Инновации в реосепарации — технологии экобезопасности

Проблему экологии промпредприятий мы видим также при производстве новых материалов (пищевые продукты, пластмассы, полимеры, коллоидные растворы и жидкости-композиты, используемые, как сырьё, для биологической, фармацевтической, химической промышленности, наноиндустрии и др.). Для некоторых из них ещё не отработаны технологии утилизации и очистки. В отдельную проблему выделяются производства атомной промышленности, военно- промышленного комплекса с его фабриками и заводами, технические средства воинских частей и соединений, их подсобные и ремонтные подразделения. Установленный режим секретности, ограниченность контроля за деятельностью со стороны общественных и экологических контролирующих организаций не дают уверенности в их экоБезопасности. Вредными элементами загрязняются почва и атмосфера. Десятки лет потребуются на восстановление биологической структуры земли.

Дешёвый способ добычи нефти и газа после отъезда добывающих компаний, транснациональных корпораций превращает некоторые районы Земли в грязные пустыни. Такой же эффект от аварий на нефтепроводах. Восстановить природную структуру местности здесь можно с большими затратами на оборудование, используемое для комплексной очистки и регенерации плодородного слоя земли (отстой, флотация, сепарация, фильтрация, биологический и химический способы переработки загрязнений). Но животный и растительный мир, даже при таких колоссальных затратах, воспроизвести полностью всё равно невозможно.

Центробежные реосепарация и реоцентрифугирование — самые важные способы очистки (большая производительность при малых габаритах используемого оборудования, непрерывность технологического процесса, высокое качество конечного продукта). Однако теория процесса изучена не в полной мере и требует дальнейшего развития. Жидкостные реосепараторы и реоцентрифуги применяются почти во всех отраслях промышленности (более пятидесяти по данным Липатова Н. Н.), сельском хозяйстве, медицине и т. д. Парк этих машин насчитывает более 200 наименований только отечественных моделей. Многие существующие реосепараторы не приспособлены для переработки отходов. У других центробежных машин не использованы все их технологические возможности. Причины в следующем:

плохая информированность потребителей о скрытых возможностях покупаемых ими машин;
в прилагаемой к реосепараторам и реоцентрифугам технической документации приводятся ограниченные сведения о свойствах многих перерабатываемых материалах;
отсутствует (не успели спроектировать) необходимое лабораторное оборудование по изучению свойств новых материалов;
низкое качество некоторых уже существующих измерительных приборов;
ограничено число высококвалифицированных научных кадров, способных проводить экспериментальные исследования;
по некоторым научным направления либо отсутствует, либо очень слабое финансирование;
слабая законодательная база;
политические ошибки в выборе приоритетов экономического развития страны.

Производственники должны покупать измерительное оборудование и тратить средства на проведение исследований. Пока это только их забота. Государство должно им помочь. Зачем производителю большие затраты на переработку отходов, если проще слить их в канализацию и заплатить штраф. Такая экологическая диверсия в России имеет место, так как штрафы несоизмеримо малы в сравнении с дополнительными расходами на исследования. В этом плане необходимо усовершенствовать законы.

Перекос производства в сторону добывающих отраслей и торговля сырьём губительны для любой страны — это научная аксиома (пример — СССР). Несколько десятков лет назад её ещё надо было отстаивать и доказывать. Об этом написано немало статей разными учёными и политиками. В наше время споры политиков об этом утихли. Вместе с этим в России утихает и работа по перестройке экономики. Развитые страны так не поступают. Они готовятся к ухудшению ситуации с энергоресурсами. Франция, например, через 20-25 лет собирается отказаться от добычи нефти и газа. Наше сырьё Европе будет не нужно. Этот процесс начался уже сейчас пока только в политической плоскости. Те, кто смотрит телевизоры, это понимают. Многие другие страны переходят на альтернативные источники энергии. При жизни нынешнего поколения необходимость в нефти и газе может отпасть. В нашей стране уже поставлен вопрос (но не обсуждался) о запрете бытового использования газа из-за несчастных случаев. Не имеет смысла создавать новые институты по изучению этой проблемы, если скоро газ заменится более безопасным источником энергии. Наметились тенденции к прекращению строительства нефте- газопроводов. Их заменяет морской и речной транспорт с ёмкостями для сжиженного природного газа (СПГ) и нефти. Их легче трансформировать в будущем для перевозки других материалов. Нефте-газопроводы придётся только утилизировать.

