ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С ВИХРЕВЫМ СЛОЕМ И ФЕРРОМАГНИТНАЯ ЧАСТИЦА ДЛЯ ТАКОГО РЕАКТОРА
PHYSICAL AND CHEMICAL REACTOR WITH VORTEX LAYER AND FERROMAGNETIC PARTICLE FOR SUCH REACTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к устройствам для обработки материалов, в частности к физико-химическому реактору (далее ФХР) с вихревым слоем, который может использоваться в областях энергетики, нефтегазодобывающей, металлургической, химической промышленности, сельского и городского хозяйства, экологической защиты окружающей среды и в других областях промышленности для активации процессов обработки материалов, а также для обработки различных жидких сред и, в частности, для очистки промышленных и бытовых стоков. Изобретение относится также к ферромагнитной частице для использования в качестве элемента дискретного рабочего тела в таком реакторе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Практически все известные аппараты с вихревым слоем и их модификации состоят из внешнего кольцевого индуктора, генерирующего вращающееся электромагнитное поле (далее ЭМП), в полость которого помещена труба из немагнитного материала, во внутренней полости которой, представляющей собой рабочую зону с повышенными значениями индукции ЭМП, находится дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц, являющееся аналогом сплошного рабочего тела, такого как, например, ротор асинхронного двигателя или сплошной сердечник. Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы вызывает интенсивное вращательное и поступательное движение указанных частиц, образующих так называемый «вихревой слой», взаимодействие с которым существенно влияет на обрабатываемую среду, пропускаемую через трубу. Под воздействием ЭМП и вихревого слоя в ФХР проявляется множество физико-химических процессов, при этом все известные процессы ускоряются во много раз. В частности, в обрабатываемой среде проявляются явления магнитострикции ферромагнитных частиц, кавитации, появляются акустические волны, возникает электролиз, интенсифицируются процессы смешивания, перемешивания и размола, и как следствие, ускоряются химические реакции, и т.п.
Известно устройство для обработки материалов (Логвиненко Д.Д., Шеляков О.П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах вихревого слоя. Изд. "Техника", 1976 – [1]), представляющее собой корпус в виде полого цилиндра из немагнитного материала, помещённый внутрь индуктора. Индуктор создает вращающееся ЭМП. Внутрь корпуса полого цилиндра плотно вставлена цилиндрическая втулка из немагнитного материала, являющаяся реакционной камерой устройства, внутри которой находятся ферромагнитные частицы. Под действием вращающегося ЭМП ферромагнитные частицы, выполненные в виде тонких цилиндрических стержней, в качестве которых часто используется рубленая проволока, гвозди и т.п., вращаются в реакционной камере аппарата, следуя за вращением силовых линий создаваемого индуктором ЭМП, в плоскости, нормальной к оси реакционной камеры, и поступательно перемещаются по круговым траекториям вокруг продольной оси реакционной камеры, образуя, тем самым, облако или рой интенсивно движущихся в пространстве реакционной камеры ферромагнитных частиц, называемые вихревым слоем.
Недостаток устройства, известного из [1], состоит в том, что вращение ферромагнитных частиц, следующих с некоторым запаздыванием за вращением ЭМП, приводит к перераспределению в них электрических зарядов. При этом на обоих концах каждой из ферромагнитных частиц, выполненных в виде стержней, одновременно возникают положительные и отрицательные заряды, которые при вращении ЭМП уже относительно частицы попеременно меняют знак. Если обрабатываемая жидкость является электролитической, то в ней происходит электролиз. При этом с концов каждого стержня в электролитическую среду стекают электрические заряды, образовавшиеся на концах стержней в данный момент.  Однако конфигурация концов стержня, которая очень важна для эффективного стока электрических зарядов, используемая в известном из [1] устройстве, не позволяет обеспечить эффективное протекание электролитических реакций в обрабатываемой среде.
Таким образом, является актуальной проблема повышения эффективности и надёжности работы ФХР, в частности, при обработке электролитических сред. Выявленные недостатки устройства, известного из [1], предлагается устранить с использованием заявленного изобретения.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и качества обработки обрабатываемых в ФХР электролитических сред.
Согласно первому аспекту заявленного изобретения предложена ферромагнитная частица для использования в качестве элемента дискретного рабочего тела, размещаемого в реакционной камере ФХР с вихревым слоем, выполненная в виде ферромагнитного стержня, по меньшей мере один из концов которого выполнен в форме заостренной луковицы, в частности в форме луковицы с коротким заострением.
В одном из вариантов реализации изобретения величина порогового угла между продольной осью ферромагнитных частиц и нормалью к поверхности соприкосновения, при превышении которого острия частиц не касаются поверхности соприкосновения, составляет от 10° до 25°, предпочтительно от 10° до 20°, и наиболее предпочтительно от 10° до 15°.
