УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2015 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к области экологии и может найти применение в промышленной сфере производства при обезвреживании и утилизации отходов и некондиционных продуктов (солома, опилки, ядохимикаты и др.), сточных вод, нерастворимых и малорастворимых органических веществ и др. соединений.

Известна установка обработки грубых растительных кормов (солома, опилки), состоящая из корпуса с разделенными проточной перегородкой анодом и катодом, для систем диспергирования, подачи исходных веществ и отвода продуктов (1).

Установка сложна по конструкции, не позволяет проводить обезвреживание и утилизацию нерастворимых и малорастворимых органических ядохимикатов, загрязняет окружающую среду опасными и токсичными газообразными продуктами электролиза (хлор, соединения хлора, водород, органические и хлорорганические вещества и др.), имеет малую производительность и низкий выход полезных продуктов.

Известны устройства для электролитической обработки жидкости, состоящие из цилиндрического корпуса - анода и коаксиально расположенного внутри корпуса проточного катода (2), (3).

Устройства не позволяют проводить утилизацию отходов растительного происхождения, загрязняют окружающую среду газообразными продуктами электролиза и характеризуются высокими затратами (высокое рабочее напряжение) и низкой производительностью.

Наиболее близким к предмету изобретения является устройство для электролитической обработки жидкости (4). Устройство имеет то же назначение, что и заявляемое. Устройство состоит из цилиндрического корпуса, соединенного с положительным полюсом источника тока, коаксиально расположенного внутри корпуса проточного цилиндрического катода с отверстиями на боковой поверхности, проходящими до внутренней полости катода, верхней и нижней крышки и расположенного на наружной поверхности верхней крышки диспергатора с патрубками ввода и вывода, соединенными с направляющими потока реакционной смеси в рабочую полость устройства.

Недостатками известного устройства являются:

- отсутствие возможности проводить утилизацию отходов растениеводства (солома, лузга, мякина и др.) в сельскохозяйственной и отходов древесины (опилки, щепа, кора) деревообрабатывающей промышленности;

- загрязнение окружающей среды газообразными, в том числе ядовитыми и токсичными, продуктами электролиза (хлор, метан, хлороформ и др.);

- недостаточная производительность вследствие сложной системы подачи реакционной смеси в зону обработки (проточный катод с системой направляющих реакционной смеси из полости катода к внутренней поверхности анода);

- недостаточная степень полной деструкции (обезвреживание ядовитых и токсичных соединений) и отсутствие возможности «мягкого» окисления (утилизация отходов растительного происхождения) и, как результат, низкий выход утилизируемых компонентов (биологически активные соединения, сахара и др. продукты);

- неэффективность применения в качестве катодных материалов (специфика подачи реакционной смеси в зону реакции - особенности конструкции) высокоактивных электродных материалов: на основе углерода (углеграфит, стеклоуглерод, графитированная ткань), газодиффузионных и допированных бором алмазных электродов и др.).

Техническими результатами от использования предлагаемого изобретения являются:

- экологическая безопасность - предотвращение загрязнения окружающей среды токсичными и опасными газообразными продуктами электролиза;

- более совершенная конструкция и несложное обслуживание;

- снижение затрат;

- увеличение производительности;

- повышение степени полной (до CO₂ и H₂O) деструкции (обезвреживание ядохимикатов) и увеличение выхода полезных продуктов (обработка растительных отходов).

