ПРОТОЧНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИОННЫЙ РЕАКТОР
ULTRASONIC CAVITATION FLOW REACTOR

Изобретение относится к аппаратам для обработки различных технологических сред в виде жидкости, смесей, суспензий, эмульсий и т.п. путем воздействия ультразвуковым полем и возбуждения кавитации внутри реактора в режиме непрерывного потока обрабатываемого продукта.
Известен ультразвуковой реактор проточного типа, выполненный в виде трубы, внутри которой протекают химические компоненты и происходит их взаимодействие. На наружной поверхности трубы закреплены и акустически связаны с ней ультразвуковые преобразователи. Ввод колебаний осуществляется через стенки трубы путем размещения большого числа ультразвуковых преобразователей по периметру и вдоль оси трубы, что предполагает увеличение времени воздействия на протекающий продукт [Horst С., Design of ultrasound reactors for technical scale organometallics and electrochemical synthesis / Horst C., Lindermeir A., Hoffmann U. // TU Hamburg-Harburg Reports of Sanitary Engineering 35, 2002, Neis U. (ed.). Ultrasound in Environmental Engineering // ISSN 0724-0783; ISBN 3-930400-47-2].
Ограничена интенсивность ультразвукового воздействия в рабочем объеме ввиду "одномерной" фокусировки и выполнения технологического объема нерезонансным, что сужает область применения известного реактора.
Наиболее близким изобретению является ультразвуковой реактор по патенту РФ 2323774. Внутренний технологический объем реактора выполнен в виде сферы, а внешняя многогранная поверхность реактора выполнена в виде усеченного икосаэдра и состоит из 20 шестиугольных граней и 12 пятиугольных. Каналы для подвода и отвода технологической среды проходят через центры пятиугольных граней внешней поверхности. Толщина реактора по месту установки ультразвуковых преобразователей рассчитана в зависимости от длины продольной акустической волны. С каждой шестиугольной гранью внешней поверхности акустически связана торцевая поверхность одного или нескольких пьезоэлектрических элементов с частотно-понижающими накладками ступенчато-переменной формы между ними. За счет подбора конструктивных параметров накладок формируют требуемую амплитудно-частотную характеристику для возможности обработки различных технологических сред.
Недостатками прототипа являются:
- конструкция по патенту 2323774 не предоставляет возможности осуществления поточной обработки; характеризуется малой производительностью обработки;
- изготовление реальной конструкции или трудно достижимо, или требует сложной технологии; это, в свою очередь, повышает себестоимость реактора.
Технической задачей изобретения является увеличение производительности обработки текучих технологических сред путем ультразвукового воздействия в режиме непрерывного потока без увеличения размеров участка ультразвукового воздействия, а также упрощение конструкции и технологии изготовления реактора.
Указанная задача решена заявляемым изобретением.
Проточный ультразвуковой кавитационный реактор с внутренним технологическим объемом в виде сферы, содержащий ультразвуковые преобразователи, средства крепления элементов, отличающийся тем, что реактор содержит цилиндрическую рабочую камеру с внутренним технологическим объемом в виде сферы и сквозным каналом, камера впрессована в цилиндрический канал волновода с соосным расположением каналов, поверхность волновода выполнена в виде объемного многогранника, нормали к граням которого ориентированы в центр сферы реактора, а закрепленные на гранях ультразвуковые преобразователи равноудалены от центра сферы, причем диаметр сферы внутреннего технологического объема реактора кратен четному количеству четвертей длины акустической волны, вызывающей кавитацию, и не превышает половины длины волны в материале обрабатываемой технологической среды, а расстояние от грани крепления ультразвуковых преобразователей до стенки сферы вдоль линии распространения плоской акустической волны кратно нечетному количеству четвертей длины акустической волны в материале волновода; при этом реактор и сквозной канал выполнены с возможностью обработки технологической среды в режиме потока.
Изобретение поясняется фигурами:
на фигурах 1, 2, 3 показаны вид реактора сбоку, вид реактора со стороны сквозного канала и аксонометрическое изображение реактора. На фигуре 4 изображен реактора до установки ультразвуковых преобразователей. На фигуре 5 показан реактор в разрезе, на фигуре 6 приведена технологическая схема работы реактора.
