RU2488421C1 - Concentration of liquid solutions - Google Patents
Concentration of liquid solutions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2488421C1 RU2488421C1 RU2012108710/05A RU2012108710A RU2488421C1 RU 2488421 C1 RU2488421 C1 RU 2488421C1 RU 2012108710/05 A RU2012108710/05 A RU 2012108710/05A RU 2012108710 A RU2012108710 A RU 2012108710A RU 2488421 C1 RU2488421 C1 RU 2488421C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- drum
- solution
- solvent
- evaporation
- liquid
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
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, жидких токсичных отходов химического производств.The invention relates to the field of separation of liquid media, and more specifically, to evaporation of solvents from solutions and to increase the concentration of solutions, including radiation and chemically hazardous substances, in particular liquid radioactive waste, liquid toxic waste from chemical industries.
Известен способ 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.A known method of concentrating liquid solutions in rotary film evaporators (film evaporators with a rotary stirrer) (Udyma PG, a training manual for the course design, installation and operation of heat and mass transfer units. Film evaporators. M., MPEI, 1985, p. 52), consisting in the fact that the solution is fed to the inner surface of the heated case and distributed over it with a thin layer of blades (scrapers), mounted on a central rotating rotor. The rotor blades create vortex structures in the solution layer that intensify heat transfer processes.
Роторно-пленочный испаритель представляет собой неподвижную подогреваемую трубу с размещенным внутри нее ротором с лопастями. Подаваемый в трубу раствор стекает в виде пленки по ее внутренней поверхности. Концентрированный продукт удаляется через спускной штуцер в сборник готового продукта, а полученный из раствора пар отводится через выходной штуцер в устройство конденсирования.The rotor-film evaporator is a stationary heated tube with a rotor with blades placed inside it. The solution supplied to the pipe flows in the form of a film on its inner surface. The concentrated product is removed through the drain fitting into the finished product collector, and the steam obtained from the solution is discharged through the outlet fitting into the condensing device.
Данный способ применяют, например, для концентрирования пищевых продуктов (молока, сыворотки, томатной пасты, фруктовых соков и т.д.).This method is used, for example, for the concentration of food products (milk, whey, tomato paste, fruit juices, etc.).
Данный способ позволяет эффективно проводить процесс концентрирования высокоминерализированных жидкостей в непрерывном режиме без роста отложений на подогреваемых поверхностях.This method allows you to effectively carry out the process of concentration of highly mineralized liquids in a continuous mode without the growth of deposits on heated surfaces.
Недостатком способа является нерешенность проблемы капельно-аэрозольного уноса, что резко снижает степень чистоты конденсируемых паров растворителя, что в свою очередь приводит к потере продукта, а 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).The disadvantage of this method is the unsolved problem of drip-aerosol entrainment, which sharply reduces the degree of purity of the condensable vapor of the solvent, which in turn leads to loss of product, and also significantly complicates the possibility of using the method for concentrating radiation and chemically hazardous substances. This drawback is due to the high circulation rates of the solvent vapor, which is created by the blades of an extended rotor that is in contact with the liquid film and rotates at a high angular velocity, which leads to the release of a large amount of dissolved microparticles (aerosols) together with the solvent vapor stream.
Кроме того, способ эффективен 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.In addition, the method is effective in the formation of films of small thickness, which requires "fine tuning" of the rotor-film evaporator due to the need to withstand small gaps between the blades of the rotating rotor and the heated inner surface of the housing.
Наиболее близким аналогом, совпадающим с заявляемым изобретением по наибольшему количеству существенных признаков, является способ концентрирования жидких растворов (Лабораторные приборы и оборудование из стекла и фарфора. Справочное издание. М., Химия, 1988, стр.211) путем испарения растворителя из тонкой пленки раствора, образующейся на внутренней поверхности вращающейся испарительной камеры (ротационное испарение). Способ 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.The closest analogue, coinciding with the claimed invention for the most significant features, is a method for concentrating liquid solutions (Laboratory instruments and equipment made of glass and porcelain. Reference publication. M., Chemistry, 1988, p. 211) by evaporation of the solvent from a thin film of solution formed on the inner surface of a rotating evaporation chamber (rotational evaporation). The method consists in the fact that a certain amount of a liquid solution is loaded into the evaporation chamber having the shape of a flask through a loading opening, the flask is rotated at an angle to the horizontal, while the bottom of the flask is immersed in hot liquid (water, oil, etc.). Heat is transferred from the hot liquid through the glass wall of the flask to the solution, heating it. During rotation, a solution film is formed on the inner surface of the flask, from which the solvent evaporates. The inner cavity of the flask is connected to a condenser made in the form of a tube with flowing cold water, in which solvent vapor is collected for condensation. Since steam is converted into liquid on the heat-exchanging surface of the condenser, a vacuum is created in the inner cavity of the flask, which is compensated by further evaporation from the solution film. During evaporation, heat is removed from the film itself and the adjacent glass wall, which is replenished by periodic immersion of the outer surface of the bulb wall in a hot liquid. After reaching a predetermined level of concentration of the solution, the rotation of the flask is stopped and the concentrated product is discharged through the same hole through which the solution was charged.
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.Due to the formation of a film on the inner surface of the flask, the evaporation area increases, while the process of vaporization is intensified. When selecting temperature conditions, a sufficiently high degree of purity of the condensable solvent vapor is provided.
