Способ плазмохимической обработки жидкого сырья органического и/или растительного происхождения и устройство для его реализации
METHOD OF PLASMA CHEMICAL TREATMENT OF LIQUID RAW MATERIAL OF ORGANIC AND/OR VEGETABLE ORIGIN AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к пищевой и биоэнергетической отраслям промышленности, а именно к способам обработки пищевого сырья и к устройствам для осуществления такой переработки, а также к химической и нефтехимической отраслям промышленности, а именно к способам переработки нефти, нефтепродуктов и тяжелых нефтяных остатков и к устройствам для осуществления такой переработки.
Известны способ и устройство обработки воды и устройство для его осуществления (Патент №2251533), заключающиеся в воздействии электрического поля и тока разряда на объем обрабатываемой жидкости в слое газа, расположенного над ней.
Обработка водных композиций осуществляется при формировании над жидкостью озоногидроксильной смеси, которая транспортируется, смешивается с другим газом и пропускается через обрабатываемую жидкость, что усложняет процесс обработки жидкости.
Известна группа изобретений - способ плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения и устройство для плазмохимической переработки сырья органического или растительного происхождения (Пат. РФ №2448768), в котором происходит подача исходного сырья, содержащего углеводороды, воздействие продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда со значением параметра характеризующего характер электрического воздействия, изменение рН водной среды обрабатываемых продуктов, изменяющих и ионную силу растворов.
Устройство для плазмохимической переработки сырья включает источник питания электроразрядной плазмы, системы подготовки жидкой компоненты, и газообразной компоненты над жидкостью в плазмохимическом реакторе. В качестве источника питания электроразрядной плазмы используют источник, обеспечивающий горение электрического разряда в непрерывном режиме или в импульсно-периодическом режиме.
-16
-16
2
Известное техническое решение по реализации способа обработки сырья не учитывает электрофизических компонентов разряда над обрабатываемой жидкостью, поскольку параметр E/N в диапазоне от 1×10 до 20×10 В⋅см, где Е - напряженность приложенного электрического поля, N - полная концентрация молекул и атомов в плазме не учитывает электрическое воздействие заряженных частиц в разрядном промежутке (электронов и ионов), не учитывает электропроводность обрабатываемых водных растворов.
В известном устройстве не предусмотрено эффективное радиолизное влияние заряженных и химически активных частиц, воздействующих на обрабатываемые среды. В известном устройстве не предусмотрено средство улучшения обработки путем изменения газа над поверхностью обрабатываемого продукта, а добавление в разрядный промежуток паров воды решает проблему воздействия на органические вещества, обеспечивает их устойчивость и способность противостоять микроорганизмам.
В прототипе не меняется проводимость сырья, поступающего на обработку, тогда как его проводимость влияет на развитие разряда в промежутке, при большом электрическом сопротивлении сырья электрический разряд не возникает, поэтому необходимо изменять его в определенных пределах. Изменение проводимости сырья в прототипе не предусмотрено.
В прототипе не предусмотрена реализация условий формирования обеззараживающего воздействия на сырье со стороны подключенного источника питания. Основными воздействующими элементами на облучаемое сырье являются заряженные частицы разряда (электроны и ионы), которые движутся в электрическом поле. Это движение обуславливается концентрацией заряда в межэлектродном промежутке. Общее воздействие на сырье от источника высокого питания связано с электрическим полем и током источника, которое не определено в прототипе.
На основании изложенного, следует, что технической проблемой, которая не решена в представленных аналогах, является высокое потребление электроэнергии при обеззараживании и обезвреживании водосодержащих продуктов и сырья для длительного хранения, недостаточная эффективность по воздействию на микробиологическую флору, на разрушение красителей, отдельных видов аминокислот, влияющих на живые организмы и окружающую среду.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение эффективности использования электроэнергии при обработке водосодержащих продуктов и сырья, подлежащих длительному хранению.
Плазмохимическая обработка органического и/или растительного сырья (продуктов) включает воздействие продуктами низкотемпературной плазмы электрического разряда с параметрами, характеризующими электрическое воздействие низкотемпературной плазмы в проточном газе над водосодержащим обрабатываемым продвигающимся сырьем (продуктом), свойство которого определяется рН по ионному составу водосодержащего сырья.
