СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД Российский патент 2003 года по МПК C02F1/48 C02F103/34 

Изобретение относится к обработке и обеззараживанию питьевых и сточных вод, промышленных газовых выбросов электрофизическими методами и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в частности на предприятиях бытового и специального назначения, на предприятиях пищевой промышленности, в микробиологии и медицине.

В настоящее время известны способ [1] для обеззараживания воды электрическими разрядами и устройство [2] для его реализации, в котором обработка воды ведется под действием электрических разрядов, возникающих между высоковольтным и заземленным электродами. Обеззараживающее действие электрического разряда включает комплексное воздействие следующих факторов: импульсное электромагнитное поле, импульсный ток (проводимости и смещения), повышенная температура и давление, возникающие в результате выделения энергии импульсов, электрические разряды и связанные с ними импульсные излучения с широким спектром частот - ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, стриммерный коронный разряд и другие. В известном способе электрический разряд, генерируемый между электродами, установленными в обеззараживаемом объеме, локализуется в канале с ограниченными поперечными размерами, обуславливающими зону обеззараживания.

Малая зона обеззараживания определяет невысокую эффективность и повышенный удельный расход энергии.

Устройства для обработки жидкости электрическими разрядами включают источник питания, соединенный с ним последовательно преобразующий блок, генератор импульсов, подключенный к высоковольтному и заземленному электродам, установленным в корпусе технологического реактора с обрабатываемой жидкостью.

Для электроимпульсной обработки жидких сред требуются мощные генераторы импульсов (средняя мощность, выделяемая на нагрузке, не менее 50 кВт при токе до 10 кА и напряжении более 100 кВ) с фронтом импульса менее 10 нс и частотой следования импульсов до нескольких сот герц.

Существующие коммутаторы (игнитроны, тиратроны разных видов, вакуумные разрядники, полупроводниковые коммутаторы) не всегда могут быть использованы для формирования импульсов тока с требуемыми параметрами, прежде всего, из-за недостаточных рабочих напряжений, а также больших времен коммутации токов.

Мощные высоковольтные полупроводниковые коммутаторы размыкающего типа (SOS-диоды) дорогие и позволяют коммутировать лишь короткие импульсы. У наиболее высоковольтных тиратронов максимальное коммутируемое напряжение не превышает 200 кВ [3] . Последовательное соединение коммутаторов неизбежно приводит к росту индуктивности разрядного контура и, обусловленному этим, росту длительности фронта генерируемого импульса. Кроме того, ресурс приборов не превышает 2-10 импульсов, что явно недостаточно для технологических установок.

Для коммутации мощных высоковольтных импульсов наиболее часто используются искровые разрядники. Однако эти разрядники наряду с ограниченным ресурсом из-за электроэрозии поверхности не позволяют коммутировать разряд со средней мощностью более 5 кВт. Поэтому в мощных установках вынуждены использовать многоискровой разряд со средней мощностью в искре, не превышающей номинальной. Кроме того, искровые разрядники не обеспечивают стабильности амплитуд и времени коммутации импульсов.

Наиболее близким к способу очистки жидких и газообразных сред является способ, реализованный в устройстве [4], заключающийся в том, что обеззараживаемая жидкость обрабатывается высоковольтными электрическими разрядами в объеме между несколькими парами электродов. Применение нескольких пар электродов позволило увеличить зону обеззараживания и тем самым увеличить объем обеззараживаемой воды.

Однако требование изоляции разрядов между каждой из пар электродов не позволяет использовать для обеззараживания жидкости весь объем реактора, где установлены электроды, и снижает эффективность данного способа.

Наиболее близкой по физической сущности к изобретению является установка [4] для обеззараживания воды электрическими разрядами, содержащая высоковольтный источник питания, соединенный с ним последовательно преобразующий блок, несколько генераторов импульсов, каждый из которых подключен к высоковольтному и заземленному электродам, установленным в корпусе технологического реактора с обеззараживающей водой.

Однако введение в установку генераторов импульсных токов для каждой дополнительной пары электродов наряду с существенным усложнением установки требует введения дополнительного устройства синхронного регулирования межэлектродного расстояния между высоковольтными электродами и настройки формирующих разрядников так, чтобы обеспечить одновременность разряда между всеми парами электродов. Временная нестабильность срабатывания, свойственная искровым разрядникам, делает эту задачу весьма проблематичной.

Таким образом, описанное устройство наряду с технической сложностью его реализации не позволяет расширить зону обеззараживания до полного объема технологического реактора.

Цель изобретения - повышение эффективности очистки жидких и газообразных сред и снижение удельного расхода электроэнергии за счет увеличения объема очищаемых сред, обрабатываемых объемным разрядом в межэлектродном пространстве технологического реактора.

Поставленная цель достигается тем, что в способе очистки жидких и газообразных сред, включающем воздействие высоковольтными разрядами, очищаемую среду обрабатывают объемными разрядами, возбуждаемыми в межэлектродном пространстве импульсами ионизирующего излучения.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее высоковольтный источник питания и технологический реактор с двумя электродами, снабжено импульсным источником ионизирующего излучения, установленным на корпусе технологического реактора с возможностью облучения объема, заключенного между электродами, соединенными с накопительным конденсатором.