Согласно второму аспекту заявленного изобретения предложен ФХР, содержащий реакционную камеру, охватываемую снаружи индуктором вращающегося электромагнитного поля, причем реакционная камера содержит множество ферромагнитных частиц, выполненных в виде стержней, по меньшей мере один из концов которых выполнен в форме заостренной луковицы.
Под формой «заостренной луковицы» или «заострением в форме луковицы» в рамках настоящего изобретения понимается форма, которая образуется при закруглении поверхности оконечности ферромагнитной частицы, выполненной в виде по существу цилиндрического стержня,  по отношению к его продольной оси сначала выпукло, т.е. с положительной кривизной, а затем, – вблизи его продольной оси, – вогнуто, т.е. с отрицательной кривизной, образуя тем самым в центре оконечности стержня, т.е. по существу вблизи его продольной оси, заострение, напоминающее форму заостренной луковицы или форму части сферы с заострением.
Как известно из области электротехники, такая форма заострения стержня ферромагнитной частицы, выполняющей в электролитической среде роль электрода, близкая к поверхности шара, является оптимальной для равномерного распределения на его головке поверхностной плотности электрического заряда. Наличие же острия на шаровидной поверхности стержня приводит к резкому пиковому повышению концентрации заряда в этом месте и, соответственно, повышению напряжённости электрического поля в среде около его кончика, способствующему дальнейшему стоку заряда (электрическому разряду) с острия стержня через окружающую токопроводящую среду в направлении зарядов противоположного знака, находящихся в обрабатываемой электролитической среде.
Предложенная форма ферромагнитной частицы, с одной стороны, препятствует заклиниванию или застреванию указанной частицы в торцевых удерживающих решетках реакционной камеры, а с другой стороны, препятствует истиранию или затуплению острия частицы при ее соударении со стенками реакционной камеры, благодаря наличию выпуклых участков на концах частицы, защищающих ее остриё от контактов со стенкам реакционной камеры. Это достигается благодаря тому, что величина максимального угла между продольной осью частицы и нормалью к поверхности реакционной камеры, при котором еще возможно ее касание остриём частицы, значительно уменьшается по сравнению с конически заточенными частицами уровня техники, что снижает возможное количество прямых контактов острия стержней частиц со стенками реакционной камеры и предотвращает быстрое затупление их острия, и, таким образом, существенно продлевает срок их эффективной службы.
Загрязнённая жидкость стоков, обрабатываемая ФХР, обычно является электролитической, кроме того,  при её обработке в ФХР в ней происходят процессы солеобразования, что дополнительно способствует возникновению в ней  условий для электролиза. При поляризации зарядов на концах ферромагнитных частиц с концов каждой ферромагнитной частицы в электролитическую среду стекают электрические заряды, образовавшиеся на её концах в данный момент, в направлении противоположных зарядов, находящихся на концах других ферромагнитных частиц, наиболее близких к данной. Таким образом, в среде возникает и происходит электролиз. Заостренная конфигурация концов частиц по настоящему изобретению обеспечивает резкое пиковое повышение поверхностной плотности (концентрации) электрических зарядов на концах острия частиц и их более эффективный сток и движение через обрабатываемую текучую среду к зарядам противоположного знака, что приводит к интенсификации протекания электролитических реакций в ФХР и, соответственно, к повышению эффективности и качества обработки текучей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлена общая схема в продольном разрезе предлагаемого ФХР с вихревым слоем,
где 1 – индуктор, 2 – корпус индуктора, 3 – немагнитная реакционная камера индуктора, 4 – ферромагнитные частицы, 5 – удерживающая решетка.
На фиг. 2 показана удерживающая решетка реакционной камеры.
На фиг. 3а изображена ферромагнитная частица согласно настоящему изобретению при её взаимодействии с внутренней поверхностью реакционной камеры без контакта ее острия с указанной поверхностью.
На фиг. 3б показан максимальный угол отклонения ферромагнитной частицы от нормали к поверхности реакционной камеры при контакте ее острия с указанной поверхностью.
На фиг. 3в показано взаимодействие ферромагнитной частицы известной формы с поверхностью реакционной камеры.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Физико-химический реактор с вихревым слоем (фиг. 1) содержит трубчатую реакционную камеру 3 из немагнитного материала с охватывающим ее снаружи индуктором 1 вращающегося ЭМП с корпусом 2 и обмотками. Внутри реакционной камеры 3 ФХР расположено дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 4, выполненных в виде удлиненных по существу цилиндрических стержней и удерживаемых в рабочей зоне реакционной камеры 3 торцевыми удерживающими решётками 5 (см. также. фиг. 2). Дискретное рабочее тело в виде множества ферромагнитных частиц 4 по существу выполняет в ФХР функцию рабочей среды или рабочего органа, в частности перемешивающего или измельчающего/размалывающего элемента, и является неотъемлемой частью ФХР. Концы ферромагнитных частиц имеют заострение (6, 7, 8) в форме луковицы (см. фиг. 3 а, б).
