способ получения гуминовых кислот и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения гуминовых кислот, при котором измельчают уголь, обрабатывают его экстрагентом и акустическими колебаниями, представляющими собой чередование положительных и отрицательных полупериодов смещения пульпы, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффективности, производительности и степени извлечения гуминовых кислот, а также повышения их биологической активности за счет интенсивной последовательно-параллельной обработки пульпы кавитирующими вибрационными струями и ее перемешивания микро-, макро- и циркуляционными потоками, обработку угля осуществляют при движении пульпы сверху вниз в виде параллельных потоков с увеличивающейся интенсивностью воздействия низкочастотными акустическими колебаниями и в каждый положительный полупериод колебаний осуществляют разгон пульпы в одной группе потоков, а в каждый отрицательный полупериод колебаний осуществляют разгон пульпы в другой группе потоков, причем в обоих случаях ускоренные потоки направляют на жесткие неподвижные перегородки и производят их торможение, при этом часть пульпы из нижней зоны с большей интенсивностью обработки направляют в верхнюю зону с низкой интенсивностью обработки.

2. Устройство для получения гуминовых кислот, содержащее корпус, приспособление для подвода и отвода взаимодействующих фаз, рабочие органы и вибровозбудитель, отличающееся тем, что корпус снабжен циркуляционной трубой, диафрагмой и поршнем с закрепленным на нем штоком, на верхнем конце которого установлен загрузочный элемент с упругой мембраной, при этом шток проходит через центральные отверстия в рабочих органах, которые выполнены в виде установленных по высоте корпуса перегородок с закрепленными в них струеформирующими насадками с, например, цилиндроконическими отверстиями, направленными попеременно вверх и вниз, оси которых у смежных перегородок смещены относительно друг друга.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что загрузочный элемент выполнен в виде конуса, в нижнем основании которого установлена упругая мембрана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения биостимуляторов роста растений, в частности к области экстракционного извлечения гуминовых кислот в виде водорастворимых солей-гуматов из окисленного бурого и каменного угля, а также из торфа, и может быть использовано в процессах растворения, гомогенизации, перемешивания, эмульгирования и диспергирования веществ и материалов различного рода в химической, керамической, лакокрасочной и других отраслях промышленности.

Известен способ получения гуминовых кислот, включающий измельчение угля, обработку его экстрагентом, перемешивание и разделение твердой и жидкой фаз [1]

Недостаток способа заключается в том, что при большой длительности процесса происходит сильное набухание угля в объеме растворителя, и образующаяся гелеобразная масса чрезвычайно плохо разделяется, в том числе при использовании центрифуг. Все это обуславливает низкую эффективность и малую производительность процесса извлечения гуминовых кислот, высокую энергоемкость и сложность применяемого оборудования.

Известно также устройство для экстракционного разделения веществ, включающее корпус, приспособление для подвода и отвода взаимодействующих фаз, рабочие органы в виде перфорированных дисков и вибровозбудитель [2]

Известное устройство обладает высокой удельной энергоемкостью из-за большой инерционности рабочего органа, низкой производительностью из-за невысокой интенсивности воздействия на материалы и слабого взвешивания частиц твердой фазы, что приводит к их оседанию и зашламовыванию внутреннего объема корпуса.

Целью изобретения является увеличение эффективности, производительности и степени извлечения гуминовых кислот, а также повышение их биологической активности за счет интенсивной последовательной обработки пульпы кавитирующими вибрационными струями и ее перемешивания микро-, макро- и циркуляционными потоками.

Цель достигается тем, что по способу получения гуминовых кислот, по которому измельчают уголь, обрабатывают его экстрагентом и акустическими колебаниями, представляющими собой чередование положительных и отрицательных полупериодов смещения пульпы, обработку угля осуществляют при движении пульпы сверху вниз в виде параллельных потоков с увеличивающейся интенсивностью воздействия низкочастотными акустическими колебаниями и в каждый положительный полупериод колебаний осуществляют разгон пульпы в одной группе потоков, а в каждый отрицательный полупериод колебаний осуществляют разгон пульпы в другой группе потоков, причем в обоих случаях ускоренные потоки направляют на жесткие неподвижные перегородки и производят их торможение, при этом часть пульпы из нижней зоны с большей интенсивностью обработки направляют в верхнюю зону с низкой интенсивностью обработки.

