АКУСТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА СОНОХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА
ACOUSTIC CELL OF ACOUSTICCHEMISTRY REACTOR

Изобретение относится к устройствам для сонохимической обработки водных истинных и коллоидных растворов, суспензий и эмульсий, в том числе содержащих растворы в качестве дисперсионной среды. Акустическая ячейка является составной частью сонохимического реактора - сосуда, который заполняют подвергаемой обработке жидкостью периодически, либо эту жидкость пропускают через него непрерывно. Ячейка содержит источник ультразвука и устройство, ограничивающее в находящейся в реакторе жидкости ультразвуковую волну в направлении, перпендикулярном ее фронту. Она предназначена для трансформации энергии упругих колебаний жидкости в ультразвуковой волне на возникающем в ней явлении кавитации - основном факторе сонохимических реакций [1]. Содержащий одну или несколько акустических ячеек сонохимический реактор служит для возбуждения или интенсификации этих реакций в жидкости и в кавитационных пузырьках под воздействием импульсов давления, которые порождаются их пульсацией под воздействием звукового давления и распространяются в газообразной среде внутри них и в жидкой снаружи. Сонохимический реактор используют в процессах пищевой, фармацевтической и химической промышленности, в том числе как альтернативу гидродинамическому кавитационному реактору [2], например [WO/2008/082324]. В пищевой промышленности с помощью сонохимического реактора можно, например, готовить обладающие повышенными гидратационной способностью и бактерицидными свойствами рассолы для рыбо-, мясо- и овощепродуктов, водные высокодисперсные системы вкусоароматических пищевых добавок, производить гомогенизирующую и бактерицидную обработку цельного и восстановленного молока, приготовление молочных напитков. А в фармации - физиологические растворы и жидкие лекарственные препараты.
Один из первых запатентованных сонохимических реакторов (аналог I) - вибрационное устройство, в котором колебания распространяются в обрабатываемой жидкости, образуя упругую волну между являющимися основными элементами акустической ячейки параллельными друг другу плоскими стенками [US 3519251, 1970]. Поверхность источника колебаний, с которой они распространяются в жидкость, помещена в плоскости одной из стенок, а другая составляет монолитную конструкцию с корпусом и, располагаясь на пути упругой волны перпендикулярно ее лучу, ограничивает ее распространение в пространстве. Известно, что на границе раздела жидкости и твердого тела, двух взаимно нерастворимых жидкостей разной плотности либо жидкости и газа, на которую со стороны жидкости падает упругая волна, часть ее отражается обратно в жидкость, а часть проникает в граничащую с ней субстанцию, трансформируясь в ее колебания [3]. В данном случае в жидкости распространяется практически плоская упругая волна в направлении, перпендикулярном поверхности находящейся на ее пути металлической стенки корпуса, которая тоньше, чем длина волны на ее частоте в металле, и обратной стороной граничит с воздухом, имеющим пренебрежимо малое по сравнению с металлом акустическое сопротивление. Поэтому отражение волны от наружной поверхности стенки практически полное, то есть энергия волны почти целиком рассеивается в жидкости и корпусе реактора. Условия суперпозиции падающей и отраженной в жидкость стенкой составляющих результирующей волны, которые определяют величину ее потенциальной энергии, здесь определяются частотой колебаний, скоростью звука в жидкости и в металле стенки корпуса, значениями их плотностей и сжимаемостей, а также протяженностью волны внутри устройства. Известно, что кавитация порождается звуковым давлением, квадрату амплитуды которого пропорциональна потенциальная энергия волны. Поэтому в таком устройстве интенсивность упругих колебаний в жидкости и трансформируемая на кавитации энергия, а следовательно, и результат воздействия на жидкость зависят не только от физических свойств последней, но и от размеров устройства и свойств материалов, из которых изготовлен его корпус. Это затрудняет управление осуществляемым в таком устройстве сонохимическим процессом, заключающееся в установлении и поддержании в течение заданного времени заданной интенсивности акустического воздействия, если в нем обрабатывают жидкости с сильно различающимися физическими свойствами - плотностью и сжимаемостью, что является одним из препятствующих достижению технического результата изобретения недостатков.
