CC BY
180do:
УДК 351.02
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ*
Герасимов Михаил Дмитриевич - кандидат технических наук, доцент кафедры подъёмнотранспортных и дорожных машин, руководитель учебно-научно-исследовательской лаборатории «Инновационные вибрационные технологии и машины», Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, mail [email protected]
Локтионов Игорь Олегович - студент магистратуры, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, [email protected]
Аннотация: большинство технологических машин используются в нескольких технологических процессах. Так, дробилки используются для измельчения горных пород, для приготовления строительных материалов, для измельчения сельскохозяйственной продукции... Реже, одна технологическая линия может быть использована для разных технологических процессов. В статье рассмотрен вопрос использования технологии с аппаратами вихревого слоя в электромагнитном поле для разных технологических процессов. В первом случае рассматривается технология утилизации отходов животноводческих комплексов и сточных вод. Во втором случае рассматривается технология сверхтонкого измельчения материалов. В каждом случае используются реакторы роторно-вихревого типа с вращающимся электромагнитным полем. Разработка, создание и использование реакторов роторно-вихревого типа с вращающимся электромагнитным полем для утилизации отходов животноводческих комплексов и сточных вод наблюдается в течение 30...40 лет. Данные по использованию таких аппаратов для измельчения практически отсутствуют. В статье рассматриваются вопросы распространения технологии обработки материалов во вращающемся электромагнитном поле на процессы сверхтонкого измельчения.
Ключевые слова: реактор роторно-вихревого типа, аппарат вихревого слоя, электромагнитное поле, обработка сточных вод, измельчение.
Введение.
сесторонние исследования по использованию вращающегося электромагнитного поля в аппаратах вихревого слоя для технологических процессов были проведены в последней четверти прошлого века отечественными учёными и инженерами и результаты этих исследований нашли отражение в работах [1, 2]. Работы [3, 4] позволили, в основном, завершить построение общей теории и практики аппаратов вихревого слоя с вращающимся электромагнитным полем. В настоящее время интенсивно развиваются технологии с использованием аппаратов вихревого слоя с вращающимся электромагнитным полем в разных отраслях промышленности и производственной деятельности [5...8]. Конструкции аппаратов вихревого слоя с вращающимся электромагнитным
полем постоянно совершенствуются [9, 10] в соответствии со свойствами обрабатываемых материалов, требуемой производитель-ност и , качества переработки и требований к иным выходным параметрам. Формируется сеть производителей аппаратов вихревого слоя с вращающимся электромагнитным полем и технологических линий с их использованием. Интенсивность расширения направления в использовании аппаратов вихревого слоя с вращающимся электромагнитным полем объясняется их возможным и реальным применением.
Аппараты вихревого слоя могут применяться для интенсификации следующих технологических процессов [11, 12]:
- в процессах очистки сточных вод (очистка сточных вод от шестивалентного хрома и других тяжелых металлов, очистка от фенолов, от цианистых соединений, от
Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Любое дальнейшее распространение этой работы должно содержать указание на автора (ов) и название работы, цитирование в журнале и DOI.
от фтора и нитросоединений);
- в технологических процессах резиновых производств (получение суспензий в латексной технологии, обработка сухих порошков, получение высокодисперсных устойчивых суспензий);
- для интенсификации химических процессов (окислительно-восстановительные реакции, реакции соединения - полимеризации и поликонденсации, реакции замещения, реакции разложения, в процессах гидролиза);
- для интенсификации процессов порошковой металлургии;
- в электронной промышленности;
- в горной химии (доизмельчение руд и концентратов, растворение и выщелачивание, цементация металлов, экстракция, флотация, избирательное измельчение минералов, получение дисперсных гидроокисей и карбонатов);
- в производстве алмазных и абразивных инструментов;
- в производстве стройматериалов (в керамзитовой промышленности, в производстве силикатного кирпича);
- при размоле целлюлозы;
- для получения металлополимерных композиций;
- при производстве лаков и красок;
- для получения буровых растворов;
- для получения горючих смесей для судовых установок;
- в литейном производстве;
- для обработки металлов и пластмасс с целью снятия облоя и заусениц;
- при охлаждении проката, в частности труб;
- для регенерации структурированных полимеров.
