Спосіб регенерації цеолітів

Реферат: UA 83469 U UA 83469 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до застосування електромагнітної енергії НВЧ-діапазону для видалення адсорбованої і кристалізаційної води із синтетичних цеолітів. Відомі способи регенерації цеолітів, в яких для їх нагрівання використовують електромагнітну енергію НВЧ-діапазону. Такі способи мають, принаймні, дві переваги: поперше, електромагнітна енергія поглинається всім об'ємом матеріалу, що забезпечує рівномірність нагріву, а це виключає появу значних градієнтів температури, які можуть привести до руйнування структури матеріалу; по-друге, відсутній проміжний переносник теплової енергії, оскільки електромагнітна енергія трансформується в теплову безпосередньо в матеріалі, що дає можливість уникнути енергетичних втрат при проміжних перетвореннях і забезпечує енергетичний виграш. Відомій спосіб сушіння сипучих діелектричних матеріалів та пристрій для його виконання (патент України № 56629, 7 А26В 3/347, бюл. № 5 від 15.05.2003 p.). Спосіб включає НВЧ-нагрів і використання сухого повітря, сушіння здійснюють циклічно, причому на першому етапі шкірного циклу одночасно з НВЧ-нагрівом вакуумують об'єм з матеріалом до перед пробійного лещата, потім відключають НВЧ-нагрів, продовжуючи вакуумування до квазістаціонарного лещата, по величині якого визначають вологість матеріалу, після чого, припинивши вакуумування, напускають сухе повітря до атмосферного тиску, а потім знову повторюють наступні цикли сушіння до досягнення необхідної вологості матеріалу. Недоліком цього способу є значний тривалість сушіння та, відповідно, великі енерговитрати, що визначається циклічністю вакуумування, необхідністю включення и відключення сухого повітря і НВЧ-енергії. Крім того, велика тривалість процесу десорбції, а відповідно, значне енергоспоживання, визначається наступними обставинами. На початку процесу десорбції цеоліт, насичений водою, добре поглинає електромагнітну енергію НВЧ-діапазону завдяки тому, що вода має досить велику діелектричну проникність '=78 і тангенс кута діелектричних втрат tg=0,15 (на частоті 3 ГГц). Питома потужність тепловиділення в обсязі продукту при НВЧ-нагріві Qv (в Вт/м3) у разі повністю рівномірного об'ємного нагріву визначається формулою: 2 2 Qv=20'tgfE =20"fЕ , де " - уявна частина комплексної діелектричної проникності, f - частота (Гц), Е - діюче -12 значення напруженості електромагнітного поля (В/м), 0=8,8510 Ф/м - електрична постійна [Рогов И.А., Горбатов А.В. Сверхвысокочастостный нагрев пищевых продуктов. - М.: Агропромиздат, 1986.-351 с.]. Цеоліти типу NaA, CaA є водними алюмосилікатами, нескінченний алюмосилікатний каркас 45яких утворюється при зчленуванні через спільні вершини тетраедрів [SiO4] і [АlО4] , що мають сполучені між собою порожнини, зайняті великими іонами і молекулами води. У порах цеолітів катіони і молекули води характеризуються значною рухливістю, що забезпечує можливість іонного обміну та оборотної дегідратації, причому, не впливає впливу на алюмосилікатний жорсткий каркас [Ш.В. Хачатрян, Т.А. Геворкян. Характер диелектрических свойств природних, модифицированных и облучѐнных цеолитов // Журнал технической физики.-2010 - Том 80, выпуск 5. - С. 140-142]. В міру висушування насиченого водою цеоліту кількість адсорбованої в ньому води зменшується. У межі, коли він опиняється практично зневодненим, єдиним поглиначем електромагнітної енергії стає матеріал структури цеоліту, каркас. Зневоднений цеоліт типу NaA характеризується діелектричною проникністю '6…7 і тангенсом кута діелектричних втрат tg=0,01…0,02 [1. Лозе У., Ширмер В., Штах Г., Хольнагель М. Диэлектрическое поведение системи цеолит типа А-вода // Сб: Адсорбенты, их получение, свойства и применение (Труды III Всесоюзного совещания по адсорбенту). - Л.: Изд-во "Наука", Ленингр. отд., 1970. - С. 131-134. 