УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В РАЗНОФАЗНОЙ СРЕДЕ

Полезная модель относится к области физико-химических технологий и наиболее эффективно может быть использовано для получения гомогенных (тонкодисперсных) эмульсий из несмешивающихся жидкостей.
Известно устройство для осуществления физико-химических превращений в разнофазной среде, состоящее из основания в виде массивной опорной плиты, на которой установлен реактор цилиндрической формы, снабженный входным и выходным патрубками для подачи и выпуска смешиваемых жидких сред. Рабочая часть реактора представлена рядом параллельно установленных дисков в совокупности образующих между собой лабиринтный канал для перемещения среды. Диски установлены с возможностью относительного возвратно-поступательного перемещения. Под относительностью перемещения дисков понимается два возможных варианта:
- подвижные диски чередуются с неподвижными;
- бывшие неподвижные диски приводятся в возвратно-поступательное перемещение в противофазе с подвижными дисками.
В рассматриваемом прототипе реализуется первый из указанных вариантов, по которому неподвижные диски связаны с корпусом реактора, а подвижные - связаны со штоком, соединенным с якорем электромагнитного двигателя. Статор двигателя зафиксирован на основании, а якорь опирается на упругую систему, образованную в виде набора витых пружин [Патент РФ №2215575, кл. В01F 11/00].
В процессе перемещения среды по лабиринтному каналу подвижные диски совершают возвратно-поступательные перемещения относительно неподвижных дисков. При этом среда подвергается попеременному сжатию и растяжению в пространстве между дисками, что на стадии растяжения вызывает нарушение сплошности среды за счет превышения ее предела прочности. Этот феномен выражается в появлении кавитационных пузырьков, свойства которых способны резко (на порядки) интенсифицировать физико-химические превращения в жидкой среде. Однако зона возникновения кавитации ограничена незначительной частью всего объема пространства, заключенного между дисками, практически исключая из процесса образования кавитации периферийные области дисков.
Таким образом, задачей полезной модели является расширение зоны кавитации между дисками, а, следовательно, и повышение интенсивности физико-химических превращений в разнофазной среде.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве для осуществления физико-химических превращений в разнофазной среде, включающем реактор с параллельно установленными дисками, в совокупности образующими между собой проточный канал для перемещения среды и смонтированными с возможностью относительного возвратно-поступательного перемещения, диски снабжены активаторами выполненными в виде сквозных отверстий и/или рельефа, расположенного, по меньшей мере, на одной из сторон диска. Отверстия в дисках выполнены в виде чередующихся друг с другом прямых и обратных конусов, центры верхних оснований которых расположены по окружности, а оси - перпендикулярны поверхности диска. Кроме того, каждый диск может иметь, по меньшей мере, два ряда отверстий, расположенных коаксиально, и, при этом, прямые конуса одного ряда размещены напротив обратного конуса другого ряда. Рельеф на поверхности дисков выполнен в виде, расположенных по окружности, чередующихся выступов и впадин, например, треугольного профиля.
На чертежах, прилагаемых к описанию, даны схематические изображения общего вида предлагаемого устройства (фиг.1) и фрагменты сечений реактора с отверстиями на дисках (фиг.2) и с рельефом на них же (фиг.3).
