АКУСТИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ
ACOUSTIC MIXER

Настоящее изобретение относится к устройствам для смешивания, гомогенизации и диспергирования различных сред, например, дисперсных систем с жидкой средой, и может быть использовано в топливной, энергетической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности, в частности, для приготовления водотопливных, маловязких и вязких эмульсий.
В настоящее время для получения дисперсных систем с жидкой средой (суспензий и эмульсий) с помощью ультразвуковых колебаний, используют такие устройства, как акустические (ультразвуковые) смесители, известные также как гидродинамические (кавитационные) диспергаторы, гидродинамические смесители, вибрационные смесители, гидродинамические вибраторы, ультразвуковые эмульгаторы и т.п.
Известно устройство для получения водно-топливной эмульсии, содержащее корпус с патрубками подвода топлива и отвода эмульсии, в котором коаксиально размещен резонатор, по осевой линии которого расположен стержневой ультразвуковой излучатель со стержнем и острой кромкой, соединенный с патрубком подачи пара. Устройство снабжено коаксиально расположенным в корпусе стаканом, на боковой поверхности которого выполнено множество тангенциальных сопловых отверстий для создания кавитации. На внутренней поверхности стакана и внешней поверхности резонатора установлены кольцевые диафрагмы. Излучатель выполнен в виде сопла Лаваля и снабжен регулирующим устройством для изменения расстояния между соплом подачи пара и острой кромкой излучателя [патент RU 2348448 С2, приоритет 20.04.2004, опубликовано 10.03.2009].
Недостатком известного устройства является низкое качество получаемой водно-топливной эмульсии, связанное с расположением стержневого ультразвукового излучателя в сопле Лаваля, которое приводит к ухудшению гидродинамических и частотных характеристик получаемой эмульсии.
Известен гидродинамический акустический преобразователь, содержащий корпус, сопло и консольно закрепленный с возможностью перемещения и замены резонансный элемент, острием направленный к отверстию сопла. Корпус герметично соединен с кожухом, его внутренняя цилиндрическая поверхность снабжена магнитной вставкой, сопло имеет круглое выходное отверстие и установлено в верхней части корпуса, на которой по периметру расположены, по меньшей мере, по одной диаметрально противоположно закрепленной дополнительной остроугольной резонансной пластине, направленной острием внутрь к оси корпуса. Резонансный элемент выполнен в виде цилиндрического стержня с конусообразным наконечником. Длина наконечника, длина стержня и диаметр стержня связаны соответственно соотношением как a : b : d = 2:12:1. Корпус, сопло, кожух, цилиндрический стержень и дополнительные остроугольные пластины выполнены из диамагнитного материала [патент RU 134073 U1, приоритет 31.05.2012, опубликовано 10.11.2013].
Недостатком этого технического решения является невысокая эффективность диспергирования, обусловленная малой площадью резонатора и удаленностью резонансных пластин от выхода обрабатываемого потока. Более того, увеличение количества пластин (более 2-х) приводит к увеличению жесткости конструкции и к уменьшению резонансного эффекта, и как следствие, к ухудшению диспергирования.
Известен гидродинамический диспергатор, содержащий корпус, сопло и резонансную пластину, закрепленную с возможностью перемещения в сторону сопла, элементы крепления которой размещены на сопле, при этом сопло содержит щелевую насадку и выполнено в виде трубы с фланцем, в котором жестко закреплена резьбовая втулка, сквозь которую пропущен резьбовой шток, наружный конец которого уплотнен с внутренней стороны, и с наружной стороны направляющего канала, и выполнен с гранями под ключ, при этом наружный конец резьбового штока закреплен гайкой [международная заявка PCT/RU 2010/000327, дата международной подачи 23.07.2010, номер международной публикации WO/2011/016752, дата публикации 10.02.2011].
К недостаткам известного гидродинамического диспергатора можно отнести низкую эффективность диспергирования, причиной которой является наличие дополнительных полостей механизма перемещения сопла, препятствующих фокусированию обрабатываемого потока и приводящих к падению его скорости. Кроме того, размещение всего одной винтовой пары механизма перемещения сопла приводит к перекосу в работе этого механизма.
Наиболее близким к заявляемому изобретению техническим решением является гидродинамический диспергатор, предназначенный для обработки жидкостей, в частности эмульсий, путем формирования в обрабатываемой жидкости кавитационных процессов ультразвуковым воздействием. Известный гидродинамический диспергатор содержит корпус, сопло и консольную резонансную пластину, причем выходное отверстие сопла выполнено в виде щели, а задняя стенка корпуса выполнена в виде вогнутой криволинейной поверхности. Между резонансной пластиной и задней стенкой корпуса дополнительно установлен элемент, имеющий форму вогнутой криволинейной поверхности и соединенный с корпусом с образованием зазора со стенкой корпуса. Этот вогнутый элемент выполняет функцию отражателя потоков обрабатываемой среды [RU 2223815 С1, приоритет 19.06.2002, опубликовано 20.02.2004].