Кроме того, известно, что наилучшие для обработки условия суперпозиции падающей и отраженной волн обеспечиваются в подобных устройствах, если расстояние от излучающей поверхности до противолежащей ей стенки корпуса оказывается четно кратным четверти длины волны звука в жидкости на частоте его источника, наихудшие - если нечетно [4, 5]. Пусть суперпозиция происходит в устройстве наилучшим образом, то есть отражающая стенка находится в пучности колебательного смещения жидкости в упругой волне. Тогда, удовлетворяя условию неразрывности и закону сохранения энергии, она должна колебаться с такой же, как и жидкость в этом месте, амплитудой. Механически жестко связанная с корпусом отражающая стенка не может колебаться, по крайней мере, вся с такой же амплитудой смещения, как у раствора в пучности колебательного смещения, и на ней возникнет кавитация, проявляющаяся как периодическое нарушение целостности жидкой среды и рассеивающая часть энергии [3, 5]. Таким образом, условие неразрывности на границе твердого тела и жидкости нарушается кавитацией, которая постепенно разрушает отражающую стенку и, как установлено, привносит количественные изменения в характеристику акустического поля кавитации, которая действует в остальном объеме жидкости [6]. Поскольку обусловленная монолитностью корпуса жесткость периметра отражающей стенки не позволяет ей совершать колебания соответствующей амплитуды, то весь корпус приобретает сложные многомодовые колебания. Они не только приводят к потерям энергии на тепловом рассеянии в местах разъемных соединений элементов корпуса, но и создают циклические механические напряжения во всей его конструкции, снижая ее прочность и долговечность. Это также препятствует достижению указанного ниже технического результата при использовании этого устройства в качестве сонохимического реактора с акустической ячейкой.
Известен кавитационный реактор для обработки жидкостей, включающий, по меньшей мере, одну акустическую ячейку (аналог II), в которой устройство, ограничивающее распространяемую источником ультразвука плоскоупругую волну по ее лучу, выполнено в виде твердотельного резонатора с частотой резонанса, равной частоте излучаемого ультразвука [RU 2254912, 2005; ЕР 1810747, 2007]. Одна сторона этого резонатора, которой принадлежит отражающая волну поверхность, обращена в жидкость. Акустический импеданс такого резонатора, если другой стороной он обращен в воздух, как уже сказано, обладающий пренебрежимо малой по сравнению с жидкостью и металлом резонатора активной составляющей акустического импеданса [3], обеспечивает практически полное отражение упругой волны назад в жидкость. Но при этом сам резонатор, обладая высокой механической добротностью и будучи закреплен к корпусу реактора в узле собственных колебательных смещений, лишен акустического контакта с ним и не порождает в нем никаких дополнительных мод колебаний. Эта акустическая ячейка обеспечивает более высокое, чем аналог I, значение механоакустического КПД преобразования энергии в реакторе, поскольку в ней сведены к минимуму тепловые потери и устранены второстепенные моды колебаний конструкций корпуса. Если такая ячейка рассчитана на обработку, например, только одной жидкости - воды, как в [RU 2286204, 2006], то она наилучшим образом отвечает требованиям к аппаратам для кавитационной обработки. Однако при обработке жидкостей с отличающимися от воды в ту или другую сторону плотностью, вязкостью и сжимаемостью недостаток, связанный с неодинаковыми условиями суперпозиции излучаемой и отражаемой упругих волн, у нее не только сохраняется, но и в абсолютном выражении увеличивается за счет лучших условий отражения. Это также препятствует достижению с помощью реактора с такой акустической ячейкой технического эффекта изобретения. Еще известен подобный кавитационный реактор, предназначенный для сонохимической обработки растворов электролитов [RU 2309008, 2007], имеющий несколько акустических ячеек, которые так же, как и у аналога II, относятся к резонансным акустическим ячейкам [5], поскольку образованы одним монолитным твердотельным резонатором. Последнее обстоятельство в узком диапазоне привязывает размер ячеек по лучу волны к периоду действующих в нем упругих колебаний и ограничивает область его применения только более плотными, чем вода, растворами электролитов и частотами ультразвука вблизи его нижней границы. В противном случае их линейные размеры, а следовательно, и производительность реактора становятся непригодными для его промышленного использования, что также не позволяет достигнуть технического результата изобретения.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению является акустическая ячейка (прототип) сонохимического реактора, содержащая источник колебаний ультразвуковой частоты, на пути распространения которых находится специальная звукопоглощающая прослойка [RU 2209112, 2003]. Акустический импеданс этой прослойки может быть выбран так, что ее добротность будет очень низкой, следовательно, отражаемая обратно в жидкость часть упругой волны будет пренебрежимо мала или вовсе равна нулю [7]. Таким образом, в этой акустической ячейке интенсивность упругих колебаний в жидкости инвариантна по отношению к расстоянию между излучающей и противолежащей ей поверхностью ячейки, поскольку отсутствует суперпозиция колебаний. Иными словами, здесь за счет некоторого снижения абсолютной величины механоакустического КПД расширен диапазон физических свойств обрабатываемых жидкостей, что делает осуществляемый в такой акустической ячейке сонохимический процесс более универсальным.
