СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ЖИДКОФАЗНЫХ СРЕД
PHYSICAL-CHEMICAL CONVERSIONS OF LIQUID-PHASE MEDIA

Изобретение относится к технике физико-химических процессов, включая проведение реакций, приготовление растворов, эмульсий, может быть использовано в качестве стенда в научно-исследовательских работах и в промышленных технологиях.
Известны способы проведения реакций или приготовления жидкотекучих смесей в реакторах с мешалками или с выносными циркуляционными контурами, содержащими перемешивающие или кавитационно-акустические устройства. Известен способ приготовления дисперсных систем [патент РФ 965490, B01F 3/00, A61K 9/08, опубликован 15.10.82], суть которого заключена в том, что смеситель (сосуд) периодически опорожняют, диспергируют в дополнительную емкость, из которой массу возвращают в смеситель, добавляют жидкой фазы и обрабатывают в роторно-пульсационном аппарате. Недостатком этого способа является значительная трудоемкость осуществления этого способа, неопределенность воспроизводимости процесса и неоднородность приготовленной смеси.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является способ проведения химической реакции [патент РФ 2378044, B01J 19/00, G05D 16/00, опубликован 10.01.10]. При этом способе используют ряд параллельных проточных реакторов, причем один и более реагентов попадают из одной или более общих линий подачи в каждый из реакторов, при этом поток из каждой линии подачи разделяют по реакторам путем обеспечения между каждым реактором и линией подачи ограничителя потока, который создает перепад давления между линией подачи и реактором. Недостатком этого способа является сложность системы проведения реакций, необходимость большого объема метрологического обеспечения в виде датчиков, регуляторов, автоматических механизмов исполнения, систем контроля и управления.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является упрощение способа осуществления физико-химических превращений, уменьшение объема метрологического обеспечения, улучшение воспроизводимости реакций и качества получаемого продукта. Под термином «метрологическое обеспечение» понимается совокупность технических средств и методик, направленных на обеспечение единства измерений. Под термином «воспроизводимость реакций» понимается стабильность физико-химических превращений веществ во времени и объеме взаимодействия.
Технический результат достигается тем, что проводят кавитационно-акустическое возбуждение исходного компонента, имеющего больший удельный объем в составе смеси во время перекачки его насосом через гидродинамический аппарат до расчетной отметки уровнемерной трубки, определяющей дозу компонента, затем с помощью переключения вентилей создают циркуляцию содержимого в контуре: емкость - смеситель - насос - гидродинамический аппарат - емкость. Далее в циркуляционном потоке осуществляют подачу через смеситель последующих компонентов совместно с возбужденным и активированным содержимым мерной емкости, образованным предыдущими подачами исходных компонентов. При этом пропорциональное нормирование подачи последующих исходных компонентов осуществляют регулирующим вентилем путем обеспечения длительности введения каждого компонента равной или большей длительности одноразовой перекачки насосом суммарного объема содержимого в мерной емкости, образованного предыдущими подачами компонентов в мерную емкость. Дозирование каждого компонента осуществляют достижением уровня содержимого в мерной емкости до соответствующей отметки уровнемерной трубки, определяющей дозу подаваемого каждого последующего компонента насосом через гидродинамический аппарат. С помощью переключения вентилей создают насосом циркуляционное возбуждение содержимого гидродинамическим аппаратом по контуру: мерная емкость - насос - гидродинамический аппарат - емкость. Затем с помощью переключения вентилей осуществляют удаление приготовленного продукта через гидродинамический аппарат на использование.
- до минимума снизить объем метрологического обеспечения и упростить устройство и технологию для осуществления физико-химических превращений;
- обеспечить качество проведения превращений, т.е. воспроизводимость во времени и объеме взаимодействия веществ.
1
2
3
Для пояснения особенностей предлагаемого изобретения на чертеже фиг.1 условно изображена схема устройства, реализующего этот способ. Устройство состоит из мерной емкости 1, содержащей уровнемерную трубку 2 со шкалой, сливного трубопровода 3 с первым вентилем 4, первой 5, второй 6 и третьей 7 магистралей, второго 8, третьего 9, четвертого 10 и пятого 11 вентилей, подающих исходные компоненты А, В и С в смеситель 12, насоса 13, напорной магистрали 14, проточного гидродинамического аппарата 15, четвертой магистрали 16 с шестым вентилем 17 и отводящей магистрали 18 с седьмым вентилем 19. На схеме показаны условные обозначения: h, h, h - отметки уровнемерной трубки; A+B+C - содержимое в мерной емкости; ABC - готовый продукт.
