WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

«Министерство общего и профессионального образования Российской федерации Московский энергетический институт (Технический университет) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ Учебное пособие по курсу ...»

-- [ Страница 2 ] --

В результате действия всех факторов: дрейфа частиц в поле, осаждения частиц на электродах и турбулентных пульсаций в межэлектродном промежутке Z устанавливается определенное распределение концентрации (рис.6.2). Будем считать, что закон распределения концентрации частиц не меняется по длине электрофильтра, а уменьшается лишь абсолютное значение концентрации.

Степень очистки определяется средней по сечению концентрацией пыли, 1 2 которую мы обозначим Zx, где за координату x принимается расстояние от входа Рис.6.2 Распределение в электрофильтр до рассматриваемого сечения.

концентрации в межэлектродном Количество осажденной пыли определяется концентрацией пыли у промежутке 1 - осадительные электроды;

осадительного электрода Zос 2 - коронирующие электроды Так как мы приняли, что закон распределения концентрации неизменен по длине электрофильтра, то Zос/Zx= есть величина постоянная на любом удалении от входа в электрофильтр.

Масса пыли g, содержащаяся в объеме межэлектродного промежутка длиной dx, отстоящем от входа в электрофильтр на расстоянии x, равна:

g = Zx 2bHdx где H - расстояние между осадительными электродами, b - ширина осадительного электрода.

Уменьшение массы пыли за счет осаждения за время d на поверхность электродов площадью 2b dx будет равна:

dg = -Zoc 2bdxd, где - скорость дрейфа под действием поля у поверхности осадительного электрода.

Объединяя записанные соотношения, получаем:

dg Zoc 2b dxd d = - = -, g Zx 2b Hdx H dZx d или = -.

Zx H После интегрирования последнего дифференциального уравнения, учитывая, что d = dx/u получаем:

l Zвых = Zвх exp -, uH где l - длина электрофильтра, а u - скорость газа в электрофильтре.

Таким образом, степень очистки газа электрофильтром равна:

l = 1- exp - uH Для повышения эффективности улавливания пыли необходимо с одной стороны увеличивать скорость движения частиц к осадительному электроду и длину электрофильтра, а с другой стороны уменьшать скорость газового потока и ширину межэлектродного расстояния.

Если мы имеем дело с полидисперсным составом пыли (частицы разного размера), то расчеты ведутся по каждой фракции в отдельности, а затем интегральная степень очистки определяется как сумма средневзвешенных степеней очистки отдельных фракций:

n = gi, i i= где gi - доля i-ой фракции.

Скорость движения частиц к осадительному электроду (скорость дрейфа частиц) определяется главным образом действием электрических сил. Поэтому, как было показано в первой части, установившаяся скорость движения частиц может быть записана в виде:

qE =, 6µa для > 1 мкм q ~ C1a2E или ~ aE2.

Из полученного соотношения следует, что в первую очередь в электрофильтре осаждаются крупные частицы, а затем мелкие, у которых скорость дрейфа мала.

Квадратичный характер зависимости скорости от напряженности поля свидетельствует о целесообразности работы электрофильтра на предельно возможных напряжениях, что очевидно, соответствует предпробивному режиму.

При этом предпочтительнее работать на отрицательной полярности питающего напряжения, т.к. при этом коронный разряд более устойчивый, а пробивное напряжение значительно выше.

6.4. Влияние концентрации дисперсной фазы на характеристики коронного разряда и процесс очистки газа электрофильтрами При наличии дисперсной фазы в межэлектродном промежутке суммарный объемный заряд будет определяться уже не только объемным зарядом ионов, а и объемным зарядом заряженных частиц, находящихся в промежутке. При определенной концентрации дисперсной фазы объемный заряд частиц становится соизмеримым с объемным зарядом ионов и начинает существенным образом влиять на процессы развития разряда. Система уравнений описывающая процессы в межэлектродном промежутке может быть представлена в виде:

divE = ( + ) 0, i p i p div(J + J ) = 0, J = k E, i i J = + u), (qBE p p grad = -E где u - средняя скорость движения газовой среды, индексы i и p относятся соответственно к ионам и частицам.

Так как подвижность ионов k >> Bq, ток определяется в основном ионной q, J, n составляющей. Объемный заряд частиц играет роль отрицательной обратной q связи. Частицы пыли в поле коронного разряда приобретают заряд того же знака, что и знак короны. Подвижность заряженных частиц пыли мала по сравнению с J III II подвижностью ионов. Заряженные частицы пыли создают собственное I электрическое поле, вектор которого направлен встречно полю ионов коронного n разряда, и это обстоятельство заставляет ионы замедлять свое движение от коронирующего электрода к осадительному электроду. Кроме того, электрическое L поле объемного заряда частиц пыли снижает напряженность электрического поля Рис.6.3. Изменение тока, на поверхности коронирующего электрода и тем самым уменьшает ток коронного концентрации и заряда частиц разряда. В результате ток короны значительно уменьшается. Это явление - по длине электрофильтра уменьшение тока короны - называется запиранием тока короны. При этом, как следствие, ухудшается зарядка частиц пыли. Изменение плотности ионного тока, концентрации частиц и их среднего заряда по длине электрофильтра, представленное на рис.6.3, наглядно демонстрирует процесс запирания коронного разряда при высоких входных концентрациях дисперсной фазы.

На представленном рисунке можно выделить три характерные зоны. В зоне I происходит сравнительно быстрая зарядка частиц до заряда, при котором ток из-за запирания коронного разряда падает практически до нуля. Концентрация частиц из-за кратковременности этой стадии изменяется незначительно. В зоне II из-за осаждения частиц концентрация уменьшается, что приводит к частичному отпиранию тока короны и медленной подзарядке частиц, такой, что плотность объемного заряда частиц всегда остается близкой к запирающей. При приближении заряда к предельному скорость зарядки резко уменьшается. Начиная с этого момента (зона III электрофильтра) уменьшение концентрации не может быть скомпенсировано увеличением заряда частиц и коронный разряд постепенно отпирается, что сопровождается ростом тока.

6.5. Формирование слоя частиц на электроде и Е возникновение обратного коронного разряда Е к Сопротивление пыли, которая улавливается электродами, может изменяться в очень широких пределах, что в свою очередь существенно влияет на процесс улавливания пыли. Условно пыль разделяют на три группы по уровням удельного сопротивления.

Е / к сл К первой группе относится хорошо проводящая пыль, имеющая удельное сопротивление v 102 Омм. Пыль первой группы улавливается плохо, так как при =1 сл осаждении частицы быстро перезаряжаются, отталкиваются от электрода и уносятся потоком газа.

х К пыли второй группы относят пыль, удельное объемное сопротивление Рис. 6.4. Распределение которой лежит в пределах 102 < v < 108 Омм. Пыль второй группы улавливается напряженности поля хорошо в электрофильтрах. Заряд частиц пыли равномерно стекает на внутри порошкового слоя осадительный электрод по мере осаждения новых частиц и подхода к слою ионов.

для 1 - диэлектрических;

Таким образом частицы хорошо удерживаются на поверхности слоя в процессе 2 - полупроводящих;

пылеулавливания.

3 - проводящих частиц К пыли третьей группы относится пыль с удельным объемным сопротивлением v 108 Омм. Эта пыль наиболее трудно улавливается из-за возникновения обратной короны. Частицы, осевшие на осадительный электрод, долго сохраняют свой заряд из-за высокого сопротивления частиц пыли. Заряды, содержащиеся в слое, определяют распределение напряженности электрического поля в слое.

На рис. 6.4 представлены три характерных случая распределения напряженности поля внутри слоя частиц в зависимости от их проводимости.

Посмотрим, как изменяется напряженность электрического поля в слое для заряженных диэлектрических частиц.

По уравнению Пуассона:

div E =.

сл Для одномерного случая dE =.

сл dx Разделяем переменные и интегрируем:

E x dE = dx сл0 Ek сл Решением является: E = Ek/сл + x/(сл0). То есть получили линейную зависимость от координаты x.

Итак, для диэлектрических и полупроводящих частиц по мере роста толщины слоя напряженность растет и может даже существенно превысить внешнюю напряженности поля, несмотря на то, что возд < сл. В газовых включениях, имеющихся внутри слоя, начинаются ионизационные процессы, которые приведут к пробою всего слоя. В результате пробоя образуется кратер, порошок из которого выбрасывается в межэлектродный промежуток. После пробоя слоя вокруг кратера начинается также разряд по поверхности, который снимает поверхностный заряд. В результате этих ионизационных процессов начинается эмиссия ионов противоположного знака в межэлектродный промежуток. Это явление носит название обратного коронного разряда. Установлено, что пробой слоя наступает при v > 108 109 Омм.

Это соотношение принято считать критерием возникновения обратного коронного разряда.

Время возникновения обратного коронного разряда легко определить из условия зарядки слоя без учета утечек зарядов через слой.

Eслсл - Eк = /0, где Есл- напряженность в слое частиц, Ек- напряженность поля коронного разряда у поверхности слоя.

Учитывая, что = Jt, получим при возникновении обратной короны:

Eпр слсл - Eк =Jtок/0, где Епр сл- пробивная напряженность в слое частиц, tок- время возникновения обратного коронного разряда.

Время возникновения обратного коронного разряда будет равно:

tок = 2 сл0(Eпр сл - Eк/сл)/J.

Здесь введен поправочный коэффициент равный 2, который учитывает переход от начальной формы к интенсивному обратному коронному разряду, оказывающему существенное влияние на процессы в электрофильтре.

Наличие обратного коронного разряда отрицательно влияет на процесс очистки газа в электрофильтре в силу следующих причин:

1. Из-за появления в межэлектродном промежутке объемного заряда противоположного знака снижается напряженность поля у поверхности осадительного электрода;

2. Происходит частичная разрядка и даже перезарядка частиц порошка приближающихся к осадительному электроду;

3. Усиливается вторичный унос частиц с поверхности слоя в результате их перезарядки.

При интенсивном обратном коронном разряде процесс осаждения может полностью прекратиться. Наибольшее распространение получили три способа борьбы с этим вредным явлением:

1. Кондиционирование топочных газов, например, введением аммиака, приводит к снижению удельного объемного сопротивления ниже критического уровня;

2. Импульсное питание коронирующих электродов, снижающее поток ионов к поверхности слоя. Уменьшение плотности тока приводит к замедлению нарастания напряжения на слое и, следовательно, к уменьшению вероятности возникновения обратной короны;

3. Знакопеременное питание электрофильтра позволяет изменять полярность постоянного напряжения на коронирующих электродах электрофильтра на противоположную в момент, когда напряжение на слое приблизится к напряжению возникновения обратной короны. Таким образом, на осадительном электроде формируется общий слой пыли, состоящий из тонких противоположно заряженных слоев пыли, что в конечном итоге снижает напряженность электрического поля в слое пыли и уменьшает вероятность возникновения обратной короны.

6.6. Конструкция электрофильтров Используются электрофильтры имеют различной конструкции. Они бывают трубчатые (рис 6.5, а) и пластинчатые (рис 6.5, б).

BH а) б) Рис. 6.5. Конструкции электрофильтров а) трубчатый, б) пластинчатый многопольный Трубчатые электрофильтры - аппараты с вертикальным потоком газа. Подлежащие очистке газы проходят внутри трубчатых осадительных электродов, по оси которых располагаются коронирующие провода. Слой пыли периодическим встряхиванием электродов удаляется в пылесборник, находящийся в нижней части электрофильтра.

Пластинчатые электрофильтры - аппараты с осадительными электродами в виде пластин, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Между пластинами расположены коронирующие электроды, укрепленные на рамах.

В одном корпусе электрофильтра может быть расположено несколько независимых последовательно расположенных систем электродов, или, как принято их называть в практике газоочистки, электрических полей.

Огромную роль в достижении максимальной эффективности пылеулавливания играет конструктивное исполнение коронирующих и осадительных электродов.

Коронирующие электроды можно разделить на две группы (рис. 6.6). К первой группе относятся электроды, которые не имеют фиксированных коронирующих точек. При отрицательной короне – отрицательной полярности коронирующих электродов – светящиеся точки располагаются вдоль электрода на разных расстояниях друг от друга в зависимости от состояния поверхности электрода. Типичные виды электродов этой группы: круглый диаметром 24 мм, квадратный со стороной 34 мм и штыкового сечения, вписывающийся в квадрат со стороной 45 мм (рис. 6.6, а).

Ко второй группе относятся электроды с фиксированными точками разряда по их длине. Типичными видами этих электродов являются колючая проволока, пилообразные и игольчатые электроды (рис. 6.6, б). Электроды второй группы при равных напряжении и межэлектродном расстоянии обеспечивают значительно больший ток короны, чем электроды первой группы. Легче обеспечивается необходимая механическая прочность. В настоящее время получили широкое распространение коронирующие электроды ленточно-игольчатого типа. Они легко изготавливаются путем штамповки и при наличии достаточной механической прочности обладают хорошими электрическими жарактеристиками.

а) б) в) Рис.6.6. Электроды электрофильтров а) – гладкие коронирующие электроды;

б) – коронирующие электроды с фиксированными точками разряда;

в) – осадительные электроды Осадительные электроды электрофильтров также имеют разнообразную форму: они имеют гладкую поверхность без острых углов, необходимую для обеспечения высокой напряженности электрического поля, и полости, позволяющие стряхивать пыль с минимальным вторичным уносом (рис. 6.6,в).

Для успешной работы электрофильтров имеет важное значение установка коронирующих проводов точно по оси между осадительными пластинами. До настоящего времени применялись аппараты с расстоянием между осадительными электродами 275 мм. Шаг между коронирующими проводами составляет 100200 мм. Имеется тенденция к увеличению расстояния между осадительными электродами до 450 мм и даже до 600 мм. Опытно– промышленные испытания таких электрофильтров показали, что, несмотря на предсказания теории, снижение степени очистки не происходит, так как существенно возрастает пробивное напряжение промежутков.

7. НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ 7.1. Электроокраска Окраска изделий является одним из технологических процессов, при котором применение электрического поля эффективно. Принципиально технология электроокраски заключается в распылении и зарядке частиц краски и осаждении заряженных частиц краски на изделии в электрическом поле. В результате на изделии формируется равномерный тонкий слой краски.

Преимущества при окраске в электрическом поле по сравнению с пневматической окраской заключаются в:

1) уменьшении потерь краски до 1020% вместо 5070%;

2) уменьшении загрязнений окружающей среды;

3) повышении адгезии покрытия к поверхности изделия.

Процесс распыления жидкости в электрическом поле происходит следующим образом (рис. 7.1).

Образующаяся на выходе из распылителя капля растет до тех пор, пока ВН действующие на нее электрические силы не превысят силы поверхностного натяжения. Происходит нарушение устойчивости поверхности на вершине капли где поле максимально и, как следствие, выброс тонкой струйки. Далее эта тонкая струйка дробится на мелкие капли. Выброс тонкой струйки является условием мелкодисперсного распыления жидкости в электрическом поле.

