СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЖИДКОТЕКУЧИХ СРЕД И РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК B01F7/00 

Изобретение относится к способам обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате и может быть использовано для проведения процессов смешения, перемешивания, растворения, диспергирования, гомогенизирования, эмульгирования, проведения звукохимических реакций в химической, нефтедобывающей, пищевой, фармацевтической, микробиологической, парфюмерной, энергетической, в строительстве, в дорожном строительстве и других отраслях промышленности.

Известен способ обработки жидкотекучих сред и роторно-пульсационный аппарат для его осуществления [1] (авторское свидетельство СССР N 1479088, кл. B 01 F 7/28, 15.05.89), заключающийся в том, что обработку жидкотекучей среды, например суспензии, содержащей минеральные удобрения, ведут в условиях гидроакустического воздействия с определенной интенсивностью и частотой вибрирующим статором. Аппарат содержит корпус с входным и выходным патрубками, разрезной статор с проточными каналами, кольцевые упругие вкладыши и ротор, выполненный в виде центробежного насоса, в котором размещены дополнительные лопасти. Аппарат работает следующим образом. Обрабатываемая среда, например суспензия минеральных удобрений, подается в аппарат через входной патрубок. В аппарате она подвергается со стороны ротора и пульсирующего статора гидроакустическому воздействию, благодаря чему она диспергируется, гомогенизируется и т. д. Недостатком этого способа и устройства является его низкая эффективность при проведении процессов диспергирования, эмульгирования, проведении звукохимических реакций. Так, например, при диспергировании гидрофобных защищаемых компонент цветного проявления, средний размер (диаметр) частиц, получаемых по этому способу и на этом устройстве, составляет 0,6-0,8 мкм. Кроме того, в данном аппарате не эффективно используется ротор для генерации акустических колебаний из-за его конструктивных особенностей, а именно, выполнения его в виде колеса центробежного насоса, состоящего из диска с установленными на нем лопастями и покрывного диска (крышки), закрывающего проточные каналы. Такая конструкция обладает высокой жесткостью, что является препятствием для возникновения в нем эффективных по амплитуде акустических колебаний. Интенсивность колебаний этого устройства при осуществлении этого способа не превышает 50 Вт/см², а акустические частоты не превышают 2 кГц.

Известен способ обработки жидкотекучих сред и роторно-пульсационный аппарат для его осуществления [2] (авторское свидетельство СССР N 331811, кл. B 01 F 11/02, 1969 г.), наиболее близкий по сущности к предлагаемому изобретению, взятый нами за прототип, заключающийся в гидромеханическом воздействии на среду со стороны ротора и статора в зазорах между коаксиальными цилиндрами ротора и статора. При вращении ротора создаются определенные градиенты скоростей (3•10² - 3•10⁴ мм/сек мм), пульсирующие потоки жидкотекучей среды, например смеси мазута и воды, содержащей 90 - 70% мазута и 10 - 30% воды, что приводит к образованию водо-мазутной эмульсии.

Устройство содержит корпус, входной и выходной патрубки, статоры, выполненные в виде двух дисков, на торцах которых, обращенных к ротору, установлены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, и ротор, установленный между статорами, на торцах которого выполнены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, соединенный с помощью упругих лопаток со ступицей. Аппарат работает следующим образом. Например, смесь мазута и воды в вышеуказанных соотношениях через входной патрубок поступает в корпус аппарата, где под воздействием создаваемого вращающимся ротором поток движется в радиальном направлении.

Проходя последовательно через проточные каналы ротора и статора смесь (жидкотекучая среда) подвергается гидродинамическому воздействию (пульсации скорости, давления, градиента скорости в зазорах между цилиндрами ротора и статора), что и приводит к образованию водо-топливной эмульсии. Недостатком этого способа является то, что размер частиц водной фазы в мазутной среде по диаметру составляет 5-10 мкм. Такая эмульсия имеет низкую агрегативную устойчивость, исчисляемую, в зависимости от марки мазута и состава воды, от одного до двух месяцев. Недостатком конструкции данного устройства является то, что из-за конструктивных особенностей выполнения ротора, как единого целого, в аппарате не создается достаточного акустического поля (обладающего необходимой частотой, интенсивностью) для получения эмульсий с меньшими размерами по диаметру частиц водной фазы, что делает эмульсии, полученные на данном устройстве по этому способу, не устойчивыми во времени. Максимальные акустические частоты, излучаемые в этом случае не превышают 2 кГц, а интенсивность не превышает 50 Вт/см².

