ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ВИХРЕВЫМ СЛОЕМ И ФЕРРОМАГНИТНАЯ ЧАСТИЦА ДЛЯ ТАКОГО РЕАКТОРА Российский патент 2020 года по МПК B01J19/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к устройствам для обработки материалов, в частности к физико-химическому реактору (далее ФХР) с вихревым слоем, который может использоваться в областях энергетики, нефтегазодобывающей, металлургической, химической промышленности, сельского и городского хозяйства, экологической защиты окружающей среды и в других областях промышленности для активации процессов обработки материалов, а также для обработки различных жидких сред и, в частности, для очистки промышленных и бытовых стоков. Изобретение относится также к ферромагнитной частице для использования в качестве элемента дискретного рабочего тела в таком реакторе.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Практически все известные аппараты с вихревым слоем и их модификации состоят из внешнего кольцевого индуктора, генерирующего вращающееся электромагнитное поле (далее ЭМП), в полость которого вставлена труба из немагнитного материала, во внутренней полости которой, представляющей собой рабочую зону с повышенными значениями индукции ЭМП, находится дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц, являющееся аналогом сплошного рабочего тела, такого как, например, ротор асинхронного электродвигателя или сплошной сердечник. Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы вызывает интенсивное вращательное и поступательное движение указанных частиц, образующих так называемый «вихревой слой», взаимодействие с которым существенно влияет на обрабатываемую среду, пропускаемую через трубу. Под воздействием ЭМП и вихревого поля в ФХР проявляется множество физико-химических процессов, при этом все известные процессы ускоряются во много раз. В частности, в обрабатываемой среде проявляются явления магнитострикции и кавитации, появляются акустические волны, возникает электролиз, интенсифицируются процессы смешивания, перемешивания и размола, и как следствие, ускоряются химические реакции, и т.п.

Известно устройство для обработки материалов (Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах вихревого слоя. Изд. "Техника", 1976 – [1]), представляющее собой корпус в виде полого цилиндра из немагнитного материала, помещённый внутрь индуктора. Индуктор создает вращающееся ЭМП. Внутрь корпуса полого цилиндра плотно вставлена цилиндрическая втулка из немагнитного материала, являющаяся реакционной камерой устройства, внутри которой находятся ферромагнитные частицы. Под действием вращающегося ЭМП ферромагнитные частицы, выполненные в виде тонких цилиндрических стержней, в качестве которых часто используется рубленая проволока, гвозди и т.п., вращаются в реакционной камере аппарата, следуя за вращением силовых линий создаваемого индуктором ЭМП, в плоскости, нормальной к оси реакционной камеры, и поступательно перемещаются по круговым траекториям вокруг продольной оси реакционной камеры, образуя, тем самым, облако (или рой) интенсивно движущихся в пространстве реакционной камеры ферромагнитных частиц, называемые вихревым слоем.

Как было установлено самими авторами документа [1], один из недостатков предложенного устройства заключается в том, что многочисленные ударные воздействия ферромагнитных частиц о стенки вставной втулки приводят к её быстрому разрушению вплоть до возникновения сквозных отверстий уже через 200-1000 часов работ, что требует частой периодической замены вставной втулки, которая выполняет роль защиты рабочей трубы корпуса индуктора. Кроме того, распространение при этом ударно-вибрационных воздействий через стенку вставной втулки на корпус аппарата и далее на полюса и обмотки индуктора ведёт к их преждевременному износу и повреждению, существенно сокращая срок службы индуктора и устройства в целом. Кроме того, многочисленные удары ферромагнитных частиц друг о друга, об обрабатываемую среду (например, сыпучую) и особенно о стенки реакционной камеры приводят к ускоренному истиранию частиц и их износу, что требует их достаточно частой периодической замены. В [1] имеется также проблема залипания и заклинивания ферромагнитных частиц в удерживающих их торцевых решётках.

Кроме того, вращение ЭМП относительно движущихся ферромагнитных частиц приводит к перераспределению в них электрических зарядов, при этом на обоих концах частиц одновременно возникают положительные и отрицательные заряды, которые при вращении ЭМП попеременно меняют знак. Если обрабатываемая жидкость является электролитической, то в ней происходит электролиз. При этом с концов каждого стержня в электролитическую среду стекают электрические заряды, образовавшиеся на концах стержней в данный момент. Однако конфигурация концов стержня, очень важная для эффективного стока электрических зарядов, используемая в известном из [1] устройстве не позволяет обеспечить эффективное протекание электролитических реакций в обрабатываемой среде.

Из RU 2224586 [2] известно устройство, которое содержит реакционную камеру в виде трубы, с размещенным в ней дискретным рабочим телом в виде металлических иголок, и расположенный снаружи указанной трубы электромагнитный индуктор, причем рабочее тело выполнено в виде биметаллических иголок с наружной поверхностью из немагнитного металла, например, титана с сердцевиной из ферромагнитного материала.