Прототип также обладает недостатком, препятствующим достижению указанного ниже технического результата. Недостаток заключается в том, что низкая механическая добротность материала, как известно [3], предполагает рассеяние энергии упругих колебаний на внутреннем трении и выделении ее в виде тепла. Таким образом, проникающая внутрь прослойки упругая волна, превращаясь в ней в тепло, нагревает реактор и обрабатываемую в нем жидкость, так как они находятся в непосредственном тепловом контакте. Это снижает эффективность кавитации, которая, как известно, сильно зависит от соответствующего температуре давления паров жидкости, в которой она действует. Чем выше это давление, тем меньше по величине испускаемые кавитационными пузырьками импульсы давления и слабее эффект кавитационного воздействия [8]. Чтобы избежать этого, требуется термостабилизация сонохимического процесса в реакторе, для чего необходимы дополнительные затраты энергии, усложнение конструкции реактора и системы его управления. В противном случае эффективность обработки и производительность ячейки снижаются.
На фиг.1 изображена механическая схема аналога I.
На фиг.2 изображена механическая схема аналога II.
На фиг.3 изображена механическая схема прототипа.
На фиг.4 изображена механическая схема заявленной акустической ячейки.
На фиг.5 показана конструкция сонохимического реактора с акустической ячейкой, содержащей резонансный отражатель упругой волны (аналог II), где обозначены: 1 - акустический волноводный трансформатор входящего в состав акустической ячейки источника ультразвука; 2 - также входящий в состав акустической ячейки резонансный рефлектор; 3 - разрезные фиксирующие кольца; 4 - разжимные уплотнительные шайбы; 5 и 6 - фланцы корпуса, служащие для крепления и герметизации в нем элементов конструкции акустической ячейки; 7 - цилиндрическая стенка корпуса; 8 - шторки, профилирующие поток через реактор обрабатываемой жидкости; 9 и 10 - нагнетательный и расходный патрубки.
На фиг.6 показан сонохимический реактор такой же, как и на фиг.5, конструкции, но с акустической ячейкой (прототип), содержащей активный звукопоглотитель.
На фиг.7 показан сонохимический реактор такой же, как и на фиг.2, конструкции, но с заявленной акустической ячейкой, содержащей реактивный звукопоглотитель.
Сущность изобретения заключается в следующем.
s
a
s
Корпус аналога I по отношению к работе, совершаемой действующей на него со стороны раствора упругой силой F, является диссипативным механическим элементом, состоящим из демпфера и катаракта, как показано на фиг.1. Поэтому колебания границы стенки корпуса в месте пересечения ее лучом упругой волны происходят под воздействием вибрационной силы F<F. Разница тратится на преодоление упругости конструкции корпуса, трения в разъемных соединениях его конструкции и внутреннего трения в материале корпуса и в жидкости при рассеянии неосновных мод колебаний. Таким образом, часть энергии источника колебаний не производит полезной работы.
