АППАРАТ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРОТОЧНОЙ ОБРАБОТКИ

Техническое решение - полезная модель относится к области ультразвуковой техники, а именно к устройствам, предназначенным для интенсификации технологических процессов в жидкостях и дисперсных системах с жидкой фазой в проточном режиме ультразвуковыми (УЗ) колебаниями высокой интенсивности, как в условиях кавитации, так и без нее. Устройство может быть использовано для ускорения процессов диспергирования, гомогенизации, экстракции, создания и разделения эмульсий, дегазации, коагуляции, осветления и т.п.
В современных условиях возросших требований экономичности и энергоэффективности развитие химической технологии все больше переориентируется с экстенсивного пути наращивания мощностей на интенсивный способ достижения повышенной производительности за счет использования современных и передовых подходов. Обеспечение реализации таких подходов невозможно без применения технологической аппаратуры, основанной на усовершенствовании уже существующих аппаратов и целенаправленной разработки аппаратов нового типа.
Важными задачами химической технологии являются получение, исследование, преобразование и разделение на компоненты различных дисперсных систем с жидкой фазой. Осуществлять такие задачи возможно и даже целесообразно с использованием современных ультразвуковых технологических аппаратов, характеризующихся различной площадью излучения, интенсивностью и частотами генерируемых колебаний. В ряде случаев движущей силой активации процессов является парогазовая кавитация, порождаемая прохождением ультразвуковой волны в жидкости. Во многих случаях деструктивная кавитационная активация является неприемлемой и подавляется с использованием различных веществ (ингибиторов) или специальных методических и конструктивных решений.
Известны аппараты ультразвуковой проточной обработки [1, 2], в состав которых входят пьезоэлектрические преобразователи для превращения энергии электрических колебаний в механические колебания ультразвуковой частоты. Механические колебания усиливаются механическими концентраторами или без усиления передаются на рабочую поверхность излучателя для ввода в объект обработки.
Применение таких ультразвуковых аппаратов для осуществления обработки дисперсных систем с жидкой фазой [3, 4] позволяет выявить их основные недостатки:
1. Не обеспечивается возможность обработки колебаниями с высокой интенсивностью всего объема обрабатываемой дисперсной системы с жидкой фазой. В достаточно больших по размеру емкостях происходит затухание колебаний (снижение амплитуды) по мере удаления от рабочего инструмента излучателя. Это приводит к неравномерной обработке продукта. Особенно существенно это проявляется в случае обработки дисперсий с повышенной вязкостью. Наращивание мощности излучателя с целью охвата всего технологического объема в данном случае приводит к перегреву и/или излишней деструкции локального объема вокруг рабочего инструмента.
2. Использование известных ультразвуковых аппаратов подразумевает обработку с высокой долей вводимой механической энергии в условиях кавитационного воздействия или же с применением низких интенсивностей в докавитационном режиме. Оба случая подразумевают излучение ультразвуковой волны фиксированной частоты. Но поскольку ультразвуковой излучатель является резонансным электромеханическим преобразователем, изменение частоты его колебаний для обеспечения каких-либо технологических целей недопустимо в связи со значительным снижением его энергоэффективности.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому техническому решению является аппарат ультразвуковой проточной обработки по патенту РФ №2363528 [5], принятый за прототип.
Принятый за прототип аппарат ультразвуковой проточной обработки содержит технологический объем с патрубками и источник УЗ воздействия.
Обрабатываемая жидкость подается через входной патрубок, установленный на цилиндрической поверхности реактора. При этом обеспечивается движение воды по касательной к излучателю и по спирали в сторону выходного патрубка, который снабжен фланцем и находится в торце реактора. Резьбовое соединение позволяет перемещать патрубок с фланцем относительно торца излучателя для обеспечения расстояния равного целому числу полуволн в обрабатываемой жидкости.
Прототип по сравнению с аналогами позволяет достичь повышения эффективности обработки жидких сред за счет увеличения времени обработки в реакторе.
Применение прототипа позволяет производить высокоинтенсивную обработку жидкостей и дисперсий только с одной фиксированной частотой. При этом возможен излишний нагрев озвучиваемого продукта.
В известном устройстве в качестве источника ультразвукового воздействия используется пьезоэлектрическая ультразвуковая колебательная система. В процессе кавитирования жидкости между излучателем и внутренней стенкой объема зарождаются колебания широкополосного спектра частот. Сумма широкополосных колебаний и колебаний исходной ультразвуковой частоты передается через стенку объема.
Такое устройство, по сравнению с аналогами, позволяет охлаждать через стенку оболочки, обрабатываемую вокруг излучателя жидкость и использовать для озвучивания материалов широкополосное механическое воздействие, не допуская их деструкции.
