Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ВЕЩЕСТВЕ И НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ

Изобретение относится к способам и устройствам управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз. Оно может быть использовано в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства для обеспечения оптимального управления процессами, протекающими в веществе и на границе раздела фаз, с целью повышения эффективности протекания этих процессов.

Такие технологические процессы разрушения материалов, как, например, дробление (при котором размер полученных частиц составляет от 300 мм до 1 мм) и помол (менее 1 мм), широко распространены в промышленности. В мировом промышленном производстве на измельчение твердых материалов затрачивается значительная доля энергетических ресурсов. Так, например, на измельчение цементного клинкера в США затрачивается примерно 3000 млн. кВт·ч, а в России - 5000 млн. кВт·ч электроэнергии в год. Вследствие преобладающей доли топливного способа в мировой структуре производства электроэнергии, с одной стороны, и проблемы антропогенного загрязнения окружающей среды, с другой стороны, возникает задача снижения энергоемкости и поиска других путей интенсификации промышленных процессов.

Известны физико-химические методы интенсификации различных процессов, например, путем понижения прочности перерабатываемых материалов (Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1984). В перерабатывающих отраслях известен т.н. "мокрый" помол, а также помол с добавлением ПАВ, препятствующих агрегированию мелких частиц и позволяющих получать высокодисперсные продукты. Однако при этом резко возрастают удельные энергозатраты вследствие необходимости последующей сушки продукта. Недостатком такого метода также часто является присутствие ПАВ в конечном продукте.

Известны попытки управления эффективностью сжигания топлива в двигателях внешнего и внутреннего сгорания, например, путем введения добавок, интенсифицирующих процессы физико-химической и химической природы, протекающие в паровой и газовой фазе. Так, например, в заявке PCT/US95/02691 предложен способ интенсификации процессов горения топлива в двигателях наземных транспортных средств, самолетов, а также ракетных двигателях. Известный способ связан с использованием каталитических добавок и является дорогостоящим.

В последнее время были предприняты попытки решения проблемы интенсификации промышленных процессов, в результате которых появились новые альтернативные методы, но и они имеют ограничения.

Так, известно устройство для разрушения диэлектрических и полупроводящих материалов, содержащее источник тока переменной частоты, компаратор, генератор импульсов высокого напряжения и электродную систему (Пат. РФ 2035231). В известном устройстве используется система электродов, состоящая из высоковольтного и заземленного электрода. При протекании через объект импульсного тока в нем образуется канал пробоя и выделяется энергия, под действием которой материал разрушается. Известное устройство и способ требуют непосредственного приложения к объекту высокого напряжения, применения вспомогательного оборудования, а также значительного расхода электроэнергии. Существенным недостатком известной системы является возможная деструкция материала на химическом уровне, вызванная интенсивным выделением энергии.

Известно устройство для электроимпульсного разрушения материалов (GB A-2304604), которое содержит генератор импульсов высокой интенсивности и, по меньшей мере, два электрода. Устройство содержит также корпус специальной конструкции, уменьшающей расход энергии. В этом устройстве используется принцип протекания тока через жидкость, в результате чего в жидкости образуются зоны локального сжатия и разрежения. Давление, производимое импульсами высокой интенсивности, передается через гибкую диафрагму. Недостатком известного устройства является необходимость использования высокого напряжения, а также возможная деструкция материала под действием напряжений сдвига, возникающих при распространении в материале ударной волны. Устройство для осуществления высоковольтного разряда сложно в изготовлении.

Известен способ электрокристаллизации (Барабошкин А.Н. «Электрокристаллизация металлов из расплавленных солей», М., 1976), согласно которому к расплаву, из которого проводят кристаллизацию, прикладывают электрическое напряжение. Недостатком этого способа является ограниченная область его применения, а также необходимость использования высокого напряжения на электроде, что в ряде случаев нежелательно или недопустимо.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ управления физико-химическими процессами по заявке EA 200300399, дата приоритета 03.04.2003 года. Изобретение относится к способам управления физико-химическими процессами. В способе предварительно измеряют все заранее заданные параметры управляемого процесса; осуществляют воздействие электромагнитными колебаниями на среду, в которой протекает управляемый процесс; вычисляют значения заданной функции качества управления, аргументами которой являются измеряемые параметры; и изменяют спектр электромагнитных колебаний в зависимости от результатов вычислений так, чтобы значение функции качества управления с заранее заданной точностью соответствовало заранее заданному значению. Способ отличается тем, что воздействие на среду осуществляют с частотой, по меньшей мере, вдвое большей максимальной частоты изменения наиболее высокочастотного из измеряемых параметров; выбирают спектр электромагнитных колебаний так, чтобы нижняя частота этого спектра была, по меньшей мере, вдвое выше частоты воздействий, а значение энергии в каждой точке частотного диапазона этого спектра выбирают по заранее заданному закону; изменения спектра электромагнитных колебаний осуществляют итеративно таким образом, чтобы вычисленное по результатам измерений значение функции качества управления по мере увеличения числа итераций стремилось к заранее заданному значению, причем значения энергии в каждой точке частотного диапазона в спектре электромагнитных колебаний, в зависимости от того, возрастает или убывает модуль разности между вычисленным значением функции качества управления и заранее заданным значением, при каждом воздействии, соответственно, увеличивают или уменьшают.

