Установка для растворения сухих и жидких компонентов в воде и водных растворах с получением жидких комплексных удобрений и карбамидо-аммиачных смесей
INSTALLATION FOR DISSOLVING DRY AND LIQUID COMPONENTS IN WATER AND AQUEOUS SOLUTIONS TO OBTAIN LIQUID COMPLEX FERTILIZERS AND UREA-AMMONIA MIXTURES

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности, к механизмам и способам интенсификации растениеводства, посредством приготовления и внесения в почву жидких удобрений и микроэлементов. Заявленная установка представляет собой группу деталей и механизмов, в совокупности и по категории выполняемых задач, часто именуемых как Растворный узел (далее - «РУ»). Соответственно, самым востребованным результатом работы заявленного РУ будет получение пригодных к внесению в почву наиболее популярных растворов - жидких комплексных удобрений (далее - «ЖКУ») и карбамидо-аммиачных смесей (далее - «КАС») различных концентраций действующего вещества; при этом изобретение подходит и для менее популярных сельхозрастворов: гуминовых кислот в воде, средств защиты растений (далее - «СЗР») в КАС и др.
Постоянно растущая потребность современных сельхозпроизводителей-растениеводов в качественных и доступных жидких удобрениях способствует появлению новых методов приготовления различных смесей агрохимии. При этом механизмы, разработанные буквально пять-десять лет назад, уже не отвечают актуальным запросам потребителя. В связи с этим был произведен подробный анализ существующих технических решений с целью устранить недостатки и недоработки конструкций и поднять процесс производства жидких удобрений в хозяйствах на качественно иной уровень.
Известен модуль растворного узла для производства карбамидо-аммиачных смесей и жидких комплексных удобрений, состоящий из бункера-смесителя, размещенного на каркасе, оснащенного решеткой в верхней части, лестницей с площадкой обслуживания, перемешивающим устройством, шкафом управления, работающим в соответствии программным обеспечением, управляющим стационарным растворным узлом, дизельным котлом, оснащенным электрическим насосом, емкостью-термосом хранения теплой воды, отличающийся тем, что перемешивающее устройство выполнено в виде диспергатора с возможностью обеспечений интенсивного перемешивания жидких удобрений, при этом он дополнительно оснащен тензометрическими датчиками с возможностью контроля в режиме реального времени весовых параметров в процессе приготовления жидких удобрений, кранами электроуправляемыми с обеспечением возможности дозированной раздачи готового жидкого удобрения, магистралью для выгрузки готового продукта (ЕА 038306 B1, B01F1/00, 08.05.2021).
Основными недостатками указанного технического решения является:
1. Не было сделано никаких принципиальных изменений в гидравлической схеме и раствор так же проточно подогревается непосредственно в теплообменнике котла (который непосредственно контактирует с камерой сгорания и жаровыми трубами).
2. Необходимость перемешивать раствор 30 мин после добавления всех компонентов, что катастрофически долго и делает невозможным обеспечить высокую производительность приготовления растворов для современного растениеводства.
3. После приготовления каждой порции раствора требуется продолжительное время чтобы нагреть стартовую порцию воды до 60°С, что так же влияет на общую производительность.
4. После добавления стартовой порции воды в бункер-смеситель снова требуется время, чтобы догреть стартовую порцию воды до 60°С.
5. Так как термос-накопитель прогревается так же проточно через котел, туда (в термос) попадает раствор и оседает в накопителе. При этом промывки в термосе не предусмотрено. Тем самым нельзя гарантировать подачу чистой воды при каждой новой порции и есть риск получить нежелательные компоненты в приготовленном растворе, если в предыдущем цикле были использованы, например, агрессивные пестициды.
6. Простой конус в основании смесительного бункера провоцирует попадание в раствор всех тяжелых примесей и включений, при этом не предусмотрено никакой системы фильтрации. Это негативно сказывается на качестве раствора, при этом попадание металлического или керамического обломка может привести к разрушению рабочих органов диспергатора, простою и дорогостоящему ремонту. В условиях проведения полевых работ каждые сутки простоя могут обернуться существенными потерями урожая.
Известен растворный узел для получения водного раствора минеральных удобрений, характеризующийся тем, что содержит раму, на которой установлены бункер для сухих минеральных удобрений, емкость для растворения минеральных удобрений, перемешивающий орган и нагревательный котел, соединенные системой трубопроводов, причем бункер для сухих минеральных удобрений соединен с емкостью для растворения минеральных удобрений при помощи транспортера, перемешивающий орган в виде роторно-пульсационного аппарата выполнен с возможностью перекачивания, смешивания, диспергирования и гомогенизации смеси в емкости, а нагревательный котел служит для подогрева смеси в емкости с целью ускорения растворения (RU 186 828 U1, A01G 31/02, 05.02.2019).
