ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ВИХРЕВЫМ СЛОЕМ Российский патент 2020 года по МПК B01F13/08 

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.

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 (далее - реакционная камера), находится дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц, являющееся аналогом сплошного рабочего тела, такого как, например, ротор асинхронного двигателя 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 слоя 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 устройства вокруг своей поперечной оси, 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 - вихревой слой.

Как было установлено самими авторами документа [1], многочисленные ударные воздействия ферромагнитных частиц о стенки вставной втулки приводят к её быстрому разрушению вплоть до возникновения в ней сквозных отверстий уже всего через 200-1000 часов работы ФХР, что требует частой периодической замены вставной втулки, которая выполняет роль защиты рабочей трубы корпуса индуктора. Однако, распространение при этом ударно-вибрационных воздействий 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, различные текучие среды при их физико-химической обработке в ФХР обычно подаются в рабочую камеру в широком диапазоне температур – от экстремально низких до экстремально высоких. При этом, поскольку рабочая камера находится в цилиндрической немагнитной трубе, являющейся одновременно корпусом индуктора, то индуктор также испытывает прямые температурные воздействия со стороны обрабатываемой среды, которые приводят к повреждению, прежде всего, его обмоток и выходу их из строя. В качестве прототипа предлагаемого изобретения рассматривается аппарат вихревого слоя, известный из RU 2072257 [2].

Известное из [2] устройство для обработки материалов содержит индуктор вращающегося ЭМП, имеющий осевой канал, в котором с зазором к стенкам канала установлена рабочая камера в виде трубы из немагнитного материала, в реакционной зоне которой расположена сменная вставка с ферромагнитными частицами, представляющая собой реакционную камеру. Труба фиксируется в осевом канале индуктора при помощи установочных винтов, которые крепятся к корпусу (обечайке) индуктора. Кроме того, труба через уплотнения контактирует с торцевыми крышками кожуха индуктора. Снаружи рабочая труба, находящаяся по существу внутри кожуха индуктора по длине в пределах торцевых крышек кожуха индуктора, омывается, как и индуктор, охлаждающей жидкостью.

Недостаток прототипа [2] заключается в том, что многочисленные удары ферромагнитных частиц о стенки сменной вставки, плотно вложенной в трубчатую рабочую камеру аппарата, передаются в виде ударно-вибрационных воздействий на корпус рабочей камеры и далее через установочные крепёжные винты - на обечайку, полюса и обмотки охватывающего её индуктора, приводя к их преждевременному износу и повреждению, существенно сокращая, тем самым, срок службы индуктора и устройства в целом.

Кроме того, различные жидкие среды для их физико-химической обработки с помощью ФХР подают в реакционную камеру в широком диапазоне температур – вплоть до экстремально высоких. Поскольку рабочая камера в [2] частично имеет контакт через регулировочно-крепёжные винты и уплотнения в крышках кожуха с корпусом индуктора, а также омывается охлаждающей индуктор жидкостью, то при высоких температурах обрабатываемой среды охлаждающая жидкость и индуктор дополнительно нагреваются со стороны обрабатываемой среды, что также приводит к повреждению индуктора, особенно его обмоток, и его преждевременному выходу из строя.

Таким образом, является актуальной проблема повышения эффективности и надёжности работы ФХР.

Выявленные недостатки конструкций в аналоге [1] и прототипе [2] предлагается устранить с помощью ФХР согласно настоящему изобретению.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной долговечности ФХР.

Указанный технический результат достигается тем, что в физико-химическом реакторе с вихревым слоем, содержащим индуктор вращающегося электромагнитного поля, имеющий по существу цилиндрический осевой канал, в котором установлена трубчатая реакционная камера из немагнитного материала для размещения ферромагнитных частиц, реакционная камера и индуктор подвешены друг относительно друга на независимых опорах по существу соосно с обеспечением кольцевого воздушного зазора между ними.

В одном из вариантов реализации реакционная камера и индуктор подвешены с возможностью их взаимного соосного регулирования.

