Электронно-лучевой реактор для очистки сточных вод Российский патент 2024 года по МПК B01J19/08 C02F1/30 

Изобретение относится к санитарии и гигиене, в частности к устройствам радиационно-химического обеззараживания и очистки сточных вод и может быть использовано в установках комплексной очистки сточных вод с применением электронного излучения. Также изобретение может быть использовано для радиационной водоочистки и дезинфекции питьевой и технической воды.

Изобретение предназначено для использования при обеспечении экологической безопасности в промышленности и городском коммунальном хозяйстве. Областью применения изобретения являются городские комплексы водоочистки и водоподготовки, станции аэрации, предприятия водоочистки. Областью применения являются также предприятия пищевой промышленности и животноводства, медицинские организации, промышленные предприятия результатом деятельности которых являются загрязненные воды, требующие химической очистки и обеззараживания. Областью применения также могут являться системы производства или жизнеобеспечения имеющие критические требования по эффективности, времени процесса и компактности систем водоочистки.

Для водоочистки используются системы отстаивания сточных вод, аэрации, озонирования, химической и биологической обработки, а также нагрева (кипячения). Длительность, энергозатратность и эффективность современных систем водоочистки не всегда удовлетворительна.

Электронно-лучевая очистка питьевых и сточных вод сочетает высокую эффективность и гарантирует охрану окружающей среды при полном отказе от использования опасных химических реагентов. Радиационный метод очистки сточных вод оказывает комплексное воздействие на облучаемую воду – происходит дезинфекция, разложение неорганических и органических веществ, устраняется запах и цветность, снижаются показатели биологического и химического потребления кислорода.

Известно устройство для обработки воды электронами высокой энергии: Аистов В.Ф., Перепелица Г.И., Кокорин В.И., Алексеев Б.Н., Шереметьев В.М., Одинцов В.А., Подзорова Е.А., Тупиков В.И., Белышев В.А., Лысенко С.Л., Горбачева И.И., Шепичева О.Ю., Давыдов С.А., Ипполитов С.Ю. Устройство для проведения радиационно-химических процессов в системе газ-жидкость под воздействием ускоренных электронов. Патент на изобретение RU 2126726 C1, 27.02.1999. Заявка № 97114075/25 от 14.08.1997.

Недостатком устройства является его малая производительность при использовании конусообразного распылителя для получения потока аэрозоля, облучаемого электронами из прямоугольного фольгового выходного окна ускорителя. Часть аэрозоля не попадает в зону облучения из-за разности геометрических размеров потока аэрозоля и электронного пучка. Часть электронного пучка не эффективно поглощается фольгой выходного окна ускорителя и нагревает фольгу, что не позволяет выводить в реактор через фольгу электронный пучок с максимальной плотностью тока более 100 мкА/см². Для реализации пучковых технологий по очистке сточных вод в максимальных объемах требуются значительно большие плотности тока.

Известно устройство для вспенивания и обработки воды электронным пучком: Строкин Н.А. Электронно-лучевой реактор для обработки жидкости. Патент на полезную модель RU3224U1, 16.12.1996. Заявка № 95107709/20от12.05.1995.

Недостатком данного устройства является низкая производительность, вследствие использования в выходном устройстве ускорителя фольги, при проходе через которую максимальная плотность тока не превышает 100 мкА/см², что не позволяет реализовать высокую производительность процесса очистки сточных вод. Пучковые технологии очистки стоков требуют больших плотностей тока в единичном ускорительном модуле при использовании минимального количества реакторов для очистки сточных вод.

В устройстве не предусматривается полного полезного использования в радиационно-химических реакциях озона, образующегося при работе ускорителя и требуются дополнительные средства для утилизации не используемой части озона ввиду не герметичности реактора.