Таким образом, известные способы и устройства интенсификации промышленных процессов либо связаны с применением специального дорогостоящего оборудования, либо требуют значительных затрат энергии, либо имеют очень ограниченное применение и не позволяют решить имеющиеся проблемы.

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа и устройства для управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз, которые обеспечивали бы повышение производительности традиционного оборудования и не вызывали бы увеличения энергоемкости производства.

Для решения поставленной задачи предлагается в способе управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз, включающем определение параметров среды, воздействие электрическим сигналом на среду, в которой протекает управляемый процесс, для достижения оптимальных показателей эффективности процесса использовать в качестве электрического сигнала нелинейно-искаженный сигнал с двумя интервалами однородности. Воздействие предлагается осуществлять непосредственно на среду и/или на оболочку, в которую заключена среда, при этом о достижении оптимальных показателей процесса предлагается судить по коэффициенту сравнительной эффективности, который определяется отдельно для каждого процесса по формуле:

Y=E₁/E₂,

где E₁ - показатели эффективности процесса при стандартных условиях,

E₂ - показатели эффективности процесса при воздействии нелинейно-искаженного сигнала с двумя интервалами однородности.

Дополнительными отличиями способа является то, что первый интервал нелинейно-искаженного сигнала может быть аппроксимирован синусоидой основной частоты (f_ном=50 Гц):

Тогда как второй интервал может быть аппроксимирован затухающим экспоненциальным сигналом:

где T - период промышленной частоты, t_H - момент перехода с первого интервала на второй (фиг.1), k - номер полупериода.

Дополнительными отличиями способа также является то, что:

- управляют разрушением материалов в механических измельчителях и дробилках;

- в качестве разрушаемого материала используют неорганические вещества, выбранные из группы, включающей шунгит, граниты, известняки, оксиды металлов, например оксид алюминия, неорганические, в том числе строительные связующие и наполнители, например цементный клинкер, смесь гашеной извести и кварцевого песка, глиноземов, а также минеральные удобрения, например фосфат кальция, и твердые энергоносители, например каменный уголь;

- управляют процессом окисления топлива в двигателе внутреннего сгорания;

- в качестве двигателя внутреннего сгорания используют дизельный или карбюраторный двигатель внутреннего сгорания;

- управляют процессом кристаллизации вещества в устройстве кристаллизации, например кристаллизаторе;

- в качестве кристаллизуемого вещества используют как органические, так и неорганические вещества;

- в качестве неорганических веществ используют вещества, выбранные из группы, включающей оксиды металлов, например оксид алюминия, оксид кремния, гидроксиды металлов, например гидроксид алюминия, соли металлов, например хлорид калия, хлорид натрия, фосфат кальция, а также их производные;

- в качестве неорганических веществ используют металлические сплавы, например сталь, чугун, латунь;

- в качестве органических веществ используют вещества, выбранные из группы, включающей углеводы, например сахар, соли органических кислот, например мочевина;

- управляют процессом газификации твердого топлива в печи газификации, например угля;

- управляют процессом парообразования вещества в парогенераторах, например воды;

- управляют процессом формообразования материала в волочильных и прокатных станах;

- процесс формообразования выбирают из группы, включающей вытяжку, протяжку, волочение, например волочение проволоки, изготовление фольги и металлопроката;

- в качестве формуемого материала используют металлы, например титан, медь, алюминий, вольфрам, сплавы, например сплавы железа, меди, цинка, алюминия, а также их комбинации;

- управляют процессом брожения в биореакторах, например биоферментаторе;

- брожение выбирают из группы: спиртовое, молочнокислое, метановое и др.;

- в качестве сбраживаемого материала используют сельскохозяйственные отходы, коммунальные отходы, углеводы, а также их комбинации;

- управляют процессом огнетушения и дымоосаждения с помощью воды и водных растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ);

- управляют процессом рекультивации почв после заражения гербицидами и техногенными токсикантами, например нефтью;

- управляют процессами пневмотранспортировки твердых диэлектриков, например манная и овсяная крупы, сахарная пудра, пенополистирол, угольная пыль;

- управляют процессами слива-налива жидких нефтепродуктов, например бензинов, органических растворителей.