Способ применяется в химической, нефтехимической, химико-фармацевтической, медицинской и пищевой отраслях промышленности, позволяет 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.The method is used in the chemical, petrochemical, pharmaceutical, medical and food industries, allows distillation of thermally unstable substances in mild temperature conditions, distillation of a mixture of high-boiling substances that cannot be separated by conventional distillation, degassing of liquids, evaporation of liquids, distillation of easily foaming substances and etc.
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.The disadvantage of this method is that the concentration process is periodic, due to the need to stop the rotation of the flask to unload the concentrated product and load a new portion of the solution. In the process of evaporation, the level of the solution in the flask gradually decreases, and, consequently, the surface of the film decreases, which leads to a decrease in the evaporation efficiency and ultimately a decrease in the productivity of the process. In addition, a sedimentary deposit forms on the inner surface of the flask, which is removed by periodic washing, which increases the volume of secondary waste, the disposal of which requires additional costs and complicates the process, especially when concentrating radiation and chemically hazardous substances.
Заявляемый способ концентрирования жидких растворов позволяет устранить указанные недостатки и 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 требуются остановы для периодической отмывки оборудования от отложений, что сокращает объем вторичных отходов.The inventive method of concentrating liquid solutions eliminates these disadvantages and provides the required quality indicators of the concentrated product and the condensable vapor of the solvent in continuous operation without reducing performance in a wide range of concentrations of solutions, while during operation no shutdowns are required for periodic washing of equipment from deposits, which reduces secondary waste.
Технический эффект достигается тем, что способ концентрирования жидких растворов включает нагрев раствора, испарение растворителя из пленки раствора, сбор паров растворителя для конденсирования, выгрузку концентрированного продукта. Причем пленку раствора формируют на внутренней поверхности вращающегося барабана цилиндрической или другой формы, по меньшей мере, одного, из раствора, который подают внутрь барабана, при этом обеспечивают перемещение раствора в сторону выгрузки. Тепловую мощность, затрачиваемую на испарение растворителя, скорость вращения барабана и уровень раствора внутри барабана выбирают из условия обеспечения выгрузки концентрированного продукта в виде жидкости, а расход подаваемого в барабан раствора G определяют из соотношенияThe technical effect is achieved by the fact that the method of concentrating liquid solutions involves heating the solution, evaporating the solvent from the solution film, collecting solvent vapor for condensation, unloading the concentrated product. Moreover, the film of the solution is formed on the inner surface of the rotating drum of a cylindrical or other form of at least one of the solution that is fed into the drum, while the solution is moved to the discharge side. The heat power spent on evaporation of the solvent, the rotation speed of the drum and the level of the solution inside the drum are selected from the condition of providing unloading of the concentrated product in the form of a liquid, and the flow rate of solution G supplied to the drum is determined from the ratio
Q - тепловая мощность, затрачиваемая на испарение растворителя, [Вт];Q - thermal power spent on the evaporation of the solvent, [W];
cp - теплоемкость нагреваемого раствора, [Дж/(кг·град)];c p is the heat capacity of the heated solution, [J / (kg · deg)];
t' - температура растворителя на линии насыщения пар-жидкость, [°C];t 'is the temperature of the solvent on the vapor-liquid saturation line, [° C];
t - температура подаваемого раствора, [°C];t is the temperature of the feed solution, [° C];
r - теплота парообразования растворителя, [Дж/кг];r is the heat of vaporization of the solvent, [J / kg];
w2 - концентрация растворенного вещества в выгружаемом продукте, [кг/кг];w 2 is the concentration of solute in the unloaded product, [kg / kg];
w1 - концентрация растворенного вещества в подаваемом растворе, [кг/кг].w 1 is the concentration of solute in the feed solution, [kg / kg].
Нагревают раствор до температуры ниже температуры его кипения преимущественно путем нагревания внутренней поверхности барабана.The solution is heated to a temperature below its boiling point, mainly by heating the inner surface of the drum.
Тепловую мощность, затрачиваемую на испарение растворителя, определяют из соотношенияThe thermal power spent on the evaporation of the solvent is determined from the ratio
qF - средняя плотность теплового потока, подводимого к внутренней поверхности барабана, [Вт/м];q F is the average density of the heat flux supplied to the inner surface of the drum, [W / m];
L - длина внутренней поверхности барабана, [м];L is the length of the inner surface of the drum, [m];
k - коэффициент, учитывающий влияние отклонения формы внутренней поверхности от цилиндрического вида.k is a coefficient taking into account the effect of deviation of the shape of the inner surface from a cylindrical view.
При концентрировании радиационно и химически опасных веществ, в частности, жидких радиоактивных отходов, жидких токсичных отходов химического производства, тепловую мощность, затрачиваемую на испарение растворителя, скорость вращения барабана и уровень раствора внутри барабана выбирают из условия обеспечения выгрузки концентрированного продукта в виде жидкости, исключая осушение пленки раствора.When concentrating radiation and chemically hazardous substances, in particular liquid radioactive waste, liquid toxic chemical waste, the thermal power spent on evaporating the solvent, the rotation speed of the drum and the level of the solution inside the drum are selected from the condition that the concentrated product is discharged in the form of a liquid, excluding drainage solution films.