1
A
A
2
B
3
B
Работа устройства по предлагаемому способу происходит следующим образом. Компонент А подается по контуру: третья магистраль 7, третий вентиль 9, смеситель 12, насос 13, напорная магистраль 14, проточный гидродинамический аппарат 15, шестой вентиль 17,четвертая магистраль 16 в мерную емкость 1 до отметки h в течении времени t в возбужденном состоянии, которое он обретает после прохождения через гидродинамический аппарат 15. Затем, с помощью переключения первого 4, четвертого 10 и шестого 17 вентилей осуществляют циркуляцию компонента А по контуру: мерная емкость 1, сливной трубопровод 3, первый вентиль 4, четвертый вентиль 10, смеситель 12, насос 13, напорная магистраль 14, проточный гидродинамический аппарат 15, шестой вентиль 17, четвертая магистраль 16, мерная емкость 1, производя при этом дополнительное возбуждение и активизацию компонента A. Далее, открыв второй вентиль 8, подают в циркуляционный поток компонент B в течении времени t или несколько больше для того, чтобы весь объем компонента B был равномерно распределен в потоке компонента A и был активирован гидродинамическим аппаратом 15 совместно с возбужденным компонентом A. Компонент B подают до подъема уровня содержимого в мерной емкости 1 до отметки h. После этого в циркуляционный поток подают аналогичным образом компонент С в течении времени tили более до отметки h в мерной емкости 1. t - это время, необходимое для перекачки объема продуктов A и B. Затем продолжают циркуляцию всего содержимого в мерной емкости 1 по контуру: мерная емкость 1, сливной трубопровод 3, первый вентиль 4, четвертый вентиль 10, смеситель 12, насос 13, напорная магистраль 14, проточный гидродинамический аппарат 15, шестой вентиль 17, четвертая магистраль 16, мерная емкость 1, после чего продукт сливают через седьмой вентиль 19 и отводящую магистраль 18 на использование.
Таким образом, предлагаемым способом можно проводить физико-химические превращения веществ, в том числе приготавливать жидкофазные смеси, эмульсии, суспензии высокого качества.
1
2
1
3
2
1
С целью подтверждения практического применения предлагаемого способа, по описанной схеме (Фиг.1) была изготовлена установка для получения котельного топлива в виде водотопливных эмульсий из деградированных мазутов и нефтесодержащих шламов. Мерная емкость 1 представляла собой прямоугольный бак с размерами: длина 1,25 м, ширина 0,8 м и высота 1,25 м. Таким образом, площадь днища бака составляла S=0,8×1,25=1 м. Для определения объема подаваемого компонента мерная емкость 1 была снабжена стеклянной уровнемерной трубкой 2. Каждые 10 см высоты мерной емкости 1 соответствовали 100 литрам жидкости. В качестве исходных продуктов были использованы: компонент A (нефтешлам) - 720 л, компонент B (мазут M100) - 240 л, компонент C (вода) - 120 л. Итого 1080 л. Насос 13 имел рабочую производительность 18000 л/час=300 л/мин=5 л/сек. Высотой h обозначен объем в 720 л (нефтешлам), высотой h-h обозначен объем в 240 л (мазут марки M100), высота h-hсоответствует объему в 120 л (вода). Для облегчения описания процесса условимся обозначать магистрали прохождения продукта во время работы условными обозначениями элементов устройства по схеме, изображенной на фиг.1. Компонент A (нефтешлам) подается насосом 13 по открытой третьей магистрали 7 через третий вентиль 9, смеситель 12, насос 13, напорную магистраль 14, проточный гидродинамический аппарат 15, шестой вентиль 17, четвертую магистраль 16 в мерную емкость 1 до отметки h уровнемерной трубки 2, что соответствует объему 720 л. Время подачи составляло 2,4 мин (144 с). При этом все остальные вентили магистралей были перекрыты. При подаче компонента A (неф-тешлам) происходила деструкция, диспергирование и активация продукта проточным гидродинамическим аппаратом 15.
