ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА АКУСТОФОРЕТИЧЕСКОГО МНОГОКОМПОНЕНТНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ
PROCESS PLATFORM FOR ACOUSTOPHORETIC MULTICOMPONENT SEPARATION

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
По настоящей заявке испрашивается приоритет предварительной заявки № 61/611159 на патент США, поданной 15 марта 2012 года, предварительной заявки № 61/611240 на патент США, поданной также 15 марта 2012 года, и предварительной заявки № 61/754792 на патент США, поданной 21 января 2013 года. Эти три заявки полностью включены в настоящую заявку путем ссылки.
Акустофорезис представляет собой разделение частиц с использованием высокоинтенсивных звуковых волн. Давно известно, что высокоинтенсивные стоячие волны звука могут создавать силы, прилагаемые к частицам. Стоячая волна имеет профиль давления, который производит впечатление остающегося неподвижным с течением времени. Профиль давления в стоячей волне изменяется от участков высокого давления (узлов) к участкам низкого давления (пучностям). Стоячие волны образуются в акустических резонаторах. Общие примеры акустических резонаторов включают в себя многочисленные музыкальные духовые инструменты, такие как органные трубы, флейты, кларнеты и валторны.
Необходимы технологии эффективного разделения потоков многокомпонентных жидкостей, в которых исключаются всякие отходы и снижается потребляемая энергия, что способствует сохранению экологически чистой окружающей среды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее раскрытие относится к системам и устройствам для акустофорезиса в крупных масштабах. В устройствах используется ультразвуковой преобразователь, описанный в этой заявке. Преобразователь возбуждается на частотах, на которых образуются многочисленные стоячие волны.
Согласно некоторым вариантам осуществления раскрыто устройство, включающее в себя проточную камеру с впускным отверстием и выпускным отверстием, через которую протекают смесь основной жидкости и по меньшей мере одного из второй жидкости и частиц дисперсной фазы. Ультразвуковой преобразователь, встроенный в стенку указанной проточной камеры или расположенный вне стенки проточной камеры, возбуждается осциллирующим, периодическим или импульсным сигналом напряжения ультразвуковых частот, который возбуждает преобразователь на моде колебаний высокого порядка для создания стоячих волн в проточном канале. Преобразователь включает в себя керамический кристалл. Отражатель расположен на стенке на стороне проточной камеры, противоположной преобразователю.
Согласно другим вариантам осуществления раскрыт способ отделения основной жидкости от по меньшей мере одного из второй жидкости и частиц дисперсной фазы. Способ содержит обеспечение тока основной жидкости в проточную камеру, имеющую резонатор и сборный карман, и возбуждение преобразователя осциллирующим, периодическим или импульсным сигналом напряжения для создания стоячих волн в резонаторе, и сбор по меньшей мере одного из второй жидкости и частиц дисперсной фазы в сборном кармане.
Согласно еще одним вариантам осуществления устройство содержит проточную камеру с впускным отверстием и выпускным отверстием, через которую протекает смесь основной жидкости и по меньшей мере одного из второй жидкости и частиц дисперсной фазы. Множество ультразвуковых преобразователей встроены в стенку указанной проточной камеры или расположены вне стенки проточной камеры. Каждый из преобразователей включает в себя керамический кристалл, возбуждаемый осциллирующим, периодическим или импульсным сигналом напряжения ультразвуковых частот, который возбуждает преобразователи на моде колебаний высокого порядка для создания стоячих волн в проточном канале. Отражатель расположен на стенке на стороне проточной камеры, противоположной преобразователям.
Эти и другие не создающие ограничений характеристики описаны более конкретно ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Нижеследующее является кратким описанием чертежей, которые представлены для иллюстрации примеров вариантов осуществления, раскрытых в этой заявке, а не для ограничения этих вариантов осуществления.
На чертежах:
Фиг. 1 - вид акустофоретического сепаратора, имеющего один преобразователь.
Фиг. 2 - вид, иллюстрирующий функцию акустофоретического сепаратора.
Фиг. 3 - вид акустофоретического сепаратора, имеющего множество преобразователей.
Фиг. 4А - детальный вид диффузора, используемого в качестве впускного отверстия в сепараторе из фиг. 3.
Фиг. 4В - детальный вид альтернативного впускного диффузора, который может использоваться в сепараторе из фиг. 3.
Фиг. 5 - сечение обычного ультразвукового преобразователя.
Фиг. 6 - вид износостойкой пластины обычного преобразователя.
Фиг. 7 - разрез ультразвукового преобразователя из настоящего раскрытия; в преобразователе имеется воздушный зазор, а подложечный слой отсутствует.
Фиг. 8 - вид компьютерной модели акустофоретического сепаратора, моделированного для получения фиг. 9-17.
Фиг. 9-17 - результаты моделирования сил, действующих на частицу в акустофоретическом сепараторе.
Фиг. 18 - фотография квадратного преобразователя и круглого преобразователя, предназначенных для использования в акустофоретическом сепараторе.
Фиг. 19 - график зависимости амплитуды импеданса от частоты для случая, когда квадратный преобразователь возбуждается на различных частотах.
Фиг. 20 - иллюстрация конфигураций узлов для семи пиковых амплитуд из фигуры 19.
Фиг. 21 - фотография конфигурации девяти узлов преобразования.
Фиг. 22 - фотография еще одной конфигурации многочисленных узлов преобразователя.
Фиг. 23 - результат компьютерного моделирования сил от преобразователя.
Фиг. 24 и 25 - виды конфигураций групп преобразователей.
Фиг. 26 - вид акустофоретического сепаратора для сепарации плавучих материалов с использованием преобразователей из фиг. 21 и 22.