Перечисленные технические результаты достигнуты за счет того, что нижняя крышка устройства выполнена в виде усеченного конуса, в узкой части которого по центру размещен патрубок вывода продуктов, а широкая часть соединена с боковой поверхностью корпуса устройства. Верхняя крышка с расположенным на ее поверхности диспергатором изготовлена в виде перегородки (разделительная перегородка) и делит корпус устройства на нижнюю электролизную и верхнюю фазоразделительную камеры. При этом направляющие жидкости, соединенные с патрубками диспергатора, изогнуты (выполнены в виде трубопроводов) по направлению движения реакционной смеси в диспергаторе и проходят через крышку (разделительная перегородка) в электролизную камеру к внутренней поверхности корпуса устройства (аноду), а патрубок ввода диспергатора соединен с раструбом (коническая форма), широкая часть которого направлена вверх и жестко присоединена к боковой поверхности фазоразделительной камеры. Фазоразделительная камера имеет патрубок ввода, размещенный на боковой поверхности выше верхнего края широкой части раструба, и оснащена системой обезвреживания газообразных продуктов электролиза и приспособлением для перемешивания, которое закреплено на вале привода диспергатора и выполнено в виде мешалки (лопастная, якорная, пропеллерная и др.). В качестве диспергатора использован роторно-пульсационный аппарат проточного типа, выводные патрубки которого расположены на боковой поверхности корпуса симметрично и число их составляет не менее двух. Система обезвреживания газообразных продуктов электролиза включает газоанализатор с датчиком, воспламенитель газообразных продуктов и предохранительный клапан; датчик газоанализатора и воспламенитель размещены на внутренней боковой поверхности фазоразделительной камеры, а предохранительный клапан установлен на наружной поверхности ее верхней крышки. При этом воспламенитель газовой фазы выполнен в виде разрядника (конические стержни, направленные узкой частью один к другому), электрической спирали (возможны различные конструкции) и соединен с источником тока, расположенным снаружи корпуса устройства. Вал привода диспергатора с закрепленной на его поверхности мешалкой размещен по центру фазоразделительной камеры и проходит через патрубок ввода диспергатора. Патрубки вывода (нижняя крышка) и ввода (фазоразделительная камера) устройства соединены циркуляционным контуром с системами подачи исходных веществ (отходы, растворитель и др. компоненты) и отвода жидких продуктов обработки (утилизируемые вещества, электролит, не утилизируемые соединения и др.). Это позволяет проводить процесс обработки различных по природе и агрегатному состоянию веществ в непрерывном или периодическом режимах.

Перечисленные отличительные особенности позволяют предотвратить загрязнение окружающей среды газообразными продуктами электролиза, обеспечивают обезвреживание и утилизацию различных по природе и составу промышленных органических отходов в «жестких» (полная деструкция до CO₂ и H₂O) и «мягких» (получение ценных продуктов) условиях, делают возможным упростить конструкцию системы подачи рабочей смеси в электролизную камеру, повысить производительность и снизить затраты на процесс и обслуживание устройства. Одновременно обеспечивается возможность проводить процесс в режиме регулирования «глубины» деструкции органических соединений и завершать обработку на стадии получения неопасных (CO₂ и H₂O) и полезных (утилизируемых) продуктов при минимальных затратах (минимальном расходе электроэнергии).

Заявляемое устройство для электролитической обработки жидкости отличается новизной технического решения - содержит новые конструктивные элементы, что по совокупности признаков обеспечивает качественно новый вид устройства для электролитической обработки жидкости. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, направлены на достижение поставленной цели и не выявлены при исследовании данных в смежных областях научного поиска и отвечают критерию «изобретательский уровень».

Описание заявляемого устройства: на фиг.1 представлен общий вид устройства для электролитической обработки жидкости;

фиг.2 - камера электролизная, вид сбоку;

фиг.3 - камера электролизная, разрез по А-А.

Условные обозначения:

1- патрубок вывода;

2 - крышка нижняя;

3 - электролизная камера;

4 - корпус устройства;

5 - катод;

6 - полость катода;

7 - отверстие в корпусе катода;

8 - крышка верхняя камеры электролиза;

9 - диспергатор (роторно-пульсационный аппарат проточного типа);

10 - патрубок вывода роторно-пульсационного аппарата с направляющей;

11 - патрубок ввода роторно-пульсационного аппарата;

12 - раструб;

13 - вал привода роторно-пульсационного аппарата;

14 - камера фазоразделительная;

15 - датчик газоанализатора;

16 - газоанализатор;

17 - воспламенитель;

18 - предохранительный клапан;

19 - крышка фазоразделительной камеры;

20 - источник тока;

21 электрический двигатель;

22 - трубопровод подачи;

23₁-23₃ - запорная арматура;

24 - отбойник реакционной смеси;

25 - перемешивающее устройство;

26 - коллектор циркуляционный.

Устройство для электролитической обработки жидкости (фиг.1, 2, 3) включает основные узлы: корпус (4), электролизную (3) и фазоразделительную (14) камеры, диспергатор в виде роторно-пульсационного аппарата проточного типа (9), линии подачи (22) и циркуляции (26) реакционной смеси и систему обезвреживания (15-18) газообразных продуктов электролиза.

