Get Adobe Flash player
Главная Статьи Выпарные аппараты с рекомпрессией водяного пара – энергосберегающая технология и оборудование (ЭСВА)

Выпарные аппараты с рекомпрессией водяного пара – энергосберегающая технология и оборудование (ЭСВА)

"Мир гальваники", 2015

Выпарные аппараты с рекомпрессией водяного пара –  энергосберегающая технология и оборудование (ЭСВА)

Поворов А.А., к.т.н., Павлова В.Ф., к.т.н., Корнилова Н.В., Шиненкова Н.А.

ООО «БМТ», г.Владимир, ул. Элеваторная 6, Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Аннотация

На сегодняшний день выпарное оборудование и техника выпаривания вследствие многолетних целенаправленных усилий ученых, инженеров, конструкторов и изготовителей многих стран мира выдвинулись в число передовых, базирующихся на новейших достижениях науки и техники в областях тепломассообмена, гидравлики, газодинамики  и пр. Однако основную долю российского рынка выпарного оборудования представляют отечественные производители, использующие традиционные методы выпаривания.

Высокая стоимость зарубежных энергосберегающих выпарных аппаратов вызвала необходимость создания отечественного оборудования последнего поколения  по техническим характеристикам соответствующего импортным аналогам: энергопотребление  – не более 0,12 кВт/л дистиллята, отсутствие потребности в греющем паре и охлаждающей воде.

Введение

Гальваническое производство – один из наиболее опасных источников загрязнения окружающей среды примесями тяжелых металлов, неорганических кислот и щелочей, поверхностно-активных веществ и других высокотоксичных соединений.

Сточные воды гальванического производства включают в себя разбавленные стоки (промывные воды) и концентрированные растворы (моющие, обезжиривающие, травильные, электролиты). Как правило, они подлежат смешиванию и последующей совместной обработке. После реагентной обработки - самого распространенного способа очистки стоков - очищенная вода должна сливаться в канализацию, но часто не соответствует по тяжелым металлам требуемым показателям.

При реконструкции, модернизации, строительстве новых систем очистки сточных вод гальванических производств все чаще экономически выгодной становится такая организация системы очистки, которая минимизирует, либо почти полностью исключает слив сточных вод в канализацию. С помощью современных технологий можно перерабатывать практически любые локальные концентрированные и разбавленные потоки с рециклом по основным компонентам и воде, а также очищать усредненные гальваностоки, возвращая очищенную воду в производство. Это позволяет:

• организовать на гальваническом участке замкнутый оборот по воде со степенью использования ее не менее 95%;

• вернуть в производственный цикл до 90% ценных химических продуктов и реагентов (кислот, щелочей);

• значительно уменьшить объем утилизируемых твердых отходов, переведя их в IV класс опасности или обеспечив их реализацию в качестве вторичного сырья;

• снизить эксплуатационные затраты на 15–20% по сравнению с традиционными схемами;

• повысить качество гальванических покрытий;

• организовать экологически чистое производство, полностью исключив слив сточных вод.

Переработка промывных вод, а также высокоминерализованных вод с использованием технологии обратного осмоса позволяет очистить и обессолить воду до нормативных показателей ГОСТ 9.314-90 (кат. 1, 2, 3) и вернуть ее в производственный цикл. В установках применяются высокоселективные обратноосмотические мембранные элементы, работа обратноосмотической установки может быть организована по двух и трехступенчатой схеме без разрыва потока и без промежуточных емкостей. Это позволяет достичь необходимого эффекта очистки с минимальными затратами электроэнергии, реагентов, разместить оборудование компактно, максимально уменьшить объем концентрата с мембранного модуля (5 – 10% исходного потока сточных вод) с солесодержанием до 100 г/л, который утилизируется или дополнительно перерабатывается с использованием различных выпарных аппаратов.

В качестве выпарных аппаратов специалистами ООО «БМТ» в проектах по очистке сточных вод используется следующее оборудование - прямоточные роторно-пленочные испарители собственного производства, пленочные вертикально-трубные испарители российского производителя «ОКБ Теплосибмаш», а также  выпарные аппараты с тепловым насосом  (Ecoprima) с механической  рекомпрессией вторичного пара, характеризующиеся меньшими энергетическими затратами. Конкретная комплектация узла выпаривания и оборудования для последующего выделения солей зависит от требований к конечному утилизируемому продукту, который может быть получен в виде: жидкого насыщенного раствора солей (солесодержание кубового концентрата до 30%), кристаллических солей с влажностью 40 – 50%; сыпучих солей с остаточной влажностью 10 – 25%. В последнее время возникла острая необходимость создания российских выпарных аппаратов последнего поколения.