Недостатком ближайшего аналога является низкая эффективность обработки сред, проявляющаяся в неравномерности обработки дисперсной среды и обусловленная неэффективным распределением обрабатываемого потока в диспергаторе - часть дисперсной среды не попадает в зону действия кавитации и выходит из диспергатора необработанной. Неэффективное распределение обрабатываемого потока в диспергаторе приводит также к увеличению энергетических и временных затрат, необходимых для дополнительной обработки.
Воздействующая на резонансную пластину часть потока при выходе из щелевого сопла в корпус диспергатора подвергается интенсивному смешению и гидродинамической кавитации и при дальнейшем своем движении попадает на вогнутый элемент с криволинейной поверхностью (сферический отражатель), отражается от него и снова попадает в зону интенсивного воздействия акустических волн, подвергаясь повторной обработке. Другая часть потока, которая не попала в зону максимального воздействия акустических волн, направляется вдоль одной из стенок корпуса в зазор между стенкой и отражателем и уходит в выходное отверстие необработанной. Смешавшись затем с обработанным потоком, она снижает степень эмульгирования смеси, и для получения качественной эмульсии требуются дополнительные циклы обработки в диспергаторе.
В основу заявляемого изобретения положена задача создать акустический смеситель, обеспечивающий высокую эффективность обработки жидких сред путем равномерной и полной обработки поступающего в диспергатор потока жидких сред и исключения выхода необработанного потока из диспергатора.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в повышении эффективности обработки сред, выражающееся в повышении дисперсности и гомогенности обрабатываемых сред, а также получение стабильных во времени дисперсий, суспензий, эмульсий и иных жидких сред.
Технический результат достигается тем, что акустический смеситель, содержащий цилиндрический корпус с выходным патрубком, размещенным вдоль оси корпуса резонатором и элемент, установленный между резонатором и выходным патрубком, сопло с выходным щелевым отверстием, при этом резонатор выполнен с заостренной кромкой, обращенной к щелевому отверстию сопла, и размещен соосно щелевому отверстию сопла с возможностью перемещения относительно щелевого отверстия в горизонтальной плоскости, согласно изобретению элемент выполнен в виде рассеченного открытого полутора, соосно расположенного с щелевым отверстием сопла, а его внешняя сторона плотно прилегает к внутренней поверхности стенки корпуса.
Заявляемое изобретение поясняется конкретным примером выполнения акустического смесителя (фиг. 1-7), который, однако, не является единственно возможными, но наглядно демонстрирует возможность достижения заявленного технического результата. На фиг. 1 представлен общий вид акустического смесителя. На фиг. 2 изображен разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - узел I на фиг. 1, на фиг. 4 - вид В на фиг. 1, на фиг. 5-7 приведены изображения сред до и после обработки в заявляемом акустическом смесителе.
Акустический смеситель содержит цилиндрический корпус 1, включающий в себя камеру 2 резонатора, две крышки 3, закрывающие камеру с противоположных сторон, впускной трубопровод 4 с расположенным в нем стаканом 5 с соплом 6 с выходным щелевым отверстием и поджимной втулкой 7 (фиг. 1). Внутри корпуса 1 к поворотному фланцу 8 присоединены стойки 9 с закрепленным на них посредством болтового соединения резонатором 10. Резонатор 10 выполнен в виде пластины. Резонатор 10 выполнен с заостренной кромкой, обращенной к щелевому отверстию сопла 6, и размещен вдоль оси корпуса 1 соосно щелевому отверстию сопла 6 с возможностью перемещения относительно щелевого отверстия в горизонтальной плоскости. Болтовое соединение дает возможность регулировать величину зазора между острием резонатора 10 и щелью сопла 6 за счет того, что отверстия в стойках 9 продолговатой формы. Поворотный фланец 8 обеспечивает совмещение острия резонатора 10 со щелью сопла 6 в горизонтальной плоскости за счет наличия кольцевых отверстий 18 (фиг. 4).
Внутри корпуса 1 между резонатором и выходным патрубком 16 установлен элемент 11, который выполнен в виде рассеченного открытого полутора с отверстием 14 по центру. Элемент 11 выполняет функцию отражателя обрабатываемого потока. Элемент 11 расположен соосно с щелевым отверстием сопла 6, а его внешняя сторона плотно прилегает к внутренней поверхности стенки корпуса 1 (фиг. 2, 3). Элемент 11 находится между нижней вставкой 12 и верхней вставкой 13 цилиндрической формы, опирающимися на упоры 17, что обеспечивает фиксированное положение элемента 11 в полости камеры 2 резонатора.
Акустический смеситель работает следующим образом.
Рабочая жидкость под давлением подается к щелевому соплу 6, при выходе из которого часть потока, воздействующая на резонатор 10, возбуждает в нем ультразвуковые колебания и создает эффект гидродинамической кавитации. Подвергаясь таким образом интенсивному эмульгированию, эта часть потока при дальнейшем своем движении проходит через отверстие 14 отражателя 11 и попадает в отверстие 15 выходного патрубка 16.
