Вышла в свет книга Б.И.Нигматулина и В.А.Пивоварова «Реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса». Подробнее 

Виталий Узиков, инженер

Инновации не всегда должны быть сложными - иногда именно простые идеи меняют мир. Традиционные методы переработки растворов требуют огромных затрат энергии, сложных и/или дорогостоящих материалов и создают дополнительные экологические риски. Представьте, что природа сама подсказала бы решение. Технология барабанных плёночных испарителей (DFE) предлагает уникальный способ преобразования воды и обработки жидких растворов, опираясь на принципы испарения и конденсации, подобно тому, как образуется дождь.

Современный мир сталкивается с двумя ключевыми вызовами: нехваткой пресной воды и необходимостью безопасной переработки промышленных отходов, включая жидкие радиоактивные отходы (ЖРО). Эти проблемы особенно остро стоят в условиях изменения климата, истощения природных ресурсов и ужесточения экологических требований. Технология барабанных плёночных испарителей (Drum Film Evaporators – DFE) предоставляет инновационное решение, позволяющее не только перерабатывать сложные растворы, но и делать это с минимальным воздействием на окружающую среду (ссылки на видео, показывающие возможные сферы применения DFE, приведены в конце статьи). 

Технология DFE основана на базовых принципах испарения и конденсации, перенесённых в промышленный масштаб. В этом подходе прослеживается природный процесс круговорота воды, но с многократным ускорением и контролируемыми условиями. Эти устройства представляют собой комбинацию инженерной простоты, энергоэффективности и универсальности применения.

Почему именно DFE?

Основная идея DFE заключается в создании тонкой плёнки жидкости на внутренней поверхности вращающегося барабана, которая нагревается и испаряется. Этот процесс имеет несколько ключевых преимуществ:

1. Высокая энергоэффективность: благодаря многоступенчатому использованию тепловой энергии, потребление ресурсов минимизируется.
2. Самоочистка: встроенные механизмы предотвращают образование солевых и химических отложений, что обеспечивает непрерывную работу системы.
3. Гибкость: технология подходит для обработки как морской воды, так и сложных химических растворов, включая ЖРО.

Принцип работы DFE

Принцип работы DFE прост и эффективен. Представьте вращающийся барабан, который частично заполнен водой. На его внутренней поверхности образуется тонкая плёнка жидкости, которая нагревается и испаряется, а образующийся пар используется для следующих стадий. Весь процесс занимает минуты, а сам барабан оснащён системой самоочистки, которая предотвращает накопление солевых отложений на греющей поверхности.

Ключевые элементы:

• Испарительный барабан: вращается, создавая идеальные условия для испарения.
• Корпус: защищает процесс от внешней среды, позволяя эффективно использовать греющий пар для нагрева барабана.
• Механизм самоочистки: удаляет образующиеся твердые осадки в процессе концентрирования растворов, обеспечивая бесперебойность работы.

Рисунок 1 – Модуль барабанного плёночного испарителя (Drum Film Evaporators, DFE)

Технология DFE может успешно использоваться для опреснения морской воды, позволяя обеспечить водой удалённые поселения. Однако её потенциал выходит далеко за рамки этой задачи, охватывая такие области, как переработка радиоактивных отходов, концентрация промышленных растворов и поддержка сельскохозяйственных систем.

Экологическая значимость

Одним из ключевых факторов внедрения DFE является снижение экологического воздействия. Технология исключает выбросы токсичных отходов в окружающую среду, поддерживает принципы замкнутого цикла и позволяет использовать возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер.

Далее рассмотрим, где именно DFE могут найти своё применение и почему эта технология будет универсальным решением для переработки сложных растворов.

Применение технологии DFE в различных отраслях

Опреснение воды для засушливых регионов

Технология DFE идеально подходит для решения проблемы дефицита пресной воды в регионах с жарким климатом. В отличие от мембранных методов, таких как обратный осмос, барабанные плёночные испарители позволяют перерабатывать воду с высоким содержанием соли и примесей без предварительной очистки. Благодаря использованию возобновляемой солнечной энергии, процесс опреснения становится доступным даже для удалённых поселений. Технологическая схема солнечной опреснительной  установки на базе DFE приведена на Рисунке 2.

Рисунок 2 – Упрощенная технологическая схема солнечной опреснительной  установки на базе DFE 

Например, установка DFE, занимающая площадь всего 1 гектар (Рисунок 3), способна производить до 100 кубометров пресной воды в день. Этого достаточно, чтобы обеспечить потребности небольшого поселения с населением около 500 человек. При этом технология исключает сброс токсичных рассолов в окружающую среду, что сохраняет экосистемы прибрежных и морских регионов.

