Ультразвуковая кавитационная ячейка Российский патент 2023 года по МПК B01J19/10 B01F31/80 C02F1/36 

Изобретение относится к области ультразвуковой техники, а именно для ультразвуковой обработки высокой интенсивности жидкостей, суспензий, фаз жидкое - твердое, и прочего, как в потоке, так и в стационарном режиме, и может быть использовано в различных технологических процессах для ускорения химических реакций, смешивания разнородных веществ, несмешивающихся при обычных условиях, а также для экстрагирования полезных веществ из природного сырья, а также для обеззараживания питьевой и сточной воды и нейтрализации опасных отравляющих веществ в различных жидкостях.

В известном устройстве для ультразвуковой обработки жидкой среды, включающем реактор, имеющий входной и выходной патрубки для ввода и вывода жидкой среды, ультразвуковой генератор и подключенную к нему колебательную систему, содержащую излучатель с размещенным в реакторе волноводом, излучающий торец которого расположен напротив выходного патрубка, в отличие от известного, часть реактора, находящаяся между излучающим торцом волновода и выходным патрубком, выполнена сужающейся в сторону выходного патрубка. Часть реактора, находящаяся между излучающим торцом волновода и выходным патрубком, может быть выполнена в форме многоступенчатой трубы. В этом случае оптимальные размеры - когда расстояние между поверхностью излучающего торца волновода и ступенями кратно половине длины волны излучения в обрабатываемой жидкой среде. Другой вариант выполнения - часть реактора, находящаяся между излучающим торцом волновода и выходным патрубком, выполнена в форме конуса (RU 147795, МПК B01F 11/02, опубл. 20.11.2014).

Недостатком известного решения является то, что излучающая поверхность ультразвукового преобразователя находится внутри камеры локально и направлена в одну сторону. Данное обстоятельство не позволяет равномерно обработать весь поступающий в реактор материал. При такой конструкции неизбежно возникают области с пониженной интенсивностью излучения. В результате материал обрабатывается неравномерно, что может привести к нестабильному результату и нарушению технологического процесса обработки.

Известно ультразвуковое устройство для обработки жидких сред, содержащее реактор, в котором установлен излучатель акустического блока. На цилиндрической поверхности реактора установлен входной патрубок, через который поступает обрабатываемая жидкость. Направление входного патрубка обеспечивает направление движения воды по касательной к излучателю и по спирали в сторону выходного патрубка, установленного в торцевой части реактора напротив торца излучателя. Выходной патрубок заканчивается фланцем, расположенным в реакторе, и снабжен резьбой, обеспечивающей установку выходного отверстия патрубка с фланцем на расстоянии, равном целому числу полуволн от торца излучателя (RU 2363528, МПК B01F 11/02, опубл. 10.08.2009).

Недостатком известного решения является то, что непосредственному воздействию высокой ультразвуковой интенсивности подвергается материал только в момент входа в реакционную камеру. После чего материал растекается по оставшемуся объему камеры и уже не подвергается ультразвуковому воздействию в той степени, которой он подвергся на входе. Таким образом, экспозиция силового деструктивного воздействия ультразвуковой кавитации слишком мала. После этого материал подвергается обработке кавитацией небольшой интенсивности, а в удалении от излучающей поверхности воздействие как таковое может и вовсе отсутствовать. Исходя из этого, нельзя говорить о равномерной обработке всего поступающего в реактор материала с одинаково высокой интенсивностью.