На сегодняшний день выпарное оборудование и техника выпаривания вследствие многолетних целенаправленных усилий ученых, инженеров, конструкторов и изготовителей многих стран мира, особенно в области опреснения морской воды, выдвинулись в число передовых, базирующихся на новейших достижениях науки и техники в областях тепломассообмена, гидравлики, газодинамики  и пр.

Эксплуатационные расходы выпарной установки в значительной степени определяются потребляемой энергией. При установившемся рабочем режиме должен существовать баланс между энергией, поступающей в систему, и отводимой из нее.

Существует несколько основных способов экономии энергии, на базе которых работают  различные модификации выпарных аппаратов:

1) многоступенчатые выпариватели

В общем случае для испарения воды с расходом около 1 кг/ч требуется 1 кг/ч свежего пара без учета теплопотерь, т.к. удельная теплота парообразования на стороне нагрева и на стороне продукта приблизительно одинакова. Если вторичный пар, образовавшийся под действием первичного источника энергии, использовать в качестве греющего во втором корпусе аппарата, расход энергии сократится приблизительно на 50%. Тот же принцип можно использовать в следующих корпусах и сэкономить еще больше энергии. Однако с увеличением числа корпусов, разность температур в каждом корпусе уменьшается. По этой причине греющие поверхности каждого корпуса требуется увеличить, чтобы обеспечивать требуемую производительность по выпаренной влаге при меньшей разности температур. На практике можно считать, что площадь поверхностей теплообмена во всех корпусах растет пропорционально числу корпусов. Следовательно, капитальная стоимость  установки значительно увеличивается, а дополнительная экономия энергии уменьшается. Так, в  трехкорпусном аппарате расход энергии сократится   в среднем на 67%, в четырехкорпусном – на 75%.

2) вакуумное выпаривание с применением теплового насоса

Такой аппарат действует как обычный воздушный кондиционер. Он использует два источника (горячий и холодный) для испарения и конденсации воды. Необходимые  тепло и холод создаются встроенным тепловым насосом (компрессор и циркулирующий хладагент). Потребление энергии снижается до уровня порядка 150 Вт на литр (примерно в 5 раз меньше, чем для испарения при атмосферном давлении), поскольку большая часть энергии (скрытая теплота) утилизируется для выработки нового пара. Уровень потребления электроэнергии зависит от компрессии промежуточной среды и представляет энергию, необходимую для повторного использования. К недостаткам данного способа выпаривания следует отнести возможный выход из строя теплового насоса с утечкой хладагента.

3) применение термической  рекомпрессии

В аппарате с термической компрессией вторичного пара, пар из камеры кипения сжимается за счет энергии свежего пара до давления, превышающего давление в нагревательной камере. Соответственно давлению повышается и температура насыщенного пара, что позволяет использовать его в качестве греющего. Для сжатия вторичного пара в этом случае применяются паровые эжекторы. Они работают по принципу струйного насоса. В них нет движущихся частей, что исключает механический износ. Преимуществом паровых эжекторов является простота устройства, дешевизна и надежность в работе. В отношении экономии свежего пара (энергии) термическая компрессия вторичного пара аналогична дополнительному корпусу выпарного аппарата. Однако паровой эжектор сжимает только часть вторичного пара, кпд его невысок и составляет не выше 40-50%.