Отличительными от прототипа преимуществами являются:
1) увеличение объема обрабатываемой жидкой или газообразной среды за счет реализации режима объемного электрического разряда, инициируемого в реакторе импульсом ионизирующего излучения;
2) реализация устройства очистки жидких и газообразных сред электрическими разрядами без мощных коммутирующих приборов.

Указанные отличительные признаки в технологии очистки жидких и газообразных сред ранее не описывались и не применялись.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство очистки жидких и газообразных сред с указанными отличительными признаками до сих пор не реализованы, и, следовательно, это решение, по мнению автора, удовлетворяет критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлен вариант электрической схемы установки, а на фиг.2 - вариант конструкции технологического реактора.

Установка для обеззараживания (фиг.1) состоит из высоковольтного источника питания 1, последовательно которому включены ограничитель зарядного тока 2, выпрямитель 3 и накопительная емкость 4, параллельно которой включены высоковольтный 6 и заземленный 7 электроды, размещенные в технологическом реакторе 5, межэлектродное пространство которого облучается ионизирующим излучением 8.

Технологический реактор 5 (фиг.2) состоит из корпуса 10 с двумя патрубками для ввода и вывода обеззараживаемого материала и двух соосных фланцевых отверстий, в которые установлены плоские высоковольтный 6 и заземленный 7 электроды. Высоковольтный электрод отделен от корпуса изолятором 9. На корпусе реактора со стороны заземленного электрода установлен импульсный источник электронов 12 так, что направление пучка электронов перпендикулярно поверхности электродов. Ускоряющее напряжение на катод 13 ускорителя подается от импульсного источника питания 14. Обрабатываемая жидкость подается в реактор в виде аэрозоля через распылительное устройство 11, установленное на патрубке ввода. (Газ для обеззараживания подается в реактор непосредственно через патрубок ввода.)
Установка для обеззараживания объемным электрическим разрядом работает следующим образом. От высоковольтного источника питания 1 (фиг.1) через ограничитель зарядного тока 2 и выпрямляющее устройство 3 происходит заряд емкости 4. При достижении максимального напряжения на конденсаторе (напряженность поля в реакторе при этом ниже пробивного значения) высоковольтный импульс от импульсного источника питания 14 (фиг.2) подается на катод 13 ускорителя 12. Инжектируемые катодом электроны 8 ускоряются и через заземленный электрод 7 проходят в реактор 5 и ионизируют объемный промежуток между электродами 6 и 7, установленными на корпусе 10, инициируя в межэлектродном пространстве объемный разряд. Загрязненная жидкость через распылительное устройство 11 непрерывно подается в реактор, заполняя в аэрозольном виде межэлектродное пространство. При пробое межэлектродного промежутка накопленная в конденсаторе энергия выделяется в объеме разряда, задаваемым площадью электродов и расстоянием между ними. Образующаяся при этом ударная волна, световое излучение и высокая температура производят обеззараживающий эффект в среде, находящейся в этом объеме.

В установке с объемным разрядом существенно повышается удельная производительность реактора, так как обеззараживание производится во всем его объеме. Кроме того, дополнительно происходит наложение стерилизующего эффекта электронного пучка ускорителя и воздействия озона, генерируемого электронным пучком и лавинно-стримерным процессом развития разряда в реакторе. Генерация озона непосредственно в объеме реактора гарантирует максимальное время его взаимодействия с обрабатываемой жидкостью с минимальной границей раздела газообразной и жидкой фаз. При комбинированном (совместном) обеззараживании электронным пучком и озоном воды от хлорсодержащих органических соединений и непредельных углеводородов имеет место синергетический эффект (т.е. результат совместного воздействия превышает сумму отдельных результатов).

Применение предлагаемой установки при ее существенном техническом упрощении за счет исключения системы генераторов, коммутирующих устройств и электродов и повышением стабильности работы, связанным с исключением коммутирующих устройств, позволит снизить удельный расход электроэнергии, повысит эффективность очистки и надежность работы установки.

Объемный разряд в условиях интенсивной ионизации электронами обладает рядом замечательных свойств [3] . Во-первых, может быть получено объемное горение разряда в несамостоятельном режиме. В этом случае достигается независимое управление режимом горения, током разряда и площадью разряда, причем управление током разряда осуществляется за счет изменения тока пучка быстрых электронов.

Во-вторых, в условиях сильной неоднородности ионизации объема электронным пучком создается резкое искажение электрического поля в столбе разряда, способствующего стабильному (~10^-9 с) зажиганию искрового канала.

В-третьих, применение пучков электронов малой длительности позволяет инициировать объемный разряд с ионизационным размножением типа импульсного тлеющего разряда при начальном напряжении на межэлектродном промежутке ниже пробивного. Роль пучка сводится к тому, чтобы в заданный момент времени создать в промежутке плазму требуемой плотности.