В известной установке для обработки воды и водных растворов, содержащей кавитационный реактор с установленными в нем кавитаторами, промежуточными камерами, соединенными со входом и выходом кавитационного реактора, подающий насос и трубопроводы, кавитационный реактор выполнен в виде емкости с крышкой с установленными внутри не менее чем двумя последовательно соединенными кавитаторами различного принципа работы, разделенными промежуточными камерами, в первую из которых, выполненную цилиндрической формы и установленную горизонтально с осевым размещением на донышке эжектора для подвода дополнительных ингредиентов, введены электроды с возможностью осуществления импульсного высоковольтного электрогидравлического разряда с подачей напряжения от 35 кВ до 50 кВ при частоте импульсов от 0,1 Гц до 20 Гц, с объемом V_К первой промежуточной камеры, определяемым из соотношения: V_К=(G_Н·1000)/3600f, где G_Н - производительность насоса; f - частота импульсов высоковольтного разрядника, причем первая промежуточная камера выполнена с возможностью поступления воды или водного раствора от первого кавитатора в первую промежуточную камеру тангенциально и отведение воды или водного раствора через патрубок, установленный по оси донышка, противоположного эжектору, и соединенный со входом во вторую промежуточную камеру с установленным в ней ультразвуковым излучателем, выполненным с возможностью излучения ультразвуковых волн с частотой не менее 98 кГц и интенсивностью выше 10⁵ Вт/м², а кавитатор, подключенный к выходу второй промежуточной камеры, представляет собой кавитатор вихревого типа, установленный вертикально, содержащий входное устройство в виде сопла с суживающейся спиральной улиткой или сопла с тангенциальным подводом жидкости в конфузорный корпус с углом сужения от 0 до 10°, выходное устройство с регулируемым вентилем, соединенное трубопроводом с дренажной трубкой первой промежуточной камеры и выполненное с возможностью подачи воды или водного раствора через самоочищающийся фильтр и запорно-регулирующий клапан на линию всасывания подающего насоса, а выходной патрубок кавитатора вихревого типа, присоединенный к нижнему торцевому донышку по оси корпуса, имеет диаметр, составляющий 0,35-0,40 от среднего диаметра корпуса кавитатора вихревого типа, соединен с трубопроводами и запорно-регулирующими клапанами, выполненными с возможностью осуществлять циркуляцию обрабатываемой воды или водного раствора через подающий насос и кавитационный реактор или через самоочищающийся фильтр, ее прямоточное движение из входной емкости или водоема в приемную емкость потребителя очищенной воды или водного раствора (RU 2600353, МПК C02F 9/08, C02F 1/36, B01D 36/00, B01F 3/00, опубл. 20.10.2016).

Недостатком известного решения является то, что в конструкции используется так называемый гидроакустический кавитатор. Конструкция конфузора гидроакустического кавитатора сложна и металлоемка. Кроме того, для правильной и стабильной работы такого кавитатора необходим дорогостоящий насос высокого давления. Так как конструкция подразумевает в своем составе насос высокого давления - это накладывает определенные требования к исполнению самого реактора по обеспечению герметичности корпуса. Также применение гидроакустического кавитатора ведет к значительным затратам электроэнергии для питания насоса высокого давления.

Известно устройство для обработки жидких сред, содержащее излучатель ультразвуковых колебаний, который соединен с генератором ультразвуковых колебаний. Излучатель размещен в корпусе, в котором размещена реакционная камера со сплошной перегородкой для протекания жидкого продукта. Сплошная перегородка выполнена в виде змеевика с гранями, расположенными параллельно плоскостям излучателя ультразвуковых колебаний (RU 105197, МПК B01F 11/02, опубл. 10.06.2011).

Недостатком известного решения является то, что воздействие ультразвука на материал передается не напрямую, а опосредовано через воду и перегородку, что ведет к неизбежной и значительной потере энергии и как следствие снижению коэффициента полезного действия системы в целом. Кроме того, значительные изгибы перегородки, по которой проходит обрабатываемый материал, ведет к избыточному гидравлическому сопротивлению устройства, что в итоге ведет к снижению пропускной способности реактора.