Фиг. 27 - результат компьютерного моделирования сил от группы преобразователей.
Фиг. 28 - фотография, показывающая узлы группы преобразователей.
Фиг. 29 - фотография, показывающая узлы группы преобразователей.
Фиг. 30 - результат компьютерного моделирования сил от группы преобразователей.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Настоящее раскрытие можно легче понять при обращении к нижеследующему подробному описанию предпочтительных вариантов осуществления и примерам, включенным в эту заявку. В нижеследующем описании и формуле изобретения, которая следует за ним, будет делаться обращение к некоторому количеству терминов, которые определены как имеющие следующие значения.
Объекты в единственном числе охватывают множество объектов, если из контекста ясно не следует иное.
Используемый в описании и в формуле изобретения термин «содержащий» может охватывать варианты осуществления, «состоящие из» или «состоящие по существу из».
Должно быть понятно, что численные значения включают в себя численные значения, которые являются одинаковыми при приведении к одному и тому же числу значащих цифр, и численные значения, которые отличаются от установленного значения меньше чем на погрешность эксперимента в обычном способе измерений описанного в настоящей заявке типа, предназначенном для нахождения значения.
Все интервалы, раскрытые в этой заявке, включают в себя показанную конечную точку и могут сочетаться независимо (например, интервал «от 2 г до 10 г» включает в себя конечные точки 2 г и 10 г и все промежуточные значения). Конечные точки интервала и любые значения, раскрытые в этой заявке, не ограничены точным интервалом или значением; они являются достаточно неопределенными с включением значений, приближающихся к этим интервалам и/или значениям.
Используемые в этой заявке приближенные формулировки могут быть применены для модификации любого численного представления, которое можно изменять без получения в результате изменения основной функции, к которому представление относится. В соответствии с этим в некоторых случаях значение, модифицируемое с помощью выражения или выражений, таких как «около» и «по существу», может не ограничиваться точно определенным значением. По меньшей мере в некоторых случаях приближенные формулировки могут соответствовать точности прибора для измерения значения. Кроме того, модификатор «около» следует рассматривать как раскрывающий интервал, определяемый абсолютными значениями двух конечных точек. Например, выражением «от около 2 до около 4» также раскрывается интервал «от 2 до 4».
Необходимы эффективные технологии разделения потоков многокомпонентных жидкостей, в которых исключаются всякие отходы и уменьшается требуемая энергия, и следовательно, создаются благоприятные условия для окружающей среды. Технологией акустофоретического фазового разделения при больших объемных расходах с использованием ультразвуковых стоячих волн обеспечивается преимущество, заключающееся в отсутствии расходных материалов, исключении образования отходов и низких затратах энергии. Технология является эффективной при перемещении частиц со значительно изменяющимися размерами, в том числе при разделении частиц микрометровых и субмикрометровых размеров. Примеры акустических фильтров/коллекторов с использованием акустофореза можно найти в находящихся в общей собственности заявках №№ 12/947757, 13/085299, 13/216049 и 13/216035 на патенты США, все содержание каждой из которых полностью включено в эту заявку путем ссылки.
Технологической платформой, описанной в этой заявке, предоставляется инновационное решение, которое включает в себя акустофоретический фазовый сепаратор с большим объемным расходом, основанный на ультразвуковых стоячих волнах, обладающий преимуществом, заключающимся в отсутствии расходных материалов, исключении образования отходов и низких затратах энергии. Акустофорез представляет собой низкоэнергетический, без перепада давления, без засорения, твердофазный способ удаления частиц из жидких дисперсий, то есть, он используется для выполнения разделений, которые обычно осуществляются пористыми фильтрами, но при этом отсутствуют недостатки фильтров. В частности, в настоящем раскрытии представлены системы, которые работают в макромасштабе при разделениях в проточных системах с высокими скоростями потока. Разработан акустический резонатор для создания трехмерной ультразвуковой стоячей волны высокой интенсивности, приводящей к образованию силы акустического излучения, которая больше, чем совместное действие сопротивления жидкости и плавучести, и поэтому может захватывать, то есть удерживать неподвижной, взвешенную фазу. Предложенные системы обладают способностью создавать поля ультразвуковых стоячих волн, в которых могут захватываться частицы из полей течения с линейной скоростью, превышающей 1 см/с. Эта технология представляет собой не загрязняющее окружающую среду и ресурсосберегающее альтернативное решение для разделения вторичных фаз при значительном снижении затрат энергии. Высокая эффективность разделения частиц была обнаружена при размерах частиц до 1 мкм.
В технологии акустофоретического разделения ультразвуковые стоячие волны используют для захвата, то есть удержания неподвижными вторичных фазовых частиц в потоке основной жидкости. В этом заключается важное отличие от существующих способов, в которых при воздействии силы акустического излучения всего лишь изменяются траектории частиц. Рассеяние акустического поля на частицах приводит к образованию трехмерной силы акустического излучения, которая действует как трехмерное захватывающее поле. Сила акустического излучения пропорциональна объему частиц (например, кубу радиуса). Она пропорциональна частоте и коэффициенту акустического контраста. Кроме того, она масштабируется акустической энергией (например, квадратом амплитуды акустического давления). Синусоидальная пространственная вариация силы приводит частицы в стабильные положения относительно стоячих волн. Когда сила акустического излучения, воздействующая на частицы, больше, чем совместное действие силы сопротивления жидкости и силы плавучести/гравитационной силы, частица захватывается в поле акустической стоячей волны. Воздействие акустических сил на захваченные частицы приводит к концентрации, скоплению и/или коалесценции частиц и капель. Частицы, более тяжелые, чем вода (то есть, более плотные, чем вода), отделяются благодаря повышенному гравитационному осаждению, а частицы, более легкие, чем вода, отделяются благодаря повышенной плавучести.