Применение аппаратов вихревого слоя как устройств активизации процессов при нейтрализации стоков
Линия нейтрализации стоков с использованием аппарата вихревого слоя предназначена для нейтрализации стоков промышленных предприятий, свинокомплексов, комплексов по откорму и переработке птицы и может применяться на мясо- и молокозаводах, рыбоконсервных заводах, на предприятиях пищевой и легкой промышленности, для очистки ливневых сбросов и воды,
содержащей нефтепродукты, на станциях обезжелезивания и водоподготовки. В линии нейтрализации стоков аппарат вихревого слоя практически играет роль устройства активации процессов, в рабочей зоне которого скорость физико-химических процессов ( о кисление, восстановление, замещение) увеличивается в сотни тысяч раз.
Исходный поток энергии аппарата - это напряженность, создаваемая внешним источником электроэнергии в виде вращающегося электромагнитного поля. Производ-н ые от данного поля - это эффекты, возникающие при взаимодействии первичного поля с полями иголок, наведенными первым полем. При этом иголка становится диполем. Она напрямую воздействует на вещество в рабочей зоне. Рассматриваемые эффекты отличаются очень высокой энергонасыщенностью. Исходное вращающееся электромагнитное поле не рассматривается, так как оно ничем не отличается от поля асинхронного электродвигателя, когда из него удалили ротор (в качестве ротора используются ферромагнитные иголки - строительные гвозди).
Важное значение во многих технологических процессах имеет разделение твердой и жидкой фракций. В обычных технологиях, когда гомогенизация (перемешивание) достигает большой глубины и образуются коллоидные частицы, оседание твердых частиц замедляется. Причиной этого явления, в частности, служит поведение, так называемых «мицелл». Как известно, коллоидные частицы всегда имеют заряд, но раствор в целом нейтрален. Это явление обусловлено тем, что заряженная частица окружена ионами противоположного заряда, в том числе ионами Н+, ОН" и ионами одного из элементов, входящими в состав твердой фракции.
В рабочей зоне устройства активации процессов всегда присутствуют ионы Н+ и ОН-. С одной стороны, они могут способствовать пептизации и образованию коллоидного раствора. Но с другой стороны они придают воде свойства электролита. Тогда адсорбированные ионы Н+ и ОН- соединяются, нейтрализуя друг друга, и мицелла распадается. Этот процесс стимулируется интенсивным перемешиванием, магнитогид-
родинамическими ударами и другими факторами. В результате твёрдая частица лишенная своего облака, приобретает способность к увеличенной скорости оседания. В суспензиях, когда твердое вещество размолото до субмикронных размеров, могут присоединяться как ионы Н+ и ОН,так и молекулы воды (Н2О)+.
В рабочей зоне устройства активации процессов эти группы также разбиваются, освобождая твердые частицы, которые получают возможность (уже вне аппарата), быстро опускаясь вниз, образовывать механическую смесь (шлам) разной концентрации. При использовании устройства активации процессов для нейтрализации стоков задействованы несколько факторов: перемешивание; измельчение твёрдой фазы; обеззараживание.
Для качественной нейтрализации стоков необходимо: осуществить оптимальный подбор массы иголок, их диаметр и длину; определить номенклатуру и количество добавок; контролировать размер поступающих на обработку частиц с размером до 5...6 мм.
Выбор размера иголок определяется, прежде всего, типом процесса.
Соотношение суммарного объёма иголок Vr и объёма рабочей зоны Vr.s. задаётся коэффициентом критического соотношения объёмов
Кр
где Vr - суммарный объём иголок; Vr.s. -объём рабочей зоны.
Соотношение длины иголки l и её диаметра d составляет l/d = 15...20.
Для стоков лучше всего применять иголки диаметром 1...1,5 мм.
При нейтрализации жидких стоков применяют разные добавки. Практический опыт по нейтрализации жидких сбросов позволяет выделить отдельные виды реагентов.
Известь СаО в сточные воды вводят в виде 10 % водного раствора (известковое молочко). Сухая известь должна быть белого цвета, содержание СаО в товарной извести должно быть не менее 80 %. Поэтому в расчете следует учитывать соответствующее увеличение расхода извести. Применение
извести низкого качества и не соблюдение процентного соотношения содержания СаО ведёт к некачественному протеканию процессов нейтрализации (из-за снижения количества свободных радикалов). Резко возрастает выход шламов, увеличивается содержание сухого остатка, увеличивается Ph. Для нейтрализации сточных вод убойного цеха необходимо 3...5 % 10-ти %-го известкового молочка.