Тот поток жидкости, который не попав в зону наивысшего акустического воздействия, поднялся вдоль стенок корпуса 1 до отражательного элемента 11, фокусируется в нем и в виде нисходящего потока продольных волн возвращается в зону интенсивного эмульгирования и, подвергшись, кавитационному воздействию, в дальнейшем попадает в гидродинамическое русло, уносясь в выходной патрубок 16. Таким образом, не происходит смешивания обработанного и необработанного потоков, тем самым повышается концентрация подвергшейся эмульгации смеси, что значительно улучшает эффективность процесса обработки.
Изменяя форму и размеры отражательного элемента 11, а также его положение в полости смесителя за счет использования цилиндрических вставок различной высоты, эмпирическим путем обеспечивается максимальная эффективность фокусировки нисходящих потоков эмульгируемых жидкостей в зависимости от их вязкости и скорости истечения в полостях смесителя.
Таким образом, отражательный элемент 11 обеспечивает локализацию смещенного к стенкам корпуса потока и, сфокусировав его, возвращает в зону акустического воздействия резонатора.
В процессе точечного ударно-волнового воздействия происходят структурные и молекулярные изменения в сложных молекулах, агломератах и глобулах, изначально присутствующих в обрабатываемой жидкой среде, а также разрушение органических и минеральных примесей.
Процессы тепло и массопереноса, сопровождающие кавитацию, а также струйные течения, возникающие далее в потоке жидкости, приводят к интенсивному перемешиванию и диспергированию многокомпонентных несмешиваемых жидкостей и твердых включений с образованием гомогенных и стойких к расслоению тонкодисперсных эмульсий и суспензий.
В качестве иллюстрации описываемых эффектов кавитационного воздействия на исходную гетерогенную систему из взаимно нерастворимых и несмешиваемых жидкостей «мазут-вода» и доказательства достижения технического результата заявителями были проведены исследования до и после обработки в заявленном акустическом смесителе. На фиг. 5 приведена фотография исследований под микроскопом с 1000-кратным увеличением капель проб образцов исходной водо-мазутной смеси мазута с влагосодержанием 30%.
Представленные иллюстрации характеризуют глубину изменений структуры фаз многокомпонентных гетерогенных жидкостей, имеющих место при кавитационной обработке.
На микрофотографии фиг. 5 дисперсность вкраплений воды (дисперсной фазы) в мазут превышает 100 микрометров. При этом в общем объеме отобранных проб мазута не существует каких-либо закономерностей в распределении фаз мазута и воды. Возможно существование локальных областей абсолютно «сухих» (не содержащих воду) объемов мазута в общем объеме топлива, а также наличие достаточно крупных локальных объемов топлива, заполненных исключительно водой (так называемые водяные линзы и мешки). Использование водо-мазутных смесей такого качества сопряжено с технически неразрешимыми проблемами в обеспечении надежного, экономичного и экологически чистого функционирования топливосжигающих установок (бойлеров, энергетических котлов теплоэлектростанций, технологических печей), что характерно для традиционных тяжелых и компаундированных мазутов, получаемых после углубленной переработки нефти.
Дисперсность водяных шариков в мазуте обработанного заявленным акустическим смесителем исходного мазута не превышает 5 микрометров. Вкрапления воды в общем объеме мазута имеют равномерное распределение. Размерность капель диспергированной в мазуте воды практически одинакова по всему объему топлива. Таким образом, в результате обработки в заявляемом акустическом смесителе исходной водо-мазутной смеси происходит ее преобразование в гомогенную тонкодисперсную водо-мазутную эмульсию. Причем благодаря наличию в мазуте природных поверхностно активных веществ - эмульгаторов (тяжелые асфальто-смолистые фракции), тонко диспергированная вода оказывается заключенной в сольватную оболочку, препятствующую слиянию соседних капель воды.
Таким образом, после кавитационной обработки, на выходе смесителя образуются суперстойкие эмульсии, сохраняющие свою структуру и свойства длительное время - от нескольких месяцев до нескольких лет.
После кавитационной обработки мазут, имеющий в исходном состоянии неоднородную «комковатую» структуру (что характерно для мазутов длительного хранения) и плохую способность к перекачиванию, фильтрации, тонкому распыливанию форсунками и надежному горению, преобразуется в однородную тонкодиспергированную субстанцию, у которой указанные свойства соответствуют нормативным требованиям.
На фиг. 6 и 7 соответственно приведены фотографии исходного мазута (слева), не годного к дальнейшему хранению и использованию в качестве топлива ввиду потери им способности к воспламенению и устойчивому горению, и того же мазута, подвергнутого кавитационной обработке (справа), после которой он обладал высокой тепловой эффективностью и надежностью сжигания.