2
Подача компонента B (мазут M100) осуществлялась следующим образом. С помощью второго 8 и четвертого 10 вентилей устанавливался нормированный поток компонента В таким образом, чтобы он мог поступать в насос 13 в течение 2,4 мин (144 с) или несколько более. Открывались вентили по контуру: второй вентиль 8, вторая магистраль 6, четвертый вентиль 10, смеситель 12, насос 13, напорная магистраль 14, проточный гидродинамический аппарат 15, шестой вентиль 17, четвертая магистраль 16, мерная емкость 1, сливной трубопровод 3, первый вентиль 4, вторая магистраль 6, при этом все остальные вентили магистралей были перекрыты. Насосом 13 осуществлялась циркуляция компонента A по контуру: мерная емкость 1, сливной трубопровод 3, первый вентиль 4, четвертый вентиль 10, смеситель 12, насос 13, напорная магистраль 14, проточный гидродинамический аппарат 15, шестой вентиль 17, четвертая магистраль 16, мерная емкость 1, при одновременной подаче компонента B в циркуляционный контур. Процесс вовлечения компонента B (мазут M100) в активизированный компонент A (нефтешлам) проходил немногим больше 2,4 мин (144 с). Во время циркуляции происходило смешивание компонентов A и B. Подача компонента B осуществлялась до уровня h уровнемерной трубки 2, это означало, что в мерную емкость 1 вовлечено 240 л компонента B.
3
3
Аналогичным образом осуществлялась подача компонента C (вода). С помощью пятого вентиля 11 устанавливался нормированный поток воды таким образом, чтобы 120 л воды поступило в мерную емкость 1, до отметки h уровнемерной трубки 2 за 3,2 мин (192 с), т.к. это время, необходимое для перекачки объема компонентов A и B - 720 л нефтешлама и 240 л мазута M100, что составило 960 л. Открывались вентили по контуру: мерная емкость 1, сливной трубопровод 3, первый вентиль 4, четвертый вентиль 10, пятый вентиль 11, смеситель 12, насос 13, напорная магистраль 15, шестой вентиль 17, четвертая магистраль 16, мерная емкость 1. Закрывались третий 9и второй 8 вентили, насосом 13 производилась циркуляция смеси компонентов A+B с одновременной подачей компонента С до отметки h уровнемерной трубки 2, что соответствовало вовлечению 120 л воды в мерную емкость 1. Итого в мерной емкости 1 набиралось 1080 л смеси компонентов A+B+C. Таким образом только во время наполнения мерной емкости 1 происходила трехкратная гидродинамическая обработка нефтешлама, двукратная обработка мазута M100 и однократная обработка воды. Весь процесс наполнения занимал около 8 мин. Затем формировался с помощью вентилей циркуляционный контур: мерная емкость 1, сливной трубопровод 3, первый вентиль 4, четвертый вентиль 10, смеситель 12, насос 13, напорная магистраль 14, проточный гидродинамический аппарат 15, шестой вентиль 17, четвертая магистраль 16, мерная емкость 1 и насосом 13 проводилась прокачка всего объема смеси A+B+C через проточный гидродинамический аппарат 15. При этом все остальные вентили, не относящиеся к циркуляционному контуру, были закрыты. После нескольких прокачек смеси A+B+C образуется устойчивая водотопливная эмульсия ABC, которую откачивают на использование по контуру: мерная емкость 1, сливной трубопровод 3, первый вентиль 4, четвертый вентиль 10, смеситель 12, насос 13, напорная магистраль 14, проточный гидродинамический аппарат 15, седьмой вентиль 19, отводящая магистраль 18.
Предложенная схема подготовки топлива конструктивно и эксплуатационно проста и может быть использована в производственных условиях, а также в качестве пилотной установки при опытно технологических работах, т.к. мерная емкость 1 по своим размерам, например 0,8×1,25×1,25 м, является средством метрологического обеспечения вместе с уровнемерной трубкой 2, определяющей подачу нормированных объемов компонентов.