Проточный ультразвуковой кавитационный реактор 1 содержит внутреннюю цилиндрическую рабочую камеру 2, впрессованную в цилиндрический канал наружного цельного волновода 3. Технологический объем рабочей камеры выполнен в виде сферы 4. Все конструктивные элементы рабочей камеры 2 имеют образующие тел вращения и изготавливаются на токарном оборудовании с большой точностью, в том числе с большой точностью привязки к базовым поверхностям. Это позволяет изготовить простыми технологическими приемами правильную сферу внутреннего технологического объема реактора и правильно сориентировать и расположить на наружных гранях волновода ультразвуковые преобразователи.
Сквозной канал 5 для подвода и отвода обрабатываемой технологической среды расположен по одной оси с цилиндрическим каналом волновода 3. Показанная на фигурах конусная расточка 6 канала волновода выполнена так, что образующая конуса параллельна линии распространения акустической волны ближних ультразвуковых преобразователей. Посадка цилиндрической рабочей камеры горячим прессованием не нарушает волноводных свойств, а качество реактора в целом сравнимо с монолитным изделием.
Поверхность волновода 3 выполнена в виде объемного многогранника (см. фигуру 4). На его гранях закреплены ультразвуковые преобразователи 7 посредством шпилек 8 и гаек-отражателей 9. Нормали к граням, вдоль которых распространяется акустическая волна, ориентированы в центр сферы реактора. Изготовление многогранника также упрощено по сравнению с прототипом. Грани размещены по кольцевым линиям вокруг сквозного канала в необходимом количестве с обеспечением технологического промежутка для удобства сборки реактора. Монолитность и точность изготовления реактора позволяют (например, на фрезерном оборудовании) образовать грани равноудаленными от центра сферы, что способствует созданию расчетной интенсивности ультразвукового излучения.
Расстояние от грани крепления ультразвуковых преобразователей 7 до стенки внутреннего сферического объема и диаметр сферы 4 задаются технологически с обеспечением создания кавитационного режима в жидкой технологической среде в режиме потока. Диаметр сферы внутреннего объема реактора кратен четному количеству четвертей длины акустической волны, вызывающей кавитацию, и не превышает половины длины волны в материале обрабатываемой технологической среды. Расстояние от наружной грани волновода до стенки сферы вдоль линии распространения плоской акустической волны кратно нечетному количеству четвертей длины акустической волны в материале волновода.
Реактор 1 выполнен с возможностью обработки технологической среды в режиме потока, то есть сквозной канал 5 рабочей камеры имеет вентили, насос 10, смесительное оборудование 11 для подготовки технологической среды в виде жидкой смеси, емкости 12, контрольную аппаратуру, включающие датчики давления, объемного расхода и пр. (фигура 6).
При подаче напряжения на пьезоэлектрические элементы электрические колебания преобразуются в ультразвуковые колебания. На резонансной частоте колебаний, возникающих при соблюдении названных конструктивных параметров, осуществляется передача энергии колебаний с наибольшей интенсивностью по нормали к стенкам реактора. В кавитационном режиме жидкая технологическая среда, подаваемая с небольшим напором, подвергается активации и гомогенизации.
Был изготовлен опытный образец заявляемого реактора 300×300×300 мм. Питание осуществлялось от электрического генератора. Ультразвуковой кавитационный реактор был испытан для измельчения водной смеси предварительно размолотого природного диатомита, включающей твердые гранулы размером ≈1 мм. Избыточное давление в реакторе и напор в проточном канале создавались винтовым насосом. При небольшом размере реактора скорость потока обеспечивала производительность 1 куб.м/час. Дисперсность активированного диатомита около 5 мкм.
Заявляемый ультразвуковой кавитационный реактор обеспечивает высокую производительность обработки текучих технологических сред в режиме непрерывного потока и характеризуется простотой конструкции как с технологической точки зрения, а также по количеству простых деталей и экономной металлообработкой. Его преимуществом с технологической точки зрения является форма всех основных деталей в виде тел вращения, изготавливаемых по известным режимам механической обработки.