Процесс очистки материалов от загрязнений включает ряд операций, о которых говорилось выше. Заключительный этап — тонкая очистка с помощью центробежных реоСепараторов и реоцентрифуг требует доработки в техническом и технологическом плане. Этот способ наиболее важен, так как он используется при получения чистых и сверхчистых материалов для медицины, фармакологии, наноИндустрии, пищевой промышленности. Такие материалы необходимы также для научных исследований.

Проблема экологической безопасности производства усложняется ещё и по другой причине. Она в самих реосепараторах. Центробежные машины очень дороги, почти не управляемы, трудоёмки в изготовлении, предназначены для переработки одного, двух или трёх растворов, имеющих одинаковые механические и реологические свойства. По этой причине они не используются на легковых автомобилях — самом многочисленном классе машин, загрязняющих природу. Даже тот факт, что действие реосепараторов и реоцентрифуг всех конструкций основано на одном способе разделения по плотности различных многофазных жидкостей и воспроизводит одну и ту же механику движения отделяемых частиц в поле действия центробежных сил, не решает проблему их универсализации.

Необходима перестройка производства реосепараторов и реоцентрифуг. В идеале нужен простой, дешёвый, универсальный, самонастраивающийся многофункциональный сепаратор-робот-автомат, способный перенастраиваться на переработку разных материалов с глубоко развитой системой управления технологическим процессом.

Разработанная нами «Программа перестройки производства и использования центробежных жидкостных реосепараторов и реоцентрифуг» включает следующие направления:

– изучить скрытые возможности центробежных машин существующих конструкций и уже купленных потребителем для расширения их области применения, с выдачей соответствующих дополнительных рекомендаций по переработке разных материалов;
– цеховая доработка, доукомплектация серийно выпускаемых заводом машин, обеспечивающих их нетрадиционное использование;
– разработка контрольно-измерительных приборов нового типа;
– создание универсальных машин-автоматов с дополнительными регуляторами технологического процесса разделения, определение возможности их многоцелевого применения;
– использование отработавших свой нормативный срок службы машин в других целях (широко используется за рубежом — даже существует рынок старых машин).

Результаты наших исследований по этой программе опубликованы в ряде научных работ:

1.Создан новый класс центробежных реоСепараторов (ЦРС). В том числе с механизмами пеноГашения (коробка скоростей и гитара) и с дополнительными регуляторами технологического процесса разделения [1]:

- ширины конусного рабочего зазора (КРЗ);
- скорости сдвига потока жидкости в КРЗ;
- положения питающих каналов на границе раздела фаз и другие.

2. Исследованы возможности использования ЦРС для переработки различных жидкостей: пищевых продуктов, сточных вод, автомобильных эксплуатационных материалов, биорастворов, нефтепродуктов [2…6].

3. Дополнены фундаментальная классическая и гидродинамическая линейная теории центробежной реоСепарации [7…9].

4. Разработан новый класс приборов — поточные инлайн-вискозиметры конусного типа, моделирующие движение жидкости в КРЗ реоСепараторов [10].

5. Разработана онлайн-реоцентрифуга двойного назначения с тормозным механизмом- пеногасителем. Она позволяет измерять вязкость перерабатываемой жидкости непосредственно в рабочей зоне разделения (дополнительная контрольная функция). Машина имеет два новых регулятора, влияющих на механику движения отделяемых частиц: кинематический и геометрический (новый технологический уровень управления процессом разделения) [1].

