УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЙ АКТИВАЦИИ ВОДНЫХ ПУЛЬП И СУСПЕНЗИЙ
PLANT FOR ELECTROBLASTING ACTIVATION OF WATER PULPS AND SUSPENSIONS

Изобретение относится к электровзрывной дезинтеграции и активации водных суспензий, эмульсий, коллоидных растворов, а также к очистке воды от загрязнителей природного и антропогенного происхождения. Изобретение может быть использовано для повышения эффективности в следующих технологических процессах:
- повышения химической активности известкового молока, применяемого в строительстве и хозяйственно-питьевом водоснабжении, очистке сточных вод в коммунальном хозяйстве;
- очистки алюминатных растворов от кремния в алюминиевой промышленности;
- увеличения скорости и выхода химических реакций в пульпах и водных суспензиях;
- обеззараживания и очистки питьевых и сточных вод.
Известен способ обработки известкового молока высоковольтными электрическими разрядами и устройство для обработки минерального сырья [Шепелев И.И., Медведев Г.П., Дашкевич Р.Я. Интенсификация гидрометаллургических процессов переработки алюминийсодержащего минерального сырья с использованием электровзрывного воздействия // Электрический разряд в жидкости и его применение в промышленности: Тез. Докл. VI Международной конф., Николаев, 1992. - С.171, а.с. 1570769 СССР, МПК В02С 19/18. Опубл. 15.06.1990], в результате чего повышается химическая активность известкового молока и снижается расход молока на технологические нужды в 2-3 раза. Для активации известкового молока, энергия разряда составляла 7-14 кДж, а величина разрядного промежутка 3-5 мм. Для проводящих сред, например, водная суспензия Са(ОН)
- известковое молоко, величина межэлектродного промежутка и проходное сечение аппарата из-за потерь энергии резко сокращаются при одновременном увеличении энергии и напряжения в разряде. При таком высоком расходе энергии способ электрогидравлической активации известкового молока не экономичен, а через реактор с малым сечением невозможно прокачивать большие объемы технологических растворов, высока скорость эрозии электродов, регулировка или замена которых требует остановки работы реактора-активатора. Известны также устройства для электрогидравлической (напряжение до 110 кВ) и электроимпульсной (напряжение разряда более 110 кВ) обработки твердых материалов [Оборудование и технологические процессы с использованием электрогидравлического эффекта / Под ред. Г.А.Гулого. - М., Машиностроение, 1997. - 320 с.; Разрядноимпульсная технология обработки минеральных сред / Гаврилов Г.Н. и др.- Киев: Наук. Думка, 1979. - 164 с., Патент РФ 2099142
В02С 19/18]. Известна установка по обеззараживанию и очистке воды патент US 5464513 «Method and apparatus for water decontamination using electrical discharge», МПК B01J 19/08, опубл. 11.07.1995, которая содержит генератор импульсов, включающий импульсный трансформатор, обеспечивающий на выходе напряжение от 10 до 50 кВ, подключенный к электродам.
2
6
Недостатком этих устройств является высокое энергопотребление и низкая производительность, отсутствие возможности регулировки расстояния между высоковольтным и заземленным электродами, что обусловливает необходимость постоянного поддержания требуемого значения этого расстояния, что осуществляется путем периодической замены изношенных электродов.
Прототипом изобретения является установка по патенту РФ 2019906, МПК Н03К 3/53, опубл. 15.09.1994, для дробления руд и горных пород, в строительной индустрии, для переработки отходов и в других областях, в которых используется электроимпульсная технология. Установка в составе источника высоковольтных импульсов ГИН, генератора импульсных токов (ГИТ) и высоковольтного электрода, погруженного в заземленную емкость с технической жидкостью, в качестве источников импульсов высокого напряжения применен высокочастотный трансформатор, состоящий из набора индукторов, а в качестве высоковольтного электрода применен высоковольтный кабель. Разрушение осуществляется в результате энерговклада от генератора импульсного тока, подключенного к центральному проводнику высоковольтного кабеля и состоящего из высоковольтного сильноточного тиристора и конденсаторной батареи, причем высоковольтный кабель выполняет роль электрода и погружен в заземленную емкость, в которой осуществляется разрушение различных материалов с помощью электрических импульсов.
К недостаткам описанной установки относится высокое энергопотребление, низкая производительность из-за конструктивных сложностей установки с высоковольтными кабелями выполняющими роль электрода, отсутствие возможности регулировки расстояния между высоковольтным и заземленным электродами, через который с достаточно большой массовой скоростью должна прокачиваться суспензия или пульпа и высокая скорость эрозии электрода при разряде, энергия которого определяется по уравнению Е=CU
/2, где С - емкость конденсатора, а U - напряжение. Энергия разряда увеличивается пропорционально квадрату U и даже при С=0,2 мкФ и U=110 кВ, Е=1.21 кДж и чем выше энергия, тем выше эрозия электрода, увеличивающая межэлектродное расстояние, напряжение и ток разряда.