Известна также установка для обработки токопроводящих материалов импульсами электрического тока с регистрацией параметров процесса изменения их физико-механических свойств по патенту РФ №71088, дата приоритета 13.06.2007 г. Область применения установки - изменение физико-механических свойств металлов и сплавов при воздействии на них импульсами электрического тока большой мощности. Установка содержит блок управления параметрами импульсов, соединенный с одной стороны с блоком управления трансформатором тока, с другой - с компьютером, вырабатывающим синхронно, с изменениями фазы сетевого напряжения электрические импульсы. Недостатками этого устройства является узкая область применения и необходимость воздействия токами большой мощности.

Для решения вышеозначенной задачи предлагается устройство управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз, включающее связанные между собой генератор, блок коммутации и трансформаторный блок, дополнить блоком выработки управляющих сигналов и контрольным блоком. Причем первый и второй входы блока выработки управляющих сигналов предлагается подключить соответственно к первому и второму выходу трансформаторного блока, третий и четвертый выходы которого подключить соответственно к первому и второму входам контрольного блока, связанного, в свою очередь, с блоком выработки управляющего сигнала.

Дополнительными отличиями предлагаемого устройства являются:

- управляющий сигнал вырабатывается предлагаемым устройством в виде нелинейно-искаженного сигнала с двумя интервалами однородности;

- первый интервал нелинейно-искаженного сигнала может быть аппроксимирован синусоидой основной частоты (f_ном=50 Гц):

второй интервал может быть аппроксимирован затухающим экспоненциальным сигналом:

где T - период промышленной частоты, t_H - момент перехода с первого интервала на второй (фиг.1), k - номер полупериода.

При исследовании технологических процессов пневмотранспортировки и диспергирования взрывопожароопасных твердых материалов авторами неожиданно была обнаружена возможность снижения статического электричества под воздействием электрического нелинейно-искаженного сигнала с двумя интервалами однородности. Традиционные методы снижения статического электричества не позволяли добиться таких результатов. Исследования процессов диспергирования также показали, что при приложении электрического сигнала предлагаемой формы удается в 1,5-2 раза снизить напряженность электрического поля. Таким образом, экспериментально была доказана возможность электрофизического управления напряженностью электрического поля, возникающего при пневмотранспорте и диспергировании твердых материалов, которая может использоваться для снижения взрывопожаробезопасности этих технологических процессов. Была выдвинута гипотеза, что при использовании электрофизического метода нейтрализации статического электричества поляризация молекул диэлектриков происходит медленнее вследствие «молекулярного трения», инициированного воздействием электрическим сигналом, которое преобразует энергию электрического поля в тепловую.

При дальнейших исследованиях авторами было выявлено положительное влияние воздействия электрического сигнала описываемой формы на различные процессы физико-химической природы. При исследовании процессов кристаллизации, парообразования, формообразования и др., например, было выявлено, что воздействие данным сигналом изменяет длительность и интенсивность протекания этих процессов. Данный факт можно объяснить тем, что в процессе приложения электрического сигнала происходит уменьшение энтропии системы. Например, для растворов на основе воды происходит структурирование и упорядочивание молекул воды, в результате чего меняются физико-химические свойства такого рода растворов, в том числе и некоторые термодинамические (ΔS).

Для оценки эффективности предлагаемого способа введен коэффициент сравнительной эффективности Y, определяемый по формуле:

Y=E₁/E₂,

где E₁ - показатели эффективности процесса при стандартных условиях,

E₂ - показатели эффективности процесса при воздействии нелинейно-искаженного сигнала с двумя интервалами однородности.

Для более полного изучения процесса влияния физических параметров и скоростных режимов (воздействующие факторы - ВФ) на величину коэффициента сравнительной эффективности при воздействии предлагаемым электрическим сигналом для случая транспортировки сыпучих продуктов по трубопроводу использовался регрессионный анализ.