Недостаток решения, известного из [2], заключается в использовании немагнитного металлического покрытия ферромагнитных частиц («иголок»), более прочного по сравнению с материалом самих частиц, что снижает степень и скорость износа самих частиц, однако приводит, соответственно, к увеличению скорости и степени износа стенок реакционной камеры. Кроме того, конфигурация концов биметаллических «иголок», стандартно имеющих форму цилиндрических стержней, снижает эффективность протекания электролитических реакций в обрабатываемой среде.

Из SU 1740060 [3] известен ферромагнитный мелющий элемент, содержащий металлический стержень с кольцевыми пазами, неметаллическую оболочку, выполненную из двух частей одинаковой длины, размещенных на концевых участках металлического стержня.

Недостатком известного из [3] устройства является наличие неметаллических оболочек на концах ферромагнитных стержней, что блокирует сток поляризационных зарядов, вызванных вращающимся ЭМП, с концов стержней в обрабатываемую текучую среду, практически подавляя в ней явления электролиза.

Таким образом, является актуальной проблема повышения эффективности обработки, в частности электролитических текучих сред, а также долговечности и надёжности работы ФХР.

Выявленные недостатки конструкций, известных из [1], [2] и [3], предлагается устранить с использованием предлагаемого изобретения.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и качества обработки сред, в частности электролитических сред, продление долговечности ФХР и надежности его работы, а также снижение эксплуатационных издержек.

Согласно первому аспекту заявленного изобретения предложена ферромагнитная частица для использования в качестве элемента дискретного рабочего тела, размещаемого в реакционной камере ФХР с вихревым слоем, выполненная в виде ферромагнитного стержня, концы которого имеют заострения, проходящие наружу сквозь закрепленные на указанных концах неметаллические головки.

Согласно второму аспекту заявленного изобретения предложен ФХР, содержащий реакционную камеру, охватываемую снаружи индуктором вращающегося электромагнитного поля (ЭМП), причем реакционная камера содержит множество ферромагнитных частиц, выполненных в виде стержней, концы которых имеют заострения, проходящие наружу сквозь закрепленные на концах частиц неметаллические головки.

В одном из вариантов реализации заострения стержней частиц выполнены в форме заостренной луковицы.

В одном из вариантов реализации на концах стержней ферромагнитных частиц выполнены проточки, рифления, накатки или насечки для прочного закрепления неметаллических головок на концах частиц.

В одном из вариантов реализации неметаллические головки выполнены в виде износостойких колпачков.

В одном из вариантов реализации заострения имеют форму сужающихся иголок.

В одном из вариантов реализации неметаллические головки имеют округлую форму и выполнены из немагнитного износостойкого материала, в частности, из полимера или композита.

Под «формой заостренной луковицы» или «заострением в форме луковицы» в рамках настоящего изобретения понимается форма, которая образуется при закруглении оконечности ферромагнитной частицы, выполненной в виде по существу цилиндрического стержня, по отношению к его продольной оси сначала выпукло, т.е. с положительной кривизной, а затем, – вблизи его продольной оси, – вогнуто, т.е. с отрицательной кривизной, образуя тем самым в центре оконечности стержня, т.е. по существу вблизи его продольной оси, заострение, напоминающее форму заостренной луковицы или форму части сферы с заострением.

Предложенная конструкция частиц, благодаря предусмотренным на их заостренных концах защитным неметаллическим головкам, защищает концы частиц и их заострения в виде иголок от ударов и трения о стенки реакционной камеры, что препятствует быстрому истиранию как самих частиц, так и их игольчатых концов, и таким образом продлевает срок их службы, что особенно важно при обработке электролитических сред.

Применение защитных неметаллических головок ферромагнитных частиц по настоящему изобретению, прочно зафиксированных на концах цилиндрического основания частиц, также позволяет демпфировать удары частиц о стенки реакционной камеры, защищая её от разрушения и снижая тем самым ударно-вибрационные воздействия, в том числе, на индуктор и его обмотки.

Выполнение концов ферромагнитных частиц с закрепленными на них неметаллическими головками, через которые проходят наружу заострения концов ферромагнитных частиц, также увеличивает диаметр оконечностей ферромагнитных частиц, что способствует предотвращению заклинивания или застревания частиц в ячейках удерживающих решеток реакционной камеры, что дополнительно способствует повышению надёжности работы ФХР.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность и качество обработки жидкости, долговечность ФХР и надежность его работы, а также снизить эксплуатационные материальные издержки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 представлена общая схема в продольном разрезе предлагаемого ФХР,

где 1 - индуктор, 2 - корпус индуктора, 3 - реакционная камера, 4 - ферромагнитные частицы, 5 - удерживающая решетка.

