ПЕТЛЕОБРАЗНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГЕНЕРАТОР И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В РЕАКЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
LOOP-SHAPED ULTRASONIC GENERATOR AND ITS USE IN REACTION SYSTEMS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области технологического оборудования, используемого при обработке материалов ультразвуком в жидких средах.
Уровень техники
Использование ультразвука для возбуждения химических реакций хорошо известно. Примерами публикаций, описывающих использование ультразвука в химии, являются: Suslick K.S., Science, vol.247, p.1439 (1990) и Mason T.J., Practical Sonochemistry, A User's Guide to Applications in Chemistry and Chemical Engineering, Ellis Norwood Publishers, West Sussex, England (1991). Среди разных разработанных систем обработки ультразвуком к известным в качестве «пилотных» систем относится ультразвуковой преобразователь, который генерирует ультразвуковую энергию и передает ее для усиления в ультразвуковой концентратор.
Для ультразвуковых генераторов, как правило, характерен небольшой выход энергии из-за расходования энергии на возбуждение колебаний и выделение тепла ультразвуковым преобразователем. Из-за этих недостатков использование ультразвука в широкомасштабных химических процессах имело ограниченный успех. Одним из способов получения ультразвуковых колебаний относительно большой мощности является использование магнитострикционных ультразвуковых преобразователей, но частоты, достигаемые с помощью магнитострикции, все еще обеспечивают небольшую амплитуду колебаний. Описание магнитострикционных ультразвуковых преобразователей и их использования в химических реакциях имеется в Ruhman A.A., et al. US 6,545,060 B1 (опубликовано 8 апреля 2003 г.) и в его РСТ аналоге WO 98/22277 (опубликовано 28 мая 1998 г.), а также в Yamazaki N., et al. US 5,486,733 (опубликовано 23 января 1996 г.), Kuhn М.С., et al. US 4,556,467 (опубликовано 3 декабря 1985 г.), Blomqvist P., et al. US 5,360,498 (опубликовано 1 ноября 1994 г.) и Sawyer H.T., US 4,168,295 (опубликовано 18 сентября 1979). Патент Ruhman A.A. и др. описывает магнитострикционный преобразователь, генерирующий ультразвуковые колебания в реакторе с непрерывным потоком, в котором колебания ориентированы радиально относительно направления потока и диапазон частот ограничен максимумом в 30 кГц. Патент Yamazaki N. и др. описывает малогабаритный ультразвуковой концентратор относительно низкой мощности, в котором магнитострикция перечислена как один из группы возможных источников генерирования колебаний вместе с пьезоэлектрическими элементами и элементами электрострикционной деформации. Патент Kuhn M.C. и др. описывает реактор с непрерывным потоком, создающий множество ультразвуковых концентраторов и генераторов, обеспечивающих частоты менее чем 100 кГц. Патент Blomqvist P. и др. описывает ультразвуковой генератор, использующий магнитострикционный порошковый композиционный состав, работающий на резонансной частоте 23,5 кГц. Патент Sawyer H.T. и др. описывает проточную реакционную трубу с тремя комплектами ультразвуковых преобразователей, причем каждый из комплектов включает в себя четыре преобразователя и генерирует ультразвук с частотой от 20 до 40 кГц. Названные системы не подходят для высокопроизводительных реакторов, когда необходим большой выход реакции.
Раскрытие изобретения
В настоящее время обнаружено, что ультразвук можно подавать в реакционную систему с высокой мощностью и высокой частотой с помощью ультразвукового генератора, возбуждаемого петлей из магнитострикционного материала с электрической обмоткой, на которую подается осциллирующее напряжение. Осциллирующее напряжение создает в петле ультразвуковые колебания, эти колебания передаются в ультразвуковой концентратор, который проходит в реакционную среду, где концентратор находится в непосредственном контакте с участвующим в реакции веществом (веществами). Петля по форме и размерам соответствует магнитному полю, создаваемому проходящим по обмотке током. Ультразвуковой генератор предпочтительно устанавливают в реакторе непрерывного потока, в котором он вызывает химическую реакцию в протекающей через реактор жидкой реакционной среде. Настоящее изобретение относится, следовательно, к ультразвуковому генератору, реактору непрерывного потока, имеющему в своем составе генератор, и к способу использования генератора для осуществления химической реакции, которая может быть усилена ультразвуком. В определенных вариантах осуществления настоящего изобретения для поддержания ультразвуковых колебаний с заданными значениями в отношении амплитуды, частоты или обоих параметров предусмотрены сенсорный компонент и управляющее устройство.