На процесс распыления оказывают наибольшее влияние напряженность поля в непосредственной близости от распылителя, поверхностное натяжение, проводимость, вязкость жидкости, а также расход жидкости, то есть скорость ее поступления в зону распыления.

При малой напряженности поля распыление не происходит, так как электрическая сила недостаточна, чтобы преодолеть силу поверхностного натяжения. От распылителя отрываются крупные капли под действием своего веса.

Рис. 7.1. Процесс зарядки и распыления краски Для увеличения напряженности электрического поля стремятся уменьшить радиус 1 – сопло распылителя;

закругления кромок сопла распылителя (Екромки 10кВ/см).

2 – капля краски;

3 – струйка краски;

Если поверхностное натяжение велико, то возможно, что раньше, чем 4 - мелкие капли после дробления струйки;

произойдет нарушение устойчивости поверхности капли, начнется коронный разряд, 5 - изделие препятствующий дальнейшему увеличению напряженности поля у поверхности капли. Коэффициент поверхностного натяжения краски не должен превышать (45)106 Н/см.

Проводимость краски оказывает решающее влияние на процесс накапливания заряда на капле жидкости. Жидкость с очень малой электрической проводимостью (менее 10-8 1/Омм) не распыляются в электрическом поле. Чем выше проводимость, тем быстрее подтекает заряд и больше сила, воздействующая на каплю. Однако при увеличении проводимости выше 10-2 1/Омм распыление краски опять прекращается. Это связано с возникновением коронного разряда на капле и внедрением в промежуток большого объемного заряда, снижающего напряженность электрического поля на кромке сопла распылителя. Оптимальная проводимость краски лежит в диапазоне 10-510-6 1/Омм.

Очень вязкие жидкости также плохо распыляются в электрическом поле, поскольку вязкость жидкости ограничивает возможность выброса тонкой нити. С увеличением вязкости растет диаметр нити и соответственно размер капель, на которые она дробится. Вязкость краски должна быть не более 0,07 Пас. Оптимальный размер частиц краски составляет 1530 мкм.

В промышленности применяются две системы окраски: электростатическая (лотковые и щелевые распылители) и окраска с механическим распылением (центробежные, гидравлические и пневматические распылители) (рис. 7.2).

ВН ВН ВН 1 а) б) в) Рис.7.2. Конструкции электроокрасочных распылителей.

а) лотковый;

б) центробежный;

в) электропневматический Подача: 1 - краски;

2 - воздуха;

3 - коронирующий электрод.

Электростатическая окраска заключается в зарядке и распылении жидкости за счет электрических сил, действующих на каплю, находящуюся на кромке распылителя.

В системах с механическим распылением используются центробежное, пневматическое, безвоздушное (при подаче под большим давлением) дробление краски. В этих распылителях электрическое поле используется только для перемещения и осаждения капель на изделие. Наибольшее распространение получили электропневматические распылители, которые обладают большей производительностью, лучше окрашивают полости и углубления в деталях, не предъявляют жестких требований к параметрам краски. Из-за наличия потоков воздуха потери краски несколько больше, чем у электростатических распылителей (20% вместо 510%), но существенно меньше, чем у пневматических распылителей.

7.2. Нанесение порошковых покрытий Процесс нанесения порошковых полимерных материалов в электрическом поле заключается в зарядке частиц порошка, переносе их потоками воздуха к напыляемому изделию, осаждении частиц под действием электрического поля на поверхность изделия и оплавлении слоя порошка в электропечах с образованием сплошного полимерного покрытия на поверхности изделия.

Достоинства метода:

1) почти 100% использование материала после улавливания неосевшего на изделие порошка и повторного его применения при напылении покрытия;

2) незначительное количество растворителей в материале краски (не более 5%) по сравнению с жидкими красками, где растворителя содержится до 50%, а значит существенно меньшее загрязнение окружающей среды газовыми выбросами;

3) получение покрытий с уникальными свойствами (фторопласт, полиамид, полиуретан);

4) получение толстых покрытий (до нескольких миллиметров) на изделиях сложной формы (для изоляционных конструкций и в химической промышленности).

Зарядку частиц порошкового материала в установках для напыления осуществляют, используя следующие два метода: ионную зарядку - осаждение ионов из объема газа с полем коронного разряда и статическую электризацию - обмен зарядами между частицами и между частицами и элементами конструкции распылителя при контакте между ними.

Для используемых при нанесении покрытий порошковых материалов с радиусами частиц а > 1 мкм ионная зарядка происходит преимущественно за счет движения ионов коронного разряда в электрическом поле и осаждения их на поверхность частиц («ударная зарядка»). Статическая электризация осуществляется путем обмена зарядами за счет разности в работе выхода электронов у материала частиц и материала стенок в зарядном устройстве или при обмене зарядами между частицами из-за различий в химическом составе примесей, температуре, фазовом состоянии, структуре поверхности и т.д. На практике для оценки знака зарядов статической электризации используют правило Коэна, в соответствии с которым при приведении в контакт и разъединении двух диэлектриков вещество с наибольшей относительной диэлектрической проницаемостью заряжается положительно.

Существуют два варианта устройств для нанесения порошковых полимерных покрытий в электрическом поле: с помощью распылителей (рис. 7.3) и с помощью камер с электрическим кипящим слоем (рис. 7.4).

Рис. 7.3. Нанесение покрытия с помощью распылителя Воздух Рис. 7.4. Нанесение покрытия в камере с кипящим слоем При нанесении покрытий распылителем (рис. 7.3) порошковый материал забирается из загрузочного бункера (2) дозирующим эжектором и во взвешенном состоянии в потоке воздуха по гибкому трубопроводу подается к распылителю (1), который выполняет две функции: формирует порошковое облако вокруг изделия и осуществляет зарядку частиц порошка. Зарядка частиц осуществляется в поле коронного разряда между иглой (4), которая соединена с источником постоянного напряжения, и заземленным изделием (3). Если частицы приобретают избыточный заряд внутри корпуса распылителя, то он называется распылителем с внутренней зарядкой. Зарядка может осуществляться как в поле коронного разряда, создаваемого внутри корпуса распылителя, так и путем статической электризации частиц порошка при трении о внутренние стенки полостей в корпусе распылителя (который в этом случае называется трибоэлектрическим распылителем).

При осуществлении зарядки частиц в поле коронного разряда внутри корпуса распылителя должны учитываться следующие два фактора: запирание коронного разряда ионами, осевшими на внутренние стенки камеры, в которой создается коронный разряд, и осаждение заряженных частиц порошка на заземленный электрод зарядного устройства, что приводит к возникновению обратного коронного разряда в образующемся слое порошка на электроде и к ухудшению зарядки частиц порошка.

ВН воздух порошок+ +воздух воздух Рис. 7.5. Распылитель с внутренней зарядкой На рис. 7.5 показано зарядное устройство, в котором неблагоприятные факторы решаются, во-первых, увеличением объема межэлектродного пространства и, во-вторых, созданием дополнительных воздушных потоков через пористый заземленный электрод - 2, препятствующих осаждению частиц на некоронирующий электрод. Кроме того, поток порошкового материала, подающийся в поле коронного разряда по диэлектрической трубке - 3, обжимается чистым потоком воздуха и направляется узкой струей на кончик коронирующей иглы - 1, способствуя приобретению частицами порошка зарядов в области с высокой напряженностью электрического поля.

Зарядные устройства трибоэлектрических распылителей должны удовлетворять следующим трем условиям необходимым для эффективной зарядки напыляемого материала:

— обеспечивать многократные и эффективные соударения частиц порошка с трибоэлектризующим элементом;

— производить снятие поверхностного заряда с трибоэлектризующего элемента;

— обеспечивать стабильность процесса трибозарядки.

Увеличение числа и эффективности актов соударения частиц с поверхностью зарядного устройства достигается турбулизацией несущего частицы потока воздуха, изменением направления его движения и увеличением скорости потока, а также подбором материала трибоэлектризующего элемента по отношению к материалу наносимого порошка.

Часто трибоэлектризующие устройства выполняются в виде изогнутых трубок, спиралей, винтовых каналов в цилиндре, электродов и т.д. Трибоэлектризующий элемент обычно выполняется из диэлектрического материала. В связи с этим при работе на поверхности трибоэлектризующего элемента накапливается заряд по знаку противоположный заряду частиц, что ухудшает эффективность статической электризации. Снятие поверхностного заряда с внутренней поверхности каналов достигается или введением заземленного цилиндрического электрода с малым радиусом закругления, или вводом через стенки множества заземленных игл во внутреннюю полость каналов. Стабильность процесса статической электризации обеспечивается поддержанием неизменной влажности осушенного воздуха, используемого для транспортировки порошка, на уровне - 10°С точки росы.

Если зарядка частиц порошка осуществляется в поле коронного разряда, создаваемого между коронирующими электродами, расположенными в области выходного сопла распылителя, и заземленным изделием, то такое устройство называется распылителем с внешней зарядкой. В качестве коронирующих электродов может использоваться одна или несколько игл, коронирующая кромка.

Величина заряда частиц, приобретаемого в поле коронного разряда, определяется предельным зарядом и степенью недозарядки q = qm, где qm - предельный заряд, определяемый по (5.9), - степень недозарядки из-за en0kt Jt ограниченного времени зарядки. В соответствии с (5.9) = =, где J = en0kE - плотность тока.

40 + en0kt 40E + Jt Видно, что для увеличения заряда частиц необходимо увеличивать напряженность электрического поля и плотность тока коронного разряда. Наличие заряженного дисперсного материала в промежутке между распылителем и изделием вызывает запирание (уменьшение) тока коронного разряда, а значит увеличивает степень недозарядки частиц.

Причем, с увеличением расхода порошка через распылитель степень недозарядки продолжает уменьшаться. Поэтому для улучшения зарядки частиц порошка следует стремиться увеличить плотность тока короны. Однако здесь существует ограничение, связанное с быстрым возникновением обратной короны в слое порошка, осевшем на изделии, которая ухудшает процесс зарядки. В настоящее время считается, что оптимальным значением тока коронного разряда является величина 510 мкА.

Распылители с внешней зарядкой обладают наибольшей эффективностью зарядки порошкового материала, так как время пребывания частиц в поле коронного разряда, по сравнению с другими устройствами, здесь максимально.

Второй вариант устройств для нанесения покрытий представляет собой камеру с электрическим кипящим слоем, в которую помещается изделие - 1 (рис. 7.4). Камера делится пористой перегородкой - 2 на две части. В верхнюю часть на пористую перегородку насыпается порошковый материал - 3, а в нижнюю - подается сжатый воздух.

При определенной скорости воздуха, проходящего через пористую перегородку, порошок переводится во взвешенное состояние, при котором частицы как бы витают в восходящем потоке воздуха. Из-за хаотичности движения частиц происходит их соударение между собой, что приводит к статической электризации частиц и зарядка их как отрицательным, так и положительным зарядом.

Электрическое поле, создаваемое между высоковольтным электродом, размещенным в порошковом слое, и заземленным изделием, вызывает разделение частиц в кипящем слое по знакам заряда. При приложении отрицательного напряжения к высоковольтным электродам положительно заряженные частицы накапливаются вокруг высоковольтного электрода, а отрицательно заряженные - в верхней части кипящего слоя порошка. Частицы, имеющие достаточно большой отрицательный заряд, выносятся электрическим полем из кипящего слоя и направляются к изделию. Из-за большой концентрации частиц в кипящем слое коронный разряд у поверхности высоковольтных электродов находится в полностью запертом состоянии. По мере накопления положительно заряженных частиц вокруг высоковольтных электродов происходит разряд и импульсное локальное отпирание коронного разряда, при котором осуществляется перезарядка частиц. Таким образом, в электрическом кипящем слое зарядка частиц носит сложный характер, сочетающий статическую электризацию частиц и зарядку в газовом разряде.

Процесс транспортировки частиц порошка к напыляемому изделию осуществляется в потоке воздуха. При этом соотношение аэродинамических и электрических сил, действующих на частицу, сильно отличается для разных устройств, используемых для нанесения покрытий. Если для распылителей с внутренней зарядкой транспортировка частиц осуществляется исключительно потоком воздуха, то в камерах с электрическим кипящим слоем направление движения частиц к изделию создается в основном электрическим полем. Для распылителей с внешней зарядкой перемещение частиц к изделию в равной мере определяется аэродинамическими и электрическими силами.

При осаждении порошка на поверхность изделия, как видно из схем устройств напыления, представленных на рис. 7.3 и 7.4, на частицу действует электрическая сила в направлении к поверхности изделия и аэродинамический поток воздуха, направленный вдоль поверхности, который способствует скорее отрыву частиц, чем осаждению. Электрическое поле у изделия в общем случае является суммой полей от напряжения на высоковольтных электродах и от объемного заряда частиц. Причем напряженность электрического поля объемного заряда порошка может иметь значительную величину, а при большой концентрации частиц даже превышать напряженность поля коронного разряда, достигая значений 10 кВ/см. Для распылителей с внутренней зарядкой электрическое поле у изделия создается исключительно объемным зарядом частиц. Поэтому, с точки зрения увеличения напряженности электрического поля, целесообразным является увеличение расхода порошка через распылитель. Особенно эффективно использовать большой (до 20 кг/ч) расход порошка при нанесении покрытий на изделия сложной формы с внутренними заэкранированными полостями, в которые внешнее поле не проникает. Однако с увеличением расхода порошка эффективность зарядки частиц снижается, а значит уменьшается электрическая сила, действующая на частицу, что приводит к снижению потока частиц, осаждающихся на поверхность изделия.

Интенсивность процесса осаждения обычно характеризуется величиной плотности потока массы порошка m F =, St где m - масса порошка, осевшего на поверхность изделия площадью S;

t - время напыления.

В результате снижения потока частиц коэффициент осаждения порошка на изделие уменьшается. Коэффициент осаждения определяется как доля порошкового материала, осажденного на изделие, по отношению к общему расходу материала через распылитель.

По мере нарастания толщины слоя порошка на поверхности изделия напряженность электрического поля в слое возрастает до пробивных значений. Возникающие разрядные явления в слое порошка носят название «обратный коронный разряд». Время возникновения обратной короны находится из условия накопления заряда в слое и вычисляется по формуле:

Eпр tок = 2сл0.

J Здесь сл - относительная диэлектрическая проницаемость порошкового слоя, вычисляемая по формуле: сл = k, где - относительная диэлектрическая проницаемость материала напыляемого порошка;

k - коэффициент упаковки, характеризующий пористость слоя, равен отношению толщины оплавленного покрытия к толщине неоплавленного слоя:

hопл m, k = = hсл hслS где - плотность материала порошка.

Так как в полученном выражении для времени возникновения обратной короны пробивная напряженность слоя Епр зависит от плотности тока на изделие, была получена другая формула для времени возникновения обратного коронного разряда 40сл j-0,68 при J < 125 мкА/м t = 72сл j-0,8 при J > 125 мкА/м где J в мкА/м2, t в секундах.

