РЕАКТОР И КАВИТАЦИОННЫЙ АППАРАТ
REACTOR AND CAVITATION DEVICE

Группа изобретений относится преимущественно к химической аппаратуре и предназначена для активации:
- окислительно-восстановительных реакций в жидкой фазе между растворенными веществами и продуктами диссоциации воды, возникающими в кавитационных пузырьках и переходящими в раствор после их схлопывания;
- реакций между растворенными газами и веществами с высокой упругостью пара внутри кавитационных пузырьков;
- цепных реакций в растворе, которые индуцируются нерадикальными продуктами расщепления, а каким-либо другим веществом, присутствующим в системе и расщепляющимся в кавитационной полости;
- реакций с участием макромолекул (например, деструкция углеводородов).
В частности, заявляемые объекты обеспечивают предварительное окисление нефтяного сырья путем образования свободных радикалов, перекисных и других содержащих кислород соединений при производстве нефтебитумов. Реактор и кавитационная камера являются также средствами интенсификации тепло - и массообмена, сатурации, смешения и гомогенизации, а также могут применяться в микробиологическом производстве и системах водоочистки в качестве дезинтегратора микроорганизмов и клеточных оболочек.
Известна «Установка для термической переработки тяжелых нефтесодержащих фракций» по патенту RU 2215775. Она содержит рабочую емкость для исходного сырья, устройства для обработки исходного сырья, разделения обработанного сырья, а также охлаждения и конденсации конечного продукта, сообщенные между собой. Устройство для обработки исходного сырья содержит кавитатор в виде многоступенчатого роторно-пульсационного аппарата, а также генератор и излучатель электромагнитных колебаний в виде размещенной в емкости для исходного сырья биметаллической антенны. Для продуктивного воздействия генератора электромагнитных колебаний и роторно-пульсационного аппарата на сырье требуются неприемлемо большие удельные затраты энергии, что ограничивает промышленное применение.
Известен кавитационный реактор (патент RU 2029611 - наиболее близкий аналог для реактора), который содержит проточную камеру с входным и выходным устройствами, установленный в камере кавитатор, сосуд с воздушной подушкой, а также генератор гидроударов. Последний установлен на выходе проточной камеры и выполнен в виде ударного клапана с внешним приводом. Имеется клапан избыточного давления, подсоединенный к проточной камере за кавитатором. Клапаном избыточного давления (назван в описании изобретения «обратным») оборудован также кавитатор. Клапан этот открывается при гидроударе и пропускает волну давления в направлении, противоположном направлению рабочего потока. Последнее обстоятельство ослабляет дискретно-импульсное воздействие на обрабатываемые жидкости, поскольку ударная волна не направляется на кавитатор, а пропускается сквозь него, при этом демпфируясь газовой подушкой сосуда. Таким образом, взаимное расположение элементов и связи между ними неоптимальны, а внешний механический привод ударного клапана удорожает конструкцию и снижает ее надежность.
Известен гидродинамический кавитационный аппарат (патент RU 2144627 - наиболее близкий аналог для кавитационного аппарата), который выполнен в виде трубы с входными и выходными отверстиями, кавитатором («кавитационной вставкой»), а также цилиндрической и «конфузорной» камерами. Кавитационный аппарат снабжен торцовой крышкой с завихрителем («тангенциальные каналы для подвода жидкости от насоса в цилиндрическую камеру»). Данное устройство имеет ограниченную сферу применения (в качестве смесителя либо дегазатора не содержащих твердых включений жидкостей), поскольку при высоких гидравлических потерях сообщает жидкости малую удельную мощность.
Задачами заявляемой группы изобретений являются:
- повышение удельной мощности дискретно - импульсного воздействия на обрабатываемые в реакторе жидкости (либо гетерогенные среды);
- расширение функциональных возможностей;
- обеспечение надежности работы оборудования.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в реакторе, содержащем генератор гидроударов в обрабатываемом продукте и кавитационный аппарат, средство для циркуляции обрабатываемого продукта, согласно изобретению каналы подачи обрабатываемого продукта на входы генератора гидроударов и кавитационного аппарата отделены друг от друга разобщающим клапаном и в каждом из этих каналов установлен обратный клапан, причем реактор снабжен аккумулятором давления обрабатываемого продукта, вход которого через обратный клапан соединен с первым выходом генератора, а выход - со вторым входом кавитационного аппарата, выход которого и второй выход генератора гидроударов имеют возможность соединения с резервуаром для обрабатываемого продукта.