Эффективные и экономичные процессы разделения частиц могут быть полезными во многих областях выработки энергии, например, при добыче воды, гидравлическом разрыве пласта и получении биологического топлива, при сборе нефтяного разлива и обезвоживании. Акустофоретическую технологию можно использовать для целевого ускоренного захвата бактериальных спор в воде, при добыче нефти и обезвоживании биологической нефти, получаемой из микроскопических водорослей. Современная технология, используемая в области добычи нефти, неэффективна при извлечении мелких, например меньше чем 20 мкм, нефтяных капель. Однако в акустофоретических системах, описанных в настоящей заявке, можно улучшить захват и коалесценцию небольших нефтяных капель, благодаря чему будет сдвигаться распределение частиц по размерам, что приведет к общему повышению захвата нефти. В общем случае необходимо иметь большие расходы на уровне 4 галлонов в минуту (15,14 л/мин). Другая задача заключается в повышении захвата нефтяных капель диаметром меньше чем 20 мкм.
Акустофоретическое разделение также можно использовать при таких применениях, как усовершенствованная технология биологической очистки, для превращения дешевой легкодоступной непищевой биомассы (например, городских твердых отходов и канализационных осадков) в широкий ряд химических продуктов и вторичных спиртов, которые затем можно дополнительно перерабатывать в бензин, авиационное топливо или дизельное топливо. Технологию обработки воды используют, чтобы обезвоживать ферментационный бульон и выделять ценные органические соли для дальнейшей переработки в топливо. В настоящее время процесс обезвоживания выполняют дорогим и неэффективным способом ультрафильтрации, недостатками которого являются частое загрязнение мембран, относительно низкий коэффициент концентрации и высокие капитальные и эксплуатационные затраты. Акустофоретическим разделением можно фильтровать частицы с распределением поступающих частиц по размерам, которое перекрывает больше трех порядков величины, а именно от 600 мкм до 0,3 мкм, что позволяет повышать концентрацию сепарируемого бульона при меньших капитальных и эксплуатационных затратах.
Кроме того, акустофоретическое разделение используют при сборе нефтяного разлива, добыче нефти и обезвоживании микроскопических водорослей в случае превращения в биологическую нефть. Недостаток современных технологий сбора нефтяного разлива, добычи нефти и обезвоживания микроскопических водорослей заключается в высоких эксплуатационных и капитальных затратах. В соответствии с наилучшими оценками стоимость биологической нефти, получаемой из микроскопических водорослей, составляет минимум 200 долларов за баррель (159 л). В соответствующей области техники имеется необходимость в технологиях получения биологического топлива из микроскопических водорослей, в которых усовершенствованы этапы сбора нефтяного разлива, добычи нефти и обезвоживания. Технология акустофоретического разделения соответствует этой необходимости.
Некоторые другие применения относятся к областям обработки сточных вод, возвращения в оборот бытовых сточных вод и добычи воды. Другие применения относятся к области биологических наук и медицинским применениям, таким как отделение липидов от эритроцитов. Это может быть жизненно важным во время операции с применением экстракорпорального кровообращения, которая включает в себя отсасывание выделяющейся медиастинальной крови. Липиды непреднамеренно вводятся в кровоток при обратном переливании крови. Липидные микроэмболы могут перемещаться в головной мозг и вызывать различные нейрокогнитивные расстройства. Поэтому имеется потребность в очистке крови. Существующие в настоящее время способы являются неэффективными или пагубными для эритроцитов.
Конкретные варианты осуществления ориентированы на захват и рост нефтяных капель меньше 20 мкм. По меньшей мере 80% объема капель меньше 20 мкм захватываются и затем осуществляется рост капель до величины больше чем 20 мкм. Процесс включает в себя захват нефтяных капель в акустической стоячей волне, коалесценцию многочисленных небольших захваченных капель и в конечном счете отделение более крупных капель, когда акустическая захватывающая сила становится меньше, чем сила плавучести.
Усовершенствованные мультифизические и многомасштабные по протяженности компьютерные модели и высокочастотные (мегагерцовые), мощные и высокоэффективные ультразвуковые возбудители с встроенными средствами контроля были объединены для получения новых конструкций акустических резонаторов, возбуждаемых группами пьезоэлектрических преобразователей, что привело к созданию акустофоретических устройств, которые обладают возможностями, превосходящими возможности существующих устройств.
Желательно, чтобы такие преобразователи создавали поперечную силу в дополнение к осевой силе для повышения способности к захвату частиц в акустофоретической системе.
На фиг. 1 показан схематический вид акустофоретического сепаратора 1 частиц согласно одному варианту осуществления. Поток многокомпонентной жидкости (например, воды или другой жидкости) входит во впускное отверстие 4 и отделенная жидкость выходит на противоположном конце через выпускное отверстие 6. Следует отметить, что этот поток жидкости обычно находится под давлением, когда протекает через сепаратор. Сепаратор 1 частиц имеет продольный проточный канал 8, который проходит через резонатор 10 и по которому протекает поток многокомпонентной жидкости. Резонатор 10 включает в себя преобразователь 12, который действует как источник возбуждения акустических волн, или группу преобразователей согласно некоторым вариантам осуществления. Акустический резонатор 10 имеет отражатель 14, который расположен на стенке, противоположной преобразователю 12. Напротив преобразователя также расположен сборный карман 16, в котором собираются примеси. Как определено в этой заявке, примеси включают в себя частицы или жидкости, отличающиеся от основной жидкости. Акустический резонатор 10 предназначен для поддержания высокоинтенсивной трехмерной акустической стоячей волны. Система приводится в действие функциональным генератором и усилителем (не показанными). Характеристики системы контролируются и регулируются компьютером.