4) применение механической  рекомпрессии

Полное повторное использование скрытого тепла с помощью механической рекомпрессии является самым технологичным и, в конечном итоге, экономичным способом эксплуатации тепловых испарителей. Если пароструйный компрессор сжимает только часть вторичного пара, то в полном тепловом насосе весь вторичный пар сжимается механическим компрессором. Количество электрической энергии, необходимой для сжатия вторичного пара до давления греющего пара, значительно меньше энтальпии вторичного пара (т.е. меньше энергии, которую несет в себе вторичный пар). Принцип действия такого устройства сходен с тепловым насосом. Энергия конденсата пара часто используется для подогрева исходного раствора. Повторное использование тепловой энергии достигает 95%. Количество рассеиваемой теплоты при такой схеме  значительно снижено, поскольку сам выпарной аппарат реутилизирует  ту энергию, которая обычно отводится охлаждающей водой через конденсатор. В зависимости от рабочих условий может потребоваться добавка небольшого количества свежего пара или конденсация небольшого количества избыточного пара для поддержания теплового баланса выпарного аппарата и обеспечения стационарных рабочих условий. В качестве машин для сжатия пара в выпарных установках используются одноступенчатые  радиальные воздуходувки (типа воздуходувок Рутса) в силу простоты их конструкции и удобства обслуживания. Это могут быть высоконапорные воздуходувки или турбокомпрессоры.

Дополнительные капиталовложения в устройства для механического сжатия делают выпарные аппараты с МРП более дорогими, чем  выпарные аппараты с ТРП. Однако, эксплуатационные расходы выпарных аппаратов с МРП значительно ниже, что делает их использование самым экономически эффективным.

На мировом рынке лидерами по производству выпарных установок с механической рекомпрессией  пара являются фирмы Veolia Italia (Италия), GEA Wiegand (Германия), H2O GmbH (Германия), аппараты серии  LOFT (Германия) ,GIG Karasek GmbH (Австрия) и др.

Фирма Veolia Italia (Италия) выпустила новое оборудование EVALED™ серии RV F, разработанное на базе модели MVR (МРП), которая сама по себе является образцом технического совершенства для решения проблем предприятий, в производственном цикле которых используется вода. Предназначенные для значительного уменьшения объема сточных вод и снижения расходов на их утилизацию, а также для строгого соблюдения нормативов сброса, установленных природоохранными органами в различных странах, выпарные аппараты EVALED™ вышли на новый уровень совершенства и являются ответом для решения перспективных проблем, которые стоят перед человечеством. Используемые технические решения позволяют дополнительно улучшить параметры эксплуатации и показатели в области энергосбережения, что подтверждено результатами проведенных экспериментальных исследований:

• инновационный каплеуловитель обеспечивает заданное качество дистиллята;
• новый компрессор, установленный в измененной конфигурации, позволяет улучшить тепломассоперенос;

• более эффективная система теплообмена обеспечивает утилизацию энергии, как концентрата, так и дистиллята.

На российском рынке представлено большое количество подобного выпарного оборудования зарубежных производителей, такие как Ecoprima, Veoilia, Diastimat, Loft и др.

В настоящее время основную долю российского рынка выпарного оборудования представляют отечественные производители, использующие традиционные методы выпаривания или энергосберегающие многоступенчатые выпарные аппараты. Выпарные аппараты с механической  рекомпрессией вторичного пара практически отсутствуют.

Стоимость современных энергосберегающих выпарных аппаратов зарубежных производителей в значительной мере превосходит стоимость отечественного оборудования, что существенно сдерживает закрытие потребности российских предприятий в применении современных методов обессоливания и концентрирования.

В условиях кризиса и экономических санкций в отношении России, к сожалению, цены на импортное оборудование значительно выросли. Для того, чтобы сделать внедрение собственных технологий очистки сточных вод более экономически и энергетически выгодными,  технические специалисты ООО «БМТ» разработали аналог импортного оборудования для собственных нужд. В 2013 г. ООО «БМТ» освоило выпуск энергосберегающих  вакуум - выпарных  аппаратов с рекомпрессией вторичного пара марки ЭСВА, по техническим характеристикам соответствующим импортным: энергопотребление  – не более 0,12 кВт/л дистиллята, отсутствие потребности в греющем паре и охлаждающей воде.

Энергосберегающие вакуум - выпарные аппараты с рекомпрессией водяного пара (МРП) –  последнее поколение выпарного оборудования, предназначенное не только для снижения энергозатрат на осуществление процесса, но и  значительного уменьшения объема сточных вод,  а также  снижения расходов на их утилизацию, в том числе строгого соблюдения нормативов сброса, установленных природоохранными органами

Совершенствование выпарного оборудования с МРП связано с экологическими проблемами, что определяет ориентацию процесса на достижение еще более высоких показателей безопасности для окружающей среды.