Наиболее близким к изобретению (прототипом) является устройство, описанное в работе: Лашин А.Ф., Строкин Н.А. Способ радиационно-химической обработки жидкостей и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2076001, приор. 04.05.95, бюл. № 9, 27.03.97), в котором обеззараживание воды производят воздействием на нее ускоренными электронами с введением озоно-воздушной смеси. Устройство для радиационно-химической обработки жидкостей предназначается для обеспечения инициирования в двухфазных жидкостно-газовых средах с толщинами слоев в направлении распространения пучка электронов, превышающими длину пробега электронов.

Недостатком устройства является невысокая производительность, ограниченная мощностью электронного ускорителя, обусловленной использованием в выходном устройстве ускорителя фольги, которая не позволяет увеличить мощность пучка для использования в радиационно-химическом реакторе из-за малого срока службы в условиях агрессивной среды создаваемой химически активной плазмы, возбуждаемой электронами в воздухе после прохождения фольги. Кроме этого использование озона, образующегося при работе ускорителя, в этом устройстве не полное из-за использования негерметичного реактора открытого типа. По этим причинам, устройство имеет малую производительность.

Целью изобретения является повышение эффективности использования энергии электронного излучения для обеззараживания сточных вод, а также повышение производительности и компактности установки за счет повышения мощности ускорителя.

Во все известные ранее схемы электронно-лучевых устройств очистки сточных вод включались в качестве главного блока ускорители с выводом пучка в атмосферу или пространство реактора через тонкую фольгу, отделяющую вакуумированный объем ускорителя. Действие таких ускорителей основано на прохождении электронов с энергией более 0,4 МэВ сквозь тонкую титановую фольгу толщиной около 50 - 100 мкм с потерей энергии менее 1-2%. Однако, ускорители с фольгированным окном вывода имеют малый ресурс работы в условиях агрессивной среды, которая формируется химически активной пучковой плазмой в воздухе после прохождения электронами фольги. Фольгированное окно вывода должно иметь минимальную площадь для обеспечения надежного вакуумирования и в то же время как можно большую площадь для обеспечения транспортировки максимального тока пучка через нее. Максимальная плотность тока через фольгу не превышает 100 мкА/см². Таким образом, использование ускорителей с фольгированным окном вывода в мощных энергоемких технологиях высокопроизводительных технологиях ограничено 100-200 кВт в пучке на единичную ускорительную трубку.

Использование фольгированного окна вывода также ограничивает площадь распределения электронного пучка, и соответственно площадь поверхности облучаемой водо-воздушной смеси, что при заданной длине пробега электронов, соответствующей плотности смеси и максимальной энергии электронов (ограниченной величиной 10 МэВ) накладывает ограничение на облучаемый объем и соответственно на производительность установки. Кроме того, это влечет снижение эффективности использования энергии электронного излучения. Эти ключевые недостатки известных систем не позволяет создать системы очистки сточных вод с производительностью более 20000 м³/сутки.

В заявленном изобретении повышение мощности ускорителя, эффективности использования электронного пучка и площади облучаемой поверхности водо-воздушной смеси обеспечивается отказом от использования фольги в устройстве вывода пучка ускорителя и в использовании двумерной круговой развертки пучка.

Отказ от фольги вывода возможен путем установки на выходе ускорителя системы дифференциальной вакуумной откачки, которая представляет собой ряд автономно откачиваемых камер, связанных между собой посредством диафрагм диаметром 1-3 мм. Плотность мощности пучка на выходе из системы дифференциальной вакуумной откачки может достигать 1 МВт/см и далее падает по мере удаления от системы выпуска за счет рассеяния электронов в газовой среде.

Отказ от фольги вывода позволяет проводить двумерную круговую развертку пучка и распределять его по существенной площади поверхности водо-воздушной смеси. С ростом энергии ускоренных электронов рассеяние пучка в газе уменьшается, что позволяет размещать кольцевую зону облучения, создаваемую кольцевым соплом выпуска водо-воздушной смеси на значительном удалении от диафрагмы выпуска пучка. Чем выше энергия ускоренных электронов, тем более широкую струю воды можно обрабатывать. Повышение эффективности радиационно-химических процессов при обеззараживании и очистке сточных вод от органических и неорганических загрязнений происходит за счет полного использования энергии электронного излучения и максимальной интенсификации процесса взаимодействия первичных продуктов радиолиза газовой фазы с растворенными опасными веществами в сточных водах.

