Способ электронно-лучевой обработки жидкости и устройство для его осуществления

 

Способ основан на взаимодействии ускоренных электронов с жидкостью, содержащей газовую фазу и движущейся снизу вверх по вертикальному каналу навстречу пучку электронов. Реакционную камеру выполняют содержащей горизонтальный канал, толщину которого выбирают из условия заданной неравномерности обработки жидкости, при этом b ≤ d/3, где d - толщина слоя полного поглощения. Устройство содержит реакционную камеру с вертикальным и горизонтальным каналами. Горизонтальный канал выполнен расширяющимся от величины b до величины d. Поверхность горизонтального канала реакционной камеры, обращенная к пучку электронов, выполнена из материала, поглощающего энергию электронов, а его дно выполнено из материала, отражающего электроны, b - толщина горизонтального канала, d - толщина слоя полного поглощения. Использование заявленной группы изобретений улучшает качество обработки загрязненной жидкости. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технике использования электронно-лучевых технологий при радиационно-химической модификации жидких неперемешиваемых сред и может быть применено в установках для комплексного обеззараживания химически загрязненных и бытовых стоков, речной воды и в других устройствах.

Наиболее близким к заявленной группе изобретений являются способ радиационно-химической обработки и устройство для его осуществления (Лашин А.Ф., Строкин Н. А. Патент РФ 2076001, кл. B 01 J 19/08, 1997. Опубликован 27.03.97г. БИ 9, с.133), основанные на взаимодействии электронов с восходящим вместе с нерастворенным газом потоком неперемешиваемой жидкости. Жидкость изливается из отверстия в реакционной камере поперек пучка электронов и имеет свободную верхнюю границу.

Известный способ обладает следующими недостатками.

1. Способ малоэффективен в случае больших расходов промышленных или бытовых стоков, когда время перемешивания жидкости превышает время ее нахождения под пучком электронов.

2. Энергия пучка электронов поглощается жидкостью неоднородно по объему.

Известное устройство обладает следующими недостатками.

1. Толщина слоя жидкости в направлении вдоль пучка электронов, определяемая шириной окна излива реакционной камеры, характеристиками водослива и местными потерями в гидравлическом тракте, превышает длину d полного поглощения энергии электронов.

2. Толщина слоя изменяется с колебаниями расхода Q жидкости, облучаемой электронами, что приводит к неконтролируемому изменению степени неравномерности η = (D_max-D_min)/(D_max+D_min) обработки жидкости, где: D_max - максимальная из поглощенных некоторым элементом жидкости доз; D_min - минимальная поглощенная доза.

Задача группы изобретений - повышение эффективности использования энергии технологического пучка электронов и улучшение качества обработки загрязненной жидкости.

Технический результат, заключающийся в устранении указанных недостатков в способе электронно-лучевой обработки жидкости, основанном на взаимодействии ускоренных электронов с жидкостью, содержащей газовую фазу и движущейся снизу вверх по вертикальному каналу навстречу пучку электронов, достигается тем, что реакционную камеру выполняют содержащей горизонтальный канал, толщину b которого выбирают из условия заданной неравномерности обработки жидкости, при этом b ≤ d/3, где d - толщина слоя полного поглощения.

Технический результат, заключающийся в устранении указанных недостатков в устройстве электронно-лучевой обработки жидкости, содержащем реакционную камеру с вертикальным каналом, достигается за счет того, что реакционная камера дополнительно включает горизонтальный канал, выполненный расширяющимся от величины b до величины d, а его дно выполнено из материала, отражающего электроны, при этом поверхность горизонтального канала реакционной камеры, обращенная к пучку электронов, выполнена из материала поглощающего энергию электронов, причем в - толщина горизонтального канала, d - толщина слоя полного поглощения.

На фиг. 1 схематически изображено устройство для электронно-лучевой обработки. Устройство состоит из вертикального канала 1, горизонтального канала 2 и верхней стенки 3.

Реализация способа электронно-лучевой обработки жидкости и работа устройства происходят следующим образом.

Как известно (Чепель Л.B. Применение ускорителей электронов в радиационной химии. М.: Атомиздат, 1975, 151 с.), излучение проникает в слой жидкости толщиной d, а его интенсивность I с глубиной z меняется по закону (см. фиг.2) где I(z) - интенсивность излучения (в относительных единицах); z - расстояние от верхней границы жидкости (верхней стенки 3 камеры); I₀ - интенсивность излучения в точке (z/d)*.

Доза D, получаемая данным элементом жидкости при прохождении реакционной камеры, определяется местом и временем его нахождения в облучаемом слое: D = ∫I(z(l))dt. Чтобы вся прошедшая через реакционную камеру жидкость была облучена, необходимо ограничить размер по вертикали горизонтального отвода 2:b≤d.

