ПЛАЗМОДИНАМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к экологии, к устройствам для обезвреживания промышленных отходов с помощью низкотемпературной плазмы и может быть использовано в любой отрасли промышленности для уничтожения вредных жидких органических отходов в присутствии фенола, например, нефтехимических производств, особенно таких, для нейтрализации вредного влияния которых требуется высокая температура.
В настоящее время влияние на окружающую среду промышленных вредных жидких отходов является всеобъемлющим и значительным, что задача их уничтожения занимает ведущее место в мире. Известные технологии очистки промышленных отходов с применением плазменных методов сложны и не всегда обеспечивают безопасность при их проведении.
Одним из известных устройств уничтожения жидких промышленных отходов является устройство (Патент №2246072).
Данная установка в процессе очистки требует большой затраты энергии на создание температуры инициирования процесса разложения до нетоксичных отходов. При этом данная конструкция является сложной и в результате этого имеет ограниченное применение.
Известно устройство для плазменного пиролиза жидких отходов (Патент №2093754), содержащее плазмореактор, выполненный в виде полого вакуумно-плотного объема, узел ввода жидких отходов в верхней его части, с эжектором. В средней части объема плазмореактора установлены две ступени центробежно-барботажных аппаратов. При этом плазмореактор гидравлически связан с вакуумным насосом. В нижней части расположен шлакоприемник и внешний источник холода. Недостатком данного устройства является отсутствие надежности и стойкости самой, конструкции при ведении процесса плазменного пиролиза очистки, а также сложность поддержания процесса в разреженном режиме. При этом сохраняется опасность образования остаточных токсичных соединений.
Для устранения перечисленных недостатков основной конструкцией в качестве прототипа был взят плазмодинамический парогенератор (Патент на полезную модель №42877).
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу экономичной очистки жидких промышленных отходов при несложной конструкции устройства.
Поставленная техническая задача решается тем, что в плазмодинамический реактор, содержащий герметичный корпус с арматурой для подачи загрязненной воды и отверстием для выхода обработанной (очищенной) воды, в котором установлены катод и анод, соединенные с источником электропитания, блок предварительной активации воды в виде пористой мембраны-диспергатора, в корпусе реактора установлен также поджигающий электрод, заключенный в изолирующую оболочку и присоединенный к импульсному источнику электропитания, при этом корпус снабжен торцовыми верхней и нижней крышками с герметизирующими прокладками, соответственно в верхней крышке установлен колпак для крепления катода и выводящего устройства для выпуска очищенной воды, в нижней крышке выполнено отверстие для установки пористой мембраны-диспергатора и арматуры для подачи сжатого воздуха, дополнительно центральная область межэлектродного пространства снабжена кольцами Рашига для
дробления пузырьков воздуха до объемного газосодержания более 90% (для активации воды).
Кольца Рашига выполнены в виде тонкостенных полых керамических цилиндров с равными по размерам высотой и диаметром.
При этом катод и анод размещены таким образом, что ограничивают область плазменного горения в центральной области корпуса.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется графическими материалами. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства. На фиг.2 изображена электрическая схема плазмодинамического реактора. На фиг.3 приведена фотография рабочей части реактора, состоящая из нескольких ячеек.
Плазмодинамический реактор содержит герметичный корпус 1, в центральной области которого размещены катод 2 и анод 3, ограничивающие геометрию «объемно-диффузионного» разряда (межэлектродное пространство с плазменным образованием), а также дополнительный поджигающий электрод 4 в изолирующей оболочке 5. Корпус снабжен отверстием для ввода загрязненной воды 6. Для крепления дополнительного электрода 4 в изолирующей оболочке 5, а также для контроля давления и температуры внутри реакционной камеры (корпуса), корпус снабжен торцовыми нижней 7 и верхней 8 крышками с герметизирующими прокладками 9 и 10 соответственно, при этом в нижней крышке 7 выполнено отверстие 11 для установки пористой мембраны и арматуры для подачи сжатого воздуха, а в верхней крышке 8 вмонтирован колпак 12 для крепления катода 2 и установки сопла 13 для вывода горячего пара. Электроды 2, 3, 4 присоединены к импульсным источникам элетропитания 14 и 15 соответственно.
