Применение суперкавитирующих аппаратов для повышения эффективности технологических процессов

Разрушение твердых материалов относится к числу основных задач большинства промышленных производств и касается практически всех сфер жизнедеятельности человека. Одним из направлений в области реализации данного процесса является измельчение и диспергирование твердых материалов, находящихся в жидкой среде. Важной задачей является получение мелкодисперсных суспензий. Одним из путей интенсификации процесса приготовления суспензий (суспендирования) является применение новых нетрадиционных способов разрушения, основанных на физических эффектах, таких как электрический разряд, ультразвук, гидродинамическая кавитация и т.д. Все эти процессы так или иначе связаны с явлением кавитации.

В начале 40-х годов ХХ века академик В.Л. Поздюнин предложил на первый взгляд парадоксальное решение: бороться с кавитацией путем ее интенсификации, применяя для быстроходных кораблей гребные винты, специально приспособленные для работы в условиях сильно развитой кавитации. Открытое В.Л.Поздюниным явление получило название сверх- или суперкавитации, а предложенные им гребные винты стали называть суперкавитирующими. Впоследствии и другие машины и аппараты, основанные на принципе создания суперкавитационных режимов течения, получили название суперкавитационных или суперкавитирующих (СК-аппараты).

Наиболее широкое практическое применение изначально получила ультразвуковая кавитация. Ее с достаточной эффективностью используют для интенсификации таких процессов, как кристаллизация, экстракция, диффузия, очистка поверхностей, подавление образования накипи, теплообменные процессы и др. Первые предложения по использованию разрушающего воздействия гидродинамической кавитации для интенсификации некоторых технологических процессов появились только в конце XX-го века.

Результаты исследований показали, что затраты энергии на получение полей кавитационных пузырьков чисто гидродинамическими средствами на порядок ниже, чем при ультразвуковом способе. Прежде всего, это связано с быстрым затуханием ультразвуковых колебаний в жидкостях, а особенно в суспензиях, если излучатели находятся вне зоны обработки. Если же излучающие поверхности располагаются в зоне обработки, то это приводит к их довольно быстрому кавитационному разрушению. Значительные энергозатраты и преждевременное разрушение рабочих органов ограничивают применение ультразвуковых аппаратов во многих технологиях. В особенности это касается крупнотоннажных производств.

С учетом этого для обработки материалов, находящихся в жидкой среде или самих жидких сред, более перспективными являются скоростные гидродинамические аппараты. Кавитация в них возникает преимущественно при взаимодействии потока жидкости с различными кавитаторами (обтекателями) или при взаимодействии потоков.

Особая эффективность может быть достигнута при использовании явления суперкавитации, т.е. создания значительных кавитационных полостей (каверн или суперкаверн), замыкающихся за пределами рабочих органов без кавитационного разрушения последних. Кроме того, в суперкавитирующих аппаратах интенсивность кавитационного воздействия определяется в большей мере режимом течения в хвостовой части каверны и в меньшей зависит от свойств обрабатываемой жидкости, а затраты энергии могут быть ниже на порядок в сравнении с ультразвуковыми аппаратами.

Таким образом, гидродинамическая кавитационная обработка является мощным высокоэффективным технологическим средством, позволяющим развивать старые и создавать новые технологии получения различных материалов с полезными свойствами или характеристиками такими же, а подчас и значительно выше, чем при использовании других современных технологий. При этом использование суперкавитационных течений позволяет избежать эрозионного разрушения рабочих поверхностей гидродинамических аппаратов.

Для проведения исследований по диспергированию выбранных материалов была создана гидродинамическая суперкавитационная установка (рис. 1). В базовом варианте она состоит из центробежного насоса, который нагнетает жидкость по трубопроводу в суперкавитатор (СК-аппарат), представляющий собой сменную вставку.

Принцип работы суперкавитирующих аппаратов сводится к следующему. При резком понижении давления из-за появления больших местных скоростей в потоке жидкости (гидродинамическая кавитация) в капельной жидкости образуются полости (разрывы сплошности), заполненные газом, паром или их смесью, при схлопывании которых (микровзрывах) образуются ударные волны и направленные (кумулятивные) микроструи. Например, при сужении поперечного сечения трубопровода с последующим расширением или при обтекании потоком жидкости разнообразных препятствий (конусы, сферы, пластины и т.д.). В последнем случае за обтекателем образуется полость больших размеров - сверх- или суперкаверна, по периферии которой, в основном в хвостовой части, образуется поле коллапсирующих кавитационных пузырьков.