Техническим эффектом изобретения является повышение эффективности процесса обработки жидкотекучих сред за счет повышения интенсивности и частоты колебаний ротора в части повышения диспергирующей способности, повышения производительности, расширения сфер применения, для проведения различных процессов, в том числе и проведения звукохимических реакций, использование его в процессах нефтепереработки, приготовления высоко устойчивых водотопливных эмульсий, для пастеризации и стерилизации пищевых продуктов, для проведения процессов экстракции.

Сущность изобретения по способу характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, обеспечивающих достижение указанного эффекта тем, что в способе обработки жидкотекучей среды в роторно-пульсационном акустическом аппарате акустическим полем, создаваемым элементами аппарата, согласно изобретению обработку ведут виброакустическими веерными пространственными относительно друг друга колебаниями различной формы, частоты, амплитуды и интенсивности ротора, выполненного в виде двух дисков, обращенных друг к другу торцевыми поверхностями, имеющими между собой по периферии зазор, и жестко закрепленных между собой в области ступицы.

Для усиления эффекта обработку ведут ротором, у которого диски имеют разные частоты и формы вибрационно-акустических колебаний.

Сущность изобретения в части устройства характеризуется следующей совокупностью признаков, обеспечивающих достижение указанного эффекта тем, что в устройстве, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, статоры, выполненные в виде дисков, на торцах которых, обращенных к ротору, установлены коаксиальные цилиндры с проточными каналами и ротор, установленный между статорами, на торцах которого выполнены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, соединенный со ступицей с помощью упругих лопаток, согласно изобретению ротор выполнен в виде двух дисков, обращенных друг к другу плоскими торцами, жестко, без зазора скрепленных друг с другом в области ступицы и имеющими зазор между собой в остальной части.

Ведение обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате в условиях вибрационно-акустических веерных пространственных относительно друг друга колебаний ротора, выполненного в виде двух дисков, обращенных друг к другу торцевыми поверхностями, имеющими между собой по периферии зазор, и жестко скрепленных между собой в области ступицы, совершающих веерные колебания различной формы, частоты, амплитуды и интенсивности, позволяет получать, например, водотопливные эмульсии с содержанием воды в пределах 10-20% в мазуте, с размерами частиц по диаметру капель воды 0,15-0,1 мкм, которые сохраняют устойчивость от 1,5 до 2 лет.

Для расширения частотного спектра акустических колебаний обработку, например, гидрофобных цветообразующих компонент цветного проявления, ведут ротором, у которого диски имеют разные частоты и формы виброакустических колебаний. Это позволяет вести эффективно обработку жидкотекучих сред, имеющих в своем составе различные по диаметру частицы дисперсной фазы, т.к. эффективный процесс диспергирования происходит тогда, когда частоты, возникающие в устройстве, близки или совпадают с резонансными частотами частиц дисперсной фазы. Так диспергирование гидрофобных защищаемых компонент по этому способу сокращает время диспергирования на 20-30% по сравнению с известными способами.

Выполнение ротора в виде двух дисков, обращенных друг к другу плоскими торцами, жестко, без зазора скрепленных друг с другом в области ступицы и имеющими зазор в остальной части, приводит к тому, что жесткость ротора, его масса, в предлагаемом устройстве ниже жесткости и массы известных роторов, что повышает частоту собственных колебаний каждого диска ротора, увеличивая тем самым акустическую мощность, излучаемую ротором аппарата. В результате проведенных научно-исследовательских работ нами получены количественные и качественные данные о формах, частоте, интенсивности колебаний по предлагаемому изобретению (см. фиг. 5-10).

Существенными отличительными признаками изобретения являются по способу - ведение обработки жидкотекучих сред вибрационно-акустическими пространственными относительно друг друга колебаниями ротора, выполненного в виде двух дисков, обращенных друг к другу торцевыми поверхностями, имеющими между собой по периферии зазор, и жестко сопряженных между собой в области ступицы, совершающих веерные колебания различной формы, частоты, амплитуды, интенсивности, кроме того, обработку ведут дисками, частоты и формы вибрационно-акустических колебаний которых не совпадают. В части устройства существенными отличительными признаками изобретения являются выполнение диска ротора в виде двух дисков, обращенных друг к другу плоскими торцами, имеющими между собой по периферии зазор, и жестко скрепленных друг с другом в области ступицы.

Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с известными техническими решениями позволяет нам сделать вывод о новизне и соответствии условию изобретательского уровня изобретения.

На фиг. 1 изображен продольный разрез роторно-пульсационного акустического аппарата, на фиг.2 - сечение А-А фиг. 1, на фиг. 3 - элемент Б фиг. 1 в увеличенном масштабе (повернуто на 180^o), на фиг. 4 - сечение В-В фиг. 1 в увеличенном масштабе, на фиг. 5-10 представлены различные формы колебаний диска ротора при различных частотах, амплитудах и интенсивностях, на фиг. 11 представлен график сохраняемости цельного молока, обработанного по предлагаемому изобретению. По горизонтальной оси отложено время хранения молока в сутках, по вертикальной оси - кислотность молока в градусах Тернера, максимальный срок хранения пастеризованного молока по ГОСТу - 36 часов, максимальная кислотность - 24 градуса Тернера, на фиг. 12 - график обеззараживания сточных вод, по горизонтальной оси отложено количество циклов обработки воды по изобретению, по вертикальной оси - количество бактерий в одном миллилитре, в таблице 1 фиг. 13 представлены данные обработки цельного молока, в таблице 2 фиг. 14 - данные восстановления сухого молока, ОМЧ и БГКП - общее микробное число и бактерии группы кишечной палочки, ОМЧ дано в одном миллилитре, для пастеризованного и стерильного молока ОМЧ 50000 и 1000 ед. в мл соответственно, в таблице 3 фиг. 15 - данные обработки битума, температура размягчения КиШ определяется по ГОСТ 11506-78 - это температура, при которой битум из твердого состояния переходит в жидкое состояние, пенетрация характеризует глубину проникновения иглы в битум и характеризует степень твердости битума, температура хрупкости - температура, при которой битум разрушается от действия кратковременной нагрузки, в таблице 4 фиг. 16 приведены данные "заглушки" бактерий по изобретению, проводившиеся на 30%-ном водном растворе пекарских дрожжей. На фиг. 5-10 индексами "П" обозначены пучности колебаний диска ротора - максимальная амплитуда колебаний, индексами "У" обозначены узлы колебаний диска ротора - амплитуда колебаний равна нулю.

Устройство содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками. В корпусе 1 установлены два статора 4, на торцах которых установлены коаксиальные цилиндры 5 с проточными каналами 6. Между двух статоров 4 размещен ротор 7, установленный с помощью ступицы 8 на валу 9. Ротор 7 выполнен в виде двух дисков 10 и 11, например из титанового сплава, на торцах которых, обращенных к статорам, размещены коаксиальные цилиндры 12 с проточными каналами 13. Диски роторов 10 и 11 соединены со ступицей 8 с помощью упругих лопаток 14. Между дисками ротора 10 и 11 в области ступицы 8 установлена, например, шайба (прокладка) 15. Оба диска ротора жестко соединены между собой, например, с помощью гайки 16. Между дисками имеется зазор "а".

Устройство работает следующим образом. Через входной патрубок 2 обрабатываемая жидкотекучая среда, например, молоко, битум, водо-мазутная смесь, дисперсии защищаемых компонент, поступает в корпус 1, где под действием, создаваемым вращающимся на валу ротором 7, его упругими лопатками 14, стенками проточных каналов 13, она движется в радиальном направлении. Обрабатываемая среда подвергается воздействию со стороны конструктивных экспериментов статоров 4, образованных коаксиальными цилиндрами 5 и проточными 6 и ротора 7, его двух дисков 10 и 11 (коаксиальными цилиндрами 12 и проточными каналами 13). Благодаря тому, что ротор 7 выполнен в виде двух дисков 10 и 11, жестко скрепленных между собой в области ступицы 8, с помощью, например, шайбы 15 с гайкой 16, эти диски 10 и 11 имеют в остальной части зазор "а". Такое выполнение ротора 7 позволяет каждому диску 10 и 11 совершать веерообразные колебания различной формы и амплитуды. Частоты этих колебаний достигают значений 63 кГц при интенсивности 150 - 350 Вт/см². Благодаря гидромеханическому и высокочастотному акустическому воздействию элементов конструкции статоров 4 и ротора 7 на обрабатываемую среду удается значительно повысить эффективность работы предлагаемого устройства. Так, время диспергирования, например, гидрофобных защищаемых компонент сокращается на 20 - 30%, при этом повышается гомогенность получаемой дисперсии на 1 - 2%, при получении водо-топливных эмульсий удается получить с помощью предлагаемого способа и устройства высокоустойчивые водо-мазутные эмульсии со сроком хранения от 1,5 до 2 лет с размерами частиц водной фазы 0,15 - 0,1 мкм по диаметру. Обработанная по предлагаемому способу в предлагаемом устройстве жидкотекучая среда через выходной патрубок 3 покидает аппарат.