Благодаря конструкции реактора происходит эффективное смешивание воды с озонированной воздушной смесью, при этом используемый озон образуется как побочный продукт распространения пучка в атмосфере внутри реактора. В предложенной системе эффективно используются особенности применения ускорителей с системой дифференциальной откачки, благодаря чему в реакторе создается пониженное давление, обеспечивающее требуемую скорость потока воды под давлением внутрь реактора и упрощающее конструкцию системы насыщения воды озонированной воздушной смесью.

Высокая эффективность использования пучка в заявленном изобретении достигается благодаря использованию осесимметричной конструкции реактора в форме воронки, в которой вода перемещается от краев к центру. Высота конусного сопла воронки реактора регулируется – прокладкой регулировки зазора сопла, толщина которой определяется требуемой скоростью и объёмом воды. Угол наклона конусной части воронки реактора задается исходя из энергии пучка электронов и тока в обмотках электромагнитов круговой развертки пучка. Конструкция реактора позволяет реализовать кольцевой струйный режим работы под перпендикулярно падающим электронным пучком. При распространении воды в воронке обеспечивается постоянная высота слоя жидкости под облучающим пучком.

Для получения максимально высокой плотности мощности в реакторе такой конструкции можно использовать круговую развертку пучка, при которой обеспечиваются большие кольцевые зоны облучения. Такой вид развертки существенно упрощает конструкцию системы развертки пучка. Устройство сканирования пучка перед реактором оборудовано электромагнитами круговой развертки пучка, запитанными синусоидальным током для развертки в двух перпендикулярных направлениях, либо электромагнитами круговой развертки пучка, использующими напряжение стандартной трехфазной сети, формирующей в области распространения пучка вращающееся магнитное поле, равномерно распределяющее пучок в конусе с заданным углом, при этом пучок отклоняется непосредственно в воздухе. Система сканирования позволяет обеспечивать круговую конфигурацию дозного поля в соответствии с требованиями технологии облучения сточных вод в реакторе. Причем объемный ввод энергии происходит непосредственно в реактор закрытого типа. Оснащение выпускного устройства системой круговой развертки пучка электронов позволяет получать необходимые для проведения технологического процесса поля облучения, а также оперативно изменять траекторию пучка и плотность мощности на поверхности облучаемой водо-воздушной смеси.

Техническим результатом заявленного изобретения являются увеличение ресурса работы и повышение производительности реактора, а также повышение эффективности использования энергии электронного пучка.

Технически результат заявленного изобретения достигается тем, что электронно-лучевой реактор для очистки сточных вод, в котором обработку воды производят воздействием на нее пучка ускоренных электронов с введением озоно-воздушной смеси, отличающийся тем, что электронно-лучевой реактор имеет замкнутый цилиндрический объем с кольцевым соплом реактора и днищем в виде воронки, которая имеет форму полого конуса, сужение конуса продолжает труба слива облученной воды, цилиндрическая часть воронки через конический переход герметически присоединена к выходному окну ускорителя с диафрагмой системы дифференциальной вакуумной откачки так, что сточная вода направляется из воронки к центру кольцевого сопла и облучается развернутым вокруг оси реактора в двух координатах электронным пучком ускорителя с безфольговым выводом в атмосферу через системы дифференциальной вакуумной откачки с направлением электронов перпендикулярно к направлению движения потока сточной воды, кроме того реактор подключен к циркуляционному замкнутому газовому контуру с насосом и барботажной колонкой для полного использования озоно-воздушной смеси, образующейся при работе ускорителя.

Для равномерной круговой развертки электронного пучка ускорителя вокруг оси реактора используются электромагниты, подключенные к стандартной трехфазной сети.