Сбор паров растворителя и их конденсирование может проводится во внутренней полости барабана.The collection of solvent vapor and their condensation can be carried out in the inner cavity of the drum.
Нагрев раствора, испарение растворителя из пленки раствора, выгрузку концентрированного продукта осуществляют преимущественно при вращающемся барабане.The heating of the solution, the evaporation of the solvent from the film of the solution, the discharge of the concentrated product is carried out mainly with a rotating drum.
При вращении барабана дополнительно очищают его внутреннюю поверхность от отложений в непрерывном или периодическом режиме, очистку проводят преимущественно под уровнем раствора.When the drum rotates, its inner surface is additionally cleaned of deposits in a continuous or batch mode, cleaning is carried out mainly under the level of the solution.
Дополнительно создают разряжение во внутренней полости барабана.Additionally create a vacuum in the inner cavity of the drum.
Барабан может быть размещен в корпусе, внутри которого создают разряжение.The drum can be placed in the housing, inside which create a vacuum.
Подача раствора внутрь барабана, перемещение раствора в сторону выгрузки и условие выгрузки концентрированного продукта в виде жидкости 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 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 в полости барабана, что приводит к увеличению давления насыщенных паров растворителя на границе раздела фаз и их выходу (диффузии) в полость барабана. При этом площадь испарения остается постоянной, что обеспечивает проведение процесса концентрирования без снижения производительности.The supply of the solution inside the drum, the movement of the solution in the discharge direction and the condition for unloading the concentrated product in the form of a liquid provide for the creation of a solution flow in the lower part of the drum. When the drum rotates, its inner surface is periodically immersed in the solution and a thin film of the solution is formed on it. The heating of the solution is carried out mainly by heating the inner surface of the drum. In this case, the film warms up due to contact with a heating surface. Due to the small thickness of the film, both the film itself and its surface in contact with the vapor-gas medium in the drum cavity are rapidly heated, which leads to an increase in the pressure of saturated solvent vapors at the interface and their exit (diffusion) into the drum cavity. In this case, the evaporation area remains constant, which ensures the concentration process without compromising productivity.
Производительность установки может быть повышена за счет увеличения площади испарения при использовании нескольких барабанов, объединенных между собой в группу, и образующих систему концентрирования жидких растворов. Барабаны могут быть расположены, например, последовательно, параллельно или концентрично.The productivity of the installation can be improved by increasing the evaporation area when using several drums, combined among themselves in a group, and forming a system of concentration of liquid solutions. The drums can be arranged, for example, in series, parallel or concentric.
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.As the solvent evaporates, the concentration of the solution flowing in the drum increases and reaches a maximum in the zone of product discharge from the drum. The intensive evaporation process is carried out continuously.
Установленное соотношение, связывающее параметры процесса, позволяет провести расчет расхода подаваемого в барабан раствора с известными (измеряемыми) параметрами (концентрация, температура, физические и химические свойства) для обеспечения заданных выходных параметров концентрированного продукта в широком диапазоне изменений концентраций растворов.The established relationship between the process parameters allows the calculation of the flow rate of the solution supplied to the drum with known (measured) parameters (concentration, temperature, physical and chemical properties) to ensure the specified output parameters of the concentrated product in a wide range of solutions concentration changes.
Нагрев раствора до температуры ниже температуры его кипения позволяет исключить объемное и поверхностное кипение раствора, тем самым исключая капельный унос раствора и позволяя обеспечить требуемые показатели качества конденсируемых паров без потери продукта.Heating the solution to a temperature below its boiling point eliminates the volumetric and surface boiling of the solution, thereby eliminating drip entrainment of the solution and allowing to provide the required quality indicators of condensed vapors without loss of product.
При концентрировании радиационно и химически опасных веществ, в частности, жидких радиоактивных отходов, жидких токсичных отходов химического производства, выбором параметров процесса дополнительно исключают осушение пленки раствора на внутренней поверхности барабана, тем самым предотвращают возникновение и унос пылевидных аэрозолей в зону конденсирования паров, что не только увеличивает степень чистоты паров растворителя, но и повышает безопасность процесса, устраняет вредное воздействие на персонал и окружающую среду.When concentrating radiation and chemically hazardous substances, in particular liquid radioactive waste, liquid toxic chemical waste, by selecting process parameters, the drying of the solution film on the inner surface of the drum is additionally excluded, thereby preventing the formation and entrainment of dusty aerosols into the vapor condensation zone, which is not only increases the degree of purity of solvent vapor, but also increases the safety of the process, eliminates the harmful effects on personnel and the environment.
Наиболее рациональным по конструктивному исполнению и энергетическим затратам является нагрев раствора путем нагревания внутренней поверхности барабана. В этом случае тепловую мощность, затрачиваемую на испарение растворителя, определяют из соотношения, учитывающего конструктивные особенности барабана. Нагрев раствора может обеспечиваться и другими способами, в частности, подачей внутрь барабана нагретого газа, который может использоваться и для отвода паров растворителя в случае их конденсирования вне барабана.The most rational in terms of design and energy costs is heating the solution by heating the inner surface of the drum. In this case, the thermal power spent on the evaporation of the solvent is determined from the ratio taking into account the design features of the drum. The solution can be heated by other methods, in particular, by supplying heated gas into the drum, which can also be used to remove solvent vapors if they are condensed outside the drum.