При обратном коронном разряде из порошкового слоя внешним электрическим полем в пространство над слоем порошка вытягиваются ионы, противоположные по знаку зарядам осаждающихся частиц. Ионы обратной короны разряжают подлетающие к изделию частицы, в результате падает плотность потока массы порошка, осаждающегося на изделие, и замедляется рост толщины слоя (рис. 7.6.). При обработке экспериментальных результатов, полученных разными авторами, установлено, что спад плотности потока массы после возникновения обратной короны соответствует экспоненциальному закону:

- (t - tок ) F = F0 exp, где F0 - плотность потока массы до возникновения обратной короны;

= 1,2tок - эквивалентная постоянная времени.

Полученное выражение позволяет определить плотность потока массы порошка, осаждающегося на изделие, для любого момента времени вплоть до бесконечно больших значений времени, когда существует развитая обратная корона и практически прекращается осаждение порошка на изделие.

F I F Ik tок t tок t Рис.7.6. Зависимость тока и плотности потока осаждающихся на изделие частиц наносимого порошка от времени напыления Кроме того, появление развитого обратного коронного разряда вызывает образование кратеров в порошковом слое, что ухудшает качество получаемого оплавленного покрытия. Исходя из этого, было определено время нанесения покрытия, при достижении которого еще не происходит заметного снижения осаждения порошка на изделие и ухудшения качества конечного покрытия. Рациональное время напыления равно:

tрац = tок + 0,5 = 1,6 tок.

Зная рациональное время напыления и зависимость для плотности потока массы, интегрированием вычисляется масса осевшего порошка и при известной плотности материала определяется толщина получаемого качественного оплавленного покрытия:

hопл = 1,47 F0tок/.

Отличие при нанесении порошковых покрытий распылителями с внешней зарядкой состоит в том, что по сравнению с распылителями с внутренней зарядкой и камерами с электрическим кипящим слоем в факеле распыленного порошка присутствуют как заряженные частицы, так и газовые ионы, создаваемые при коронном разряде. Поэтому, как только на поверхности изделия образуется сплошной порошковый слой, сразу происходит его подзарядка ионами, движущимися к изделию под действием электрического поля. Подзарядка слоя током коронного разряда существенно сокращает время образования обратной короны, что ограничивает качественное прокрашивание заэкранированных участков изделия сложной формы.

Одним из путей уменьшения подзарядки слоя порошка током коронного разряда является согласование распределения концентрации частиц в факеле распыленного порошка с плотностью тока коронного разряда на поверхности изделия (рис. 7.7). Видно, что при согласованном факеле наблюдается примерно одинаковая плотность тока коронного разряда по всему отпечатку факела на поверхности изделия, и отсутствуют участки с повышенной подзарядкой током прямой короны.

a) б) в) г) Рис. 7.7. Распределение плотности тока по отпечатку факела при а) отсутствии подачи порошка через распылитель;

б) согласованном факеле порошка;

в) широком факеле;

г) узком факеле порошка 8. ЭЛЕКТРОСЕПАРАЦИЯ 8.1. Классификация сепараторов Электрическая сепарация минерального сырья представляет собой процесс разделения сыпучих смесей веществ по физическому составу, крупности или форме с использованием энергии электрического поля. Электрическая сепарация используется для двух целей: электрического обогащения и электрической классификации. Электрическое обогащение - процесс разделения смесей веществ по их физическим свойствам. Электрическая классификация - процесс разделения частиц одного вещества по размерам частиц.

Физические закономерности электрического обогащения и классификации имеют общие основы.

Трибоэффект открыл в 600 году до н.э. Фалес Милетский, который обнаружил электризацию янтаря при натирании его мехом или сукном. Однако только в 1881 году был зарегистрирован патент на способ электрического разделения золота и кварца.

Таблица 8. Классификация сепараторов По способу По Трибо- Пиро- Диэлектричская сепарации: электропроводнос электростатичская электрическая (по ) ти По - характеристи электростатическ кам поля в Электростатическая ая рабочем - коронная промежутке:

- коронно электростатическ ая Конструктивн - в тонком слое: барабанные, лотковые ые признаки:

- в объеме: камерные, с кипящим слоем, флюидизационные, - пневматические дутьевого типа В настоящее время осуществляют обогащение: железных, титановых, оловянных и других руд цветных металлов;

разделение смеси порошков, различающихся по физическим свойствам.

Классификация осуществляется при разделении асбеста и слюды по форме;

алмазных порошков по размерам.

Классификация электросепараторов производится по физическим принципам, составляющим основу процесса разделения, и по конструктивным признакам.

8.2. Сепарация по электропроводности 8.2.1. Барабанные электростатические сепараторы На барабанных электростатических сепараторах осуществляется разделение сыпучих веществ, имеющих различную удельную электропроводность. На рис. 8.1. представлена конструкция такого сепаратора.

Электростатическое поле создается между некоронирущим высоковольтным электродом 3 и заземленным барабаном (осадительным электродом) 2. Частицы разделяемых материалов из дозатора попадают на поверхность вращающегося барабана.

После перемещения их в зону электростатического поля проводящие частицы в ВН "-" результате контактной зарядки приобретают заряд противоположный по знаку потенциалу высоковольтного электрода. Возникающая при этом сила электрического поля отрывает частицы от поверхности барабана и они попадают в приемник III.

Непроводящие частицы не успевают приобрести избыточный заряд и под действием сил тяжести падают в приемник I. В приемник II попадает смесь из проводящих и непроводящих частиц, не прошедших разделение.

Скорость вращения барабана составляет 40400 об/мин. Напряженность электростатического поля Еэл.ст= 34 кВ/см. Производительность сепаратора на II III I погонный метр длины составляет Q 2 т/(мч). Диаметр сепарируемых частиц Рис.8.1. Схема барабанного находится в диапазоне 100 мкм 3 мм.

электростатического сепаратора 1 - дозатор, 2 - металлический заземленный барабан (осадительный электрод), 8.2.2. Барабанные коронные сепараторы 3 -некоронирующий Для более эффективного разделения материалов по проводимости стали высоковольтный электрод, 4 - приемник для непроводящих использовать сепараторы, у которых зарядка частиц 3 ВН "-" частиц I, проводящих частиц III и осуществляется в поле коронного разряда. Это их смеси II.

приводит к появлению заряда на непроводящих частицах, причем того же знака, что и коронирующий электрод. Значит, возникает 5 электрическая сила, удерживающая эти частицы на поверхности барабана в зоне разделения материалов. Кроме того, непроводящие частицы удерживаются на поверхности барабана силами зеркального отображения вплоть до удаления их с помощью скребка.

III I II В результате разделение проводящих и непроводящих материалов происходит Рис.8.2. Схема барабанного на разных сторонах поверхности барабана, что обеспечивает более селективное коронного сепаратора отделение проводников от непроводников.

1 - дозатор, 2 - металлический заземленный барабан (осадительный электрод), 8.2.3. Барабанные коронно-электростатические сепараторы 3 -коронирующий высоковольтный электрод, Наибольшее распространение получили коронно-электростатические 4 - приемник для непроводящих сепараторы (рис. 8.3), у которых вслед за коронирующим электродом 3 размещается частиц I, проводящих частиц III и их смеси II, 5 - скребок.

высоковольтный некоронирующий отклоняющий электрод 4. В этих сепараторах механизм зарядки частиц в зоне коронного разряда аналогичен предшествующему варианту. Введение в рабочую зону дополнительного электростатического поля увеличивает роль электрических сил, способствующих более раннему отклонению проводящих частиц от барабана. Частицы диэлектриков, при прочих равных условиях, удерживаются на большем участке периметра барабана. В результате этого увеличивается разница в траекториях проводящих и непроводящих частиц. Таким образом, электродная система является важнейшим узлом этих сепараторов.

Осадительные электроды изготавливают обычно из стальных труб, которые 1 3 ВН "-" имеют диаметр 125350 мм и длину до 2 м. Для уменьшения влияния адгезионных сил поверхность осадительных электродов должна быть гладкой, поэтому ее хромируют и полируют.

6 Получили распространение два типа коронирующих электродов: проволочные и игольчатые. Проволочные электроды выполняют из нихромовой или вольфрамовой проволоки диаметром 0,250,4 мм. Игольчатые электроды монтируют на несущем стержне на расстоянии 36 мм друг от друга.

III I II Конструкции отклоняющих электродов весьма разнообразны. На рис. 8.4.

Рис.8.3. Схема барабанного показаны комбинации проволочного коронирующего электрода и различных коронно-электростатического отклоняющих электродов.

сепаратора б) в) д) 1 - дозатор, 2 - металлический а) г) е) заземленный барабан (осадительный электрод), 3 - коронирующий высоковольтный электрод, 4 - отклоняющий электрод, 5 - приемник для непроводящих 2 частиц I, проводящих частиц III и их смеси II, 6 - скребок.

Рис. 8.4. Схемы расположения электродов барабанных коронно-электростатических сепараторов а) пластинчатый отклоняющий электрод, заряжаемый от коронирующего, б) пластинчатый отклоняющий электрод, подключенный к коронирующему, в) пластинчатый отклоняющий электрод, подключенный к коронирующему и расположенный за ним, г) цилиндрический отклоняющий электрод, соединенный с коронирующим, д) система с несколькими коронирующими и заземленным отклоняющим электродами, е) цилиндрический отклоняющий электрод, покрытый слоем из диэлектрика толщиной, заряжаемый от коронирующего.

1- коронирующий электрод, 2 - отклоняющий электрод.

Наличие вращающихся деталей и трущихся частей, работающих в запыленной атмосфере, вызывает их быстрый износ. Кроме того, эти сепараторы мало эффективны при разделении тонкоизмельченного материала крупностью ниже 5070 мкм вследствие адгезионного взаимодействия минеральных частиц между собой и с поверхностью барабана.

8.2.4. Лотковые наклонные электростатические сепараторы Данные типы сепараторов нашли широкое применение при разделении ВН титаносодержащих руд. Сепарируемые материалы из бункера 1 (рис. 8.5) попадают на "-" наклонную плоскость, расположенную под углом 20°42° к горизонтали. Скользя по заземленному лотку сначала в поле коронного разряда, создаваемом между электродами 4 3 и 2, а затем в электростатическом поле, образуемом электродами 4 и 2, проводящие частицы рутила заряжаются положительно и концентрируются в верхней части слоя.

Непроводящие частицы циркона заряжаются отрицательно и концентрируются в ВН 200-420 "+" нижней части слоя. Электростатическое поле способствует лучшему разделению частиц. Для лучшего разделения частиц минералов под наклонной плоскостью размещают дополнительный отклоняющий электрод 5, на который подают высокое напряжение положительной полярности. На процесс сепарации существенно влияют длина и угол наклона заземленного электрода 2. Для уменьшения влияния адгезионных I II III сил и контактного сопротивления между поверхностью заземленного электрода и частицами пластинчатый электрод изготавливается из графитосодержащего материала.

Рис.8.5. Конструкция Производительность сепаратора достигает Q = 3 т/(мч).

лоткового наклонного Для барабанных и лотковых сепараторов удельная электропроводность электростатического сепаратора разделяемых материалов должна отличаться на 24 порядка.

1 - дозатор, 2 - пластинчатый наклонный (осадительный) электрод, 3 - коронирующий электрод, 4 - отклоняющий электрод, 8.3. Трибоэлектростатическая сепарация Для разделения материалов, имеющих низкую электропроводность и различающихся трибоэлектрическими зарядами, электризацию частиц производят:

— либо при трении частиц между собой, ВН "-" — либо при трении частиц о специальную поверхность трибоэлектризующего элемента.

Барабанные трибоэлектростатические сепараторы.

У представленного на рис. 8.6 барабанного трибоэлектростатического сепаратора 6 зарядка частиц разделяемых материалов осуществляется на наклонной плоскости 2 за счет трибоэлектризации при их контакте с поверхностью плоскости. Подбирая материал II III I плоскости можно регулировать знак заряда, приобретаемый частицами. Кроме того, Рис.8.6. Схема установлено, что подача на металлическую пластину высокого напряжения барабанного положительной или отрицательной полярности (в зависимости от свойств разделяемых материалов) может значительно увеличить трибоэлектрический заряд. Разноименно трибоэлектростатичес заряженные частицы поступают в электростатическое поле, создаваемое между кого сепаратора 1 - дозатор, 2 - электризующий электродами 3 и 4, где происходит их разделение. Положительно заряженные частицы под элемент, действием электрического поля отрываются от поверхности барабана и попадают в 3 - металлический заземленный барабан (осадительный приемник 5 (III). Отрицательно заряженные частицы скребком 6 счищаются в приемник электрод), (I).

4 - некоронирующий высоковольтный электрод, 5 - приемник для отрицательно заряженных частиц I, Камерные электростатические сепараторы свободного падения. После зарядки разделяемый материал поступает из дозатора в зону с электростатическим полем. Поле создается вертикально расположенными некоронирующими электродами. Падая вниз под действием сил тяжести, частицы отклоняются в сторону электродов под действием кулоновских сил.

1 Fk mg ВН "-" II III I Рис. 8.7. Схема камерного Рис. 8.8. Схема камерного трубчатого электростатического сепаратора электростатического сепаратора 1 - дозатор, 2 - заземленный электрод, 1 - дозатор, 2 - электродвигатель, 3 - высоковольтный электрод, 3 - щетки для очистки осадительных электродов 4, 4 - приемник сепарируемых материалов 5 - приемник сепарируемых материалов, (I - отрицательно заряженного, II - 6 - отсекающие шиберы незаряженного и III - положительно заряженного).

Направление действия электрической силы зависит от знака избыточного заряда частицы. На рис. 8.7 приведена схема камерного электростатического сепаратора. Расширение межэлектродного расстояние в нижней части сепаратора позволяет расширить веер разделяемых материалов и улучшить таким образом их сепарацию. Преимуществом данного типа сепараторов является большая производительность, так как процесс разделения частиц материала осуществляется не на поверхности электрода, а в межэлектродном пространстве. Недостатком данной конструкции является постепенное накапливание слоя частиц в результате осаждения частиц на электроды. При образовании на электроде слоя пыли определенной величины он отваливается от электрода и часть отсепарированного материала попадает в непригодные хвосты.

Для предотвращения накапливания осевших частиц производят очистку осадительных электродов. На рис. 8. представлена конструкция камерного электростатического сепаратора фирмы «Кали унд Зальц АГ» (Германия).

Осадительные электроды сепаратора представляют собой два ряда параллельно установленных вертикальных вращающихся вокруг своей оси труб. Они очищаются от налипшей пыли неподвижными щетками, укрепленными параллельно трубам с тыльной стороны. Промышленные сепараторы такого типа имеют рабочую длину электродов 10 м, расстояние между электродами 250 мм. Напряженность электростатического поля 45 кВ/см. Удельная производительность сепаратора составляет 1030 т/(мч).

Сепараторы с кипящим слоем (трибоэлектростатические флюидизационные сепараторы).