На фиг. 2 изображена ограничивающая решетка реакционной камеры.

На фиг. 3а изображена ферромагнитная частица в виде цилиндрического стержня,

где 6 - рифление, 7 – заострение (острие), 8 - износостойкая неметаллическая головка.

На фиг. 3б изображена частично изношенная ферромагнитная частица.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Физико-химический реактор с вихревым слоем (фиг. 1) содержит трубчатую реакционную камеру 3 из немагнитного материала с охватывающим ее снаружи индуктором 1 вращающегося ЭМП с корпусом 2 и обмотками. Внутри реакционной камеры 3 ФХР расположено дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 4, удерживаемых в активной зоне реакционной камеры торцевыми удерживающими решётками 5 (фиг. 2). Дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 4 по существу выполняет в ФХР функцию рабочей среды или рабочего органа, в частности перемешивающего или измельчающего/размалывающего элемента, и является неотъемлемой частью ФХР. Ферромагнитные частицы 4 выполнены в виде удлиненных по существу цилиндрических стержней с заостренными концами, предпочтительно в форме луковиц с удлиненными заострениями, которая образуется при закруглении по существу цилиндрической поверхности оконечности ферромагнитной частицы по отношению к его продольной оси - вначале выпукло, т.е. с положительной кривизной, а затем, вблизи его продольной оси, - вогнуто, т.е. с отрицательной кривизной, образуя тем самым в центре оконечности стержня, т.е. по существу вблизи его продольной оси, удлиненное заострение, напоминающее форму заостренной луковицы или форму части сферы с заострением.

Таким образом, заострение в форме луковицы образовано оконечностью ферромагнитной частицы, при которой ее поверхность, начиная от боковой поверхности по существу цилиндрического тела частицы 4 или от боковой поверхности локального сужения или расширения тела частицы 4 в области ее оконечности, имеет выпуклый участок, переходящий в вогнутый участок, который, в свою очередь, переходит в сужающееся острие частицы.

Как известно из области электротехники, такая форма заострения стержня ферромагнитной частицы, выполняющей в электролитической среде роль электрода, близкая к поверхности шара, является оптимальной для равномерного распределения на его головке поверхностной плотности электрического заряда. Наличие же острия на шаровидной поверхности стержня приводит к резкому пиковому повышению концентрации заряда в этом месте и, соответственно, повышению напряжённости электрического поля в среде около его кончика, способствующему дальнейшему стоку заряда (электрическому разряду) с острия стержня через окружающую токопроводящую среду в направлении зарядов противоположного знака, находящихся в обрабатываемой электролитической среде.

Боковая поверхность концов стержней вдоль их цилиндрической поверхности вблизи заострения снабжена проточками, рифлениями, накаткой или насечками 6, посредством которых на оконечностях стержней закреплены неметаллические головки 8, причём кончики заострений 7 концов частиц проходят сквозь неметаллические головки 8 наружу с обеспечением возможности их электрического контакта с обрабатываемой в ФХР текучей средой (см. Фиг. 3 а, б). Однако фиксация неметаллических головок 8 на концах стержней ферромагнитных частиц может быть осуществлена и иным образом, например, посредством соединения с геометрическим замыканием, соединения с натягом, фрикционного или клеевого соединения.

В одном из вариантов реализации неметаллические головки 8 выполнены в виде износостойких защитных демпфирующих колпачков из немагнитного износостойкого материала, например, полимера или композита, причём кончики заострений на концах частиц выполнены такой длины, что они проходят через них наружу через указанные колпачки для обеспечения электрического контакта заострений частиц с обрабатываемой текучей средой.

Работает ФХР следующим образом. Магнитный индуктор 1, подключенный к сети переменного тока, создает в своей рабочей зоне, и соответственно в реакционной камере 3, вращающееся ЭМП. Обрабатываемая текучая среда, подаваемая в рабочую зону реакционной камеры 3 в направлении потока, показанного стрелкой на фиг. 1, беспрепятственно проходит через торцевые удерживающие решетки 5, расположенные с торцов реакционной камеры 3. Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы 4, размещенные в реакционной камере 3, приводит их к интенсивному вращению и поступательному движению, что образует вихревой слой ферромагнитных частиц, создающий турбулентность жидкости. Кроме того, в ферромагнитных частицах удлинённой формы возникает магнитострикция и электрическая поляризация, совместное действие которых вызывает в обрабатываемой среде кавитацию, распространение акустических волн и электролиз. Всё это, в свою очередь, приводит к размолу твёрдых частиц и примесей в обрабатываемой среде, интенсивному смешиванию и перемешиванию, интенсификации и катализу химических реакций, коагуляции, электрокоагуляции, флокуляции, что, в частности, способствует солеобразованию и агрегированию примесей и облегчает их последующее отделение от жидкости.