Каждый элемент жидкости движется сначала вертикально (х=const), а затем - горизонтально (z(x)= const). На вертикальном участке 1 камеры жидкость имеет распределение скоростей V(x), где x - расстояние от оси канала 1. Скорость жидкости в горизонтальном отводе 2 постоянна по сечению х=const и изменяется от 0(х=0) до U=Q/2b (x=a₀).

Тогда доза, получаемая элементом жидкости на вертикальном участие 1 траектории, есть D₁(x) = I_od/(2V(x))[1-ζ+1/kcos(kζ+0,2)],
а на горизонтальном 2 -
D₂(x)=2bI(z(x))/V_ср(1-x/a+c/2a),
где z(x)=q(x)b;
ζ=z(x)/d;
- потоковая координата элемента жидкости.

Вводя нормированную скорость U(x) с помощью соотношения V(x)=V_срU(x), получим суммарную дозу
D=(D₁+D₂)2I₀a₀Ld/Q.

Число Рейнольдса Rе течения при промышленных расходах стоков велико, например при Q= 200 м³/ч Rе ≈ 10⁴, поэтому расчеты реакционной камеры приведем для трубулентного логарифмического профиля скорости, который всюду, кроме очень тонкого (толщиной h около 0,1 мм) пристеночного слоя, задается формулой (Рейнольдс А.Дж. Турбулентные течения в инженерных приложениях, М.: Энергия, 1979, 408 с.)
U(x) = βln((a-x)/h), β = (ln(a/h-1)^-1.
На величину поглощенной элементом жидкости дозы при прохождении через реакционную камеру оказывают конкурирующее влияние следующие факторы.

1. Доза тем меньше, чем выше скорость.

2. Доза тем больше, чем длиннее путь в области облучения.

3. Доза тем больше, чем ближе к уровню, где I(z) максимальна, путь в облучаемом слое (см. фиг.2). При этом, когда z/d изменяется от 0 до (z/d)*, внешние слои жидкости получают при движении на горизонтальном участке дозу, меньшую, чем внутренние, при (z/d)*≤z/d≤1 - наоборот.

Поставленная цель может быть достигнута, если влияние факторов 1 и 2 дополнено и уравновешено специфическим распределением поглощенной дозы по глубине слоя жидкости - фактором 3.

Приведенные выше формулы позволяют рассчитать различные варианты облучения жидкости и выбрать из них оптимальный. Некоторые результаты расчетов для устройства, показанного на фиг.1, приведены на фиг.3. Здесь в качестве верхней стенки использована титановая фольга толщиной 50 мкм, которая поглощает около 35 кэВ энергии электронов при их начальной энергии 1,5 МэВ. Цифры около кривых указывают значения b/d. Видно, что для значений b/d ≤ 0,4 возможно получение практически однородного распределения поглощенной дозы для любого элемента жидкости.

При с > 0, b < d на горизонтальном участке 2 будет теряться за счет неполного поглощения часть энергии пучка электронов. Для уменьшения этих потерь, с сохранением удовлетворительной неравномерности, устройство по заявляемому способу выполняется в соответствии с фиг.4. Результаты расчетов приведены на фиг.5. Здесь а - расчет без учета отражения (жирная линия), b - с отражением (тонкая линия) от дна канала 3, выполненного из отражающего покрытия 4 (свинец; коэффициент отражения R ≈ 0,4).

Таким образом, в результате реализации предлагаемого способа и устройства происходит радиационно-химическая обработка движущейся неперемешиваемой жидкости с обеспечением заданной высокой степени однородности величины поглощенной дозы и эффективности обработки каждого элемента жидкости.

Формула изобретения

1. Способ электронно-лучевой обработки жидкости, основанный на взаимодействии ускоренных электронов с жидкостью, содержащей газовую фазу и движущейся снизу вверх по вертикальному каналу навстречу пучку электронов, отличающийся тем, что реакционную камеру выполняют содержащей горизонтальный канал, толщину b которого выбирают из условия заданной неравномерности обработки жидкости, при этом b ≤ d/3, где d - толщина слоя полного поглощения.

2. Устройство для электронно-лучевой обработки жидкости, содержащее реакционную камеру с вертикальным каналом, отличающееся тем, что реакционная камера дополнительно включает горизонтальный канал, выполненный расширяющимся от величины b до величины d, поверхность горизонтального канала реакционной камеры, обращенная к пучку электронов, выполнена из материала, поглощающего энергию электронов, а его дно выполнено из материала, отражающего электроны, при этом b - толщина горизонтального канала, d - толщина слоя полного поглощения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5