Цель достигается также тем, что в устройстве для экстракционного разделения веществ, содержащем корпус, приспособление для подвода и отвода взаимодействующих фаз, рабочие органы и вибровозбудитель, корпус снабжен циркуляционной трубой, диафрагмой и поршнем с закрепленным на нем штоком, на верхнем конце которого установлен загрузочный элемент с упругой мембраной, при этом шток проходит через центральные отверстия перфорации рабочих органов, которые выполнены в виде установленных по высоте корпуса перегородок с закрепленными в них струеформирующими насадками с, например, цилиндроконическими отверстиями, направленными попеременно вверх и вниз, оси которых у смежных перегородок смещены относительно друг друга.

Цель достигается также тем, что загрузочный элемент выполнен в виде конуса, в нижнем основании которого установлена упругая мембрана.

На фиг. 1 представлено устройство, продольный разрез; на фиг. 2 и 3 сечения А-А и Б-Б на фиг. 1.

Устройство включает корпус 1, загрузочное приспособление 2 с подводящим патрубком 3, разгрузочное приспособление 4 с задвижкой 5, циркуляционную трубу 6 с задвижкой 7, поршень 8 с диафрагмой 9, шток 10 и вибровозбудитель 11. В корпусе 1 установлены рабочие органы 12 в виде жестких перегородок 13, в которых выполнены струеформирующие отверстия 14, например, цилиндроконической формы. На каждой перегородке 13 цилиндроконические отверстия 14 выполнены с чередованием направления сужения вверх и вниз. При этом оси цилиндроконических отверстий 14 смежных перегородок 13 смещены относительно друг друга. На поршне 8 закреплен центральный шток 15, проходящий через отверстия 16 перегородок 13, на верхнем конце которого установлен загрузочный элемент 17 с упругой мембраной 18. Стенки корпуса 1 покрыты теплоизолирующим материалом 19.

Устройство работает следующим образом.

По подводящему патрубку 3 корпус 1 заполняется горячей водой с добавлением щелочи при закрытой задвижке 5 разгрузочного приспособления 4 и при открытой задвижке 7 циркуляционной трубы 6. Вибровозбудителем 11 посредством штока 10 приводится в колебательное движение поршень 8 и диафрагма 9. Совместно с поршнем 8 в колебательное движение приводится центральный шток 15 с загрузочным элементом 17 и упругой мембраной 18.

Через загрузочное приспособление 2 в корпус подается измельченный бурый или окисленный уголь. Колебания поршня 8 и диафрагмы 9 трансформируются в низкочастотные механические колебания пульпы, заполняющей корпус 1. Каждая перегородка 13 с отверстиями 14 представляет собой активное сопротивление колебательному процессу, при этом при заданной интенсивности колебаний на поршне 8 и диафрагме 9 интенсивность колебаний убывает снизу вверх, т.е. максимальная интенсивность колебаний убывает снизу вверх, т.е. максимальная интенсивность колебаний реализуется в зоне поршня 8, а минимальная интенсивность колебаний реализуется в зоне, лежащей выше верхней перегородки 13. Разность в интенсивности колебаний вызывает перепад в амплитудах динамического давления в верхней и нижней частях корпуса 1, в результате чего возникает направленное движение пульпы сверху вниз. При закрытой задвижке 5 и открытой задвижке 7 возникает циркуляционное движение пульпы по трубе 6. Такой режим обработки устанавливается при запуске установки в работу, а также при дискретном получении экстракта гуминовых кислот. Для непрерывного получения экстракта гуминовых кислот открывается задвижка 5. При этом через трубу 6 обеспечивается непрерывная циркуляция части пульпы.