Для нейтрализации стоков, имеющих в своём составе фенолы, спирты, цианиды, п р и ме ня ются дополнительно перманганат калия (марганцовокислый калий) или хлорная известь СаОС12.
Для увеличения процесса ионизации при уничтожении микрофлоры используется 40 %-ный раствор КаОН из расчета 1 литр на 1 м стоков.
Для снижения излишне высокого Ph используется углекислый газ, который подается в рабочую ёмкость из расчета 3...5 кг на 1м3 стоков. Также возможно снижение Ph путём добавления в нейтрализованные стоки электролита аккумуляторного из расчета 100...120 г/м3 нейтрализованных стоков.
Примерный набор оборудования, входящий в состав линий нейтрализации: входная ёмкость с насосным оборудованием (для сбора и усреднения стоков); устройство активации процессов необходимой производительности; оборудование выведения шламов; шламосборник; сборник технической воды. Тип и количество оборудования подбирается конкретно для каждого производства.
Традиционные технологии обезвреживания промышленных и бытовых стоков используют многоступенчатые способы очистки: реагентную обработку, коагуляцию, флотацию, обработку озоном, а также фильтрацию и отстаивание. Поэтому обеспечивающее очистку оборудование имеет сложную конструкцию, дорогостоящее, материалоёмкое и энергоёмкое.
Технологические линии, снабженные устройством активации процессов, практически не имеют указанных недостатков, их производительность на порядок выше, чем у тр ад иционных технологий, кроме того, они имеют малую материалоемкость.
Схема нейтрализации стоков свинокомплексов с получением технической воды для оросительных систем и одновременным раскислением почв; с получением возвратной воды для смыва ванн свинокомплексов и получением жидких органических удобрений, рис. 1, включает: окислитель-
ускоритель с насосами подачи стоков, устройство активации процессов, отстойники, шламовую площадку, ёмкости с реагентами, компрессор и насос возвратной воды. Пример установки ёмкостей линии нейтрализации приведен на рис. 2.
Рис. 1. Схема нейтрализации стоков свинокомплекса
Рис. 2. Ёмкости линии нейтрализации ООО «ПромЭко»
Применение аппаратов вихревого слоя как устройств для сверхтонкого измельчения минеральных материалов
В основу процесса сверхтонкого измельчения минеральных материалов был положен тот же механизм вращающегося электромагнитного соля с ферромагнитными иголками и измельчаемым материалом.
После соответствующей для измельчения материалов конструктивной доработки аппарата с вращающимся электромагнитным слоем, рис. 3, были проведены эксперимент ы на ряде материалов: кварц, опока, мел, перлит.
Рис. 3. Аппарат с вращающимся электромагнитным слоем и система его управления и контроля
Эксперименты проводились в два этапа. На первом этапе измельчение проводилось в водной среде - по мокрому способу, на втором - по сухому способу. Исходное сырьё содержало зёрна материала крупностью до 1,5...5 мм. Объём материала и иголок рассчитывался в соответствии с объёмом рабочей зоны. Полученный в результате
помола материал упаковывался в герметичные сосуды и доставлялся в лабораторию для определения тонкости помола. Результаты гранулометрического состава готового продукта определялись в Центре Высоких Технологий БГТУ им. В.Г. Шухова, рис. 4 и
5. Навеска материала составляла 1,0 кг. Время измельчения - 15 с.
Рис. 4. Гранулометрический состав продукта измельчения - песка в водной среде
Из рис. 4 видно, что при измельчении песка в водной среде размер зерен приходится на диапазон 0,3.100 мкм. Средневзвешенный размер зёрен составляет 16,78 мкм. Удельная поверхность - 24796 см2/см3. В
измельчённом продукте 90 % материала не превышает по размеру 30,97 мкм, 50 % не превышает по размеру 7,24 мкм и 10 % не превышает по размеру 1,21 мкм.