Основными недостатками указанного технического решения является:
1. Подогрев раствора происходит либо во время размешивания, либо перед подачей компонентов. В обоих случаях это снижает скорость приготовления смеси (особенно если вода подается холодная: весенний и осенний период, вода из скважины), так как каждую порцию раствора необходимо либо предварительно, либо в процессе размешивания долго подогревать.
2. Необходимость использовать гибкий закрытый шнек для подачи компонентов в емкость для растворения минеральных удобрений, учитывая, что подобные механизмы очень подвержены налипанию и часто закупориваются, и прекращают подачу, если сырье имеет влажность выше допустимой или склонно к комкованию.
3. Не было сделано никаких принципиальных изменений в гидравлической схеме и раствор так же проточно подогревается непосредственно в теплообменнике котла (который непосредственно контактирует с камерой сгорания и жаровыми трубами, вызывая опасность взрыва отложений аммиачной селитры на внутренних стенках теплообменника).
4. Простой конус в основании емкости для растворения минеральных удобрений провоцирует попадание в раствор всех тяжелых примесей и включений, при этом не предусмотрено никакой системы фильтрации (в изделии заявлена возможность установки фильтра на выходной патрубок РПА, однако это не предотвращает попадание предметов в РПА через входной патрубок). Это негативно сказывается на качестве раствора, при этом попадание металлического или керамического обломка может привести к разрушению рабочих органов РПА, простою и дорогостоящему ремонту. В условиях проведения полевых работ каждые сутки простоя могут обернуться существенными потерями урожая.
5. Отсутствует система промывки емкости для растворения минеральных удобрений, тем самым возникает серьезная сложность в очистке внутренней поверхности емкости для растворения минеральных удобрений, что подвергает рабочий персонал воздействию вредных веществ при ручной очистке и ухудшает качество приготовленной смеси в случае некачественной очистки. Кроме того, недостатками известных технических решений являются ограниченное движение пользователя: прыжки и приседания, что влияет на степень возможности взаимодействия и перемещения внутри виртуального мира.
Известен растворный узел карбамидно-аммиачной смеси, характеризующийся тем, что содержит устройство управления и накопительную емкость воды, связанную с реакторной емкостью через насос подачи воды и насос, выполненный с возможностью создания ударов в вакуумной гидравлической среде, при этом реакторная емкость соединена со станцией фильтрацией, включающей по меньшей мере одну колбу-фильтр и связанной с по меньшей мере одной накопительной емкостью готового продукта, при этом реакторная емкость соединена с загрузочным бункером, насосом выдачи и дизельным теплообменником (RU 2686149 С1, B01F 1/00, 24.04.2019).
Основными недостатками указанного технического решения является:
1. Не было сделано никаких принципиальных изменений в гидравлической схеме и раствор так же проточно подогревается непосредственно в теплообменнике котла (который непосредственно контактирует с камерой сгорания и жаровыми трубами).
2. Необходимость перемешивать раствор 30 мин после добавления всех компонентов, что катастрофически долго и делает невозможным обеспечить высокую производительность приготовления растворов для современного растениеводства.
3. После приготовления каждой порции раствора требуется продолжительное время чтобы нагреть стартовую порцию воды до 60°С, что так же влияет на общую производительность.
4. После добавления стартовой порции воды в бункер-смеситель снова требуется время, чтобы догреть стартовую порцию воды до 60°С.
5. Так как термос-накопитель прогревается так же проточно через котел, туда (в термос) попадает раствор и оседает в накопителе. При этом промывки в термосе не предусмотрено. Тем самым нельзя гарантировать подачу чистой воды при каждой новой порции и есть риск получить нежелательные компоненты в приготовленном растворе, если в предыдущем цикле были использованы, например, агрессивные пестициды.
6. Простой конус в основании смесительного бункера провоцирует попадание в раствор всех тяжелых примесей и включений, при этом не предусмотрено никакой системы фильтрации. Это негативно сказывается на качестве раствора, при этом попадание металлического или керамического обломка может привести к разрушению рабочих органов диспергатора, простою и дорогостоящему ремонту. В условиях проведения полевых работ каждые сутки простоя могут обернуться существенными потерями урожая.
Известен растворный узел для приготовления жидких комплексных удобрений, содержащий реакторную емкость, связанную трубопроводной системой с накопительными емкостями воды и готового продукта, теплогенератор и насосное оборудование, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным нагревательным устройством, реакторная емкость снабжена расположенным в верхней части фильтровальным бункером, выполненным в виде перфорированной емкости с матерчатым фильтром, а насосное оборудование содержит насос циркуляционного контура, расположенного между реакторной емкостью и дополнительным нагревательным устройством, и насос нагревательного контура, расположенного между дополнительным нагревательным устройством и теплогенератором (RU 2710195 С1, B01F 1/00, 24.12.2019).