2. Дж. К. Саусворт. Принципы и применение волноводной передачи. - М.: Издательство "Советское радио", 1955. - С. 700]. Для такого цеоліту відношення потужності, яка поглинається ним на початку процесу сушіння, до потужності, що поглинається ним в кінці процесу сушіння, при зміні вихідної вологості цеоліту від 10 % до 40 % складає від 15 до 135 разів. Це призводить до того, що, по-перше, електромагніта енергія, що випромінюється джерелом при сталості його потужності, витрачається не ефективно, по-друге, якщо сушіння здійснюється в резонаторі, це приводить до повернення енергії, яка не була поглинута цеолітом, в джерело випромінювання, що вельми несприятливо може позначитися на його працездатності. Задача полягає в тому,щоб підвищити ефективність використання електромагнітної енергії НВЧ в процесі регенерації цеоліту. Як найближчий аналог вибраний спосіб сушіння мінеральних і синтетичних неорганічних речовин (патент SU № 1811648 A3, МКИ Н05В 6/64, бюл. № 15 от 23.04.1993 г.). Спосіб полягає в збудженні електромагнітного поля НВЧ-діапазону в зоні 1 UA 83469 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розміщення матеріалу, що обробляється. Матеріал, що висушується, поміщають на щільну керамічну підкладку, яка поглинає НВЧ-енергію, розташовану на пористому шарі, який не поглинає НВЧ-енергію. В міру зменшення кількості адсорбованої води зростає кількість не поглиненої цеолітом НВЧ-енергії, яка поглинається підкладкою. Підкладка, температура якої збільшується, передає більшу частину теплової енергії цеоліту, що знаходиться на ній. Таким чином, висушують цеоліт, якої знаходиться між двома потоками енергії. Через цеоліт проходить поступово наростаючий в міру віддалення адсорбованої води потік електромагнітної енергії НВЧ-діапазону, а від підкладки назустріч йому направлене інфрачервоне випромінювання від твердої частини підкладки, в якій НВЧ-енергія трансформується в теплову. Недоліки, властиві найближчому аналогу: - для досягнення глибокого сушіння цеоліту необхідно розміщувати його на двошаровій підкладці. Ця вимога призводить до принципової необхідності додаткового відповідного конструктивного оформлення даного способу, - використання поглинаючої НВЧ-енергію підкладки, тобто введення проміжного елемента, що забезпечує передачу тепла цеоліту в кінці процесу сушіння, що, природно, знижує швидкість сушіння і ефективність використання НВЧ-енергії. В основу корисної моделі поставлена задача розширення можливостей способу сушіння цеоліту з використанням електромагнітної енергії НВЧ-діапазону, а саме - підвищення ефективності і швидкості процесу сушіння шляхом забезпечення безпосередньої трансформації електромагнітної енергії НВЧ-діапазону в теплову в самому цеоліті. Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що в способі сушіння мінеральних і синтетичних неорганічних речовин, який полягає в збудженні електромагнітного поля НВЧдіапазону в зоні розміщення матеріалу, що оброблюється, згідно корисної моделі інтенсифікацію поглинання цеолітом електромагнітної енергії в процесі регенерації досягають використанням модифікованого цеоліту, що містить від 5 до 20 % оксиду тривалентного заліза. Розглянемо більш детально процеси, які протікають. Потужність електромагнітної енергії НВЧ-діапазону, що поглинається цеолітом, який містить у своєму складі воду і тривалентне залізо Fe2O3, на початку процесу сушіння в першому наближенні можна розглядати як суму потужностей, що поглинаються окремо структурою цеоліту, водою та Fe2O3. Значення комплексної діелектричної проникності " для Fe2O3 можна прийняти рівною 113 [Тихонов В.В., Полякова О.Н., Гольцман Г.Н., Дзарданов А.Л., Боярский Д.А. Определение диэлектрических характеристик рудных минералов в микроволновом диапазоне // Изв. вузов. Радиофизика. 