Барабан пленочного испарения
FILM EVAPORATION DRUM

Уровень техники
Из уровня техники широко известно устройство для концентрирования жидких растворов в роторно-пленочных испарителях (пленочных испарителях с роторной мешалкой) (Удыма П.Г. Учебное пособие по курсу проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок. Пленочные испарители. М., МЭИ, 1985, стр.52), заключающийся в том, что раствор подают на внутреннюю поверхность обогреваемого корпуса и распределяют по ней тонким слоем лопастями (скребками), закрепленными на центральном вращающемся роторе. Лопасти ротора создают в слое раствора вихревые структуры, интенсифицирующие теплообменные процессы.
Роторно-пленочный испаритель представляет собой неподвижную подогреваемую трубу с размещенным внутри нее ротором с лопастями, прилегающими к внутренней поверхности. Подаваемый в трубу раствор «размазывается» лопастями по поверхности и стекает в виде пленки месту выгрузки. Концентрированный продукт удаляется через спускной штуцер в сборник готового продукта, а полученный из раствора пар отводится через выходной штуцер в устройство конденсирования. Данный способ применяют, например, для концентрирования пищевых продуктов (молока, сыворотки, томатной пасты, фруктовых соков и т.д.).
Данный способ позволяет эффективно проводить процесс концентрирования высокоминерализированных жидкостей в непрерывном режиме без роста отложений на подогреваемых поверхностях. Недостатком способа является нерешенность проблемы капельно-аэрозольного уноса, что резко снижает степень чистоты конденсируемых паров растворителя, что в свою очередь приводит к потере продукта, образованию отложений на теплообменных поверхностях теплообменников-конденсаторов, также значительно осложняет возможность применения способа для концентрирования радиационно- и химически опасных веществ. Указанный недостаток обусловлен высокими скоростями циркуляции паров растворителя, которая создается соприкасающимися с жидкой пленкой лопастями протяженного ротора, вращающегося с большой угловой скоростью, что приводит к выходу вместе с потоком пара растворителя большого количества микрочастиц растворенного вещества (аэрозолей).
Кроме того, способ эффективен только при формировании пленок небольшой толщины, что требует «тонкой настройки» роторно-пленочного испарителя из-за необходимости выдерживать малые зазоры между лопастями вращающегося ротора и подогреваемой внутренней поверхностью корпуса.
Другим аналогом, совпадающим с заявляемым изобретением по многим существенным признакам, являются ротационные испарители жидких растворов (Лабораторные приборы и оборудование из стекла и фарфора. Справочное издание. М., Химия, 1988, стр.211), работающие путем испарения растворителя из тонкой пленки раствора, образующейся на внутренней поверхности вращающейся испарительной камеры (ротационное испарение). Их принцип работы заключается в том, что в испарительную камеру, имеющую форму колбы, через загрузочное отверстие загружают определенное количество жидкого раствора, вращают колбу под углом к горизонту, при этом нижней частью колба погружена в горячую жидкость (воду, масло и т.д.). От горячей жидкости тепло через стеклянную стенку колбы передается раствору, нагревая его. При вращении на внутренней поверхности колбы формируется пленка раствора, из которой происходит испарение растворителя. Внутренняя полость колбы соединена с конденсатором, выполненным в виде трубки с протекающей холодной водой, в котором собирают пары растворителя для конденсирования. Так как на теплообменной поверхности конденсатора пар превращается в жидкость, во внутренней полости колбы создается разряжение, которое компенсируется дальнейшим испарением из пленки раствора. При испарении от самой пленки и прилегающей стеклянной стенки отводится тепло, которое восполняется периодическим погружением наружной поверхности стенки колбы в горячую жидкость. После достижения заданного уровня концентрации раствора, вращение колбы прекращают и производят выгрузку концентрированного продукта через то же отверстие, через которое производилась загрузка раствора.
За счет формирования пленки на внутренней поверхности колбы увеличивается площадь испарения, при этом интенсифицируется процесс парообразования. При подборе температурных режимов обеспечивается достаточно высокая степень чистоты конденсируемых паров растворителя.
Эти испарители применяются в химической, нефтехимической, химико-фармацевтической, медицинской и пищевой отраслях промышленности, и позволяют осуществлять перегонку термически нестойких веществ в мягких температурных условиях, перегонку смеси высококипящих веществ, которую нельзя разделить обычной перегонкой, дегазацию жидкостей, выпаривание жидкостей, перегонку легко вспенивающихся веществ и т.п.