Реактор может быть снабжен установленным на резервуаре для обрабатываемого продукта резервуаром для реагентов, подаваемых в обрабатываемый продукт, связанным с аккумулятором давления, который может быть установлен на резервуаре для обрабатываемого продукта.
Насос может быть размещен в резервуаре для обрабатываемого продукта.
Реактор может быть снабжен тройником или эжектором, расположенным в резервуаре для обрабатываемого продукта и содержащим активное и пассивное сопла, камеру смешения обрабатываемого продукта и диффузор, причем выход кавитационного аппарата соединен с активным соплом, второй выход генератора гидроимпульсов - с пассивным, а диффузор сообщен с резервуаром для обрабатываемого продукта.
Механизм инициирования гидроударов может быть выполнен в виде перфорированной перегородки, установленной у второго выхода генератора и закрепленной на перегородке направляющей, на которой с возможностью перемещения и взаимодействия с седлом установлена тарелка, подпружиненная относительно перегородки, или в виде установленной торцом на его втором выходе спиральной пружины цилиндрической или конической формы, на втором торце которой закреплена пробка.
Обратный клапан, установленный на входе генератора гидроударов, и разобщающий клапан могут быть установлены в общем корпусе, соединены друг с другом штоком, подпружиненным относительно корпуса, причем каждый из клапанов имеет возможность взаимодействия со своим седлом, а длина штока превышает расстояние между седлами, а корпус с обратным и разобщающим клапанами может быть размещен в резервуаре для обрабатываемого продукта, при этом как минимум, один из его элементов, имеющих возможность контакта с обрабатываемым продуктом, может быть выполнен из соединения материалов: политетрафторэтилен - полиметилметакрилат или из материалов аналогичных физико-химических свойств.
В кавитационном аппарате, содержащем корпус с входным и выходным каналами, образованную в корпусе камеру, а также кавитатор, новым является то, что кавитационный аппарат снабжен вторым входным каналом, сообщенным с камерой, имеющим возможность соединения с выходом аккумулятора давления обрабатываемой среды и расположенным тангенциально относительно внутренней поверхности камеры, а кавитатор установлен в выходном канале.
Кавитационный аппарат может быть снабжен завихрителем потока обрабатываемой среды, расположенным в камере аппарата, выполненным в виде лопаток, закрепленных в камере, а в корпусе кавитационного аппарата у первого входа может быть установлено турбинное колесо с возможностью авторотации, при этом, как минимум, один из его элементов, имеющих возможность контакта с обрабатываемым продуктом, выполнен из соединения материалов: политетрафторэтилен - полиметилметакрилат или из материалов аналогичных физико-химических свойств.
В заявленной группе изобретений одно из решений (кавитационный аппарат) является частью другого (реактор), а следовательно, заявленная группа изобретений полностью соответствует условию единства изобретения, установленному п.2.3. «Правил составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение». Естественно, что это не означает, что кавитационный аппарат не может быть использован самостоятельно или в составе других устройств.
При проведении патентных исследований из уровня техники не выявлены решения, идентичные заявленной группе изобретений, а следовательно, заявленная группа изобретений соответствует условию патентоспособности «новизна».
Сущность заявленной группы изобретений не следует явным образом из решений, известных из уровня техники, а следовательно, заявленная группа изобретений соответствует условию охраноспособности «изобретательский уровень».
Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практической реализации решений группы изобретений.
Конструктивное выполнение узлов и агрегатов группы изобретений, не показанное в материалах заявки, является известным и не составляет предмета патентной охраны в настоящей заявке.
