СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2001 года по МПК B01J19/08 C02F1/30 

Изобретение относится к технике использования электронно-лучевых технологий при радиационно-химической модификации жидких неперемешиваемых сред с размером облучаемой жидкости вдоль пучка электронов, превышающим длину полного поглощения энергии электронов ρ_макс, и может быть применено в установках для комплексного обеззараживания химически загрязненных и бытовых стоков, речной воды и в других устройствах.

Наиболее близким к изобретению является способ радиационно-химической обработки жидкостей (Лашин А.Ф., Строкин Н.А. Способ радиационно-химической обработки жидкостей и устройство для его осуществления. Патент РФ N 2076001, кл. B 01 J 19/08, 1997. Опубликован 27.03.97. БИ N 9, с. 133), основанный на взаимодействии электронов с восходящим вместе с нерастворенным газом потоком перемешиваемой жидкости.

Известный способ обладает следующими недостатками.

1. Способ малоэффективен в случае больших расходов промышленных или бытовых стоков, когда время перемешивания жидкости превышает время ее нахождения под пучком электронов. Энергия пучка электронов поглощается жидкостью неоднородно по объему.

2. Вводимый в жидкость газ используется не оптимально с точки зрения продолжения цепи радиационно-химических реакций, так как, будучи введенным в жидкость практически непосредственно в зоне облучения, газ не успевает раствориться в ней полностью, и значительная часть его уходит в атмосферу.

Цель изобретения - повышение эффективности использования энергии технологического пучка электронов и улучшение качества обработки жидкости.

Цель достигается тем, что в способе электронно-лучевой обработки жидкостей, основанном на взаимодействии ускоренных электронов с жидкостью, содержащей газовую фазу и движущейся снизу вверх навстречу пучку электронов, в плоскости выходного окна реакционной камеры создают поток газа, движущийся поперек потока жидкости и пучка электронов, ширина которого равна ширине потока жидкости, с динамическим давлением, превышающим динамическое давление потока жидкости, прохождение жидкости через реакционную камеру обеспечивают созданием избыточного гидростатического давления в резервуаре-накопителе, сообщающимся с реакционной камерой, равного или превышающего динамическое давление потока газа, в нижнюю часть резервуара-накопителя подают реакционный газ на расстоянии от точки ввода до выходного окна реакционной камеры, которое обеспечивает его растворение в жидкости за время движения от точки ввода до выходного окна реакционной камеры.

В обрабатываемый поток жидкости на расстоянии до области облучения, достаточном для его растворения, вводят реакционный газ. В реакционной камере создают восходящий навстречу пучку электронов поток жидкости. В плоскости выходного окна реакционной камеры поперек потока жидкости и пучка электронов направляют поток газа с динамическим давлением, превышающим динамическое давление потока жидкости. Прохождение обрабатываемой жидкости через реакционную камеру обеспечивают созданием избыточного гидростатического давления столба жидкости в сообщающемся с реакционной камерой резервуаре-накопителе, которое равно или превышает динамическое давление потока газа.

На чертеже приведена возможная схема устройства по заявляемому способу. Устройство состоит из резервуара-накопителя 1, реакционной камеры 2, приемного резервуара 4, ловушки 5, соединительного трубопровода 6; 3 - плоскость выходного окна реакционной камеры.

Реализация способа электронно-лучевой обработки жидкости происходит следующим образом.

Жидкость с расходом Q_ж поступает в резервуар-накопитель 1. В нижнюю часть резервуара-накопителя 1, в область максимального гидростатического давления, подают реакционный газ, например, взятый из зоны радиолиза воздуха между выходным окном ускорителя электронов и реакционной камерой. Расстояние от точки ввода газа до выходного окна реакционной камеры выбирается из расчета, чтобы время t_г движения газа со скоростью V_ж вместе с жидкостью не было меньше времени t_р растворения газа в жидкости t_г ≥ t_р (например, при нормальных условиях для озона t_р ≥ 2 минут). Газ, растворенный в жидкости, наиболее эффективно "используется" для продолжения цепи радиационно-химических реакций. Часть газа, определяемая величиной избыточного давления в точке ввода, в процессе подъема к выходному окну реакционной камеры переходит в свободное состояние и участвует в создании аэрозольной смеси на выходе из камеры 2. Реакционная камера 2 и резервуар-накопитель 1 образуют сообщающиеся сосуды и поэтому обрабатываемая жидкость под действием гидростатического давления столба жидкости в резервуаре-накопителе 1 поднимается к плоскости 3 выходного отверстия реакционной камеры. Ширина окна реакционной камеры равна ширине пучка электронов.

Толщина d слоя жидкости, определяемая расходом Q_ж, превышает толщину слоя полного поглощения ρ_макс:d >> ρ_макс . Время нахождения элемента слоя жидкости под пучком много меньше времени, необходимого для перемешивания. Распределение поглощенной энергии - дозы внутри слоя полного поглощения ("нормальное" распределение) описывается синусоидальной функцией и величина поглощенной воды принимает значения от 0 до 1 (Чепель Л.В. Применение ускорителей электронов в радиационной химии. М.: Атомиздат, 1975, 151 с.).

Д(x) = 0,5Д_макс[1+Sin(4,5x/ρ_макс+0,2)] (1),
где Д(х) - величина поглощенной дозы, отн. ед.,
х - расстояние от поверхности вещества, г/(см² МэВ),
ρ_макс - толщина слоя полного поглощения, г/(см²МэВ); для воды при энергии электронов Е=1,5 МэВ ρ_макс ≈ 0,007 м.

