Способ ликвидации отработанных жидких сред
Изобретение относится к способам ликвидации отработанных жидких сред различных производств. Способ включает концентрирование жидкой среды путем циркуляции через кавитирующее устройство с рабочим давлением не менее 0,3 Мпа. При этом происходит концентрирование жидкой среды и уменьшение ее массы (объема). Парогазовую смесь или газ, выделяющийся при кавитационном воздействии на жидкую среду, собирают с использованием сепаратора и утилизируют. Технический результат состоит в уменьшении затрат энергии. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к способам ликвидации отработанных жидких сред различных производств.
Известен способ очитки от накипи теплообменников (Заявка RU №2003131131, МПК7 F28G 9/00, опубл. 20.04.2005 г.) путем циркуляции водного раствора с образованием кавитационных пузырьков.
Известно использование кавитации для очистки деталей машин от жировых загрязнений перед нанесением покрытий (Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1976, статья Ультразвуковая обработка, с.520).
Эти способы отличаются длительным временем проведения и использованием дополнительного количества оборудования.
Известно применение кавитации для термомеханодеструкции отходов нефтепереработки. Кавитация используется в данном способе и в других известных способах для интенсивного диспергирования. Известна технология, которая заключается в утилизации нефтеотходов сжиганием их в смеси с мазутом или смешанными нефтеостатками с предварительным диспергированием их в виброкавитационных смесителях (Патент RU №2139454, МПК7 F15D 1/02, опубл. 10.10.1999 г.).
Известна утилизация продуктов жидкофазного окисления осадков сточных вод (Заявка RU №93020247, МПК7 С02F 11/00, опубл. 23.03.1995 г.). Осадки сточных вод подвергают окислению в щелочной среде, отфильтровывают твердую фазу, отфильтрованную жидкость упаривают до заданной концентрации сухого вещества.
Недостатком способа является его сложность, высокие энергозатраты.
Известен способ выпаривания растворов, при котором происходит их концентрирование. Выпаривание происходит благодаря подводу теплоты извне, чаще всего используют водяной пар давлением до 1,2 МПа.
Для проведения процесса применяют выпарные аппараты, работающие под атмосферным и избыточным давлением или разрежением.
В зависимости от способа нагревания концентрируемого раствора выпарные аппараты делят на поверхностные и контактные, в которых происходит непосредственное соприкосновение теплоносителя с раствором (Хим. энциклопедия, T.1; М.: Советская энциклопедия. 1988 г., стр.847-855).
Недостатком способа является значительный расход энергии.
Известно изобретение (WO 9410261 А1, кл. В01J 19/10, 11.05.1994, 38 стр.), в котором описан способ крекинга нефти и нефтепродуктов с такой обработкой сырья и установки для осуществления этого способа, с таким конструктивным выполнением устройства, которые позволили бы увеличить выход светлых нефтепродуктов до 90% и более.
Для эффективного крекинга нефти кроме интенсивности звука обязательным условием является использование определенного статического давления, которое должно быть выбрано из диапазона 0,2-5,0 МПа.
Величина давления 0,2-5,0 МПа внутри указанного диапазона определяется пропорционально температуре кипения заданного продукта. При статическом давлении, меньшем давления насыщенных паров, процесс ультразвукового крекинга прекращается. С другой стороны, при увеличении статического давления выше суммы давления насыщенных паров и давления звуковой волны кавитационный пузырек не может образоваться и процесс крекинга нефти прекращается.
Однако данный способ не позволяет эффективно проводить ликвидацию жидких отходов, при которой происходят одновременно различные процессы: уменьшение объема жидкой среды, разложение жидких отходов, и др.
Наиболее близким техническим решением является способ обработки жидких сред (Патент US 5749945 А, кл. В01D 19/00, 12.05.1998), в котором жидкая среда циркулирует через кавитирующее устройство, при этом происходит уменьшение объема жидкой среды за счет испарения ее части. Данное устройство предназначено для дегазации.
Недостатком данного устройства является то, что с его помощью можно проводить только дегазацию жидкой среды и условия обработки таковы, что с помощью этого способа нельзя провести разложение вредных веществ, находящихся в жидкой среде, и поэтому данный способ неэффективен при утилизации жидких отходов.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является ликвидация жидких отходов разных производств с одновременным снижением затрат и значительным уменьшением расхода энергии.