Для обеспечения компактности установок, реализующих заявляемый способ концентрирования, сбор паров растворителя и их конденсирование может проводиться во внутренней полости барабана. Такое конструктивное решение особенно целесообразно при создании мобильных установок концентрирования жидких растворов.To ensure the compactness of installations that implement the inventive method of concentration, the collection of solvent vapor and their condensation can be carried out in the inner cavity of the drum. Such a constructive solution is especially advisable when creating mobile installations for concentrating liquid solutions.
Нагрев раствора, испарение растворителя из пленки раствора, выгрузку концентрированного продукта осуществляют преимущественно при вращающемся барабане, что позволяет обеспечить непрерывность процесса концентрирования жидких растворов.The heating of the solution, the evaporation of the solvent from the film of the solution, the unloading of the concentrated product is carried out mainly with a rotating drum, which ensures the continuity of the process of concentration of liquid solutions.
Для формирования и удерживания тонкой пленки раствора на внутренней поверхности барабана эта поверхность выполняется смачиваемой, что обеспечивается использованием соответствующих материалов и обработкой поверхности.To form and hold a thin film of solution on the inner surface of the drum, this surface is wettable, which is ensured by the use of appropriate materials and surface treatment.
Для достижения требуемой чистоты внутренней греющей поверхности барабана дополнительно может проводиться ее очистка от отложений в непрерывном или периодическом режиме. Очистку проводят 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.To achieve the required purity of the inner heating surface of the drum, it can additionally be cleaned of deposits in continuous or batch mode. Cleaning is carried out mainly under the level of the solution, which contributes to the most rapid destruction and dissolution of deposits, respectively, significantly reduces the time of forced shutdowns for washing and washing equipment, and also minimizes the amount of secondary waste.
К внутренней полости барабана может быть подсоединена система создания разряжения (пониженное давление относительно атмосферного давления) для интенсификации испарения и предотвращения выхода газообразных продуктов в помещение.A negative pressure system (reduced pressure relative to atmospheric pressure) can be connected to the inner cavity of the drum to intensify evaporation and prevent the release of gaseous products into the room.
Барабан может быть размещен в корпусе, внутри которого создают разряжение. При этом корпус может также использоваться в качестве несущей конструкции для барабана, нагревательных элементов, подводящих и отводящих патрубков и других элементов установки концентрирования.The drum can be placed in the housing, inside which create a vacuum. In this case, the housing can also be used as a supporting structure for the drum, heating elements, inlet and outlet pipes and other elements of the concentration unit.
Графическое изображение представлено в виде схемы установки концентрирования жидких растворов, где 1 - барабан; 2 - привод вращения; 3 - нагревательный элемент; 4 - корпус; 5 - приспособление для очистки от отложений; 6 - система дозированной подачи раствора; 7 -система выгрузки и сбора концентрированного продукта; 8 - система сбора, конденсирования паров и отвода конденсата; 9 - система создания разряжения; 10 - уровень раствора.The graphic image is presented in the form of a scheme for the installation of concentration of liquid solutions, where 1 is a drum; 2 - rotation drive; 3 - heating element; 4 - case; 5 - device for cleaning from deposits; 6 - a system of dosed supply of a solution; 7 - a system for unloading and collecting concentrated product; 8 - a system for collecting, condensing vapors and condensate drain; 9 - a system for creating a vacuum; 10 - solution level.
Заявляемый способ реализуется следующим образом.The inventive method is implemented as follows.
Жидкий раствор подают во вращающийся барабан (1) системой дозированной подачи раствора (6) и обеспечивают перемещение раствора в сторону выгрузки под действием гравитационных сил. При этом формируется поток раствора в нижней части барабана (1). Перемещение раствора можно дополнительно ускорить, например, за счет наклона барабана (1) в сторону выгрузки.The liquid solution is fed into the rotating drum (1) by the dosed solution supply system (6) and the solution is moved to the discharge side under the influence of gravitational forces. In this case, a solution flow is formed in the lower part of the drum (1). The movement of the solution can be further accelerated, for example, by tilting the drum (1) towards the discharge side.
Производят измерение параметров подаваемого раствора: концентрацию растворенного вещества - w1 [кг/кг]; температуру - t [°C]; определяют свойства раствора: теплоемкость - cp [Дж/(кг-град)]; температуру растворителя на линии насыщения пар-жидкость - t' [°C]; теплоту парообразования растворителя - r [Дж/кг].Measure the parameters of the feed solution: the concentration of the dissolved substance is w 1 [kg / kg]; temperature - t [° C]; determine the properties of the solution: heat capacity - c p [J / (kg-deg)]; the temperature of the solvent on the vapor-liquid saturation line is t '[° C]; the heat of vaporization of the solvent is r [J / kg].