На фиг. 2 показано схематическое представление варианта осуществления, предназначенного для удаления нефти или другого материала легче воды. Частоты возбуждения, обычно в диапазоне от сотен килогерц до нескольких мегагерц, создаются преобразователем 20. Микрокапли 22 захватываются в стоячих волнах 24, скапливаются и в случае плавучего материала всплывают к поверхности и выпускаются через выходное отверстие 26. Очищенная вода вытекает через выпускное отверстие 28. В соответствии с технологией акустофоретического разделения можно осуществлять разделение многокомпонентных частиц без засорения отложениями при значительном сокращении затрат.
3
На фиг. 3 показан акустофоретический сепаратор 30 частиц согласно другому варианту осуществления. Как и акустофоретический сепаратор 1, акустофоретический сепаратор 30 имеет впускное отверстие 32 и выпускное отверстие 34. Впускное отверстие 32 снабжено соплом или диффузором 90, имеющим сотовую панель 95 для содействия развитию потока вытеснения. Акустофоретический сепаратор 30 имеет группу 38 преобразователей 40, в этом случае шесть преобразователей, которые все расположены на одной и той же стенке. Преобразователи расположены таким образом, что они покрывают все сечения пути потока. Согласно некоторым вариантам осуществления акустофоретическая система разделения фиг. 3 имеет квадратное поперечное сечение размером 6 дюймов на 6 дюймов (15,24 см на 15,24 см) и работает при скоростях потока до 3 галлонов в минуту (11,36 л/мин) или при линейной скорости 8 мм/с. Преобразователи 40 представляют собой шесть преобразователей из титаната-цирконата свинца (PZТ--8) с диаметром 1 дюйм (2,54 см) и номинальной резонансной частотой 2 МГц. Каждый преобразователь потребляет мощность 28 Вт для захвата капель при скорости потока 3 галлона в минуту (11,36 л/мин). В пересчете на энергетические затраты это составляет 0,25 кВт·ч/м. Это является показателем очень низких затрат энергии в этой технологии. Желательно, чтобы каждый преобразователь возбуждался и регулировался своим усилителем.
На фиг. 4А и 4В показаны два различных диффузора, которые могут использоваться во впускном отверстии акустофоретического сепаратора. Диффузор 90 имеет вход 92 (в данном случае круглой формы) и выход 94 (в данном случае квадратной формы). Диффузор из фиг. 4А также показан на фиг. 3. На фиг. 4А показана сетка или сотовая панель 95, тогда как на фиг. 4В она отсутствует. Сеткой обеспечивается однородный поток.
На фиг. 5 представлен разрез обычного ультразвукового преобразователя. Этот преобразователь имеет износостойкую пластину 50 на нижнем конце, слой 52 эпоксидной смолы, керамический кристалл 54, изготовленный, например, из титаната-цирконата свинца, слой 56 эпоксидной смолы и подложечный слой 58. Слой 56 эпоксидной смолы прикрепляет подложечный слой 58 к кристаллу 54. Весь узел размещен в корпусе 60, который может быть изготовлен, например, из алюминия. Соединитель 62 обеспечивает соединение с проводами, протянутыми через корпус, и соединение проводов с выводами (непоказанными), которые прикреплены к кристаллу 54.
На фиг. 6 представлена фотография износостойкой пластины 50 с пузырьком 64, при этом износостойкая пластина отдалена от поверхности керамического кристалла вследствие действия пульсирующего давления.
На фиг. 7 представлен разрез ультразвукового преобразователя 81 согласно настоящему раскрытию, который можно использовать в акустофоретических сепараторах из фиг. 1 и фиг. 3. Преобразователь 81 имеет алюминиевый корпус 82. Кристалл 86 титаната-цирконата свинца обозначен на нижнем конце преобразователя и не защищен корпусом. По периметру кристалл поддерживается корпусом.
Алюминиевая верхняя пластина 82а корпуса прикреплена винтами (непоказанными) к основной части 82b корпуса с помощью витков 88 резьбы. Верхняя пластина включает в себя соединитель 84 для передачи энергии к кристаллу 86 титаната-цирконата свинца. Электрическая энергия передается к кристаллу 86 титаната-цирконата свинца благодаря электрическому выводу 90. Отметим, что кристалл 86 не имеет подложечного слоя, показанного на фиг. 5. Иначе говоря, в преобразователе имеется воздушный зазор 87 между алюминиевой верхней пластиной 82а и кристаллом 86. В некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрена очень небольшая подложка.
Конструкция преобразователя может оказывать влияние на характеристики системы. Типичный преобразователь представляет собой многослойную структуру с керамическим кристаллом, ограниченным подложечным слоем и износостойкой пластиной. Поскольку преобразователь нагружается высоким механическим импедансом, представленным стоячей волной, для традиционных конструкций износостойких пластин рекомендуется, например, толщина, равная половине или четверти длины волны, и существующие способы изготовления могут быть неприемлемыми. Точнее, согласно одному варианту осуществления настоящего раскрытия преобразователя износостойкая пластина или подложка отсутствует, что позволяет кристаллу колебаться с высоким коэффициентом добротности. Колеблющийся керамический кристалл/диск непосредственно открыт к жидкости, протекающей через проточную камеру.