В целом суперкавитирующие гидродинамические устройства по принципу работы разделяются на: статические - с неподвижными рабочими органами; динамические - с вращающимися рабочими органами; струйные - со струйными кавитаторами; комбинированные - состоящие из различных комбинаций первых трех типов. Рабочие органы таких аппаратов часто устанавливаются в специально спрофилированных проточных участках (например, наподобие сопел Вентури, Лаваля и др.).

Таким образом, для разных материалов имеется возможность применения различных конструкций суперкавитаторов. Наиболее простая, но в тоже время эффективная конструкция, примененная для обработки ионитов, представляет собой сопло Вентури, в диффузоре которого установлен обтекатель конической формы. После прохождения кавитатора жидкость по трубопроводу переливается в бак. Далее цикл повторяется. Установка снабжена всеми необходимыми контрольно-измерительными приборами.

Как указывалось выше, суперкавитирующие аппараты могут найти широкое распространение в различных отраслях. На спроектированной установке были проведены исследования по получению биофлокулянта из избыточно активного ила, диспергирования отходов отработанных ионообменных смол с целью получения сорбционного материала.

В результате проведенных экспериментов выяснено, что после гидродинамической обработки в суперкавитирующем аппарате избыточного активного ила его можно эффективно использовать в качестве биофлокулянта для интенсификации процесса отстаивания при первичной очистке сточных вод [1], снижая тем самым нагрузку на последующие стадии очистки. Известно, что в составе ИАИ имеется большая группа микроорганизмов, которые в процессе своей жизнедеятельности образуют и выделяют внеклеточные биополимеры, которые и являются флокулирующими агентами. В результате обработки агломераты микроорганизмов разрушаются до отдельных клеток или сегментов клеток, что приводит к резкому увеличению поверхности контакта между биофлокулянтом и частицами примесей. Разрушение клеточных агломератов, а также отдельных клеток до их сегментов может быть достигнуто созданием в зоне микроорганизмов высоких скоростных градиентов. Применение на этом этапе исследуемых гидродинамических СКА может значительно интенсифицировать данные процессы. Сущность гидродинамической кавитационной обработки активного ила состоит в создании условий, обеспечивающих непрерывное выделение микроорганизмами биополимеров до исчерпания запасных жировых веществ клеток.

При гидродинамической кавитационной обработке за счет деструкции межклеточных структур достигается еще один положительный эффект - повышение степени растворения тяжелых металлов, содержащихся в твердой фазе ИАИ. Выбор способа обезвреживания всех осадков зависит от состава и свойств веществ, которые определяют его токсичность, вредность для окружающей среды. Главным направлением обезвреживания является перевод указанных веществ в другие нетоксичные соединения, связывание их в виде практически нерастворимых и нелетучих соединений. Во многом способы обезвреживания сточных вод и осадков подобны [2]. В настоящее время одним из основных методов обезвреживания ИАИ, содержащего тяжелые металлы, является химическое извлечение этих металлов перед складированием осадка на иловых площадках.

Были проведены эксперименты по исследованию влияния гидродинамической кавитационной обработки на свойства ИАИ. В ходе экспериментов были исследованы пробы ИАИ после различного времени обработки в СКА и изменение характеристик активного ила вследствие обработки. Проведены исследования по применению активного ила в качестве биофлокулянта на стадии механической очистки сточных вод. Был проведен ряд опытов по определению оптимального времени обработки активного ила, а также по исследованию флокулирующих свойств этого материала. Вместе с этим было проверено предположение о повышении растворимости тяжелых металлов, содержащихся в осадке, после такой обработки, а также о применимости гидродинамической кавитации и аппаратов на ее основе для стабилизации биомассы и обеззараживания воды.

Проведенные опыты, заключающиеся в определении времени капиллярного впитывания, илового индекса, удельного сопротивления осадка фильтрованию, оптической плотности для различных проб, позволили выявить оптимальное время кавитационной обработки активного ила при использовании его в качестве флокулянта, а также дозу, при которой наблюдается наибольший эффект очистки. Оптимальная доза составила 1% от объема сточной воды. Оптимальное время обработки - около 1 мин. или 1 цикл при последовательном использовании нескольких аппаратов, то есть при необходимости непрерывности процесса. При меньшем времени обработки снижается количество выделяемых клетками биополимеров, т.к. запасные резервы клеток не исчерпываются полностью. При большем времени обработки дальнейшее механическое воздействие на клетку, уже лизированную и разрушающуюся, приводит к ухудшению дальнейшего процесса флокулирования смеси исходной сточной жидкости и обработанного активного ила. При повышении степени механического воздействия клеточные оболочки немедленно разрушаются, жизнедеятельность клеток прекращается, а значит, естественно прекращается и выделение ими биополимеров. После определения оптимального времени кавитационной обработки активного ила и его дозировки в глинистой суспензии, выбранной в качестве модельной, была оценена эффективность очистки суспензии.