Fk концентрат u ВН "-" воздух Рис. 8.9. Схема сепаратора с кипящим слоем 1 - транспортер с проводящей заземленной лентой, 2 - ванна с пористой перегородкой 3;

4 - кипящий слой порошка, 5 - скребок, 6 - приемный бункер для концентрата.

Сепаратор состоит из флюидизационной ванны 2 (рис. 8.9), которая имеет пористую перегородку 3 со слоем смеси порошковых материалов, подлежащих сепарации. Через пористую перегородку в ванну подают восходящий поток воздуха и частицы порошка переводятся во взвешенное состояние. Частицы заряжаются при столкновении друг с другом.

В ванне на некотором расстоянии от пористой перегородки установлены проволочные электроды, к которым подводится высокое напряжение. Электростатическое поле, создаваемое между высоковольтными электродами и проводящей заземленной лентой транспортера 1, вытягивает из кипящего слоя частицы одного из разделяемых материалов, заряженные тем же знаком, что и потенциал высоковольтных электродов. Осаждаясь на проводящую ленту транспортера, частицы удерживаются силами зеркального отображения вплоть до момента удаления их скребком 5 в бункер для концентрата. Частицы другого из разделяемых материалов, заряженные противоположным зарядом, концентрируются около высоковольтных электродов и периодически разгружаются из ванны через сливные отверстия.

8.4. Пироэлектрическая сепарация Некоторые кристаллические материалы при нагреве и резком охлаждении электризуются.

Для реализации этой зарядки с помощью барабанных сепараторов (рис. 8.10) стенки бункера-дозатора 1 выполнены в виде нагревательных элементов 3. Нагретый материал, попадая на холодную поверхность барабана 2, быстро охлаждается. Кристаллические 5 материалы, склонные к пироэлектризации заряжаются и удерживаются на поверхности барабана силами зеркального отображения вплоть до удаления их скребком 5 в приемник I.

Частицы других материалов не заряжаются, отрываются от поверхности барабана и попадают в приемник III.

I II III Рис.8.10. Схема барабанного пироэлектрического сепаратора 1 - дозатор, 2 - металлический заземленный барабан (осадительный электрод), 3 - электронагреватели, 4 - приемник для электризующихся частиц 8.5. Диэлектрическая сепарация Диэлектрическая сепарация основана на различии в значениях и направлениях пондеромоторных сил, действующих на поляризованные частицы твердых тел в неоднородном электрическом поле. Пондеромоторная сила равна:

1 - F = 202a2 grad E2, 1 + где 1 - относительная диэлектрическая проницаемость частицы, 2 - относительная диэлектрическая проницаемость среды, а - радиус сферической частицы, Е - напряженность электрического поля.

В диэлектрических сепараторах разделяемый дисперсный материал подают в неоднородное электрическое поле, создаваемое электродами различной конфигурации. Разделение осуществляют в жидкой, реже в воздушной, непроводящей среде. Поведение частиц определяется разностью диэлектрических проницаемостей частицы 1 и среды 2.

В том случае, когда 1(1) > 2 частица втягивается в область с наибольшей напряженностью электрического поля;

если же 1(2) < 2 частица выталкивается из этой области. Практически для любой пары минералов и других веществ можно подобрать условия, при которых они разделяются.

Рабочее пространство сепараторов заполняют жидкой средой, состоящей из двух смешивающихся компонентов, диэлектрическую проницаемость которой можно регулировать в широких пределах изменением соотношения составных частей. В качестве среды используют смеси: керосин - нитробензол, скипидар - нитробензол, четыреххлористый углерод - метиловый спирт, гексан - ацетон, керосин - диметилформамид и др. Таким образом, удается получить необходимое соотношение между относительными удельными электрическими постоянными среды и частиц.

В диэлектрических сепараторах применяют, как правило, изолированные проволочные электроды, на которые подают высокое напряжение переменной полярности промышленной частоты для исключения зарядки и налипания частиц на электроды.

Конструкции диэлектрических сепараторов разделяют на следующие виды: щелевого типа (провода в диэлектрических пазах);

с направляющей плоскостью (диэлектрические ВН пластины с прорезями между плоскими электродами);

с пространственным "" 4 1 расположением электродов, при сепарации в воздушной среде.

В диэлектрических сепараторах щелевого типа (рис. 8.11.) проволочные электроды 2 монтируют в вертикально установленные диэлектрические пластины 1. При свободном падении в жидкой среде частицы минералов с диэлектрической проницаемостью больше таковой у среды втягиваются в 1(2) область наибольшей напряженности. Частицы, имеющие диэлектрическую 1(1) проницаемость меньшую, чем у среды, остаются в области с наименьшей напряженностью электрического поля и осаждаются в жидкости, не отклоняясь к диэлектрическим пластинам.

1(2) 1(2) 9. ЭЛЕКТРОПЕЧАТЬ Рис. 8.11. Схема диэлектрического сепаратора щелевого типа (провода в диэлектрических пазах) 9.1. Применение электропечати 1 - диэлектрические плоскости, 2 - провода в пазах, 3 - силовые линии, 4 - поток разделяемых частиц, 5 - частицы с 1(2)< 2, 6 - частицы с 1(1)> Электростатические печатающие устройства используются в качестве устройств копировально-множительной техники, в качестве выводных устройств ЭВМ, в системах автоматизированного проектирования, информационно измерительных системах, в качестве маркирующих устройств и при нанесении структурных покрытий. В электропечати выделяются два направления: электрофотография и электрокаплеструйная технология. Электрофотографические устрой ства обеспечивают более высокую скорость и разрешающую способность печати, электрокаплеструйные более просты по устройству и дешевы.

9.2. Электрофотография В основе электрофотографического способа лежит свойство высокоомного фотополупроводника, нанесенного тонким слоем на подложку, изменять свою электрическую проводимость под действием света.

На первой стадии процесса (рис. 9.1.) производится электризация полупроводника, т.е. на поверхность полупроводникового слоя наносятся электрические заряды того или иного знака. Постоянная времени разряда слоя, определяемая диэлектрической проницаемостью и электрической проводимостью слоя, такова, что заряды удерживаются на поверхности в течение времени, необходимого для выполнения последующих операций. Электризация проводится при отсутствии освещения.

После электризации производится экспонирование слоя, которое принципиально не отличается от экспонирования обычных фотографических материалов. Оно может производиться в фотографических камерах, а также контактным методом. В процессе экспонирования благодаря фотопроводимости полупроводника уменьшается сопротивление слоя и происходит стекание зарядов с тех участков поверхности, которые подверглись воздействию света.

Оставшийся после экспонирования поверхностный заряд образует скрытое электростатическое изображение.

-ВН I II -ВН III IV Р t 0C V Рис. 9.1. Стадии электрофотографического процесса I - зарядка;

II - экспозиция;

III - проявление;

IV - перенос изображения;

V - фиксация изображения.

1 - коронирующие электроды;

7 - проявляющий порошок;

2 - фотополупроводник;

8 - порошковое изображение;

3 - заземленный электрод;

9 - бумага;

4 - оригинал (первичное изображение);

10 - термокамера;

5 - проекционная система;

11 - прижимной валик.

6 - скрытое электростатическое изображение;

Проявление скрытого электростатического изображения производится с помощью заряженного порошка. Если заряд частиц проявляющего порошка противоположен по знаку остаточному поверхностному заряду, то частицы будут оседать преимущественно в местах с наибольшей плотностью поверхностного заряда. В результате на поверхности полупроводникового слоя образуется порошковое изображение. Электростатическое изображение можно визуализировать не только заряженными порошками, но и непосредственно сканированием потенциального рельефа и превращением его в оптическое изображение на экране электронно-лучевой трубки.

Следующим этапом процесса является перенос слоя на несветочувствительную подложку, например, бумагу.

Далее производится фиксация порошкового изображения на бумаге. Обычно на бумагу переносится незначительная часть порошка, что позволяет получать несколько копий с одного изображения на полупроводниковом слое. Наиболее простой и распространенный способ фиксации изображения термический при соответствующем подборе порошка.

Заключительной стадией процесса является очистка полупроводника от остатков порошка.

Из всего разнообразия фотополупроводниковых материалов в электрографии нашли применение оксид цинка и селен. Они в наибольшей мере удовлетворяют предъявляемым требованиям: имеют малую электрическую проводимость (10-1310-14 1/Омм), обладают необходимой спектральной чувствительностью, позволяют получать тонкие слои, имеющие достаточную механическую прочность. Широко используются органические полупроводники.

Применяются различные методы получения электрографических слоев. Например, слои оксида цинка получают путем нанесения тонкого слоя суспензии порошка на бумагу и последующего высушивания. Такие слои предназначены для однократного использования. Они обладают наибольшей разрешающей способностью (до 100 линий на 1 мм), обеспечивают качественное изображение с передачей полутонов, но чувствительность их мала (0,11 ед. ГОСТ).

Слои из селена наносят на металлические пластины напылением в вакууме, и предназначены они для получения многократных копий. Разрешающая способность при этом получается в 23 раза меньше, но чувствительность слоев на основе селена можно получить до 20 ед. ГОСТ.

Рассмотрим основные стадии электрографического процесса.

Из различных способов зарядки полупроводниковых слоев применяется преимущественно зарядка в поле коронного разряда. Коронирующие электроды представляют собой или тонкие вольфрамовые провода диаметром 0,020,1 мм, или иглы. Важное значение имеет равномерность распределения заряда по слою. Это достигается применением ряда проводов или игл вместо одного провода, перемещением слоя относительно коронирующих проводов, использованием дополнительных экранов.

В электрофотографии используются несколько способов проявления скрытого электростатического изображения. По характеру взаимодействия частиц проявляющего вещества с заряженными участками слоя различают два основных типа проявления: сухое и жидкостное.

Имеется много разновидностей сухого метода проявления: каскадный, «магнитной кистью», меховыми валиками, аэрозольный. Метод сухого каскадного проявления наиболее распространен для селеновых фотослоев многократного использования. Каскадный проявитель обычно состоит из двух компонентов: крупнозернистого носителя и мелкодисперсного проявляющего порошка - тонера.

Вещества-носители для данного проявляющего порошка выбираются таким образом, чтобы при трении частиц носителя с частицами тонера последние приобретали заряды, противоположные по знаку зарядам электростатического изображения. Размеры частиц тонера обычно составляют 510 мкм, частицы носителя достигают 300700 мкм. От размера частиц тонера зависит качество получаемого изображения. При слишком малом размере резко повышается оптическая плотность фона (вуаль) изображения. При проявления изображения носитель обеспечивает равномерное перемещение проявляющего состава по поверхности слоя. Благодаря контактно-электрическому взаимодействию на каждой частице носителя удерживается значительное количество частиц тонера.

Проявление состоит в том, что частицы тонера отрываются от носителя и осаждаются на заряженных участках слоя. В качестве носителей применяют кварцевый песок, стеклянные шарики, полистирол. Самое широкое распространение получили стеклянные шарики, покрытые пленкой смолы. Стеклянные или полистирольные шарики легко перекатываются по пластине и меньше царапают слой, чем кварцевый песок.

Каскадный способ проявления используется в большинстве отечественных и зарубежных моделей копировально-множительных аппаратов. В основном каскадный способ проявления применяют при копировании штриховых изображений. Несмотря на ряд таких достоинств, как малый расход проявляющего порошка, приемлемый уровень вуали, отсутствие пыли, каскадный метод проявления имеет серьезные недостатки, заключающиеся в том, что он не обеспечивает высокую степень проявления, плохо проявляет полутоновые изображения, т.е. дает так называемый «краевой эффект».

В методе проявления «магнитной кистью» также применяются носитель и проявляющий порошок, но частицы носителя обладают магнитными свойствами. Притягиваясь к магниту, они располагаются нитями вдоль силовых линий поля. При перемещении электрофотографического слоя относительно «магнитной кисти» происходит проявление электростатического изображения, которое по механизму не отличается от каскадного проявления.

В методе аэрозольного проявления доставка частиц к поверхности электрофотослоя осуществляется потоком воздуха. Используются высокодисперсные порошки с размером частиц 0,11,0 мкм, что дает возможность получать изображения с очень высоким разрешением. Аэрозольный метод позволяет получать не только штриховые, но и полутоновые отпечатки. Конструктивное оформление установки для аэрозольного проявления во многом подобно оформлению установок для напыления порошковых покрытий в электрическом поле.

Сложность реализации не позволила методу найти широкое применение в серийном оборудовании.

В последнее время многие фирмы уделяют внимание электрофотографическому процессу с использованием однокомпонентного проявителя, который имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с электрофотографическим процессом, использующим двухкомпонентный проявитель.

N S S Основными из них являются: простота конструкции устройств проявления, закрепления и очистки, значительное уменьшение энергоемкости при закреплении N N изображения, уменьшение материалоемкости оборудования, повышение его S S 7 эксплуатационных характеристик.

N В отличие от традиционного двухкомпонентного проявителя однокомпонентный представляет собой однородный проявляющий порошок, каждая частица которого содержит ферромагнитную компоненту в виде ядра или отдельных Рис. 9.2. Схема узла проявления с вкраплений. Проявитель, имеющий магнитные свойства, используется при проявлении однокомпонентным проявителем методом «магнитной кисти» без применения электрофотографического носителя.

1 - бункер;

2 - проявитель;

Узел проявления «магнитной кистью» с однокомпонентным 3 - диафрагма;

4 - магнитная кисть;

носителем конструктивно значительно проще (рис. 9.2) 5 - магнитный барабан;

6 - электрофотослой;

аналогичных узлов, где использован двухкомпонентный 7 - проявляющий барабан.

проявитель. Процесс проявления методом «магнитной кисти» происходит следующим образом.

Частицы проявителя 2 через диафрагму 3 под воздействием магнитного поля вращающегося магнитного барабана 5 попадают на поверхность немагнитного проявляющего барабана 7 и образуют магнитную кисть 4, конфигурация которой определяется конфигурацией формирующего ее магнитного поля. При использовании симметричного многополосного барабана кисть формируется в виде симметричной многолепестковой системы с числом лепестков равным числу полюсов барабана. Каждый лепесток магнитной кисти это совокупность цепочек из частичек проявителя, вытянутых в любой момент времени вдоль силовых линий магнитного поля. Длина цепочек, плотность их распределения по поверхности проявляющего барабана определяются магнитными свойствами проявителя, величинами магнитной индукции поля и его градиента.

При движении магнитной кисти по поверхности фотослоя частицы проявителя притягиваются зарядами скрытого электростатического изображения (рис. 9.3).

Существенным недостатком проявления заряженными порошками является "краевой эффект", который заключается в том, что при проявлении больших равномерно заряженных площадей получается контурное изображение. Причиной этого является то, что электрическое поле, создаваемое зарядами электростатического изображения и связанными с ними зарядами на подложке, выходит за пределы слоя только на краях изображения, где и происходит преимущественное осаждение частиц порошка. В наименьшей мере «краевой эффект» выражен при аэрозольном методе проявления. Для ослабления «краевого эффекта» применяют дополнительные электроды, расположенные в непосредственной близости над электрофотографическим слоем, и слои с регулярными неоднородностями.

