной станции (АЭС) в широком диапазоне исходного солесодержания - от первичного упаривания ЖРО из баков сбора трапных вод до различных концентраций с получением кубового остатка (КО), концентрированного кубового остатка (ККО) вплоть до получения концентрированного солевого плава.
Таким образом заявляемое изобретение позволяет значительно снизить энергетические затраты при обеспечении непрерывной работы и требуемых показателей качества концентрированного продукта и конденсируемых паров растворителя.