Исследование состояло из следующих этапов:

а) формирование перечня ВФ и выделение наиболее информативного выходного параметра (ВП),

б) проведение многофакторных испытаний с формированием матрицы факторов X и вектора ВП Y,

в) математическая отработка результатов испытаний - проверка ВФ на коррелированность и построение многофакторной модели процесса y=f (x₁, x₂, …x_m), (m - число рассматриваемых ВФ с минимальной корреляцией) в виде квазилинейного уравнения регрессии (его называют также математической моделью):

Исходные данные для построения многофакторной модели приведены в табл.1. В результате расчетов с помощью компьютерной программы REGRAN была получена относительная значимость влияния ВФ на коэффициент сравнительной эффективности (табл.1), определенная по различным моделям.

Из табл.2 видно, что в меньшей степени на величину коэффициента эффективности электрофизического метода при пневмотранспорте взрывопожароопасных твердых материалов влияет их плотность (ВФ x₃) и скорость движения частиц по трубопроводу (ВФ x₁), а в значительной степени - диэлектрическая проницаемость (ВФ x₅), дисперсность (ВФ х₂) и теплоемкость (ВФ x₄) этих веществ. Таким образом, была экспериментально подтверждена выдвинутая гипотеза, что при использовании электрофизического метода нейтрализации статического электричества поляризация молекул диэлектриков происходит медленнее вследствие «молекулярного трения», инициированного воздействием электрическим сигналом, которое преобразует энергию электрического поля в тепловую.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими рисунками.

На фиг.1 приведена диаграмма нелинейно-искаженного сигнала с двумя интервалами.

На фиг.2 приведена блок-схема устройства управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз, где 1 - блок коммутации, 2 - трансформаторный блок, 3 - блок выработки управляющего сигнала, 4 - контрольный блок, 5 - преобразователь частотного типа, который вырабатывает управляющий сигнал.

Для осуществления изобретения при протекании различных технологических процессов управляющий сигнал, вырабатываемый предлагаемым устройством, прикладывается или непосредственно к веществу, или к корпусу, в который помещено вещество.

При осуществлении процессов, связанных с производством и обработкой биологических объектов, управляющий сигнал прикладывается к корпусу, или к питательной среде, или этим управляющим сигналом обрабатывается вода, которой поливается или обрабатывается биологический объект.

В результате приложения сигнала тем или иным способом к различным объектам наблюдалось:

- снижение скорости накопления электростатических зарядов,

- сокращение времени помола и получение более мелких дисперсионных фракций продукта,

- повышение уровня взрывопожаробезопасности производства,

- увеличение выхода биопродукции путем сокращения времени вегетации и роста,

- снижение токсичности продуктов горения,

- повышение скорости дымоосаждения путем повышения адсорбционных свойств воды и водных растворов ПАВ и др.

Пример 1. Проведено исследование процесса снижения статического электричества при пневмотранспортировке твердых диэлектриков, например манной и овсяной крупы, сахарной пудры, пенополистирола, угольной пыли. Динамика накопления заряда во всех образцах приблизительно одинакова. Интенсивный рост напряженности электрического поля наблюдается первые 2 минуты. При включении заземлителя или предлагаемого устройства наблюдается снижение напряженности электрического поля, причем в случае с включением предлагаемого устройства заряд снижается быстрее.

Пример 2. Проведено исследование управления процессом размола сыпучих материалов. Эксперименты показали, что использование предлагаемого способа позволяет на 10-14% уменьшить угол естественного откоса сыпучих материалов.

Пример 3. Проведены исследования управления процессами диспергирования различных материалов. Результаты этих экспериментов показывают, что при использовании предлагаемого способа удается в 1,5-2 раза в сравнении с заземлением уменьшить напряженность электрического поля.

Пример 4. Проведено исследование процесса рекультивации почвы, загрязненной техногенным токсикантом - нефтью (обр. от Киришского НПЗ) при ее начальном содержании 2000-3000 мг на 1 кг. Образец почвы состоял из смеси обычного почвогрунта (ТУ 0391-002-51540896-2002) и речного песка в соотношении 1:1 мас. В качестве рекультиватора и биоиндикатора использовали семена овса (ТУ 9296-001-49982374-2002).

При сопоставлении контрольного образца с экспериментальными установлено, что полив загрязненного грунта водой, обработанной (в течение 15 мин на 0,5 л) сигналом, вырабатываемым предлагаемым устройством, или прямым подведением данного сигнала к почве увеличивает всхожесть семян на 5 и 9%, соответственно. При увеличении концентрации нефти до 4000-5000 мг/кг наблюдается нулевая всхожесть - все семена гибнут. Подведение сигнала приводит к усилению жизнеспособности семян и всхожести до 15-20% против 0% в контрольном опыте.