Основными недостатками указанного технического решения является:
1. В гидравлической схеме и в процессе растворения не участвует роторно-пульсационный аппарат (далее - «РПА»). Не смотря на высокую стоимость РПА, данные аппараты показали высокую эффективность при растворении сухих удобрений; многочисленные опыты подтверждают обоснованность применения РПА в остальных технических решениях, поэтому отказ от РПА является явно негативным фактором для скорости и качества растворения.
2. Подогрев раствора происходит либо во время размешивания, либо перед подачей компонентов. В обоих случаях это снижает скорость приготовления смеси (особенно если вода подается холодная: весенний и осенний период, вода из скважины), так как каждую порцию раствора необходимо либо предварительно, либо в процессе размешивания долго подогревать.
3. Использование пластинчатого теплообменника создает, во-первых, необходимость приобретать его у специализированной организации, так как современные пластинчатые теплообменники хоть и имеют хорошую теплопередачу, но уже достаточно дороги и сложны в изготовлении, особенно при применении дорогих сплавов в составе пластин. Во-вторых, принцип работы пластинчатого теплообменника провоцирует его ранний выход из строя при подаче в него неочищенных жидкостей. А, так как в один из контуров подается водная смесь карбамида и аммиачной селитры, этот раствор не обладает строгой гомогенностью и часто присутствуют различные примеси, плюс в процессе перемешивания очень много не до конца растворенных гранул переносится потоком воды. В результате гарантирован налет на внутренних поверхностях пластин, что неизбежно приведет к закупориванию. А в случае разбора теплообменника в полевых условиях для очистки есть риск повредить пластины или их уплотнения, с последующей невозможностью устранить дефект быстро и подручными средствами.
4. Применение сложной схемы загрузки реакторной емкости с многослойным фильтровальным устройством. В процессе работы неизбежно случится повреждение матерчатого фильтра, так как эти материалы не отличаются долговечностью. Соответственно будет вынужденная остановка в процессе растворения, простой и сложности с опорожнением реакторной емкости от нерастворенных веществ.
5. Отсутствие в реакторной емкости конусного дна препятствует полному опорожнению и качественной промывке.
6. Отсутствует система промывки реакторной емкости, тем самым возникает серьезная сложность в очистке внутренней поверхности реакторной емкости, что подвергает рабочий персонал воздействию вредных веществ при ручной очистке и ухудшает качество приготовленной смеси в случае некачественной очистки.
7. В качестве теплогенератора используется только дизельный теплогенератор. Однако в случае, если у потребителя есть доступ к магистральному газу, с экономической точки зрения целесообразно осуществлять нагрев именно газовой горелкой, что не предусмотрено в данном техническом решении.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка установки для растворения сухих и жидких компонентов в воде и водных растворах, не имеющей указанных выше недостатков, представленного уровня техники.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение отказоустойчивости процесса растворения, интенсивный, равномерный и мало зависящий от внешних факторов (температуры окружающей среды, температуры входящей воды) нагрев раствора, обеспечение ремонтопригодности в полевых условиях и быстрой заменяемости основных узлов, уменьшение образования агрессивных и взрывоопасных отложений на внутренних стенках трубопроводов и теплообменников, а также облегчение промывки реакторной (смесительной) емкости и всех магистралей, контактирующих с раствором и, как следствие, повышение качества приготовления раствора.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что установка для растворения сухих и жидких компонентов в воде и водных растворах с получением жидких комплексных удобрений и карбамидо-аммиачных смесей содержит соединенные между собой два модуля, первый из которых теплогенерирующий, а второй - смесительный, состоящий из установленных в металлическом каркасе с погрузочными проушинами на регулируемых опорах реакторной емкости с конусным дном, внешнего теплообменника с воздуходувкой, роторно-пульсационного аппарата (РПА), сильфонного компенсатора, блока прогрева воздуха, соединенных между собой посредством системы трубопроводов, обратных клапанов и трубных затворов/кранов, при этом теплогенерирующий модуль состоит из установленных в металлическом каркасе с погрузочными проушинами на регулируемых опорах расширительного бака, порционного накопителя воды, группы безопасности горячего контура, шкафа управления, двухконтурного теплогенератора, циркуляционного насоса малого контура, центробежного насоса подачи воды, счетчика воды, циркуляционного насоса большого контура, фильтра грубой очистки, соединенных между собой посредством системы трубопроводов, обратных клапанов и трубных затворов/кранов, причем реакторная емкость в верхней части содержит две распашные створки для загрузки растворяемых компонентов, под которыми расположена сетчатая крупноячеистая приемная корзина, промывочный обод для подачи воды под давлением с помощью центробежного насоса, а нижняя часть выполнена в форме усеченного конуса с проходящими сквозь него обратной магистралью внутреннего теплообменника реакторной емкости, по меньшей мере одной форсункой гидроперемешивания, напорным патрубком барботажного обода, при этом нижняя часть усеченного конуса выполнена в виде обратного усеченного конуса, в верхней части которого смонтирован основной выходной патрубок реакторной емкости и сетчатый фильтр основного выхода реактора, а в нижней части которого установлен барботажный обод, причем вертикальные стенки реакторной емкости представляют собой цилиндр с проходящим сквозь него напорным внутрифильтровым патрубком, подающей магистралью внутреннего теплообменника реакторной емкости и напорного патрубка подачи порционной воды, при этом один из контуров двухконтурного теплогенератора соединен с порционным накопителем воды, выполненным трехслойным резервуаром и имеющим установленные в нем датчик уровня и датчик температуры, а второй контур двухконтурного теплогенератора соединен с внешним теплообменником и с внутренним теплообменником реакторной емкости.