Вращение барабана (1) осуществляют приводом вращения (2). Скорость вращения барабана, уровень раствора внутри барабана (10) и тепловую мощность, затрачиваемую на испарение растворителя, выбирают экспериментально из условия обеспечения выгрузки концентрированного продукта в виде жидкости с требуемой концентрацией. Выгрузку обеспечивает система выгрузки и сбора концентрированного продукта (7). При выгрузке контролируют заданную концентрацию растворенного вещества в выгружаемом продукте - w2 [кг/кг]. Подачу раствора и выгрузку концентрированного продукта производят преимущественно с противоположных торцов барабана (1). Выгрузка может быть произведена как у торца барабана (1), где достигается максимальная концентрация продукта, так и в нескольких точках вдоль образующей барабана, что позволяет получить раствор различной концентрации без изменений параметров процесса.The rotation of the drum (1) is carried out by a rotation drive (2). The rotation speed of the drum, the level of the solution inside the drum (10), and the thermal power spent on the evaporation of the solvent are chosen experimentally from the condition of ensuring the discharge of the concentrated product in the form of a liquid with the required concentration. Unloading is provided by the system for unloading and collecting concentrated product (7). When unloading control the specified concentration of solute in the unloaded product - w 2 [kg / kg]. The solution is supplied and the concentrated product is unloaded mainly from opposite ends of the drum (1). Unloading can be performed both at the end of the drum (1), where the maximum concentration of the product is achieved, and at several points along the generatrix of the drum, which makes it possible to obtain a solution of various concentrations without changing the process parameters.
В приведенной схеме нагрев раствора осуществляется нагреванием внутренней поверхности барабана (1) нагревательным элементом (3), расположенным вне барабана. Нагревание барабана может осуществляться электрическими нагревательными элементами либо от паровой рубашки, в которую подают греющий пар. При использовании нескольких барабанов, концентрирование растворов в которых осуществляется с различными температурными режимами, в некоторых схемах расположения барабанов в качестве греющего пара для одного барабана могут быть использованы пары растворителя, отводимые из внутренней полости другого барабана.In the above scheme, the heating of the solution is carried out by heating the inner surface of the drum (1) with a heating element (3) located outside the drum. The drum may be heated by electric heating elements or from a steam jacket into which heating steam is supplied. When using several drums, the concentration of solutions in which is carried out with different temperature conditions, in some drums layout schemes, solvent vapors removed from the inner cavity of another drum can be used as heating steam for one drum.
Пары растворителя из внутренней полости барабана (1) поступают в систему сбора, конденсирования паров и отвода конденсата (8), в приведенной схеме эта система размещена вне барабана. Сбор паров и их конденсирование может осуществляться внутри барабана (1), что обеспечит большую компактность установки.Solvent vapors from the inner cavity of the drum (1) enter the system for collecting, condensing vapors and condensate drain (8); in the above diagram, this system is placed outside the drum. The collection of vapors and their condensation can be carried out inside the drum (1), which will ensure greater compactness of the installation.
В процессе концентрирования поддерживают требуемую чистоту внутренней поверхности барабана (1) приспособлением для очистки от отложений (5), размещаемом предпочтительно под уровнем раствора для получения большей эффективности очистки.During the concentration process, the required cleanliness of the inner surface of the drum (1) is maintained with a deposit cleaner (5), preferably placed below the level of the solution, in order to obtain greater cleaning efficiency.
Для интенсификации испарения и предотвращения выхода газообразных продуктов в помещение установки процесс проводят при пониженном давлении во внутренней полости барабана (1), которое обеспечивают системой создания разряжения (9). Разряжение может создаваться либо непосредственно внутри барабана (1), либо внутри герметичного корпуса (4), в котором размещают барабан (1).To intensify evaporation and prevent the release of gaseous products into the installation room, the process is carried out under reduced pressure in the inner cavity of the drum (1), which is provided with a vacuum generation system (9). The vacuum can be created either directly inside the drum (1), or inside a sealed enclosure (4) in which the drum (1) is placed.
Установка оснащается приборами контроля основных рабочих параметров, а также органами управления для регулирования и поддержания процесса концентрирования (на схеме не указаны).The installation is equipped with instruments for monitoring the main operating parameters, as well as controls for regulating and maintaining the concentration process (not shown in the diagram).
Заявляемым способом может быть проведена концентрация жидких радиоактивных отходов (ЖРО) атомной станции (АЭС) в широком диапазоне рабочих параметров - 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.The inventive method can be carried out the concentration of liquid radioactive waste (LRW) of a nuclear power plant (NPP) in a wide range of operating parameters - from the primary evaporation of LRW from the waste water collection tanks to various concentrations to produce bottoms (BO), concentrated bottoms (BWC) up to to obtain a concentrated salt melt.
При упаривании трапных вод в барабан подают ЖРО с концентрацией (в массовых долях) солей (w1) 0,005-0,01 кг/кг, при температуре (t) 25°C. Теплоемкость нагреваемого раствора (cp) 4181 Дж/(кг·град), температура воды (растворителя) на линии насыщения пар-жидкость (t') 100°C, теплота парообразования воды (r) 2256000 Дж/кг.When evaporating drain water, LRW is fed into the drum with the concentration (in mass fractions) of salts (w 1 ) 0.005-0.01 kg / kg, at a temperature (t) of 25 ° C. The heat capacity of the heated solution (c p ) is 4181 J / (kg · deg), the temperature of the water (solvent) on the vapor-liquid saturation line (t ') is 100 ° C, and the heat of vaporization of water (r) is 2256000 J / kg.
