Способ электрогидродинамической обработки вязких жидкостей, эмульсий, суспензий и устройство для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК C10G15/00 C10G33/02 B01J19/26 

Изобретение относится к области электрогидродинамической обработки жидкостей, эмульсий, суспензий, включающей изменение физико-химических свойств, и может найти применение, например, при обработке потока высоковязкой нефти, синтезе веществ, очистке воды и в других процессах.

Известен способ получения высоких и сверхвысоких давлений в жидкости путем осуществления внутри объема жидкости, находящейся в открытом водоеме или закрытом резервуаре, импульсного электрического разряда между двумя рабочими электродами (см. патент RU №2436647 С1, опубл. 20.12.2011).

Недостатком данного способа является невозможность его использования в потоке жидкости, а только в стационарном объеме, что значительно снижает производительность.

Наиболее близкими к заявленному являются способ и устройство, в которых используется воздействие на поток нефти короткоимпульсными высоковольтными электрическими разрядами, осуществляемыми в цилиндрической разрядной камере между торцевыми поверхностями радиально расположенными с зазором электродами, имеющими центральные оси перпендикулярные центральной оси разрядной камеры (см. US Patent No.: 9 528 050 В2, US Patent No.: 9 752 082 B2).

Недостатками известного способа и устройства являются использование высокого напряжения, подаваемого на разрядное устройство, низкий ресурс непрерывной работы электродов и их нестабильная работа вследствие их износа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение безопасности эксплуатации устройства путем снижения подаваемого на электроды напряжения, увеличение ресурса непрерывной работы, расширение области применения.

Для достижения технического результата предлагаемый способ электрогидродинамической обработки вязкой жидкости, эмульсии, суспензии представляет собой следующее. Жидкость, широкого диапазона по вязкости и составу, например, вязкую нефть или нефтепродукты, эмульсию или суспензию, формируют в виде потока, осуществляют воздействие на него короткомпульсными электрическими разрядами, разгоняют поток, формируют из него сильно закрученные внешний и внутренний потоки, движущиеся с противоположными осевыми составляющими скорости. Осуществляют смешение полученных потоков. Выводят одну часть потока полученной смеси на рециркуляцию, а другую часть подают внешнему потребителю. В зону воздействия на поток короткоимпульсными электрическими разрядами вводят газ или смеси газов. Газ или смеси газов вводят непосредственно в зону формирования короткоимпульсных электрических разрядов.

Осуществляют стабилизацию разрядов путем автоматического поддержания необходимого зазора между электродами в зависимости от диэлектрической проницаемости обрабатываемого вещества и частоты короткоимпульсных электрических разрядов.

Применение короткоимпульсных электрических разрядов приводит к сильному механическому сжатию вязкой жидкости, генерированию мощного ультразвукового, рентгеновского, ультрафиолетового и инфракрасного излучений в зонах разряда, которые индуцируют тепловые и ударные эффекты, электромагнитные поля, ионизационные, диссоционные, кавитационные и физико-химические эффекты.

Формирование сильно закрученного потока, содержащего диссоционные и кавитационные компоненты, в поле центробежных сил с высоким радиальным градиентом давления, генерирующего развитую анизотропную турбулентность, импульсы давления, способствует интенсификации тепло-массообменных процессов, разрыву химических связей (С - С) с образованием свободных радикалов в длинных молекулах, сепарации смеси на легкую и тяжелую фракции, вследствие чего происходит интенсификация изменений физико-химических свойств жидкости.

Введение газа или смеси газов непосредственно в зону формирования короткоимпульсных электрических разрядов позволяет снизить электрическое напряжение, подаваемое для формирования разрядов, что повышает надежность работы устройства, безопасность эксплуатации и экономические затраты, связанные с изготовлением оборудования и осуществлением рабочего процесса.