Устройство для осуществления физико-химических превращений в разнофазной среде включает основание 1 в виде массивной плиты, на которой закреплены четыре направляющие стойки 2, выполненные в виде толстостенных труб, снабженных метрической резьбой по всей длине. Реактор 3 выполнен в виде цилиндрической емкости с верхней 4 и нижней 5 крышками, каждая из которых снабжена патрубком 6, предназначенными для впуска и выпуска реакционных сред. Нижняя крышка 5 имеет фланец, выходящий за габарит реактора 3, с четырьмя отверстиями для стоек 2. Фиксация реактора 3 осуществляется с помощью гаек 7. В реакторе 3 установлен ряд чередующихся неподвижных 8 и подвижных 9 дисков, образующих проточный лабиринтный канал для перемещения среды. Свободные торцы упомянутых дисков со штоком 10 и стенкой реактора 3 соответственно, образуют каналы, являющиеся частью лабиринта. Подвижные диски 9 посредством штока 10 связаны с якорем 11 электромагнитного двигателя, статор 12 которого посредством фланца 13, снабженного отверстиями, связан со стойками 2 с помощью гаек 14. Между якорем 11 и реактором 3 на стойках 2 смонтированы три параллельных диска: внешние - 15 и внутренний - 16. Внешние диски фиксируются на стойках 2 с помощью гаек 17, а внутренний диск закреплен на штоке 10 на равном расстоянии от внешних дисков. В промежутках между дисками установлены пружины 18, в совокупности образующие упругую систему устройства. В дисках 8 и 9 выполнены активаторы в виде сквозных отверстий, которые расположены в зоне свободных торцов, при этом отверстия выполнены в виде, чередующихся друг с другом, прямых 19 и обратных 20 конусов. Каждый диск содержит два ряда отверстий, расположенных коаксиально, при этом прямые конуса одного ряда размещены напротив обратного конуса другого ряда. Центры верхних оснований всех конусов расположены по окружности, а их оси перпендикулярны поверхности диска. Активаторы могут быть выполнены в виде рельефа, образованного с двух сторон каждого диска, например, в виде чередующихся впадин 21 и выступов 22, расположенных по окружности и имеющих треугольный профиль. При этом наилучший результат может быть достигнут в случае, когда впадины подвижного диска 9 будут расположены над впадинами неподвижного диска 8. Возможно совместное использование отверстий и впадин.
Работает устройство следующим образом.
Через верхний патрубок 6 в реактор вводятся среды, подлежащие перемешиванию, которое сопровождается соответствующими физико-химическими превращениями (реакциями). В момент введения сред в реактор включают электромагнитный двигатель, якорь 11 которого совершает колебательные движения с заданной частотой и амплитудой, которые, в конечном итоге, определяют свойства будущего конечного продукта. Колебательные движения якоря 11 через шток 10 передаются на подвижные диски 9, которые перемещаются между неподвижными дисками 8, изменяя объем пространства между дисками. Это вызывает попеременное растяжение и сжатие сред, находящихся между дисками, их турбулизацию и возбуждение в средах кавитационных пузырьков. Все это способствует активации сред и интенсификации физико-химических превращений. В каналы лабиринта, где среда в данный момент подвергается растяжению, через обратный конус 20 начнет поступать среда в виде высокоскоростных струй (флюиды), которые сами по себе являются источниками кавитации (активаторами) и одновременно служат гидравлическим сопротивлением для перетекания среды из зоны сжатия в зону растяжения. Таким образом, увеличивается объем междискового пространства, охваченного кавитацией, генерируемой за счет растяжения среды. Особенность работы реактора с дисками, несущими рельеф на обеих сторонах в виде впадин 21 и выступов 22, состоит в том, что при растяжении среды рельеф сам по себе представляет гидравлическое сопротивление, препятствующее перетеканию среды между дисками. Кроме того, расположение впадин на соседних дисках напротив друг друга (фиг.3) образует микрообъемы, в каждом из которых при растяжении среды образуются кавитационные пузырьки, способствуя, таким образом, созданию кавитации по всей зоне взаимного перекрытия подвижного и неподвижного дисков. Эффект активации может быть усилен совместным использованием отверстий в дисках и рельефа на их обеих сторонах.
Для снижения энергоемкости процесса перемешивания, расчетным путем определяют частоту собственных колебаний подвижной части устройства и присоединенной реакционной массы. Затем, в процессе работы устройства, путем заневоливания или разневоливания пружин 18 упругой системы, достигаемого путем перемещения внешних дисков 15 относительно внутреннего диска 16, осуществляют корректировку собственной частоты подвижной части устройства. Тем самым приближая ее к фиксированной частоте вынуждающей силы, развиваемой якорем 11 и добиваясь резонансного режима работы устройства, устраняя, таким образом, инерционные силы, преодоление которых требует значительных энергозатрат.