Кроме того, исключение подложки (например, изготовление кристалла с воздушной подложкой) позволяет получать моды колебаний керамического кристалла более высокого порядка (например, модальное смещение более высокого порядка). В преобразователе, имеющем кристалл с подложкой, кристалл колеблется с равномерным смещением, подобно поршню. Исключение подложки позволяет кристаллу колебаться в режиме неравномерного смещения. При модах колебаний кристалла более высокого порядка кристалл имеет больше узловых линий. При модальном смещении кристалла более высокого порядка создается большее количество линий захвата, хотя соответствие линии захвата узлу необязательно является однозначным, и при возбуждении кристалла на более высоких частотах необязательно будет создаваться большее количество линий захвата. См. обсуждение, приведенное ниже применительно к фиг. 19-22.
Согласно некоторым вариантам осуществления кристалл может иметь подложку, которая в минимальной степени влияет на коэффициент добротности кристалла (например, меньше чем 5%). Подложку можно изготавливать из по существу акустически прозрачного материала, такого как бальза или пробка, который позволяет иметь колебания кристалла с модами более высокого порядка и сохранять высокий коэффициент добротности и вместе с тем позволяет обеспечивать некоторую механическую поддержку кристалла. Согласно еще одному варианту осуществления подложка может быть решетчатой конструкцией, которая увязана с узлами колеблющегося кристалла, в частности с модой колебаний высокого порядка, обеспечивает поддержку в местах нахождения узлов и вместе с тем позволяет остальной части кристалла свободно колебаться. Назначение решетчатой конструкции или акустически прозрачного материала заключается в обеспечении поддержки без снижения коэффициента добротности кристалла.
Помещение кристалла в непосредственный контакт с жидкостью также способствует высокому коэффициенту добротности за счет исключения эффектов демпфирования и поглощения энергии износостойкой пластиной. Согласно другим вариантам осуществления может иметься износостойкая пластина или износостойкая поверхность для предотвращения контакта титаната-цирконата свинца, который содержит свинец, с основной жидкостью. Это может быть желательно, например, при биологических применениях, таких как сепарация крови. При таких применениях можно использовать износостойкий слой, например, хрома, электролитического никеля или химического никеля. Кроме того, химическое осаждение из паровой фазы можно использовать для нанесения слоя поли(параксилксиена) (например, парилена) или другого полимера. Органические и биологически совместимые покрытия, такие как силиконовые или полиуретановые, также предполагаются в качестве износостойкой поверхности.
Предложенная система работает при таком напряжении, при котором частицы захватываются в поле ультразвуковой стоячей волны, то есть сохраняются в неподвижном положении. Частицы собираются вдоль хорошо определенных линий захвата, разнесенных на половину длины волны. В каждой узловой плоскости частицы захватываются при минимуме потенциала поля акустического излучения. Осевая составляющая силы акустического излучения приводит в движение частицы с положительным коэффициентом контраста к узловым плоскостям давления, тогда как частицы с отрицательным коэффициентом контраста приводятся в движение к плоскостям пучности давления. Радиальная или поперечная составляющая силы акустического излучения представляет собой силу, которая захватывает частицу. В системах с использованием типичных преобразователей радиальная или поперечная составляющая силы акустического излучения по величине обычно на несколько порядков меньше, чем осевая составляющая силы акустического излучения. И наоборот, поперечная сила в сепараторах 1 и 30 может быть значительной, по величине такого же порядка, как и осевая составляющая силы, и достаточной для преодоления силы сопротивления жидкости при линейных скоростях до 1 см/с. Как рассматривалось выше, поперечную силу можно повышать возбуждением преобразователя на модах более высокого порядка, в противоположность формированию колебаний в тех случаях, когда кристалл эффективно перемещается как поршень, имеющий равномерное смещение. Эти моды колебаний более высокого порядка аналогичны колебаниям мембраны в барабанных режимах, например, модам (1, 1), (1, 2), (2, 1), (2, 2), (2, 3) или (m, n), где m и n равны 1 или больше. Акустическое давление пропорционально напряжению возбуждения преобразователя. Электрическая мощность пропорциональна квадрату напряжения.
На фиг. 8 представлена компьютерная модель акустофоретического сепаратора 92, при моделировании которого получены фиг. 9-17. Пьезокерамический кристалл 94 находится в непосредственном контакте с жидкостью в водном канале 96. Слой 98 кремния находится между кристаллом 94 и алюминиевой верхней пластиной 100. Отражатель 102 отражает волны для образования стоячих волн. Отражатель изготовлен из материала с высоким акустическим импедансом, такого как сталь или вольфрам, обеспечивающего хорошее отражение. Для информации, Y-ось 104 обозначает осевое направление. X-ось 106 обозначает радиальное или поперечное направление. С помощью программы COMSOL были построены модели акустического давления и скорости, в том числе пьезоэлектрические модели преобразователя из титаната-цирконата свинца, линейные упругие модели окружающей структуры (например, пластины и стенок отражателя) и линейная акустическая модель волн в водяном столбе. Акустическое давление и скорость были экспортированы в виде данных в MATLAB. Сила излучения, воздействующая на взвешенную частицу, вычислялась в пакете MATLAB с использованием формулировки Горькова. Свойства частиц и жидкого материала, такие как плотность, скорость звука и размер частиц, вводились в программу и использовались для определения вкладов монопольного и дипольного рассеяния. Силу акустического излучения определяли путем выполнения градиентной операции относительно потенциала U поля, который является функцией объема частицы и усредненного во времени потенциала и кинетической энергии акустического поля.