На фиг. 3а изображена ферромагнитная частица по настоящему изобретению, которая на своем конце имеет заострение в форме луковицы, при её взаимодействии с внутренней поверхностью реакционной камеры 3 или поверхностью удерживающих решеток 5, при котором острие 6 частицы не касается внутренней поверхности стенки реакционной камеры 3 или поверхности решеток 5.
Заострение в форме луковицы образовано оконечностью ферромагнитной частицы, при которой ее поверхность, начиная от боковой поверхности 9 по существу цилиндрического тела частицы 4 или от боковой поверхности локального сужения или расширения тела частицы 4 в области ее оконечности, имеет выпуклый участок 7, переходящий в вогнутый участок 8, который, в свою очередь, переходит в сужающееся острие 6 частицы (см. фиг. 3а).
Как видно из фиг. 3а, предлагаемая согласно изобретению форма ферромагнитных частиц при их столкновении со стенками реакционной камеры 3 снижает вероятность затупления их острия и уменьшает, таким образом, износ частицы за счет того, что частицы 4 взаимодействуют с поверхностью реакционной камеры в большинстве случаев только своими выпуклыми участками 7, в то время как их острие 6 остается защищенным от столкновения и тем самым от затупления.
На фиг.3б показан пороговый угол ɑ отклонения оси А частицы по настоящему изобретению от нормали к поверхности соприкосновения, при превышении которого острие 6 частицы вообще не касается поверхности при соударении с ней, и, соответственно, не может ни истираться, ни затупляться. Величина порогового угла ɑ определяется соотношением геометрических размеров выпуклого и вогнутого участков 7, 8 оконечности частицы и предпочтительно находится в диапазоне от 10° до 25°, предпочтительно от 10° до 20°, и наиболее предпочтительно от 10° до 15°. При величинах угла ɑ, превышающих его пороговое значение, не происходит столкновения острия 6 частицы с поверхностью стенок реакционной камеры, что способствует сохранению заостренной конфигурации ферромагнитных частиц ФХР и повышению срока их службы.
На фиг. 3в показано взаимодействие с поверхностью реакционной камеры известных из уровня техники ферромагнитных частиц, заострение которых имеет форму, близкую к конической. При такой форме заострения, получаемого, например, при перекусывании проволоки, из которой изготавливаются ферромагнитные частицы в известных устройствах, удар частиц о поверхность реакционной камеры практически под любым углом приводит к их быстрому истиранию и затуплению их острия вследствие существенного превышения величиной порогового угла β известных частиц, часто превышающей 60°, величины порогового угла ɑ частиц по настоящему изобретению.
Благодаря выполнению оконечностей ферромагнитных частиц согласно настоящему изобретению в виде заостренных луковиц практически исключается затупление частиц при их соударенииях со стенками реакционной камеры при углах соударения, измеряемых между продольной осью А частицы и нормалью к поверхности стенки камеры, превышающих пороговый угол ɑ, определяемый геометрической формой оконечности частицы, с охранением высокой эффективности стока заряда с острия их оконечностей через окружающую токопроводящую, в частности электролитическую, среду.
Работает ФХР следующим образом. Магнитный индуктор 1, подключенный к сети переменного тока, создает в рабочей зоне вращающееся ЭМП.
Обрабатываемая текучая среда поступает в реакционную камеру 3 в направлении потока, показанного стрелкой на фиг. 1, и беспрепятственно проходит через удерживающие решетки 5, расположенные с торцов реакционной камеры. Воздействие вращающегося ЭМП на ферромагнитные частицы 4, размещенные в реакционной камере 3, приводит к их интенсивному вращению и круговому поступательному движению, что образует вихревой слой частиц, создающий турбулентность жидкости.  Кроме того, в ферромагнитных частицах удлинённой формы возникает магнитострикция и электрическая поляризация, совместное действие которых вызывает в обрабатываемой среде кавитацию, распространение акустических волн и электролиз. Всё это, в свою очередь, приводит к размолу твёрдых частиц и примесей в обрабатываемой среде, ее интенсивному смешиванию и перемешиванию, интенсификации и катализу химических реакций, коагуляции, электрокоагуляции, флокуляции, что, в частности, способствует солеобразованию и агрегированию примесей и облегчает их последующее отделение от жидкости.
Форма концов ферромагнитных частиц в виде заостренных луковиц, обеспечивающая эффективное стекание образующихся на них электрических зарядов при обработке в ФХР электролитических сред, а также предотвращение затупления и длительное сохранение тем самым заостренной конфигурации концов частиц согласно настоящему изобретению позволяет резко пиково повышать поверхностную плотность (концентрацию) электрических зарядов на концах острия ферромагнитных частиц и, соответственно, обеспечивать их более эффективный сток и движение через обрабатываемую среду к зарядам противоположного знака, что приводит к интенсификации протекания электролитических реакций в ФХР и, соответственно, к повышению эффективности и качества обработки текучих сред, в частности, сточных вод.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность и качество обработки текучих, в особенности электролитических, сред за счёт интенсификации процесса электролиза в обрабатываемой текучей среде.