Цилиндрический корпус (4) устройства с помощью верхней крышки (8) - разделительная перегородка - поделен на нижнюю - электролизную (3) и верхнюю - фазоразделительную (14) камеры. Электролизная камера, корпус которой соединен с положительным полюсом источника тока (анод), имеет коническую крышку - днище (2), широкая часть которой направлена кверху и соединена с боковой поверхностью корпуса устройства (электролизная камера). На торце узкой части конической крышки корпуса устройства по центру расположен патрубок (1) вывода продуктов электролиза, соединенный с циркуляционным коллектором (26). Внутри корпуса электролизной камеры коаксиально размещен проточный цилиндрический катод (5), в боковой поверхности которого выполнены отверстия (7), соединяющие полость катода с полостью устройства; форма отверстий и их расположение могут быть различными: вертикальные или горизонтальные пазы круглой или овальной формы, квадратные, ромбические и т.д. (обусловлены элементами конструкции и назначением).

На верхней поверхности разделительной перегородки (верхняя крышка электролизной камеры) устройства установлен диспергатор в виде роторно-пульсационного аппарата проточного типа (9). На боковой поверхности диспергатора симметрично закреплены патрубки вывода с направляющими реакционной смеси (10), число которых составляет не менее двух. Направляющие потока реакционной смеси (трубопроводы) изогнуты по направлению движения жидкости в диспергаторе и проходят через разделительную перегородку в электролизную камеру к внутренней поверхности корпуса устройства. Входной патрубок (11) диспергатора соединен с коническим раструбом (12), широкая часть которого направлена вверх и присоединена к боковой поверхностью фазоразделительной камеры.

Фазоразделительная камера (14) имеет патрубок ввода с отбойником (24) (направляющий потока реакционной смеси); патрубок ввода расположен на наружной боковой поверхности фазоразделительной камеры выше верхнего края конического раструба. Внутри фазоразделительной камеры установлена система обезвреживания газообразных продуктов электролиза, которая состоит из датчика газоанализатора (15) и воспламенителя (17); газоанализатор (16) размещен вне устройства, а воспламенитель выполнен в виде двух конических стержней, которые направлены узкой частью навстречу один другому и широкая частью которых соединена с источником тока высокого напряжения (20), размещенным вне устройства.

На верхней крышке (19) фазоразделительной камеры установлен предохранительный клапан (18) и электрический двигатель диспергатора (21). Вал привод диспергатора (13) проходит по центру фазоразделительной камеры через патрубок ввода роторно-пульсационного аппарата. На поверхности вала привода в зоне конического раструба установлено перемешивающее приспособление (25) в виде механической мешалки якорного, лопастного, пропеллерного и др. типа.

Устройство работает по следующей схеме. Исходные вещества (нерастворимые и малорастворимые органические соединения, растительные отходы, раствор электролита - хлориды щелочных металлов и др. компоненты) по трубопроводу подачи (22) поступают в конический раструб (12) фазоразделительной камеры (14), где при помощи мешалки (25) перемешиваются и направляются через вводной патрубок (11) в диспергатор (9). В диспергаторе происходит пропитка раствором электролита и измельчение исходных веществ с образованием устойчивой реакционной смеси, которая через выводные патрубки с системой направляющих трубопроводов (10) подается в межэлектродное пространство (зона реакции) электролизной камеры. При этом направляющие потока реакционной смеси, изогнутые по направлению ее движения (перемешивания) в диспергаторе, обеспечивают интенсивное (турбулентное) вращательное движение потока веществ в электролизной камере - вдоль поверхности электродов (зона реакции). В результате этого, с одной стороны, снижаются потери энергии потока (отсутствует изменение направления потока в направляющих), с другой - обеспечивается возможность интенсивной переработки труднодиспергируемых соединений (ядохимикаты, солома, опилки и др.) и быстрого вывода полезных продуктов из зоны реакции (сохранение малоустойчивых компонентов - сахара, биологически активные и др. соединения).