Кроме того, внешний теплообменник выполнен в виде двухтрубного теплообменника.
Кроме того, внутренний слой трехслойного резервуара выполнен из нержавеющей стали, а наружный слой - из тонколистовой нержавеющей стали, оцинкованной стали, алюминия или пластика, причем между упомянутых двух слоев уложен минераловатный утеплитель.
Кроме того, шкаф управления выполнен с автоматизированной, полуавтоматической или ручной системой управления.
Кроме того, подающая магистраль внутреннего теплообменника реактора выполнена с возможностью подачи теплоносителя во внутренний теплообменник реакторной емкости, выполненный в виде нержавеющей опускающейся вокруг сетчатого фильтра основного выхода реакторной емкости спирали.
Кроме того, металлический каркас выполнен в виде жесткой сварной рамы.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 и фиг. 2 - вид спереди установки для растворения сухих и жидких компонентов в воде и водных растворах с получением жидких комплексных удобрений и карбамидо-аммиачных смесей: Модуль 1 (теплогенерирующий) - справа, модуль 2 (смесительный) - слева;
фиг. 3 - вид сзади установки для растворения сухих и жидких компонентов в воде и водных растворах с получением жидких комплексных удобрений и карбамидо-аммиачных смесей;
фиг. 4 - общий вид установки для растворения сухих и жидких компонентов в воде и водных растворах с получением жидких комплексных удобрений и карбамидо-аммиачных смесей;
фиг. 5 - реакторная емкость в разрезе установки для растворения сухих и жидких компонентов в воде и водных растворах с получением жидких комплексных удобрений и карбамидо-аммиачных смесей;
фиг. 6 - реакторная емкость снаружи с внешними элементами установки для растворения сухих и жидких компонентов в воде и водных растворах с получением жидких комплексных удобрений и карбамидо-аммиачных смесей;
фиг. 7 - гидравлическая схема установки для растворения сухих и жидких компонентов в воде и водных растворах с получением жидких комплексных удобрений и карбамидо-аммиачных смесей;
фиг. 8 - график температуры раствора.
Перечень приведенных позиций:
(Фиг. 1, Фиг. 2):
1. Металлический каркас с погрузочными проушинами.
2. Реактор.
3. Внешний теплообменник.
4. Расширительный бак.
5. Порционный накопитель воды.
6. Группа безопасности горячего контура.
7. Шкаф управления.
8. Двухконтурный теплогенератор.
9. Циркуляционный насос малого контура.
10. Центробежный насос подачи воды.
11. Счетчик воды.
12. Система трубопроводов, обратных клапанов и трубных затворов/кранов.
13. Датчики давления (на изображениях не указаны ввиду малых размеров).
14. Датчики температуры (на изображениях не указаны ввиду малых размеров).
15. РПА
16. Магнитный уловитель.
17. Лестница и площадка обслуживания.
18. Воздуходувка.
19. Блок подогрева воздуха.
20. Сильфонный компенсатор.
21. Циркуляционный насос большого контура.
22. Регулируемые опоры.
23. Фильтр грубой очистки.
(Фиг. 5):
2.1. Усеченный конус нижней части реактора.
2.2. Усеченный обратный конус основания усеченного конуса нижней части реактора.
2.3. Сетчатая крупноячеистая приемная корзина реактора.
2.4. Внутренний теплообменник реактора.
2.5. Подающая магистраль внутреннего теплообменника ректора.
2.6. Обратная магистраль внутреннего теплообменника ректора.
2.7. Сетчатый фильтр основного выхода реактора.
2.8. Основной выходной патрубок реактора.
2.9. Напорный патрубок №1 (внутрифильтровый).
2.10. Напорная форсунка гидроперемешивания.
2.11. Напорный патрубок подачи порционной воды.
2.12. Промывочный обод.
2.13. Барботажный обод.
2.14. Дренажный выходной патрубок (показан на Фиг. 6)
Металлический каркас (1) представляет собой жесткую сварную раму (фиг. 1, фиг. 2), выполненную из металлопроката конструкционной стали (преимущественно профильная труба различных сечений, лист, уголок и швеллер) и окрашенную в цвет по желанию заказчика, либо выполненную из нержавеющего металлопроката для повышения долговечности. Упомянутый каркас (1) служит опорой для всех остальных элементов РУ и имеет в нижней части регулируемые опоры (22) для надежного размещения РУ даже в условиях не идеально ровного основания, при этом размещение на опорах оберегает нижнюю часть каркаса от коррозии.