Рис. 5. Г ранулометрический состав продукта измельчения - песка по сухому способу
Из рис. 5 видно, что при измельчении песка по сухому способу размер зерен приходится на диапазон 0,01...2000 мкм. Средневзвешенный размер зёрен составляет 431 мкм. Удельная поверхность -11264 см2/см3. Продукт измельчения имеет: 90 % материала не превышает по размеру 30,97 мкм, 50 % не превышает по размеру 7,24 мкм и 10 % не превышает по размеру 1,21 мкм.
Заключение. Аппараты с вращающимся электромагнитным слоем могут достаточно эффективно использоваться не только для обработки и активации жидких сред, но и для сверхтонкого измельчения твёрдых материалов. Степень измельчения в аппарате с вращающимся электромагнитным слоем составляет порядка 1000 единиц. Процесс сверхтонкого измельчения материалов может производиться циклическим и непрерывным способом, по мокрому и сухому способу измельчения. При сверхтонком измельчении материалов в аппарате с вращающимся электромагнитным слоем по сухому
способу требуются специальные конструкт и в н ы е и технологические мероприятия по снижению температуры в рабочей зоне и в о к р у г неё. При одинаковых параметрах из ме л ь ч е н и я и при одинаковом времени нахождения материала в рабочей зоне достигается более высокая тонкость помола мокрым способом, по сравнению с измельчением материала по сухому способу. Время измельчения в пределах длины рабочего пространства составляет 10...25 с, в зависимости от вида материала и способа помола.
*Работа выполнена в рамках реализации Программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппарате вихревого слоя. Киев: Техника, 1976.
2. Логвиненко Д.Д., Логвиненко С.Д., Вдовченко Ю.М. Выбор режимов работы аппар атов с вихревым слоем для различных технологических процессов // Тезисы, доклады Всесоюз. науч.-техн. конф. Тамбов, 1989.
3. Вершинин Н.П., Вершинин И.Н. Установки активации процессов в промышленности и сельском хозяйстве. М.: Издательство «Триада Плюс», 2004.
4. Вершинин И.Н., Вершинин Н.П. Аппараты с вращающимся электромагнитным слоем. Установки активации процессов. Вопросы теории и практики. Сальск, 2007. 368 с.
5. Паньшин И.В., Демин А.П, Марко С.А., Прейс Л.К. Очистка бытовых и промышленных сточных вод с использованием переменного электромагнитного поля / Федеральный центр науки и высоких технологий «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций».
6. Гиль Н.А., Жаров В.П., Смехунов Е.А. Факторы конструктивной оптимизации процессов в аппаратах вихревого слоя // Вестник Донского государственного технического университета. 2015. №3(82). С. 73-80
7. Мищенко М.В., Боков М.М., Гришаев М.Е. Активация технологических процессов обработки материалов в аппаратах с вращающимся электромагнитным полем // Фундаментальные исследования. 2015. № 2. С. 3508-3512.
8. Малахов К.С., Печагин Е.А., Егоров М.Г. Использование аппарата вихревого электрического поля с ферромагнитными частицами для получения биодизельного топлива // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2016. №2(60). С. 208-213.
9. Патент RU №2 170 707 C1. Аппарат
активации процессов для обработки материалов // Вершинин Н.П., Вершинин И.Н., Руденко И.В., Руденко В.В., Еременко В.В., Иващенко С.Г. Заявка: 2000118420/12,
13.07.2000. Опубликовано: 20.07.2001 Бюл. № 20.
10. Патент RU №2526446 С1. Способ
активации процессов (варианты) и устройства для его осуществления (варианты) // Борисов А.И., Аникин А.С. Заявка: 2013110854/03, 13.03.2013. Опубл.
20.08.2014. Бюлл. №23.
11. https://vinbazar.com/joumal/robota/ apparat-vikhrevogo-sloya-chto-eto-takoe.
12. www.globecore.ru.
REFERENCES
1. Logvinenko D.D., Shelyakov O.P. Inten-sifikaciya tekhnologicheskih processov v appa-rate vihrevogo sloya. Kiev: Tekhnika, 1976.
2. Logvinenko D.D., Logvinenko S.D., Vdovchenko Yu.M. Vybor rezhimov raboty apparatov s vihrevym sloem dlya razlichnyh tekhnologicheskih processov // Tezisy, doklady Vsesoyuznoj nauchno-tekhnicheskoj konfer-encii. Tambov, 1989.