Рисунок 3 – Солнечная опреснительная установка на базе DFE, занимающая площадь 1 гектар при производительности 10 000 литров в час  

Теплотехнические параметры по 14-ти ступеням DFE солнечной опреснительной установки приведены на Рисунке 4.

Рисунок 4 –  Теплотехнические параметры по 14-ти ступеням DFE солнечной опреснительной установки

Переработка промышленных растворов

Одной из наиболее универсальных областей применения DFE является переработка сложных промышленных растворов. Технология позволяет эффективно концентрировать жидкости, обеспечивая снижение объёмов отходов и повторное использование ценных компонентов.

• Химическая промышленность: концентрирование реагентов для повторного использования или их последующая утилизация с минимальным воздействием на окружающую среду.
• Пищевая промышленность: переработка и концентрация молочных продуктов, фруктовых соков и других жидкостей без потери их полезных свойств.
• Фармацевтика: работа с термочувствительными растворами, такими как ферменты, белковые субстанции или сыворотки.

Переработка жидких радиоактивных отходов (ЖРО)

Наиболее сложной и ответственной задачей для современных технологий является переработка ЖРО (Рисунок 5). Эти отходы представляют серьёзную угрозу для экологии и здоровья людей, требуя применения надёжных и безопасных решений.

Рисунок 5 – Комплекс по переработке ЖРО на базе DFE 

При переработке ЖРО модули DFE (Рисунок 6) обеспечивают:

• Концентрирование ЖРО перед цементированием: значительное уменьшение объёма жидких радиоактивных отходов снижает расходы на их транспортировку и хранение.
• Безопасность: герметичная конструкция системы исключает утечку радиационно опасных веществ.
• Энергоэффективность: использование многоступенчатого испарения позволяет снизить затраты энергии, что особенно важно в условиях переработки сложных химических растворов.

Установка концентрирования ЖРО показана на Рисунке 6, а технологическая схема приведена на Рисунке 7.

Рисунок 6 – Установка концентрирования ЖРО на базе DFE 

Рисунок 7 – Технологическая схема установки концентрирования ЖРО  

 

Интеграция с тепличными комплексами

Технология DFE также находит применение в сельском хозяйстве. Установки, работающие на солнечной энергии, могут обеспечивать тепличные комплексы пресной водой, необходимой для выращивания культур. Например, две установки DFE могут поддерживать тепличное хозяйство площадью 4 гектара, способствуя созданию рабочих мест и продовольственной безопасности (Рисунок 8).

Рисунок 8 – Использование солнечной опреснительной установки для водоснабжения тепличного комплекса  

В странах с жарким климатом, таких как Северная Африка или Ближний Восток, такая интеграция позволяет значительно повысить производительность аграрного сектора.

Осушение рассолов: ветроэнергетические испарители (WPE)

Для окончательного осушения сложных растворов DFE может использоваться совместно с ветроэнергетическими испарителями. Эти устройства, изготовленные из переработанных пластиковых материалов, обеспечивают экономичное испарение за счёт энергии ветра (Рисунок 9).

• Экологичность: отсутствие аэрозолей исключает загрязнение атмосферы.
• Эффективность: интеграция с прудами-испарителями позволяет увеличить производительность, не расширяя их площади.

Рисунок 9 – Ветроэнергетический испаритель для экологически безопасной интенсификации испарения в прудах-испарителях  (конструкция на 90% состоит из отработанных ПЭТ-бутылок)   

Добыча лития

С ростом спроса на литий, используемый в аккумуляторах, технология DFE становится ключевым элементом в его добыче. Испарители ускоряют процесс концентрирования литийсодержащих растворов, снижая энергозатраты и повышая экологическую устойчивость процесса. Это особенно актуально для Австралии и стран Латинской Америки, где сосредоточены крупные запасы литиевых рассолов.

Вывод по применению

Технология DFE   универсальна в самых различных областях: от опреснения морской воды до переработки ЖРО и поддержки сельского хозяйства. Благодаря своей энергоэффективности и экологической безопасности, DFE могут стать ключевым решением для современного мира, где проблемы устойчивого развития становятся приоритетом.