Настоящее изобретение полезно при осуществлении любой химической реакции, у которой выход, скорость или оба параметра могут быть увеличены ультразвуком, и особенно полезно при десульфуризации сырой нефти или фракций сырой нефти. Процессы, происходящие при использовании ультразвука для обработки этих веществ, описаны в патенте США № 6402939 (выдан 11 июня 2002 г.), патенте США № 6500219 (выдан 31 декабря 2002 г.), патенте США № 6652992 (выдан 25 ноября 2003 г.), опубликованной патентной заявке США № US 2003 - 0051988 А1 (опубликована 20 марта 2003 г.) и опубликованной патентной заявке США № US 2004 - 0079680 А1 (опубликована 29 апреля 2004 г.). Все патенты, патентные заявки и публикации в целом, которые цитированы в настоящем описании, включены в него в виде ссылок полностью для любых юридических целей, к которым они могут иметь отношение.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - поперечное сечение реактора непрерывного потока с ультразвуковым генератором, установленным в реакторе в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - вид сверху ультразвукового генератора согласно фиг.1.
Фиг.3 - вид сзади ультразвукового преобразователя и сенсорного компонента, являющихся частью ультразвукового генератора, согласно фиг.2.
Фиг.4 - вид сбоку ультразвукового преобразователя согласно фиг.3.
Фиг.5 - вид сбоку сенсорного компонента согласно фиг.3.
Осуществление изобретения
В соответствии с настоящим изобретением ультразвуковые колебания передаются в ультразвуковой концентратор петлеобразным преобразователем, который путем магнитострикции преобразует периодически изменяющееся напряжение в механические колебания в ультразвуковом диапазоне. Таким образом, петлеобразный ультразвуковой преобразователь работает как электромагнит и выполнен из магнитострикционного материала, предпочтительно из мягкого магнитного сплава. Мягкие магнитные сплавы представляют собой сплавы, которые становятся магнитными в присутствии электрического поля, но становятся слабомагнитными или немагнитными после снятия поля. Мягкие магнитные сплавы хорошо известны, и любой из этих сплавов пригоден для использования в настоящем изобретении. Примерами их являются железо-кремниевые сплавы, железо-кремниево-алюминиевые сплавы, сплавы никель-железо и железо-кобальтовые сплавы, многие из которых содержат дополнительные легирующие элементы, такие как хром, ванадий и молибден. Примерами торговых марок, под которыми эти сплавы продаются, являются HIPERCO 27, HIPERCO 35, 2V PERMENDUR и SUPERMENDUR. Предпочтительным в настоящее время сплавом является HIPERCO Alloy 50A (High Temp Metals, Inc., Sylmar, California, USA). Магнитострикционный материал - это материал, который претерпевает физическое изменение в отношении размера и формы в результате воздействия на него магнитным полем. Магнитострикционные материалы также хорошо известны из уровня техники как материалы, являющиеся как магнитострикционными, так и мягкими магнитными сплавами. В вариантах осуществления изобретения также применяется сенсорный магнит. Этот сенсорный магнит сделан из магнитострикционного материала и также предпочтительно из мягкого магнитного сплава. Для удобства один и тот же сплав может быть использован как в качестве преобразователя, так и в качестве сенсорного магнита.
Размер петли может изменяться в зависимости от энергии, необходимой для химических превращений или планируемой величины выхода химической реакции. В большинстве случаев лучшие результаты достигаются при использовании удлиненной петли, т.е. петли, у которой длина больше ширины. Предпочтительны петли, у которых длина составляет от примерно 5 см до примерно 50 см, или более предпочтительно от примерно 9 см до примерно 30 см. Также предпочтительными являются удлиненные петли, состоящие из двух прямых параллельных продольных секций, соединенных на концах с зазором между продольными секциями от примерно 0,5 см до примерно 5 см и более, предпочтительно от около 1 см до около 3 см по ширине.