Таким образом, при исследовании кинетики осаждения глинистой суспензии использовали активный ил, подвергнутый кавитационной обработке в течение 1 мин. Доза обработанного АИ составляла 1% об. Исследования проводили для глинистой суспензии концентрации 500 и 1000 мг/л. Измерялась оптическая плотность в зависимости от времени отстаивания суспензии, активного ила и суспензии с активным илом. Оказалось, что после 20 мин. отстаивания эффективность очистки для суспензии концентрацией 500 мг/л составляет до 80%. При увеличении концентрации суспензии в два раза, этот показатель снижается до 50%.

На следующих этапах исследовалось влияние гидродинамической обработки на интенсификацию процессов обезвреживания, стабилизации и обеззараживания осадков промышленных сточных вод.

В ходе исследований установлено, что наблюдается хорошая корреляция между обобщенным показателем фильтруемости осадка (удельным массовым сопротивлением фильтро- ванию) и степенью растворения содержащихся в нем тяжелых металлов. Таким образом, степень растворения металлов определяется степенью механической деструкции структур АИ в процессе обработки и может контролироваться по изменению удельного массового сопротивления осадка фильтрованию.

В результате исследования обработки осадков сточных вод в СКА, установлено, что за счет деструкции межклеточных структур осадка растворяеся от 17 до 70% содержавшихся в твердой фазе осадка металлов (Zn, Ni, Cu, Cd, Pb). Степень растворения зависит от металла, что объясняется различными формами связывания тяжелых металлов (в частности, активным илом). Достигнутая степень растворения тяжелых металлов не всегда достаточна по ПДК для самостоятельного использования такой обработки для окончательного обезвреживания осадков, однако в сочетании с традиционными способами гидродинамическая кавитационная обработка позволит значительно интенсифицировать процесс и уменьшить объемы используемых реагентов.

Результаты экспериментов по стабилизации и обеззараживанию активного ила в исследуемом суперкавитирующем аппарате показали, что уже за один проход общее микробное число (ОМЧ) сократилось на порядок и составило около 3•105 колоний/мл (ОМЧ в начальной пробе составляло более 3 млн. колоний/мл). Через 10 мин. циркуляции жидкости в установке ОМЧ уменьшилось практически до 6•104 колоний/мл.

Также исследовалась возможность использования СКА для получения коагулянтов/флокулянтов из отходов отработанных синтетических ионитов [3]. Отработанные синтетические иониты близки по составу и свойствам к применяемым в настоящее время флокулянтам и характеризуются весьма значительной остаточной обменной емкостью. В качестве одного из способов получения таких материалов может рассматриваться измельчение [3] (степень измельчения должна быть близкой к дисперсным частицам гидроксокомплексов, образующихся при гидратации коагулянтов). Выбор условий измельчения, обеспечивающих получение продукта с заданными свойствами, проводили по результатам пробного коагулирования контроля сорбционной емкости, дзета-потенциала, распределения функциональных групп.

Выбор механохимического метода переработки отработанных синтетических ионитов будет определяться в основном характеристиками исходного материала и требованиями к качеству продукта. Для помола в промышленности применяют молотковые, роторные, барабанные, вибрационные мельницы и др. Наибольшее распространение в промышленности для тонкого помола и активации нашли планетарные мельницы. Их использование рационально для получения материала с размерами более 20 мкм, поскольку для получения частиц меньшего размера существенно увеличатся затраты энергии [4]. Для дальнейшего уменьшения размеров частиц можно использовать кавитационное воздействие.