Возбуждаемые поршнем 8 низкочастотные механические колебания пульпы цилиндроконическими отверстиями 14 трансформируются в вибрационные затопленные струи. Такие отверстия обладают анизотропией сопротивления движению жидкой среды через них, в направлении сужения отверстий сопротивление движению жидкости меньше, чем в обратном направлении. Поскольку в каждой перегородке 13 цилиндроконические отверстия 14 выполнены в чередующемся порядке, то в каждый полупериод колебаний через часть отверстий 14, направление сужения которых совпадает с направлением движения пульпы, проходит больший объем жидкости, чем через другую часть отверстий. В результате этого возникает сложная гидродинамическая картина взаимодействия струй, включающая и вращательное движение с масштабом, равным примерно диаметру отверстий 14. В это же время в каждом отверстии 14 при совпадении направления колебательного движения с направлением сужения отверстия происходит разгон потока пульпы, давление в нем резко падает и вследствие этого возникает кавитация. Причем парогазовые кавитационные пузырьки возникают прежде всего на границах раздела фаз твердые частицы вода. Выбрасываемые из конических участков цилиндроконических отверстий 14 струи каждой перегородки 13 попадают на смежные перегородки 13, где происходит их резкое торможение, носящее характер гидроудара, приводящее к захлопыванию кавитационных пузырьков и к диспергированию частиц твердой фазы.

Как известно, органическое вещество бурых, окисленных бурых и каменных углей представлено гуминовыми кислотами. Будучи водонерастворимыми высокомолекулярными аморфными кислотами, гуминовые кислоты натрия, калия и аммония образуют водорастворимые соли соответственно натрия, калия и аммония. При этом раствор щелочи полностью нейтрализуется. Переход гуматов в раствор идет по диффузионному механизму, и значительная интенсификация процесса экстракционного извлечения гуминовых кислот достигается воздействием на пограничный слой и на частицы твердой фазы низкочастотными акустическими колебаниями и кавитирующими вибрационными струями.

Пульсирующие и схлопывающиеся парогазовые пузырьки, знакопеременное давление, мощные вибрационные затопленные струи вызывают интенсивную экстракцию и переход в растворенное в воде состояние гуминового вещества бурых и окисленных каменных углей. При этом экстракционное извлечение происходит не только с поверхности частиц твердой фазы, но и из внутренних областей, доступных действию экстрагента через поры, трещины, капилляры, размер которых увеличивается при обработке за счет их кавитационного раскрытия и действия знакопеременного расклинивающего давления.

Действие микро- и макромасштабных пульсаций скорости и давления, а также кавитации приводит к механической деструкции частей органических молекул, в результате которой происходит расщепление кислородных связей, в том числе сложноэфирных, и увеличивается содержание фенольных гидроксилов в составе экстрагируемого гуминового вещества. Увеличение содержания фенольных гидроксилов приводит к повышению биологической активности получаемых солей гуминовых кислот.

При непрерывном получении гуминовых кислот подача экстрагента (горячей воды с добавлением щелочи) и угля происходит непрерывно. Смачивание угля водой, подготовка его к обработке вибрационными затопленными струями, а также предотвращение налипания и забивания углем загрузочного приспособления 2 производятся колеблющимся загрузочным элементом 17. Для создания дополнительного напора при движении пульпы сверху вниз на загрузочном элементе 17 установлена упругая мембрана 18. Мембрана 18 закреплена так, что силы, действующие на нее при движении штока 15 вверх и вниз, различны. При движении штока 15 вверх мембрана 18 отгибается вниз и за счет увеличения площади поперечного сечения корпуса пропускает большой объем пульпы, а при движении штока 15 вниз мембрана занимает исходное положение и, снижая площадь поперечного сечения корпуса в месте своего расположения, препятствует возвращению этого объема пульпы назад, создавая тем самым дополнительный напор.