На фиг. 5 представлены формы веерообразных колебаний дисков ротора 10 и 11 с частотой f = 15 кГц; на фиг. 6 - то же с частотой f = 2 кГц; на фиг. 7 то же с частотой f = 20 кГц; на фиг.8 - то же с частотой f = 10 кГц; на фиг. 9 - то же с частотой f = 8 кГц; на фиг. 10 - то же с частотой f = 4 кГц. Из представленных фиг. 5-10 - веерные колебания дисков ротора 10 и 11 различной формы, частоты, интенсивности.

Выполнение дисков ротора, имеющих различные формы, частоты вибрационно-акустических колебаний, для ведения соответствующей обработки, возможно выполнением их из различных материалов, например, один изготавливается из титанового сплава ВТ-1 с акустической добротностью δ = 22000, а другой - из титанового сплава ВТ-4 с акустической добротностью δ = 16000, или из одного и того же материала, но имеющих разные толщины или разные диаметры, и т.д. или имеющих на своих торцах различное количество коаксиальных цилиндров 12, различную их высоту, число проточных каналов 13, различные способы обработки дисков при их изготовлении, например, термообработка, штамповка, электрохимическая обработка, различные способы и виды покрытий и т.д. Акустическая добротность δ - количественная характеристика резонансных свойств, указывающая во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте, много отличающейся от резонансной, но при одинаковой амплитуде возбуждающей силы.

В приведенных на фиг. 5 - 10 формах колебаний диска ротора видно, что они отличаются друг от друга, имеют различные частоты и интенсивности колебаний (интенсивность характеризуется степенью черноты темных участков диска, обозначенных "П" - пучности - максимальная амплитуда колебаний). Эти изображения получены для различных частот вращения диска ротора, для различных жидкотекучих сред, обрабатываемых по изобретению.

На графике фиг. 11 представлены сроки хранения пастеризованного цельного молока, обработанного по предлагаемому способу в предлагаемом устройстве при различной температуре, в таблице 1 фиг. 13 представлены данные по другим показателям, полученные после обработки цельного молока по предлагаемым способу и устройству, в таблице 2 фиг. 14 представлены данные по восстановлению сухого молока по изобретению. Из приведенных данных видно, что обработка молока и молочных продуктов согласно изобретению, а именно, обработка вибрационно-акустическими колебаниями ротора, выполненного в виде двух дисков, обращенных друг к другу торцевыми поверхностями, имеющими между собой по периферии зазор и жестко сопряженных (скрепленных) между собой в области ступицы, совершающих веерные колебания различной формы, частоты, амплитуды, интенсивности, приводит к пастеризации и стерилизации молока при температурах ниже традиционных, а, кроме того, эти процессы протекают на 20 - 30% быстрее чем, например, по способу [3] (Патент РФ N 2090253, кл. B 01 F 7/00, 20.09.1997).

Те же результаты получены по предлагаемому изобретению и в части получения дисперсий гидрофобных защищаемых компонент цветного проявления. Время получения всего ассортимента дисперсий сократилось на 20 - 30% по сравнению со способом [3].

По предлагаемому способу был обработан битум марки БНД 60/90, результаты этой обработки приведены в таблице 3 фиг. 15. По сравнению с исходным битумом у обработанного битума увеличилась пластичность (показатели пенетрации, растяжимости), увеличилась морозостойкость (показатель хрупкости), повысилась температура вспышки. Все эти показатели достигнуты благодаря обработке битума по изобретению, без ввода в него полимеров, вяжущих и т.д.

По предлагаемому изобретению была проведена обработка, обеззараживание сточных вод. Результаты представлены на графике фиг. 12, где по горизонтальной оси отложено время обработки, а по вертикальной оси - количество бактерий типа кишечная палочка в 1 мл воды. На графике представлены три кривые, соответствующие 50, 75 и 100 % излучаемой акустической мощности, за 100% взята интенсивность излучения 250 Вт/см². Из представленного графика видно, что обработка по предлагаемому изобретению позволяет резко снизить количество бактерий в воде и даже, при 75 и 100 процентной излучаемой акустической интенсивности получить по бактериальным показателям питьевую воду, т. к. по санитарным нормам в питьевой воде допускается наличие 100 бактерий типа кишечная палочка на 1 мл.