Недостатком указанного способа является то, что процесс концентрирования является периодическим, что вызвано необходимостью прекращать вращение колбы для выгрузки концентрированного продукта и загрузки новой порции раствора. В процессе упаривания постепенно снижается уровень раствора в колбе, а, следовательно, уменьшается поверхность пленки, что приводит к снижению эффективности испарения и в конечном итоге снижению производительности процесса. Кроме того, на внутренней поверхности колбы образуется осадочный налет, который удаляют периодической отмывкой, что увеличивает объем вторичных отходов, утилизация которых требует дополнительных затрат и усложняет процесс, особенно при концентрировании радиационно- и химически опасных веществ.
Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым изобретением по наибольшему количеству существенных признаков, является выпарная установка для концентрирования жидких растворов (пат. RU 2619768 C1), которая содержит, по меньшей мере, один, обогреваемый паровой рубашкой барабан, трубку подачи исходного раствора в его внутреннюю полость, трубку отвода упаренного раствора и приспособление для очистки его внутренней поверхности. Вращение барабана осуществляется приводом вращения. Скорость вращения, 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.
Недостатком этой установки является то, что для обеспечения вращения барабана приходится использовать внешний, как правило, электромеханический привод вращения, что обуславливает дополнительное оборудование (мотор, редуктор, узел уплотнения вала и т.д.), повышает затраты на техобслуживание и ремонт и создает сложности с обеспечением герметичности выпарного аппарата, особенно при упаривании радиоактивных растворов.
Заявляемый аппарат БПИ позволяет устранить указанные недостатки и при существенном упрощении конструкции обеспечить требуемые показатели качества концентрированного продукта и конденсируемых паров растворителя в непрерывном режиме работы без снижения производительности в широком диапазоне изменения концентраций растворов, при этом в процессе работы не требуется ремонт и обслуживание привода вращения барабана.
Сущность изобретения
Изобретение направлено на создание эффективных горизонтальных выпарных аппаратов плёночного испарения барабанной конструкции без внешнего привода вращения, с паровой греющей рубашкой и минимальным энергопотреблением, технологичных в изготовлении и эксплуатации, обеспечивающих минимальный капельно-аэрозольный унос во вторичном паре при высокой степени концентрации растворов.
цилиндрический корпус с днищами, и, как минимум одним разъёмным фланцем, патрубок подвода греющего пара к корпусу и отвода вторичного пара от корпуса, патрубок отвода конденсата от нижней части корпуса, частично заполненный упариваемой жидкостью выпарной барабан, установленный на опорах вращения, трубопровод для подачи упариваемого раствора в полость барабана и трубопровод отвода концентрата из нижней точки барабана, устройство для механической очистки испарительной поверхности барабана от солевых отложений, находящееся под уровнем жидкости,
Решение поставленной задачи обеспечения вращения барабана за счёт кинетической энергии поступающего в греющую рубашку пара, достигается тем, что в горизонтальном выпарном аппарате «Барабан плёночного испарения» (БПИ), содержащем привод вращения барабана выполнен в виде пневматического двигателя турбинного типа, в котором роль лопастей выполняют ребра на поверхности барабана, а подвод греющего пара в корпус производится тангенсально образующей траектории вращения рёбер.
Конструкция БПИ позволяет использовать кинетическую энергию поступающего в аппарат парового потока для привода во вращения выпарного барабана. В этом случае привод вращения барабана может быть выполнен в виде пневматического двигателя турбинного типа, в котором роль лопастей выполняют ребра на внешней поверхности барабана, а подвод паровой среды в корпус аппарата производится тангенсально образующей траектории вращения ребер. Скорость вращения выпарного барабана определяется:
- механическим сопротивлением подшипниковых опор барабана;
- гидравлическим сопротивлением вращению барабана со стороны движущегося потока упариваемого раствора в нижней части полости барабана;
- механическим сопротивлением вращению барабана со стороны устройства для очистки внутренней поверхности барабана от солевых отложений;
- крутящим моментом при воздействии потока пара на лопасти барабана в виде рёбер на внешней поверхности при тангенсальном вводе пара в корпус аппарата.
В последнем случае при наличии регулируемого сужающего устройства в подводящем патрубке, можно существенно менять скорость ввода греющего пара, изменяя тем самым воздействие на лопасти и, следовательно, на скорость вращения барабана.
Заявленный комплекс конструктивных решений позволяет достигнуть поставленных целей и обеспечивает:
- существенное упрощение конструкции плёночного выпарного аппарата, связанное с отказом от использования электромеханического или какого либо другого внешнего привода вращения из-за возможности использования кинетической энергии поступающего в БПИ потока греющего пара в качестве движущей силы привода вращения турбинного типа;
- возможность создания простой выпарной установки с рекомпрессией пара на базе БПИ, когда вторичный пар из выпарного аппарата, сжатый в газодувке или насосе Рутса, непосредственно используется в качестве греющего пара для того же аппарата. В этом случае отпадает необходимость в источнике греющего пара, теплообменнике конденсаторе для конденсации пара с системой охлаждающей жидкости, герметизации вала вращения барабана и т.д.;
- компактность, простоту и технологичность конструкции БПИ;
- низкие энергозатраты при работе аппарата;
- возможность регулирования скорости вращения барабана;
- минимальный капельно-аэрозольный унос;
- благоприятные условия обеспечения герметичности в БПИ из-за отсутствия подвижных соединений в корпусе при подводе и отводе рабочих сред;
- возможность обеспечения полной герметичности вала с окружающей средой при использовании в качестве привода вращения барабана пневматического двигателя турбинного типа.