-6
-7
2
-2
4
0
Для решения указанной технической проблемы электрическое воздействие продуктами низкотемпературной плазмы осуществляют со значением параметра E/N0=10-10 [В·см], где - напряженность электрического поля, a N - концентрация заряженных частиц в разрядном промежутке, при этом газовая среда содержит пары воды, обеспечивая влажность газа от 20 до 100%, а проточное сырье/продукт/ органического и/или растительного происхождения формируют с водородным показателем рН от 2 до 7, с проводимостью сырья S=10-10  См.
0
e
e
-6
-7
2
-2
4
6
Устройство плазмохимической переработки сырья включает систему подачи проточного сырья (жидкой, облучаемой компоненты), систему подачи газа над облучаемой компонентой, источник питания, обеспечивающий формирование электроразрядной плазмы в газе над облучаемыми компонентами, подключенный к электродам в плазмохимическом реакторе, причем, один вывод источника подключен к ионизирующим электродам в реакторе, формирующим низкотемпературную плазму с объемными электронными и ионными зарядами в непрерывном или импульсном периодическом режиме, а вторым выводом к электроду под слоем облучаемого сырья, систему вывода облученных компонентов, источник формирования разряда формирует низкотемпературную плазму с параметрами низкотемпературной плазмы E/N=10-10 [В·см], где Е - напряженность электрического поля, а N0 - концентрация заряженных частиц в разрядном промежутке No=it/qV, где i - мгновенное значение тока источника, t - время воздействия тока, q - элементарный заряд электрона или иона, V - объем, занятый газовым разрядом в реакторе. Система подготовки облучаемой компоненты обеспечивает подачу сырья в виде водной или обводненной облучаемой среды, система подготовки облучаемой компоненты подключена к системе обводнения сырья, таким образом, что водородный показатель водных растворов подают со значением рН=2-7, проточное сырье поддерживают с проводимостью сырья S=10-10 См, устройство плазмохимической переработки сырья подключают к источнику, который обеспечивает высоковольтные импульсы с градиентом подъема напряжения (4-10)×10 В/мкс, длительностью 1-10 мкс с обеспечением напряженности электрического поля в межэлектродном промежутке 1-20 кВ/см, к системе подачи газа подключают систему формирования дополнительных окислителей в низкотемпературной плазме (увлажнитель газа парами воды в диапазоне 20-100%).
Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 показаны условия реализации способа плазмохимической обработки сырья/продуктов. В реакторе 1 формируется низкотемпературная плазма 2 между электродами 3, 4, между которыми формируется электрическое поле с объемным зарядом, на одном из электродов 3 пропускается слой обрабатываемого сырья 5. В межэлектродном промежутке располагается и формируется поток газа.
2
2
Электрический разряд в промежутке создает поток электронов, ионов, благодаря ионизации формируются химически активные частицы атомарного кислорода, озона, при дополнительных газовых окислителях формируются дополнительные окислители для сырья (при парах воды формируются окислители в виде гидроксильных групп ОН). При этом взаимодействие с обводненной поверхностью сырья обеспечивает появление перекиси водорода HO.
Обводненное сырье, органические вещества, продукты подвергаются воздействию потока электронов, ионов газа, химически активных частиц, СВЧ-излучением газоразрядных процессов. При этом возникает обеззараживание обводненного сырья (продуктов), реализуются окислительные реакции, в результате которых разрушаются гелиевые включения, красители, бензольные соединения, ионы тяжелых металлов образуют нерастворимые в воде окислы и щелочные группы.