Стабилизация частоты короткоимпульсных электрических разрядов осуществляется системой автоматического регулирования необходимого зазора в зависимости от диэлектрической проницаемости обрабатываемого вещества и частоты короткоимпульсных электрических разрядов способствует стабилизации рабочего процесса и расширению области применения способа в зависимости от цели обработки и применяемой жидкости.

Применение рециркуляции способствует стабилизации рабочего процесса по производительности, расширению области применения способа в зависимости от цели обработки и применяемой жидкости.

Для достижения технического результата предлагается устройство электрогидродинамической обработки вязкой жидкости, эмульсии, суспензии, содержащее электрогидродинамический реактор, включающий вихревую противоточную камеру, электрогидродинамическое устройство, электроразрядное устройство; насос; емкость с обрабатываемой жидкостью; генератор короткоимпульсных высоковольтных разрядов.

Электроразрядное устройство содержит электроды, соединенные с внешним источником подачи газа в электроразрядное устройство, в электродах выполнены аксиальные каналы, причем одно отверстие аксиального канала каждого электрода выходит в межэлектродный зазор, а другое отверстие аксиального канала в противоположном торце электрода соединено с источником газа, при этом электроды установлены с возможностью перемещения навстречу друг другу.

Газ входит в аксиальные каналы, выполненные в электродах, и выходит через торцевые отверстия электродов в зазор непосредственно в зону формирования короткоимпульсных электрических разрядов в виде потоков газа, направленных навстречу друг другу. Введение газа или смеси газов непосредственно в зону формирования короткоимпульсных электрических разрядов позволяет снизить электрическое напряжение, подаваемое для формирования разрядов, что повышает надежность работы устройства, безопасность эксплуатации и экономические затраты, связанные с изготовлением оборудования и осуществлением рабочего процесса.

Устройство содержит: трубопровод подачи жидкости из емкости в насос на рециркуляцию. Применение рециркуляции способствует стабилизации рабочего процесса по производительности, расширению области применения способа в зависимости от цели обработки и применяемой жидкости.

Устройство содержит систему автоматического регулирования необходимого зазора, в зависимости от диэлектрической проницаемости обрабатываемого вещества и частоты короткоимпульсных электрических разрядов. Системой автоматического регулирования необходимого зазора осуществляется стабилизация частоты короткоимпульсных электрических разрядов в зависимости от диэлектрической проницаемости обрабатываемого вещества и частоты коротко импульсных электрических разрядов.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 представлен продольный разрез вихревой противоточной камеры; на фиг.3 представлен разрез по линии А-А на фиг. 2, на фиг. 4 представлен продольный разрез электрогидродинамического устройства и электроразрядного устройства; на фиг. 5 представлена принципиальная схема управления зазором между электродами.

Функциональная схема устройства (фиг. 1) содержит: электрогидродинамический реактор 1, содержащий вихревую противоточную камеру 2, электрогидродинамическое устройство 3, электроразрядное устройство 4 с управляемым приводом 5; насос 6; емкость с обрабатываемой жидкостью 7; генератор короткоимпульсных высоковольтных разрядов 8; управляемые вентили 9 и 10; вискозиметр 11; патрубок 12 подачи газообразной фракции в электроразрядное устройство 4; патрубок подачи жидкости на обработку 13; патрубок удаления обработанной жидкости 14; трубопровод 15 подачи жидкости от насоса 6 до электрогидродинамического устройства 3; трубопроводы 16 и 17 подачи обработанной жидкости от вихревой противоточной камеры 2 в вискозиметр 11; патрубок 18 выхода газообразной фракции из емкости 7; трубопровод 19 подачи жидкости на циркуляцию из емкости 7 в насос 6, патрубок 20 подачи обработанной жидкости из емкости 7 в вентиль 10. Емкость 7 оснащена датчиком уровня (на фигуре не показан).