Сущность переноса порошкового изображения заключается в том, что частички тонера, из которых состоит видимое изображение, могут быть после проявления перенесены электростатическим полем на бумагу. Для этого на бумагу, наложенную на фотослой, наносят заряды, совпадающие по знаку с первоначальным зарядом слоя.

Для проявления и закрепления изображения применяют и жидкие N проявители. В этом случае используют трибоэлектрический эффект, наблюдаемый между порошком тонера и жидкостью с низкой электрической проводимостью, например, бензином, керосином и т.д. Чтобы частицы тонера все время находились во взвешенном состоянии в жидкости, ее постоянно перемешивают. Экспонирование электрофотографического слоя производится через слой жидкого проявителя. При этом тонер откладывается в тех местах, где имеются заряды, и сразу же закрепляется с помощью того же растворителя. Этот метод позволяет получить отпечатки с максимально возможной для электрофотографии разрешающей способностью - Рис. 9.3. Схема процесса 200250 линий на 1 мм.

проявления с проводящим однокомпонентным проявителем Качество изображения при использовании жидких проявителей значительно 1 - магнитный барабан;

выше, чем при сухом проявлении. Причина этого состоит в том, что в жидком 2 - проявляющий барабан;

проявителе все частицы тонера обладают одинаковым зарядом в противоположность 3 - частицы проявителя;

4 - электрофотослой.

сухому проявлению. В результате при сухом проявлении частицы осаждаются и на освещенных участках слоя, образуя фон изображения.

9.3. Электрокаплеструйная печать В электрокаплеструйных устройствах используется принцип электростатического управления струей монодисперсных заряженных капель по аналогии с электронно-лучевым осциллографом или дисплеем.

Эмиттер капель генерирует однородную прямолинейную капельную струю, которая получает индукционую или ионную зарядку капель в зарядном устройстве. Блок управления отклоняет струю по одной или двум координатам, прерывает и очищает ее от сателлитов (капель меньшего размера). Для обеспечения качественного процесса печати эмиссия капель, их зарядка и управление должны быть синхронными. Эту функцию выполняет синхронизирующее устройство. Механизм привода осуществляет взаимное перемещение печатающей головки и подложки.

Электрокаплеструйные устройства обладают рядом достоинств: простота конструкции за счет одностадийности печати, высокая надежность благодаря отсутствию в печатающей головке механических подвижных элементов, большая скорость печати. Скорость печати при последовательном формировании знаков в виде матрицы точек 5х7 превышает 1000 знаков в секунду.

Способ эмиссии капель импульсным давлением заключается в выбросе из сопла одной капли чернил на каждое импульсное изменение давления внутри камеры с чернилами. Каплеобразование происходит в том случае, если давление в импульсе достаточно для преодоления сил поверхностного натяжения в капиллярном сопле и приобретения каплей кинетической энергии для отрыва ее от сопла.

В способе эмиссии капель высоким давлением из сопла с большой скоростью (20 м/с) выбрасывается струя проводящих чернил, которая на некотором расстоянии от сопла дробится на капли. Пьезоэлектрический преобразователь модулирует скорость истечения струи и тем самым синхронизирует дробление струи на капли. Этот способ позволяет получить наибольшую скорость электрокаплеструйной печати.

Наконец, третий способ - эмиссия капель электрическим полем - реализуется по аналогии с электростатическим распылением жидкости при электроокраске, но с тем отличием, что в качестве электрода используется капилляр.

Привлекательным в этом способе является простота конструкции печатающей головки, так как в ней отсутствует сочетание высокого давления с высокочастотной вибрацией. Основной проблемой является обеспечение стабильного размера и заряда капель при распылении.

В качестве примера на рис. 9.4 представлена схема электрокаплеструйного маркировочного модуля с эмиссией капель высоким постоянным давлением и ультразвуковой синхронизацией.

Модуль состоит из генератора капель, включающего форсунку 3, сменного соплового элемента 4, пакета пьезокерамических дисков 11 и генератора синхронизации 9, зарядного устройства, включающего генератор импульсов напряжения 10, питающий индукционный электрод 5, системы отклоняющих электродов 6, содержащих постоянное во времени электростатическое поле, пневмогидробак для приема краски из ловушки 1, бак для подачи краски 2.

Под действием постоянного давления р величиной 100 кПа происходит вытеснение краски из бака 2 через форсунку 3 и сопловой элемент 4, представляющий собой наконечник медицинской иглы, в который запрессован часовой камень с калиброванным отверстием. Если на форсунку не оказывать возмущающего воздействия, то поток краски представляет собой сплошную ламинарную струю. При подаче на пьезо-керамические диски напряжения синхронизации пьезокерамика начинает испытывать осевые колебания и жидкость на выходе из сопла вытекает с пульсирующей скоростью. Появляющиеся перетяжки в струе приводят к дроблению ее на капли одинакового размера.

Образование капель происходит с частотой синхронизации, определяемой напряжением Uc. Если капли при проходе через зарядное устройство не заряжаются (напряжение на электроде 5 отсутствует), то капли улавливаются ловушкой 7.

Капли, получившие заряд при отрыве от струи по индукционному механизму, отклоняются в поле электродов 6 и образуют отпечаток на подложке 8. Величина заряда капли определяет положение отпечатка по одной координате.

Положение отпечатка по второй координате изменяется за счет механического перемещения подложки.

Генератор t +P -P Uc=const t Uзар=varia +U=const 2 Рис. 9.4. Схема электрокаплеструйного маркировочного модуля 1 - бак приема краски;

8 - подложка, на которую наносится краска;

2 - бак для подачи краски;

9 - генератор синхронизации;

3 - форсунка;

4 - сопловой элемент;

10 - генератор импульсов напряжения;

5 - зарядное устройство;

11 - пакет пьезокерамических 6 - электроды, дисков.

создающие отклоняющее поле;

7 - ловушка для незаряженных капель;

14. Аэрозольные электрогазодинамические устройства 14.1 Общая характеристика В аэрозольных электрогазодинамических устройствах имеет место одновременное движение заряженных жидких или твердых частиц малого размера в электрическом поле и под действием потока газа или воздуха.

Отличительной чертой этих устройств является то, что роль газового потока не сводится только к пассивному переносу частиц. Более того, взаимодействия заряженных движущихся в электрическом поле частиц с потоком приводит к существенному изменению газодинамических характеристик самих потоков: скорости, давления, температуры. Это связано с отбором или вводом дополнительной энергии в поток.

Основным элементом электрогазодинамического устройства является профилированный газодинамический канал с диэлектрическими стенками (рис. 14.1). Профиль канала рассчитывается таким образом, чтобы получить наиболее благоприятное для работы устройства распределение скорости и давления в потоке по длине. Например, в наиболее узкой части канала получается наибольшая скорость. Для того, чтобы обеспечить при возрастании скорости переход через звуковой барьер, используется сопло специальной формы - сопло Лаваля - состоящее из сочетания сходящихся - расходящихся конических частей.

5 сетка F U пот V U e пот U пит R н Рис. 14.1. Общая схема электрогазодинамического устройства 1 – профилированное сопло;

2,3,4 – электроды;

5 – частицы аэрозоля.

Вторым важным элементом устройства является ряд электродов, кольцевых или в виде игл и сеток, которые соединены с источником высокого напряжения или подключены к нагрузке (рис. 14.1, электроды 2, 3, 4). В зависимости от назначения количество электродов, их расположение и форма могут быть самыми различными. Под действием напряжения, приложенного к электродам или зарядов, накопленных на них, в устройстве создаются электрические поля, совпадающие или противоположные по направлению газовому потоку.

Поток газа содержит частицы определенного размера и концентрации. Эти частицы вводятся в поток специальным устройством - распылителем порошкового материала или жидкости. Второй вариант, когда в электрогазодинамических устройствах конденсационного типа частицы получаются в результате процессов конденсации пересыщенного пара, если, например, используется влажный воздух или водяной пар.

Аналогичные условия имеют место в отношении зарядки частиц. Заряд частицам сообщается либо предварительно за пределами устройства или они заряжаются тем или иным способом внутри сопла.

В рассматриваемых устройствах целесообразно использовать частицы размером 0,30,7 мкм, так как частицы подобного размера обладают минимальной подвижностью в электрическом поле (см. гл. 5). Минимальная подвижность частиц является условием для наиболее интенсивного обмена энергией между частицами и потоком.

Действительно, при использовании в качестве заряженных частиц ионов, подвижность которых в электрическом поле на несколько порядков выше, приводит к проскальзыванию и неполному увлечению их потоком и, как результат, недостаточно эффективному обмену энергией между частицами и потоком.

На основе процессов конденсации с последующим укрупнению частиц в условиях пересыщения могут быть получены частицы размером, примерно соответствующим минимуму подвижности.

Характерными представителями рассматриваемых устройств являются конденсационные ЭГД-генераторы заряженного аэрозоля, ЭГД-генераторы (источники электроэнергии), ЭГД-компрессоры (для перекачки газа или жидкости).

14.2. Конденсационные ЭГД-генераторы заряженного аэрозоля Работу устройства поясним, используя рис. 14.1. В качестве рабочей среды применяется водяной пар, который поступает в сходящееся коническое сопло слева. При движении в сходящемся коническом сопле скорость его движения возрастает, а давление и температура падают. Режим подбирается таким, чтобы перед входом в цилиндрическую часть сопла пар переходил в насыщенное состояние, и в результате конденсации образовывались капли воды.

Зарядка обеспечивается за счет коронного разряда между иглой 2 и кольцевым электродом 3 (рис. 14.1) при подаче постоянного напряжения на иглу. Положительные ионы во внешней области коронного разряда осаждаются на каплях и на выходе цилиндрической части устройства формируется поток заряженного аэрозоля.

Правая часть сопловой системы профилируется таким образом, чтобы избежать накопления объемного заряда на выходе (скорость потока должна быть больше 1520 м/с) и обеспечить отсутствия разрядов между струей заряженного аэрозоля и заземленными частями оборудования вблизи выхода генератора.

Основной характеристикой генераторов заряженного аэрозоля является ток выноса, который измеряется в цепи сетчатого коллектора, размещенного на выходе генератора (рис. 14.1, электрод 4). Современные генераторы обеспечивают ток выноса до 200 мкА.

14.3. ЭГД-генераторы Схема простейшего варианта ЭГД-генератора представлена на рис. 14.2. Это устройство служит для преобразования энергии газового потока в электрическую энергию. Работает устройство следующим образом.

Высокоскоростной газовый поток (Vпот 50 м/с) содержащий мелко дисперсные частицы (2а 0,10,7 мкм) поступает в зарядное устройство, образованное коронирующим (сетка с иглами) и заземленным (сетка) электродами. Частица заряжается во внешней зоне коронного разряда. Если на электрод 3 (рис. 14.2) подано постоянное напряжение положительной полярности, то частицы приобретают положительный заряд.

Далее заряженные частицы с потоком поступают в рабочий промежуток между электродами 4 и 5. Коллектор состоит из параллельных рядов металлической сетки для того, чтобы заряженные частицы, сталкиваясь с поверхностью коллектора, отдавали ему свой заряд.

1 Таким образом на коллекторе накапливается заряд Qк и он приобретает потенциал Uк относительно заземленных электродов. Если Rн представляет U пот собой сопротивление нагрузки, то под действием напряжения Uк через него F Eq пот U к будет протекать ток.

Q к В рабочем промежутке на частицы действует электрическая сила Fq=Eq, обусловленная напряжением на коллекторе, и противоположно действующая гидродинамическая сила, увлекающая частицы с потоком.

3 Накопление заряда на коллекторе и, следовательно, увеличение напряжения +U кор Uкол будет происходить до тех пор, пока газодинамическая сила будет Рис. 14.2. Схема ЭГД-генератора превосходить тормозящую электрическую силу. Другой возможный 1 - канал с диэлектрическими стенками;

предельный случай определяется пробоем из-за увеличения напряженности в 2 - газовый поток;

3 - коронирующий электрод зарядного рабочем промежутке.

устройства;

4 - заземленный электрод-сетка;

В качестве характерных параметров ЭГД-генераторов можно 5 - коллектор;

Rн – нагрузка.

указать напряжение на коллекторе 100 кВ и ток в цепи нагрузки 100 мкА при напряжении на зарядном устройстве 10 кВ и примерно том же значении тока. Таким образом, выигрыш в получаемой мощности соответствует соотношению между напряжением на коллекторе и напряжением на зарядном устройстве.

14.4. ЭГД-компрессор Принцип работы ЭГД-компрессора иллюстрирует рис. 14.3. Это Uпот устройство используется для создания перепада давления в газе и организации соответствующего движения газовой среды. В этом случае электрическая энергия преобразуется в энергию газового 43 потока.

Рис. 14.3. Схема ЭГД-компрессора Электрическое поле в рабочем промежутке устройства создается за 1 - канал с диэлектричекими стенками;

счет приложенного напряжения между коронирующим и 2 - стенка с иглами;

заземленным электродами. В качестве коронирующего электрода 3 - заземленный электрод-сетка;

4 - ионы или заряженные частицы.

можно использовать сетку с иглами, а заземленный электрод может быть выполнен в виде кольца или сетки. При положительной полярности напряжения на коронирующем электроде в рабочем промежутке под действие поля движутся положительные ионы в направлении слева направо. Сила, действующая на единицу объема рабочего промежутка, равна F=E, где — плотность объемного заряда.

Если ввести в газ частицы аэрозоля, то величина представляет собой плотность объемного заряда частиц.

Как при использовании аэрозоля, так и в случае движения ионов, сила, действующая на объемный заряд, практически означает силу, действующую на газовую среду, так как кинетическая энергия движущихся ионов или аэрозольных частиц мала.

Как уже указывалось, появление силы, действующей на газовую среду, вызывает ее движение. Такое явление под названием «электрический ветер» известно уже давно и используется в электростатических вентиляторах. Хотя коэффициент полезного действия этих устройств невелик, простота конструкции и отсутствие движущихся частей делают их привлекательными для использования в быту.

В общем случае применение ЭГД-компрессоров может быть привлекательным для холодильников различного назначения. Однако предстоит еще большая работа по оптимизации этих устройств, повышению предельных параметров (в особенности по величине достигаемого перепада давления), надежности и экономичности.

11. ОБЕЗВОЖИВАНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ 11.1. Требования к содержанию воды и солей в нефтепродуктах Качество добываемой нефти и качество нефтепродуктов наряду с другими показателями определяется содержанием в них влаги. Содержание влаги в исходном продукте колеблется в широких пределах - от 60% до 0,1%.

Влага может находиться в нефтепродуктах в виде капелек воды, находящихся во взвешенном состоянии и образующих эмульсии, или в растворенном виде.

