Энерго- и ресурсосберегающие импульсные технологии и оборудование

ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИННОВАЦИОННЫЙ ЦЕТР ВЫСОКИХ БИО- И ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Энерго- и ресурсосберегающие импульсные технологии и обордование

Тамбов - 2007

1. Роторные импульсные аппараты (РИА) являются эффективным оборудованием для многофакторного импульсного воздействия на гетерогенную жидкость с целью получения стабильных, высокодисперсных эмульсий и суспензий, интенсификации процессов растворения и экстрагирования ценных веществ, изменения физико-химических параметров жидкости, деструкции веществ.

РИА используются для обработки таких систем как «жидкость-жидкость», «жидкость – твердое тело» и «газ – жидкость» за счет широкого спектра факторов воздействия:

- механическое воздействие на частицы гетерогенной среды, заключающееся в ударных, срезывающих и  истирающих нагрузках и контактах с рабочими частями РИА;

- гидродинамическое воздействие, выражающееся в больших сдвиговых напряжениях в жидкости, развитой турбулентности, пульсациях давления и скорости потока жидкости;

- гидроакустическое воздействие на жидкость осуществляется за счет мелкомасштабных пульсаций давления, интенсивной кавитации, ударных волн и нелинейных акустических эффектов.

Стандартная схема РИА радиального типа показана на рис. 1. Принцип работы аппарата заключается в следующем. Обрабатываемая жидкость подается под давлением или самотеком через входной патрубок в полость ротора 1, проходит через каналы ротора 2, каналы статора 3, рабочую камеру 4 и выходит из аппарата через выходной патрубок.

При вращении ротора, его каналы периодически совмещаются с каналами статора. Выходя из каналов статора, жидкость собирается в рабочей камере и выводится через выходной патрубок. В период времени, когда каналы ротора перекрыты стенкой статора, в полости ротора давление возрастает, а при совмещении канала ротора с каналом статора давление за короткий промежуток времени сбрасывается и в результате этого в канал статора распространяется импульс давления. Скорость потока жидкости в канале статора является переменной величиной. При распространении в канале статора импульса избыточного давления, вслед за ним возникает кратковременный импульс пониженного («отрицательного») давления, так как совмещение каналов ротора и статора завершилось, и подача жидкости в канал статора происходит только за счет транзитного течения из радиального зазора между ротором и статором. Объем жидкости, вошедший в канал статора, стремится к выходу из канала, и инерционные силы создают растягивающие напряжения в жидкости, что вызывает кавитацию. Кавитационные пузырьки растут при понижении давления до давления насыщенных паров обрабатываемой жидкости при данной температуре, и схлопываются или пульсируют при увеличении давления в канале статора. Часть кавитационных пузырьков выносится в рабочую камеру.

В связи с тем, что скорость потока жидкости в канале статора велика и имеет флуктуации, поток имеет развитую турбулентность. При вращении ротора в зазоре между ротором и статором возникают большие сдвиговые напряжения. Рабочие поверхности ротора и статора воздействуют на жидкую гетерогенную среду за счет механического контакта, создавая большие срезывающие и сдвиговые усилия.

Рис.1 Схема роторного импульсного аппарата.

Применение в промышленности

Роторные импульсные аппараты являются эффективным оборудованием для многофакторного импульсного воздействия на гетерогенную жидкость с целью получения стабильных, высокодисперсных эмульсий и суспензий, интенсификации процессов растворения и экстрагирования ценных веществ, изменения физико-химических параметров жидкости, деструкции веществ.

Многие пищевые и фармацевтические продукты представляют собой эмульсии (молоко, майонез), суспензии (неосветленные соки, фруктовые и овощные пасты и пюре), экстракты ценных веществ (пектин, мази и кремы с биологически активными веществами).