Представленная на фиг. 5 и фиг. 6 реакторная емкость (далее реактор) (2) выполнен из нержавеющей стали не ниже 08Х18Н10 (AISI304), либо из конструкционной стали с внутренней футеровкой химостойкими материалами, либо из прочного химостойкого пластика (например, линейный полиэтилен). Наружная поверхность реактора (2) может быть утеплена полимерными материалами. В верхней части реактор имеет замкнутую структуру с двумя распашными створками в средней части для загрузки растворяемых компонентов. Такая конструкция призвана улучшить защиту реактора от попадания в него осадков, пыли, мусора, насекомых, мелких животных и птиц, плюс снижает теплопотери и воздействие на человека вредных испарений при приготовлении растворов. Под створками реактора располагается сетчатая крупноячеистая приемная корзина (2.3) выполненная из нержавеющих материалов. Корзина, при открытых верхних створках, препятствует попаданию в реактор крупного мусора, скомковавшегося сырья, людей и животных. Внутри по периметру реактора, в верхней части, расположен промывочный обод (2.12), состоящий из нержавеющей или полимерной трубы с поперечными наклонными прорезями, через которые производится подача воды под давлением с помощью центробежного насоса(10); выходящая из прорезей вода разбрызгивается в форме веера по направлению к ближней вертикальной стенке реактора, перекрывая область соседнего веера, тем самым орошая всю внутреннюю вертикальную поверхность реактора, а отраженные капли воды орошают верхние горизонтальные элементы реактора; стекающая с вертикальных стенок вода омывает усеченный конус реактора и отводится снизу с помощью РПА (15) через сетчатый фильтр основного выхода реактора (2.7) и основной выходной патрубок реактора (2.8). Остатки воды, грязь и тяжелые или крупные элементы отводятся через дренажный выходной патрубок (2.14) (фиг. 6) самотеком или внешним насосом потребителя. Вертикальные стенки реактора представляют собой цилиндр, с проходящим сквозь него папорным патрубком №1 (внутрифильтровым) (2.9), подающей магистралью внутреннего теплообменника ректора (2.5) и напорного патрубка подачи порционной воды (2.11); причем напорный патрубок №1 проходит сквозь верхний конус сетчатого фильтра основного выхода реактора (2.7) и направлен на основной выходной патрубок реактора (2.8), создавая, тем самым, постоянную циркуляцию жидкости в зафильтровом пространстве при работе РПА и препятствуя закупорке магистрали большим объемом сухого компонента, при этом, параллельно, затягивая в зафильтровое пространство некоторую часть частично растворенных гранул сухих компонентов для направления их в РПА. Конус сверху на фильтре необходим для сброса подаваемых сверку сухих компонентов и исключения застойных зон. Подающая магистраль внутреннего теплообменника ректора (2.5) обеспечивает подачу теплоносителя во внутренний теплообменник реактора (2.4), выполненный в виде нержавеющей опускающейся вокруг сетчатого фильтра основного выхода реактора (2.7) спирали с большим шагом каждого витка (для исключения забивания компонентами). Напорный патрубок подачи порционной воды (2.11) служит для заполнения реактора порцией воды для предстоящего растворения, выполнен из нержавеющей стали и не играет никакой роли непосредственно в процессе растворения. Нижняя часть реактора выполнена в форме усеченного конуса (2.1) с проходящими сквозь него обратной магистрали внутреннего теплообменника ректора (2.6), напорной форсункой гидроперемешивания (2.10), напорным патрубком барботажного обода (2.13). При этом нижняя часть усеченного конуса (дно усеченного конуса) исполнено в виде Усеченного обратного конуса (2.2) в верхней части которого смонтирован основной выходной патрубок реактора (2.8) и сетчатый фильтр основного выхода реактора (2.7), а нижняя часть обратного усеченного конуса создает с усеченным конусом реактора треугольную ложбину в разрезе, которая является самой нижней точкой реактора и в которой смонтирован барботажный обод (2.13), состоящий из нержавеющей или полимерной трубы с перфорацией в виде наклонных прорезей или мелких отверстий.