В центральной области межэлектродного пространства размещены кольца Рашига 16, представляющие собой тонкостенные полые керамические цилиндры с равными по размерам высотой h и диаметром d (h=d), предназначенные для обеспечения дальнейшего дробления первичных пузырьков воздуха и устойчивой работы реактора при высоком объемном газосодержании φ>90%.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В корпус 1 в область разряда между катодом 2 и анодом 3 под давлением и одновременно в соответствии с заданной стехиометрией подаются вода и сжатый воздух. В результате чего, межэлектродное пространство оказывается заполненным микропористой водой с объемным газосодержанием 0,10≤φ≤0,95. Затем на поджигающий электрод 4 на короткое время подается электропитание от источника 15, которое инициирует развитие «объемно-диффузного» разряда. Затем, перед снятием напряжения с поджигающего электрода 4, электропитание от источника 14 подается на основные электроды 2 и 3 и разряд переходит в стационарную фазу. При этом, водовоздушная гетерогенная смесь, являясь средой развития разряда, переходит в новое состояние, образуя сложный очень динамичный конгломерат водяного пара, воздуха, продуктов электролиза воды и ионизации воздуха. Одновременное присутствие в одной очень активной среде большого количества свободного водорода и переизбытка кислорода воздуха образуют идеальные условия для полного выжигания водорода в экзотермической реакции кислорода и водорода, что вносит дополнительную энергию в процесс парообразования *(плазменное образование). Эффект исключения пробоя достигается за счет наличия пузырьков газа - пористости среды. При этом резко снизились пульсации и уменьшились размеры пузырьков.
Новизна данного технического решения заключается в следующем. Впервые было использованы для проведения гетерогенной реакции жидкие отходы + воздух с использованием электрического разряда и колец Рашига. Это позволило перейти в область высоких газосодержаний, не нарушая стабильности работы реактора (исключения пробоя), что, в свою очередь, позволило резко снизить энергозатраты на
окисление метра кубического отходов химических производств с высоким содержанием органики по сравнению с аналогами.
Кольца Рашига являются хорошим сыпучим материалом. Поэтому, зная свободный объем центральной области межэлектродного промежутка реактора, производится замер необходимого количества колец Рашига, которое и засыпается в центральную область реактора. Обычно, чтобы не было просыпания колец Рашига мимо реактора, используют конические воронки.
Положительный результат достигается совокупностью факторов:
- высокой удельной обрабатываемой поверхностью, достигаемой за счет пористости среды (разряд идет на поверхности раздела жидкой и газовой фазы - пузырьков).
- большим объемом горения разряда, реализуемым при объемно - диффузионном разряде.
Разработанный ранее в МФТИ на основе микропузырьковой технологии лабораторный реактор для сжигания жидких токсических отходов химических, биологических производств позволяет работать со средами практически любой проводимости и при высоком содержании органических примесей. Это выгодно отличает его от аналогов. Эффект исключения пробоя достигается за счет наличия пузырьков газа - пористости среды.
На лабораторной установке, на кафедре «Физическая механика» МФТИ проводились исследования по обработке воды в присутствие фенола и жидких отходов с высоким содержанием органических примесей. Тестирование проводилось методами химического и оптического анализа исходных образцов загрязненной воды, до и после обработки разрядом. Результаты показали высокую эффективность реактора по обработке фенольных вод и вод с высоким содержанием органики. Положительный результат достигается совокупностью факторов:
- высокой удельной обрабатываемой поверхностью, достигаемой за счет пористости среды (разряд идет на поверхности раздела жидкой и газовой фазы - пузырьков).
- большим объемом горения разряда, реализуемым при объемно - диффузионном разряде.