В реактор 1 поступает сырье 5, формируемое системой его подачи 6 для обработки в электрическом поле с разрядными явлениями. В реактор подается газовая смесь системой подачи газа 7, где возникает низкотемпературная плазма 2 благодаря формированию электрического поля с разрядными явлениями благодаря подключению источника высокого напряжения 8. Источник 8 подключен к электроду 3, на котором располагается сырье 5, а вторым выводом к электроду 4 над сырьевой обводненной компонентой. Благодаря источнику и подаче от него высокого напряжения в промежутке возникают разрядные явления, обеспечивающие появление электрического поля и протекание тока, которые формируют над сырьем низкотемпературную плазму 2. Обработанное сырье выходит из реактора 1 благодаря системе вывода его из реактора 9. Подача сырья в реактор 1 реализуется благодаря включению системы обводнения сырья 10. Оптимизация способа и устройства плазмохимической обработки сырья осуществляется благодаря дополнительному включению в систему подачи газа водной паровой фазы - устройства увлажнения подводимого газа парами воды 11 и подключению к системе подачи жидкой обводненной компоненты устройства изменения удельного сопротивления поступающего водосодержащего сырья 12.
Описание работы изобретения
В реакторе 1 (фиг. 2) обрабатывают органическое сырье, которое подается в реактор системой его подачи 6. Одновременно в реактор подают газовую смесь системой подачи газа 7. В подаваемом газе формируют низкотемпературную плазму 2 благодаря созданию электрического поля с разрядными явлениями источником высокого напряжения 8. Источник 8 подключают к одному из электродов, на который подается слой сырья, а вторым выводом к электроду над слоем сырья. Благодаря источнику подают высокое напряжение к промежутку, где возникают разрядные явления, обеспечивающие появление электрического поля и протекание тока, которые и формируют над сырьем низкотемпературную плазму 2. Обработанное сырье выводят из реактора системой вывода из реактора 9. Подачу сырья в реактор реализуют путем получения и подачи к низкотемпературной плазме жидкой смеси с сырьем системой 10 (обеспечивают обводнение сырья). Подают сырьевую пленку на электрод 3 реактора 1. Оптимизируют обработку сырья благодаря изменению водородного показателя рН и проводимости сырьевого слоя. Устойчивую низкотемпературную плазму получают благодаря подаче проточного газа над слоем сырья системой 7 и дополнительному подключению к ней устройства увлажнения подводимого газа парами воды 11, способствующих окислению и обеззараживанию сырьевого потока. Парами воды увлажняют подаваемый газ, обеспечивая появление гидроксилов воды, которые приводят к разрушению отдельных загрязнителей в сырье. За счет устройства изменения удельного сопротивления поступающего водосодержащего сырья 12 изменяют проводимость слоя сырья и тем самым обеспечивают устойчивость газового разряда и низкотемпературной плазмы в реакторе благодаря поддержанию электрической проводимости сырьевого слоя.
Таким образом, плазмохимическую обработку органического и/или растительного сырья (продуктов), проводят в реакторе при воздействии химически активных частиц, образующихся в регулируемой низкотемпературной плазме электрического разряда при поддержании характеристик подводимого газа и проводимости слоя сырьевой пленки для поддержания заданных свойств разряда.
2
2
o
Экспериментальные физико-химические исследования низкотемпературной плазмы показали, что в лавиностримерном разряде, в воздушной среде образуются: атомарный кислород, озон, при наличии паров воды гидроксильные группы ОН, молекулы перекиси водорода НO. Они являются сильнейшими окислителями для органических веществ и неорганических высокомолекулярных соединений. В электрическом разряде в электрическом поле ускоряются электроны, появляются β - излучения с энергиями в несколько десятков электрон-вольт, электромагнитные излучения ультрафиолетового (УФ), сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазонов за счет возбуждения газовых молекул в разрядном промежутке, колебаний зарядов за счет продвижения лавин и стримеров в электрическом разряде. Названные характеристики разряда приводят к воздействию на водные компоненты сырьевых растворов. Установлено, что воздействие низкотемпературной плазмы, в проточном газе на водосодержащее обрабатываемое сырье (продукт), определяется свойствами газового разряда параметром E/N. Электрический разряд проявляется в появлении химически активных частиц, определяется электрическим полем Е, током газового разряда. При этом напряженность электрического поля определяет силовое воздействие на заряженные частицы, появляющиеся при электрическом разряде. Ток определяет ионизационные процессы и динамические характеристики излучений.