Регулятор сдвига потока жидкости в окружном направлении позволяет настроить реоцентрифугу на наиболее благоприятный режим разделения фаз раствора, корректировать скорость и траектории движения отделяемых частиц, гасить турбулентность потока жидкости с помощью пеноГасителя. Это приводит к повышению производительности и улучшению качества очистки. Второй регулятор — устройство, позволяющее изменять ширину КРЗ в процессе переработки материала. Он даёт возможность при циклическом способе сепарации раствора (уменьшая зазор на каждом цикле) отделять все частицы механических примесей, даже предельно мелкие, доводя степень очистки от загрязнений до 100% [5]. Сейчас этого добиваются многоступенчатым способом очистки на нескольких центробежных очистителях, включая фильтрационные приспособления. Установка этого традиционного оборудования требует больших производственных площадей. Известные импортные центробежные очистители доводят очистку до 99,99%. Наша машина может быть настроена на любую производительность и заменит весь ряд центробежных очистителей в технологической линии, т. к. возможно изготовление рабочего органа — барабана любого размера. Конструкция проста, дешёва. Занимаемые площади могут быть уменьшены в несколько раз. Нашу машину можно изготовить на любом механическом заводе, а не только на специализированных сепараторных предприятиях.

Работы, проводимые нами в рамках программы перестройки производства ЦРС, дают возможность определиться с инновационными направлениями исследований:

1. Универсализация.

Позволяет разработать новые, более эффективные техПроцессы разделения с помощью реосепараторов и реоцентрифуг. Они будут перерабатывать жидкости любой вязкости, с любой концентрацией и плотностью дисперсной фазы и дисперсионной среды [1].

2. Многофункциональность.

С внедрением новых регуляторов реоСепаратор сможет работать в режиме очистителя, реактора, измерителя вязкости (пример — реоЦентрифуга), классификатора, кларификатора, концентратора и т.д.

3. Разработка комплексной системы управления (СУ), включающей все известные регуляторы. Для этого необходимы новые компьютерные программы.

4. При отраслевой направленности исследований: замена на финишной операции очистки жидкости от механических примесей фильтрационных материалов на реоцентрифуги. Пример (автотракторная промыщленность) — замена сменных фильтров двигателей автоцентрифугами позволит (кроме очистки) следить за состоянием моторного масла по его вязкости, проводить диагностику неисправностей. Отсутствие фильтров повысит экологическую безопасность всего транспорта. Необходимость этого подтверждается тем, что в странах Европы давно уже действует программа «Сепаратор в каждый гараж».

5. Доработка фундаментальных положений классической Г. И. Бремера и гидродинамических линейной и нелинейной Е. М. Гольдина теорий сепарации жидкости (реоСепарации).

6. Изучение кинематики и гидродинамики жидкости в КРЗ позволит повысить производительность, улучшить качество сепарации и расширить теоретические познания в следующих вопросах:

6.1. Изучение окружной и радиальной скорости движения жидкости в КРЗ при разных режимах реоСепарирования и их влияние на производительность.

6.2. Изучение процесса оседания частиц на конусных тарелках в разных зонах КРЗ для улучшения качества сепарации.

6.3. Корректировка режимов реоСепарации с помощью СУ, в том числе давления, имеющего значение при разделении продуктов микробиологического синтеза, структурированных жидкостей и при отделении легкоранимых компонентов биорастворов.

6.4. Определение щадящих режимов переработки.

6.5. Корректировка положения питающих каналов и границ раздела фаз растворов.

6.6. Сравнение режимов сепарации растворов различной вязкости при выборе потребителем модели ЦРС с лучшими технологическими показателями.

6.7. Оценка устойчивости потока жидкости в КРЗ.

6.8. Калибровка измерителя вязкости жидкости при настройке реоЦентрифуги в режим вискозиметрических измерений. 6.9. Сравнение и оптимизация параметров регулирования процесса сепарации опытной и серийно выпускаемой машины.

Предложенная нами программа перестройки нацелена на будущее. Внедрение её позволит нашей стране занять на мировом рынке сбыта универсальных центробежных машин свою нишу. Настанет время, когда человечество, исчерпав все материальные ресурсы на Земле, устремится на другие неосвоенные планеты. Космические транспортные корабли повезут наших предков к далёким звёздам. Как выжить в пути и на новых планетах? Опыт выживания, научные познания, новейшие технологии займут на транспорте мало места. Всю технику с собой не возьмёшь. Например, центробежных сепараторов и центрифуг, необходимых нам для выживания (как говорилось выше), больше двухсот наименований. Взять с собой нужно будет только одну машину — универсальную. Выполнение этой программы (если не заглядывать далеко в будущее) поможет людям в первую очередь здесь на Земле.