Кроме того, качество сырой нефти определяется содержанием солей, которое может достигать нескольких граммов на литр.

Наличие в нефти воды и солей вызывает целый ряд трудностей в процессе транспортировки и переработки:

1. удовлетворение требований качества поставляемой сырой нефти и нефтепродуктов;

2. повышенная коррозия трубопроводов и элементов технологического оборудования;

3. дополнительные энергозатраты на перекачку и ректификацию;

4. загрязнение элементов технологического оборудования.

На практике необходимость обезвоживания и обессоливания возникает трижды в цепи добыча - транспортировка - переработка.

Требования ГОСТ к качеству нефти и нефтепродукта перед транспортировкой таковы:

- содержание влаги Wводы< 0,5%;

- содержание солей Рсоли< 200 мг/л.

Перед ректификационной колонной должны удовлетворяться требования:

- Wводы< 0,05%;

- Рсоли< 20 мг/л.

К конечному продукту предъявляются более суровые требования, поэтому часто приходится использовать даже дополнительную перегонку.

Помимо первичной воды, присутствующей в сырой нефти, часто приходится дополнительно добавлять некоторое количество чистой воды для растворения присутствующих в нефти солей, и тогда система обезвоживания становится двух-, трехступенчатой.

11.2. Теоретические основы обезвоживания нефтепродуктов Электоронно-ионные технологии применяются при обезвоживании сырой нефти и нефтепродуктов. Вода в нефть попадает при добыче нефти из нефтяных скважин, а также в ходе технологических процессов переработки нефти в нефтепродукты. Для обеспечения высокого качества нефтепродуктов необходимо в ходе технологического процесса обезвоживания вывести в максимально доступном количестве соли и воду из нефтепродукта.

Удаление воды из нефтепродукта может происходить в результате организации направленного движения капель воды из объема нефтепродукта.

Первым направлением является использование седиментации капель воды. Иными словами, в процессе отстоя капли воды под действием силы тяжести осаждаются на дно резервуара.

Второе направление - зарядка и организация движения частиц воды в электрическом поле таким образом, чтобы капли воды ушли за пределы объема нефтепродукта.

Капельки воды могут под действием сил электрического поля собираться на электродах или специальных пористых перегородках и стекать на дно сосудов. Удаление воды со дна резервуара производится путем слива.

Удаление воды из нефти основано на том, что вода имеет большую плотность, чем нефть, и в процессе отстоя капли воды падают на дно резервуара. Нефть всплывает и остается в верхней части резервуара. Эффективность процесса удаления воды из объема нефтепродукта зависит от вязкости нефтепродукта. Вязкость определяется температурой, и, чем выше температура, тем меньше вязкость и больше скорость седиментации. Также скорость процесса зависит в значительной мере от размера капель воды: чем больше радиус капли, тем выше скорость оседания капель.

11.2.1. Седиментация капель воды в нефтепродукте Установившаяся скорость оседания капель воды в нефтепродукте определяется из условия равенства внешней силы F, действующей на каплю, силе сопротивления среды движению капли. Внешняя сила, действующая на каплю, находящуюся в нефтепродукте, равна разности между силой тяжести и архимедовой силой (силой плавучести) Fвн = a3g, (11.1) где а - радиус капли, g = 9,8 м/с2 - ускорение свободного падения, - разность значений плотности воды и нефтепродукта ( = в -н).

В силу большой вязкости нефтепродукта и малых размеров капель воды их осаждение происходит в пределах стоксовского диапазона числа Рейнольдса (Rе 0,5) и сила сопротивления среды определяется по формуле Стокса Fc = 6µэфaVc, (11.2) где Vc - скорость седиментации (осаждения);

µэф - эффективная вязкость среды.

Эффективная вязкость в формуле (11.2) отличается от вязкости среды (нефтепродукта) из-за того, что движение капли относительно нефтепродукта вызывает циркуляцию воды в капле и это приводит к некоторому уменьшению сопротивления среды по сравнению с движением твердой сферической частицы. Тогда 2µ + 3µв µэкв = µ, (11.3) 3(µ + µв) где µ = (110)10-2 Па - вязкость нефтепродукта в зависимости от его сорта;

µв= 10-3 Па - вязкость воды.

Приравнивая (11.1) и (11.2), получим выражение для скорости седиментации 2ga Vc =. (11.3) gµэф При в=1000кг/м3 и нефти=850 кг/м3 получим скорость седиментации равной Vc=5104a2. Таким образом, скорость осаждения капель в нефтепродуктах растет пропорционально квадрату радиуса капель.

11.2.2. Движение заряженных капель в электрическом поле в нефтепродукте Скорость движения капель в электрическом поле в нефтепродукте определяется из равенства силы, действующей в электрическом поле на каплю, и силы сопротивления среды движению капли.

Допустим, что в нефтепродукте присутствуют ионы одного знака. Тогда в электрическом поле капля приобретает, как было показано в гл. 5, наибольший возможный заряд равный qк = 120a2E. (11.4) Соответственно, сила, действующая на каплю в электрическом поле, будет равна Fэ = qк E = 120a2E. (11.5) Приравнивая (11.5) силе сопротивления среды по (11.2) получим формулу для скорости движения капель в электрическом поле:

20aE VE =. (11.6) µэф Сопоставим скорость движения капель под действием электрического поля и в результате седиментации.

Отношение значений скорости по (11.6) и (11.3) записывается в виде:

VE g0E =. (11.7) Vc ga В табл. 11.1 представлены значения скорости седиментации VC, времени осаждения капель на расстояние 1м tотс (L=1м) в часах и отношения VE/Vс по (11.7) для следующих условий Е=3 кВ/см, =150 кг/м3 в зависимости от размера капель.

Таблица 11. а, (мкм) 5 10 100 500 Vс, (м/с) 1,2510-6 510-6 510-4 1,2510-2 510- tотс (L=1м), (час) 220 55 0,55 0, 5,510- VE/Vс 1100 550 55 11 5, Из табл. 11.1 следует, что время отстоя для частиц радиусом менее 100 мкм существенно превышает 1 час, которое представляется предельно целесообразным. Для частиц менее 100 мкм движение в электрическом поле может рассматриваться как более предпочтительный механизм удаления капель влаги из объема нефтепродукта. Даже для крупных капель движение в электрическом поле остается достаточно эффективным.

11.2.3. Процессы укрупнения капель воды Процессы укрупнения капель воды в нефтепродукте играют очень важную роль, так как приводят к существенному возрастанию скорости седиментации. Процесс слияния капель воды, или коалесценция, может происходить в результате соударения частиц разного размера при седиментации, при взаимодействии поляризованных частиц в электрическом поле или при соударении частиц, участвующих в турбулизированном движении среды.

Число соударений при седиментации растет при увеличении относительной скорости сближения частиц. Как следует из (11.3) 2 Vотн = a1 - a2, где а1 и а2 - соответственно радиусы взаимодействующих частиц.

Таким образом ясно, что эффективность коалесценции растет с увеличением радиуса частиц при одновременном увеличении различия в их размере.

На процесс слияния капель воды при столкновении оказывает влияние слой нефтепродукта, E который препятствует этому слиянию.

Разрушение тонкого слоя нефтепродукта на поверхности капли обеспечивается воздействием химическими веществами - деэмульгаторами. Действие деэмульгатора приводит к снижению сил поверхностоного натяжения и, таким образом, облегчает их слияние.

qn Основным недостатком процесса удаления влаги за счет седиментации являются:

1. Большая длительность процесса седиментации.

Fвз 2. Необходимость содержания больших объемов нефти в специальных отстойниках.

qn Пленка на поверхности капель активно разрушается при взаимодействии капель в электрическом поле. Процесс слияния капель происходит следующим образом.

Капли, попадая в электрическое поле, поляризуются, и их форма приближается к эллипсоидальной (рис. 11.1). Соударение и слияние капель происходит за счет кулоновского Рис. 11.1.

взаимодействия противоположных по знаку поляризационных зарядов частиц, оказавшихся вблизи Поляризация друг от друга. Из электростатики известно, что заряд поляризации qnЕа2. Следовательно, сила взаимодейству взаимодействия, определяющая сближение и слияние капель Fвз= qnЕ а2Е2.

ющих капель в Таким образом, эффективность коалесценции капель в электрическом поле существенно электрическом растет с увеличением размера частиц и напряженности поля.

поле Однако деформация капель в электрическом поле может привести к процессу обратному по отношению к коалесценции - разрыву капель. Это происходит, когда действие поля на поляризационные заряды превышает действие сил поверхностного натяжения, препятствующих разрыву капель.

Таким образом, если Fразр а2Е2 и Fпов а, где - коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела сред вода-нефть ( 2010-3 Н/м), то из условия Fразр= Fпов следует, что Eкр или aкр Eкр-2. (11.8) a На рис. 11.2 показана зависимость критической напряженности электрического поля от размера капель. В области, находящейся ниже этой кривой, преобладает коалесценция капель воды. Область, лежащая выше кривой, соответствует разрыву капель воды под действием сил поляризации.

11.2.4. Зарядка капель воды в нефтепродукте Е, кр кВ/см Процесс удаления капель из нефтепродукта под действием электрического поля определяется величиной заряда капель. Для суждения о возможном механизме зарядки капель воды в нефтепродукте рассмотрим Разрыв ионный состав нефтепродуктов.

Вода и нефтепродукты характеризуются следующими значениями Слияние диэлектрической проницаемости, удельной проводимости и коэффициента динамической вязкости µ:

0 10 100 1000 а, мкм 1. вода 80 10-210-4 1/Омм µ = 10-3 кг/мс;

11.2. Зависимость критической 2. сырая нефть 45 10-610-9 1/Омм µ = (110)10-2 кг/мс;

напряженности поля от радиуса капли 3. светлые нефтепродукты 2,2 10-1010-12 1/Омм µ = (110)10-2 кг/мс.

Под воздействием сильных электрических полей в диэлектрических жидкостях - нефти и нефтепродуктах - начинается процесс диссоциации - образования положительных и отрицательных ионов.

Электрическое поле заставляет двигаться разноименно заряженные ионы в объеме жидкости. В результате около электродов создаются области с избыточным содержанием ионов одного знака. С ростом концентрации ионов в объеме увеличивается вероятность столкновений разноименно заряженных частиц, сопровождающихся рекомбинацией.

Устанавливается динамическое равновесие между образующимися и рекомбинирующими ионами.

Движение ионов в нефти, которая имеет гораздо большую вязкость, чем вода, вызывает движение жидкости и образуются в ее объеме электрогидродинамические потоки. Это происходит потому, что движение ионов в вязкой жидкости передается нейтральным частицам, а это, в свою очередь, приводит к интенсивному перемешиванию жидкости, увеличивая интенсивность взаимодействия капель.

Капли в нефтепродукте могут приобретать заряд по контактному механизму или в результате осаждения ионов в электрическом поле в объеме нефтепродукта.

Капля воды при контакте с электродами в электрическом поле приобретает заряд, совпадающий по знаку с полярностью электрода. Как только капля оторвется от электрода, заряд с нее начинает стекать благодаря проводимости нефти.

Постоянная времени стекания заряда =. Для нефти наибольшая величина равна 2 8,8510- = = 1,7 10-2 с.

10- Из приведенной оценки видно, что капля воды в нефти быстро теряет свой заряд и в этом случае индукционная зарядка неэффективна.

Для светлых нефтепродуктов оценка времени релаксации дает значение = 2с. Здесь индукционная зарядка становится эффективной, так как капля не успевает потерять заряд.

В соответствии с теорией индукционной зарядки частиц, изложенной в § 5.2.2, сферическая частица на электроде моделируется полуэллипсоидом вращения с соотношением осей в/а = с/а = 0,5 (а - длина полуоси в направлении перпендикулярном электроду и в - радиус сферической частицы) и величина заряда такой модели равна q = -5,820Eв2. (11.9) Кроме того, известна более точная формула, относящаяся непосредственно к сфере радиуса в q = - 0Eв2. (11.10) Различие между значениями заряда по (11.9) и (11.10) составляет 12%.

Рассмотрим зарядку капель воды в объеме нефтепродукта в электрическом поле. В общем случае в объеме нефтепродукта находятся и положительные и отрицательные ионы. За счет их осаждения на капле воды происходит зарядка.

В соответствии с теорией ионной зарядки (§ 5.2.1) предельный заряд капли воды равен en-k 1 en+k+ qпред = qm, (11.11) en-k 1+ en+k+ где qm=120a2E, a - радиус капли, v+= en+k+=+k+, v-= en-k-=-k- - удельные проводимости, определяемые соответственно положительными и отрицательными ионами. Результирующая проводимость v = v+ + v-.

Подвижности положительных и отрицательных ионов примерно равны, т.е. k+= k-. Кроме того, представим плотность объемного заряда ионов в следующем виде +=ср и -=ср+, где ср- часть плотности объемного заряда одинаковая для положительных и отрицательных ионов;

- превышение плотности заряда одного из видов ионов, в данном случае, отрицательных ионов.

Тогда (11.11) перепишется в виде:

1- 1+ ср q = qm. (11.12) 1+ 1+ ср Если << 1, то (11.12) упрощается:

ср q = qm. (11.13) 2ср Учтем увеличение проводимости среды за счет диссоциации в электрическом поле, т.е.

kус(E) v v ср = =, (11.14) 2k 2k где - проводимость среды при отсутствии поля, kус(Е) - коэффициент увеличения проводимости за счет диссоциации.

v Воспользуемся далее моделью одномерного слоя объемного заряда плотностью и толщиной h, чтобы записать выражение для напряженности этого слоя h Eсл =. (11.15) Если напряженность поля, создаваемая избыточным зарядом, соизмерима со средним полем в установке, т.е.

Еср= Есл то из (11.14) и (11.15) получим 20Eсрk =. (11.16) ср h kус(E) v В табл. 11.2 представлены значения заряда по отношению к максимально возможному (предельному) q/qm в зависимости от проводимости среды при следующих условиях h = 0,05 м, Еср= 5105 В/м, kус(Е) = 2,5.

Таблица 11.,Ом/м 10-13 10-12 10-11 10- v 30 3 0,3 0, /ср q/qm 0,7 0,33 0,07 0, Из представленных в таблице данных следует, что на каплях воды в нефти не может накапливаться сколь-нибудь значительный заряд. Объемная зарядка капель воды эффективна для светлых нефтепродуктов с высоким удельным сопротивлением. Для нефти можно рекомендовать коалесценцию в электрическом поле с участием механизма поляризации.

11.3. Конструкции промышленных технологических установок для обессоливания и обезвоживания нефти и нефтепродуктов Рассмотренные выше способы выведения воды из нефти и нефтепродуктов реализованы в конструкциях технологических аппаратов обессоливания и обезвоживания. Рассмотрим схему процесса обессоливания и обезвоживания сырой нефти на нефтеперегонном заводе (НПЗ), показанную на рис. 11.3.