a
s
В аналоге II распространение упругой волны в пространстве ограничивается устройством, являющимся реактивным отражателем, так как он имеет протяженность по лучу волны одного порядка с длиной волны в материале, из которого он изготовлен. То есть у него F ≈ F (фиг.2), как будто бы отражатель не обладает ни вязкостью, ни инерцией и, совершая вынужденные колебания с частотой, равной частоте его собственных свободных колебаний, не испытывает вязкого или упругого сопротивления снаружи. Поэтому аналог II очень чувствителен к зависящим от параметров обрабатываемой жидкости изменениям условий суперпозиции, определяющим амплитуду его вынужденных колебаний, значит, и звукового давления в жидкости и пропорциональную ее квадрату интенсивность результирующей волны в ячейке.
s
a
У прототипа распространение волны ограничивает звукопоглотитель, который почти беспрепятственно пропускает ее внутрь себя и превращает в тепло за счет низкого активного сопротивления. Его механическая схема показана на фиг.3. Со стороны раствора звукопоглотитель испытывает вибрационную нагрузку F, работа которой совершается в прослойке против сил внутреннего трения, существующего благодаря высокой вязкости его материала. То есть звукопоглотитель играет роль катаракта, поэтому у прототипа F ≈ 0 и нет вибраций корпуса, но велики тепловые потери.
По аналогии звукопоглотителем может служить и механический элемент с близкой к нулю не активной, а реактивной составляющей акустического импеданса и высокой механической добротностью. Это позволит избежать теплового рассеяния, так как мощность, эквивалентная рассеиваемой в прототипе на внутреннем трении, может быть трансформирована с помощью него в реактивную мощность, которая, в свою очередь, может быть компенсирована на электрической стороне входящего в состав источника ультразвука электроакустического преобразователя, который акустически связан с жидкостью и таким реактивным звукопоглотителем. Тогда она будет, как и у прототипа, потеряна, но не создаст отрицательного эффекта от выделения тепла в обрабатываемом растворе. Известно, что суперпозиция упругих колебаний одинаковой амплитуды и частоты, противофазно распространяющихся навстречу друг другу в среде с высокой добротностью, приводит к взаимному погашению их друг другом [8]. Это и будет происходить при минимальном тепловом рассеянии внутри реактивного звукопоглотителя, имеющего размер по лучу волны, близкий к четверти длины ее в материале, из которого он изготовлен. Механическая схема ячейки в этом случае имеет вид, показанный на фиг.4, где диссипативный элемент целиком является демпфером, но имеет частоту свободных упругих колебаний вдвое большую, чем источник ультразвука в ячейке.
Высокими значениями механической добротности обладают коррозионно-стойкие металлы, из которых делают корпуса сонохимических реакторов, а также твердые акустические волноводы для их акустических ячеек. Ими являются легированные стали и титановые сплавы, имеющие скорость распространения упругих колебаний около 5 км/с.
Путем расчетов и экспериментов установлено, что в диапазоне плотностей и сжимаемостей кавитирующих жидкостей, у которых средой является вода, а также металлов, из которых изготавливают элементы конструкции акустических ячеек сонохимических реакторов, отношение размера металлического реактивного звукопоглотителя по лучу поглощаемой им упругой волны к ее периоду должно лежать в пределах 1,0±0,2 мм/мкс. При сонохимической обработке жидкостей в реакторах с такими акустическими ячейками ультразвуком одинаковой интенсивности воздействие кавитации будет больше, чем у прототипа, а отклонение его от среднего в диапазоне возможных вариаций их плотности и сжимаемости - меньше, чем у аналога II.
Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности кавитационного воздействия в акустической ячейке сонохимического реактора на истинные и коллоидные растворы, твердофазные и жидкофазные дисперсные системы разного состава и концентрации, у которых непрерывной средой является вода, при сохранении инвариантности по отношению к физическим свойствам обрабатываемых жидкостей результатов этого воздействия и без дополнительных затрат на это энергии.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что в известной акустической ячейке сонохимического реактора для обработки воды, истинных и коллоидных водных растворов, твердофазных и жидкофазных дисперсных систем, имеющих в качестве дисперсионной среды воду и такие растворы, содержащей источник плоскоупругой волны ультразвуковой частоты и ограничивающий распространение волны в рабочем пространстве реактора звукопоглотитель, отличие состоит в том, что этот звукопоглотитель выполнен в виде твердого волновода из коррозионно-стойкого металла, а отношение его размера по лучу плоскоупругой волны к ее периоду составляет 0,22…0,28 скорости распространения упругих волн в этом металле.