2
Задачей изобретения является улучшение качества подготавливаемого сырья, обеззараживание и очистка воды, повышения производительности установки электровзрывной активации водных пульп и суспензий за счет снижение удельного расхода электроэнергии за счет увеличения объема обрабатываемых водных пульп и суспензий, снижение эксплуатационных затрат на ее обслуживание.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание недорогой и простой в обслуживании, высокопроизводительной установки непрерывного действия, основой которой является конструкция реактора-активатора, позволяющая максимально использовать энергию высоковольтных импульсных разрядов (ВИР) для обработки суспензий, пульп и растворов, проходящих через реактор с выводом из него более гомогенизированной суспензии, обеспечивающая экономически выгодный для потребителей расход электроэнергии на активацию и дезинтеграцию водных растворов и суспензий, что обеспечивается использованием конденсаторов с емкостью 0,1-0,25 мкФ, с регулированием напряжения до 50 кВ при частоте 0,5-10 Гц. Энергия разряда от конденсаторов, в предлагаемой установке, составляет 45 - 125 Дж/дм
, против 3-14 кДж у аналогов. Вместе с тем, как установлено экспериментальными и опытно-промышленными исследованиями, приведенными в таблице, этой энергии достаточно для дробления минеральных частиц по спайкам и границам раздела, повышения скорости химических реакций в водных средах за счет увеличения удельной поверхности частиц твердой фазы и вторичных эффектов электрического разряда - ультрафиолетового излучения, кавитации и образования озона, повышения поверхностной энергии частиц за счет удаления пассивных пленок, уничтожения микроорганизмов ультрафиолетовым излучением, ударными волнами, ионами Н, ОН, О и др., возникающими в парогазовой полости разрядного промежутка и решения ряда других аналогичных задач. Кроме того, при относительно малой энергии разряда, электрод в меньшей степени подвергается эрозии, что важно при создании высокопроизводительных реакторов. Необходимая емкость конденсаторов и напряжения разряда, в зависимости от решаемой задачи, определяются на специальном лабораторном стенде, на котором определяется необходимые энергозатраты для конкретного вида сырья, скорость сечения реактора-активатора, необходимое количество электродных ячеек и частота разрядов. При этом решаются задачи минимизации эксплуатационных затрат времени, связанных с регулировкой разрядного промежутка между высоковольтным и заземленным электродами и порядок оперативной настройки установки под заданную производительность по конкретному виду сырья. Конструкция предложенного реактора-активатора обеспечивает производительность по пульпе и суспензии до 90 м
/час и более, что и требуется в гидрометаллургии, предприятиях строительной индустрии, коммунальном хозяйстве, и отличается малыми габаритами при высокой производительности.
3
3
На фиг.1 и фиг.2 схематически показана установка для электровзрывной активации водных пульп и суспензий и конструкция электродной ячейки, где:
1 - пульт управления; 2 - повышающий высоковольтный трансформатор 220-380 В, с регулированием напряжения до 50 кВ: 3 - генератор импульсов: 4 - заземление; 5 - крышки реактора-активатора; 6 - прямоугольный короб реактора-активатора: 7 - электродные ячейки, на которых закреплены электроды в изоляторах; 8 - патрубок подачи пульпы, раствора; 9 - патрубок вывода обработанной пульпы, раствора; 10 - кавитационная U-образной полость реактора-активатора; 11 - фланцы для крепления крышек реактора-активатора; 12 - реактор-активатор; 13 - высоковольтные кабели: 14 - стойки; 15 - шпильки; 16 - фланец крепления электродной ячейки; 17 - изолятор из оргстекла или капролона; 18 - резиновый демпфер; 19 - электрод; 20 - гайки; 21 - шайба; 22 - резиновая прокладка; 23 - центральная вставка демпфера.