Технологии и технологические комплексы на базе РИА позволяют получать высококачественные технологические, пищевые и биологически активные экстракты, эмульсии и суспензии. К ним относятся овощные и фруктовые соки, пюре, пасты, майонезы, гомогенизированное и восстановленное молоко, йогурты, мази, кремы, биологически активные вещества (пектин, танин, аминокислоты, вытяжки и экстракты), водо-топливные эмульсии; лакокрасочные материалы и т.п. В технологические комплексы кроме РИА входит стандартное оборудование для дозирования, нагнетания и подачи жидкостей и компонентов продукта, их нагрева и охлаждения, емкости предварительного смешивания и временного хранения компонентов.

РИА используется для гомогенизации и пастеризации молока. Кавитационное воздействие не только способствует повышению дисперсности эмульсии, но и уничтожает вредные микроорганизмы. При гомогенизации молока 90% жировых шариков имеют размер до 2 мкм.

Перспективным направлением использования РИА является экстрагирование продуктов микробиологического синтеза, например, каротина из биомассы. Многие лекарственные вещества получают методами экстрагирования сырья растительного и животного происхождения.

РИА применяется для завершения роспуска волокнистых материалов и для расщепления пучков волокон при переработке грубых волокнистых материалов. Цементно-водная суспензия, подвергнутая кавитационной обработке в РИА и добавленная в бетонную смесь, повышает прочность на сжатие и растяжение изделий из бетона. Использование РИА для получения устойчивых и высокодисперсных эмульсий и паст, вводимых в бетон, позволяет увеличить прочность бетона на 15-20%.

В высоковязких мазутах содержится вода в виде отдельных местных скоплений. Использование в качестве топлива специально приготовленных водо-мазутных эмульсий является одним из эффективных методов, позволяющих решить эту проблему. Одной из применяемых технологий для использования в котлах малой и средней мощности является технология с использованием РИА.

При сжигании водо-мазутных эмульсий получают существенный экономический эффект, повышение КПД на 3-5% и снижение эмиссии загрязняющих веществ (СО, сажи, окислов азота, бензапирена и других канцерогенных полициклических ароматических углеводородов) в атмосферу.

Кавитационная обработка водо-мазутной эмульсии с добавлением кальция, и ее последующее сжигание позволяет уменьшить в дымовых газах концентрацию окислов азота в 2-5 раз, концентрацию сернистого ангидрида в 2-3 раза, оксида углерода в 2-2,5 раза. Происходят глубокие структурные изменения в молекулярном составе углеводородов, повышение степени дисперсности асфальтенов, карбенов, карбоидов до размерного ряда частиц 2-3 мкм. Длинные молекулярные цепи преобразовываются в легкие углеводородные радикалы газовых, дистиллятных топливных фракций.

Наибольший экономический эффект и одновременное снижение газовых выбросов обеспечивает добавление в топливо 10-15% воды, а наибольший экологический эффект в части утилизации загрязненных органическими продуктами вод реализуется при уровне водной фазы до 50%.

Обеспечивается возможность сжигания некондиционных высоковязких и обводненных мазутов. В качестве водной фазы можно использовать загрязненные промышленные стоки предприятий. При повышении содержания воды в эмульсии свыше 20% по объему, качественные показатели процесса горения снижаются по сравнению с горением чистого топлива. Однако если учесть, что процесс сгорания ВТЭ достаточно стабилен при более высоком содержании воды (до 40-50%) в зависимости от вида топлива, открывается возможность уничтожения (огневого обезвреживания) жидких стоков производства.

Использование гомогенизированной водно-мазутной смеси позволяет повысить коэффициент сжигания топлива, сэкономить мазут и уменьшить вредные выбросы NO_x и CO_x в атмосферу при их сжигании. Механизм этого эффекта объясняется следующим обстоятельством. Мазут, поступая в горелку, распыляется форсункой. Дисперсность (размер капель) мазута составляет порядка 0,1-1 мм. Если в такой капле топлива находятся включения более мелких капелек воды (с дисперсностью около 1 мкм), то при нагревании происходит вскипание таких капелек с образованием водяного пара. Водяной пар разрывает каплю мазута, увеличивая дисперсность подаваемого в горелку топлива. В результате увеличивается поверхность контакта топлива с воздухом, улучшается качество топливо-воздушной смеси.

