к.т.н. Мищенко М.В., Квочкин Н.Г.

Военный авиационный инженерный университет

Аномальные явления процессов обработки сточных вод в аппаратах вихревого слоя

Одним из обязательных требований, предъявляемых к современному производству является его экологическая безопасность. Однако известно, что доля энергии, затрачиваемой на нейтрализацию отходов предприятия при помощи традиционных технологий, может быть соизмерима с энергией, затрачиваемой на производство продукции. Таким образом, задача разработки высокоэффективных способов обработки наиболее распространенных отходов в виде сточных вод, является чрезвычайно актуальной. Учитывая усложняющуюся с каждым годом экологическую и энергетическую обстановку в мире, стоит обратить внимание на высокоэффективные методы обработки материалов с использованием процессов, протекающих в аппаратах вихревого слоя. Устройство технологических установок, использующих энергию вращающегося электромагнитного поля, к которым относятся аппараты вихревого слоя, достаточно проста (рис.1).
Рисунок 1 – Устройство аппарата с вращающимся электромагнитным полем Основным элементом аппарата с вращающимся электромагнитным полем является электромагнитный индуктор 2, преобразующий энергию переменного электрического тока протекающего в обмотках 4 в энергию магнитного поля таким образом, что результирующий вектор магнитной индукции совершает вращательные движения, концентрируясь в рабочей зоне 5 аппарата, куда поступает поток обрабатываемого материала 1 и где находятся ферромагнитные иглы 3. Благодаря своей относительно несложной конструкции аппараты с вращающимся магнитным полем получили достаточно широкое применение в технологических линиях обработки сырья и отходов. Классифицирующиеся как аппараты вихревого слоя или установки активации процессов, они применяются в различных областях производства, от обработки сельскохозяйственного и минерального сырья, до переработки твердых бытовых отходов и очистки сточных вод. Несмотря на то, что аппараты с вращающимся электромагнитным полем применяются в промышленности уже более 50 лет, до сих пор нет убедительного объяснения хода процессов и источников энергии, способных обеспечивать необычайно высокую производительность аппаратов при очень малых затратах внешней энергии и габаритах. Как показано на рисунке 1, для обработки материалов в рабочую зону аппарата помещаются иголки, изготовленные из ферромагнетика, которые взаимодействуют с магнитным полем. В результате такого взаимодействия возникает ряд эффектов, которые наряду с механическим и тепловым воздействием иголок, непосредственно влияют на вещество, изменяя его физико-химические свойства. Рассматриваемые эффекты, возникающие в рабочей зоне аппаратов вихревого слоя, отличаются очень высокой энергетикой, источник которой пока остаётся загадкой. Так, например, скорость движения иголок в рабочей зоне сравнительно не велика - 10 - 12 м/сек ее не достаточно для разрушения даже чугуна, однако даже алмаз и корунд эффективно измельчаются в таких аппаратах. Имеется еще немало фактов аномального хода технологических процессов в рабочей зоне аппаратов вихревого слоя, для раскрытия физических предпосылок протекания которых, необходимо рассмотреть их составляющие. Одной из очевидных составляющих процесса является непосредственное ударное воздействие вращающихся иголок на обрабатываемый материал. Как уже было отмечено выше, касательная скорость концов иголок в ходе их вращательного движения, стимулируемого вращающимся магнитным полем аппарата, питаемого источником тока промышленной сети частотой 50 Гц, составляет не более 12 м/с. При разрушении кромок на концах игл происходит загрязнение обрабатываемых материалов железом. Так обработка аппаратом вихревого слоя сточных вод сопровождается расходом иголок до 0,25 г/м3, следствием чего является загрязнение обработанной воды до 0,0025 мг/м3, однако это количество меньше требований ПДК на питьевую воду. Другой важной составляющей процесса является магнитострикция тела иголки. Магнитострикционные явления стимулируются не столько непосредственным воздействием внешнего переменного магнитного поля на материал иголки, сколько взаимодействие вторичных полей самих иголок, частота которых в значительной степени превосходит частоту базового поля. Интенсивность ударных воздействий на обрабатываемый материал, по оценкам ряда исследователей весьма велика, и достигает 15…20 т/мм2. Магнитострикция в упругой среде неизбежно приводит к возникновению акустических явлений. Учитывая сложный характер электромагнитных взаимодействий, частотный диапазон звуковых волн довольно широк. С точки зрения энергетического воздействия, наибольший интерес представляет акустическое излучение ультразвукового диапазона. Прохождение интенсивных акустических волн высокой частоты через жидкость служит источником кавитации, которая оказывают огромное влияние на ход физико-химических процессов. Наличие переменного магнитного поля в рабочей зоне аппарата, куда помещены металлические иголки, приводит к возникновению в них индукционных токов. Доля энергии, которая приходится на электрохимические процессы значительна, и по некоторым оценкам приближается к 15% от общих затрат. Явными признаками наличия данных процессов является снижение кислотности обработанных растворов и появление водорода в молекулярном виде. В статье рассмотрены кинетические и электрохимические процессы, протекающие в аппаратах с вращающимся электромагнитным полем, которые являются причиной их высокой эффективности при осуществлении обработки сырья. Энергетическое взаимодействие вращающегося магнитного поля с материалами малоизученно, и результаты его экспериментальных исследований часто приводят к парадоксальным выводам, что указывает на необходимость дополнительных исследований в данной области.

Литература:
1. Вершинин И.Н., Вершинин Н.П. Аппараты с вращающимся электромагнитным полем. ООО «Передовые технологии XXI века», Сальск-Москва, 2007. 368 с.
2. Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах вихревого слоя. Изд. «Техника», Киев, 1976. 113 с.
3. Вершинин Н.П. Установки активации процессов. Инноватор. Ростов-на-Дону, 2004. 96 с.
4. Краткая химическая энциклопедия. Изд. «Советская энциклопедия» Т.5. М., 1967. 939 с.
5. Ультразвук: Малая энциклопедия. Изд. «Советская энциклопедия» М., 1979. 400 с.