В заявленном реакторе, имеющем оптимальную форму воронки, используется ускоритель повышенной мощности, благодаря чему повышается производительность реактора.

Повышение мощности ускорителя и увеличение ресурса его работы обеспечивается применением в ускорителе окна вывода пучка на основе системы дифференциальной откачки.

Повышение эффективности использования энергии электронного пучка обеспечивается благодаря конструкции реактора, при которой создается водо-воздушная смесь, насыщенная озоном, образующемся при работе реактора, путём барботирования при входе в реактор, формируется слой водо-воздушной смеси заданной толщины в облучаемой зоне воронки реактора и близкий к прямому угол падения электронного пучка на поверхность смеси.

Повышение эффективности использования энергии электронного пучка обеспечивается благодаря простой системе однородной круговой развертки пучка на основе вращающегося магнитного поля, созданного током стандартной трехфазной сети.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом графическими материалами, где показано следующее:

На фиг. 1 изображен реактор в радиальном сечении для очистки сточных вод выполненный по схеме с одним облучающим кольцом, где:

1 – ускоритель;

2 – система дифференциальной вакуумной откачки;

3 – диафрагма выпуска пучка;

4 – электромагниты круговой развертки пучка;

5 – электронно-лучевой реактор;

6 – кольцевое сопло реактора;

7 – прокладка регулировки зазора сопла;

8 – газозаборник озонированной воздушной смеси;

9 – конический водоотбойник;

10 – труба слива облученной воды;

11 – газовый регулируемый вентиль;

12 – замкнутый газовый контур;

13 – газовый насос;

14 – барботажная колонка;

15 – фланец ввода водо-воздушной смеси в реактор;

16 – электронный пучок ускорителя, развернутый вокруг оси реактора;

17 – кольцевая зона облучения.

Электронный пучок ускорителя (1) проходит через систему дифференциальной вакуумной откачки (2) и диафрагму выпуска пучка (3), равномерно распределяется по кругу с заданным углом отклонения от оси (в конусе) электромагнитами круговой развертки пучка (4) и попадает в электронно-лучевой реактор (5) перпендикулярно на поверхность водо-воздушной смеси. Объем смеси (скорость и толщина облучаемого слоя) в электронно-лучевом реакторе (5) регулируется прокладкой регулировки зазора сопла (7). Смесь под давлением через фланец ввода воды в реактор (15) движется по кольцевому соплу реактора (6), форма которого обеспечивает постоянную толщину слоя смеси в зоне облучения, к трубе слива облученной воды (10). Образующийся в электронно-лучевом реакторе (5) озон через газозаборник озоно-воздушной смеси (8) откачивается в замкнутый газовый контур (12) через газовый регулируемый вентиль (11) газовым насосом (13) после чего поступает в барботажные колонны (14) и насыщает обрабатываемую воду.

Заявленный реактор работает следующим образом: ускоритель реактора (1) благодаря системе дифференциальной вакуумной откачки (2) может иметь значительно более высокую мощность пучка по сравнению со стандартными ускорителями электронов на энергию менее 5 МэВ, где мощность пучка не превышает 100 кВт. Пучок ускорителя выходит через диафрагму выпуска пучка (3) и равномерно распределяется в атмосфере по кольцу вокруг оси в коническом угле при помощи электромагнитов круговой развертки пучка (4), которые обеспечивают равномерную круговую развертку.

Далее развернутый пучок попадает в электронно-лучевой реактор (5), который выполнен в форме замкнутой конусной воронки с кольцевым соплом реактора (6). Пучок, частично рассеиваясь в атмосфере, падает на выпускаемый из кольцевого сопла реактора (6) поток обрабатываемой водо-воздушной смеси и обеспечивает однородное облучение поверхности потока.