Одновременно в факеле происходят каталитические реакции, ведущие к уменьшению вредных газовых выбросов. Возможность снижения количества вдуваемого воздуха при сжигании ВТЭ весьма важна, поскольку КПД котельного агрегата при уменьшении коэффициента избытка воздуха на 0,1% увеличивается на 1%. Время пребывания капель в реакционном объеме топки возрастает за счет удлинения их траектории в процессе турбулентного перемешивания, увеличивается удельная реакционная поверхность капель топлива. Скорость сгорания топлива в виде мелких капель увеличивается и сопровождается выделением меньшего количества твердых продуктов, чем у крупных капель мазута, разрушаются смолисто-асфальтенновые структуры.

В настоящее время роторные импульсные аппараты изготавливаются под заказ для решения определенной технологической задачи.

2. Кавитационная технология улучшения качества жидких углеводородных топлив. Кавитационная технология предназначена для улучшения качественных параметров нефтепродуктов, нефти для увеличения выхода лекголетучих фракций и для обработки растительных масел с целью получения биодизеля. Энергетическое воздействие на сырую нефть позволяет увеличить выход легколетучих фракций при ее перегонке. Кавитационная обработка ускоряет диффузию нефти в полости парафина, интенсифицирует процесс его разрушения. Ускорение растворения парафина идет за счет интенсификации перемешивания нефти на границе нефть-парафин и действия импульсов давления, которые как бы разбрызгивают частицы парафина. Кавитация разрывает непрерывную цепочку, разрушая связи между отдельными частями молекул, влияет на изменение структурной вязкости, т.е. на временный разрыв Ван-дер-ваальсовых связей. Под воздействием кавитации большой интенсивности на протяжении длительного времени нарушаются С-С связи в молекулах парафина, вследствие чего происходят изменения физико-химического состава (уменьшение молекулярного веса, температуры кристаллизации и др.) и свойств нефтепродуктов (вязкости, плотности, температуры вспышки и др.).

Многофакторное импульсное энергетическое воздействие на мазуты различных марок позволяет снизить плотность на 8-10%, вязкость на 20-30%, температуру вспышки на 5-10%. После обработки в роторном импульсном аппарате РИА-150 в мазуте образуется до 35% дизельного топлива.

Нами проведены исследования по импульсной многофакторной энергетической обработке мазутов различных нефтеперерабатывающих заводов: Карабашский НПЗ, Нижнекамский НПЗ, Шугуровский НПЗ. Исходные и конечные параметры мазутов после обработки в роторном импульсном аппарате приведены в таблице 1.

Таблица 1.

По результатам экспериментальных исследований сделан вывод, что чем больше исходная вязкость мазута, тем больше она снижается при обработке.

Разработан бизнес-план по созданию участка по обработке нефти и нефтепродуктов. По результатам приведённого расчёта чистый дисконтный доход составит ЧДД= 29265125 руб., индекс доходности ИД = 6,5, внутренняя норма доходности ВНД = 300 %. Срок окупаемости Ток = 0,46 года.

Ведутся НИОКР по разработке метода и оборудования для импульсной многофакторной обработки растительного масла с целью получения дизельного топлива. Импульсное энергетическое многофакторное воздействие на растительное масло реализуется в форме макро- и микродинамических импульсов давления, развитой кавитации и вихреобразования. При импульсной энергетической многофакторной обработке растительного масла происходит снижение его вязкости, улучшение энергетических характеристик. В этом случае получение биодизеля возможно без реакции этерификации или при более низкой температуре и за более короткое время, что позволяет экономить значительные энергоресурсы.