Однако, использование прототипа позволяет производить обработку широкополосными ультразвуковыми колебаниями жидкостей и дисперсий только в дополнительной емкости с погружением ультразвуковой колебательной системы. При этом отсутствует возможность проточной непрерывной обработки, а в случае озвучивания большой емкости происходит затухание колебаний по мере удаления от излучателя и возможна недостаточная равномерность обработки по всему объему.
Кроме того, когда целевой продукт обрабатывается внутри цилиндрического технологического объема, конвекционное охлаждение внешней жидкостью может оказаться недостаточно эффективным. Необходима постоянная смена охлаждающей жидкости вокруг оболочки колебательной системы.
В связи с этим, возникает необходимость в создании устройств, использующих резонансные волновые условия в технологическом объеме, обеспечивающих воздействие ультразвуковыми колебаниями широкого спектра, порождаемыми кавитацией и позволяющих в проточном режиме подавать как целевой продукт, так и охлаждающую (промежуточную) жидкость.
Предлагаемое техническое решение направлено на создание аппарата, пригодного для ультразвуковой обработки жидкостей и дисперсий в проточном режиме: моночастотными высокоинтенсивными ультразвуковыми колебаниями в резонансной области вокруг излучателя с возможностью внешнего охлаждения или нагрева, широкополосными низкоинтенсивными колебаниями с возможностью нагрева или охлаждения промежуточной жидкостью протекающей вокруг излучателя, а также, последовательно сначала моночастотными высокоинтенсивными колебаниями, а затем широкополосными низкоинтенсивными колебаниями или наоборот. Таким образом, созданный аппарат найдет применение для ускорения диспергирования, эмульгирования и экстрагирования, а также в процессах коагуляции и очистки жидких дисперсных систем от дисперсных частиц.
Применение предлагаемого аппарата обеспечит возможность обработки целевого продукта с высокой и низкой интенсивностью моночастотными и широкополосными колебаниями в требуемом температурном режиме.
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в аппарате ультразвуковой проточной обработки, содержащем технологический объем с патрубками и источник ультразвукового воздействия, технологический объем выполнен в виде двух, осесимметрично расположенных цилиндрических камер, длина внутренней камеры кратна четному числу длин полуволн в обрабатываемой технологической среде, диаметр определяется производительностью реализуемого процесса, а толщина стенки выбрана из условия формирования вдоль длины внутренней камеры четного числа полуволн изгибных колебаний на частоте ультразвукового воздействия. В одной из торцевых стенок внутренней камеры выполнен узел крепления источника ультразвукового воздействия с возможностью его перемещения вдоль оси камеры. Диаметр внешней камеры выбран таким образом, что расстояние от внешней поверхности стенки внутренней камеры до внутренней поверхности внешней камеры кратно четверти длины волны колебаний в заключенной между ними среде, входные и выходные патрубки выполнены в обоих камерах технологического объема, имеют соединения, обеспечивающие независимое протекание по двум камерам различных сред, так и последовательное протекание одной среды через обе камеры. Источник ультразвукового воздействия выполнен в виде пьезоэлектрической колебательной системы, содержащей последовательно установленные и акустически связанные пьезопреобразователь, концентратор механических колебаний и рабочий инструмент, диаметр которого превосходит диаметр конечного участка концентратора.
Технический результат выражается в создании аппарата, позволяющего производить проточную ультразвуковую обработку жидкостей и дисперсных систем на их основе моночастотными высокоинтенсивными колебаниями и широкополосными низкоинтенсивными колебаниями в отсутствии кавитации с функцией охлаждения или дополнительного нагрева, а также возможностью реализации последовательного высокоинтенсивного моночастотного и низкоинтенсивного широкополосного озвучивания целевого продукта для использования в процессах диспергирования, эмульгирования, экстрагирования, разжижения, коагуляции и очистки в различных отраслях промышленности и народного хозяйства.
Для достижения резонансных условий волнового воздействия длина внутренней камеры технологического объема аппарата выбирается кратной целому числу полуволн в обрабатываемой технологической среде и расстояние между стенками внутренней и внешней камер кратно четверти длины волны колебаний в заключенной между ними среде. Также, благодаря использованию резьбового соединения, обеспечена возможность перемещения излучателя для подстройки толщины активной области обработки под ним. Толщина стенки внутренней камеры подобрана таким образом, чтобы обеспечить максимально эффективное преобразование колебаний ультразвукового излучателя, и соответствует четному числу полуволн изгибных колебаний на его частоте. Конструкция аппарата позволяет производить обработку жидкостей и дисперсных систем как высокоинтенсивными колебаниями в условиях активной кавитации, так и низкоинтенсивными широкополосными колебаниями избегая кавитационной деструкции озвучиваемых веществ и материалов. Расположение и соединение входных и выходных патрубков камер позволяет производить охлаждение или дополнительный нагрев объекта УЗ воздействия, а также последовательную обработку высокоинтенсивными колебаниями и широкополосными низкоинтенсивными колебаниями или наоборот.