Сужение конуса воронки продолжает труба слива облученной воды (10), цилиндрическая часть воронки герметически присоединена к выходному окну ускорителя (1) с диафрагмой выпуска пучка (3) системы дифференциальной вакуумной откачки (2) ускорителя (1). Причем сточная вода направляется из кольцевого сопла реактора (6) к центру воронки и облучается электронным пучком ускорителя, развернутым вокруг оси реактора (16) с безфольговым выводом пучка в атмосферу через систему дифференциальной вакуумной откачки (2) и направлением электронов перпендикулярно к направлению движения струи сточной воды.

Обрабатываемая водо-воздушная смесь, предварительно подготовленная в барботажной колонке (14) поступает в электронно-лучевой реактор (5) равномерным кольцевым слоем, толщина которого регулируется прокладкой регулировки зазора сопла (7), и далее под давлением движется по кольцевому соплу реактора (6) к трубе слива облученной воды (10) на оси реактора. Смесь облучается электронным пучком ускорителя, равномерно развернутым вокруг оси реактора (16) по ее поверхности в кольцевой зоне облучения (17). Заданная толщина слоя в кольцевой зоне облучения (17) поддерживается постоянной, вследствие чего обеспечивается однородность поглощенной дозы облучения по всему объему смеси, что повышает эффективность системы.

Реактор подключен к циркуляционному контору с насосом (13) и барботажной колонкой (14) для полного использования озоно-воздушной смеси, образующейся при работе ускорителя. Озон, образующийся в объеме реактора, захватывается газозаборником (8) и через систему вентилей (11) и насоса (13) поступает в замкнутый газовый контур (12) и в одну или несколько барботажных колонок (14) где происходит подготовка смеси. Благодаря барботерам, обеспечивающим подготовку водо-воздушной смеси, с пользой утилизируется озон, образующийся при работе ускорителя (1) и повышается эффективность радиационно-химических реакций разложения загрязняющих веществ и биологически опасных примесей, содержащихся в сточных водах.

Изобретение относится к устройствам радиационно-химического обеззараживания и очистки сточных вод. Электронно-лучевой реактор имеет замкнутый цилиндрический объем с кольцевым соплом реактора и днищем в виде воронки, которая имеет форму полого конуса. Сужение конуса продолжает труба слива облученной воды, цилиндрическая часть воронки через конический переход герметически присоединена к выходному окну ускорителя с диафрагмой системы дифференциальной вакуумной откачки так, что сточная вода направляется из воронки к центру кольцевого сопла и облучается развернутым вокруг оси реактора в двух координатах электронным пучком ускорителя с безфольговым выводом в атмосферу через системы дифференциальной вакуумной откачки с направлением электронов перпендикулярно к направлению движения потока сточной воды. Кроме того, реактор подключен к циркуляционному замкнутому газовому контуру с насосом и барботажной колонкой для полного использования озоно-воздушной смеси, образующейся при работе ускорителя. Техническим результатом является повышение производительности реактора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электронно-лучевой реактор для очистки сточных вод, в котором обработку воды производят воздействием на нее пучка ускоренных электронов с введением озоно-воздушной смеси, отличающийся тем, что электронно-лучевой реактор имеет замкнутый цилиндрический объем с кольцевым соплом реактора и днищем в виде воронки, которая имеет форму полого конуса, сужение конуса продолжает труба слива облученной воды, цилиндрическая часть воронки через конический переход герметически присоединена к выходному окну ускорителя с диафрагмой системы дифференциальной вакуумной откачки так, что сточная вода направляется из воронки к центру кольцевого сопла и облучается развернутым вокруг оси реактора в двух координатах электронным пучком ускорителя с безфольговым выводом в атмосферу через системы дифференциальной вакуумной откачки с направлением электронов перпендикулярно к направлению движения потока сточной воды, кроме того, реактор подключен к циркуляционному замкнутому газовому контуру с насосом и барботажной колонкой для полного использования озоно-воздушной смеси, образующейся при работе ускорителя.

2. Электронно-лучевой реактор по п.1, в котором для равномерной круговой развертки электронного пучка ускорителя вокруг оси реактора используются электромагниты, подключенные к стандартной трехфазной сети.