CC BY
33
661.183.003.1
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАЗМЫ ВЧ РАЗРЯДОВ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ СОРБЕНТОВ ИЗ ОТХОДОВ АПК
И.Ш. АБДУЛЛИН, И.Г. ГАФАРОВ, И.Х. ИСРАФИЛОВ,
Г.М. МИШУЛИН, М.Б. ЩЕПАКИН
Научно-производственная группа «Ренари» (Москва)
Кубанский государственный технологический университет (Краснодар)
Казанский государственный технологический университет Институт эколого-экономическш проблем (Краснодар)
При поддержке Российского гуманитарного научного фонда Грант №01-02-38003 а/Ю
Воздействие плазмы на различные материалы показало перспективность применения плазменных установок для получения сорбентов, используемых в пищевой промышленности и в медицине.
На международном рынке сорбентов, применяемых в промышленности, доля активных углей составляет 40%, цеолитов - 33%, силикагеля - 11%, оксида алюминия - 8%, прочих материалов - 8% [1]. Получение сорбентов, качественные характеристики которых превосходят аналогичные показатели активного угля, является актуальной задачей.
Уникальные физико-химические свойства сорбентов (высокая емкость, стабильная поглотительная способность, минимальное каталитическое воздействие на очищаемые среды, достаточная прочность, гидро-фобность) предопределили широчайшие области их применения [2-4].
Ситуация с отечественными сорбентами характеризуется как расширением объемов их производства, так и постоянным увеличением дефицита. В последнее десятилетие дефицит составлял, тыс. т: 1981 г. — 24,9, 1985 г -44, 1990 г.-94.
Из приведенных в табл. 1 данных видно, что до 25% общей потребности в сорбентах приходится на оборонную промышленность. Структура потребительского сегмента по данному продукту следующая: химическая отрасль - 9,2%, пищевая - 6,2%, химико-фармацевтическая - 7,3%, металлургическая - 6%.
По оценкам специалистов [1] потребность в сорбентах в России составляет более 90 тыс. т (табл. 2) при фактическом годовом их выпуске около 31 тыс. т. Поэтому нормальное функционирование названных крупных потребителей поддерживается за счет импорта, доля которого в этих отраслях от 30 до 50%. С учетом мероприятий по реактивации сорбентов их общая потребность обеспечивается лишь на 69%, при этом не
учтена потребность в сорбентах для решения остро стоящих региональных экологических проблем [5].
Таблица 1
Промышленность
Объем потребления
т/г I %
Оборонная 9000 23,6
Пищевая:
производство сахара 2300 6Д
производство крахмала и патоки 3000 8,1
прочие 500 1,3
Химическая:
в качестве основы катализаторов 3500 9,2
производство синтетического каучука 1800 4,8
производство химических волокон 1500 4,0
Медицинская:
химико-фармацевтическая 2800 7,3
прочие 900 2,3
Нефтеперерабатывающая и газовая 1700 4,4
Металлургическая (флотация руд) 2300 6,0
Очистка газовых выбросов 900 2,3
Очистка сточных вод 600 1,6
Очистка питьевой воды 1800 4,7
Другие отрасли 5400 14,3
Всего 38 000 100
В настоящее время основным фактором, определяющим структуру потребления сорбентов в мировой
ТТПОЪ'ТТГрР диггогртга ТПТЛТХХ ПЛРТТдГТЦЦУ ТТТТ<Т Г\Г"1'ТТТГ»_,
л ац-»г1аУа\^П'»/а1х1\^ \j\tj
ствления мер по охране окружающей среды и очистке питьевой воды. Так, по данным фирмы “Калгон Карбон Корпорейшн” (США), в начале 90-х годов в развитых странах мира потребляли сорбентов с целью очистки питьевой воды 34%, очистки газов и возду ха - 26%, производственных нужд в пищевой, а также химической и фармацевтической промышленности - соответственно 22 и 18% [5]. Уступая ведущим странам в объемах использования активных углей экологических и промышленных марок по названным приоритетным направлениям, Россия производит недостаточное количество активных углей и в расчете на душу населения - менее 0,15 кг/чел. (США, Япония и страны Западной Европы - 0,5 кг/чел.).
При анализе рынка потребителей активных углей показаны наиболее важные (крупнотоннажные) области их применения, объемы необходимых поставок и
остальные требования, предъявляемые к качеству адсорбентов, определена номенклатура продукции, обеспечивающая устойчивый спрос на различные марки активных углей новых технологий.
Как показывают данные табл. 2, потребность в сорбентах в областях, обеспечивающих охрану окружающей среды и здоровье населения (очистка газовых выбросов, сточных вод, медицинская промышленность), удовлетворяется лишь на 20-50% без учета потребности для мероприятий по детоксикации почв. Поэтому необходима квалифицированная и всесторонняя оценка направлений разработки новых технологий получения сорбентов.