3. Vershinin N.P., Vershinin I.N. Ustanov-ki aktivacii processov v promyshlennosti i sel'skom hozyajstve. M.: Izdatel'stvo «Triada Plyus», 2004.
4. Vershinin I.N., Vershinin N.P. Apparaty s vrashchayushchimsya ehlektromagnitnym sloem. Ustanovki aktivacii processov. Voprosy teorii i praktiki. Sal'sk, 2007. 368 s.
5. Pan'shin I.V., Demin A.P, Marko S.A., Prejs L.K. Ochistka bytovyh i promyshlennyh stochnyh vod s ispol'zovaniem peremennogo ehlektromagnitnogo polya / Federal'nyj centr nauki i vysokih tekhnologij «Vserossijskij nauchno-issledovatel'skij institut po problemam grazhdanskoj oborony i chrezvychajnyh s i tuacij».
6. Gil ' N.A., Zharov V.P., Smekhunov
E.A. Faktory konstruktivnoj optimizacii processov v apparatah vihrevogo sloya // Vestnik Donskogo gosudarstvennogo tekhnich-eskogo universiteta. 2015. №3(82). S. 73-80
7. Mishchenko M.V., Bokov M.M., Grishaev M.E. Aktivaciya tekhnologicheskih processov obrabotki materialov v apparatah s vrashchayushchimsya ehlektromagnitnym polem // Fundamental'nye issledovaniya. 2015. № 2. S. 3508-3512.
8. Malahov K.S., Pechagin E.A., Egorov M.G. Ispol'zovanie apparata vihrevogo ehlek-tricheskogo polya s ferromagnitnymi chasti-cami dlya polucheniya biodizel'nogo topliva // Voprosy sovremennoj nauki i praktiki. Univer-sitet im. V.I. Vernadskogo. 2016. №2(60). S. 208-213.
9. Patent RU №2 170 707 C1. Apparat aktivacii processov dlya obrabotki materialov // Vershinin N.P., Vershinin I.N., Rudenko I.V., Rudenko V.V., Eremenko V.V., Ivashchenko S.G. Zayavka: 2000118420/12, 13.07.2000. Opublikovano: 20.07.2001 Byul. № 20.
10.Patent RU №2526446 S1. Sposob akti- 11. https://vinbazar.com/journal/robota/
vacii processov (varianty) i ustrojstva dlya ego apparat-vikhrevogo-sloya-chto-eto-takoe. osushchestvleniya (varianty) // Borisov A.I., 12.www.globecore.ru.
Anikin A.S. Zayavka: 2013110854/03,
13.03.2013. Opubl. 20.08.2014. Byull. №23.
DUAL-USE TECHNOLOGICAL SOLUTIONS. APPLICATION PROSPECTS
Gerasimov M.D., Loktionov i.O.
Annotation: most technological machines are used in several technological processes. So, crushers are used for grinding rocks, for the preparation of building materials, for grinding agricultural products ... More rarely, one production line can be used for different technological processes. The article discusses the use of technology with the apparatus of the vortex layer in the electromagnetic field for different technological processes. In the first case, the technology of disposal of waste livestock farms and wastewater is considered. In the second case, the technology of ultrafine grinding of materials is considered. In each case, rotor-vortex type reactors with a rotating electromagnetic field are used. Development, creation and use of rotor-vortex type reactors with a rotating electromagnetic field for the disposal of waste livestock farms and wastewater has been observed for 30-40 years. Data on the use of such devices for grinding is practically absent. The article deals with the issues of spreading the technology of processing materials in a rotating electromagnetic field to ultrafine grinding processes.
Key words: rotor-vortex type reactor, vortex layer apparatus, electromagnetic field, wastewater treatment, grinding.
© Герасимов М.Д., Локтионов И.О., 2019
Герасимов М.Д., Локтионов И.О. Технологические решения двойного назначения. Перспективы применения //Вектор ГеоНаук. 2019. Т.2. №1. С. 19-26.
Gerasimov M.D., Loktionov I.O., 2019. Dual-use technological solutions. Application prospects. Vector of Geosciences. 2(1): 19-26.