Установка работает следующим образом:
В электродной ячейке 7, прижимаемой к корпусу реактора-активатора фланцем 16, с резиновым демпфером 18, электродом 19 и центральной вставкой демпфера 23 для регулировки величины разрядного промежутка, без отсоединения ячеек от реактора-активатора 12 устанавливают необходимый для пробоя разрядный промежуток. Для этого, в закрепленном в центре изолятора из оргстекла или капролона 17 ячейки 7, пакете-демпфере, состоящем из электрода 19, резинового демпфера 18, прижатой к изолятору шайбой 21 и гайкой 22 через центральную вставку демпфера с внутренней резьбой 23 производится регулировка разрядного промежутка ввинчиванием электрода 19 до упора в стенку U-образной полости 10, и обратным вывинчиванием электрода и закреплением его в установленном положении контргайками на свободном конце электрода 19 (не показаны). Затем на конце электрода 19 гайками жестко крепится высоковольтный кабель 13 (не показаны). Электрод 19 вместе с центральной вставкой демпфера 23 и закрепленным на конце кабелем 13 могут двигаться возвратно-поступательно под действием ударных волн, которые гасятся резиновым демпфером 18. Межэлектродное расстояние при этом не изменяется. Увеличение межэлектродного расстояния возможно из-за эрозии рабочей поверхности наконечника электрода и в соответствии с опытом работы установки на глиноземном комбинате составляет не более 0,5 мм за 500 часов работы при средней частоте разрядов 2 Гц в щелочном растворе известкового молока. При увеличении межэлектродного расстояния на 0,4-0,5 мм напряжение пробоя возрастает на 1-1,5 кВ, что фиксирует БУН (блок управления напряжения) и пульт управления 1 увеличивает напряжение разряда, вместо регулировки межэлектродного расстояния вплоть до его увеличения на 0,5 мм. При увеличении межэлектродного расстояния больше чем на 0,5 мм электропитание установки автоматически отключается. Время ручной регулировки 1 электрода 19 не превышает 5 минут, а время замены целиком собранной ячейки 7 с регулировкой разрядного промежутка - не более 15 минут.
После установки необходимого разрядного промежутка между электродом 19 и стенкой U-образной полости 10 при открытом вентиле патрубка 9 выхода раствора или суспензии из реактора-активатора 12, предназначенного для переработки водных растворов и суспензий с крупностью частиц менее 1-2 мм и изготовленного в виде прямоугольного короба 6 с конической нижней частью и фланцами 11 для крепления крышек реактора-активатора 5 с электродными ячейками 7, открывается вентиль патрубка входа 8 (вентили не показаны). В реактор-активатор 12 через впускной патрубок 8 подается пульпа или водный раствор с выводом ее через патрубок 9. Такой порядок открытия вентилей позволяет избежать гидравлических ударов и изготавливать корпус реактора-активатора 12 из листовой стали даже толщиной 3-4 мм. Суспензия проходит снизу вверх между крышками реактора-активатора 5 с установленными на них электродными ячейками с высоковольтными электродами 7 и внутренней U-образной полостью 10, являющейся вторым заземленным электродом, изготовленным из листовой стали, закрепленной к стойкам 14 короба 6 реактора-активатора 12 (фиг.1, разрез А-А). Далее она переливается через верхние края вовнутрь U-полости 10, вибрирующей под действием ударных волн, заполняя реактор-активатор 12. Включают пульт управления 1 с установкой необходимой частоты ВИР, электрическая энергия, накапливаемая в батарее конденсаторов генератора импульсов 3, высоковольтными кабелями 13, соединяющими генератор импульсов 3 с каждой электродной ячейкой 7, передается в реактор-активатор 12 для обработки водного раствора или пульпы.
Таким образом после обработки более гомогенизированной суспензии с исходным соотношением твердой и жидкой фаз (Т:Ж), перед выходом из реактора-активатора 12 через патрубок 9 суспензия дополнительно находится в зоне действия кавитации, подвергаясь прямому и косвенному воздействию ВИР по всему объему реактора-активатора 12 и внутри U-образной полости 10.
Оптимальное соотношение размеров между крышкой реактора-активатора и стенкой U-образной полости, шириной полости и между второй стенкой полости и второй крышкой реактора-активатора равно х:2х:х, как показано на фиг.1, причем если х=100 мм, то ширина U-образной полости в 2 раза больше, т.е. 200 мм, что обеспечивает равную скорость движения суспензии или раствора по всему объему реактора-активатора. Отношение расстояния между крышкой реактора-активатора и боковыми стенками U-образной полости составляет половину от внутреннего размера U-образной полости.
Примеры работы установки.