Реакционная смесь из электролизной камеры по циркуляционному трубопроводу (26) поступает через патрубок ввода с отбойником (24) в фазоразделительную камеру (14), в коническом раструбе которой происходит отделение газообразных продуктов электролиза и, при необходимости (по данным анализа), уничтожение опасных соединений. Одновременно в рабочую смесь через трубопровод подачи (22) поступают недостающие компоненты и проводится насыщение (аэрация) рабочей смеси кислородсодержащим газом (газовая фаза электролизера и воздух), что улучшает работу диспергатора и интенсифицирует процессы окисления в электролизере. Патрубок ввода фазоразделительной камеры установлен выше верхнего края конического раструба (12), в результате чего происходит быстрое разделение жидкой и газообразной фаз. В коническом раструбе реакционная смесь перемешивается с помощью перемешивающего приспособления (25) и образовавшаяся реакционная (газо-жидкостная) смесь направляется в диспергатор. Рабочий цикл процесса обезвреживания и утилизации компонентов повторяется.

В фазоразделительной камере при помощи датчика (15) и газоанализатора (16) проводится анализ газообразных продуктов электролиза. По результатам анализа автоматически (или в ручную) подается (при необходимости) сигнал на включение воспламенителя (17), т.е. на подачу на конические электроды тока высокого напряжения от источника тока (20); образовавшаяся искра воспламеняет газообразные продукты электролиза. Для защиты устройства на наружной поверхности верхней крышки установлен предохранительный клапан (18).

Режим (турбулентный) и направление (вращательное) движения рабочей смеси в камере электролиза обеспечивают высокую скорость протекания массообменных процессов на поверхности электродов и в объеме электролизера; изменение направления движения реакционной смеси в направляющих (и, соответственно, в электролизере) не обеспечивает достижение поставленной цели и создает определенные конструктивные трудности при реализации устройства.

Конструкция устройства позволяет эффективно использовать высокоактивные электродные материалы (углеродсодержащие, допированные бором алмазные, металлокисные и др.) и, как результат, интенсифицировать окислительные процессы (образование продуктов с высокими окислительными потенциалами - хлор и продукты его гидролиза, перекись водорода, активные формы кислорода и др.) и повысить степень полной деструкции органических соединений. Применение системы подачи реакционной смеси из полости устройства в полость катода обеспечивает использование всей активной поверхности (внешняя, внутренняя и объемная) проточного катода, что повышает массообмен и производительность при одновременном снижении затрат. Размеры, форма и расположение отверстий на боковой поверхности катода не оказывают существенного значения на показатели процесса и определяются назначением (полная деструкция или «мягкие» условия обработки), видом обрабатываемого отхода и сложностью изготовления конструктивных элементов устройства. Реакционную смесь в раструбе и диспергаторе готовят в условиях интенсивного перемешивания и измельчения исходных компонентов и аэрации (насыщения) среды газообразной фазой (до содержания газа 2-5%). Это положительно влияет на работу диспергатора и позволяет повысить содержание кислородсодержащего газа в реакционной смеси и, как результат, увеличивает выход окислителей на электродах из высокоактивных электродных материалов.

Перечисленные особенности конструкции и работы устройства позволяют повысить производительность, уменьшить продолжительность обработки, снизить расход электрической энергии и затраты и регулировать «глубину» процессов деструкции, заканчивая ее на «нужной» стадии.

Устройство работает по непрерывной схеме. Для этого осуществляют непрерывную циркуляцию рабочей смеси по циркуляционному контуру с дозировкой обрабатываемых (обезвреживаемых, утилизируемых) веществ в фазоразделительную камеру и обезвреживанием опасных газообразных продуктов электролиза. Отвод продуктов (в том числе полезных продуктов на утилизацию) проводят через выводной патрубок электролизной камеры (непрерывно или периодически). Допускается работа устройства без циркуляционного контура: непрерывная подача отходов и раствора электролита в фазоразделительную камеру и отвод продуктов электролиза через выводной патрубок электролизной камеры.

Испытания известного и заявляемого устройств проводили в лабораторных условиях при обезвреживании растворимых (этилендиамин), малорастворимых (карбофос - пестицид фосфорсодержащего ряда) и нерастворимых (опилки осиновые - грубый растительный корм) органических соединений. Параметры процесса обработки: раствор хлорида натрия 20 г/л, pH 4-6, плотность тока 1000 A/м², температура 60°C, диспергирование исходного материала - роторно-пульсационный аппарат проточного типа, турбулентный режим подачи реакционной смеси (Re>10000), анод - оксидный рутениево-титановый, катод - титан (прототип и заявляемое устройство) и стеклоуглерод или углеграфит (заявляемое устройство).

Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1 Показатели работы заявляемого и известного устройств Устройство Материал электродов Результаты обработки* Анод Катод Сахара, г/л Биологически активные вещества (янтарная кислота и ее соединения), г/л Ион ClO^-, г/л Ион Cl₃ ^- г/л Количество электричества, кА*ч/кг сырья Известное: ОРТА Титан   - опилки Процесс не идет - нарушение протока - карбофос Отсут. 1,5 0,07 0,05 0,95 этилендиамин Отсут. Отсут. 0,15 0,03 0,75 Заявляемое: ОРТА Титан, (стекло-углерод) 5.2 (7,8) 4,3 (6,1) 0,04 0,03 0,75 - опилки - карбофос Отсут. 1,9 (3,2) (ДЭЯК) 0,06 0,01 0,45 - этилендиамин Отсут. Отсут. 0,10 0,03 0,15 Примечание: ОРТА - оксидный рутениево-титановый анод; ДЭЯК - диэтиловый эфир янтарной кислоты; *результаты обработки карбофоса и этилендиамина при степени полной деструкции (до CO₂ и H₂O) 80-85%.

Таким образом, авторами не обнаружено идентичного выполнения предлагаемой разработки. Предлагаемое изобретение обладает критерием «новизна», «изобретательский замысел» и «промышленная применимость».

Использованная литература

1. Патент №2352184 RU C2 A23N 17/00, 2009, Б.И., №11, «Установка обработки грубых кормов».

2. А.С. №1353742 SU A1 C02F 1/46, 1977, Б.И., №43, «Устройство для электролитической обработки жидкости».

3. А.С. №1619655 SU A1 C02F 1/46, 1990, «Устройство для электролитической обработки жидкости»).

4. Патент RU №2398741 C1 C02F 1/461, 2010, Б.И., №25, «Устройство для электролитической обработки жидкости») - прототип.

Изобретение относится к области экологии и предназначено для обезвреживания, рекуперации и утилизации промышленных отходов и некондиционных продуктов (солома, опилки, ядохимикаты), сточных вод, растворимых, малорастворимых и нерастворимых органических веществ. Устройство состоит из цилиндрического корпуса - анода, разделенного перегородкой на электролизную и фазоразделительную камеры, коаксиально расположенного внутри корпуса цилиндрического проточного катода с отверстиями на боковой поверхности, соединяющими полость катода с полостью устройства диспергатора обрабатываемых веществ и системы обезвреживания газообразных продуктов электролиза, размещенной внутри фазоразделительной камеры. Устройство характеризуется высокой производительностью, низкими затратами, простым обслуживанием и экологической безопасностью при обезвреживании, рекуперации и утилизации различных по составу и свойствам промышленных и сельскохозяйственных отходов. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Устройство для электролитической обработки жидкости, включающее цилиндрический корпус, соединенный с положительным полюсом источника тока, коаксиально расположенный внутри корпуса проточный цилиндрический катод с отверстиями на боковой поверхности, соединяющими внутреннюю полость катода с полостью устройства, нижнюю и верхнюю крышки и расположенный на наружной поверхности верхней крышки диспергатор с патрубками ввода и вывода, соединенными с направляющими реакционной смеси, отличающееся тем, что нижняя крышка устройства выполнена в виде конуса с размещенным по центру узкой части патрубком вывода, а верхняя крышка с расположенным на ее наружной поверхности диспергатором разделяет корпус устройства на нижнюю электролизную и верхнюю фазоразделительную камеры, при этом направляющие, соединенные с патрубками вывода диспергатора, развернуты по направлению движения реакционной смеси и проходят через крышку в электролизную камеру, а патрубок ввода диспергатора соединен с раструбом, широкая часть которого присоединена к боковой поверхности фазоразделительной камеры, которая оснащена патрубком ввода, системой обезвреживания газообразных продуктов электролиза и мешалкой, закрепленной на поверхности вала привода диспергатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве диспергатора использован роторно-пульсационный аппарат проточного типа.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что выводные патрубки расположены на корпусе диспергатора симметрично и число их составляет не менее двух.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что патрубок ввода фазоразделительной камеры расположен выше верхнего края раструба.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система обезвреживания газообразных продуктов электролиза включает газоанализатор с датчиком, воспламенитель и предохранительный клапан.

6. Устройство по пп.1 и 5, отличающееся тем, что датчик газоанализатора и воспламенитель размещены на внутренней, а предохранительный клапан на наружной поверхности фазоразделительной камеры.