СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДОСОДЕРЖАЩИХ СРЕД Российский патент 1998 года по МПК C02F1/46 C12H1/06 

Изобретение относится к технологиям и аппаратам, используемым в различных отраслях для обработки водосодержащих сред, например для их очистки от легкоокисляемых неустойчивых органических примесей или для получения заданной структуры водосодержащей среды путем перевода легкоокисляемых примесей в окислы и могут быть применены достаточно широко, в частности в химической, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности, особенно при производстве веществ, представляющих собой водные растворы и водные эмульсии, например лакокрасочные составы, лекарственные препараты и т.д., при ректификации спиртов, рафинировании масел, в нефтеперерабатывающих производствах, для очистки сточных вод и иных водосодержащих сред, образующихся в результате различных производств а также в других различных производствах, требующих очистки водосодержащих сред как на подготовительных стадиях, так и на завершающих операциях технологического процесса.

Практически все технологические процессы, используемые в настоящее время в различных аспектах деятельности, предполагают применение материалов с заданными свойствами и/или получение материалов (веществ) с необходимыми свойствами. Основной характеристикой в данном случае является величина конкретного (выше максимально допустимого уровня) значения наличия примесей, оказывающих негативное воздействие как на процессы, так и на свойства получаемых и применяемых материалов, и на наличие в составе водосодержащих сред тех окислов конкретных элементов, а не присутствие в среде собственно таких элементов.

Известен, в частности, способ обработки (очистки) растительных масел, естественно содержащих какую-то часть воды, от серы RU, 2057795, кл C 11 B 3/04, 1994). Способ предполагает обработку масла в устройстве производными аммиака или аминов, в качестве которых используют аминоуксусную кислоту или ее натриевую соль при определенном молярном соотношении компонентов.

Известен также способ, предполагающий ректификацию спирта путем предварительной его очистки на колонне, заполненной сорбционным материалом за счет рационального распределения потоков паров исходного и очищаемого продукта (RU, 2057797, кл. B 01 D 3/00, 1993).

Вышеуказанные способы и устройства, реализующие известные методы, предполагают решение задачи, связанной с получением необходимого продукта, или задач, направленных на проведение процесса при условии использования продукта (сырья, добавки, катализатора и пр.) с известными предпочтительными свойствами, исходя из требований, предъявляемых к данным веществам.

Известен способ очистки водосодержащих сред, в частности вин, заключающийся в осмотическом отделении примесей на мелкопористой мембране при воздействии на раствор электрического поля (US, патент 3865961, кл. C 12 G 1/00, 1975). Способ предполагает отделение от вина двуокиси серы за счет осмотического процесса и избирательного дифундирования двуокиси серы через несколько мембран, что требует достаточно значительных затрат на создание устройства, реализующего метод, и поддержание необходимых режимов. Кроме того, производительность данного способа относительно невелика.

Наиболее близким по технической сущности к описываемому способу является способ обработки водосодержащих сред, включающий воздействие на поток среды электрического поля при пропускании ее перпендикулярно силовым линиям электрического поля, создаваемого по крайней мере одним положительным и одним отрицательным электродами (GB, заявка 1171068, кл. C 12 H 1/06, 1969).

Известный способ реализуется с помощью устройства, которое является наиболее близким к описываемому устройству обработки водосодержащих сред и содержит корпус, в котором размещено средство воздействия на среду, образованное по крайней мере одним положительным и одним отрицательным электродами, соединенными с соответствующими полосами источника постоянного тока.

Известные способ и устройство функционируют следующим образом. Водосодержащая среда, в частности пиво или молоко, или им подобные продукты и вещества пропускаются через пульсирующее поле конденсатора высокого напряжения, образованного чередующимися электродами. При этом обрабатываемая водосодержащая среда, являясь электролитом, воспринимают разряд конденсатора, что приводит к выпадению осадка, осветлению среды, ее стериализации, пастеризации, росту необходимых микроорганизмов (при обработке пива ) и пр.

Однако известные способ и устройство для обработки различных водосодержащих сред достаточно сложны при их использовании, поскольку предполагают необходимость строгого выдерживания режимов обработки и использования соответствующего оборудования, обеспечивающего поддержание условий обработки. Какие-либо отклонения от заданных параметров обработки, особенно при высоковольтных разрядах, могут привести к воздействию на составляющие водосодержащей среды, например к разрушению (дезинтеграции) ее основных положительных составляющих, и к недостаточной степени воздействия (незначительно выпадение осадка и пр.).

