СПОСОБ РАДИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B01J19/08 

Изобретение относится к технике использования электронно-лучевых технологий при радиационно-химической модификации жидких веществ с размером облучаемой среды вдоль электронного пучка, превышающим длину пробега электронов σ, и может быть применено в установках для комплексного обеззараживания химически загрязненных и бытовых стоков, в реакторах для получения из исходной жидкости веществ с заданными свойствами, и в других устройствах.

Наиболее близким к изобретению является способ радиационно-химической очистки сточных вод [1] основанный на взаимодействии g-излучения или пучка электронов с рабочей жидкостью, находящейся во вспененном состоянии. Столб жидкости между жидкостью и зоной облученияиграет роль массообенной колонны. При облучении пена разрушается, конденсируется и стекает в невспененную жидкость по естественным или искусственно создаваемым каналам.

Известно устройство для реализации метода, наиболее близкое к изобретению [2] содержащее ускоритель электронов с системой выпуска электронного пучка, реакционную камеру с отсеками накопления, электронной радиации и слива обработанной жидкости и рессивер с фильтроэлементом (распределительной решеткой).

Известный способ обладает следующими недостатками.

1. Однородность дозы поглощенной энергии электронного излучения жидкости с толщиной слоя, превышающей длину пробега электронов, достигается только при порционной обработке жидкости. Время облучения порции определяется временем разрушения пены, ее конденсации и возврата конденсата в невспененную жидкость и перемешиванием жидкости за счет конвекции, вызываемой потоком газа из распределительной решетки. Способ малоэффективен в случае больших расходов промышленных или бытовых загрязненных стоков, когда требуется организация непрерывного протока облучаемой жидкости.

2. Большое время облучения не позволяет использовать в экономичном режиме современные промышленные ускорители электронов, обеспечивающие большую мощность поглощенной дозы.

Известное устройство обладает следующими недостатками.

1. Неоднородность дозы поглощенной энергии электронного излучения.

2. Непрерывный горизонтальный поток жидкости переводится в реакционной камере в двухфазное состояние (жидкость в тонкой пленке плюс пузыри газа - пена) постоянным продувом газа через распределительную решетку (фильтроэлемент). В случае, когда скорость движения жидкости превышает скорость радиационного разрушения пены, для обеспечения однородности поглощенной дозы пену необходимо перемешивать, однако, перемешивание пенной фракции потоком газа малоэффективно.

Цель изобретения повышение эффективности использования энергии электронного излучения.

Цель достигается тем, что внутри реакционной камеры создают восходящий поток жидкости, газ вводят в жидкость через распределительное устройство, содержащее несколько последовательно расположенных по высоте распределительных решеток с радиусами отверстий R ≅ 10^-4м, обеспечивая скорость движения газовых пузырей относительно жидкости близкой к нулю, а на выходе из распределительного устройства формируют встречные потоки облучаемой жидкости.

На чертеже схематически изображено устройство для радиационно-химической обработки жидкости.

Устройство состоит из реакционной камеры 1, распределительного устройства (устройства насыщения жидкости газом) 2, распределительных решеток 3, камеры дообработки и слива облученной жидкости 4, системы выпуска пучка электронов 5, ускорителя электронов 6, приемного резервуара 7.

Реализация способа радиационно-химической обработки и работа устройства происходят следующим образом.

Жидкость поступает в реакционную камеру 1 в ее нижней части. Под действием гидростатического давления столба в приемном резервуаре 7 жидкость поднимается к распределительному устройству 2 и выходит из него слоем заданной толщины d>δ со скоростью, определяемой расходом жидкости в приемном резервуаре 7. При прохождении жидкости через распределительное устройство 2, содержащее, например, три ступени последовательно по высоте расположенных распределительных решеток 3, в нее вводится газ, например кислород, озон в режиме, обеспечивающим неподвижность пузырей газа относительно жидкости (скорость всплывания пузырей V ≈ 0). При этом отсутствует перемешивание жидкости, пенообразование и брызгоугос, что возможно при ламинарном обтекании пузырей сферической формы (числа Рейнольдса Re ≅ 2) с радиусом R_o < 10^-3. Скорость всплывания в таком случае