В особенно предпочтительном варианте осуществления петля выполнена в виде пакета из тонких плоских пластин магнитострикционного материала, соединенных вместе с образованием ламината, который содержит слой диэлектрического материала между каждой парой соседних пластин. Диэлектрические слои представляют собой предпочтительно пластиковую смолу или клей на основе керамики. Число пластин в каждом пакете может быть разным и особого значения не имеет кроме как для обеспечения необходимого уровня мощности и интенсивности ультразвуковых колебаний. В большинстве случаев, тем не менее, наилучшие результаты достижимы при наличии от 50 до 1000 пластин или предпочтительно от 100 до 400 пластин. Толщина каждой пластины также может быть разной, хотя предпочтительнее с точки зрения уменьшения потерь от вихревых токов тонкие пластины. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения толщина отдельных пластин находится в диапазоне от примерно 4 микрон до примерно 400 микрон, более предпочтительно от примерно 50 микрон до примерно 250 микрон. В предпочтительном в настоящее время варианте осуществления изобретения используют 400 пластин, каждая из которых имеет толщину 100 микрон, при толщине слоя диэлектрической смолы между каждой соседней парой пластин 25 микрон. В вариантах с использованием сенсорного магнита длина и ширина сенсорного магнита такие же, как и у петли преобразователя. Сенсорный магнит представляет собой также предпочтительно пакет тонких плоских пластин, наиболее предпочтительно тех же самых размеров, как и пластины петли преобразователя.
В соответствии с предпочтительным в настоящее время способом изготовления пластин, используемых в пакетах пластин, отдельные пластины нарезают из листа материала из необработанного магнитного сплава требуемой толщины и каждая пластина вырезается длиной, равной половине длины волны требуемой резонансной частоты. Таким образом, для резонансной частоты 17,5 к Гц, например, предпочтительная длина каждой пластины составляет от 5,0 до 5,5 дюймов (12,7-14,0 см). Аналогично для резонансной частоты 35 кГц предпочтительная длина пластины составляет от примерно 2,55 до 2,75 дюймов (6,5-7,0 см). Центральное удлиненное отверстие в каждой пластине вырезается достаточным для того, чтобы через него проходил электропровод, образующий обмотки на каждой стороне отверстия. После того как пластины вырезаны, их можно подвергнуть термической обработке, чтобы максимально улучшить их характеристики в качестве компонентов ультразвукового преобразователя. В предпочтительном в настоящее время способе обработки каждую пластину нагревают в атмосфере инертного газа со скоростью 1000 градусов F/час (556 градусов С/час) до 900°F (482°С), затем со скоростью 400 градусов F/час (222 градуса С/час) до 1625°F (885°C), затем выдерживают при 1625°F (885°С) в течение нескольких часов (предпочтительно 3-4 часа), затем охлаждают со скоростью 3,2 градуса F/час (1,7 градуса С/час) до 600°F (316°С) и после этого охлаждают до комнатной температуры. Требуемое количество пластин затем соединяют вместе диэлектрическим клеем для образования пакета. В соединенном виде пакет пластин присоединяют к ультразвуковому концентратору или опорному блоку, на котором установлен концентратор. Согласно предпочтительному в настоящее время способу соединение достигается припаиванием преобразователя к поверхности концентратора или блока серебряным твердым припоем.