Внешний теплообменник (3) (фиг.2) представляет собой конструкцию двухтрубных теплообменников вида «труба в трубе», причем внутренняя труба (по которой протекает агрессивный раствор) выполнена нержавеющей, а внешняя труба выполнена из конструкционной стали либо из полимерной трубы для удешевления установки в целом. В пространстве внешней трубы протекает теплоноситель в виде воды или антифриза и передает тепло раствору во внутренней трубе. Такая конструкция обусловлена тем, что отсутствуют мелкие каналы и пазы, провоцирующие закупорку и нарастание отложений внутри теплообменника, при этом создается низкое гидравлическое сопротивление потоку раствора, что благотворно сказывается на общем гидроперемешивании в реакторе. Также в данном теплообменнике отсутствуют сложнодоступные уплотнители и материалы, а в случае форс-мажорного повреждения ремонт выполняется набором слесарных инструментов и сварочным аппаратом ручной дуговой сварки, который есть в каждом предприятии где будет эксплуатироваться РУ. По внешнему периметру теплообменник утеплен минераловатным утеплителем и закрыт обшивкой из нержавеющей стали или пластиком, для исключения влияния внешних погодных факторов и сохранения полезного тепла внутри системы.
Расширительный бак (4) (фиг.2) представляет собой устройство закрытого типа, предназначенное для приема избытка теплоносителя, возникающего при его тепловом расширении в результате нагревания в системах отопления. Расширительный бак установлен на большом (закрытом) контуре теплогенератора в соответствии с инструкцией производителя бака; на этом же контуре смонтирована группа безопасности горячего контура (6) которая представляет собой устройство, применяемое для защиты закрытого контура теплообмена РУ от внештатных ситуаций в связи с колебаниями давления и завоздушивания.
Порционный накопитель воды (5) (фиг.2) выполнен трехслойным резервуаром, внутренний слой которого выполнен из нержавеющей стали для снижения коррозии, а наружный слой может быть выполнен из тонколистовой нержавеющей стали, оцинкованной стали, алюминия или пластика; причем между двух слоев уложен минераловатный или любой другой утеплитель для снижения теплопотерь и безопасности людей и животных, которые могут прикоснуться к внешнему слою накопителя. В порционном накопителе смонтированы датчики уровня и датчик температуры; может быть смонтирован электрический водонагреватель (ТЭН) для ускорения прогрева воды.
Шкаф управления (7) (фиг. 2) содержит в себе всю пускорегулирующую, вычислительную и сигнальную аппаратуру растворного узла, связан с каждым электронным элементом РУ (насосы, датчики и т.п.) посредством провода или беспроводным интерфейсом, и может быть выполнен, в зависимости от потребности заказчика, в трех вариантах: с автоматизированной системой управления (для минимального участия человека и интеграции с системой учета заказчика), с полуавтоматической или с ручной системой управления (когда каждое действие по изменению режима работы РУ необходимо выполнить оператору вручную: включить насос, перевести трубные затворы в положение «открыто/закрыто», проследить за показаниями расходомеров при дозировании воды и т.п.).
Двухконтурный теплогенератор (8) (фиг. 2) представляет собой источник тепла с двумя раздельными контурами теплообмена, при этом теплообменники контуров (внутри теплогенератора) могут быть как зависимы через общий теплоноситель, так и полностью изолированы друг от друга. Наиболее часто в качестве теплогенератора используется отопительный двухконтурный котел с жидкотопливной горелкой, работающей на дизельном топливе. Тем не менее, техническое решение не ограничивает потребителя в выборе источника тепла и, по согласованию, может быть установлен как дизельный теплогенератор, так и работающий на природном или сжиженном газе, на твердом топливе, или на масле. В ходе длительной эксплуатации, при выходе из строя ранее установленного теплогенератора, потребитель имеет возможность заменить его на любую модель представленную в текущий момент в свободной продаже, учитывая минимально допустимую мощность. Тем самым эксплуатация данного технического решения не создает зависимость потребителя от конкретного поставщика, что особенно актуально в период колебания рыночных отношений или дефицита в регионе потребителя.
Циркуляционный насос малого контура (9) (фиг.2), центробежный насос подачи воды (10), счетчик воды (11), циркуляционный насос большого контура (21) - являются общеизвестными и доступными в широкой продаже моделями. Их взаимосвязь будет описана ниже в примере приготовления раствора КАС.
РПА (15) (фиг.2) - Роторно-пульсационные аппараты типа РПА сочетают в себе принципы работы перекачивающего устройства и универсального высокоэффективного смесителя, активатора, диспергатора и гомогенизатора. Путем пульсационного, ударного, гидродинамического, кавитационного и ультразвукового воздействия на смешиваемые среды достигается не только перемешивание и измельчение, вплоть до молекулярного уровня, но и изменение конечных физико-механических свойств производимых продуктов. Различные модификации роторно-пульсационных аппаратов с успехом используются для приготовления многокомпонентных составов из трудно-смешиваемых сред, и находят применение во многих отраслях народного хозяйства. В заявленном техническом решении РПА выступает в роли дополнительного активатора при растворении компонентов, при этом, используя возможности РПА работать как перекачивающее устройство, этим же насосом осуществляется прокачивание раствора через внешний теплообменник (3), гидроперемешивание в реакторе через напорную форсунку (2.10) (фиг.5) и выдача готового раствора после приготовления. Для повышения сроки службы РПА перед его всасывающим патрубком установлен магнитный уловитель (16), который задерживает на себе все магнитные металлические включения, которые могут попасть в реактор. Вход и выход РПА снабжены сильфонными компенсаторами (20) (фиг.3) для компенсации передаваемых на трубопровод вибрационных напряжений, создаваемых при работе мощного электродвигателя РПА (18-23 кВт).