Заявленная группа изобретений иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фигура 1 - реактор, схема принципиальная;
Фигура 2 - механизм инициирования гидроудара (фрагмент Б на фигуре 1);
Фигура 3 - модификация реактора;
Фигура 4 - рабочая камера кавитационного аппарата, разрез;
Фигура 5 - разрез А-А на фигуре 4;
Фигура 6 - завихритель с лопаточным направляющим аппаратом;
Фигура 7 - механизм инициирования гидроудара;
Фигура 8 - модификация реактора;
Фигура 9 - фрагмент фиг.3 (блок обратного и разобщающего клапанов, изображены два крайних положения);
Фигура 10 - модификация реактора;
Фигура 11 - модификация реактора;
Фигура 12 - одно из возможных исполнений эжектора (фрагмент В на фигуре 11).
Элементы объектов группы изобретений на фигурах 1-12 обозначены как:
1 - генератор гидроударов; 2 - камера; 3 - входной канал камеры; 4 - выходной канал камеры; 5 - кавитатор; 6 - сосуд с газовой подушкой; 7 - механизм инициирования гидроудара; 8 - разобщающий клапан; 9 - обратный клапан; 10 - насос; 11 - резервуар; 12 - входной канал генератора; 13 - первый выходной канал генератора; 14 - второй выходной канал генератора; 15 - дополнительный обратный клапан; 16 - внешний источник газа; 17 - завихритель; 18 - полуоткрытая полость; 19 - входное отверстие выпускного патрубка; 20 - кольцевой канал камеры; 21 - лопаточный направляющий аппарат; 22 - часть рабочей камеры, выполненная из политетрафторэтилена; 23 - часть рабочей камеры, выполненная из полиметилметакрилата; 24 - канал связи полости 18 с клапаном 8; 25 - обратный клапан на выходе канала 24; 26 - перегородка; 27 - седло ударного клапана; 28 - направляющая; 29 - клапанная тарелка; 30 - ступица; 31 - винтовая пружина сжатия; 32 - винтовая пружина растяжения; 33 - пробка; 34 - шток, связывающий обратный и разобщающий клапаны; 35 - седло обратного клапана; 36 - седло разобщающего клапана; 37 - возвратная пружина; 38 - эжектор; 39 - активное сопло эжектора; 40 - пассивное сопло эжектора; 41 - камера смешения; 42 - диффузор; 43 - ось; 44 - турбинное колесо; L - удаление входного отверстия 19 от торцовой поверхности полости 18 (фигура 4).
Осуществление изобретения.
Реактор содержит связанный с генератором гидроударов 1 кавитационный аппарат, содержащий образованную в корпусе аппарата камеру 2 с входным 3 и выходным 4 каналами и кавитатором 5. В состав реактора входит аккумулятор 6 давления обрабатываемого продукта с газовой подушкой. Генератор гидроударов 1 снабжен механизмом 7 инициирования гидроударов. Циркуляция обрабатываемого продукта по реактору обеспечивается средством, которое может быть выполнено различным образом. Это может быть насос, устройство, генерирующее магнитное поле, которое обеспечивает циркуляцию, циркуляция может быть обеспечена устройством, создающим градиент температур, за счет которого обеспечивается циркуляция, или за счет других устройств, конструкции которых известны.
Выполнение и работу реактора рассмотрим на примере использования в качестве вышеуказанного средства насоса. Однако это не означает, что в качестве средства для циркуляции обрабатываемого продукта не может быть использовано иное его исполнение. Реактор также содержит разобщающий 8 и обратный 9 клапаны, а также насос 10 и резервуар 11 для обрабатываемого продукта. Резервуар 11 сообщен со всасывающим патрубком насоса и выходным каналом 4. Возможность размещения камеры 2 и/или других элементов реактора внутри резервуара 11 отражена на фигурах 3 и 8. Генератор 1 выполнен с входным 12 и двумя выходными каналами. Входной канал 12 сообщен с нагнетательным патрубком насоса и разобщающим клапаном 8. Разобщающим клапаном может, в частности, быть клапан избыточного давления. Альтернативное исполнение данного клапана изображено на фигурах 3 и 9, где разобщающий клапан связан общим штоком 34 с обратным клапаном 15. Шток опирается на центральное отверстие седла 36. Тарелка клапана 15 подпружинена относительно седла 36, винтовая пружина сжатия 37 надета на шток 34 и упирается в седло 36. Длина штока 34 превышает расстояние между седлами 35 (обратного клапана) и 36 (разобщающего клапана). При открытом обратном клапане 15 разобщающий клапан 8 закрыт, а при закрытом обратном клапане - открыт.