На петле преобразователя выполнена обмоткой из электропроводной проволоки, а если имеется сенсорная петля, то сенсорную петлю тоже обматывают электропроводной проволокой. Витки вокруг петли преобразователя расположены и ориентированы так, чтобы вызывать магнитострикционные колебания в петле, когда на обмотку подается изменяющееся напряжение. Для достижения наилучших результатов витки вокруг петли преобразователя предпочтительно намотаны так, что вокруг одной продольной секции петли они идут в направлении, противоположном направлению витков вокруг другой продольной секции петли. При подаче напряжения на обе обмотки магнитные полюса возникающие исходя из результирующего тока, противоположны по направлению и возникают магнитострикционные силы в направлении, параллельном продольному размеру петли. При использовании сенсорной петли обмотки вокруг двух сторон сенсорной петли предпочтительно представляют собой одну обмотку, которая окружает одну сторону и продолжается на другой стороне, так что витки вокруг обеих сторон располагаются друг за другом. Обе стороны сенсорной петли обмотаны предпочтительно так, чтобы иметь одинаковую магнитную полярность, и сенсорный магнит в целом будет реагировать на колебания, создаваемые приводным магнитом с обратным магнитострикционным эффектом, который создает колебания магнитного поля в сенсорной петле. Колебания магнитного поля, в свою очередь, создают колебания напряжения в обмотках вокруг сенсорной петли. Колебания напряжения могут быть переданы в управляющее устройство и подвергнуты сравнению с заданным значением.
Ультразвуковой концентратор может быть любой обычной формы и размера, которые вообще могут быть известны из уровня техники для ультразвуковых концентраторов. Концентратор может иметь форму, например, стержня, предпочтительно с круглым поперечным сечением, и подходящая длина его в зависимости от величины реактора может изменяться в пределах от примерно 5 см до 100 см, а предпочтительно от примерно 10 см до примерно 50 см при диаметре от примерно 3 см до примерно 30 см, а предпочтительно от примерно 5 см до примерно 15 см. Петля ультразвукового преобразователя функционально присоединена к концентратору, т.е. с помощью физического соединения, которое передает механические колебания петли концентратору. Металлы, из которых может быть изготовлен концентратор, хорошо известны в области техники ультразвука. Примерами являются сталь, нержавеющая сталь, никель, алюминий, титан, медь и различные сплавы названных металлов. Предпочтительны алюминий и титан.
Преобразователь может приводиться в действие любым осциллирующим напряжением. Осцилляции могут иметь любую форму колебаний, например от синусоидальной до прямоугольной. Под «прямоугольной формой колебаний» понимают напряжение постоянного тока, которое изменяется между постоянным положительным значением и линией развертки с пошаговым изменением напряжения между ними. Прямоугольными формами колебаний, которые предпочтительны в вариантах осуществления настоящего изобретения, считают такие, у которых линия развертки представляет собой скорее отрицательное напряжение, чем нулевое напряжение, а предпочтительно такие, у которых чередующиеся положительные и отрицательные напряжения имеют одинаковую амплитуду. Предпочтительными являются амплитуды напряжения от примерно 140 В до примерно 300 В при предпочтительности напряжения на одной фазе 220 В, а предпочтительными мощностями являются от примерно 12 кВт до примерно 20 кВт. Частоту осцилляций напряжения выбирают такой, чтобы обеспечить требуемую частоту ультразвука. Предпочтительные частоты находятся в диапазоне от примерно 10 до примерно 30 кГц, а наиболее предпочтительно от примерно 17 до примерно 20 кГц.
Ультразвуковые преобразователи, соответствующие настоящему изобретению, будут работать наиболее эффективно, если в период использования их охлаждают. Охлаждение петли преобразователя и сенсорной петли при ее наличии можно удобно обеспечить, разместив эти петли в рубашке или корпусе, через который проходит или циркулирует охладитель. Ультразвуковой генератор предпочтительно присоединен к реакционной емкости с выступающим внутрь ее ультразвуковым концентратором, в то время как преобразователь, датчик и рубашка охлаждения находятся вне указанной емкости. Обычно эффективной и удобной охлаждающей средой является вода.
Соответствующие настоящему изобретению ультразвуковые генераторы можно использовать как в реакторах периодического действия для усиления реакций с порционной загрузкой, так и в реакторах непрерывного потока для непрерывно протекающих реакций. Предпочтительны реакторы непрерывного потока.
Хотя настоящее изобретение и относится к различным вариантам осуществления и конфигурациям, детальное изучение особых вариантов осуществления даст читателю возможность полностью понять основные принципы изобретения и возможности их применения. Один из таких вариантов осуществления показан на фигурах.