Лестница и площадка обслуживания (17) выполнены из металла, и помогают безопасно подняться на верхний уровень реактора (2) для доступа к створкам реактора и таре из которой осуществляется выгрузка сырья в реактор.
Воздуходувка (18) представляет собой общеизвестное устройство подачи большого количества несжатого воздуха. Воздух от воздуходувки, проходя через блок подогрева воздуха (19), подогревается и по системе трубопроводов попадает в барботажный обод (2.13) реактора.
Система трубопроводов, обратных клапанов и трубных затворов/кранов (12) выполнена из различных материалов, в зависимости от назначения каждого участка системы. Все трубопроводы, контактирующие непосредственно с агрессивным раствором сделаны из нержавеющей стали или химостойкого пластика (при условии приемлемой для пластика температуры раствора на данном участке трубопровода). Основная часть трубопроводов утеплена полимерным трубным утеплителем для снижения теплопотерь. Полная гидравлическая схема приведена на Фиг. 7. Взаимосвязь трубопроводов подробнее описана ниже на примере приготовления раствора КАС.
Для описания принципа работы взят целевой раствор КАС в пропорции исходных компонентов: аммиачная селитра – 1350 кг, карбамид Б – 1050 кг, вода - 600 л.
В опытном образце технического решения было приготовлено подряд три порции вышеуказанного раствора КАС (данные отображены на графике на Фиг. 8). Перед вводом в эксплуатацию установка заполняется теплоносителем (вода или антифриз) в замкнутом (большом) контуре теплообменника. Это разовая операция при монтаже и дальнейшее внимание ей уделяться не будет. Следует обратить внимание, что технологический процесс предусматривает некоторое увеличение времени приготовление первой порции раствора, т.к. требуется разогреть теплоноситель и первую порцию воды до заданной температуры, однако, в дальнейшем, нет затрат времени на догрев, т.к. теплоноситель поддерживается в установленном коридоре температур, а каждая последующая порция воды подогревается параллельно приготовлению текущей порции раствора, что существенно экономит время и повышает суточную выработку раствора, учитывая, что в эксплуатации потребитель никогда не будет готовить только одну порцию, ввиду очень большого потребления раствора, стартовый прогрев в начале смены можно считать незначительным (в то время как у всех сторонних технических решений каждая порция раствора требует предварительного разогрева воды).
Запускается циркуляционный насос большого контура (21), двухконтурный теплогенератор (8). Через питающий водопровод и центробежный насос подачи воды (10) наполняется Порционный накопитель воды (5) до заданного объема, исходя из показаний уровнемера. Включается Циркуляционный насос малого контура (9) который осуществляет круговую подачу воды из порционного накопителя через малый теплообменник теплогенератора обратно в порционный накопитель, осуществляя тем самым нагрев воды; включается ТЭН порционного накопителя при наличии. Теплоноситель большого контура достигает температуры +75-80°С, температура воды в порционном накопителе достигает +50-55°С.
Через центробежный насос подачи воды (10), теплая вода из порционного накопителя воды (5) проходя через счетчик воды (11) подается в реактор (2) через напорный патрубок подачи порционной воды (2.11). В этот момент выключается циркуляционный насос малого контура (9) и ТЭН. Согласно показаниям счетчика воды, подача воды останавливается при достижении заданной дозы (в текущем примере – 600 л). Через питающий водопровод и центробежный насос подачи воды (10) наполняется порционный накопитель воды (5) до заданного объема, исходя из показаний уровнемера. Включается циркуляционный насос малого контура (9) который осуществляет круговую подачу воды из порционного накопителя через малый теплообменник теплогенератора обратно в порционный накопитель, осуществляя тем самым нагрев воды; включается ТЭН порционного накопителя при наличии.
Трубные затворы переводятся в режим гидроперемешивания реактора с прокачиванием раствора через внешний теплообменник (3), запускается РПА (15). Начинается забор воды через основной выходной патрубок реактора (2.8) и выдача в реактор одновременно через напорный патрубок №1 (внутрифильтровый) (2.9) и напорную форсунку гидроперемешивания (2.10).
Запускается воздуходувка (18) и блок подогрева воздуха (19). Теплый воздух подается в барботажный обод (2.13) и выходит через перфорацию, создавая активное бурление воды вокруг сетчатого фильтра основного выхода реактора (2.7) и внутреннего теплообменника реактора (2.4).