3
На основе полученных ранее положительных результатов на лабораторной установке была создана пилотная полупромышленная установка для обработки жидких химических токсических отходов плазменными методами на 2 м/час.
Далее нами приводятся данные по окислению плазменно-химическим методом сточных вод, поступивших с НПП «Экоэнергомаш», с применением аналитического контроля ХПК. Поступившая с предприятий сточная вода представляла диафанальную бесцветную жидкость. Сточная вода была подвергнута обработке плазменным методом при напряжении 900 вольт и силе тока 1,5 ампера. Измерения производятся стандартным методом.
Следует отметить, что жидкие отходы, предоставленные для эксперимента, содержали большое количество органических примесей, в том числе высокостойкие - фенолы. Ранее нами для достижения ПДК такие отходы обрабатывались многократно в плазменной ячейке (лабораторном реакторе). Объем, содержащий загрязнения в емкости определенного объема, обрабатывался некоторое время по замкнутому контуру. Для того, что бы снизить расход электрической энергии (так как плазменные методы обработки отходов химических производств высоко энергозатратны) нами осуществлялось стимулированное плазмой горение органических отходов, растворенных в воде, при высоком содержании газовой фазы. Так как время процесса не было лимитированным, то расход жидкой фазы был небольшим, а газовой вплоть до 80-90%. Для обеспечения
стехиометрии газ + вода с органическими загрязнениями приходилось пропускать жидкость (как уже указывалось выше) через плазменную ячейку многократно. Повышение объемного содержания газовой фазы приводило к переходу в поршневой либо пленочный режим течения, что в сою очередь приводило к резкому снижению эффективности процесса за счет снижения удельной поверхности контакта газ + загрязненная жидкость.
В связи с этим нами был проведен анализ стехиометрического состава гетерогенной смеси с целью оптимизации работы реактора.
Дана водная смесь ацетона и фенола, состоящая из 19480 г воды, 20 г фенола и 500 г ацетона. В данной смеси процентное содержание фенола по массе равно - 0,1, а ацетона - 2,5.
Вычислим количество кислорода, необходимое для окисления 500 г ацетона. Уравнение химической реакции
3
3
2
2
2
СНСОСН+4O=3СO+3НO
Молекулярный вес ацетона- 58 г. Составляем пропорцию
58-128
500-α
<img he="10" wi="46" file="00000002.TIF" img-content="undefined" img-format="TIF" />
Вычислим количество кислорода, необходимое для окисления 20 г. фенола. Уравнение химической реакции
6
6
2
2
2
СНО+7O=6СO+3НO
Молекулярный вес фенола - 94 г. Составляем пропорцию.
94-224
95-α
<img he="10" wi="41" file="00000003.TIF" img-content="undefined" img-format="TIF" />
На окисление 500 г ацетона и 20 г. фенола расход кислорода составит 1103,45+47,66=1151,11 г.
Объем кислорода соответственно составит
здесь 32 - молекулярный вес кислорода, 24 -его молекулярный объем при 20°С.
Состав воздуха:
объем %
Азот
78,09
Кислород
20,95
Инертные газы
0,96
Объем воздуха, необходимый для окисления 500 г ацетона и 20 г фенола из расчета стехиометрического количества кислорода будет равен:
Фактически расход воздуха с учетом проскока воздуха в плазменной горелке будет большим.
3
3
Предельное объемное газосодержание, обусловленное конструкцией установки φ=0,9 расход рабочей жидкости в одной ячейке 0,081 л/сек, расход газа 0,729 л/сек. Количество ячеек в реакторе - 7 - определяется расходом рабочей жидкости 2 м/час, расход газа 18 м/час при нормальных условиях. Потребляемая мощность в одной ячейке 0,75 кВт, электрическая мощность, потребляемая реактором в целом 5,25 кВт.
3
Соответственно потребляемая реактором энергия 2,625 кВт/час на 1 м обрабатываемой жидкости.