вода 25% вода 25% Электро- Электро Сырьевой Смеситель дегидратор Смеситель дегидратор насос (ЭДГ) (ЭДГ) дренаж дренаж воды воды нефть обессоленная нефть W < 0,05% Р < 20 мг/л Рис. 11.3. Схема обезвоживания и обессоливания на НПЗ Сырьевой насос подает нефть в смеситель, где происходит активное вихревое смешивание нефти с пресной водой, добавляемой в количестве 25 % по отношению к нефти. Пресная вода активно растворяет соли, выводя ее из нефти. Водо-нефтяная эмульсия поступает затем в электродегидратор - аппарат по обезвоживанию нефти. В этом аппарате происходит выделение воды из смеси и получение обессоленной нефти. Затем эти операции повторяются во второй ступени технологического процесса. В итоге на выходе установки получается обессоленная нефть с содержанием воды W < 0,05 % и солей Р < 20 мг/л.

Конструкции электродегидраторов показаны на рис. 11.4. Электродегидраторы представляют из себя резервуары с размещенными внутри системами электродов. Различаются два типа конструктивных решений резервуаров, имеющих различные технологические параметры:

1. ЭДГ шаровой конструкции V = 600 м3, Р = 67 атм;

2. ЭДГ цилиндрический вертикального типа V = 30 м3, Р = 16 атм;

3. ЭДГ цилиндрический горизонтального типа V = 160 м3, Р = 16 атм.

выход выход ИВН выход ИВН ИВН ИВН ИВН вход дренаж дренаж вход вход а) б) в) Рис. 11.4. Конструкции электродегидраторов:

а) шаровой конструкции;

б)вертикального типа;

в) горизонтального типа Работа электродегидраторов происходит следующим образом. Рабочая зона создается между заземленным электродом и электродом, на который подается высокое напряжение. В этой зоне капли воды приобретают заряды и, сталкиваясь между собой, сливаются и увеличиваются в размерах. Крупные капли выпадают на дно, образуя слой воды, который удаляется по отводящим трубам. Продукт для очистки - нефтяная эмульсия - подается по трубам, находящимся около дна аппарата. Таким образом, слой нефти для очистки от воды двигается вверх, попадает в активную зону, очищается там от воды, и очищенная нефть скапливается в верхней части резервуара. Отсюда она удаляется для дальнейшей обработки.

На практике применяется три типа резервуаров. Шаровой резервуар имеет значительный недостаток, состоящий в том, что у него есть зоны, в которых отсутствует электрическое поле. Эти зоны снижают производительность аппарата обезвоживания нефти.

Также используются цилиндрические резервуары вертикального и горизонтального типа, в которых нет практически зон без электрического поля. Горизонтальные аппараты имеют больший объем и большую производительность, так как благодаря большему горизонтальному сечению аппарат имеет большую рабочую площадь электродов, в этом аппарате устанавливается меньшая вертикальная скорость нефти в зоне действия электрического поля.

Электродная система представляет собой набор металлических прутков диаметром 2,5 мм при расстоянии между ними 20 см. Прутки собираются в виде двух плоских рам, расположенных в двух параллельных плоскостях с расстоянием между плоскостями 1520 см. Прутки в каждой раме расположены параллельно друг другу, на соседних рамах - компланарно (рис. 11.5).

Предъявляемые к деэмульгаторам требования состоят в следующем:

1. Деэмульгатор не должен иметь нерабочих зон.

15- 2. Электродные системы должны создавать электрические поля заданной величины с равномерным распределением.

3. Электродные системы и технологический режим должны быть организованы таким образом, чтобы не давать возможности капелькам воды создавать замыкающие электроды цепочки.

2, Рис. 11.5. Электродная система 11.4. Технологии обезвоживания нефтепродуктов электродегидраторов Как было показано в предыдущих параграфах методы разделения водо-нефтяных эмульсий зависят от концентрации диспергированной в нефти воды. В зависимости от содержания воды различают: глубокое обезвоживание, сверхглубокое обезвоживание и обезвоживание высокообводненных нефтей.

11.4.1. Глубокое обезвоживание нефтепродуктов При содержании воды W > 0,1 % расстояние между каплями сравнимы с их размерами (а 1100 мкм), а при содержании воды W < 0,05 % расстояние между каплями больше и больше удельное сопротивление эмульсии.

Под глубоким обезвоживанием понимается изменение концентрации воды от начального значения с Wводы 0,1 % до конечного с Wводы 0,05 %. Это соответствует диапазону концентраций эмульгированной воды в сырой нефти. Поэтому приемлем только способ коалесценции в электрическом поле.

Как было показано ранее, чем выше напряженность электрического E поля, тем эффективнее процесс коалесценции. Однако для очень крупных капель в сильных полях появляется обратный эффект, при котором капля A поляризуется, растягивается вдоль линий поля и разрывается. Зависимость критической напряженности поля, при которой возможен процесс ее разрыва, от A размера капли представлена на рис. 11.2. Для укрупнения капель выше A критического размера при рабочей напряженности поля применяется специальное ступенчатое питание установки (рис. 11.6).

t t t t 1 2 На интервале времени от 0 до t1 происходит укрупнение капель до аkp1, Рис. 11.6. Ступенчатое питание затем напряженность поля снижается и на интервале времени от t1 до t2 капля установки обезвоживания нефти еще укрупняется до аkp2 и так далее, пока не будет достигнут размер капель, необходимый для быстрой седиментации.

В действительности, дополнительно к описанному механизму работает еще механизм слияния разноименно заряженных капель при их движении в промежутке (рис. 11.7).

Капли, достигая поверхности электрода, заряжаются по индукционному механизму и, отрываясь от поверхности электрода, двигаются вглубь Е промежутка. Если расстояния между электродами небольшие, то капли не успевают полностью потерять свой заряд за счет утечки. Слияние разноименно заряженных частиц происходит в случае их столкновения.

Рис. 11.7. Механизм слияния разноименно заряженных капель 11.4.2. Сверхглубокое обезвоживание Под сверхглубоким обезвоживанием понимается изменение концентрации воды от начального значения с W 0,05 % до конечного с W = 0. Это соответствует диапазону концентраций эмульгированной воды в светлых нефтепродуктах (бензин, керосин, трансформаторное масло).

Используемая традиционно механическая очистка с помощью фильтров имеет целый ряд недостатков:

1. необходима регулярная регенерация или периодическая замена фильтров;

2. проходя через фильтр топливо дополнительно электризуется.

эжектор Принципиальная схема установки для сверхглубокого обезвоживания светлых нефтепродуктов представлена на рис. 11.8.

Рабочее пространство аппарата частично заполнено пористым диэлектриком, который имеет сильно развитую поверхность и препятствует интенсивному перемешиванию эмульсии в процессе работы. Нефтепродукт поступает в свободное пространство аппарата через тонкую входную щель, где происходит контактная зарядка капель воды. Таким образом, эмульсия поступает в камеру аппарата уже заряженной. В свободном объеме камеры происходит интенсивное перемешивание эмульсии за счет возникающих под Рис. 11.8. Принципиальная схема установки для действием электрического поля электрогидродинамических потоков. Заряженные капельки сверхглубокого обезвоживания воды, двигаясь по силовым линиям поля, попадают на поверхность диэлектрика и нефтепродуктов 1 - пористый диэлектрик прилипают к ней. Новые капли, пришедшие с потоком, сливаются с первыми. На 2 - свободное пространство поверхности диэлектрика идет процесс укрупнения прилипших капель. Как только капля вырастает до крупных разметов, она отрывается и стекает в нижнюю часть камеры.

Основными достоинствами этой технологии являются:

1. отсутствие динамического сопротивления потоку нефтепродуктов в свободном пространстве камеры;

2. простота управления технологическим процессом, так как интенсивность процесса зависит от значения приложенного напряжения и от вязкости нефтепродукта.

В настоящее время созданы установки для обезвоживания керосина при заправке самолетов с производительностью до 2 т/мин.

11.4.3. Обезвоживание высокообводненных нефтей и аномально стойких эмульсий Есть нефти, в которых вода составляет до 60 %. Такие нефти представляют собой капли воды, покрытые нефтяной оболочкой, не дающей этим каплям сливаться.

Процесс укрупнения капли воды может быть осуществлен путем химических добавок, разрушающих нефтяную оболочку капель и позволяющих каплям сливаться.

Вторым способом, который является предпочтительнее, является организация коалесценции капель воды в электрическом поле. Необходимо обеспечить, чтобы при этом не возникало короткого замыкания между электродами, которое возможно из-за высокой проводимости нефти и наличия большого количества капель. Существует несколько способов устранения короткого замыкания:

U 1. на электродах создать диэлектрическое покрытие;

2. обеспечить газовый зазор у электрода;

3. создать вихревое движение жидкости, которое препятствует образованию цепочек zc из капель;

4. использовать определенные источники высокого напряжения, которые Rнефти предотвращают возникновение коротких замыканий.

нефть Использование диэлектрического покрытия Этот способ реализуется путем нанесения диэлектрического покрытия на Рис. 11.9. Аппарат высоковольтный электрод (рис. 11.9).

обезвоживания При возникновении проводящих каналов в нефти напряжение прикладывается высокообводненных нефтей к диэлектрическому слою и короткого замыкания не происходит. В нормальном и эквивалентная схема режиме напряжение распределяется между слоем и нефтью.

Эквивалентная схема представляется в виде последовательного соединения двух сопротивлений zс и Rнефти:

где zc = ;

c f - толщина диэлектрического покрытия, f - частота питающего напряжения, - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, Rнефти- эквивалентное сопротивление нефти.

Для того, чтобы слой нефти находился под воздействием электрического поля необходимо, чтобы на диэлектрическом покрытии не возникало большое падение напряжения. Это коронирующие U 40 кВ достигается путем увеличения частоты f питающего напряжения или путем электроды увеличения.

Высоковольтные источники высокой частоты дороги. Кроме того, с 4 см газовый ростом частоты напряжения уменьшается интенсивность зазор электрогидравлических потоков из-за того, что не будет создаваться избыточных электрических зарядов, которые являются источниками этих нефть 2 см потоков. В результате интенсивность слияния капель падает.

Лучшим решением оказалось применение диэлектрического покрытия из керамики с высоким значением.

Рис. 11.10. Схема процесса с воздушным зазором между поверхностью жидкости Применение газового зазора и электродами Применение газового зазора иллюстрируется на рис. 11.10. При подаче высокого напряжения на коронирующие электроды в газовой среде над поверхностью нефти образуется коронный разряд. Движение носителей зарядов в нефти вызывает появление потоков в слое жидкости. В результате возникает интенсивное перемешивание и взаимодействие капель, приводящее к их слиянию.

Специальные источники высокого напряжения По железным дорогам нефть перевозят в цистернах. После слива нефти цистерны U моют водой. В результате образуется вода, загрязненная нефтью. Возникает задача отделить от нефти и использовать воду вторично, а нефть по назначению. Для решения этой задачи применяют источники импульсов высокого напряжения специальной формы (рис. 11.11).

Высоковольтный источник для аппарата отделения воды от нефти вырабатывает 0 t импульсное напряжение, которое используется для разрушения нефтяных оболочек на Рис. 11.11. Форма питающего каплях воды. Длительное постоянное напряжение обеспечивает слияние капель воды.

напряжения 12. ТЕХНОЛОГИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАЗМО - ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ 12.1. Основы плазмо - химических преобразований До настоящего момента мы рассматривали атомы и молекулы в воздухе, их возбуждение, диссоциацию, ионизацию и возбуждение не акцентируя внимание на химических преобразованиях, которые происходят с этими частицами. Теперь мы рассмотрим процессы химических преобразований, которые происходят с различными атомами, молекулами, активными радикалами и ионами, которые возникают в процессе формирования и развития электрического разряда в воздухе.

Все физико-химические процессы происходящие в плазме газового разряда можно разделить на три временных интервала:

1. t 10-15 с - на этом интервале времени завершаются процессы возбуждения атомов и молекул электронным или фотонным ударом;

2. t 10-13 с - на этом интервале времени завершаются процессы ионизации и диссоциации атомов и молекул;

3. этот интервал времени имеет переменную продолжительность вплоть до t 10-3 с в зависимости от состава газа, температуры и давления - это стадия химических процессов и реакций.

12.1.1 Понятие кинетики химических реакций Химическая кинетика - это учение механизмов и закономерностей протекания во времени химических процессов. Под химической реакцией понимается процесс превращения одного или нескольких веществ (реагентов) в вещества (продукты реакции), отличающиеся от исходных по химическому или изотопному составу, по строению молекул или заряду.

В большинстве случаев химический процесс происходит не путем прямого превращения исходных веществ в продукты реакции, а состоит из нескольких стадий. Каждую из этих стадий можно рассматривать как самостоятельную химическую реакцию со своими исходными веществами и продуктами. Такие реакции называются элементарными.

Важнейшими характеристиками химической реакции являются степень превращения (т.е. отношение количества вещества, вступившего в реакцию, к его исходному количеству) и скорость реакции (т.е. количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции в единицу времени в единице объема):

dN = ±, dt где N - число молей (или молекул) в единице объема.

Поясним сказанное на примере реакции:

aA + bB cC + dD, (12.1) где A, B, C, D - реагенты и продукты реакции, а числа a, b, c, d - стехиометрические коэффициенты, которые определяют количественные соотношения, в которых вещества вступают в реакцию.

Например:

2NaOH + H2SO4 Na2SO4 + 2H2O.

В этой реакции: NaOH и H2SO4 - реагенты;

Na2SO4 и H2O - продукты реакции. Стехиометрические коэффициенты a = 2, b = 1, c = 1, d = 2 показывают, что если в реакцию вступят два моля NaOH и один моль H2SO4, то эти вещества прореагируют полностью и образуется один моль Na2SO4 и два моля H2O.

Скорость изменения плотности каждого реагента или продукта реакции в ходе такой реакции будет связана со скоростью реакции следующим соотношением:

1 dNA 1 dNB 1 dNC 1 dND = - = - = =.

a dt b dt c dt d dt Для элементарных химических реакций действует следующее обобщенное правило химической кинетики (закон действующих масс): скорость элементарной химической реакции в каждый момент времени пропорциональна произведению текущих концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Для реакции (12.1) выражение для скорости реакции будет иметь вид:

= k (NA )a (NB )b, где k - константа скорости реакции, независимая от плотности реагентов. Ее еще называют удельной скоростью реакции, поскольку при концентрации каждого из реагирующих веществ, равной единице, она равна фактически скорости реакции.

Понятие константы скорости реакции широко используется в плазмо-химических технологиях при оценке интенсивности и роли происходящих в них химических реакций.

При протекании реакции по стадиям производятся и расходуются так называемые промежуточные вещества, которые обычно представляют из себя химически активные частицы - ионы, возбужденные молекулы, свободные радикалы. Свободные радикалы - это молекулы в особом состоянии, когда происходит разрыв связи между атомами, и эти молекулы приобретают, таким образом, свободные валентные связи. В результате свободные радикалы получают некоторую избыточную потенциальную энергию по сравнению с исходными молекулами. Как следствие это приводит к увеличению химической активности. Свободные радикалы существуют очень короткое время (~10-3).