Выпарная установка (ЭСВА) предназначена для концентрирования различных растворов минеральных солей, химических и фармацевтических жидких продуктов, промывных вод и рабочих растворов предприятий различных отраслей промышленности.

Области применения оборудования:

Энергоэффективные   выпарные аппараты могут быть использованы в  целом ряде отраслей экономики:

  • Машиностроение и металлообработка: локальная очистка сточных вод машиностроительных предприятий,  в т.ч.  промывных вод и рабочих растворов гальванических производств.
  • Концентрирование отработанных водных растворов смазочно-охлаждающих  жидкостей (СОЖ).
  • Пищевая промышленность и производство напитков: концентрирование жидких отходов пищевой промышленности, в сахарной промышленности и пр. бытовой химии
  • Энергетическая промышленность - концентрирование высокоминерализованных стоков с получением обессоленного дистиллята (например, концентрат обратного осмоса после очистки сточных вод, производства минеральных удобрений, солей, обессоливания морской воды и т.д.)
  • Производство удобрений
  • Горнодобывающая промышленность и металлургия -  опреснение шахтных вод с получением пресной воды и товарных солевых продуктов и пр
  • Парфюмерно-косметическая промышленность
  • Химическая промышленность - выпарные установки и кристаллизаторы для различной неорганической и сельскохозяйственной продукции. Применение варьируются от различных сбросов промышленных отходов до высокой прибавочной стоимости химической продукции

Предприятия других отраслей промышленности, например, производство пигментов и красителей, концентрирование  и обессоливание минерализованных  концентратов после мембранного обессоливания,  солей, обессоливания морской воды и т.д.

Принципиальная схема работы выпарного аппарата  ЭСВА с механической рекомпрессией водяного пара  (МРП)  приведена ниже на рис.1.

схема работы вакуум выпарного аппарата

Рисунок 1. Принципиальная схема работы выпарного аппарата с механической рекомпрессией водяного пара (МРП)

Описание работы установки

Исходный раствор, проходя  через рекуперативный теплообменник  , входящий в состав установки ЭСВА, предварительно нагревается  конденсатом водяного пара (до температуры 60-650С)  при одновременном  охлаждении  конденсата  до температуры 30-400С и  подается в нижнюю зону испарителя   (камера кипения). Для  выхода на рабочие  параметры   в пусковой период и поддержания температуры кипения в требуемом режиме   предусмотрен   электроводонагреватель .

Нагретый до температуры кипения упариваемый концентрат циркуляционным насосом подается в  верхнюю распределительную зону испарителя  и стекает в пленочном режиме по   внутренней поверхности трубчатки испарителя. В межтрубное пространство испарителя от воздуходувки поступает насыщенный водяной пар, который  в данном случае является теплоносителем для осуществления испарения  воды. Благодаря создаваемому вакууму ( давление до 0,4 атм), процесс испарения протекает  при температуре 87-92 °С. Образующийся водяной пар, выходящий из испарителя, специальным компрессором сжимается  до давления 1,0-1,05 атм., при этом температура насыщенного пара повышается до 100-102°С.  Пар конденсируется на  внешней поверхности труб испарителя, отдавая тепло на   кипение и испарение воды.

Образующийся  конденсат водяного пара  (дистиллят) охлаждается в рекуперативном теплообменнике и, далее, поступает в приемную емкость дистиллята, а сконцентрированный  продукт выводится насосом из испарителя в емкость концентрата  и направляется на утилизацию в качестве  упаренного солевого  концентрата или на вторую ступень концентрирования  для  кристаллизации солей.

Установка снабжена  приборами КИП и А с визуализацией параметров на дисплее,  работает в автоматическом режиме , выполнена из коррозионностойких материалов, снабжена узлом мойки оборудования ( на схеме не показан)                         

Для аппарата с пленочным режимом  концентрирование  при  упаривании обеспечивается до достижения состояния насыщенного по солям  раствора (до 25-30% общих растворенных веществ в зависимости от типа минерализации), как правило, без получения твердой фазы  кристаллов солей. Использование выпаривателя с циркуляционным режимом  обеспечивает более высокую степень концентрирования с получением «пересыщенных» растворов (40-45%), что позволяет перерабатывать  выпариванием кристаллизующиеся и сильно загрязненные растворы.