Вихревая противоточная камера 2 содержит: (фиг. 2), корпус 21, тангенциальный сопловой закручивающий аппарат 22; сопловый канал 23, два выходных патрубка 24 и 25. Один патрубок 24 размещен в плоскости тангенциального соплового закручивающего аппарата 22, соосно корпуса 21 вихревой камеры. Другой выходной патрубок 25 размещен в противоположном от тангенциального соплового закручивающего аппарата конце корпуса 21 вихревой камеры (фиг. 2). Тангенциальный сопловой закручивающий аппарат 22, соединен патрубком 26 с выходным отверстием 38 корпуса 29 электрогидродинамического устройства 3 (фиг. 3, 4). Тангенциальный сопловой закручивающий аппарат 22 сформирован сопловым каналом 27 с выходным отверстием 28.

Электрогидродинамическое устройство 3 и электроразрядное устройство 4 содержат (фиг. 4): корпус разрядной камеры 29; электроды 30 и 31, расположенные перпендикулярно центральной оси корпуса 29, противоположно друг другу, в которых выполнены коаксиальные каналы 32 и 33, выходящие в торцевые отверстия навстречу друг другу. Электроды 30 и 31 помещены в блоки осевого перемещения 34 и 35.

Внутри корпуса разрядной камеры 29 сформирован аксиальный канал 36, имеющий входное отверстие 37 и выходное отверстие 38. Стенки канала 36 образованы диэлектрической кольцевой вставкой 39, внутренняя поверхность которой формирует проточную часть канала 36, а внешняя поверхность сопрягается с корпусом разрядной камеры 29 (фиг. 4).

Между торцевыми поверхностями электродов 30 и 31 сформирован зазор 40, управляемый блоками 34 и 35, которые присоединены к корпусу 29 с помощью патрубков 41 и 42, центральные оси которых перпендикулярны внешней боковой поверхности корпуса 29. Блоки 34 и 35 соединены механической связью с электрическим приводом 43.

В патрубки 41 и 42 вставлены диэлектрические неподвижные направляющие втулки 44 (на блоке 34 не обозначены), зафиксированные гайкой 45 на патрубке 41 (на патрубке 42 втулка не обозначена).

Внутри втулки 44 выполнена цилиндрическая полость 46 соосная центральной оси электрода 30. Внешняя цилиндрическая поверхность втулки 44 закрыта диэлектрическим цилиндрическим кожухом 47, который зафиксирован с ней резьбовым штифтом 48, а между втулкой 44 и внутренней поверхностью кожуха 47 вставлены уплотняющие кольца 49.

Внутри кожуха 47 смонтирована соприкасающаяся с торцевой поверхность втулки 44, установленная с возможностью перемещения в окружном направлении шестерня 50, которая содержит выполненную в боковой поверхности кольцевую канавку 51, в которую вставлен фиксирующий от осевого перемещения штифт 52. В нижней цилиндрической поверхности шестерни 50 выполнены кольцевые канавки, в которые вставлены уплотнительные кольца 53. Во внутреннюю полость шестерни 50 вставлена втулка 54, на внутренней поверхности которой выполнена резьба. Втулка 54 и шестерня 50 зафиксированы от перемещения резьбовым штифтом 55.

Во втулку 54 вставлена державка электрода 56, имеющая на внешней поверхности резьбу, связанную с резьбой втулки 54. На внешней цилиндрической поверхности выполнены кольцевые канавки, в которые вставлены уплотнительные кольца 57. На резьбовой части державки 56 выполнен продольный паз 58, в который вставлен штифт 59, фиксирующий державку от поворота, и закрепленный во втулке 44.

Внутри втулки 54, между ее внутренней поверхностью и наружной поверхностью державки 56 сформирована кольцевая полость 60 для обеспечения осевого перемещения державки 56 внутри втулки 54.

В державку 56 ввинчен штуцер 61 с фиксирующим электрод 30 винтом 62 и гайкой 63. На штуцер 61 надета гайка 64 с внутренней резьбой, соединяющая питающий электрическим током электрод 65, и соединяющая штуцер 61 и трубопровод 66 для подачи вспомогательного газа.