Через открытые верхние створки реактора (2) начинается подача первого компонента - 1350 кг аммиачной селитры. В ручном варианте тара с аммиачной селитрой (чаще всего мягкий контейнер - Биг-Бэг с нижним растаривателем) подвешивается на крюке грузоподъемного механизма через весы, и равномерно опустошается в реактор. В автоматизированной версии растворного узла подача может осуществляться из отдельных бункеров заказчика посредством открытой транспортерной ленты, при этом есть возможность интегрировать встроенные весы отдельных бункеров в программный комплекс РУ для автоматической подачи и учета компонентов. При этом сразу же начинается растворение компонентов в воде с протеканием эндотермической реакции и снижением температуры раствора. В самой активной фазе, как видно на графике на Фиг. 8, происходит резкое понижение температуры, затем стабилизация теплового обмена с небольшим замедлением реакции. После загрузки первого компонента, таким же способом, осуществляется подача второго компонента - 1050 кг карбамида.
В процессе добавления обоих компонентов идет одновременный подогрев раствора в трех точках: внешний теплообменник реактора, внутренний теплообменник реактора и подогретый воздух барботажа. Причем внутренний теплообменник расположен максимально близко к сетчатому фильтру реактора, чтобы исключить накопление вокруг фильтра нерастворенных компонентов, активизируя растворение в этой зоне постоянным подогревом. Таким же образом действует барботаж теплым воздухом, при этом создавая постоянное перемешивание вокруг фильтра. Напорная форсунка гидроперемешивания (2.10) создает вращение раствора по внешнему радиусу реактора, препятствуя застою раствора; напорный патрубок №1 (2.9) вовлекает в зафильтровое пространство не до конца растворенные гранулы компонентов, позволяя РПА увеличить интенсивность растворения посредством механического «истирания» при циркуляции компонентов через корпус аппарата. Вышеуказанный комплекс воздействий на добавляемые компоненты позволяет очень интенсивно растворять их в воде, при этом не перегревая, для сохранения всех действующих веществ в целевом растворе.
Следует отдельно отметить высокую отказоустойчивость процесса растворения, так как даже выход из строя РПА, или теплогенератора, или воздуходувки не остановит процесс, а лишь замедлит реакцию, позволив тем самым завершить приготовление раствора и не получить некондиционный продукт с невозможностью его безопасно удалить из реактора.
После добавления последнего компонента, буквально через несколько минут, температура перестает снижаться и держится на одном уровне, что свидетельствует о замедлении эндотермической реакции ввиду малого остатка нерастворенных компонентов, соответственно потребление тепла раствором и передача его через теплообменники уравновешивается. Еще через несколько минут наблюдается устойчивый рост температуры, следовательно отбор тепла раствором прекратился. Отборы проб из реактора в этот момент показывают полное отсутствие нерастворенных частиц, раствор однородный во всех слоях. Таким образом можно сделать вывод, что растворен весь объем загруженных в реактор компонентов, и, по этой причине, в автоматизированном варианте, прекращается гидроперемешивание, закрывается магистраль барботажа, прекращается подача воздуха для экономии электроэнергии (в ручном варианте исполнения РУ необходимо вручную перевести трубные затворы на выдачу раствора, остановить подачу воздуха) и происходит выдача раствора в накопительные емкости потребителя с помощью РПА(15); при этом системой затворов изменяется так же и направление движения раствора во внешнем теплообменнике и производится откачка остатков раствора из внешнего теплообменника. Таким образом вся система полностью опорожняется от остатков раствора и не изменяет концентрацию в последующих порциях приготовленного раствора. После сигнала датчика нижнего уровня реактора, что реактор пуст, система возвращается в исходные состояния гидроперемешивания.
Начинается новый цикл приготовления: через центробежный насос подачи воды (10), теплая вода из порционного накопителя воды (5) проходя через счетчик воды (11) подается в реактор (2) и далее по вышеописанному сценарию. При этом нет никаких задержек для подогрева новой порции воды - вода уже нагрета в порционном накопителе воды во время приготовления прошлой порции раствора; теплоноситель большого контура прогревается во время выдачи раствора в накопительные емкости.
В конце рабочей смены через центробежный насос подачи воды (10), теплая вода из порционного накопителя воды (5) подается в промывочный обод (2.12) реактора, происходит смыв остатков раствора с внутренних поверхностей реактора и выдача отработанной воды через РПА в отдельные накопители потребителя. После промывки реактора промывается внешний теплообменник. При этом промыть реактор можно не только из порционного накопителя, но и пустить чистую воду напрямую от источника воды, минуя порционный накопитель. Небольшие остатки воды и тяжелые/твердые частицы опорожняются через дренажный выходной патрубок (2.14) для сбережения РПА.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков, характеризующая установка для растворения сухих и жидких компонентов в воде и водных растворах с получением жидких комплексных удобрений и карбамидо-аммиачных смесей (фиг. 4) находится в причинно-следственной связи с заявленным техническим результатом и необходима для его достижения.