На фиг. 9A-9D показаны результаты моделирования различий захвата для случаев одиночной акустической волны и многомодовой акустической волны. На фиг. 9А показана осевая сила, связанная с одиночной стоячей акустической волной. На фиг. 9В показана поперечная сила, обусловленная одиночной стоячей акустической волной. На фиг. 9С и 9D показаны осевая сила и поперечная сила, соответственно, при многомодовом возбуждении (мод колебаний высокого порядка, имеющих многочисленные узлы) пьезоэлектрического кристалла, при этом формировались многочисленные стоячие волны. Электрические входные данные были одинаковыми при одиночной моде из фиг. 9А и 9В, но захватывающая сила (поперечная сила) в 70 раз больше (обратите внимание на масштаб справа на фиг. 9В и сравните с масштабом на фиг. 9D). Построение фигур осуществлялось при использовании компьютерного моделирования 1--мегагерцового пьезоэлектрического преобразователя, возбуждаемого переменным напряжением 10 В, закрытого алюминиевой верхней пластиной, в открытом водном канале с присоединенным стальным отражателем (см. фиг. 8). Поле для фиг. 9А и 9В имело частоту 960 кГц при пиковом давлении 400 кПа. Поле для фиг. 9С и 9D имело частоту 961 кГц при пиковом давлении 1400 кПа. В дополнение к более высоким силам поле с частотой 961 кГц (фиг. 9С и D) имело более значительные градиенты и больше фокальных пятен.
На фиг. 10 показана трехмерная, образованная компьютером модель формы колебаний круглого кристалла, возбуждаемого на частоте 1 МГц.
3
3
Фиг. 11-17 основаны на модели из фиг. 8, полученной с использованием пьезоэлектрического преобразователя из титаната-цирконата свинца (PZT-8), работавшего на 2 МГц. Преобразователь имел ширину 1 дюйм (25,4 мм) и толщину 0,04 дюйма (1 мм), был покрыт алюминиевой верхней пластиной (толщиной 0,125 дюйма (3,2 мм)), находился в водном канале 4 дюйма на 2 дюйма (10,16 см на 5,08 см) с присоединенной стальной пластиной отражателя (толщиной 0,180 дюйма (4,572 мм)). Акустический пучок проходил на расстояние 2 дюйма (5,08 см). Величина глубины, которая составляет 1 дюйм (2,54 см), не включена в двумерную модель. Преобразователь возбуждался напряжением 15 В и качание частоты осуществлялось для идентификации различных акустических резонансов. Показаны результаты для трех последовательных акустических резонансных частот, то есть 1,9964 МГц (фиг. 11, 12 и 13), 2,0106 МГц (фиг. 14 и 15) и 2,025 МГц (фиг. 16 и 17). Сила акустического излучения вычислялась для нефтяной капли с радиусом 5 мкм, плотностью 880 кг/м и скоростью звука 1700 м/с. Вода была основной жидкостью с плотностью 1000 кг/м, скоростью звука 1500 м/с и динамической вязкостью 0,001 кг/мс. На фигуре 11 показана поперечная (горизонтальная) сила акустического излучения. На фигуре 12 показана осевая (вертикальная) составляющая для резонансной частоты 1,9964 МГц. На фиг. 13 показана амплитуда акустического давления.
На фиг. 11 и 12 показано, что относительные величины поперечной и осевой составляющих силы излучения почти одинаковы, около 1.2е-10 Н, и это означает, что возможно получение больших захватывающих сил, при этом величина поперечной составляющей силы аналогична или больше величины осевой составляющей. Это является одним новым результатом и он противоречит типичным результатам, упоминаемым в литературе.
Второй результат заключается в том, что величина акустической захватывающей силы превышает величину силы сопротивления жидкости при типичных скоростях потока порядка миллиметра в секунду и поэтому можно использовать это акустическое поле для захвата нефтяной капли. Конечно, можно получать захват при более высоких скоростях потока путем повышения мощности, прикладываемой к преобразователю. Иначе говоря, акустическое давление пропорционально напряжению возбуждения преобразователя. Электрическая мощность пропорциональна квадрату напряжения.
Третий результат заключается в том, что на показанной частоте большие захватывающие силы, связанные с этим конкретным режимом захвата, распространяются по всему проточному каналу, вследствие чего обеспечивается захват нефтяных капель по всей ширине канала. Наконец, из сравнения минимума поля акустической захватывающей силы, то есть положений захваченных частиц, с наблюдаемыми положениями захвата капель в стоячей волне следует хорошее совпадение, означающее, что моделирование с использованием программы COMSOL действительно является точным инструментом прогнозирования акустического захвата частиц. Более подробно это будет показано ниже.
На фиг. 14 показана поперечная составляющая силы на резонансной частоте 2,0106 МГц и на фиг. 15 показана осевая составляющая силы акустического излучения на резонансной частоте 2,0106 МГц. На фиг. 14 и 15 наблюдаются более значительные максимальные захватывающие силы, чем на фиг. 11 и 12. Поперечные силы акустического излучения превышают осевую силу излучения. Однако более значительные захватывающие силы находятся в верхней части проточного канала и не охватывают всю глубину проточного канала. Поэтому этим представлен режим, который является эффективным при захвате частиц в верхней части канала, но необязательно по всему каналу. Кроме того, сравнение с измеренными картинами захвата указывает на существование таких режимов и картин захвата.
На фиг. 16 показана поперечная составляющая силы на резонансной частоте 2,025 МГц и на фиг. 17 показана осевая составляющая силы акустического излучения на резонансной частоте 2,025 МГц. Акустическое поле существенно изменяется на каждой акустической резонансной частоте и поэтому крайне необходима точная настройка системы. Как минимум, необходимы двумерные модели для точного прогнозирования акустических захватывающих сил.