Поставленная задача решается с помощью кавитационного воздействия на отработанную жидкую среду путем циркуляции ее через кавитирующее устройство с рабочим давлением не менее 0,3 МПа, при этом происходит концентрирование жидкой среды и уменьшение ее массы (объема).
Под термином «ликвидация жидких средств» понимается не только некоторое уменьшение объема жидкой среды за счет испарения ее части, но и разложение жидких отходов разных производств, преобразование веществ, в частности разложение воды на ионы (ОН-) и (Н+), разрыв молекулярных цепочек сложных молекул с превращением их в более простые вещества.
Парогазовую смесь или газ, выделяющийся при кавитационном воздействии на жидкую среду, предпочтительно собирают с использованием сепаратора и утилизируют.
Предлагаемый способ может быть использован при ликвидации различных отходов, представляющих жидкие среды:
- при ликвидации жидких радиоактивных отходов;
- при ликвидации жидких технических отходов, загрязненных различными веществами (химическими и органическими, в частности на целлюлозно-бумажных производствах);
- при ликвидации подсланевых вод на морских и речных судах;
- при ликвидации разливов нефти на воде при авариях;
- при уничтожении ядохимикатов, пестицидов и отравляющих веществ.
В качестве кавитирующего устройства в предлагаемом способе могут быть использованы любые известные устройства, позволяющие создавать рабочее давление в зоне обработки не ниже 0,3 МПа.
В качестве такого устройства может быть использовано, например, устройство по патенту RU №2054604, МПК 7 F24G 3/00, 1995 г.
На чертеже показана технологическая схема ликвидации отработанных жидких сред (жидких отходов). Она включает в себя емкость 1 с отработанной жидкой средой, кавитирующее устройство 2, отсечной вентиль 3, установленный на нагнетательной трубе 5, регулирующий вентиль 4, сепаратор 6 с патрубком отбора 7.
Способ осуществляется следующим образом. Жидкие отходы загружаются в емкость 1, открывается отсечной вентиль 3, и обрабатываемая жидкая среда поступает в полость кавитирующего устройства 2, выполненного в виде насоса с неподвижной и подвижной (закрепленной на крыльчатке) решетками (не показаны). В момент перекрытия окон в решетках за ними происходит образование вакуумных каверн, схлопывающихся в момент открытия окон. Обработанная жидкая среда покидает кавитирующее устройство 2 и через открытый регулирующий вентиль 4 возвращается в емкость 1. При этом жидкая среда по нагнетательной трубе 5 проходит через сепаратор 6 в емкость 1 и через патрубок 7 собирают парогазовую смесь или газ. В зависимости от содержания газа или парогазовой смеси выбирают подходящие известные способы их дальнейшей утилизации. Емкость может быть открытой, как на чертеже, и закрытой в зависимости от состава жидкой среды.
При циркуляции отработанных жидких сред через кавитирующее устройство 2 в рабочей области возникает кавитационное облако, в котором в момент схлопывания вакуумных каверн, образующих сферические кумулятивные струи, направленные в центр каверн, удельное давление, температура и электрический потенциал достигают параметров, способных преодолеть значительные энергетические барьеры, что ведет к преобразованию вещества, в частности к разложению воды на ионы (ОН-) и (H+).
Во время схлопывания каверны параметры процесса: удельное давление и температура в точке схлопывания, достигают величин порядка 1000 МПа и 10000°С. При этом происходит разрыв молекулярных цепочек сложных молекул с превращением их в более простые вещества. Происходящие процессы описаны во многих работах, в том числе и в патенте RU №2054604, МПК6 F24G 3/00, опубл. 20.02.1996 г.
Затраты энергии на описанное выше удаление жидкости при ликвидации отработанных жидких сред значительно ниже применяемых в настоящее время способов удаления жидкости путем выпаривания, испарения и т.д.
Техническим результатом заявляемого решения является уменьшение энергозатрат при ликвидации различных отработанных жидких сред.
Процесс испарения воды в емкости 1 ускоряется в сотни раз, даже при температурах, значительно меньших температуры кипения. В течение незначительного времени циркуляции отработанных жидких сред (отходов) через кавитирующее устройство 2, создающее рабочее давление в зоне обработки не ниже 0,3 МПа, происходит значительное уменьшение объема жидкой среды в емкости 1.