В предлагаемом изобретении выбирают напряженность электрического поля в пределах, когда самостоятельный низкотемпературный электрический разряд переходит в разряд с высокотемпературной плазмой, при нормальном давлении напряженность в электрическом поле достигает значений 5-30 кВ/см.
e
e
9
12
3
Формирование химически активных частиц реализуется при возникновении в разряде свободных электронов и ионов в газовой среде, определяется концентрацией заряженных частиц в разрядном промежутке. Наличие электрических частиц определяется уровнем электрического тока в разрядном промежутке. Распределение электрических частиц (их концентрация No) в разрядном промежутке определяется конфигурацией электрического поля и объемом, в пределах которого реализуется ионизационные процессы. Объем формируют исходя из площади поверхности обрабатываемого обводненного сырья и межэлектродного расстояния. No=it/qV, где i - мгновенное значение тока источника, t - время воздействия тока, q - элементарный заряд электрона или иона, V - объем, занятый газовым разрядом в реакторе. Экспериментальные исследования демонстрируют, что плотность электрических разрядов характерная для низкотемпературной плазмы находится в пределах No=10-10 1/см. В реализуемом способе плазмохимической обработки сырья учитывают воздействие и электрического поля, и плотности (концентрации) воздействующих заряженных частиц, поэтому выбирают в качестве воздействующего параметра отношение E/No в пределах
-6
-7
2
E/N0=10-10 [В·см].
-6
-7
2
В указанном диапазоне воздействующего параметра реализуется образование низкотемпературной плазмы в электрическом разряде, формирование химически активных частиц и воздействующих излучений на сырье, обеспечивая окисление высокомолекулярных неорганических и органических веществ в водосодержащих растворах. Поэтому сущность изобретения состоит в том, что параметр электрического воздействие плазмы разрядов определяется параметром E/N0=10-10 [В·см].
Обрабатываемое водосодержащее сырье определяется водородным показателем - рН (мерой активности водных растворов эквивалентности концентрации ионов водорода в растворе). «Кислотность рН» количественно выражает активность ионов водорода при взаимодействии разряда с сырьевой средой. При оптимизации процессов обеззараживания водных растворов органических и неорганических составляющих водных растворов установлено, что разрушение вредных органических и неорганических соединений происходит в диапазоне водородного показателя рН=2-7. При таком показателе реализуется появление в растворе воды перекиси водорода, являющейся обеззараживающим и окислительным средством.
Появление перекиси водорода реализуют при дополнительной влажности газа. При реализации способа обработки сырья с использованием низкотемпературной плазмы применяют газы в разрядном промежутке с содержанием паров воды 20-100%. При низком содержании паров воды (20%) содержание перекиси водорода в промежутке оказывается неэффективным, а при 100%-ной влажности в разрядном промежутке возникают пробои и низкотемпературная плазма не реализуется.
-2
4
Реализацию способа воздействия на загрязнения водных растворов органических и неорганических сырьевых компонентов осуществляют путем организации разряда над поверхностью раствора. В цепи источника питания образуется цепь нагрузки из разрядного промежутка и сопротивления образованного слоем обводненного сырья. При большом сопротивлении слоя продукции в цепи источника появляется падение напряжения на слое сырья. Слой продукции при прохождении через реактор меняет свое сопротивление и при этом меняется и падение напряжения на слое обрабатываемой продукции и в результате меняются характеристики разряда и степень обработки продукции. Чтобы характеристики разряда не меняли свои параметры и не влияли на результаты обработки сырья, удельное сопротивление сырьевого слоя должно обеспечить стабильность разряда. Изменения параметров разряда при воздействии на сырье сохраняются в пределах 10-20%, при этом проводимость сырья облучения должна меняться в пределах S=10-10 сименсов.
Большие проводимости слоя характерны для типичных сырьевых смесей, а малые проводимости вызывают большие сопротивления сырьевого слоя, большие падения напряжения в цепи разрядного промежутка и приводят к неустойчивости разряда.
Способ обработки органического и/или растительного сырья в низкотемпературной плазме реализован при создании низкотемпературной плазмы 2 между электродом 3 с облучаемым сырьем и активным электродом 4. Слой облучаемого сырья (продукта) 5 непрерывно подвергается облучению низкотемпературной плазмой при поступлении в межэлектродное пространство газового потока.