3. Импульсные кавитационные теплогенераторы.

Разработаны кавитационные теплогенераторы различной мощности и теплопроизводительности. Коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую энергию для разных модификаций тепловых генераторов равен 1,2 – 2 единицам.

Принцип генерирования тепловой энергии кавитационными генераторами основан на нелинейных эффектах кавитации в жидкости. Акустическая кавитация представляет собой эффективное средство концентрации энергии звуковой волны низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. В момент схлопывания кавитационного пузырька, давление и температура газа достигают значительных величин (по расчетным данным до 100 МПа и 10000 ^oС).

Кавитационные генераторы могут также использоваться для процесса очистки от накипи, различных отложений и загрязнений на внутренних поверхностях и в труднодоступных местах технологического оборудования и трубопроводов. Кавитационная обработка воды изменяет ее физико-химические свойства, увеличивает рН воды, способствует ее активации. В результате кавитационного воздействия вода временно становится активным растворителем без введения химических реагентов.

4. Кавитационная технология опреснения морской и загрязненной воды.

Технология основана на кавитационном эффекте активации и нагрева воды. Разработано оборудование и метод опреснения морской и солоноватой воды не требующий ее предварительной подготовки. Вода для опреснения поступает без предварительной очистки и химической обработки. Генератором тепла в установке служит роторный импульсный аппарат.

Проект установки представляет из себя автоматизированный компактный модуль, которая может быть установлена на грузовом автомобиле. Предлагаемые оборудование и технология опреснения воды эффективны для труднодоступных мест, где имеется источник воды высокой степени загрязненности и солености.

Нагрев жидкости происходит за счет преобразования кинетической и акустической энергии в тепловую энергию. Многофакторное, интенсивное воздействие на жидкость, как правило, на воду, приводит к изменению ее физико-химических свойств: повышению рН, изменению химического состава, поверхностного натяжения, вязкости, плотности, диэлектрической проводимости, электрической проницаемости и др. Эти эффекты повышают теплообмен, относительный коэффициент теплоотдачи, уменьшают солеотложение и накипеобразование в гидравлической системе.

Импульсная акустическая кавитация, возникающая в роторном импульсном аппарате, представляет собой эффективное средство концентрации энергии низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. В зонах локального понижения давления в жидкости образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения полость захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз. Через стены полости в нее диффундирует растворенный в жидкости газ, который затем подвергается сильному адиабатическому сжатию. В момент схлопывания, давление и температура газа достигают значительных величин (по расчетным данным до 100 МПа и 1000 ^oС).

Разработана проектная и конструкторская документация на модульную пилотную установку по получению дистиллированой воды из загрязненной и соленой воды производительностью до 100 кг/ч.

Для проверки эффективности работы кавитационной технологии получения дистиллированной воды была изготовлена экспериментальная установка. Установка состоит из 4-х ступенчатого роторного импульсного аппарата, встроенного в емкость, Внутри емкости установлена испарительная камера, соединенная трубопроводом с кожухотрубчатым конденсатором и емкостью для сбора дистиллята. Экспериментальная установка работает в циклически периодическом режиме. При заполнении емкости процесс прерывается, дистиллят и рассол сливаются. Затем процесс возобновляется при тех же режимных параметрах.

Удельный расход энергии в экспериментальной установке без рекуперации тепла и развитой системы теплообмена в испарителе составил около 0,68 кВт на 1 литр дистиллята, что ниже, чем для электрических дистилляторов. Производительность экспериментальной установки по дистилляту – до 34 л/ч.

Контактное лицо:

Максим Александрович Промтов,
Зав. каф. «Машины и аппараты химических производств»
Тамбовского государственного технического университета.
Россия, 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106,
Тамбовский государственный технический университет,
тел. (007-4752)-63-20-24, -63-27-28, , e-mail: promtov@tambov.ru

//www.tstu.ru/