Двумерные осесимметричные модели были разработаны для вычисления захватывающих сил применительно к круглым преобразователям. Модели были использованы для прогнозирования акустических захватывающих сил относительно частиц, и затем они были использованы для прогнозирования траекторий частиц при сочетании действий сил сопротивления жидкости и плавучести. Из моделей ясно видно, что можно создавать поперечные акустические захватывающие силы, необходимые для захвата частиц и преодоления действия плавучести и сопротивления жидкости. Из моделей также видно, что круглые преобразователи не обеспечивают больших захватывающих сил по всему объему стоячей волны, создаваемой преобразователем, и это означает, что круглые преобразователи создают большие захватывающие силы только вблизи центра ультразвуковой стоячей волны, образуемой преобразователем, но создают намного меньшие захватывающие силы к краям стоячей волны. Это также означает, что круглый преобразователь обеспечивает только ограниченный захват в небольшом сечении потока жидкости, который протекает мимо стоячей волны круглого преобразователя, и не будет захвата вблизи краев стоячей волны.
Поскольку круглые преобразователи не создают больших захватывающих сил по всему объему, было исследовано влияние формы преобразователя на эффективность сепарации нефти. Были использованы круглый кристалл титаната-цирконата свинца (PZT-8) диаметром 1 дюйм (2,54 см) (110 на фиг. 18) и квадратный кристалл 1 дюйм на 1 дюйм (2,54 см на 2,54 см) (112 на фиг. 18). В остальном эксперимент выполняли при идентичных условиях. Результаты показаны в таблице 1.
Результаты показывают, что квадратный преобразователь 112 обеспечивает более высокую эффективность сепарации нефти, чем круглый преобразователь 110, и это объясняется тем, что квадратный преобразователь 112 обеспечивает больший охват проточного канала акустическими захватывающими силами, и тем, что круглый преобразователь создает значительные захватывающие силы только вдоль центральной линии стоячей волны, и это подтверждает сведения, полученные численным моделированием.
В дополнение к форме преобразователя мода колебаний преобразователя (на которой колеблется преобразователь) влияет на эффективность сепарации нефти. При большем количестве узлов создается больше мест для захвата нефти. На фиг. 19 измеренная амплитуда электрического импеданса преобразователя показана как функция частоты вблизи резонансной частоты 2,2 МГц преобразователя. Минимум импеданса преобразователя соответствует акустическим резонансам водяного столба и обозначает потенциальные частоты для работы. Численное моделирование показывает, что профиль смещения преобразователя значительно изменяется на этих акустических резонансных частотах и тем самым непосредственно влияет на акустическую стоячую волну и результирующую захватывающую силу. Мода смещения преобразователя изменяется от одиночной полуволновой моды до трех полуволновых мод колебаний. Следствием картин модального смещения преобразователя более высокого порядка являются более высокие захватывающие силы и многочисленные положения стабильного захвата нефтяных капель. Одиночная полуволновая мода приводит к созданию одной линии захваченных капель, тогда как три полуволновые моды приводят к созданию трех параллельных линий захваченных капель по всему каналу жидкости.
Для исследования влияния моды колебаний преобразователя на акустическую захватывающую силу и эффективность сепарации нефти эксперимент был повторен десять раз, при этом все условия были идентичными за исключением частоты возбуждения. Десять последовательных акустических резонансных частот, показанных номерами 1--9 и буквой А в кругах на фиг. 19, использовали в качестве частот возбуждения. Условия эксперимента были следующими: продолжительность 30 мин, концентрация нефти 1000 частей на миллион, скорость потока 500 мл/мин и приложенная мощность 20 Вт.
При пропускании эмульсии мимо преобразователя наблюдали узловые линии захвата и определяли характерные признаки. Определение характерных признаков включало в себя наблюдение и определение картины некоторого количества узловых линий захвата, показанных на фиг. 20, по всему каналу жидкости для семи из десяти резонансных частот, идентифицированных на фиг. 19.
Частотой возбуждения четко определяется количество узловых линий захвата, которое изменяется от одной линии захвата при частотах 5 и 9 возбуждения акустического резонанса до девяти узловых линий захвата при частоте 4 акустического резонанса. При других частотах возбуждения наблюдали четыре или пять узловых линий захвата. Эти экспериментально наблюдавшиеся результаты соответствуют результатам, ожидаемым исходя из различий при сравнении фиг. 9А и 9В с фиг. 9С и 9D. Различные моды колебаний преобразователя могут создавать различные (дополнительные) узлы стоячих волн, при этом дополнительные узлы обычно создают более значительные захватывающие силы.
2
3
В таблицу 2 сведены результаты эксперимента по захвату нефти при использовании системы, аналогичной показанной на фиг. 1. Важный вывод заключается в том, что эффективность сепарации нефти в акустическом сепараторе прямо связана с модой колебаний преобразователя. При модальных смещениях более высокого порядка образуются более значительные акустические захватывающие силы и дополнительные узловые линии захвата, следствием чего является лучшая эффективность. Второй вывод, полезный для скейлингового изучения, заключается в том, что исследования показали, что для захвата 5-микрометровых нефтяных капель при скорости 500 мл/мин требуется мощность 10 Вт на квадратный дюйм (6,45 см) площади преобразователя на 1 дюйм (2,54 см) охвата акустическим пучком. Основные потери обусловлены термовязким поглощением в суммарном объеме акустической стоячей волны. Затраты энергии, связанные с этой скоростью потока, составляют 0,667 кВт·ч/м.