Первый выходной канал генератора 1 через обратный клапан 9 сообщен с аккумулятором 6.
Второй выходной канал 14 генератора 1, всасывающий патрубок насоса и выпускной патрубок 4 камеры 2 могут быть сообщены посредством тройника, а также струйного или вихревого эжектора 38 (фиг.11), содержащего активное 39 и пассивное 40 сопла, камеру смешения 41 и диффузор 42 (фиг.12). При этом выходной канал 4 камеры 2 подключен к активному соплу 39, второй выходной канал 14 генератора 1 подключен к пассивному соплу 40, а диффузор 42 сообщен с всасывающим патрубком насоса.
Возможно исполнение реактора, при котором аккумулятор 6 выполнен с горловиной, соединенной со средней частью камеры 2 кавитационного аппарата соосно ее выходному каналу 4 (фигура 8). Аккумулятор 6 может быть сообщен с внешним источником - резервуаром 16 газа или смесей газов (например, озона в случае использования реактора для окисления битума). Источником может быть, в частности, баллон (фигура 1) с газовым редуктором (не показан) и обратным клапаном. Кавитационный аппарат, как уже было указано выше, содержит камеру 2, которая снабжена завихрителем 17 и полуоткрытой полостью 18. Входное отверстие 19 канала 4 аппарата расположено внутри камеры и сообщено с полостью 18, а кавитатор установлен внутри канала 4. В простейшем случае завихритель может быть образован тангенциальным расположением входного канала по отношению к внутренней поверхности 20 камеры 2 (фигура 5). Завихритель также может содержать лопаточный направляющий аппарат 21 (фигура 6). Завихритель 17 может быть выполнен и в виде улитки (спирального соплового ввода), данное исполнение на фигурах не показано, оно хорошо известно). Кавитатор 5 является элементом, охарактеризованным в формуле на функциональном уровне. На фигурах изображен кавитатор 5 в виде конуса или пирамиды с ребрами для крепления в канале 4. Вершина кавитатора обращена в сторону полуоткрытой полости 18. Данный вариант исполнения является частным и не исчерпывают всех возможных вариантов конструкции кавитатора.
Возможно взаимное относительное перемещение полуоткрытой полости 18 и входного отверстия выходного канала 4 вдоль оси камеры 2 (с изменением размера L, фигура 4). Указанная возможность позволяет настраивать аппарат для тех или иных режимов и видов сырья. Разобщающий клапан 8 в частном случае может быть сообщен с резервуаром каналом 24 через полуоткрытую полость 18 камеры 2 и ее выходной канал 4. При этом между клапаном 8 и полуоткрытой полостью 18 может быть размещен обратный клапан 25, «нормально открытый» в сторону выходного канала 4 (фигура 1). Полуоткрытая полость 18 рабочей камеры 2 может содержать диффузор с установленным на оси 43 с возможностью авторотации турбинным колесом 44 (фиг.3). Ось 43 при этом выполнена полой для связи с каналом 24. Все или некоторые части кавитационного аппарата могут быть выполнены из соединения материалов политетрафторэтилен-полиметилметакрилат, либо же из материалов, аналогичных указанным по физико-химическим свойствам. Например, из политетрафторэтилена может быть выполнена деталь 22, а деталь 23 может быть выполнена из полиметилметакрилата (фигура 4).