Вращающееся ЭМП вызывает в ферромагнетиках перераспределение электрических зарядов, при этом на обоих концах каждой частицы одновременно возникают положительные и отрицательные заряды, которые, при вращении ЭМП относительно стержня, попеременно меняют знак. В загрязнённой жидкости, обрабатываемой ферромагнитными частицами, в частности в загрязненной жидкости стоков, происходят процессы солеобразования, что дополнительно способствует возникновению в ней условий для электролиза. При поляризации зарядов на концах ферромагнитных частиц с концов каждой ферромагнитной частицы в электролитическую среду стекают электрические заряды, образовавшиеся на её концах в данный момент, в направлении противоположных зарядов, находящихся на концах других ферромагнитных частиц, наиболее близких к данной. Таким образом, в среде возникает и происходит электролиз. Наличие заострений на концах ферромагнитных частиц (фиг. 3а, б) способствует пиковому повышению поверхностной плотности (концентрации) электрических зарядов на концах острия частиц и более эффективному стоку и движению этих зарядов через обрабатываемую текучую среду к зарядам противоположного знака, что приводит к интенсификации протекания электролитических реакций в ФХР и, соответственно, к повышению эффективности и качества обработки текучей среды.

Несмотря на то, что долговременная эксплуатация ФХР приводит к постепенному стиранию защитных неметаллических головок 8 ферромагнитных частиц 4 и игольчатых заострений на концах ферромагнитных частиц, их функциональное назначение при этом не страдает, поскольку при частичном истирании головки и заострения частицы в виде иголки, как показано на фиг. 3б, её заостренный кончик всегда выступает наружу через защитную головку и продолжает служить концентратором накопленного на конце стержня электрического заряда для обеспечения проявления электролиза в обрабатываемой текучей среде. Продление срока службы ферромагнитных частиц предлагаемой конструкции, а вместе с тем реакционной камеры и индуктора, снижает, соответственно, материальные затраты на их периодическую замену и ремонт.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность и качество обработки текучих, в особенности электролитических, сред, за счёт интенсификации процесса электролиза в обрабатываемой текучей среде, продлить долговечность ФХР и надежность его работы, а также снизить эксплуатационные материальные издержки.

Группа изобретений относится к устройствам для активации процессов обработки материалов и текучих сред в вихревом слое электромагнитного поля с использованием ферромагнетиков в области энергетики, нефтегазодобывающей, металлургической, химической промышленности, сельского и городского хозяйства, экологической защиты окружающей среды и к другим областям промышленности, а также может использоваться для обработки различных жидких сред и, в частности, для очистки промышленных и бытовых стоков. Ферромагнитная частица (4) для использования в качестве элемента дискретного рабочего тела, размещаемого в реакционной камере ФХР с вихревым слоем, выполнена в виде ферромагнитного стержня, причем концы ферромагнитных частиц (4), согласно изобретению, имеют заострения, которые проходят наружу сквозь закрепленные на указанных концах неметаллические головки (8). Предложен также ФХР с вихревым слоем, реакционная камера (3) которого содержит дискретное рабочее тело, состоящее из множества ферромагнитных частиц (4) по настоящему изобретению. Предлагаемая группа изобретений позволяет повысить эффективность и качество обработки жидкости, продлить эксплуатационную долговечность ФХР, а также снизить материальные издержки. 2 н. и 3 з.п. ф-лы; 3 ил.

1. Ферромагнитная частица для использования в качестве элемента дискретного рабочего тела, размещаемого в реакционной камере ФХР с вихревым слоем, выполненная в виде ферромагнитного стержня, отличающаяся тем, что концы стержня частицы выполнены в форме заостренной луковицы, при этом заострения имеют форму сужающихся иголок, которые проходят наружу сквозь закрепленные на указанных концах неметаллические головки.

2. Ферромагнитная частица по п. 1, в которой на концах ферромагнитных частиц выполнены рифления, насечки, накатка или проточки для закрепления неметаллических головок.

3. Ферромагнитная частица по любому из пп. 1-2, в которой неметаллические головки выполнены в виде износостойких колпачков.

4. Ферромагнитная частица по любому из пп. 1-3, в которой неметаллические головки имеют округлую форму и выполнены из немагнитного износостойкого материала, в частности, из полимера или композита.

5. Физико-химический реактор, содержащий реакционную камеру, охватываемую снаружи индуктором вращающегося электромагнитного поля, отличающийся тем, что реакционная камера содержит множество ферромагнитных частиц по одному из пп. 1-4.