СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В РАЗНОФАЗНОЙ СРЕДЕ Российский патент 2003 года по МПК B01F11/00 

Изобретение относится к области физико-химических технологий и может наиболее эффективно использоваться для получения гомогенных (тонкодисперсных) эмульсий из несмешивающихся жидкостей, в частности при получении гидротоплива, т.е. смеси воды и топлива, например мазута. Предлагаемый способ может быть также использован и при перемешивании различных компонентов, в том числе и твердых, но с обязательным условием, чтобы один из них был жидким. Возможно применение способа для получения энергии.

Известен способ осуществления физико-химических реакций путем перемешивания различных компонентов в смесителе, содержащем лопастную мешалку, смонтированную в емкости и связанную с вращательным приводом [1].

Недостатком такого способа является его низкая реакционная производительность, связанная, в основном, с низкими скоростями перемешивания или, другими словами, с незначительной степенью турбулизации смеси, которая является основным технологическим стимулом при проведении химических реакций. Увеличение степени турбулизации вызывает рост вязкостных сопротивлений, что ведет к значительному возрастанию энергоемкости процесса.

В значительной мере свободен от вышеописанных недостатков способ, принятый авторами за прототип [2]. Он состоит в том, что осуществление физико-химических реакций в разнофазной среде, одна из которых является жидкой, ведут в процессе ее перемещения в лабиринтном канале, который образован элементами конструкции. Так, внутри корпуса аппарата размещено перемешивающее устройство, выполненное в виде рядов соосных дисков, одни из которых являются сплошными, а другие - кольцевыми. При этом диски установлены в чередующемся порядке. Оба типа дисков установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения друг относительно друга, для чего сплошные диски связаны с электровиброрезонансным двигателем (далее двигателем), размещенным с одной стороны корпуса, а кольцевые - связаны с таким же двигателем, размещенным на противоположной стороне этого корпуса [2]. Реализуется способ при прохождении среды по лабиринтному каналу, образованному дисками, когда последние находятся в противофазном движении друг относительно друга. При этом достигается высокая степень турбулизации среды, по мере ее движения, и таким образом интенсифицируется реакционная способность физико-химического процесса. Если учесть, что перемешивание осуществляется в виброрезонансном режиме, то можно говорить о весьма низких энергозатратах на осуществление способа-прототипа. Следует отметить, что интенсивность перемешивания может регулироваться за счет того, что конструкция аппарата допускает как совместное перемещение дисков в противофазе, так и раздельную работу то одного, то другого дисков благодаря индивидуальности привода на каждый из них.

Как показала практика использования смесителей, реализующих технологию интенсивной турбулизации перемешиваемой среды, одна из которых является жидкой, путем многократного воздействия на нее при перемещении в лабиринтном канале, образованном рядами дисков, для полного завершения цикла физико-химических превращений необходима рециркуляция среды через реакционный объем. Даже высокая степень турбулизации не дает возможности, как указано в описании прототипа, "мгновенно" перемешиваться. Для качественного осуществления этого процесса необходима по меньшей мере 3-4-кратная рециркуляция объема среды через смеситель. Возможно уменьшение кратности, но только за счет увеличения длины лабиринта, т.е. увеличения числа дисков, что влечет за собой усложнение конструкции смесителя и повышение энергоемкости процесса. Следует отметить, что виброрезонансный режим, в котором реализуется способ, практически труднодостижим, тем более при необходимости согласованной работы двух приводов, что, как следствие, скажется на стабильности процесса турбулизации и в целом на надежности прогнозируемого результата реализуемого способа. Одной из причин является затухание процесса перемешивания при рассогласовании частот вынужденных колебаний привода с собственной частотой колеблющейся системы. Последняя не может быть строго стабильным параметром, хотя бы в силу переменности массы среды, которая значительна, поступающей в реакционный объем. Гидродинамика, сопровождающая процесс перемешивания, также вносит элемент нестабильности в резонансный режим работы приводов аппарата.

Таким образом, целью изобретения является повышение надежности и производительности процесса осуществления физико-химических реакций в разнофазной среде при уменьшении энергозатрат.

Цель, согласно изобретению, достигается за счет того, что при осуществлении физико-химических реакций в разнофазной среде, одна из которых является жидкой, путем турбулизации последней при ее перемещении в лабиринтном канале, образованном корпусом и расположенными в нем рядами соосных дисков, установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения, их амплитуду выбирают не менее 0,1 от величины расстояния между дисками при отношении последнего к минимальной величине взаимного перекрытия соседних дисков не более 0,05.

Осуществлению поставленной цели, т.е. повышению надежности и производительности, способствуют отличительные признаки предлагаемого изобретения. Действительно, при перемещении дисков в жидкой среде, при условии соблюдения вышеуказанных соотношений, в последней, наряду с обычно имеющей место в смесителе турбулизацией, возникает активная кавитация. Степень активности получаемой кавитации оценивается количеством навигационных пузырьков (оптимальный диаметр 100-150 мкм) в удельном объеме, в частности в кубическом сантиметре. При реализации признаков предлагаемого изобретения, как показали расчеты, количество пузырьков в удельном объеме возрастает в несколько раз в сравнении с ультразвуковыми методами получения кавитации и, что особенно важно, увеличится реакционный объем, охватываемый кавитацией, или, иначе, размеры кавитационного поля, создаваемого между каждой парой соседних дисков. Таким образом, турбулизация разнофазной среды, одна из которых является жидкой, дополненная кавитацией, способна значительно повысить производительность и технологическую эффективность физико-химических реакций, сделав последние более надежными в плане получения необходимого качества конечного продукта.