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для обработки водосодержащих сред, позволяющих осуществлять положительное воздействие на среду при минимально возможном негативном воздействии на ее структуру и при использовании простого аппаратурного обеспечения.

При решении данной задачи реализуются новые технические результаты, заключающиеся в повышении степени очистки от легкоокисляемых неустойчивых органических примесей, снижении величины деструкции основных составляющих среды, упрощении аппаратурного обеспечения, расширение области применения относительно исходных сред.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе обработки водосодержащих сред, включающем воздействие на поток среды электрического поля при пропускании ее перпендикулярно силовым линиям электрического поля, создаваемого по крайней мере одним положительным и одним отрицательным электродами, на среду воздействуют постоянным электрическим полем при напряжении, подаваемом на электроды от 0,1 до 24 В, но меньшем напряжения пробоя при выбранном расстоянии между электродами, которое устанавливают из условия обеспечения плотности тока между электродами, выбираемой от 1 до 10 А/м², причем среду пропускают с расходом, соответствующим ламинарному режиму движения ее потока.

Для этого в устройстве для обработки водосодержащих сред, содержащем корпус, в котором размещено средство воздействия на среду, образованное по крайней мере одним положительным и одним отрицательным электродами, соединенными с соответствующими полюсами источника постоянного тока, средство воздействия выполнено в виде пакета коаксиально установленных и/или спирально намотанных относительно оси, совпадающей с направлением потока среды, перфорированных электродов, между которыми расположен перфорированный дистанционатор из электроизоляционного материала.

Кроме того, в качестве водосодержащей среды используют водные растворы и/или водные эмульсии, которые получает путем добавления к исходной среде воды. Для повышения срока службы электродов периодически изменяют их полярность.

Целесообразно электроды выполнять в виде металлической сетки из нержавеющей стали или меди и/или в виде углеродной ткани, а дистанционатор также в виде сетки из диэлектрика.

Пакет электродов может быть расположен вокруг вытеснителя из фторопласта, установленного по продольной оси устройства.

Отличительная особенность описываемого способа состоит в пропускании потока водосодержащей среды перпендикулярно силовым линиям постоянного электрического поля, создаваемого по крайней мере одним положительным и одним отрицательным электродами, на которые подают напряжение от 0,1 до 24 В, но меньше напряжения пробоя при выбранном расстоянии между электродами, которое устанавливают из условия обеспечения плотности тока между электродами, выбираемой от 1 до 10 А/м². Данные режимы позволяют осуществить электролиз воды с выделением кислорода, который окисляет неустойчивые органические примеси. При этом за счет экспериментально установленных режимов воздействия (напряжение и плотность тока) обеспечена возможность, с одной стороны, выделения требуемого количества кислорода, а с другой стороны, сохранения исходной структуры водосодержащей среды. Напряжение, подаваемое на электроды, менее 0,1 В в принципе может позволить осуществить выделение кислорода за счет электролиза воды. Однако атом или молекула окисляемого вещества, окруженная молекулами воды не сможет интенсивно перемещаться к электроду для взаимодействия с кислородом. При повышении напряжения на электродах более 24 В атомы или молекулы окисляемого вещества под воздействием окружающих их кластеров воды (молекулы воды, ориентированные в электрическом поле) наиболее интенсивно взаимодействуют с кислородом, максимально выделяющимся при электролизе. Однако при таком напряжении и при максимально возможном значении плотности тока (10 А/м²) резко возрастает разрушительное воздействие электрического поля на структуру водосодержащей среды, приводящее к ее изменению. При выборе плотности тока менее 1 А/м², атомы или молекулы легкоокисляемых составляющих (компонент), окруженные кластерами воды, не в состоянии под действием силы Лоренца эффективно продвигаться для взаимодействия с кислородом. Однако указанные выше процессы будут иметь место лишь при ламинарном (RE > 2300) режиме перемещения обрабатываемой среды, так как в противном случае пульсационные составляющие скорости движения отдельно выбранного объема среды будут превышать скорости и ускорения от всех сил электрического поля (в частности, за счет силы Лоренца).