На фиг. 21 и 22 показаны фотографии захваченных нефтяных капель в девяти структурах узловых линий захвата. Пунктирные линии нанесены поверх узловых линий. На фиг. 23 показано поле давления, вычисленное в соответствии с программой COMSOL, которое соответствует структуре узловых линий захвата. Численная модель представляет собой двумерную модель; и поэтому видны только три столбца захвата. Еще два набора из трех столбцов захвата имеются в третьем измерении, перпендикулярном к плоскости двумерной модели из фиг. 21 и 22. Это сравнение показывает, что численная модель является точной при прогнозировании свойств ультразвуковой стоячей волны и результирующих захватывающих сил, и это опять соответствует результатам, ожидаемым исходя из различий при сравнении фиг. 9А и 9В с фиг. 9С и 9D.
2
2
В более крупных системах возможны другие компоновки преобразователей. На фиг. 24 показана группа 120 преобразователей, включающая в себя три квадратных кристалла 120а, 120b, 120c размером 1 дюйм на 1 дюйм (2,54 см на 2,54 см). Два квадрата параллельны друг другу, а третий квадрат смещен для образования треугольной картины. На фиг. 25 показана группа 122 преобразователей, включающая в себя два прямоугольных кристалла 122а, 122b размером 1 дюйм на 2,5 дюйма (2,54 см на 6,35 см), расположенных так, что их длинные оси параллельны друг другу. Для получения достаточных акустических захватывающих сил мощность рассеяния каждого преобразователя составляет 10 Вт на площадь 1 дюйм (6,45 см) поперечного сечения преобразователя и на 1 дюйм (2,54 см) охвата акустической стоячей волной. В случае 4-дюймового (10,16 см) охвата в системе промежуточного масштаба каждый квадратный преобразователь размером 1 дюйм на 1 дюйм (2,54 см на 2,54 см) потребляет 40 Вт. В системе промежуточного масштаба с более крупным прямоугольным преобразователем размером 1 дюйм на 2,5 дюйма (2,54 см на 6,35 см) затрачивается 100 Вт. Группа из трех квадратных преобразователей размером 1 дюйм на 1 дюйм (2,54 см на 2,54 см) потребляет в сумме 120 Вт и группа из двух преобразователей размером 1 дюйм на 2,5 дюйма (2,54 см на 6,35 см) потребляет около 200 Вт.
4-дюймовая (10,16 см) система 124 промежуточного масштаба для отделения основной жидкости от способной держаться на поверхности жидкости или частиц дисперсной фазы показана на фиг. 26. Основная жидкость входит во впускное отверстие 126 и протекает вниз в сепаратор 128, который включает в себя группу 130 преобразователей и отражатель 132. Сепаратор создает стоячие волны 134 для скопления способной держаться на поверхности жидкости или частиц дисперсной фазы (например, нефти). Плавучий материал переносится силой плавучести 136 в сборную камеру 140.
3
Группу 120 преобразователей устанавливали в систему 124, удаляли и затем устанавливали группу 122 преобразователей. Преобразователи в группах работали параллельно, так что каждый преобразователь возбуждался одним и тем же сигналом от усилителя. Электронная система возбуждения состояла из функционального генератора и радиочастотного усилителя А300 ENI мощностью 300 Вт. Результаты испытаний показаны в таблице 3. При первом испытании использовали только два квадратных преобразователя размером 1 дюйм на 1 дюйм (2,54 см на 2,54 см) (или группу 120), ориентированных параллельно друг другу, и испытание проводили при скорости потока 1300 мл/мин. В результате получали эффективность сепарации нефти 88%. При следующем испытании использовали все три квадратных преобразователя, а скорость потока составляла 2000 мл/мин и достигалась эффективность 93%. Эти результаты являются очень хорошими и показывают, что технологию можно масштабировать для более крупных проточных каналов, возбуждаемых группами преобразователей. При выполнении следующего набора испытаний использовали группу 122 прямоугольных преобразователей размером 1 дюйм на 2,5 дюйма (2,54 см на 6,35 см). При первом испытании работал только один преобразователь и достигалась эффективность 87%. При втором испытании работали оба преобразователя и достигалась эффективность 97%. В случае преобразователей размером 1 дюйм на 2,5 дюйма (2,54 см на 6,35 см) используемый уровень мощности был основан на безопасных уровнях для работы преобразователя. При этих испытаниях затраты энергии для промежуточной системы составляли 1 кВт·ч/м.
Кроме того, было выполнено численное моделирование системы промежуточного размера с 4-дюймовым (10,16 см) охватом акустической стоячей волной. Многочисленные преобразователи моделировали для исследования влияния связи между преобразователями. Были осуществлены качания частоты и были идентифицированы резонансные частоты, на которых акустические моды колебаний сильно связаны с модами колебаний преобразователя более высокого порядка. Соответствие между результатами численного моделирования и экспериментальными результатами очень хорошее и служит доказательством точности моделей. На фиг. 27 показано поле акустического давления из модели с двумя преобразователями на правой стороне. Фотография захваченных нефтяных капель в стоячей волне показана на фиг. 28. Эксперимент и модель имеют идентичные характерные особенности. На некоторых частотах возбуждения нефтяные капли захватывались в стоячей волне за пределами объема жидкости, определяемого площадью преобразователя, что указывало на расширенное акустическое поле с большими захватывающими силами. На фиг. 29 показана фотография таких захваченных нефтяных капель. На фиг. 30 показана модель поля акустического давления, по которой предсказывают идентичные характерные особенности.
Настоящее раскрытие описано с обращением к примерам вариантов осуществления. Конечно, модификации и варианты будут приходить на ум при чтении и осмыслении предшествующего подробного описания. Предполагается, что настоящее раскрытие будет толковаться как включающее в себя все такие модификации и варианты, поскольку они находятся в объеме прилагаемой формулы изобретения или эквивалентов ее.