Конструкция предлагаемого аппарата проточной ультразвуковой обработки жидкостей и дисперсных систем на их основе поясняется фиг. 1.
Аппарат для ультразвуковой проточной обработки, состоит из технологического объема 11 с патрубками 2, 4, 5 и 7 и источника ультразвукового воздействия, при этом технологический объем выполнен в виде двух, осесимметрично расположенных цилиндрических камер, длина внутренней камеры 9 кратна четному числу длин полуволн в обрабатываемой технологической среде, ее диаметр определяется производительностью реализуемого процесса, а толщина стенки выбрана из условия формирования вдоль длины внутренней камеры четного числа полуволн изгибных колебаний на частоте ультразвукового воздействия, в одной из торцевых стенок внутренней камеры выполнен узел крепления источника ультразвукового воздействия 1 с возможностью его перемещения вдоль оси камеры, диаметр внешней камеры выбран таким образом, что расстояние от внешней поверхности стенки внутренней камеры 9 до внутренней поверхности внешней камеры 8 кратно четверти длины волны колебаний в заключенной между ними среде, входные и выходные патрубки выполнены в обеих камерах технологического объема, имеют соединения 3 и 6, обеспечивающие независимое протекание по двум камерам различных сред, так и последовательное протекание одной среды через обе камеры, источник ультразвукового воздействия выполнен в виде пьезоэлектрической колебательной системы 10, содержащей последовательно установленные и акустически связанные пьезопреобразователь, концентратор механических колебаний и рабочий инструмент, диаметр которого превосходит диаметр конечного участка концентратора.
Аппарат ультразвуковой проточной обработки работает следующим образом.
Для высокоинтенсивной моночастотной обработки жидкость или дисперсия вводится через патрубки 2 и 5 в пространство между излучателем 10 и стенкой внутренней камеры 9 при этом во внешней камере 8 посредством патрубков 5 и 7 прокачивается вспомогательная жидкость для охлаждения или дополнительного нагрева озвучиваемых веществ. Возможна обработка целевого продукта широкополосными низкоинтенсивными колебаниями путем подачи его во внешнюю камеру 8 с помощью патрубков 5 и 7, внутренняя камера 9 при этом с помощью патрубков 2 и 4 заполняется жидкостью выполняющей роль промежуточной среды и охлаждающего или нагревающего агента. Также УЗ аппарат, путем комбинирования состояния кранов 3 и 6 позволяет производить озвучивание исходной жидкости или дисперсии одновременно во внутренней 9 и во внешней 8 камерах, а также последовательно сначала во внутренней 9, а затем во внешней 8 камере, или наоборот. Таким образом, с помощью УЗ аппарата обеспечивается обработка различная по интенсивности колебаний и в нужном температурном режиме.
Преимуществами предложенного аппарата для проточной ультразвуковой обработки жидкостей и дисперсных систем на основе жидкостей являются:
1. Возможность обработки в проточном режиме не только высокоинтенсиным моночастотным ультразвуковым воздействием в условиях кавитации, но и низкоинтенсивным широкополосным воздействием, избегая деструкции объекта воздействия, что повышает эффективность и однородность обработки.
2. Расположение и соединение входных и выходных патрубков предлагаемого аппарата позволяет охлаждать или дополнительно производить нагрев объекта ультразвукового воздействия с помощью промежуточной жидкости, а также осуществлять последовательную обработку сначала высокоинтенсивными ультразвуковыми колебаниями, а затем широкополосными низкоинтенсивными колебаниями или наоборот.
Предложенное устройство было испытано в производственных условиях предприятия ООО «Центр ультразвуковых технологий» в результате чего была достигнута высокая производительность проточной обработки и повышено качество конечного производимого продукта.
Список литературы, использованной при составлении заявки
1. Казанцев, В.Ф. Расчет ультразвуковых преобразователей для технологических установок [Текст] / В.Ф. Казанцев. - М.: Машиностроение, 1980. - 44 с.
2. Китайгородский, Ю.И. Инженерный расчет ультразвуковых колебательных систем [Текст] / Ю.И. Китайгородский, Д.Я. Яхимович. -М. Машиностроение, 1982. - 56 с.
3. Кардашев, Г.А. Тепломассобменные акустические процессы и аппараты [Текст] / Г.А. Кардашев, П.Е. Михайлов. - М.: Машиностроение, 1976. - 226 с.
4. Новицкий, Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии) [Текст] / Б.Г. Новицкий. - М.: Химия, 1983. - 192 с.
5. Ультразвуковое устройство для обработки жидких сред [Текст]: пат. 2363528 Российская Федерация: МПК B01F 11/02. /Новик А.А.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Ультразвуковая техника-инлаб» (RU). - 2008105095/15, 11.02.2008; опубл. 10.08.2009