Отличительная особенность устройства для обработки водосодержащих сред состоит в том, что заключается в выполнении средства воздействия на среду в виде пакета коаксиально установленных и/или спирально намотанных относительно оси, совпадающей с направлением потока среды, перфорированных электродов, между которыми расположен перфорированный дистанционатор из электроизоляционного материала.

Данное выполнение устройства для обработки водосодержащих сред позволяет не только пропускать поток среды через воздействующее на него постоянное электрическое поле, но и обеспечить ламинарный режим движения потока, так как такая конструкция не только обеспечивает создание постоянного электрического поля, но и является одновременно своеобразной гидродинамической решеткой (хоннейкомб), ламинизирующей режим потока обрабатываемой среды. Очевидно, что получение ламинарного потока жидкости возможно при наличии разветвленной сети каналов, параллельных направлению движения потока. Но объединение функций источника постоянного электрического поля и создание условий ламинарного протекания потока является достаточно неочевидной задачей, которая воплощена в описываемом устройстве.

На фиг.1 показана общая структурная схема реализации способа, осуществляемая в предложенном устройстве для обработки водосодержащих сред; на фиг.2 - часть пакета электродов с электроизоляционным дистанционатором.

Описываемые способ и устройство для обработки водосодержащих сред осуществляется следующим образом. Устройство для обработки водосодержащих сред включает корпус 1, в котором расположено средство 2 воздействия на водосодержащую среду, выполненное в виде пакета 3. Пакет образован перфорированными электродами 4 и 5, выполненными из металлической сетки или углеродной ткани. Между электродами расположен перфорированный дистанционатор 6 из электроизоляционного материала, выполненный также в виде сетки. Электроды и дистанционатор расположены коаксиально оси устройства, совпадающей с направлением потока среды или спирально намотаны вокруг данной оси. Пакет 3 целесообразно располагать вокруг вытеснителя 7, размещенного в центральной части корпуса 1 по продольной оси. Наличие вытеснителя, изготовленного, в частности, из фторопласта, позволяет выравнять поле скоростей по сечению потока, а также упростить изготовление пакета, так как замена центральной части пакета на вытеснитель предполагает технологичность его изготовления. Внутри корпуса 1 пакет зафиксирован с помощью опорных решеток 8. Устройство может быть свободно встроено в технологическую линию, для чего предусмотрены вставки 9 из электроизоляционного материала и конические переходники 10, в которых имеются вводы 11 для соединения электродов с источником питания. Электроды целесообразно изготовлять в виде сетки из нержавеющей стали или меди с размером ячеек от 0,2 до 1 мм, а в качестве материала сетки дистанционатора использовать полиэфирную нить при размере ячеек от 0,5 до 1,5 мм.

Устройство функционирует следующим образом. Обрабатываемая водосодержащая среда поступает в устройство, проходя через вставку 9 и переходник 10. Затем среда поступает на средство 2 воздействия, образованное, в частности, намотанными вокруг вытеснителя 7 электродами, разделенными электроизоляционным дистанционатором. Спирально намотанные электрода и дистанционатор, образуют пакет, представляющий собой ячеистую структуру, проходя через которую среда имеет ламинарный режим движения, так как, множество ячеек электродов и дистанционатора выполняет роль гидродинамической решетки. При подаче напряжения на электроды происходит, в частности, выделение кислорода из воды за счет электролиза. Выделившийся кислород вступает в реакцию с легкоокисляемыми примесями, содержащимися с вреде. Кроме того, под действием постоянного электрического поля молекулы воды ориентируются в нем, что приводит к улучшению параметров обрабатываемой среды за счет направленной ориентации кластеров (молекул воды). При этом часть примесей может быть перенесена на один их электродов. Поэтому при длительной эксплуатации целесообразно менять полюса источника питания, подключаемые к электродам. Кроме того, структура пакета функционирует и как механический фильтр, задерживая крупные примеси. После окончания ресурса пакета за счет его забивки, растворения электродов, заполнение перфорации (ячеек) в электродах различными веществами и пр., производят смену пакета. Ниже приведены примеры обработки водосодержащих сред согласно описываемому способу и предназначенному для этого устройству.

Пример 1. Обработка водного раствора этилового спирта с концентрацией 25%. Начальное содержание примеси - серы составляет 0,1%. Обработка производилась при плотности тока 1 А/м² и напряжении 3 В. После обработки содержание серы составляет 0,01%.