В настоящее время такую обработку можно осуществлять в ультразвуковых и суперкавитирующих аппаратах. Применение ультразвуковых и суперкавитирующих аппаратов позволит снизить влияние повышенной температуры (которая сильно заметна при сухой обработке в планетарной мельнице) на количество функциональных групп. Использование СКА позволяет проводить измельчение ионитов в водной суспензии без предварительного измельчения. Возможность применения такого способа измельчения исследовали на 1%-й водной суспензии анионита. Обработку проводили в течение 10, 20, 30 мин. Фракционный состав измельченного анионита характеризуется следующим распределением по фракциям менее 5 мкм, 5-20 мкм и более 20 мкм в мас.%: для 10 мин. - 46,2:23,7:30,1, 20 мин. - 32,2:28,7:39,1 и 30 мин. - 23,6:24,5:51,9 соответственно.

При обработке отработанных ионитов на ультразвуковой установке с гидродинамическим излучателем наблюдается значительно больший выход фракции с размерами частиц 5-20 мкм и уменьшение выхода фракции с размерами частиц более 20 мкм по сравнению с обработкой в шаровой мельнице и последующей ультразвуковой обработкой на ультразвуковой установке с пьезоэлектрическим излучателем при близких по значению энергозатратах [5].

Также следует отметить, что одними из перспективных методов обеззараживания воды, развиваемыми в последние годы, следует признать безреагентные. Они позволяют создавать бактерицидные установки со значительным упрощением технологии. К перспективным направлениям разработки физико-механических методов обеззараживания уже более полувека относят ультразвук. Обеззараживание воды обусловлено дезинтеграцией микроорганизмов, происходящей в области распространения ультразвука за счёт разнообразных физических и физико-химических явлений, имеющих кавитационную природу. Вместе с тем, как было указано выше, гидродинамическая кавитация имеет ряд преимуществ перед ультразвуковой.

С появлением соответствующих гидродинамических аппаратов становится реальным применение кавитации для микробиологической стерилизации воды в многотоннажных системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

Кавитация может не только убивать микробы. Она способна диспергировать и крупные молекулы органики, поскольку именно они являются центрами образования кавитационных пузырьков (ядрами кавитации) и точно так же, как и микроорганизмы, являются центрами «схлопывания» кавитационных пузырьков. По размеру микроорганизмы и крупные молекулы органики примерно одинаковы, приближаются к ним по размерам и молекулы тяжелых нефтепродуктов. Что касается последних, то нельзя не упомянуть о перспективах применения гидродинамических кавитаторов для интенсификации процесса флотации при очистке промстоков.

Факторами, определяющими технологический эффект, являются количество и размеры образующихся кавитационных пузырьков за суперкавернами. Чтобы получить кавитационные пузырьки оптимальных по технологическому воздействию размеров, необходимо создавать каверну с определенным характером нестационарного движения в ее хвостовой части. В этом и заключается одно из принципиальных отличий исследуемых гидродинамических аппаратов.

Таким образом, исследованный метод воздействия на жидкие среды позволяет значительно интенсифицировать процессы диспергирования суспензий, обладает эффектом обеззараживания и рядом других положительных эффектов.

Литература:
1. Петров, О.А. Применение гидродинамического аппарата для обработки активного ила / О.А. Петров, О.В. Гурьян, П.Е. Вайтехович // Новейшие достижения в области импортозамещения в хим. промышленности и производстве стройматериалов: Материалы докладов Междунар. науч.-техн. конф. - Мн.: БГТУ, 2003. - С. 493- 495.
2. Родионов, А.И. Техника защиты окружающей среды. - А.И. Родионов [и др.] - М.: Химия, 1989. - 512 с.
3. Петров, О.А., Романовский, В.И. Применение суперкавитирующих аппаратов для обработки ионитов / О.А. Петров, В.И. Романовский // Новейшие достижения в области импортозамещения в химической промышленности и производстве строительных материалов: материалы докл. международной науч.-тех. конф. БГТУ, Минск, 25-27 ноября 2009 г. / Белорус. гос. техн. ун-т; редкол.: И.М. Жарский [и др.]. - Минск, 2009. - С. 123-126.
4. Романовский, В.И. Сравнительная характеристика способов диспергирования отработанных синтетических ионитов
/ В.И. Романовский, О.А. Петров // Труды БГТУ. Химия и технология орган. в-в. - 2011. - № 4(142). - С. 132-137.
5. Romanovskiy, V. I. Thermochemical and Mechanochemical Treatment of Used-up Synthetic Ionites Producting Valuable Chemicals and Sorption Materials / V. I. Romanovskiy // Science Prospects. - 2011. - Number 4(19), - Р. 132-138.

Журнал «Вода Magazine», №4 (68), 2013 г.