Режим горения, в котором плазма в начальный момент создается пучком, а в дальнейшем происходит поддержание либо увеличение заданной концентрации за счет ионизационного размножения, обеспечивает условия максимального ввода энергии при минимальных затратах на получение электронного пучка. При сокращении длительности горения и одновременном увеличении мощности возрастает удельная поглощенная энергия.

Отличительной особенностью указанного режима является то, что разряд переходит в искровую стадию быстрее. С целью создания условий, при которых можно избежать этого, выбирается накопительная емкость и напряжение на ней таким образом, что в начальный момент ионизационное размножение приводит к нарастанию электронной плотности, а в дальнейшем, по мере протекания тока, происходит разряд емкости на плазму.

Восстановление разрядного промежутка по окончании импульса тока происходит в результате уменьшения температуры заряженных частиц, когда потери энергии не компенсируются внешними источниками, и в результате уменьшения концентрации заряженных частиц из-за диффузии и рекомбинации [4]. Чем меньше исходная концентрация заряженных частиц, при которой начался распад плазмы после разряда в промежутке, тем быстрее восстанавливается электрическая плотность, тем быстрее концентрация достигнет такого малого значения, которое обеспечивает погасание разряда. Поэтому надо добиваться высокой плотности тока в плазме не путем увеличения концентрации заряженных частиц, а увеличением скорости их направленного движения. Этого можно достичь в сильном электрическом поле, напряженность которого можно увеличить тем сильнее, чем короче длительность фронта импульса. В сильном электрическом поле электроны между столкновениями набирают энергию, сравнимую с хаотической, и могут перейти в режим непрерывного ускорения при критической напряженности поля. Согласно [5] , критическая напряженность может в 10-15 раз превышать значение пробивной напряженности. Такой напряженности в разрядном промежутке можно достичь только на стадии формирования пробоя. Длительность этой стадии составляет единицы наносекунд. Соответственно, длительность фронта импульса электронного пучка, возбуждающего разряд, должна быть соизмерима либо меньше времени формирования пробоя.

При неравномерной ионизации поле в столбе разряда вблизи анода усиливается и может достигать 10⁵ В/см. Причиной развития канала в этом случае будет лавинно-стримерный процесс с характерным временем

где N_k≈10⁸ - критическое число электронов в лавине,
α - коэффициент ударной ионизации,
v - скорость дрейфа.

Время развития неустойчивости зависит от амплитуды инжектируемого электронного тока и величины ускоряющего напряжения. При плотности тока электронного пучка 1-10 А/см² время t₃ может изменяться в пределах от единиц до сотен наносекунд. Характерное время t₃ определяет максимально допустимое время развития разряда.

Эффективность предлагаемого способа обусловлена тремя основными факторами.

1. Непосредственное воздействие с высокой вводимой в обрабатываемый объем энергии за счет обеспечения условий развития объемного разряда.

2. При наличии в обрабатываемом объеме воздушной или кислородной компоненты в стримерном режиме разряда в непосредственном контакте с обрабатываемым материалом в технологическом реакторе интенсивно генерируется озон, обладающий сильными обеззараживающими свойствами.

3. Электронный пучок, инициирующий объемный разряд, непосредственно производит стерилизацию, а при совместном воздействии с озоном, производимым электронным пучком и объемным разрядом, эффективность воздействия существенно возрастает и может превышать суммарный вклад обеих составляющих.

Литература
1. Патент США 3402120, кл. 203-323, 1968г.

2. Авторское свидетельство СССР 861332, кл. С 02 F 1/48, 1979г. (прототип).

3. Бычков Ю.И., Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Импульсный разряд в газах в условиях интенсивной ионизации электронами. УФН, 1978, в.3, с.451-477.

4. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977.

5. Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. М.: Наука, 1991.

Изобретение относится к обработке и обеззараживанию питьевых и сточных вод, промышленных газовых выбросов электрофизическими методами и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в частности на предприятиях пищевой промышленности, в микробиологии и медицине. Способ заключается в применении для обработки очищаемых жидких и газообразных сред объемного разряда, возбуждаемого ионизирующим излучением. Устройство содержит реактор с двумя электродами и снабжено импульсным источником ионизирующего излучения, установленным на корпусе реактора с возможностью облучения объема, заключенного между электродами, соединенными с накопительным конденсатором. Технический результат состоит в повышении эффективности очистки и снижении удельного расхода электроэнергии. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ очистки жидких и газообразных сред, включающий воздействие высоковольтными разрядами, отличающийся тем, что очищаемую среду обрабатывают объемными разрядами, возбуждаемыми в межэлектродном пространстве импульсами ионизирующего излучения.2. Устройство очистки жидких и газообразных сред, содержащее высоковольтный источник питания и технологический реактор с двумя электродами, отличающееся тем, что оно снабжено импульсным источником ионизирующего излучения, установленным на корпусе технологического реактора с возможностью облучения объема, заключенного между электродами, соединенными с накопительным конденсатором.