Рекуперативная система утилизации тепла позволяет значительно (в 5-7 раз) снизить энергопотребление, которое составляет 90-120 Вт на литр испаряемой воды.

При проведении  процесса выпаривания, как отмечалось,  в аппаратах с МРП отсутствует необходимость в использовании внешних энергоносителей: охлаждающей воды и греющего пара, поскольку используется собственная  энергия  конденсата пара.

Таблица 1. Технические характеристики выпускаемых выпарных аппаратов

Характеристика

Единицы

измерения

Модель выпарной установки

ЭСВА-100

ЭСВА -250

ЭСВА -500

ЭСВА -1000

Производительность по дистилляту

кг/час

100

250

500

1000

Установленная мощность

кВт

21

50

76

121

Потребляемая мощность

кВт

11

27,5

50

100

Удельный расход энергии

Вт/л

110

110

100

100

Габариты ДхШхВ

м

2,2х1,6х2,6

2,5х1,8х2,6

3,0х2,0х3,6

3,5х2,5х3,6

Преимущества:

  • Низкое энергопотребление за счет использования  на испарение собственного тепла сжатого водяного пара. Потребление энергии составляет 100 – 110 кВтч/м
  • Отсутствует необходимость в использовании внешних энергоносителей: охлаждающей воды и греющего пара
  • Автоматическая работа установки. Система управления на базе микропроцессора Omron с панелью управления
  • Возможность регулирования степени концентрирования за счет установки  частотного преобразователя на компрессоре  для сжатия пара
  • Компактность установки
  • Лёгкость обслуживания
  • Доступная цена
DMR Evaporator MZ RIP
ЭСВА - 100, ООО "Дайдо Металл Русь" ЭСВА - 500, ОАО "МЗ РИП", г. Муром

Заключение

Вакуум-выпарные аппараты ЭСВА прошли ресурсные испытания,  в составе очистных сооружений поставлены  в соответствии с проектными решениями предприятиям: ОАО «ВНИИ «Сигнал», г. Ковров, ООО «Связь Инжиниринг КБ», г. Дубна , ОАО «МЗ РИП», г. Муром, ОАО «ТНИИСС» г. Таганрог. В настоящее время ведется монтаж оборудования на площадке Заказчика, запуск планируется на май-июнь 2015г.

ООО «БМТ» представило предложения по включению выпарных аппаратов  последнего поколения (типа ЭСВА)  в Государственную программу по  направлению импортозамещения.

Литература

  1. Поворов А.А., к.т.н., Павлова В.Ф., к.т.н., Шиненкова Н.А.- Организация современных комплексов очистки сточных вод и регенерации рабочих растворов гальванических производств (Сборник тезисов к конференции «Покрытия и обработка поверхности - 2011»)
  2. Поворов А.А., к.т.н., Павлова В.Ф., к.т.н., Шиненкова Н.А., Создание замкнутого      водооборота и регенерация рабочих растворов в гальваническом производстве («Мир гальваники» № 3, 2013)
  3. Патент «Способ очистки хромсодержащих сточных вод и отработанных хромовокислых электролитов»
  4. Дьяченко И.Ю., Тулепбаев В.Б., Применение вауумных выпаривателей для очистки промышленных стоков и обезвоживания растворов (Статья в информационном бюллетене "Обезвоживание Реагенты Техника", № 19 - 20, 2006 г.)
  5. Дьяченко И.Ю., Тулепбаев В.Б., Вакуумные испарители на службе экологической безопасности производства (Статья в журнале "Экологическая безопасность" №1, 2005 г.)
  6. Dickinson P.W., Pre-concentration of feed stock, Journal of Heat Recovery Systems, Volume 6, Issue 1, 1986.
  7. Gao Li-li, Zhang Lin, Energy efficiency comparative analysis on MVR and multi-effect evaporation technology, Modern Chemical Industry, 2012-10.
  8. David Loschiavo, MVR Evaporators Reduce Plant Operation Costs, SPX Editorial, November, 2012.
  9. Fang Jiangcai, Application and Economic Analysis of  NH4Cl Wastewater Treatment by MVR Evaporation Craft, Guangdong Chemical Industry, 2012-08.