Результаты обработки жидкостей с очень сильно различающимися плотностью и сжимаемостью в сонохимическом реакторе, содержащем в качестве устройства для формирования акустической волны и получения кавитации аналог II, прототип и заявленную ячейку исследовали экспериментально. Осуществляли диспергирование гидрозолей сажи, полученных смешиванием жидкой черной туши с водой и двумя водными растворами электролитов в пропорции 1:100. В качестве последних были взяты насыщенный водный раствор натрия хлорида и технический водный раствор аммиака. Плотности воды и этих растворов соотносятся приблизительно, как 1,0:1,2:0,9, а адиабатические сжимаемости - как 1,0:0,7:1,1 соответственно [10].
В качестве экспериментального аппарата использован сонохимический реактор установки для кавитационной обработки жидких пищевых сред и воды [11]. Конструкция реактора установки и его акустической ячейки показана на фиг.5 и соответствует признакам аналога II, что позволило произвести экспериментальное сравнение изобретения и с ним. Реактор состоит из корпуса и акустической ячейки, которая включает источник ультразвука (не показан), соединяемый с акустическим волноводным трансформатором 1 посредством шпильки с резьбой, и резонансный рефлектор 2. Элементы акустической ячейки закреплены в корпусе посредством разрезных фиксирующих колец 3 и уплотняющих шайб 4, которые придают конструкции герметичность за счет разжатия их фланцем 5, крепящимся к фланцу 6, в свою очередь закрепляемому на цилиндрической стенке 7 корпуса через герметик. Внутри рабочего объема реактора содержатся шторки 8 для профилирования потока раствора относительно акустической ячейки. Корпус снабжен нагнетательным 9 и расходным 10 патрубками, через которые раствор подается по схеме рециркуляции в реактор из ресиверной емкости перистальтическим насосом [11]. Для реализации признаков прототипа его рефлектор был заменен звукопоглотителем из полиамида, по форме повторяющим располагавшуюся внутри корпуса часть рефлектора (фиг.6). Для соответствия среднему и крайним значениям области притязаний изобретения (фиг.7) были изготовлены три реактивных звукопоглотителя цилиндрической же формы с диаметром цилиндра, как у рефлектора установки, но разной высоты. Первый из титанового сплава марки ПТ-3В высотой 49 мм, второй из легированной стали марки 30ХГСА высотой 60 мм и третий из титанового сплава марки ВТ-1 высотой 72 мм. Они при проведении экспериментов поочередно закреплялись в корпусе реактора посредством разжимной уплотняющей шайбы 4.
Золи обрабатывались в каждой из получившихся пяти модификаций реактора в течение одинакового времени при одинаковой начальной температуре. Для обеспечения идентичности воздействия потребляемая электроакустическим преобразователем от ультразвукового генератора активная электрическая мощность устанавливалась пропорциональной удельному акустическому сопротивлению раствора, равному квадратному корню из отношения его плотности к адиабатической сжимаемости [9, 10], что и является, по сути, управлением реактором и предусмотрено наличием на генераторе соответствующих органов управления [11].
У проб из образцов золей методом сравнительной монохромной турбидиметрии определялось изменение в результате обработки оптических коэффициентов пропускания. Известно, что при неизменном содержании химически инертной к дисперсионной среде дисперсной фазы золя изменение оптического коэффициента пропускания может произойти только вследствие изменения дисперсности фазы [12], которое в данном случае характеризует эффект ее кавитационной дезинтеграции при обработке [5].