Описание чертежей
Нижеследующее описание относится к сопроводительным чертежам, которые показывают в качестве неограничивающего примера вариант осуществления изобретения и в котором на Фиг.1 приведены схемы продольного разреза барабана пленочного испарения (БПИ) и его поперечного разреза в области тангенсального ввода греющего пара, выполненные в соответствии с изобретением.
Представленный на Фиг.1 барабан пленочного испарения (БПИ) представляет собой цилиндрический горизонтальный герметичный корпус (1) с днищами (2) на фланцевых соединениях и расположенный внутри испарительный барабан (3) на подшипниковых опорах (4) и (5). Конструкция опоры (5) обеспечивает герметичное соединение вращающегося вокруг оси отводящего парового патрубка барабана (6) и неподвижного патрубка (7), предназначенного для отвода вторичного пара из БПИ. Патрубок (7) оснащен съемной крышкой на фланцевом соединении (8). Через эту крышку в полость барабана (3) проходит трубка для подачи упариваемого раствора (9), оснащенная поплавковым клапаном (10) и трубка отбора концентрата (11).
Барабан частично заполнен упариваемым раствором (12), уровень которого постоянно поддерживается поплавковым клапаном (10). Для обеспечения очистки греющей поверхности от отложений используется перекатывающийся при вращении барабана стержень со спиральной навивкой (13), который из-за шнекового эффекта навивки, при невозможности перемещения в осевом направлении, перемещает солевой осадок в сторону выгрузки, где производится отбор упаренного продукта по трубке (11).
Привод барабана во вращение производится с использование пневматического двигателя турбинного типа, в котором роль лопастей выполняют ребра (14) на торцевой поверхности (15) барабана, а подвод рабочей среды (греющего пара) производится по патрубку (16) на корпусе (1), расположенному тангенсально к образующей траектории вращения ребер. На приведенном эскизе поперечного разреза А-А показаны относительное расположение лопастей (ребер 14) и подводящего греющий пар патрубка (16). На этом же разрезе схематично показано регулируемое сужающее устройство (17), позволяющее изменять скорость пара на входе в корпус и, соответственно, регулировать величину давления потока на ребра (14), меняя при этом крутящий момент и скорость вращения барабана.
Выпаривание раствора в БПИ происходит следующим образом. Поступающий по тангенсальному патрубку (16) греющий пар попадает в пространство между герметичным корпусом (1) и выпарным барабаном (3). На внешней поверхности барабана (3) происходит конденсация греющего пара и стекание конденсата в нижнюю часть корпуса (1), откуда он отводится через трубку (18), оснащённую термодинамическим конденсатоотводчиком (19). При передаче тепла греющим паром барабану (3) в его полости образуется вторичный пар, который отводится из герметичного корпуса (1) через патрубок (7).
В пусковом режиме необходимо удалить неконденсируемые газы из греющей рубашки. Для этого после запуска установки держат открытым некоторое время клапан сдувки парогазовой смеси (20). После удаления неконденсируемых газов его закрывают.
В качестве примера конкретного исполнения выпарной установки для концентрирования жидких растворов рассмотрен случай упаривания жидких радиоактивных отходов с концентрацией (в массовых долях) солей 0,005-0,01 кг/кг в барабане пленочного испарения длиной 6 м, диаметром 500 мм и с толщиной стенки 6 мм. Давление вторичного внутри барабана 85 кПа. Греющий пар с расходом 290 кг/ч, давлением 150 кПа и температурой 112°С пара через сужающее устройство подводящего патрубка подается в греющую рубашку корпуса аппарата. Максимальная скорость пара в узком сечении 120 м/с. На лопатки барабана поток пара воздействует с силой 180 Н, создавая при этом крутящий момент барабана 45 Н×м. Этого достаточно, чтобы частично заполненный жидкостью барабан (с перекатывающимся внутри стержнем с навивкой для очистки поверхности от отложений) вращался с частотой ~8 об/мин. За период одного оборота пленка жидкости, толщиной ~ 50 мкм за счет испарения уменьшится примерно на 7 мкм. Это незначительное и вполне приемлемое изменение толщины пленки испарения с большим запасом её высыхания, поэтому скорость вращения барабана можно признать приемлемой.