Ниже приведены конкретные примеры реализации способа, полученные на экспериментальной установке.
Пример 1. Емкость, наполненную промышленной водой с температурой 19°С в количестве 40 л, подсоединяют к кавитирующему устройству. В течение 4 минут прокачивают жидкость через кавитирующее устройство при давлении 0,38 МПа. Затраченная мощность Nзатр=8,0 кВт. Убыль жидкости после 4 минут составляет 320 мл, температура жидких отходов изменилась от 19 до 27°С.
Пример 2. Аналогичен примеру 1. Давление в рабочей полости кавитирующего устройства составляет 0,54 МПа. Через 4 минуты обработки убыль жидкости составляет 480 мл, температура воды повысилась от 22 до 55°С. Затраченная мощность Nзатр=13 кВт.
Для сравнения: для ликвидации 480 мл воды традиционным выпариванием за время τ=4 минуты требуется мощность:
Nтреб=Nисп+Nнаг+Nразл
На нагрев объема воды G=40 л от Тнач 19°С до Тконечная 55°С требуется мощность:
где С - теплоемкость воды, 
ΔТ - перепад температур от Тнач до Тконечная, °С.
По предлагаемому способу в данном случае потребовалась мощность 13 кВт, что в 2,3 раза меньше, чем в известном способе.
Для сравнения: при разложении данного количества воды (480 г) на (H+ и ОН-) требуется мощность:
где q=118 ккал/моль,
n - число молей воды,
K=4,18 коэффициент перевода килокалорий в килоджоули.
τ - время,
1 моль воды весит 18 г.
С учетом нагрева воды от 19 до 55°С требуемая мощность Nнагр составляет 54,8+25=79,8 кВт.
Затраченная мощность установки по предлагаемому решению составляет Nзатр=13 кВт.
Таким образом, эффективность использования предлагаемого способа очевидна:
Пример 3. Аналогичен примеру 1. Давление в рабочей полости кавитирующего устройства составляет 6,2 МПа. За 300 часов обработки образуется твердый осадок - шлам.
Пример 4. Для сравнения был проведен опыт с естественным испарением воды в данной установке с этой же открытой поверхности, что составило 1,86 л за 192 часа, то есть 9,7 мл в час. Такой способ ликвидации отработанных жидких сред неэффективен и длителен во времени.
Во время работы установки в стабильном режиме с рабочей температурой 70-90°С доля энергии, требуемой на нагрев воды, будет меньше, а неизрасходованная часть ее тратиться на испарение и другие процессы. При этом теплота испарения при средней температуре 80°С составляет 9,9 ккал/моль и количество испаренной воды возрастет.
Увеличение рабочего давления в рабочей полости кавитирующего устройства также ведет к большей интенсификации процесса испарения. При увеличении давления в рабочей полости от 0,38 до 0,54 МПа увеличивается скорость испарения от 80 до 120 г/мин, то есть в полтора раза (Пример 2). При увеличении рабочего давления до 6,2 МПа (пример 3) и увеличении времени обработки до 300 часов образуется твердый шлам, который легко поддается захоронению.
Процесс кавитационного воздействия на жидкую водную среду сопровождается не только испарением, но и разложением ее с выделением водорода. Выделяющийся в процессе работы водород можно использовать в качестве вторичного экологически чистого топлива. Выделяющиеся газы из ядовитых веществ утилизируют известными способами. Кроме этого, во время кавитационного воздействия на жидкие среды разрушаются устойчивые при нормальных условиях вредные соединения, такие как фенол и др.
Таким образом, в настоящем изобретении предлагается использовать процессы, происходящие при кавитации, на ликвидацию отработанных жидких сред. Из приведенных примеров видно, что затраты энергии значительно уменьшаются по сравнению с известными способами.
1. Способ ликвидации отработанных жидких сред, включающий концентрирование жидкой среды путем циркуляции через кавитирующее устройство, отличающийся тем, что жидкую среду подвергают кавитационному воздействию с рабочим давлением не менее 0,3 МПа.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно собирают парогазовую смесь или газ, выделяющийся при кавитационном воздействии на жидкую среду с использованием сепаратора для дальнейшей утилизации.