Измеренные значения в процентах и вычисленные средние значения вместе со среднеквадратичными отклонениями приведены в таблице:
Ячейка
Заявленная ячейка
Аналог II
Прототип
со звукопоглотителем из сплава
Среда золя
ПТ-3В
30ХГСА
ВТ-1
Раствор NaCl
1,8
2,3
3,6
2,9
2,5
Вода
3,7
3,1
3,9
3,6
3,2
Раствор NH<sub>3</sub>
6,3
4,5
5,5
4,7
4,5
Среднее
3,93±1,84
3,30±0,91
3,81±0,89
Из таблицы видно, что у обработанных золей с дисперсионными средами из растворов с различающимися физическими свойствами и воздействие кавитации различно. В заявленной акустической ячейке при одинаковом диапазоне среднеквадратичного отклонения оно в среднем на 13% сильнее, чем в прототипе, и только на 3% слабее, чем в аналоге II, который при этом имеет в 2 раза больший диапазон среднеквадратичного отклонения, что не соответствует сформулированному выше техническому результату изобретения.
При сравнении использованы насыщенные растворы в больших количествах растворимых в воде электролитов, которые относятся к растворам с очень сильно различающимися физическими свойствами. Поэтому выполненное опытное сравнение заявленной акустической ячейки с ближайшими аналогами, характеризующими известный уровень техники в области предмета изобретения, является подтверждением существенности ее отличительных признаков во всем объеме притязаний изобретения. При анализе этих признаков не выявлено еще каких-либо решений, касающихся конструкции звукопоглотителя в акустической ячейке и требований к его размеру по лучу поглощаемой им упругой волны в связи с повышением при прочих равных условиях эффективности обработки без дополнительных затрат на это энергии.
В части практической реализации изобретения, примером которой служат приведенное графическое изображение конструкции реактора с заявленной ячейкой и описание практического сравнения ее в работе с аналогами, можно отметить следующее. Конструктивно сонохимический реактор с заявленной ячейкой мало отличается от известных используемых в промышленности реакторов. Реконструкция их с целью использования изобретения не представляет технической сложности и состоит в изготовлении и монтаже в корпусе реактора реактивного звукопоглотителя. Поскольку он не является порождающим вибрации элементом, то может жестко крепиться внутри корпуса, в том числе к его стенке, даже если она, как у аналога I, составляет с ним монолитную конструкцию. При этом соединение может быть как разъемным, так и нет, например сварным. Звукопоглотитель может также составлять монолитную конструкцию со стенкой корпуса или ее частью, если она изготавливается из соответствующего металла и корпус состоит из соединяемых частей. В этом случае он может помещаться снаружи корпуса.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о способности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.
Литература
1. Margulis М.А. Sonochemistry and Cavitation. London: Gordon & Breach, 1995.
2. Шестаков С.Д. Математическая модель гидродинамической кавитации // Сборник трудов XVI сессии Российского акустического общества. - М.: ГЕОС, Том 2, 2005. - С.71-73.
3. Физическая акустика / под ред. У.Мэзона. Том 1. Часть А. Методы и приборы ультразвуковых исследований. - М.: Мир, 1967.
4. Шестаков С.Д., Бефус А.П. Формулирование критерия подобия сонохимических реакторов при обработке сред, не обеспечивающих акустического резонанса. - Вологда, 2008. - 27 с. - Деп. в ВИНИТИ РАН, №840-В2008.
5. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. - М.: ЕВА-пресс, 2001.
6. Шестаков С.Д. Исследование возможности непараметрического усиления многопузырьковой кавитации // Прикладная физика. - 2008.- №6. - С.18-24.
7. Шестаков С.Д. К теории кавитационного реактора 2 // Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества. - М.: ГЕОС, Том 1, 2003. - С.31-35.
8. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. - М.: Мир, 1974.
9. Горелик Г.С. Колебания и волны. - М.: ИФ-МЛ, 1959.
10. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИИЛ, 1956.
11. Разработка технического предложения «Установка для кавитационной обработки жидких пищевых сред и воды лабораторная» / Отчет по ОКР гос. per. №0120.0804052, ВНТИЦ, 2008.
12. Кройт Г.Р. Наука о коллоидах. - М.: ИИЛ, 1955.