3
3
Анализ показал, что при расходе по жидкой фазе 2 м/час (загрязнений) необходимо обеспечить расход воздуха не менее 18 м/час, что соответствует объемному газосодержанию не менее 90%. При окислении с избытком окислителя α=1,1÷1,2 расход газа будет еще большим (для обеспечения полноты сгорания). Конструкция плазменной ячейки с диаметром проходного сечения 25 мм не давала возможности обеспечить требуемые параметры потока по жидкости и газу. Поэтому по аналогии со сложившимися в мировой практике подходами к конструкциям обеззараживающих устройств была использована конструкция реактора, состоящая из 7-9 параллельных ячеек. Это позволило резко снизить нагрузку по жидкости на отдельную ячейку и повысить объемное газосодержание. Однако это привело к переходу из пузырькового режима течения к поршневому, переходящему спонтанно в - пленочный режим. Последнее обстоятельство, привело к нестабильной работе реактора.
Поэтому по сравнению с лабораторным реактором нами были приняты новые конструктивные решения.
В объем между электродами засыпались кольца Рашига. Кольца Рашига широко применяются в химической промышленности для проведения гетерогенных реакций жидкость - газ. Эффективность их проверена временем. Кольца Рашига - представляют собой: тонкостенные, полые, керамические цилиндры с равными по размерам высотой и диаметром.
Применение этого подхода сразу дало положительный результат: резко снизились пульсации и уменьшились размеры пузырьков. Новизна состоит в том, что нами впервые было использованы для проведения гетерогенной реакции жидкие отходы + воздух с использованием электрического разряда и колец Рашига. Это позволило перейти в область высоких газосодержаний, не нарушая стабильности работы реактора, что в свою очередь позволило резко снизить энергозатраты на окисление метра кубического отходов химических производств, с высоким содержанием органики, по сравнению с аналогами.
3
Проведенные эксперименты по обеззараживанию химически загрязненных вод (отходов химической промышленности) на пилотной установке производительностью 2 м/час с использованием объемно-диффузного разряда и микропузырьковой технологии показал эффективность работы предложенного технического решения.
Анализ проб без фильтрации на ХПК и химическими методами с использованием хлорного железа показал следующие результаты:
ХПК ИСХОДНОЙ ПРОБЫ - 21750 мг/л;
ХПК ПОСЛЕДНЕЙ ПРОБЫ - 3490 мг/л.
Описание метода ХПК по оценке содержания органики в сточных водах.
2
2
4
В заявке приводится материальный баланс по связыванию кислорода воздуха органическими веществами, содержащимися в сточных водах. По связанному кислороду химики оценивают количественное содержание органики в сточных водах. Существует много методов определения остаточного кислорода в воздухе, идущего на окисление органики. Это поглощение кислорода раствором пирогаллола в целом, раствором NaSO, применяют газоанализаторы, основанные на применении теплопроводности, магнитной
проницаемости и других физических свойствах, поларографический, калориметрический методы и т.д.
Среди существующих методов достаточно популярным является методика выполнения измерений химического потребления кислорода (ХПК) в воде и водных растворах потенциометрическим методом с помощью рН-метра-иономера «Экотест-120», разработанного НПП «Эконикс» и аттестованного в соответствии с ГОСТ Р 8.563-96, ГОСТ РИСО 5725-2002.
4+
4+
3+
2
7
Потенциометрический метод определения ХПК основан на окислении органических веществ, содержащихся в анализируемой пробе в присутствии окислителей Се и CzO по определению величины потенциала окислительно-восстановительной пары (Се/Се).
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют об эффективности методов ХПК по оценке остаточного содержания органики в сточных водах, подвергнутых плазмохимической обработке. По сравнению с аналогами, предлагаемый плазмодинамический реактор для переработки органических отходов обладает не только повышенными экономическими показателями, но и является предельно безопасным устройством, прежде всего за счет полного внутреннего выжигания свободного водорода и пониженной мощности разряда.