Фиг.1 показывает осевое поперечное сечение реактора 11 непрерывного потока, в котором текучая реакционная среда подвергается обработке ультразвуком в соответствии с настоящим изобретением. Реактор состоит из реакционной камеры 12 с впускным отверстием 13 для поступления необработанной реакционной среды и выходными отверстиями, из которых показаны два 14, 15, через которые обработанная реакционная среда выходит из камеры. К реактору присоединен ультразвуковой концентратор 16, дальний конец 17 которого входит внутрь реакционной камеры 12. Ближний конец 18 концентратора присоединен к соединительному блоку 21, который, в свою очередь, присоединен к ультразвуковому преобразователю 22. Соединительный блок 21 выполняет роль передатчика колебаний от преобразователя 22 к концентратору 16, а также волновода и усилителя для увеличения амплитуды ультразвуковых колебаний, генерированных преобразователем 22. Преобразователь 22 подсоединен через соединительную коробку 23 к блоку 24 электропитания, включающему в себя источник тока, усилитель и устройство управления.
Ультразвуковой преобразователь 22 в этом примере представляет собой удлиненную петлю, у которой две продольные стороны 31, 32 являются прямыми и параллельными, соединенными вверху и внизу соединительными частями 33 и 34 соответственно. Обмотки, связанные с петлей, окружают продольные ее части и показаны на рассматриваемых ниже фиг.3 и 4. Может присутствовать сенсорная петля, но она не видна на данном изображении, так как сенсорная петля имеет такой же профиль, как и петля преобразователя 22. Петля преобразователя 22 и верхний конец блока 21 находят в корпусе 35 вне реактора. Охлаждающий агент непрерывно течет через корпус, поступая в него через входное отверстие 36 и выходя через выпускное отверстие 37.
-1
-1
-1
Жидкая реакционная смесь, поступая через входное отверстие 13 реактора, течет на выход вдоль поверхности дальнего конца 17 ультразвукового концентратора непрерывным постоянным потоком при небольшом или отсутствующем «мертвом» пространстве. Концентратор 16 имеет цилиндрическую форму с плоским дальним концом 17 и, хотя размеры могут варьировать в рамках настоящего изобретения, дальний конец предпочтительно является круглым и имеет диаметр от примерно 3 см до примерно 30 см, наиболее предпочтительно от примерно 5 см до примерно 15 см. Промежуток 38 между дном 39 реакционной камеры и дальним концом 17 концентратора также может варьировать, хотя для достижения лучших результатов в большинстве вариантов осуществления этот промежуток менее чем 3,0 см, предпочтительно менее чем 2,0 см и наиболее предпочтительно менее чем 1,5 см. Предпочтительно минимальный промежуток составляет 0,5 см, а наиболее предпочтительно 1,0 см. Отношение площади поверхности дальнего конца 17 концентратора к объему реакционной камеры предпочтительно составляет около 0,5 см или больше, наиболее же предпочтительный диапазон от примерно 0,5 см до примерно 5 см. В предпочтительном в настоящее время варианте осуществления дальний конец имеет диаметр примерно около 3,0 дюйма (7,6 см), а промежуток составляет примерно 0,5 дюйма (1,3 см). Реакционная камера 12, ультразвуковой концентратор 16 и соединительный блок 21 не ограничиваются конкретной формой, но наиболее удобными и экономичными они являются в случае, если представляют собой тела вращения с общей осью 40.
Фиг.2 является видом сверху ультразвукового преобразователя 22, сенсорного магнита 41 и контактирующей поверхности соединительного блока 21. Профиль сенсорного магнита 41 идентичен профилю преобразователя 22, т.е. обе петли имеют одинаковые высоту и ширину, хотя толщина сенсорного магнита меньше. Как преобразователь, так и сенсорный магнит изготовлены из пакетов тонких металлических пластин 42, 43 из магнитострикционного материала, соединенных вместе диэлектрическим клеем 44. Пластины преобразователя 22 разделены на две группы 45, 46, между которыми имеется промежуток 47, способствующий охлаждению, так как он создает дополнительную поверхность для контакта с циркулирующим охладителем.