На шестерне 50 выполнено шестеренчатое зацепление 67, соединенное с ведущей шестерней 68 электрического привода 43, зафиксированного в неподвижной стойке 69.

Принципиальная схема управления зазором между электродами (фиг. 5) содержит: датчик разряда (пояс Роговского) 70, соединенный с разрядной линией 71, по которой протекает электрический импульс с разрядного конденсатора на электроды 30 и 31 (фиг. 4). Пояс Роговского обматывается вокруг разрядной линии 71 и позволяет измерить напряжение и частоту разрядов. Ток в разрядной линии 71 создает переменное магнитное поле, которое вызывает напряжение в обмотке пояса Роговского. Выходное напряжение соответствует напряжению на разрядной линии 71 с точностью до константы.

Сигнал с датчика разряда 70 поступает на формирователь импульса запуска схемы управления 72. Импульс запуска поступает на микроконтроллер 73. Микроконтроллер 73 программируется в соответствии с необходимой задачей регулирования зазора 40 (фиг. 4) между электродами 30 и 31 по частоте. Сигнал с микроконтроллера 73 поступает на драйвер шагового двигателя 74, который отдает команды управления на шаговый двигатель 75. Шаговый двигатель 75 приводит в действие или останавливает механизм регулирования электродов 76 в зависимости от значений частоты импульса с датчика разряда 70.

Схема управления (фиг. 5) поддерживает заданную частоту разрядов от разрядного конденсатора между электродами 30 и 31 (фиг. 4). Для поддержания постоянной частоты разрядов микроконтроллер 73 вырабатывает сигнал управления шаговым двигателем 75 для стабилизации зазора между электродами 30 и 31. Когда по мере износа электродов 30 и 31 уменьшается частота разрядов и возрастает разрядное напряжение, шаговый двигатель 75 восстанавливает зазор между электродами 30 и 31 для стабилизации работы разрядного устройства.

Предлагаемый способ электрогидродинамической обработки вязких жидкостей, эмульсий, суспензий включает формирование обрабатываемого потока, воздействие на него короткоимпульсными электрическими разрядами, разгон потока, формирование из него сильно закрученных внешнего и внутреннего потоков, движущихся с противоположными осевыми составляющими скорости, смешение полученных потоков, выведение одной части потока на рециркуляцию, а другой части потока внешнему потребителю. В зону воздействия на поток короткоимпульсными электрическими разрядами вводят газ или смеси газов, при этом осуществляют стабилизацию разрядов путем автоматического поддержания необходимого зазора между электродами. Газ или смеси газов вводят непосредственно в зону формирования импульсных электрических разрядов.

Стабилизацию разрядов путем автоматического поддержания необходимого зазора между электродами осуществляют в зависимости от диэлектрической проницаемости обрабатываемого вещества и частоты короткоимпульсных электрических разрядов.

Работа предлагаемого устройства заключается в следующем.

Через патрубок подачи жидкости на обработку 13 и управляемый вентиль 9 (фиг. 1) исходную жидкость подают в насос 6. Из насоса 6 жидкость с определенным давлением и расходом по трубопроводу 15 поступает в электрогидродинамический реактор 1, а именно в электрогидродинамическое устройство 3.

В камере 36 (фиг. 4) формируют поступательный поток обрабатываемой жидкости.

Через патрубок 12 в электроразрядное устройство 4 от внешнего источника 77 подают газ или смесь газов. Этот газ входит в аксиальные каналы 33 (фиг. 4) и 34, выполненные в электродах 30 и 31, и выходит через торцевые отверстия электродов 30 и 31 в зазор 40 в виде потоков газа, направленных навстречу друг другу.

От генератора короткоимпульсных высоковольтных разрядов 8 на электроразрядное устройство 4 (фиг. 1) подается электрическое напряжение, которое подводится к электродам 30 и 31 (фиг. 4), формируя в зазоре 40 высокочастотные короткоимпульсные электрические разряды, осуществляемые в потоке смеси газообразной и жидкой фракций.