 

 

 

 Устойчивое развитие и перспективы технологии DFE

Устойчивость в основе технологии

В современном мире устойчивое развитие стало не просто трендом, а необходимостью. Барабанные плёночные испарители (DFE) полностью соответствуют этой концепции, объединяя экологическую безопасность, экономическую эффективность и социальную значимость. В отличие от традиционных методов обработки воды и переработки растворов, DFE минимизируют использование ресурсов и негативное воздействие на окружающую среду, а в комплексе с технологией обратного осмоса и прудами-испарителями, оснащенными ветроэнергетическими испарителями, позволяют создать оптимальную схему опреснения, например, морской воды  (Рисунок 10).

Рисунок 10 –Технологическая цепочка опреснения морской воды с нулевым сбросом жидкости

Ключевые аспекты устойчивости DFE:

1. Отсутствие вредных выбросов: технология работает без использования химических реагентов, исключая выброс токсичных веществ.
2. Энергосбережение: каскадное использование тепловой энергии и возможность работы на возобновляемых источниках, таких как солнечная и ветровая энергия.
3. Минимизация отходов: переработка каждого литра раствора до конечных продуктов, будь то пресная вода или концентраты для безопасного хранения.

DFE в контексте глобальных вызовов

Одна из самых острых проблем современности — нехватка воды в засушливых регионах. DFE предоставляет решение, которое не только эффективно, но и доступно. Благодаря автономности работы и простоте обслуживания, эти установки могут использоваться в регионах с ограниченной инфраструктурой (Рисунок 11).

Рисунок 11 – Солнечная опреснительная установка с нулевым сбросом жидкости    

Но технология выходит за рамки водообработки. Она поддерживает переработку сложных растворов в промышленности, помогает бороться с загрязнением окружающей среды и даже способствует устойчивому развитию аграрного сектора. Например, интеграция с теплицами позволяет не только решать проблему продовольственной безопасности, но и ускорять окупаемость таких установок.

Сравнение с традиционными методами

Традиционные технологии, такие как обратный осмос или теплообменные испарители, имеют существенные ограничения. Мембранные системы чувствительны к качеству воды, требуют сложной водоподготовки и создают значительное количество концентрированных рассолов, которые наносят вред экосистемам. Теплообменные испарители потребляют большие объёмы энергии, что делает их эксплуатацию дорогостоящей.

Чем DFE выгодно отличаются:

• Они могут работать с любыми растворами, включая высокозагрязнённые или соленосные.
• Самоочищающаяся система позволяет исключить длительные простои и снизить затраты на обслуживание.
• Использование возобновляемой энергии значительно уменьшает углеродный след.

 

DFE и переработка ЖРО: взгляд в будущее

Жидкие радиоактивные отходы остаются одной из самых сложных задач для современной промышленности. DFE не только справляются с этой задачей, но и делают это с высокой степенью надёжности и минимальными затратами.

В атомной энергетике, где безопасность имеет первостепенное значение, DFE становятся незаменимым инструментом. Технология не требует дорогостоящих материалов и сложной инфраструктуры, что позволяет использовать её как в развитых странах, так и в развивающихся регионах.

Социальная и экономическая устойчивость

Технология DFE способствует не только экологическим улучшениям, но и созданию рабочих мест, экономическому росту и социальной устойчивости. Интеграция таких систем с тепличным хозяйством, переработкой литиевых рассолов или производственными объектами позволяет регионам с жарким засушливым климатом становиться более независимыми и устойчивыми к неблагоприятным изменениям погоды из-за глобального потепления.

Перспективы массового внедрения

Технология DFE перспективна для массового применения. Простота конструкции и возможность локального производства делают эти установки доступными для любой страны или региона. Масштабирование производства снизит стоимость технологии, открывая её для более широкого рынка.

Заключение

Барабанные плёночные испарители — это больше, чем технология. Это универсальное решение, способное изменить подход к управлению водными ресурсами и переработке отходов. Устойчивость, простота и эффективность делают DFE ключевым инструментом для построения экологичного и экономически стабильного будущего.

Дополнительные видеоматериалы:

1.      Превращаем солнечный свет в чистую воду — будущее уже здесь! https://youtu.be/z9QD0WN6yiQ

2.      Design of the drum film evaporator DFE module https://youtu.be/YAIv8l00ZZw

3.      Revolutionizing Desalination: The Innovative DFE Technology Explained https://youtu.be/HhotwT__teI

4.      Новый выпарной аппарат «барабанный плёночный испаритель»: модульная конструкция и защита от накипи https://youtu.be/RovoUUg9bwI

5.      New type of evaporators - "drum film evaporator" (DFE) https://youtu.be/meMXwANLirY

6.      Wind Powered Evaporators: A Sustainable Solution for Plastic and Brine Waste https://youtu.be/1QcJ2jkECng