Обмотки показаны видами сбоку, представленными на фиг.3, 4 и 5. Фиг.3 показывает торцы пакетов пластин, а фиг.4 и 5 показывают широкие поверхности пакетов пластин.
Обмотки петли преобразователя видны на фиг.3 и 4. Как показано на этих фигурах, витки вокруг одной стороны петли отделены от витков вокруг другой стороны петли, в то время как каждая сторона имеет одну обмотку, охватывающую обе группы 45, 46 пластин пакета. Следовательно, одна единая обмотка 48 из проволоки окружает все пластины, образующие левую сторону 49 петли (фиг.5) и, таким образом, перекрывает промежуток 47 между двумя группами пластин, а другая, независимая, единая обмотка 50 окружает все пластины, образующие правую сторону 51, аналогично перекрывая промежуток 47. Обе обмотки 48, 50 намотаны в противоположных направлениях, и напряжение подается таким образом, что магнитный полюс, возникающий на одной стороне петли в результате прохождения тока по окружающей эту сторону обмотке, противоположен магнитному полюсу, возникающему на другой стороне, в то время как магнитострикционные силы возникают в показанном стрелкой 52 направлении.
Обмотки сенсорной петли 41 видны на фиг.3 и 5. Использована непрерывная обмотка 53, которая окружает одну сторону петли и затем переходит на вторую сторону. Благодаря этой обмотке генерируемые возбуждающими магнитами изменяющиеся магнитные поля создают в результате магнитной индукции напряжение в обмотке при практически отсутствующем эффекте магнитострикции.
Силовые компоненты, включая источник энергии, усилитель и управляющее устройство, являются обычными компонентами, доступными в торговой сети, и хорошо подходят для выполнения описанных выше функций. В предпочтительных в настоящее время вариантах исполнения используют управляемый компьютером генератор колебаний произвольной формы, например Agilent 33220A или Advantek 712 с выходным устройством АЦП (аналого-цифровой преобразователь) или микропроцессорный привод, генератор колебаний, управляемый напряжением, разработанный на основе интегральной микросхемы 8038. Указанный генератор колебаний произвольной формы автоматически подстраивается с помощью выходного АЦП на микропроцессоре или функций в компьютере LabVIEW (National Instruments Corporation, Остин, Техас, США), в котором импульсная программа управляет генератором колебаний произвольной формы с целью обеспечения максимального ультразвукового выхода путем подстройки частоты импульсов с резонансной частотой преобразователя. Положительные и отрицательные импульсные составляющие также можно отрегулировать, так чтобы получить полную составляющую постоянного тока, которая максимизирует магнитострикционный эффект. Другими средствами защиты, используемыми в микропроцессоре или LabVIEW компьютере, являются температурные датчики, которые выявляют неполадки с энергообеспечением и выбросы мощности.
Предпочтительные силовые компоненты состоят из IGBT (БТИЗ) (биполярных транзисторов с изолированным затвором) в силовой конфигурации полного моста. В силовой конфигурации полный мост используется четыре транзистора БТИЗ, выполненных в конфигурации двух полумостовых пушпульных усилителей. Каждая полумостовая секция возбуждается последовательностью асимметричных прямоугольных импульсов, последовательности сдвинуты по фазе на 180 градусов. Симметрия (т.е. относительные величины положительных и отрицательных импульсных составляющих) импульсов, возбуждающих каждую полумостовую секцию может быть оптимизирована для получения максимальной ультразвуковой выходной мощности. Каждый БТИЗ изолирован от источника сигнала транзистором, возбуждающим оптическую изоляцию. Сенсорные компоненты измеряют отраженный сигнал переменного тока, генерированный колебаниями в сенсорной петле. Частоту парных асимметричных выходных импульсов оптимизируют путем измерения отклонений в сенсорной петле или путем измерения выходной мощности, подаваемой в петлю ультразвукового преобразователя.
Вышеизложенное имеет в основном иллюстративную цель. Для специалистов в данной отрасли техники очевидны и другие варианты компонентов устройства и системы, их размещения, используемых материалов, условий работы и других признаков, раскрытых в настоящем документе и не выходящих за рамки изобретения.