Обработанную электрогидродинамическим воздействием в устройстве 3, смесь формируют в канале 36 в виде высокоразвитого турбулентного потока, перемещающегося с ускорением к отверстию 38.

Сформированный поток смеси, включающий газовую фракцию, диссоциированные и ионизированные компоненты, разгоняют и подают в вихревую противоточную камеру 2.

В сопловом канале 27 (фиг. 3), размещенном в патрубке 26, тангенциального соплового закручивающего аппарата 2, поток формируется в виде высокоскоростного потока, который выходит через отверстие 28 и водит во внутреннюю проточную часть, сформированную внутри корпуса 21 (фиг. 2). Этот поток формирует внутри корпуса 21 два сильно закрученных потока, внешний и внутренний, перемещающиеся с противоположными осевыми составляющими скорости. Внешний поток выходит через патрубок 25, а внутренний поток выходит через сопловой канал 23 и патрубок 24.

По трубопроводам 16 и 17 (фиг. 1) обработанная в устройстве 2 жидкость поступает в вискозиметр 11, откуда в емкость 7. Газообразная фракция из емкости 7 по трубопроводу 18 удаляется внешнему потребителю, а жидкая обработанная фракция удаляется по патрубку 20, через регулируемый вентиль 10 и патрубок 14 внешнему потребителю. По трубопроводу 19 часть жидкости из емкости 7 подается в насос 6 на рециркуляцию.

Пример конкретного выполнения способа электрогидродинамической обработки вязкой жидкости, эмульсии, суспензии. Жидкость широкого диапазона по вязкости и составу, например, вязкую нефть или нефтепродукты, эмульсию или суспензию, формируют в воде потока, осуществляют воздействие на него короткоимпульсными электрическими разрядами, разгоняют поток, формируют из него сильно закрученные внешний и внутренний потоки, движущиеся с противоположными осевыми составляющими скорости. Осуществляют смешение полученных потоков, затем полученную смесь выводят одну часть потока на рециркуляцию, а другую часть подают внешнему потребителю. В зону воздействия на поток короткоимпульсными электрическими разрядами вводят газ или смесь газов. В качестве газа или смеси газов применяют углеводородные газы, т.к. они позволяют снизить напряжение для повышения безопасности процесса. Газ или смесь газов вводят непосредственно в зону формирования короткоимпульсных электрических разрядов. Осуществляют стабилизацию разрядов путем автоматического поддержания необходимого зазора между электродами. Стабилизацию разрядов путем автоматического поддержания необходимого зазора между электродами осуществляют в зависимости от диэлектрической проницаемости обрабатываемого вещества и частоты короткоимпульсных электрических разрядов.

Параметры образца установки представлены в таблице.

Применение короткоимпульсных электрических разрядов приводит к сильному механическому сжатию, генерированию мощного ультразвукового, рентгеновского, ультрафиолетового и инфракрасного излучений в зонах разряда, которые индуцируют тепловые и ударные эффекты, электромагнитные поля, ионизационные, диссоционные, кавитационные и физико-химические эффекты.

Формирование сильно закрученного потока, содержащего диссоционные и кавитационные компоненты, в поле центробежных сил с высоким радиальным градиентом давления, генерирующего развитую анизотропную турбулентность, импульсы давления, способствует интенсификации тепло-массообменных процессов, разрыву химических связей (С - С) с образованием свободных радикалов в длинных молекулах, сепарации смеси на легкую и тяжелую фракции, вследствие чего происходит интенсификация изменения физико-химические свойства жидкости.

Введение газа или смеси газов непосредственно в зону формирования короткоимпульсных электрических разрядов позволяет снизить электрическое напряжение, подаваемое для формирования разрядов, что повышает надежность работы устройства, безопасность эксплуатации и экономические затраты, связанные с изготовлением оборудования и осуществлением рабочего процесса.