1. Обработка известкового молока. Предварительными исследованиями на стационарном лабораторном реакторе изучена зависимость степени измельчения частиц твердой фазы в известковом молоке от количества ВИР. Лабораторный эксперимент служит для определения энергозатрат, необходимых для получения максимального эффекта от ВИР - обработки данного вида сырья, после чего определяются конструктивные параметры реактора-активатора, количество электродов и рабочая частота разрядов под заданную производительность реактора-активатора по конкретному виду сырья. Образцы известкового молока после обработки 3, 5, 7, 10, 13, 17 и 20-ю разрядами пропускали через сито с ячейкой 50 мкм, промывали сито водой, сушили и определяли массу частиц с размером более 50 мкм. По этим результатам судили об эффективности ВИР-обработки известкового молока и проектировали промышленную установку для производственных испытаний. Опытно-промышленная установка врезалась в действующий продуктопровод. Рабочее сечение промышленного реактора-активатора составляло 0,08 м
. Скорость потока известкового молока через рабочее сечение реактора-активатора составляла при расходе 44 м
/ч - 0,1527 м/с, а при расходе 90 м
/ч - 0,3125 м/с. Расстояние между осями электродов составляло 200 мм, а между осью и стенкой корпуса - 100 мм. На одной крышке устанавливалось 6 электродных ячеек. Результаты испытаний реактора-активатора на действующем производстве приведены на фиг.3 зависимости кремниевого модуля М
от частоты разрядов. Мкр - кремниевый модуль определялся в лаборатории комбината. Это безразмерная величина, представляющая собой отношение масс Аl
О
/SiO
в алюминатных растворах после удаления из них SiO
известковым молоком. Так как для определения Мкр используются одинаковые объемы исходных реагентов, то эту величину можно принять как характеристику химической активности известкового молока, подвергнутого ВИР-обработке, вследствие увеличения удельной поверхности частиц Са(ОН)
и удаления с поверхности этих частиц пассивных пленок, при извлечении кремнезема из алюминатных растворов. Второй характеристикой активности может служить количество твердых частиц с размером более 50 мкм до и после ВИР обработки. В производственном эксперименте использовался источник питания мощностью 5 кВт. Удельный расход электроэнергии при активации известкового молока с расходом 90 м
/ч составил 0,055 кВт·ч/м
.
2
3
3
3
3
кр
2
3
2
2
2
2. Обеззараживание воды с использованием ВИР-обработки.
Эффективность использования ВИР для обеззараживания воды выполнялась на лабораторном реакторе с одним электродом следующим образом:
Для исследований использовалась суточная культура тестового штамма Escherichia coli ГКПМ 240418 М-17. Готовили взвесь бактерий по стандартному образцу мутности ГИСК им. Тарасовича (ОСО-42-28-85 П), что соответствовало концентрации 0,93·10
клеток/мл для микробов кишечной группы при температуре 10-30°С, заливали ее в предварительно промытый дистиллированной водой реактор и вливали в реактор 0,5 или 1 дм
воды. В эксперименте использовали 3 типа реакторов цилиндрической формы с диаметром 10, 15 и 20 см, в которые заливали исследуемый раствор объемом 0,4, 1,85 и 1,6 дм
соответственно, с перекрытыми патрубками подачи и вывода воды и трубкой для подачи воздуха в реактор. Электродная пара размещалась по центру реактора-активатора, расстояние от центра разряда до стенки реактора-активатора составляло 50, 75 и 100 мм соответственно. Включали установку при частоте 0,5 Гц. Через патрубок ввода воды с микровентилем отбирали пробы объемом 5-6 мл через каждые 3 разряда, отбирали из них по три пробы объемом 1 мл и анализировали в соответствии с приказом Госсанэпиднадзора М3 №720 и МУ-287-113. Результаты исследований показали, что в реакторе с диаметром 100 мм после 6 разрядов микроорганизмы уничтожаются полностью. В реакторе с диаметром 150 мм микроорганизмы уничтожаются после 7-8 разрядов, а в реакторе с диаметром 200 мм - после 12-14 разрядов. Очевидно, что при увеличении расстояния от центра разряда до стенки реактора-активатора в 2 раза и мощность УФ-излучения уменьшается в 2 раза. Для промышленной установки, исходя из этих данных, целесообразно использовать реактор 2-го типа с сечением в виде щели высотой 100 мм. Ширина щели, с расположенными по этой ширине электродами, выбирается исходя из требуемой производительности так, чтобы расстояние между центрами электродов было 100-150 мм, между стенкой и крайним электродом - 50-75 мм. Энергозатраты на ВИР-обеззараживание воды при расчетной производительности установки 100 м
/ч с использованием конструкции реактора-активатора второго типа, испытанного при активации известкового молока в производственных условиях с шириной щели 50 мм, не превысят 0,04 кВт·ч/м
воды.
9
3
3
3
3
Результаты обработки известкового молока, полученного при работе электровзрывной установки
<i>№ п/п</i>
<i>Частота, Гц</i>
<i>Поток, м</i><sup>3</sup><i>/ч</i>
<i>Содержание частиц +0,63, мас.%</i>
<i>1</i>
<i>0*</i>
<i>56</i>
<i>35,1</i>
<i>2</i>
<i>1</i>
<i>56</i>
<i>-</i>
<i>3</i>
<i>2</i>
<i>60</i>
<i>-</i>
<i>4</i>
<i>2,7</i>
<i>61</i>
<i>-</i>
<i>5</i>
<i>0*</i>
<i>90</i>
<i>25,1</i>
<i>6</i>
<i>1,8</i>
<i>90</i>
<i>0,36</i>
<i>7</i>
<i>2,7</i>
<i>90</i>
<i>0,2</i>
<i>0* - исходное известковое молоко, без обработки</i>