Известен реактор для кавитационной обработки жидкости, включающий корпус, в котором соосно установлены активное подвижное и реактивное неподвижное колеса с радиальными ячейками, выполненными на лицевых сторонах колес с образованием рабочей зоны между лицевыми сторонами колес, а также средства пропускания обрабатываемой жидкости через рабочую зону. Корпус с тыльной стороны реактивного колеса может иметь камеру, которая отделена от ячеек реактивного колеса герметичной перегородкой и выполнена с возможностью пропускания обрабатываемой жидкости через камеру. Активное колесо может быть установлено в корпусе с образованием камеры между корпусом и тыльной стороной активного колеса, которая соединена с рабочей зоной через отверстия в активном колесе. Корпус с тыльной стороны реактивного колеса может иметь первую камеру, а активное колесо может быть установлено в корпусе с образованием второй камеры. Технический результат состоит в повышении коэффициента преобразования потребляемой энергии в энергию кавитационных процессов (RU 2381061, МПК B01J 19/10, опубл. 10.02.2010).

Недостатком известного решения является значительные энергозатраты на создание высокого давления жидкости внутри реактора при помощи насоса высокого давления. Кроме того, гидроакустические реакторы работают только на жидких продуктах, без каких бы то ни было примесей. Вязкие жидкости, жидкости с высоким содержанием взвеси, фазы жидкое - твердое обрабатывать в таких реакторах не представляется возможным.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является проточный реактор, который содержит проточную камеру и расположенный в ней и соединенный с источником ультразвуковых колебаний излучатель. Излучатель выполнен в виде цельного стержня переменного сечения, причем участки большего сечения расположены вдоль стержня так, что расстояния между центрами этих участков соответствуют половине длины волны ультразвуковых колебаний в материале стержня. Форма переходов между участками стержня большего и меньшего сечений может быть выбрана или линейной, или радиальной, или экспоненциальной из условий обеспечения заданного направления излучения ультразвуковых колебаний во внутренний объем проточной камеры. Проточная камера выполнена в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого, симметрично относительно участков стержня большего сечения, размещены отражатели ультразвука, выполненные в виде тел вращения (RU 2403085, МПК B01J 19/10, опубл. 10.11.2010).

Известное устройство обеспечивает равномерную ультразвуковую обработку жидкостей, однако данная конструкция позволяет обрабатывать только определенный ограниченный поток небольшой производительности. Это обусловлено достаточно сложной конструкцией реактора и реакционной камерой достаточно малого объема. Необходимость прокачки обрабатываемого материала в непосредственной близости к ультразвуковому излучателю делает невозможным создание проточной камеры большого объема, что ограничивает производительность системы в целом. Также в устройстве не решена проблема возникновения паразитных продольных колебаний вдоль стержня излучателя, что ведет к снижению коэффициента полезного действия системы в целом. Кроме того, конструкция реактора достаточно сложна в изготовлении и металлоемка и не позволяет увеличить производительность системы путем подключения нескольких реакторов в одну линию.

Технический результат заключается в повышении производительности и снижении энергозатрат в процессах обработки и обеззараживания жидкостей в потоке и в стационарном режиме, а также возможности применения технологии ультразвуковой обработки в различных технологических процессах за счет силового кавитационного воздействия на сложные молекулы опасных веществ с последующим их расщеплением.

Сущность изобретения заключается в том, ультразвуковая кавитационная ячейка включает ультразвуковой реактор и блок генератора, соединенные силовым кабелем. Ультразвуковой реактор состоит из корпуса, ультразвуковых излучателей и торцевых уплотнений. Геометрическая длина корпуса ультразвукового реактора не превышает длины полуволны ультразвуковых излучателей для исключения появления продольных паразитных ультразвуковых колебаний. Торцевые уплотнения герметизируют места крепления ультразвуковой ячейки к трубопроводу либо к соседней ячейке, а также создают акустическую развязку между соседними ультразвуковыми ячейками либо трубопроводом.