Длина растений, выращиваемых в условиях полива обработанной водой или подведения сигнала к почве при загрязнении 1000-2000 мг/кг, увеличивается на 25-60% по сравнению с контрольными.

Выращивание растений овса, например, в течение 10-15 суток в лабораторных условиях при подведении сигнала увеличивает биомассу на 10-30% по сравнению с контрольным образцом.

Пример 5. Проведены исследования, в которых в качестве токсиканта почвы как модельное вещество использован гербицид 2,4-Д при норме внесения 22 г/м². Его наличие в почве приводит к задержке появления проростков на 2-3 суток, а также к заметному снижению на 74% скорости появления проростков (определяется как тангенс угла наклона зависимости числа проростков от числа дней наблюдения).

Использование предлагаемого способа управления на процессы развития растений в условиях токсикации приводит как к повышению всхожести (сравниваются образцы почвы, обработанной гербицидом 2,4-Д и увлажняемой обычной водопроводной водой, и увлажняемой водой, обработанной предлагаемым устройством) на 16%.

Показано, что длина надземной части растений при воздействия ПЧМС возрастает на 25-30%, а влияние загрязнения почвы 2,4-Д на этот показатель снижается при воздействии обработанной ПЧМС воды.

Пример 6. Исследования по изучению электрофизического воздействия и других факторов, влияющих на жизнедеятельность дрожжей Saccharomyces cerevisiae при сбраживании коллоидного раствора из (15±0,02) г муки; 25 мл водопроводной или дистиллированной воды - термостатированной при (22±2)°C, показали, что применение предлагаемого способа управления оказывает усиливающее воздействие на процесс брожения, контролируемый по интенсивности газовыделения.

При предварительном электрофизическом воздействии на воду скорость газовыделения возрастает на 9-11%. При подведении сигнала непосредственно в культуральную среду установлено, что интенсивность брожения увеличится не менее чем на 10-12%, по сравнению с контрольным образцом.

Дрожжи, растворенные в дистиллированной воде и обработанные предлагаемым устройством, имеют тенденцию к росту на 4% больше, чем необработанные.

Пример 7. Исследование влияния предлагаемого способа на испарение воды показало, что предварительное электрофизическое воздействие на воду приводит к увеличению ее испарения на 4-6% с поверхности зеркала в течение до 5-8 суток, причем разница скоростей постепенно снижается.

Пример 8. При сжигании высокооктановых бензинов под воздействием предлагаемого устройства достигается эффект более полного сгорания топлива, подтвержденный снижением выбросов угарного газа в 1,5-2 раза и снижением выбросов углеводородов в 3,4-4 раза.

Пример 9. Осуществлялась сравнительная электросварка двух элементов судового корпуса из стали D32 толщиной 14 мм с помощью электродов 70НУ 13/45 диаметром 4 мм при подаче на детали управляющего сигнала с f=50 гц и Е=36 V и без подачи сигнала.

Контроль прочности на растяжение показал ее увеличение с 502 до 536 МПА - на 9%, что было косвенно подтверждено уменьшением зерна структуры металла на микрошлифах.

Пример 10. На промышленном однократном волочильном стане осуществляли волочение проволоки из медного прутка при воздействии управляющего электрического сигнала с f=50 Гц и Е=12 V и в стандартных условиях (d_прутка=12 мм; d_{проволоки}=0,8 мм). Установлено, что скорость волочения возросла на 14%, а электропроводность медного провода увеличилась на 8% по сравнению с регламентными технологическими параметрами.

Таким образом, все вышеприведенные примеры подтверждают возможность управления различными физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз с целью повышения эффективности протекания этих процессов.

В результате воздействия на те или иные среды или объекты предлагаемым сигналом появляется возможность:

- снижать энергоемкость процессов переработки материалов минерального и органического происхождения (быстрее осуществляются процессы размола),

- позитивно воздействовать на биологические системы (улучшается всхожесть и рост культур, в том числе и сельскохозяйственного назначения),

- снижать уровень накопления электростатических зарядов в процессе дробления и транспортировки сырья, тем самым повышается уровень пожаровзрывобезопасности производства,

- улучшать адсорбционную емкость ряда огнетушащих веществ (вода, водные растворы ПАВ, пены), в результате чего происходит значительное снижение токсичности продуктов горения и увеличивается скорость дымоосаждения.