0
0
e
e
-6
-7
2
Устройство плазмохимической переработки сырья включает подключение к плазмохимическому реактору облучения системы подачи обводненного облучаемого сырья 6, системы подачи газа над облучаемым слоем сырья 7, источника питания 8, обеспечивающего формирование электроразрядной плазмы, причем один электрод размещен под слоем обрабатываемого сырья, а другой размещен в газовом пространстве над слоем обрабатываемого сырья. Система вывода обработанного сырья 9 собирает и выводит из реактора обработанный продукт. Слой сырья 5 подвергается обработке низкотемпературной плазмой 2, обеспечивая снижение загрязняющих и заражающих факторов в сырье. Система подачи газа 7 содержит устройство увлажнения подводимого газа парами воды 11. В этом случае, в разрядном промежутке формируются химически активные частицы окислители -химически воздействующие на сырье. Так увлажнение газа парами воды дает в плазме, помимо атомарного кислорода, озона, также гидроксилы водорода - ОН, они в большей степени способствуют обезвреживанию сырья. Облучаемая сырьевая среда подключена к объему низкотемпературной плазмы 2 в реакторе 1, создаваемая источником напряжения 8, одним выводом подключенным к изолированным элементам реактора - активирующим электродам, а вторым - к электродам, расположенным под облучаемым слоем сырья. В качестве источника питания электроразрядной плазмы используют источник, обеспечивающий формирование электрического разряда с объемными электронными и ионными зарядами в импульсном периодическом режиме. Слой облучаемого сырья помещают в низкотемпературную плазму, создаваемую с параметрами плазмы в разрядном промежутке E/N=10-10 [В·см], где Е - напряженность электрического поля, a N - концентрация заряженных частиц в разрядном промежутке, рассчитанная по формуле No=it/qV, где i - мгновенное значение тока источника, t - время воздействия тока, q - элементарный заряд электрона или иона, V - объем, занятый газовым разрядом в реакторе.
6
Высоковольтный источник импульсного питания обеспечивает градиент подъема напряжения (4-10)10 В/мкс, длительностью 1-10 мкс, при напряженности электрического поля 5-10 кВ/см (амплитуде напряжения 20-40 кВ, для межэлектродного промежутка 2-4 см).
К системе подготовки облучаемого обводненного сырья, подключенной к реактору, подключают блок изменения водородного показателя рН, обеспечивая изменение его показателя в диапазоне взаимодействия химически активных частиц газового разряда с органическими и микробиологическими включениями в диапазоне рН=2-7. Кроме того, для стабилизации разрядных явлений низкотемпературной плазмы обеспечивают электропроводность облучаемой среды в диапазоне:
-2
4
S=10-10 См.
Для формирования в разрядном промежутке активных окислителей в виде гидроксильных групп ОН, к системе подачи газа подключают устройство увлажнения газа, поступающего в реактор над облучаемым обводненным сырьем дополнительно подключают увлажнитель газа парами воды с увлажнением газа от 20 до 100%.
Работает устройство следующим образом.
Способ обработки органического и/или растительного сырья в низкотемпературной плазме реализован при создании низкотемпературной плазмы 2 между электродом 3 с облучаемым сырьем и активным электродом 4. Слой облучаемого сырья (продукта) 5 непрерывно подвергается облучению низкотемпературной плазмой при поступлении в межэлектродное пространство газового потока.