Поскольку величина вращающегося ЭМП является максимальной вблизи стенок полости индуктора, для повышения эффективности ФХР желательно обеспечение минимальной величины зазора между реакционной камерой и индуктором, т.е. между наружной поверхностью реакционной камеры и внутренней поверхностью полости индуктора, но достаточной для того, чтобы компенсировать возможное температурное расширение камеры и амплитуду механических вибраций для предотвращения передачи ударно-вибрационных и термических воздействий с корпуса реакционной камеры на корпус индуктора.

В одном из вариантов реализации величина кольцевого зазора составляет не менее 2 мм.

Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что индуктор и реакционная камера подвешены на независимых друг от друга опорах соосно друг относительно друга и через кольцевой воздушный зазор, благодаря чему ударно-вибрационные колебания реакционной камеры, вызванные многочисленными ударами о её стенки ферромагнитных частиц при работе ФХР, а также температурные воздействия обрабатываемой среды на стенки реакционной камеры, не передаются на полюса индуктора и его обмотки из-за отсутствия между реакционной камерой и индуктором прямого контакта, что повышает надежность и эксплуатационную долговечность ФХР.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

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

где 1 – индуктор, 2 – корпус индуктора, 3 - реакционная камера, 4 – воздушный зазор, 5 – ферромагнитные частицы, 6 – торцевые решётки, 7 - проточная труба.

На фиг. 2 представлен возможный вид торцевой решетки.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Физико-химический реактор с вихревым слоем (фиг. 1) содержит трубчатую реакционную камеру 3 из немагнитного материала с охватывающим ее снаружи кольцевым индуктором 1 вращающегося ЭМП с корпусом 2 и обмотками. Индуктор имеет внутреннюю полость (расточку или осевой канал) по существу цилиндрической (кольцевой) формы, через которую проходит проточная труба 7, часть которой, расположенная в пределах длины охватывающего ее внешнего кольцевого индуктора 1, образует трубчатую, по существу цилиндрическую, реакционную камеру 3. Таким образом, реакционная камера 3 представляет собой часть проточной трубы 7, в которой находится зона с повышенными значениями напряжённости ЭМП, генерируемого индуктором. По проточной трубе 7 через реакционную камеру 3 под давлением насоса подается обрабатываемая текучая среда.

В реакционной камере 3 размещено дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 5, выполненных в виде стержней удлинённой формы, удерживаемых в активной рабочей зоне индуктора, т.е. в зоне воздействия вращающегося ЭМП внутри реакционной камеры 3, магнитным полем и/или решётками 6. Дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 5 по существу выполняет в ФХР функцию рабочей среды или рабочего органа, в частности перемешивающего или измельчающего/размалывающего элемента, и является неотъемлемой частью ФХР.

Реакционная камера 3 и индуктор 1 подвешены относительно друг друга на независимых подвесах (опорах) по существу соосно друг с другом и с обеспечением малого воздушного зазора между ними, т.е. зазора между наружной стенкой реакционной камеры 3 и внутренней стенкой полости корпуса 2 индуктора.

Для обеспечения по существу соосного расположения индуктора 1 и реакционной камеры 3 могут быть предусмотрены средства для их взаимного соосного регулирования. Под средствами взаимного соосного регулирования понимаются средства обеспечения соосного расположения реакционной камеры 3 и осевого канала индуктора 1 в пространстве, позволяющие обеспечить по существу постоянный кольцевой воздушный зазор между ними как в окружном, так и в продольном направлении реакционной камеры 3 и полости индуктора 1 соответственно. Для этого поперечное сечение реакционной камеры, а также поперечное сечение полости индуктора выполнены по существу подобными по форме.

Средства для взаимного соосного регулирования реакционной камеры 3 и индуктора 1 могут быть выполнены, например, в виде винтовых регуляторов их пространственного положения, закреплённых (расположенных) на независимых подвесах. В процессе соосного регулирования могут использоваться дистанцеры, например, в виде жёстких вкладышей, временно вставляемых в зазор между реакционной камерой 3 и индуктором 1 на момент регулировки их пространственного взаимного положения. После фиксации на независимых подвесах их заданного взаимного положения дистанцеры убирают.

В качестве независимых подвесов реакционной камеры 3 и индуктора 1 могут быть использованы, например, отдельно стоящие опоры.