Процесс упаривания проводят в цилиндрическом барабане с диаметром внутренней поверхности 0,8 м и длиной внутренней (рабочей) поверхности 4 м.The evaporation process is carried out in a cylindrical drum with a diameter of the inner surface of 0.8 m and a length of the inner (working) surface of 4 m.
Нагрев барабана осуществляют внешними тепловыми излучателями, установленными на корпусе. В качестве тепловых излучателей используют стандартные керамические излучатели типа LFFE (большой наполненный плоский элемент) размером 245×95 мм и мощностью 300 - 1400 Вт. Основная поверхностная температура теплоотдачи 596°C, длина волны 3,35 нм. Количество нагревательных элементов - 50 штук. При этом средняя плотность теплового потока, подводимого к внутренней поверхности барабана (qF), составляет 6,9 кВт/м2.The drum is heated by external heat emitters mounted on the housing. As heat emitters, standard ceramic emitters of the LFFE type (large filled flat element) with a size of 245 × 95 mm and a power of 300 - 1400 W are used. The main surface heat transfer temperature is 596 ° C, the wavelength is 3.35 nm. The number of heating elements is 50 pieces. The average density of the heat flux supplied to the inner surface of the drum (q F ) is 6.9 kW / m 2 .
Тепловую мощность, затрачиваемую на испарение растворителя, определяют из соотношенияThe thermal power spent on the evaporation of the solvent is determined from the ratio
Такая тепловая мощность обеспечивает нагревание раствора ЖРО до температуры ниже температуры его кипения, что исключает капельный унос радионуклидов и позволяет обеспечить требуемые показатели качества конденсируемых паров.Such thermal power provides heating of the LRW solution to a temperature below its boiling point, which eliminates the drop entrainment of radionuclides and allows to provide the required quality indicators of condensed vapors.
Для данного процесса скорость вращения барабана составляет 15-30 об/мин, а уровень раствора внутри барабана поддерживают не менее 30 мм, что при установленной тепловой мощности исключает также осушение пленки ЖРО на внутренней поверхности барабана и, следовательно, исключает образование аэрозолей.For this process, the rotational speed of the drum is 15-30 rpm, and the solution level inside the drum is maintained at least 30 mm, which, at the installed heat output, also eliminates the drainage of the LRW film on the inner surface of the drum and, therefore, excludes the formation of aerosols.
Благодаря отсутствию кипения и образования аэрозолей достигается высокий коэффициент очистки конденсата паров (до K=106).Due to the absence of boiling and the formation of aerosols, a high coefficient of vapor condensate purification is achieved (up to K = 10 6 ).
Процесс упаривания проводят при разряжении в корпусе и, соответственно, во внутренней полости барабана 0,02÷0,1 МПа.The evaporation process is carried out during discharge in the housing and, accordingly, in the inner cavity of the drum 0.02 ÷ 0.1 MPa.
Упаривание ЖРО проводят до получения кубового остатка с концентрацией (в массовых долях) солей при выгрузке (w2) 0,16 кг/кг.Evaporation of LRW is carried out to obtain a still bottom with a concentration (in mass fractions) of salts during unloading (w 2 ) of 0.16 kg / kg.
Расход подаваемого в барабан раствора G определяют из соотношенияThe flow rate of solution G supplied to the drum is determined from the ratio
Массовый расход паров воды при этом составит 0,0272 кг/с, а массовый расход концентрированного продукта - 0,0018 кг/с.The mass flow rate of water vapor in this case will be 0.0272 kg / s, and the mass flow rate of the concentrated product is 0.0018 kg / s.
Годовая производительность по расходу подаваемого раствора составляет 781 м3 в год.The annual flow rate of the feed solution is 781 m 3 per year.
При проведении на той же установке процесса доупаривания кубового остатка в барабан подают ЖРО с концентрацией солей (w,) 0,16 кг/кг, при температуре (t) 25°C. Теплоемкость нагреваемого раствора (Cp) 4110 Дж/(кг·град). Для получения концентрата с содержанием солей 0,45 кг/кг расход подаваемого в барабан раствора устанавливают и поддерживают на уровне 0,0424 кг/с.When the bottling process is completed at the same installation, LRW is fed into the drum with a salt concentration (w,) of 0.16 kg / kg, at a temperature (t) of 25 ° C. The heat capacity of the heated solution (C p ) 4110 J / (kg · deg). To obtain a concentrate with a salt content of 0.45 kg / kg, the flow rate of the solution supplied to the drum is set and maintained at the level of 0.0424 kg / s.
Массовый расход паров воды при этом составит 0,0273 кг/с, а массовый расход упаренного продукта - 0,0151 кг/с.The mass flow rate of water vapor in this case will be 0.0273 kg / s, and the mass flow rate of one stripped off product is 0.0151 kg / s.
Годовая производительность по расходу подаваемого раствора составляет 1102 м3 в год.The annual productivity of the flow rate of the supplied solution is 1102 m 3 per year.
При глубоком упаривании ККО до солевого плава на той же установке в барабан подают ЖРО с концентрацией солей (w1) 0,45 кг/кг, при температуре (t) 25°C. Теплоемкость нагреваемого раствора (cp) 3890 Дж/(кг·град). Для получения солевого плава с концентрацией солей 1,0 кг/кг расход подаваемого в барабан раствора устанавливают и поддерживают на уровне 0,050 кг/с.Upon deep evaporation of KCO before salt melt at the same installation, LRW with a salt concentration (w 1 ) of 0.45 kg / kg, at a temperature (t) of 25 ° C is fed into the drum. The heat capacity of the heated solution (c p ) 3890 J / (kg · deg). To obtain a salt melt with a salt concentration of 1.0 kg / kg, the flow rate of the solution supplied to the drum is set and maintained at 0.050 kg / s.