В таблице 4 фиг. 16 приведены результаты "заглушки" (уничтожения) бактерий, проведенных на модельной системе - 30% водном растворе пекарских дрожжей по предлагаемому изобретению. Для микробиологических систем существует 10 процентный барьер выживаемости микроорганизмов. Если количество бактерий, оставшихся после обработки будет меньше 10%, то такая система не способна к размножению, и наоборот, если останется микроорганизмов больше 10%, то такая система способна размножаться. Из приведенной таблицы видно, что предложенный способ и устройство могут с успехом применятся в микробиологической промышленности для проведения аналогичных процессов, процессов низкотемпературной заглушки бактерий. Объем модельной системы составлял 60 литров.

Режимы работы устройства следующие: частота вращения ротора 800 - 8000 об/мин, потребляемая мощность 60 - 140 кВт, диапазон излучаемых частот 100 Гц - 63 кГц, интенсивность излучения 150 - 350 Вт/см², время обработки, кроме указанных в таблицах и на графиках 0,5 - 3 мин, температура начала обработки, кроме битумов и указанных в таблицах 20^oC, для битумов 75^oC. Диски роторов выполнены из титановых сплавов ВТ 1, ВТ 3-1, ВТ 4, ВТ 8, ВТ 9, толщина дисков ротора 2 - 4 мм, диаметры дисков в пределах 160 - 240 мм. Обработка вышеуказанных продуктов по аналогу и прототипу не давала тех результатов, которые получались по предлагаемому изобретению.

Эффект от использования предлагаемого способа и устройства заключается в повышении производительности процесса приготовления дисперсий на 20 - 30%, повышении качества получаемых дисперсий, повышении пастеризующего и стерилизующего эффектов на 2 - 4% по сравнению с известными способами такой пастеризации/стерилизации, например, молока и молочных продуктов. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет интенсифицировать звукохимические реакции, например, получение металлоорганических соединений лития, магния и т.д..

ЛИТЕРАТУРА
1. Авторское свидетельство СССР N 1479088, кл. В 01 F 7/28, 7/00, 15.05.89.

2. Авторское свидетельство СССР N 331811, кл В 01 F 11/02, 1969 - прототип.

3. Патент РФ N 2090253, кл. В 01 F 7/00, 26.09.97.

Изобретение может использоваться в химической, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, пищевой, топливно-энергетической, фармацевтической, парфюмерной, химико-фотографической, микробиологической промышленности, строительстве, дорожном строительстве и т.д. Обработку жидкотекучих сред ведут вибрационно-акустическими колебаниями ротора, выполненного в виде двух дисков, обращенных друг к другу торцевыми поверхностями, имеющими между собой по периферии зазор, и жестко сопряженных между собой в области ступицы, совершающих веерные пространственные и относительно друг друга колебания различной формы, частоты, амплитуды, интенсивности. Обработку могут вести дисками, частоты и формы вибрационно-акустических колебаний которых не совпадают. Это позволяет повысить эффективность обработки жидкотекучих сред за счет повышения частоты, амплитуды, интенсивности колебаний ротора. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате акустическим полем, создаваемым элементами аппарата, отличающийся тем, что обработку ведут виброакустическими веерными пространственными относительно друг друга колебаниями различной формы, частоты, амплитуды и интенсивности ротора, выполненного в виде двух дисков, обращенных друг к другу торцевыми поверхностями, имеющими между собой по периферии зазор, и жестко закрепленных между собой в области ступицы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут дисками, частоты и формы вибрационно-акустических колебаний которых не совпадают. 3. Роторно-пульсационный акустический аппарат, содержащий корпус, входной и выходной патрубки, статоры, выполненные в виде двух дисков, на торцах которых, обращенных к ротору, установлены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, и ротор, установленный между статорами, на торцах которого выполнены коаксиальные цилиндры с проточными каналами, соединенный с помощью упругих лопаток со ступицей, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде двух дисков, обращенных друг к другу плоскими торцами, жестко, без зазора скрепленных друг с другом в области ступицы и имеющих зазор между собой в остальной части.