0
0
e
e
-6
-7
2
Устройство плазмохимической переработки сырья включает подключение к плазмохимическому реактору облучения системы подачи обводненного облучаемого сырья 6, системы подачи газа над облучаемым слоем сырья 7, источника питания 8, обеспечивающего формирование электроразрядной плазмы, причем один электрод размещен под слоем обрабатываемого сырья, а другой размещен в газовом пространстве над слоем обрабатываемого сырья. Система вывода обработанного сырья 9 собирает и выводит из реактора обработанный продукт. Слой сырья 5 подвергается обработке низкотемпературной плазмой 2, обеспечивая снижение загрязняющих и заражающих факторов в сырье. Система подачи газа 7 содержит устройство увлажнения подводимого газа парами воды 11. В этом случае, в разрядном промежутке формируются химически активные частицы окислители -химически воздействующие на сырье. Так увлажнение газа парами воды дает в плазме, помимо атомарного кислорода, озона, также гидроксилы водорода - ОН, они в большей степени способствуют обезвреживанию сырья. Облучаемая сырьевая среда подключена к объему низкотемпературной плазмы 2 в реакторе 1, создаваемая источником напряжения 8, одним выводом подключенным к изолированным элементам реактора - активирующим электродам, а вторым - к электродам, расположенным под облучаемым слоем сырья. В качестве источника питания электроразрядной плазмы используют источник, обеспечивающий формирование электрического разряда с объемными электронными и ионными зарядами в импульсном периодическом режиме. Слой облучаемого сырья помещают в низкотемпературную плазму, создаваемую с параметрами плазмы в разрядном промежутке E/N=10-10 [В·см], где Е - напряженность электрического поля, a N - концентрация заряженных частиц в разрядном промежутке, рассчитанная по формуле No=it/qV, где i - мгновенное значение тока источника, t - время воздействия тока, q - элементарный заряд электрона или иона, V - объем, занятый газовым разрядом в реакторе.
6
Высоковольтный источник импульсного питания обеспечивает градиент подъема напряжения (4-10)10 В/мкс, этот градиент обеспечивает появление в газовом разряде лавин электронов и, тем самым, только в этом диапазоне происходит интенсивная ионизация, столкновение заряженных частиц с нейтральными молекулами газа, при нормальном давлении воздуха, разряд перекрывает все межэлектродное пространство. В условиях пониженного и повышенного давления реализуются другие диапазоны крутизны напряжения, но они требуют других величин напряжения, но и повышенных затрат и энергии и конструктивного выполнения источника для установки плазмохимической обработки сырья органического и неорганического происхождения.
Длительность импульса в пределах 1-10 мкс предотвращает переход разряда в лидерный и дуговой разряд, при которых не реализуются процессы обработки сырья с получением обеззараживающего эффекта для органических продуктов.
Напряженность электрического поля 10-30 кВ/см (при амплитуде напряжения 20-40 кВ, для межэлектродного промежутка 2-4 см) является предельным для технического осуществления электрических разрядов без перехода в дуговые разряды. 2-4 см для газового промежутка является оптимальным для формирования слоев обработки с типичным нарушением гладкости поверхности жидкости от электрического ветра, от неравномерности подачи и выпуска сырьевого слоя.
-2
4
К системе подготовки облучаемого обводненного сырья, подключенной к реактору, подключают блок изменения водородного показателя рН, обеспечивая изменение его показателя в диапазоне взаимодействия химически активных частиц газового разряда с органическими и микробиологическими включениями в диапазоне рН=2-7. Кроме того, для стабилизации разрядных явлений низкотемпературной плазмы обеспечивают электропроводность облучаемой среды в диапазоне S=10-10 См.
Для формирования в разрядном промежутке активных окислителей в виде гидроксильных групп ОН, к системе подачи газа подключают устройство увлажнения газа, поступающего в реактор, над облучаемым обводненным сырьем дополнительно подключают увлажнитель газа парами воды с увлажнением газа от 20 до 100%.
По предлагаемому изобретению был реализован способ стерилизации и обеззараживания коровьего молока с использованием низкотемпературного газового разряда с использованием лавиностримерного разряда. Молоко подается в реактор слоем, глубиной 1 см. Над молоком в межэлектродном промежутке - 4 см, создается низкотемпературная плазма в проточном воздухе с увлажнением 60%.
6
Источник высокого напряжения обеспечивает импульсное напряжение. Амплитуда высоковольтных импульсов соответствует 30-40 кВ, фронт нарастания импульсного напряжения 2-4 не, при крутизне нарастания импульсного напряжения (4-10)10 В/мкс, длительность прикладываемого к промежутку напряжения обеспечивалась в диапазоне 1-5 мкс. Обеспечивают частоту повторения высоковольтных импульсов от источника в диапазоне 1-10 кГц.
В облученном молоке установлено отсутствие микробной и грибковой флоры, обнаружено уменьшение концентрации ионов железа, меди, магния. Доза облучения составляла 20-30 Дж/мл.
Установлено уменьшение энергозатрат на обеззараживание молока в 20 раз по сравнению с известными способами.