При расположении генератора 1 вне резервуара 11 предпочтительным является использование механизма 7, который показан на фигурах 2 и 10. Согласно этому исполнению, перед вторым выходным каналом 14 генератора 1 закреплена профилированная перфорированная перегородка 26 с седлом 27. По центру перегородки закреплена неподвижная направляющая 28, на которой с возможностью осевого перемещения установлена клапанная тарелка 29 с опорной ступицей 30. Тарелка 29 подпружинена относительно перегородки посредством винтовой пружины сжатия 31. Следует подчеркнуть, что направляющая 28 может иметь сквозное отверстие для сообщения канала 13 генератора с патрубком 14 камеры (как это изображено на фигуре 10). В случае размещения механизма 7 внутри резервуара 11 (фигуры 3 и 8) его конструкция упрощается (фигуры 7 и 8). При этом механизм 7 выполнен в виде консольно закрепленной на выходном патрубке 14 винтовой пружины 32, закрытой со свободного торца пробкой 33. Пружина 32 может быть пружиной растяжения (фигура 7) или пружиной сжатия (фигура 8). При наличии в конструкции пружины растяжения и отсутствии внешнего воздействия витки ее плотно сомкнуты. При включении насоса 10 давление жидкости на дно пробки 33 преодолевает упругость пружины, между витками образуется зазор. Давление в полости пружины падает, сила упругости возвращает витки пружины в исходное положение, прерывая истечение жидкости. Внезапная остановка потока приводит к гидроудару. Витки вновь расходятся, цикл повторяется. То есть система «пружина-пробка» под действием потока жидкости совершает продольные автоколебания. Пружина 32 может быть конической, при этом пружина заглушается пробкой 33 со стороны большего основания, полость пружины образует диффузор. При наличии в конструкции пружины сжатия (фиг.8), при отсутствии внешнего воздействия между витками пружины имеется гарантированный зазор. При включении насоса 10 давление жидкости на торец пробки 33 преодолевает упругость пружины, сжимая витки до их полного соприкосновения. Патрубок 14 оказывается перекрытым. Внезапная остановка потока приводит к гидроудару. В фазе возникновения в полости пружины пониженного давления сила упругости возвращает витки в исходное положение, возобновляя истечение жидкости. Аналогично описанному выше варианту с пружиной растяжения система «пружина сжатия - пробка» также совершает продольные автоколебания под действием потока жидкости.
Входной канал генератора 12 и входной канал 3 камеры 2 могут быть совмещены, при этом первый выходной канал 13 генератора 1 сообщен с выходным каналом 4 камеры 2 (фигура 10).
Реактор работает следующим образом.
Система заполняется обрабатываемым жидким сырьем. Насосом 10 жидкость из резервуара 11 нагнетается в канал 12 генератора 1. Перепад давления воздействует на клапанную тарелку 29 механизма 7, вынуждая ее преодолеть сопротивление пружины 31 и прижаться к седлу 27. В результате внезапного торможения потока возникает гидравлический удар. Ударная волна отражается от клапанной тарелки 29 и устремляется в полость аккумулятора 6 через обратный клапан 9. Та же волна давления закрывает обратный клапан 15, отсекая генератор 1 от насоса 10. Поскольку насос 10 продолжает нагнетать жидкость, открывается разобщающий клапан 8. Это может происходить, равным образом: а) под действием избыточного давления; б) в результате блокирования клапана 8 с клапаном 15. Из открывшегося (тем или иным образом) клапана 8 жидкость поступает в резервуар 11 (предпочтительно - через полость 18 камеры 2 и канал 4 этой камеры). При достижении волной отрицательного давления ударного клапана обратные клапаны 9 и 15 закрываются, а тарелка 29 и клапан 8 открываются. При срабатывании тарелки 7, клапанов 8, 9 и 15 происходит циклическая смена волн повышенного и пониженного давления. Таким образом, генератор 1 является автогенератором колебаний. Когда происходит фаза разгона жидкости в трубопроводе, соединяющем нагнетательный патрубок насоса 10 с каналом 12 генератора 1, сжатый ранее газ в аккумуляторе 6 расширяется и выдавливает жидкость в канал 13. Сырье с избыточным давлением из канала 13 подается в канал 3. Давление обрабатываемого продукта в канале 13 в фазе нагнетания превышает напор насоса в десятки раз. Степень повышения давления лимитируется прочностными характеристиками частей реактора, геометрией аккумулятора 6, а также физическими свойствами жидкости и газа в воздушной подушке сосуда. Таким образом, на кавитатор 5 подается обрабатываемое сырье с многократно повышенным давлением по сравнению с напором насоса 10. Возрастает перепад давления перед кавитатором и за ним, следовательно, также и индекс кавитации (объемная концентрация кавитационных пузырьков в камере реактора достигает десятков миллиардов на метр кубический). При коллапсе пузырьков возникают локальные импульсы давления величиной до нескольких тысяч МПа, а повышение температуры в зоне коллапса достигает нескольких тысяч градусов Цельсия. При использовании реактора в производстве нефтебитумов заявленные технические решения устанавливаются на входе в стандартную окислительную колонну в качестве активационного модуля. При этом в резервуар 11 подается исходное сырье (например, в виде смеси слопа, гудрона и асфальта), а в аккумулятор 6 - озон, кислород или сжатый воздух. Волновые и кавитационные воздействия на сырье позволяют вести предварительное окисление при низких температурах (порядка 150 градусов Цельсия) путем интенсивного тепло- и массообмена в пенной среде. В результате повышается производительность процесса, снижаются удельные затраты. Скорость кумулятивных микропотоков в зоне коллапса достигает сверхзвуковых величин. В газовой подушке аккумулчтора 6 генерируются циклические колебания давления и скорости. При подаче газа (смесей газов) в подушку аккумулятора 6 из внешнего источника 16 высокочастотные пульсации в аккумуляторе 6 обеспечивают сатурацию газов в обрабатываемом сырье и высокую степень массообмена.