На фиг. 1 представлен ультразвуковой реактор, на фиг. 2 - блок генератора, на фиг. 3а показано последовательное соединение ультразвуковых ячеек, на фиг. 3б - последовательно-параллельное соединение ультразвуковых ячеек.

Ультразвуковая кавитационная ячейка, являющаяся устройством проточного типа (может использоваться и в стационарном режиме), включает ультразвуковой реактор (фиг. 1) и блок генератора (фиг. 2). Ультразвуковой реактор состоит из корпуса 1, ультразвуковых излучателей 2 и торцевых уплотнений 3. Корпус 1 ультразвукового реактора рассчитан так, чтобы его геометрическая длина не превышала длины полуволны работы ультразвуковых излучателей 2. Таким образом, исключается возможность появления продольных колебаний корпуса 1 ультразвукового реактора и практически вся сообщенная ультразвуковыми излучателями 2 энергия передается непосредственно обрабатываемой среде. Торцевые уплотнения 3 герметизируют места крепления ультразвуковой ячейки к трубопроводу либо к соседней ультразвуковой ячейке, а также создают акустическую развязку между соседними ультразвуковыми ячейками либо трубопроводом. Ультразвуковой реактор и блок генератора соединены посредством силового кабеля.

Устройство работает следующим образом. Ультразвуковой реактор рассчитан таким образом, что при работе в нем создаются только радиальные ультразвуковые колебания, направленные от стенок ультразвуковой ячейки непосредственно к обрабатываемому материалу и исключается возможность возникновения паразитных продольных ультразвуковых колебаний вдоль корпуса ультразвукового реактора. Энергия, сообщенная ультразвуковыми излучателями ячейки, практически полностью сообщается обрабатываемому материалу, тем самым резко увеличивается коэффициент полезного действия устройства в целом. Ультразвуковые излучатели ультразвуковой ячейки выполнены с возможностью излучения ультразвуковых волн с частотой не менее 22 кГц и интенсивностью выше 2 Вт/м².

При заявленной конструкции возможен набор последовательно соединенных ультразвуковых кавитационных ячеек для увеличения экспозиции обработки (фиг. 3а) либо последовательно-параллельное соединение ультразвуковых кавитационных ячеек для увеличения производительности системы (фиг. 3б).

Изобретение относится к области ультразвуковой техники, а именно для ультразвуковой обработки высокой интенсивности жидкостей, суспензий, фаз жидкое - твердое и прочего, как в потоке, так и в стационарном режиме. Ультразвуковая кавитационная ячейка включает ультразвуковой реактор и блок генератора, соединенные силовым кабелем. Ультразвуковой реактор состоит из корпуса, ультразвуковых излучателей и торцевых уплотнений. Геометрическая длина корпуса ультразвукового реактора не превышает длины полуволны работы ультразвуковых излучателей, что исключает появление продольных паразитных ультразвуковых колебаний. Торцевые уплотнения герметизируют места крепления ультразвуковой ячейки к трубопроводу либо к соседней ультразвуковой ячейке, а также создают акустическую развязку. Технический результат изобретения заключается в повышении производительности и снижении энергозатрат в процессах обработки и обеззараживания жидкостей в потоке и в стационарном режиме, а также возможности применения технологии ультразвуковой обработки в различных технологических процессах за счет силового кавитационного воздействия на сложные молекулы опасных веществ с последующим их расщеплением. 3 ил.

Ультразвуковая кавитационная ячейка, включающая ультразвуковой реактор и блок генератора, соединенные силовым кабелем, причем ультразвуковой реактор состоит из корпуса, ультразвуковых излучателей и торцевых уплотнений, геометрическая длина корпуса ультразвукового реактора не превышает длины полуволны ультразвуковых излучателей для исключения появления продольных паразитных ультразвуковых колебаний, а торцевые уплотнения герметизируют места крепления ультразвуковой ячейки к трубопроводу либо к соседней ультразвуковой ячейке, а также создают акустическую развязку.