На прилагаемых к описанию чертежах даны:
- на фиг.1 - схематическое изображение фрагмента осевого сечения реактора;
- на фиг.2 - изображение пространства между парой соседних дисков.

Для реализации предлагаемого способа используется смеситель или реактор, аналогичный описанному в [2]. Основу смесителя составляет корпус 1, который крепится на фундаменте (не показан) и внутри которого соосно размещены ряды чередующихся дисков 2 и 3, отличие которых друг от друга состоит в том, что диски 2 выполнены с центральным отверстием, а диски 3 - сплошные. Все диски установлены с зазором относительно корпуса 1. Диски 2 связаны с помощью тяг 4 между собой и с приводом их возвратно-поступательного перемещения - электромагнитным вибродвигателем (не показан), расположенным в верхней части корпуса 1. Диски 3 соединены между собой посредством штанги 5, которая связана с другим вибродвигателем, смонтированным в нижней части корпуса 1. Чередующиеся пары дисков 2 и 3 установлены на расстоянии "Н" друг от друга, и величина минимального взаимного перекрытия равна "В". Совместно с корпусом 1 диски 2 и 3 образуют лабиринтный канал, при этом диски 2 образуют со стенками корпуса минимальный зазор. В рабочем режиме диски 2 и 3 колеблются в противофазе с амплитудой возвратно-поступательного перемещения "А", которая задается параметрами вибродвигателя и обрабатываемой среды. Возможны варианты раздельного использования дисков 2 и 3. Например, диск 2 совершает колебания, а диск 3 остается неподвижным, и наоборот. Однако наиболее эффективным режимом работы является совместное противофазное движение дисков 2 и 3.

Пример осуществления способа.

При расположении дисков 2 и 3 на расстоянии Н=6 мм амплитуду их возвратно-поступательного перемещения на приводах задают не менее 0,6 мм для каждого из дисков при их совместной работе. Минимальная величина взаимного перекрытия, исходя из принятого расстояния, равняется 120 мм. Таким образом, между парой соседних дисков образуется реакционный кольцевой объем, радиальное сечение которого представляет щель с шириной 6 мм и длиной 120 мм. При движении дисков в противофазе жидкая компонента обрабатываемой среды подвергается растяжению, причем наиболее интенсивному в средней части щели, так как периферийные зоны щели будут пополняться из зон сжатия через зазор между корпусом 1 и диском 3 и отверстие в диске 2. Однако даже при низких частотах колебаний дисков расстояние между последними в 6 мм создаст сильную турбулизацию среды на входе и выходе из щели, образуя гидравлическое сопротивление типа гидравлической пробки, которая будет препятствовать проникновению жидкости в центральную часть щели, ограничивая пополнение образовавшегося избыточного объема при противофазном движении дисков. В этих условиях жидкость в центральной части щели подвергается деформации растяжения на величину 1,2 мм, что вызывает нарушение ее сплошности и образование кавитационных пузырьков. Величина зоны активной кавитации, определяемая расстоянием "К", колеблется в пределах (0,25-0,5)В в зависимости от частоты колебаний и выбранного отношения Н/В. Как показали расчеты, в одном кубическом сантиметре жидкой среды в центральной части щели содержится не менее 25•10⁶ кавитационных пузырьков, что почти на два порядка выше той же характеристики при ультразвуковой кавитации, получаемой в оптимальном режиме, т.е. с частотой 20 кГц, длиной полуволны разрежения 3,8 мм и амплитудой 0,1 мм.

Подтверждением высокой эффективности предлагаемого способа являются результаты эксперимента по получению гидротоплива (смесь воды и мазута). Как показали анализы полученного продукта, его нельзя отнести к топливной эмульсии, так как даже самые тонкие химические анализы не обнаружили в нем свободную воду. Было получено новое химическое соединение с высокими теплотворными характеристиками. Так, при соотношении воды и мазута 40:60 температура факела на топливной горелке оставалась стабильной на уровне 1400^oС, т.е. чистого мазута. При этом на протяжении одного года образец продукта исследовался на возможность выделения из него свободной воды. Результат был отрицательный даже при периодическом нагреве продукта до 80^oС.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания изобретения
1. Авторское свидетельство СССР 1308372, кл. В 01 F 7/16, выдано 07.05.87.

2. Авторское свидетельство СССР 229462, кл. В 01 F 7/16, выдано 3.10.68 - прототип.

Изобретение относится к области физико-химических технологий и наиболее эффективно может быть использовано для получения гомогенных (тонкодисперсных) эмульсий из несмешивающихся жидкостей. Сущность изобретения состоит в том, что разнофазную среду, одной из которых является жидкость, подвергают деформации растяжение - сжатие с помощью плоских рабочих органов (дисков), между которыми помещают упомянутую среду. При этом диски совершают колебательные перемещения в противофазе с амплитудой не менее 0,1 от расстояния между ними при отношении последнего к минимальной величине взаимного перекрытия дисков не более 0,05. Способ позволяет за счет турбулизации разнофазной среды, одна из которых является жидкой, дополненной кавитацией, значительно повысить производительность и технологическую эффективность физико-химических реакций. 2 ил.

Способ осуществления физико-химических реакций в разнофазной среде, одна из которых является жидкой, путем турбулизации последней при ее перемещении в лабиринтном канале, образованном корпусом и соосно расположенными в нем рядами чередующихся сплошных и кольцевых дисков, установленных с возможностью возвратно-поступательного перемещения друг относительно друга, отличающийся тем, что амплитуду возвратно-поступательных перемещений дисков выбирают не менее 0,1 от величины расстояния между ними при отношении последней к минимальной величине взаимного перекрытия двух соседних дисков не более 0,05.