Для обеспечения максимальной интенсивности ФХР зазор между трубчатой реакционной камерой и внутренней поверхностью корпуса 2 индуктора предпочтительно выполнен малым, но не менее 2 мм и не более 5 мм. Величина зазора выбирается исходя из обеспечения свободы температурного расширения цилиндрической реакционной камеры 3, максимальной амплитуды её механической вибрации при ударных воздействиях о ее корпус ферромагнитных частиц 5, воздействий турбулентного потока обрабатываемой жидкости, а также свободной или принудительной вентиляции воздушного зазора 4 при температурных воздействиях.

Работает ФХР следующим образом. Электромагнитный индуктор 1, подключенный к сети переменного тока, создает в рабочей зоне реакционной камеры вращающееся ЭМП. Текучая среда, поступающая по проточной трубе 7 в рабочую зону реакционной камеры 3 в направлении потока текучей среды, обозначенном стрелкой на фиг. 1, свободно проходит через торцевые решетки 6, расположенные по границам рабочей зоны воздействия ЭМП в реакционной камере 3. Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы 5, размещенные в реакционной камере картриджа 3, приводит их к интенсивному вращению и поступательному круговому 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 химических реакций, коагуляции, флокуляции, что, в частности, способствует солеобразованию и агрегированию примесей и облегчает их последующее отделение от жидкости.

Благодаря независимой подвеске индуктора 1 и реакционной камеры 3 относительно друг друга, а также их соосной установки друг относительно друга через воздушный зазор 4, ударно-вибрационные колебания реакционной камеры 3, вызванные многочисленными ударами о её стенки ферромагнитных частиц 5 и турбулентным потоком обрабатываемой жидкости при работе ФХР, а также температурные воздействия на стенки реакционной камеры 3 со стороны обрабатываемой, часто нагретой текучей среды, не передаются на корпус индуктора 1 и его обмотки благодаря отсутствию между реакционной камерой 3 и корпусом 2 индуктора 1 непосредственного механического контакта, что повышает надежность и эксплуатационную долговечность ФХР.

При этом по существу соосное размещение реакционной камеры 3 в полости индуктора 1 позволяет, с одной стороны, обеспечить минимальную величину кольцевого зазора между наружной стенкой трубы реакционной камеры 3 и внутренней поверхностью полости корпуса 2 индуктора 1, т.е. максимально эффективно использовать внутреннее пространство индуктора 1 для размещения в нем реакционной камеры 3, и, с другой стороны, предотвратить передачу ударных, вибрационных и температурных воздействий от стенок реакционной камеры 3 на корпус 2 индуктора 1.

Изобретение относится к устройствам для активации процессов обработки материалов и текучих сред за счет их взаимодействия с вихревым слоем перемещающихся под воздействием вращающегося электромагнитного поля ферромагнитных частиц в области энергетики, нефтегазодобывающей, металлургической, химической промышленности, сельского и городского хозяйства, экологической защиты окружающей среды и в других областях промышленности, а также может использоваться для обработки различных текучих сред и, в частности, для очистки промышленных и бытовых стоков. Физико-химический реактор (ФХР) с вихревым слоем содержит индуктор (1) вращающегося электромагнитного поля, имеющий по существу цилиндрический осевой канал, в котором установлена трубчатая реакционная камера (3) из немагнитного материала для размещения ферромагнитных частиц (5). Трубчатая реакционная камера (3) и индуктор (1) подвешены друг относительно друга на независимых опорах по существу соосно и с обеспечением кольцевого воздушного зазора (4) между ними. Изобретение позволяет повысить надежность и эксплуатационную долговечность ФХР. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Физико-химический реактор с вихревым слоем, содержащий индуктор вращающегося электромагнитного поля, имеющий по существу цилиндрический осевой канал, в котором установлена трубчатая реакционная камера из немагнитного материала для размещения ферромагнитных частиц, отличающийся тем, что реакционная камера и индуктор подвешены друг относительно друга на независимых опорах по существу соосно и с обеспечением кольцевого воздушного зазора между ними.

2. Физико-химический реактор по п. 1, в котором реакционная камера и индуктор подвешены с возможностью их взаимного соосного регулирования.

3. Физико-химический реактор по п. 1, в котором величина кольцевого зазора составляет не менее 2 мм.