2008. Т. 51. № 12. С. 1071-1080.] При зміні вихідної вологості цеоліту в від 10 % до 40 % відношення К НВЧ-потужності, що поглинається на початку процесу сушіння, до потужності, що поглинається в кінці процесу сушіння, залежить від кількості Fe2O3 в складі цеоліту ж. Результати розрахунку наведені таблиці 1. Таблиця 1 - Залежність відношення НВЧ-потужностей, що поглинаються на початку і в кінці процесу регенерації від вмісту Fe2О3. Таблиця 2 - Ефективність процесу регенерації. Таблиця 3 - Енергоспоживання процесу регенерації. З даних таблиці 1 виходить, що вибором кількості оксиду тривалентного заліза Fe 2O3, що вводиться до складу цеоліту при його виготовленні, можна досягати допустимої зміни відношення потужностей, що поглинаються, на початку і в кінці процесу сушіння. Це означає, що реалізується керований процес сушіння цеоліту в залежності від вмісту оксиду тривалентного заліза. Для перевірки впливу кількості введеного тривалентного заліза до складу цеоліту на ефективність процесу його сушіння проведені експериментальні дослідження. Були виготовлені зразки цеоліту масою по 100 г. Процес виготовлення цеоліту залишався без зміни, тільки при виготовленні компонентів додавали порошок Fe2O3 з розмірами часток не більше 1 мкм. Зразки цеолітів були опромінені електромагнітної енергією НВЧ-діапазону потужністю 300 Вт протягом 35 хвилин кожен. У таблиці 2 наведено результати випробувань стандартного зразка синтетичного цеоліту типу А і виготовлених зразків з добавкою Fe2O3. На підставі отриманих результатів можна зробити висновок, що добавка до складу синтетичного цеоліту оксиду заліза сприяє збільшенню швидкості і більш повної десорбції води з цеоліту. Цеоліт з добавкою Fe2O3, що має найбільшу здатність перетворення електромагнітної енергії НВЧ в теплову, містить Аl2О3-17,5 %, SiO2-60 %, Fe2O3-20 %, Na2O-2,5 %. Випробування виготовлених зразків на механічні дії показали, що достатню механічну міцність мають зразки, що містять 5, 10, 15 % Fe2O3, і мінімальну - зразок з 20 % Fe2O3. Процес десорбції проводився при атмосферному тиску. 2 UA 83469 U 5 Для зразка цеоліту, що містить 20 % Fe2O3, визначені енерговитрати, необхідні для десорбції при атмосферному тиску. Отримані результати наведені в таблиці 3. Питома споживана енергія в експерименті склала 90 Втгод./моль, середня швидкість втрати води склала ~ 1 г/хв. на відміну від аналога, де питома споживана енергія становила 139,3 Втгод./моль, а швидкість втрати води - 0,63 г/хв. Таким чином, введення до складу цеоліту оксиду тривалентного заліза при регенерації цеоліту з використанням електромагнітної енергії НВЧ-діапазону забезпечує зниження енерговитрат і підвищення швидкості процесу сушіння. Таблиця 1 Початкова вологість цеоліту (в), % 10 20 30 40 Вміст Fe2O3 в цеоліті (ж), % при К=2 6.8 13,7 20,7 27,6 Вміст Fe2O3 в цеоліті (ж), % при К=6 1,3 2,7 4,08 5,47 10 Таблиця 2 Склад цеоліту, % Аl2О3 18* 17,5* 17,5* 17,5* 20* SiO2 75 70 65 60 78 Fe2O3 5 10 15 20 0 Термін експозиції, хв. 17,5 17,5 Кількість десорб. води, % 71,0 23,5 79,0 18,0 93,0 5,7 95,0 4,5 56,0 34,0 Залишок води в цеоліті, % 5,5 3.0 1,3 0,5 10,0 * - останнє - натрій в вигляді Na2O. Таблиця 3 Маса Потужність Початковий Тривал. цеоліту, НВЧвміст вологи, % сушіння, хв. г генератора, Вт 100 35 300 35 Температура сушіння, °C 150 Сер. швидкість втрати вологи, г/хв. 1,0 Остаточна вологість, % 0,5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Спосіб регенерації цеолітів, що полягає у збудженні електромагнітного поля НВЧ-діапазону в зоні розміщення матеріалу, що обробляється, який відрізняється тим, що інтенсифікацію поглинання цеолітом електромагнітної енергії в процесі регенерації досягають використанням модифікованого цеоліту, що містить від 5 до 20 % оксиду тривалентного заліза. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3