В плоскости 3 выходного сечения реакционной камеры поперек потока жидкости и пучка электронов движется поток газа - поршень, например, сжатый воздух или газ, взятый из зоны радиолиза, обогащенный озоном. Усредненные по столкновениям значения потерь энергии и полного угла отклонения электронов на единицу длины пути пропорциональны плотности вещества и в газе поршня пренебрежимо малы по сравнению с поглощением энергии и рассеянием в жидкости. Динамическое давление потока газа много больше динамического давления потока жидкости ρ_гV_г ² >> ρ_жV_ж ²; Q_г/Q_ж >> 1, где: ρ_г, ρ_ж - плотность соответственно газа и жидкости,
V_г, V_ж - массовые скорости газа и жидкости,
Q_г, Q_ж - расходы газа и жидкости.

Жидкость начинает поступать в зону пониженного статического давления в потоке газа. Для обеспечения контролируемого прохождения заданного потока жидкости Q_ж через реакционную камеру 2 в приемный резервуар 4 устанавливается такая высота Δh слоя жидкости в резервуаре - накопителе 1 над плоскостью 3 выходного окна, чтобы величина избыточного давления ΔP = Δhρ_жg, (g- ускорение свободного падения), превышала динамическое давление газа ΔP ≥ ρVr² . Достигая высоты (h - ρ_макс), жидкость попадает под действие пучка электронов. Поднимаясь выше, каждый элемент жидкости последовательно проходит все зоны распределения поглощенной дозы по толщине (формула (1)), получая без учета краевых эффектов одинаковую интегральную дозу. При проявлении жидкости над плоскостью выходного окна реакционной камеры она захватывается потоком газа и сносится со скоростью V ≈ V_г частично в виде аэрозоля в ловушку 5 и далее в приемный резервуар 4. Слоем "сдуваемой" жидкости (на чертеже заштрихован) вносится неоднородность поглощенной дозы. Этот неоднородный слой с максимальной толщиной δ << ρ_макс представляет собой смесь жидкости и газа (газ поршня и часть реакционного газа, перешедшая в свободное состояние) - аэрозоль. Например, при Е = 1,5 МэВ, ρ_макс = 0,007 м, Q_ж = 100 м³/ч ≈ 0,028 м³/с, V_ж = 0,07 м/с, длине зоны облучения 1-4 м, Δ h = 0,1 м, V_г = 20 м/с, что легко достигается с помощью вентиляторов с Q_г ≥ 3000 м³/ч, величина δ не превышает 0,0007 м.

В слое аэрозоля поглощается незначительная часть Е_а≈ δ/ρ_макс энергии электронного пучка. Эффективность η_a использования поглощенной энергии E_а при облучении аэрозоля существенно превышает η_ж при радиационно-химической обработке жидкости η_a/η_ж ≈ 10 - Подзорова Е.А. Очистка коммунальных сточных вод облучением ускоренными электронами в потоке аэрозоля. Химия высоких энергии, 1995, т. 29, N 4, с. 280), что выравнивает эффективность обработки по сечению выходного окна реакционной камеры.

Таким образом, в результате реализации предлагаемого способа возможна радиационно-химическая обработка потока жидкости с толщиной слоя вдоль направления распространения пучка электронов, определяемой расходом, неограниченно превышающей толщину слоя полного поглощения, с облегчением высокой степени однородности величины поглощенной дозы и практически одинаковой эффективности обработки по всему объему жидкости. В радиационно-химической установке, построенной по предлагаемому способу, снимается проблема конечности толщины слоя полного поглощения, что открывает возможность использования более простых, долговечных и мощных ускорителей электронов с энергией частиц E < 500 кэВ.

Изобретение может использоваться в устройствах для электронно-лучевого инициирования радиационно-химических превращений в неперемешиваемой жидкости с толщиной слоя вдоль направления распространения пучка электронов, превышающей толщину слоя полного поглощения. Жидкость с растворенным в ней газом поднимается навстречу пучку электронов, ширина которого равна ширине потока жидкости. В плоскости выходного окна реакционной камеры создается поток газа с динамическим давлением, превышающим динамическое давление жидкости. Прохождение жидкости через реакционную камеру обеспечивается избыточным гидростатическим давлением. Жидкость, выходящая через окно реакционной камеры, выносится в виде аэрозоля из области облучения со скоростью газового потока, чем обеспечивается последовательный набор дозы каждым элементом жидкости в каждой точке дозного распределения внутри слоя полного поглощения. Изобретение позволяет эффективно с высокой степенью однородности обрабатывать любой элемент объема жидкости. 1 ил.

Способ электронно-лучевой обработки жидкостей, основанный на взаимодействии ускоренных электронов с жидкостью, содержащей газовую фазу и движущейся снизу вверх навстречу пучку электронов, отличающийся тем, что в плоскости выходного окна реакционной камеры создают поток газа, движущийся поперек потока жидкости и пучка электронов, ширина которого равна ширине потока жидкости, с динамическим давлением, превышающим динамическое давление потока жидкости, прохождение жидкости через реакционную камеру обеспечивают созданием избыточного гидростатического давления в резервуаре-накопителе, сообщающимся с реакционной камерой, равного или превышающего динамическое давление потока газа, в нижнюю часть резервуара-накопителя подают реакционный газ на расстоянии от точки ввода до выходного окна реакционной камеры, которое обеспечивает его растворение в жидкости за время движения от точки ввода до выходного окна реакционной камеры.