Пример 2. Обработка ацетона. Начальное содержание примесей: уксусный альдегид 0,4%, пропионовый альдегид 0,02%, альфа-метилпирен 2,83%. Перед обработкой осуществлено разбавление ацетона водой до 52,42% (мас). Режимы обработки: плотность тока 10 А/м², напряжение 24 В. После обработки содержание примесей составляет: уксусный альдегид 0,01%, пропионовый альдегид -0,01%, альфа-метилпирен 0,05%.

Пример 3. Обработка 10% водной эмульсии бутилового спирта. Начальное содержание примесей: пропионовый альдегид 0,85%, бутиловый альдегид 0,43%, изобутиловый альдегид 0,67% Режимы обработки: плотность тока 5,5 А/м², напряжение 3 В. После обработки содержание примесей составляет: пропионовый альдегид 0,01%, бутиловый альдегид 0,08%, изобутиловый альдегид 0,01%.

Пример 4. Обработка красного столового вина "Кодру". Половина бутылки подверглась обработке при следующих режимах: плотность тока 1 А/м², напряжение 0,1 В. Обработанный им необработанный объемы вина содержались в открытых сосудах при комнатной температуре. После трех суток выдержки необработанный объем вина имел ярко выраженный уксусный запах. Обработанный объем сохранял свои вкусовые свойства в течение восьми суток.

Использование: в технологиях и аппаратах, применяемых в различных отраслях для обработки водосодержащих сред, например, для их очистки от легкоокисляемых неустойчивых органических примесей или для получения заданной структуры водосодержащей среды путем перевода легкоокисляемых примесей в окислы. Сущность изобретения: способ включает воздействие на поток среды постоянного электрического поля при пропускании ее перпендикулярно силовым линиям электрического поля при напряжении, подаваемом на электроды от 0,1 до 24 В и плотности тока между электродами, выбираемой от 1 до 10 А/м². Обрабатываемую среду пропускают с расходом, соответствущим ламинарному режиму движения потока. Для этого устройство содержит корпус, в котором размещено средство воздействия на среду, образованное по крайней мере одним положительным и одним отрицательным электродами, соединенными с соответствующими полюсами источника постоянного тока. Средство воздействия выполнено в виде пакета коаксиально установленных и/или спирально намотанных относительно оси, совпадающей с направлением потока среды, перфорированных электродов, между которыми расположен перфорированный дистанционатор из электроизоляционного материала. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ обработки водосодержащих сред, включающий воздействие на поток среды электрического поля при пропускании ее перпендикулярно силовым линиям электрического поля, создаваемого по крайней мере одним положительным и одним отрицательным электродами, отличающийся тем, что на среду воздействуют постоянным электрическим полем при напряжении, подаваемом на электроды, от 0,1 до 24 В, но меньшем напряжения пробоя при выбранном расстоянии между электродами, которое устанавливают из условия обеспечения плотности тока между электродами 1 - 10 А/м², причем среду пропускают с расходом, соответствующим ламинарному режиму движения ее потока. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве водосодержащей среды используют водные растворы и/или водные эмульсии. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что водные растворы и/или водные эмульсии получают путем добавления к исходной среде воды. 4. Способ по п.1 или 2, или 3, отличающийся тем, что периодически изменяют полярность электродов. 5. Устройство для обработки водосодержащих сред, содержащее корпус, в котором размещено средство воздействия на среду, образованное, по крайней мере одним положительным и одним отрицательным электродами, соединенными с соответсвующими полюсами источника постоянного тока, отличающееся тем, что средство воздействия выполнено в виде пакета коаксиально установленных и/или спирально намотанных относительно оси, совпадающей с направлением потока среды, перфорированных электродов, между которыми расположен перфорированный дистанционатор из электроизоляционного материала. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде металлической сетки и/или углеродной ткани. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в качестве металлической сетки использована сетка из нержавеющей стали или из меди. 8. Устройство по п.5 или 6, или 7, отличающееся тем, что дистанционатор выполнен в виде сетки из диэлектрика. 9. Устройство по п.5 или 6, или 7, или 8, отличающееся тем, что пакет электродов расположен вокруг вытеснителя, установленного по продольной оси устройства. 10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что вытеснитель выполнен из фторпласта.