Пульпа, пройдя сверху вниз ряд перегородок и частично через циркуляционную трубу 6, отводится из корпуса через разгрузочное приспособление 4 для отделения раствора гуминовых кислот от твердой фазы.

Проверка осуществления способа проводилась на лабораторном стенде, аналогичном представленному на фиг. 1. В качестве вибровозбудителя использовался электродинамический стенд ВЭДС-200.

П р и м е р 1. Исходный уголь Канско-Ачинского месторождения дробился до крупности 0-3 мм и совместно с водой, температура которой изменялась в пределах 20-95^оС, и натриевой щелочью (до 10% от массы угля) подавался на обработку в рабочую камеру установки. Отношение Т:Ж изменялось в диапазонах от 1:1 до 1:15. Необходимая интенсивность возбуждаемых колебаний устанавливалась по возникновению характерного виброкипящего состояния среды, показывающего возникновение интенсивных вибрационных затопленных струй и парогазовой кавитации. При этом частицы твердой фазы переходят во взвешенное в воде состояние и участвуют в интенсивном относительном движении. Пробы пульпы отбирались из рабочей камеры с интервалом 1 мин и производилось определение содержания гумата натрия в растворе, выход гуминовых кислот и их биологическая активность.

Экспериментальными исследованиями установлено, что максимальный выход гуминовых кислот 98,2% наблюдается при отношении Т:Ж, равном 1:2. Содержание гумата натрия в растворе составляет при этом 8-12% Оптимальная температура составляет 60-80^оС, а длительность обработки 0,5-2 мин. Увеличения выхода гуминовых кислот при увеличении времени обработки свыше 2-5 мин не установлено. Двукратной обработкой угля обеспечивалось практически 100%-ное извлечение гуминовых кислот.

П р и м е р 2. Исходный уголь Майкубинского месторождения (Экибастуз) обрабатывался в рабочей камере при температуре 24-60^оС в течение 5-300 с при отношении Т: Ж, равном 1:2. Установлено, что 100%-ное извлечение гуминовых кислот при температуре 24^оС происходит в течение 50-60 с, а при температуре 60^оС в течение 5-10 с.

При обработке среды низкочастотными акустическими колебаниями и вибрационными затопленными струями наблюдается интенсивное диспеpгирование частиц твердой фазы, приводящее к образованию тонкодисперсной взвеси, которую чрезвычайно трудно отделить от жидкой фазы. Такое явление отмечается при длительности обработки свыше 3-5 мин.

Сравнительными испытаниями установлено, что экстракционное извлечение гуминовых кислот из угля в реакторе с температурой среды 90^оС в условиях непрерывного механического перемешивания мешалкой позволяет извлекать до 80% гуминовых веществ только при длительности обработки не менее 2 ч для угля Канско-Ачинского месторождения и не менее 40 мин для угля Майкубинского месторождения. При этом наблюдается сильное набухание угля с образованием характерной гелеобразной структуры, обработка которой с целью отделения жидкой фазы от твердой чрезвычайно затруднена даже при применении центрифуги с высоким фактором разделения. Содержание гумата натрия в растворе составляет 2,2%

Установлено, что при низкочастотной акустической обработке наблюдается уменьшение карбоксильных и хиноидных групп и увеличение содержания фенольных гидроксилов. Очевидно, что при такой обработке имеет место процесс восстановительной деструкции, в результате чего происходит расщепление кислородных связей, в том числе сложноэфирных, и увеличивается выход гуминовых кислот.

При одинаковых условиях биологическая активность гумата натрия, получаемого при низкочастотной акустической обработке, составляла 28-32% в то время как биологическая активность гумата натрия, получаемого в реакторе механическим перемешиванием угля со щелочью, не превышала 18-20%

Изобретение обеспечивает следующие преимущества: сокращение времени обработки угля в сотни раз и увеличение производительности более чем на 2 порядка, получение высококонцентрированного (до 18%) раствора гумата натрия, возможность эффективного разделения жидкой и твердой фаз простым отстаиванием или фильтрованием.