Кавитационный аппарат работает следующим образом.
При нагнетании жидкого сырья (или гетерогенной среды, например, взвеси) из завихрителя 17 в камеру 2 создается закрученный поток, который движется по кольцевому каналу 20, образованному стенкой канала 4 и внутренней поверхностью камеры 2. В канале 20 поток ускоряется, его давление падает ниже давления насыщенного пара жидкой фазы. В жидкости образуются кавитационные пузырьки и их ассоциации - каверны. Течение среды в канале сопровождается турбулентными пульсациями давления и скорости в ультразвуковом диапазоне частот. Затем поток попадает по инерции в полуоткрытую полость 18, где происходит его резкое торможение, сопровождающееся скачком давления. Происходит коллапс (схлопывание) кавитационных пузырьков. Поток меняет знак осевой скорости за крайне малое время (без чего невозможно его поступление в отверстие 19 канала 4), что влечет большие сдвиговые напряжения в мазуте, маслах и других обрабатываемых продуктах. Внутри канала 4 активированное сырье натекает на кавитатор 5. За кавитатором 5 создается зона разрежения и возникновение кавитационных пузырьков. В результате последующего быстрого роста давления происходит коллапс пузырьков, сопровождающийся сферическими ударными волнами и множеством кумулятивных микропотоков. Выполнение всех или некоторых частей реактора и/или кавитационной камеры из комбинации материалов политетрафторэтилен -полиметилметакрилат (либо из материалов, аналогичных указанным по физическим свойствам) направлено на повышение эффективности обработки нефтепродуктов и других «не ньютоновых» жидкостей (водных растворов полимеров, обратных эмульсий, масел и др.). Политетрафторэтилен (CF2 - CF2)n имеет, ввиду электроотрицательности фтора, большую величину сродства к электрону. Работа выхода электронов Δ(еφ) для политетрафторэтилена составляет 10,1 эВ. Полиметилметакрилат  обладает удельным сопротивлением на шесть порядков меньше, чем политетрафторэтилен. Вот почему возникновение тока эмиссии достигается на деталях из полиметилметакрилата, расположенных по отношению к деталям из (CF2 - CF2)n последовательно по ходу течения сырья. При этом потенциал достигает 50 Кэв и выше. В результате эмиссионный ток возбуждает молекулы сырья, число кавитационных каверн увеличивается при прочих равных условиях.
Синергия турбулентных пульсаций, кавитации, ударных волн обеспечивает эффективную активацию сырья. Эти воздействия так же эффективно разрушают клеточные оболочки и микроорганизмы, что делает заявляемые технические решения актуальными для биологической водоочистки, а также микробиологического производства.
Промышленная применимость объектов заявки также подтверждается использованием устройств аналогичного назначения, однако отличающихся конструктивно (Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2004). В частности, ультразвуковая обработка тяжелых нефтяных остатков (предшествующая подаче сырья на ректификационную колону) увеличивает выход легких фракций (с температурой кипения до 350°С) на 18…23%. КПД генераторов ультразвука мал, а зона кавитации создается только вблизи излучающих поверхностей (но не в объеме жидкости, как в заявленном реакторе). Удельные затраты энергии на кавитацию в заявленном реакторе, применяемом в комплексе с кавитационным аппаратом, на порядок меньше, чем при использовании промышленных генераторов ультразвука.