Перспективным является применение плазмы высокочастотного (ВЧ) разряда пониженного давления. Характерная особенность плазменного воздействия -сочетание основного технологического процесса (в данном случае - сжигание первичного сырья) с непре-
рывным процессом дополнительной плазменной обработки. Согласно имеющимся экспериментальным данным, взаимодействие плазмы ВЧ разряда пониженного давления с телами пористой структуры приводит к положительному изменению свойств последних.
Однако исходное сырье для получения сорбентов отличается от твердых тел пористой структуры. Поэтому прямое применение результатов исследований, полученных различными авторами в отношении тел пористой структуры, обработанных ВЧ плазмой, к сорбентам научно не оправдано. То же можно сказать и в части использования существующих плазменных установок и технологических процессов. Поэтому для получения сорбента с помощью плазмы ВЧ разряда пониженного давления необходима разработка специального оборудования и технологического процесса.
Таблица 2
Промышленность или направление использования
Производство
Потребность, т в год
Химическая
Медицинская
Пищевая
•не*
Металлургическая
Газо- и нефтеперерабатывающая
Очистка газовых выбросов
Очистка сточных вод
і
Очистка питьевой воды Носители катализаторов
Химические волокна Синтетический каучук -
Красители
Химические реактивы ГЯ';. ■' ; '
Йод, бром и их соединения
Прочие, в т.ч. пластификаторы ' ' -
Всего ■ Г
Химические и фармацевтические препараты
Антибиотики
Витамины
Лекарственные средства
Прочие
Всего
Сахар
Масло и жиры Крахмал и патока Винно-водочные напитки Прочие
Всего ■ '
Флотация руд цветных металлов Цветная и черная металлургия Всего
Разделение и очистка технологических потоков Пластификаторы
Всего .1 ;; . •;
Рекуперация растворителей
Технический углерод
Очистка газов
Очистка газов от ртути
Всего
Химическое
: 'Л 7 V
Лесное и целлюлозно-бумажное Очистка возвращаемого конденсата на ТЭЦ В других отраслях промышленности Всего
Водоподг отовка
Катализаторы :
а у:
2000 2330 1290 810 1610 6200 14 240 2360 740 420 ,140 , 80 3740 3160 400 4000 100 300 7990 2620 2000 А 4'1
720
550
1270
1440
1060
200
300
2240
450
300
120
3090
3190
200
Использовали для этого разработанную нами ВЧ плазменную установку с объемом рабочей камеры 120 л (рис. 1). Подачу газа в нее осуществляли с помо-
щъю системы откачки и напуска, плззмообрвзующсго газа через плазмотрон.
аппаратура контроля
рабочая камера
Рис. 1
Рабочая камера представляет собой металлический колпак, установленный на базовую плиту, в которой расположен ряд отверстий различных диаметров для плазмотрона, диагностических средств и технологических устройств, а также для откачки рабочей камеры. На боковой поверхности рабочей камеры расположены окна для визуального контроля процесса и для целей оптической диагностики.
Исходным сырьем для получения сорбента служили отходы АПК - рисовая лузга и гречневая шелуха,
•>
“У ■
I
і
О--
ПГввьР
! і
: і
* I
Рве. 2
что наложило определенные особенности на способ и
устройства подачи исходного сырья в зону обработки.
Схема традиционного устройства для обработки
твердых малогабаритных тел показана на рис. 2:1 - ВЧ генератор, 2 - электроды, 3 - водоохлаждаемая РК, 4 -электродвигатель, 5 - подающий барабан, 6 - направляющая воронка, 7 - вакуумная камера, 8 - система откачки, 9 - фильтр откачки, 10- сборник обработанных тел, 11 - защелки, 12- система контроля и управления,
13 - система газоснабжения.
Традиционный способ подачи твердых малогабаритных тел в зону обработки при модификации с помощью неравновесной плазмы ВЧ разряда пониженного давления заключается в следующем: твердые тела, подвергающиеся обработке, помещаются в подающий барабан 5; для осуществления равномерной подачи твердых тел барабан приводится во вращение электродвигателем 4, а непосредственно в зону обработки тела попадают через направляющую воронку 6; плазмообразующий газ в данном случае подается снизу /3; при подборе расхода плазмообразующего газа учитывается вес обрабатываемых тел; в случае необходимости расход газа снижается для избежания выброса тел из зоны обработки.