Годовая производительность по расходу подаваемого раствора составляет 1117 м3 в год.The annual productivity of the flow rate of the supplied solution is 1117 m 3 per year.
Годовой объем переработки кубового остатка соизмерим с аналогичным показателем действующих на АЭС установок глубокого упаривания УГУ-500.The annual volume of bottoms residue processing is commensurate with that of the deep evaporation units UGU-500 operating at nuclear power plants.
Промывку барабана производят один раз в год перед плановым предупредительным ремонтом (ПНР). При этом объем вторичных ЖРО составляет - 0,2% от объема упаривания.The washing of the drum is carried out once a year before the scheduled preventive repair (NDP). The volume of secondary LRW is 0.2% of the evaporation volume.
Возможно создание системы концентрирования ЖРО на АЭС из группы соединенных между собой установок.It is possible to create a system for concentrating LRW at nuclear power plants from a group of interconnected plants.
Таким образом, способ концентрирования жидких растворов позволяет обеспечить требуемые показатели качества концентрированного продукта и конденсируемых паров растворителя в непрерывном режиме работы без снижения производительности в широком диапазоне изменения концентраций растворов при низком показателе вторичных ЖРО.Thus, the method of concentration of liquid solutions allows to provide the required quality indicators of the concentrated product and condensable solvent vapor in continuous operation without reducing performance in a wide range of solution concentrations at a low secondary LRW.
Кроме того, способ не требует сложного оборудования и дорогостоящих материалов, чем обеспечивается его дешевизна. А также способ не требует штата обслуживающего персонала, который дополнительно к управлению процессом постоянно выполняет работы по обслуживанию, ремонту и отмывке оборудования от отложений, что снижает эксплуатационные расходы, а в случае концентрирования радиационно опасных веществ снижает дозовые нагрузки на персонал.In addition, the method does not require sophisticated equipment and expensive materials, which ensures its low cost. Also, the method does not require a staff of maintenance personnel, which in addition to process control constantly performs maintenance, repair and washing of equipment from deposits, which reduces operating costs, and in the case of concentration of radiation-hazardous substances, reduces dose loads on personnel.
Claims (11)
где Q - тепловая мощность, затрачиваемая на испарение растворителя, Вт;
cp - теплоемкость нагреваемого раствора, Дж/(кг·град);
t' - температура растворителя на линии насыщения пар-жидкость, °С;
t - температура подаваемого раствора, °С;
r - теплота парообразования растворителя, Дж/кг;
w2 - концентрация растворенного вещества в выгружаемом продукте, кг/кг;
w1 - концентрация растворенного вещества в подаваемом растворе, кг/кг.1. A method of concentrating liquid solutions, including heating the solution, evaporating the solvent from the solution film, collecting solvent vapor for condensation, unloading the concentrated product, characterized in that the solution film is formed on the inner surface of the rotating drum of a cylindrical or other shape of at least one of solution, which is fed into the drum, providing the solution moving in the direction of discharge, while the thermal power spent on the evaporation of the solvent, the rotation speed b Rab and solution level within the drum are selected from the conditions for ensuring discharge of the concentrated product in liquid form, and the flow rate supplied to the drum G solution is determined from the relation
where Q is the thermal power spent on the evaporation of the solvent, W;
c p is the heat capacity of the heated solution, J / (kg · deg);
t 'is the temperature of the solvent on the vapor-liquid saturation line, ° C;
t is the temperature of the feed solution, ° C;
r is the heat of vaporization of the solvent, J / kg;
w 2 is the concentration of solute in the unloaded product, kg / kg;
w 1 is the concentration of solute in the feed solution, kg / kg
где qF - средняя плотность теплового потока, подводимого к внутренней поверхности барабана, Вт/м2;
L - длина внутренней поверхности барабана, м;
k - коэффициент, учитывающий влияние отклонения формы внутренней поверхности от цилиндрического вида.4. The method according to claim 3, characterized in that the thermal power spent on the evaporation of the solvent is determined from the ratio
where q F is the average density of the heat flux supplied to the inner surface of the drum, W / m 2 ;
L is the length of the inner surface of the drum, m;
k is a coefficient taking into account the effect of deviation of the shape of the inner surface from a cylindrical view.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012108710/05A RU2488421C1 (en) | 2012-03-07 | 2012-03-07 | Concentration of liquid solutions |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012108710/05A RU2488421C1 (en) | 2012-03-07 | 2012-03-07 | Concentration of liquid solutions |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2488421C1 true RU2488421C1 (en) | 2013-07-27 |
Family
ID=49155582
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012108710/05A RU2488421C1 (en) | 2012-03-07 | 2012-03-07 | Concentration of liquid solutions |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2488421C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2594568C1 (en) * | 2015-06-15 | 2016-08-20 | Публичное акционерное общество "Машиностроительный завод" (ПАО "Машиностроительный завод") | Device for processing liquid radioactive wastes |
