ЗВУКОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР

Изобретение относится химической промышленности. В акустическом поле происходит существенное ускорение химических реакций. Практическое использование этого эффекта породило целое направление - звукохимию. По звукохимии имеется большое количество научных публикаций и патентов, обзор которых здесь не приводится, поскольку выпущен даже вузовский учебник «Основы звукохимии. Химические реакции в акустических полях» [1].
Наиболее часто для создания колебаний в химическом реакторе используют пьезо или магнитострикционные генераторы колебаний, которые работают в ультразвуковом диапазоне. Однако показано [1, стр.8], что «при низких инфразвуковых и звуковых частотах 7-200 Гц осуществляются те же звукохимические реакции, сонолюминесценция и физико-химические эффекты, что и в ультразвуковых полях».
Известные конструкции звукохимических реакторов имеют генератор звуковых волн и рабочую полость с подводящими и отводящими трубами для подачи и отвода жидкого реагента. Именно так выглядит звукохимический реактор из выбранного в качестве прототипа патента
US 6897628 - High-power ultrasound generator and use in chemical reactions - 2005 (Мощный ультразвуковой генератор и его использование в химических реакциях).
Как видно из приведенной в описании патента US 6897628 таблицы
TABLE I
Fractionation Results
Volume Percents
Fraction
Starting Material
First Run Product
Wash Product
Gasoline (C<sub>4</sub>-C<sub>14</sub>)
11
5.0
3.4
Diesel (С<sub>9</sub>-С<sub>24</sub>)
20
40.9
67.6
Oil (C<sub>18</sub>-C<sub>34</sub>)
69
54.1
29.0
при похождении смеси углеводородов через данный звукохимический реактор изменяется ее компонентный состав, в частности увеличивается выход фракций дизельного топлива. Звукохимический реактор из патента US 6897628 назван «мощным», хотя мощность его магнитострикционного генератора составляет всего 25 киловатт.
Созданию крупнотоннажных звукохимических производств препятствует отсутствие мощных генераторов колебаний, поскольку известные в настоящее время пьезо или магнитострикционные генераторы колебаний принципиально не могут быть выполнены в мегаватном диапазоне мощностей.
Кроме того, недостатком всех генераторов колебаний с механическим вибратором (пьезо или магнитострикционных и т.д.) является неравномерность воздействия звукового поля на отдельные частицы реагента. Эта неравномерность обусловлена уменьшением интенсивности воздействия по мере удаления от поверхности вибратора.
Другим серьезным недостатком механоэлектрических генераторов звуковых волн является малый КПД по мощности, что делает их экономически неэффективными в крупнотоннажных звукохимических реакторах.
Данный патент направлен на решение проблемы создания крупнотоннажного звукохимического реактора с высоким КПД и равномерным воздействием звукового поля на каждую частицу проходящей через реактор жидкости.
Данная проблема решается в данном изобретении путем:
1. Использования мощного термоакустического пульсатора.
2. Выполнения реактора в виде вертикального резонатора на стоячих волнах.
3. Осуществления непосредственной доставки акустической энергии к каждой капле жидкости, минуя ее передачу через металлическую стенку вибратора.
4. Осуществление равномерного воздействия звукового поля на все капли жидкости, которые свободно падают в резонаторе с колеблющимся газом.
Подобно известным конструкциям звукохимических реакторов, состоящих из генератора звуковых волн и рабочей полости с подводящими и отводящими трубами для подачи и отвода жидкого реагента, новая конструкция звукохимического реактора также состоит из генератора звуковых волн и рабочей полости с подводящими и отводящими трубами для подачи и отвода жидкого реагента.
Схема реактора представлена на Фиг.1. В отличии от известных конструкций звукохимических реакторов, рабочую полость выполняют в виде заполненного гелием под давлением вертикального резонатора 2 на стоячих волнах, в верхней части которого находится термоакустический пульсатор 1 и подводящие трубы с разбрызгивающими форсунками 8, а в нижней части - отводящие трубы 7 и бак - сборник реагента 9. Для обеспечения многократной обработки бак - сборник реагента соединен байпасом с разбрызгивающими форсунками. Для этого байпас имеет рециркуляционный насос 10 и регулируемый дроссель 11.
Капли реагента свободно падают в резонаторе 2 с колеблющимся газом. За время падения они многократно пересекают чередующиеся зоны пучностей 4 стоячей волны, где и протекают звукохимические реакции. Выполнения реактора в виде вертикального резонатора на стоячих волнах со свободно падающими каплями реагента обеспечивает однородное воздействие звукового поля и одинаковую интенсивность воздействия на все проходящие сквозь реактор частицы реагента.
Использования мощного термоакустического пульсатора в качестве генератора звуковых волн позволяет значительно поднять мощность единичного звукохимического реактора и повысить его КПД.
Работа термоакустического пульсатора основана на термоакустическом эффекте генерации звуковых волн в регенераторе, имеющем осевой градиент температуры.
Термоакустическая технология [2-8], активно развивается в последние годы и привела к созданию термоакустических пульсаторов, которые создают в резонаторах мощные акустические волны. Важным преимуществом термоакустических пульсаторов является отсутствие движущихся механических частей и высокий КПД. Для создания крупнотоннажных химических производств особенно важно, что, в отличие от электромеханических пульсаторов, термоакустические пульсаторы не нуждаются в силовом электроснабжении.
Литература
1. М.А.Маргулис «Основы звукохимии. Химические реакции в акустических полях» М. Высшая школа, 1984
2. R.Radebaugh, К.М.McDermott, G.W.Swift and R.A.Martin. Development of a thermoacoustically driven orifice pulse tube refrigerator. In Proceedings of the Interagency Meeting on Cryocoolers, page 205. October 24, 1990, Plymouth, MA, David Taylor Research Center, publication 91/003, Bethesda, MD, 1990.
3. J.Wollan, G.Swift and W.Wijngaarden. Development of a Thermoacoustic Natural Gas Liquefier. Presented at the 2000 AGA Operations Conference, Denver, CO. May, 2000.
4. Wollan, J.J., Swift, G.W., Backhaus, S.N., and Gardner, D.L., "Development of a Thermoacoustic Natural Gas Liquefier," Proceedings of AIChE Meeting, New Orleans LA, March 11-14 (2002).
5. Swift, G.W., and Wollan, J.J. "Thermoacoustics for liquefaction of natural gas," GasTIPS, vol. 8(4), (Fall 2002), pp.21-26.
6. Backhaus, S.N., and Swift, G.W., "A Thermoacoustic-Stirling Heat Engine." Nature, vol.399, (1999), pp.335-338;
7. Backhaus, S.N., and Swift, G.W., "A thermoacoustic-Stirling heat engine: Detailed study," Journal of the Acoustical Society of America, vol.107 (2000), pp.3148-3166.
8. Gardner, D.L, and Swift, G.W., "A cascade thermoacoustic engine," Journal of the Acoustical Society of America, vol.114 (2003), pp.1905-1919.
Обозначения:
1 - Термоакустический пульсатор
2 - Резонатор
3 - Области протекания звукохимических реакций
4 - Пучности стоячей волны
5 - Узлы стоячей волны
6 - Вход реагента
7 - Выход реагента
8 - Форсунки
9 - Бак
10 - Рециркуляционный насос
11 - Дроссель
12 - Клапаны
13 - Падающие капли реагента