Свободные радикалы образуются, например, при взаимодействии молекул с электронами в электрическом поле:

H H H C C H e H H e H H атом водорода молекула метильный метана радикал Ионы, свободные атомы и радикалы имеют неспаренные электроны на внешней электронной оболочке и в связи с их высокой химической активностью их называют химически активными частицами. Возбужденные молекулы и атомы служат передатчиками энергии от электронов плазмы к активным (ионизируемым или диссоциируемым) атомам или молекулам.

Сложные реакции состоят из простых реакций (стадий), которые можно в свою очередь классифицировать по нескольким группам:

1. Необратимые реакции вида: A B. Химические реакции называются необратимыми, если вещества практически полностью превращаются в конечный продукт. Важнейшим условием необратимости химических реакций является выделение одного из продуктов реакции в виде осадка, образование газообразного продукта реакции либо образование малодиссоциированного продукта реакции (например, воды).

2. Двусторонние или обратимые реакции вида: А В. Бльшая часть химических реакций обратима.

Обратимыми называются такие химические реакции, которые протекают при данной температуре в двух противоположных направлениях - прямом и обратном.

3. Параллельные реакции вида: A B, A C, A L;

4. Последовательные реакции вида: A B, B C, C L.

Сам процесс или акт химического превращения заключается в том, что при сближении двух или нескольких частиц происходит постепенная перестройка связей между атомами. При этом одни связи разрываются, а другие образуются. В результате из исходных веществ образуются продукты реакции.

Состояние, в котором одни связи уже растянулись, но еще не разорвались, а новые только образуются, называется переходным состоянием. Совокупность частиц, находящихся в W переходном состоянии образует, так называемый, активированный комплекс, [I H H] … … который в переходном состоянии находится на вершине потенциального барьера.

& H2 + I В качестве примера рассмотрим ход реакции H2+I2=2HI, которая, как HI+H показали современные исследования, является сложной реакцией, состоящей из трех элементарных реакций I2 2I*;

I* + H2 HI + H*;

2H* H2.

t время реакции Рассмотрим более подробно вторую элементарную реакцию. В процессе Рис. 12.1. Схематичное протекания этой реакции сначала радикал йода I* сближается с молекулой изображение химической водорода, далее связь между атомами водорода растягивается и образуется реакции на шкале потенциальной энергии активный комплекс, состоящий из атома йода и двух атомов водорода. И, наконец, формируется связь между атомом йода и атомом водорода и образуется несвязанный радикал водорода. Схематично путь этой реакции изображен на рис. 12.1.

Примерами быстро протекающих химических реакций могут служить реакции типа взрыва, а медленно протекающих реакций - реакции ферментации виноградного сока с получением виноградного вина, которые протекают от нескольких месяцев до нескольких лет.

m На практике скорость химической реакции можно определить графически m из зависимости массы продукта химической реакции в единице объема от времени m протекания реакции (рис. 12.2).

= t 12.1.2. Особенности плазмо-химических, фото-химических t и радиационно-химических реакций t Скорость большинства химических реакций растет с повышением Рис. 12.2. Зависимость массы температуры. Это связано с тем, что далеко не каждое столкновение молекул продукта реакции от времени реагирующих веществ приводит к химической реакции между ними. Для того чтобы реакции и определение скорости образовались новые молекулы, необходимо предварительно ослабить или разорвать химической реакции связи между атомами в молекулах исходных веществ. Для этого требуется затрата определенного количества энергии. Повышение температуры означает увеличение хаотического движения молекул.

Зависимость константы скорости реакции от температуры передает полуэмпирическое уравнение Аррениуса:

- Ea RT k = Ae, где А - некоторая константа, зависящая от вступающих в реакцию веществ;

R - газовая постоянная;

Т - температура;

Еа - так называемая энергия активации реакции.

Энергией активации называют избыточную энергию, которая должна быть сообщена молекулам для того чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества (т.е. произошла химическая реакция между этими частицами). Величина энергии активации зависит от вида реагирующих частиц и от их энергетического состояния. Так, для реакций между валентно-насыщенными молекулами (входящие в молекулы атомы имеют полностью заполненную внешнюю электронную оболочку) энергия активации близка к энергии диссоциации и составляет 100200 кДж/моль.

Реакции атомов (или радикалов) с молекулами протекают с промежуточными значениями энергии активации (40100 кДж/моль). Реакции между атомами и радикалами (или между радикалами) происходят с энергией активации близкой к нулю.

Таким образом, химические реакции идут успешно тогда, когда реагенты приобретают определенное количество энергии, и главной особенностью плазмохимических реакций является то, что в газоразрядной плазме под действием различных внешних воздействий атомы и молекулы имеют возможность перейти в активные частицы: радикалы, ионы или возбужденные частицы. Это обстоятельство позволяет преодолеть потенциальный барьер совершенно новых элементарных химических реакций, что обеспечивает образование совершенно новых химических соединений никогда не образующихся в данных условиях, либо позволяют создать перекос в скоростях обратимых химических реакций и тем самым создать условия для наработки таких продуктов реакции, которые при нормальных условиях имеют крайне низкие равновесные концентрации.

Приведем практически важные примеры использования плазмо-химических реакций. Наибольшее распространение получил электросинтез озона, т.е. преобразование молекул кислорода О2 в молекулы озона О3. Плазма газового разряда используется для его получения уже около ста лет. Все это время шел непрерывный процесс поиска более рациональной формы газового разряда и условий протекания химических реакций. Поэтому эти реакции на сегодняшний день наиболее исследованы и являются основой для дальнейших разработок.

Более десяти лет ведутся исследования по применению плазмы газового разряда для очистки газовых выбросов тепловых электрических станций от оксидов азота и серы. Созданы пилотные установки, ведутся активные исследования и поиски новых технических решений.

В последние годы начаты работы по применению плазмы импульсного газового разряда для очистки газовых выбросов лакокрасочных, гальванических и пропиточных производств от паров растворителей и компаундов в замен энергоёмких технологий высокотемпературного дожига.

12.2. Генераторы озона и озонные технологии 12.2.1. Физико-химические и биологические свойства озона Озон - это второе относительно устойчивое соединение (аллотропное) кислорода. В отличие от молекулы кислорода, молекула озона состоит из трех атомов и имеет более длинные связи между атомами кислорода (длина связи в молекуле озона 128, в то время как длина связи в молекуле кислорода 121 ).

Физические свойства озона. Озон может существовать во всех трех агрегатных состояниях. При нормальных условиях озон - газ голубоватого цвета. Температура кипения озона равна - 112°С, а температура плавления составляет - 192°С.

Слово озон в переводе с греческого означает «пахнущий» и это название действительно отражает одну из особенностей озона, т.к. его характерный запах проявляется уже при концентрациях 10-710-8 %.

Благодаря своей химической активности озон имеет очень низкую предельно-допустимую концентрацию в воздухе (соизмеримую с ПДК боевых отравляющих веществ) 510-8 % или 0,1 мг/м3.

Химические свойства озона. Следует отметить прежде всего два основных свойства озона:

1. Озон в отличие от атомарного кислорода является относительно устойчивым соединением. Он самопроизвольно разлагается при высоких концентрациях, при этом чем выше концентрация, тем выше скорость реакции разложения. При концентрациях озона 1215 % озон может разлагаться со взрывом. Следует также отметить, что процесс разложения озона ускоряется с ростом температуры, а сама реакция разложения 2О33О2 + 68 ккал экзотермична и сопровождается выделением большого количества тепла.

2. Озон является одним из сильнейших природных окислителей. Окислительный потенциал озона составляет 2,07 В (для сравнения у фтора 2,4 В, а у хлора 1,7 В).

Озон окисляет все металлы за исключением золота и группы платины.

Озон доокисляет оксиды серы и азота:

SO2 + O SO3+ O NO+ O3 NO2 + O NO2 + O3 NO3+ O NO2 + O3 N2O5+ O Озон окисляет аммиак с образованием нитрита аммония:

2 NH3 + 4O3 = NH4NO3 + H2 O+ 4O2.

Озон активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями с разрушением ароматического ядра. В частности озон реагирует с фенолом с разрушением ядра.

Озон активно взаимодействует с насыщенными углеводородами с разрушением двойных углеродных связей.

Взаимодействие озона с органическими соединениями находит широкое применение в химической промышленности и в смежных отраслях. Использование реакции озона с непредельными соединениями позволяет получать искусственным путем различные жирные кислоты, аминокислоты, гормоны, витамины и полимерные материалы. Реакции озона с ароматическими углеводородами - дифениловую кислоту, фталиевый диальдегид и фталевую кислоту и др.

Реакции озона с ароматическими соединениями легли в основу технологий дезодорации различных сред, помещений и сточных вод.

Биологические свойства озона. Несмотря на большое количество исследований механизм недостаточно раскрыт.

Известно, что при высоких концентрациях озона наблюдаются поражения дыхательных путей, легких и слизистой оболочки. Длительное воздействие озона приводит к развитию хронических заболеваний легких и верхних дыхательных путей.

Воздействие малыми дозами озона оказывает профилактическое и терапевтическое воздействие и начинает активно использоваться в медицине.

Озон воздействует на все микроорганизмы, разрушая мембрану и окисляя протоплазму. При этом следует отметить, что концентрации озона губительные для простых микроорганизмов на несколько порядков ниже, чем для более высокоорганизованных.

12.2.2. Основные способы получения озона Озон образуется из кислорода. Существует несколько способов получения озона, среди которых наиболее распространенными являются: электролитический, фотохимический и электросинтез в плазме газового разряда.

Электролитический метод синтеза озона осуществляется в специальных электролитических ячейках. В качестве электролитов используются растворы различных кислот и их соли (H2SO4, HClO4, NaClO4, KClO4).

Образование озона происходит за счет разложения воды и образования атомарного кислорода, который присоединясь к молекуле кислорода образует озон и молекулу водорода. Этот метод позволяет получить концентрированный озон, однако он весьма энергоемкий, и поэтому он не нашел широкого распространения.

Фото-химический метод получения озона представляет из себя наиболее распространенный в природе способ.

Образование озона происходит при диссоциации молекулы кислорода под действием коротковолнового УФ излучения.

Этот метод не позволяет получать озон высокой концентрации. Приборы, основанные на этом методе, получили распространение для лабораторных целей, в медицине и пищевой промышленности.

Электросинтез озона получил наибольшее распространение. Этот метод сочетает в себе возможность получения озона высоких концентраций с большой производительностью и относительно невысокими энергозатратами.

Электросинтез озона В результате многочисленных исследований по использованию различных видов газового разряда для электросинтеза озона распространение получили аппараты использующие три формы разряда:

1. Барьерный разряд - получивший наибольшее распространение, представляет из себя большую совокупность импульсных микроразрядов в газовом промежутке длиной 13 мм между двумя электродами, разделенными одним или двумя диэлектрическими барьерами при питании электродов переменным высоким напряжением частотой от 50 Гц до нескольких килогерц;

2. Поверхностный разряд - близкий по форме к барьерному разряду, получивший распространение в последнее десятилетие благодаря своей простоте и надежности. Так же представляет из себя совокупность микроразрядов, развивающихся вдоль поверхности твердого диэлектрика при питании электродов переменным напряжением частотой от 50 Гц до 1540 кГц.

3. Импульсный разряд - как правило стримерный коронный разряд, возникающий в промежутке между двумя электродами при питании электродов импульсным напряжением длительностью от сотен наносекунд до единиц микросекунд.

Из большого числа различных современных конструкций озонаторов, использующих электрический разряд для получения озона, наибольшее распространение получили озонаторы с так называемым барьерным разрядом.

Производительность одной установки может составлять от граммов до 150 кг озона в час.

Барьерным разрядом называют разряд в узком газовом зазоре между H2O плоскими или коаксиальными электродами, один из которых (или оба) покрыт слоем твердого диэлектрика (рис. 12.3) Если к электродам приложено O О l переменное напряжение с амплитудой, превышающей пробивное напряжение U газового промежутка, то в нем возникает разряд, состоящий из большого числа 1 отдельных искр, дискретных в пространстве и во времени. Разряд H2O продолжается до тех пор, пока мгновенное значение напряжения на электродной системе не достигнет Umax. Особенностью барьерного разряда Dн D Dвн является локальное накопление заряда на поверхности диэлектрического Рис. 12.3. Электродная система озонатора.

барьера в процессе развития в промежутке каждой отдельной искры 1, 3 - электроды;

2 - диэлектрический барьер;

Рассмотрим подробнее указанное явление. Пусть к 4 - зона разряда.

промежутку с барьером приложено переменное напряжение, при котором еще нет разряда. Это напряжение распределяется по емкостям барьера и газового промежутка, так что к газовому промежутку приложено напряжение Cб Uг = U, (12.2) Cг + Сб где U - напряжение на электродах;

Сб - емкость барьера;

Сг - емкость газового промежутка.

Для цилиндрической системы электродов L L Cб = 20б D ;

Cг = 2г0 Dн, ln ln Dвн D где б и г - диэлектрические проницаемости барьера и газа;

L - длина электродов;

Dн, D, Dвн - диаметры электродов барьера (рис. 12.3).

Рассмотрим первый полупериод воздействующего напряжения, когда электрод с диэлектриком является анодом (рис. 12.4, а). Когда напряженность внешнего поля Eвн, создаваемого приложенным напряжением, достигнет значения начальной напряженности, в промежутке начинаются интенсивные ионизационные процессы и создается большое число лавин, продвигающихся по направлению к диэлектрическому барьеру.

Расчеты показывают, что при нормальной плотности газа в разрядном промежутке длиной l = 1 - 3 мм развитие лавин может привести к созданию объемных зарядов с плотностью N, при которой выполняется условие перехода лавины в стример (количество электронов в лавине достигает 108). При выполнении этого условия в каком-то месте промежутка возникает стримерный канал, головка которого доходит до поверхности электрода, покрытого диэлектрическим барьером.

Происходит пробой газового промежутка по многолавинно-cтримерному механизму. Внешне разряд выглядит как искра. Этому процессу соответствует напряжение Uпр.

В ходе образования и движения лавин и, в особенности, при подходе к диэлектрическому барьеру головки стримера, на поверхность барьера оседают отрицательные заряды - электроны. Диаметр канала стримера составляет при рассматриваемых условиях 0,1 мм. Примерно таких же размеров оказывается и пятно заряда, осевшего на барьер.

Что касается положительных ионов, образовавшихся при развитии лавин, то, обладая гораздо меньшей подвижностью, они постепенно смещаются в сторону металлического катода. Подходя к нему, они нейтрализуются. Накопление отрицательного заряда на поверхности диэлектрического барьера вызвано большим объемным сопротивлением материала барьера (порядка 10141016 Омсм). Большое поверхностное сопротивление препятствует растеканию заряда по поверхности.

Pages:     | 1 || 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.