Однако в случае, когда в качестве обрабатываемого твердого тела выступает рисовая лузга или гречневая шелуха, описанный способ ввода в зону обработки неприменим. Эго связано с тем, что исходное сырье представляет собой чешуйчатую массу с размером чешуек 2-5 мм, максимальный вес которых составляет десятые доли грамма. Чешуйки не способны преодолеть область плазменного сгустка, давление в котором может достигать 5-105 Па, поэтому они отражаются от границы сгустка и вылетают из разрядной камеры. Учитывая, что ВЧ плазменной обработке должна подвергаться каждая отдельно взятая чешуйка, применение различных способов объединения чешуек в более
тяжеловесные композиции неприемлемо.
Таким образом, подача сырья должна осуществляться: во-первых, для удержания чешуек в зоне обработки вместе с потоком плазмообразующего газа снизу; во-вторых, для обеспечения равномерной обработки каждой отдельной чешуйки.
Эти два требования предопределили конструктив-
ные особенности разраоотанного устройства подачи исходного сырья в зону обработки (рис. 3). ,,
Данное устройство включает: 1 - разрядная камера, 2 - кварцевая трубка, 3 - головка-держатель, 4 - выходное отверстие бункера, 5 - трубка для подачи газа, 6 -кварцевый бункер, 7 - электродвигатель, 8 - эксцентрик, 9 - вакуумная трубка, 10- штуцер, 11 - фланец, 12 - прокладка из вакуумной резины. Сп
Процесс осуществляется по следующей схеме. В разрядной камере 1 создается поток из плазмообразующего газа низкого давления, поступающего через штуцер 10. Электромагнитным полем индуктора газ нагревается до состояния плазмы. Образуются плазменный сгусток и плазменная струя, которая поступает в вакуумную камеру 1. В качестве плазмообразующего и транспортирующего газа используется аргон. Транспортирующий газ подается через трубку 5 в бункер б, где взмучивает частички риса и гречихи. Для предотвращения образования сводов и каналов в массе исходного сырья включается электродвигатель с эксцентриком 7, 8. Скорость подачи исходного сырья регулируется изменением расхода транспортирующего газа, изменением сечения выходного отверстия, амплитудой колебания вибратора.
Исходное сырье из выходного отверстия бункера 4 через гибкую вакуумную трубку 9 и кварцевую трубку
2 попадает в начальную область плазменного сгустка. В разрядной камере сорбент нагревается до температу-
ры 100-140°С, при которой одновременно происходят два неразрывно взаимосвязанных процесса: горение самого сырья и плазменная обработка продуктов горения. Процесс горения протекает за счет кислорода, сопровождающего сырье, а также за счет кислорода, входящего в состав сырья. Протекание процесса приводит к выгоранию водорода и части углерода, входящих в состав сырья. На выходе из зоны обработки расположена конусообразная конструкция с боковым отводом для улавливания полученных частиц сорбентов. Углерод, оставшийся после описанной обработки, в виде крупки из зоны обработки поступает в охладитель. На этом технологический процесс получения сорбента завершается.
Проведенные исследования показали возможность применения плазмы ВЧ разряда пониженного давления для получения сорбентов из отходов сельскохозяйственного производства - рисовой лузги и гречневой шелухи. Испытания свойств данных сорбентов позволяют сделать вывод о перспективности их применения в пищевой промышленности [6]. При относительной дороговизне способа получения сорбентов с улучшенными характеристиками его можно считать приоритетным при использовании последних в пищевой и медицинской промышленности.
Данная технология рассматривается как базовая для формирования производственного подкомплекса пищевого и медицинского назначения в рамках проекта создания экономически рационального эколого-тех-нологического комплекса в Краснодарском крае.
ЛИТЕРАТУРА
1. Му хин В.М., Г арасов А.В., Клушин B.II. Активные угли России. - М.: Металлургия, 2000. - 352 с.
2. Frank P.Sebastian. The Future Role of Activated Carbon // Water and Waste Treatment J. - 1972. -.15. - № 5,- P. 9-12.
3. Тарковская II.А. Сто “профессий” угля. - Киев: Паукова думка, 1990. - 197 е.
4. Кельцев II.B. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1976.-511 с.
5. Олонцев В.Ф., Мамонов О.В. Активированные угли в народном хозяйстве страны // Углеродные адсорбенты и их применение в промышленности. - Пермь: ИФХ АН СССР, 1991. - С. 3- 4.
6. Щепакнн М.Б., Мишулин Г.М., Гафаров И.Г., Бойко Е.А., Исрафилов И.Х., Абдуллин И. Ш., Багрнй А.Г., Мамай А.М. Про-изводственно-окономический аспект применения продуктов эколо-го-технологического комплекса в пищевой промышленности // Изв.вузов. Пищевая технология. - № 5-6 . - 2001. - С. 48-51.
Кафедра рекламы и маркетинга
Поступила 19.06.02 г. '
Рис. 3