Стабилизация частоты короткоимпульсных электрических разрядов осуществляется системой автоматического регулирования необходимого зазора в зависимости от диэлектрической проницаемости обрабатываемого вещества и частоты короткоимпульсных электрических разрядов способствует стабилизации рабочего процесса и расширению области применения способа в зависимости от цели обработки и применяемой жидкости.

Применение рециркуляции способствует стабилизации рабочего процесса по производительности, расширению области применения способа в зависимости от цели обработки и применяемой жидкости.

Предлагаемое изобретение может быть выполнено и осуществлено из имеющихся материалов на имеющемся оборудовании.

Таким образом, использование способа и устройства электрогидродинамической обработки жидкостей, эмульсий, суспензий, включающего изменение физико-химических свойств, позволяет обеспечить непрерывный и высокоэффективный рабочий процесс обработки, путем повышения безопасности эксплуатации; увеличения ресурса непрерывной работы, расширения области применения.

Изобретение относится к способу электрогидродинамической обработки вязких жидкостей, эмульсий, суспензий включающему формирование обрабатываемого потока, воздействие на него короткоимпульсными электрическими разрядами, разгон потока, формирование из него сильно закрученных внешнего и внутреннего потоков, движущихся с противоположными осевыми составляющими скорости, смешение полученных потоков, выведение одной часть потока на рециркуляцию, а другой части потока внешнему потребителю. Способ характеризуется тем, что в зону воздействия на поток короткоимпульсными электрическими разрядами вводят газ, при этом осуществляют стабилизацию разрядов путем автоматического поддержания необходимого зазора между электродами, в качестве газов могут использоваться углеводородные газы. Также изобретение относится к устройству. Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить безопасность эксплуатации устройства путем снижения подаваемого на электроды напряжения, увеличить ресурс непрерывной работы, расширить область применения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ электрогидродинамической обработки вязких жидкостей, эмульсий, суспензий, включающий формирование обрабатываемого потока, воздействие на него короткоимпульсными электрическими разрядами, разгон потока, формирование из него сильно закрученных внешнего и внутреннего потоков, движущихся с противоположными осевыми составляющими скорости, смешение полученных потоков, выведение одной части потока на рециркуляцию, а другой части потока внешнему потребителю, отличающийся тем, что в зону воздействия на поток короткоимпульсными электрическими разрядами вводят газ, при этом осуществляют стабилизацию разрядов путем автоматического поддержания необходимого зазора между электродами, в качестве газов могут использоваться углеводородные газы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в зону воздействия на поток короткоимпульсными электрическими разрядами вводят смеси газов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газ вводят непосредственно в зону формирования короткоимпульсных электрических разрядов.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что смесь газов вводят непосредственно в зону формирования короткоимпульсных электрических разрядов.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стабилизацию разрядов путем автоматического поддержания необходимого зазора между электродами осуществляют в зависимости от диэлектрической проницаемости обрабатываемого вещества и частоты короткоимпульсных электрических разрядов.

6. Устройство электрогидродинамической обработки вязких жидкостей, эмульсий, суспензий для осуществления способа по п. 1, содержащее электрогидродинамический реактор, включающий вихревую противоточную камеру, электрогидродинамическое устройство, электроразрядное устройство, насос, емкость с обрабатываемой жидкостью, генератор короткоимпульсных высоковольтных разрядов, отличающееся тем, что содержит трубопровод подачи жидкости из емкости в насос на рециркуляцию, электроразрядное устройство содержит электроды, соединенные с внешним источником подачи газа в электроразрядное устройство, в электродах выполнены аксиальные каналы, причем одно отверстие аксиального канала каждого электрода выходит в межэлектродный зазор, а другое отверстие аксиального канала в противоположном торце электрода соединено с источником газа, при этом электроды установлены с возможностью перемещения навстречу друг другу.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что содержит систему автоматического регулирования необходимого зазора в зависимости от диэлектрической проницаемости обрабатываемого вещества и частоты короткоимпульсных электрических разрядов.