и V < W,
где q 9,81 м/с² ускорение свободного падения;
ρ₁ плотность газа (для кислорода при нормальных условиях 1,43 кг/м³);
ρ_o плотность жидкости (для воды при нормальных условиях 10³ кг/м³;
ζ коэффициент сопротивления относительному движению пузыря в несущей среде. z 24/Re в области Re <2, W ≥ 0,5 м/с скорость движения облучаемой жидкости.

Условие R_o <10^-3 м обеспечивается, если радиус отверстий распределительной решетки определяемый из уравнения
R_o/R=1,14(σ/[(ρ_o-ρ₁)R²])^1/3, (2)
удовлетворяет соотношению R ≅ 10^-4 м,
где σ коэффициент поверхностного вытяжения жидкости. Для воды s 7 • 10^-3 кг/м.

Жидкостно-газовая смесь с гидродинамической скоростью W продолжает движение вверх. Второй ступенью распределительных решеток жидкость разбивается на два потока, в области между распределительными решетками второй и третьей ступени формируются встречные потоки жидкости, которые сталкиваются и эффективно турбулентно перемешиваются непосредственно в зоне облучения за счет кинетической энергии самих потоков. Газ, находящийся в жидкости во взвешенном состоянии, практически не изменяет гидродинамических характеристик взаимодействующих потоков. В процессе прохождения под пучком электронов инициируются радиационно-химические реакции. Радиационно-химический выход реакций окисления из-за присутствия в смеси газа (кислорода, озона) возрастает. Пройдя под пучком электронов, жидкость переливается в камеру дообработки и слива облученной жидкости 4, в которой происходит дополнительная обработка жидкости рассеянными электронами и тормозным рентгеновским излучением. Создаются благоприятные условия для замыкания еще и цепи медленных химических превращений, инициированных электронным пучком в рабочей зоне.

Таким обpазом, в результате реализации предлагаемого способа и устройства происходит радиационно-химическая обработка потоков жидкости с толщиной слоя вдоль электронного пучка d>δ с обеспечением однородности поглощенной дозы по всему объему жидкости.

Использование: радиационно-химическая обработка жидкостей и устройство для радиационно-химической обработки жидкостей предназначаются для обеспечения инициирования в двухфазных жидкостно-газовых средах с толщинами слоев в направлении распространения пучка электронов, превышающими длину пробега электронов. Сущность изобретения: жидкость насыщается газом, проходя снизу вверх через реакционную камеру, содержащую ряд последовательно расположенных по высоте газовых распределительных решеток. Скорость движения пузырей газа относительно жидкости обеспечивается близкой к нулю. На выходе из реакционной камеры системой распределительных решеток формируются встречные потоки жидкости, которые эффективно перемешиваются в зоне облучения. Обеспечивается повышенная эффективность радиационно-химических реакций, наряду с однородностью поглощенной дозы по всему объему жидкости. 2 с. п. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ радиационно-химической обработки жидкостей, основанный на взаимодействии ускоренных электронов с рабочей жидкостью, содержащий газовую фазу, отличающийся тем, что внутри реакционной камеры создают восходящий поток жидкости, газ вводят в жидкость через распределительные решетки в режиме, обеспечивающем скорость движения газовых пузырей относительно жидкости близкую к нулю. 2. Устройство для радиационно-химической обработки жидкостей, содержащее ускоритель электронов с системой выпуска электронного пучка, реакционную камеру с распределительным устройством, отличающееся тем, что распределительное устройство выполнено в виде многосекционной конструкции, содержащей несколько последовательно расположенных по высоте распределительных решеток для насыщения жидкости газом и формирования встречных потоков двухфазной жидкости. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что радиус отверстий распределительных решеток удовлетворяет условию R < 10^- 4 м.