RU2619768C1 (en) * | 2016-06-08 | 2017-05-18 | Виталий Алексеевич Узиков | Emission installation for concentration of liquid solutions |
RU2761207C1 (en) * | 2021-02-07 | 2021-12-06 | Виталий Алексеевич Узиков | Film evaporation drum |
RU2802476C1 (en) * | 2022-05-05 | 2023-08-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for evaporation of radioactive solutions of rotary type |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5356451A (en) * | 1993-12-20 | 1994-10-18 | Corning Incorporated | Method and apparatus for vaporization of liquid reactants |
RU2143145C1 (en) * | 1998-09-11 | 1999-12-20 | Институт эколого-технологических проблем | Method and plant for concentrating aqueous salt solutions |
RU2164045C2 (en) * | 1999-04-15 | 2001-03-10 | Государственное предприятие Ленинградская атомная электростанция им. В.И. Ленина | Method for decontaminating liquid wastes of nuclear power stations |
RU2179163C2 (en) * | 2000-03-27 | 2002-02-10 | Левинский Борис Владимирович | Method and apparatus for concentrating humin acid salt solutions |
RU2195726C2 (en) * | 2000-10-23 | 2002-12-27 | Государственное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт им. А.П.Александрова" | Method for neutralizing slightly mineralized low-activity wastes in field conditions |
RU2285808C2 (en) * | 2005-01-11 | 2006-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (СГТУ) | Method for operation of cooling system for thermal and nuclear power stations with cooling water bodies |
-
2012
- 2012-03-07 RU RU2012108710/05A patent/RU2488421C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5356451A (en) * | 1993-12-20 | 1994-10-18 | Corning Incorporated | Method and apparatus for vaporization of liquid reactants |
RU2143145C1 (en) * | 1998-09-11 | 1999-12-20 | Институт эколого-технологических проблем | Method and plant for concentrating aqueous salt solutions |
RU2164045C2 (en) * | 1999-04-15 | 2001-03-10 | Государственное предприятие Ленинградская атомная электростанция им. В.И. Ленина | Method for decontaminating liquid wastes of nuclear power stations |
RU2179163C2 (en) * | 2000-03-27 | 2002-02-10 | Левинский Борис Владимирович | Method and apparatus for concentrating humin acid salt solutions |
RU2195726C2 (en) * | 2000-10-23 | 2002-12-27 | Государственное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт им. А.П.Александрова" | Method for neutralizing slightly mineralized low-activity wastes in field conditions |
RU2285808C2 (en) * | 2005-01-11 | 2006-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (СГТУ) | Method for operation of cooling system for thermal and nuclear power stations with cooling water bodies |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2594568C1 (en) * | 2015-06-15 | 2016-08-20 | Публичное акционерное общество "Машиностроительный завод" (ПАО "Машиностроительный завод") | Device for processing liquid radioactive wastes |
RU2619768C1 (en) * | 2016-06-08 | 2017-05-18 | Виталий Алексеевич Узиков | Emission installation for concentration of liquid solutions |
RU2761207C1 (en) * | 2021-02-07 | 2021-12-06 | Виталий Алексеевич Узиков | Film evaporation drum |
RU2802476C1 (en) * | 2022-05-05 | 2023-08-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for evaporation of radioactive solutions of rotary type |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3030854B1 (en) | Process and apparatus for treating sludge | |
RU2488421C1 (en) | Concentration of liquid solutions | |
US5443695A (en) | Distillation apparatus for concentrating less volatile liquids | |
JPH02153082A (en) | Method and apparatus for peprocessing waste plranha acid | |
JPS599604B2 (en) | Method and apparatus for processing mill scale | |
CN204973107U (en) | Industrial waste water's evaporation processing apparatus | |
CA1162878A (en) | Solid/liquid separation through liquid vaporization and condensation, and apparatus therefor | |
US10723634B1 (en) | Systems and methods for gas transport desalination | |
RU2619768C1 (en) | Emission installation for concentration of liquid solutions | |
US8092646B2 (en) | Method and apparatus for thermocapillary evaporation | |
JPH10330104A (en) | Device for continuously purifying waste sulfuric acid and purification and heater-supporting structure in heating device made from glass | |
US4342624A (en) | Vapor compression liquid treating system | |
CN112354199A (en) | Single-effect external circulation concentrator based on electric heating | |
CN208990815U (en) | A kind of cage stirring crystallizing evaporator | |
CN208287524U (en) | A kind of vacuum-concentrcted equipment | |
CN210528509U (en) | Energy-saving water distiller | |
GB2400603A (en) | Desalination apparatus and method | |
RU2761207C1 (en) | Film evaporation drum | |
CN208852909U (en) | A kind of distilling apparatus that Experiment of Organic Chemistry condensation effect is good | |
JP2017144395A (en) | Solvent recovery device | |
CN105641963B (en) | Liquid treatment equipment | |
EP1340527A1 (en) | Evaporator with heat surface formed by an open, descending channel in the shape of a concentric spiral | |
RU2354429C1 (en) | Film evaporating apparatus with climbing film | |
JP4157804B2 (en) | Solvent recovery device | |
RU2775889C1 (en) | Method and unit for isotopic separation of water with molecules containing heavy hydrogen isotopes |