РЕАКТОР ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ

ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ
Полезная модель относится к устройствам для смешивания, диспергирования, гомогенизации, интенсификации химико-физических процессов в поле упругих колебапий ультразвукового диапазона в жидкостях, а также в системах жидкость - жидкость, жидкость - газ, жидкость - твердое тело, а именно к ультразвуковым реакторам проходного типа и может быть использована в медицинской, химической, пищевой, газовой и других отраслях промышленности, например, для получения различных эмульсий.
Известно устройство для ультразвуковой обработки (см. патент Японии № 3-98634, МПК В 01F 11/02, опубл. 24.04.11991 г.), состоящее из нескольких разъемных цилиндров, в стенки которых вмонтированы излучатели ультразвуковых колебаний и мембраны для распространения колебаний, при этом мембраны одним концом прикреплены к стенкам цилиндров, а другим - выходят в канал для протекания жидкости.
Недостатком известного устройства является то, что в рабочей зоне находятся дополнительные элементы, а именно мембрана, что снижает качество промывки рабочей зоны устройства перед его использованием, приводя, таким образом, к невозможности использования устройства в медицине, вследствие его несоответствия пп. 5.2 и 5.4 ОСТ 42-510-98 «Правила организации производства и контроля качества лекарственных средств (GMP).
Известно устройство для обработки неоднородной текучей среды (см. патент РФ № 2177824, МПК В О IF 11/02, опубл. 10.01.2002 г.), содержащее корпус, имеющий входное отверстие, диафрагму, формирующую входное сопло, и расположенный напротив него консольно закрепленный пакет упругих параллельных пластин, каждая из которых на своем свободном конце имеет обращенную в сторону сопла фронтальную
кромку, при этом диафрагма имеет N сопел, каждое из которых по длине состоит из трех участков, первый из которых имеет конически сходящуюся форму, переходящую
во второй участок, выполненный цилиндрическим, переходящим в третий участок, выполненный щелевидным, пакет параллельных упругих пластин включает их в количестве, равном количеству сопел. Кроме того, каждая пластина размещена напротив соответствующего сопла, ее фронтальная кромка образована двусторонними скосами.
2002118913
. 11Л 111Н1р1|1{|111111Ш|ц
МПК-7: В 01J 19/10 B01F11/02
РЕАКТОР
1 -;. ;   ;
выполненными по толщине каждой пластины и образующими по существу прямой угол, причем длина одного из скосов больше длины другого скоса, а фронтальная кромка каждой пластины размещена с эксцентриситетом относительно продольной оси сопла и отстоит от выходного торца этого сопла на расстояние от 1 до 5 мм.
Недостатками известного устройства является его низкая производительность вследствие снижения потока жидкости через устройство и неравномерное воздействие энергии излучения на обрабатываемую жидкость. Кроме того, в зоне обработки жидкости размещены гибкие пластины, которые препятствуют проведению эффективной обработки внутренней поверхности корпуса устройства, в соответствии с требованиями пп. 5.2 и 5.4 ОСТ 42-510-98 «Правила организации производства и контроля качества лекарственных средств (GMP).
Известно также устройство для диспергирования и микрокапсулирования гидрофобных жидкостей (см. патент РФ № 2096074, МПК В 01F 11/02, В 01J 13/02, опубл. 20.11.1997 г.), содержащее реактор с ультразвуковыми колебательными излучающими системами, работающими синхронно, и генератор, при этом реактор состоит из двух камер верхней и нижней с обратным клапаном на нагнетательном патрубке, каждая из камер снабжена персональной ультразвуковой пьезоэлектрической колебательной системой, а между камерами, соединенными фланцами, установлен полиэтилентерефталатный трековый фильтр, заключенный в крупноячеистую сетку из нержавеющей стали.
Однако, недостатком настоящего устройства является то, что асимметричное размещение ультразвуковых излучателей приводит к рассеиванию энергии, вследствие чего снижается эффективность обработки жидкости.
Известен ультразвуковой активатор жидких сред (см. авторское свидетельство СССР № 1666174, МПК В 01F 11/02, опубл. 30.07.91 г.), содержащий цилиндрическую камеру, размещенный в ней вкладыш и источник ультразвуковых колебаний, при этом с целью повышения эффективности обработки жидких сред, ультразвуковой активатор дополнительно снабжен источниками ультразвуковых колебаний, при этом вкладыш одним концом закреплен на корпусе, а другой его конец выполнен с продольными прорезями, образующими сектора, каждый из которых соединен с источником ультразвуковых колебаний.
Недостатком известного устройства также является наличие в рабочей зоне элементов, препятствующих проведению эффективной обработки внутренней поверхности устройства. Кроме того, происходит рассеивание и потеря энергии при передаче
ее от ультразвукового излучателя на вкладыш через открытый волновод. Вследствие чего снижается качество обработки жидкости и производительность устройства.
Известен аппарат для диспергирования и микрокапсулирования гидрофобных жидкостей (см. патент РФ № 2161063, МПК В 01F 11/02, В 01J 19/10, опубл. 27.12.2000 г.), состоящий из двух камер - верхней и нижней, снабженных персональными ультразвуковыми пьезоэлектрическими излучателями и соединенных фланцами, между которыми установлен полиэтилентерефталатный трековый фильтр с калиброванными сквозными порами, при этом нижняя камера имеет форму перевернутого усеченного конуса с кольцевой нарезкой на внутренней поверхности, в меньшем основании конуса установлен ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель диаметром 50 мм, высота нижней камеры равна длине волны ультразвуковых колебаний в водных системах с частотой 20 кГц, а верхняя камера цилиндрической формы содержит три ультразвуковых излучателя, равномерно разнесенных вокруг нее.
Недостатками известного технического решения является низкая производительность вследствие небольшого обьема рабочей камеры, а также снижения скорости обработки жидкости из-за неравномерного воздействия излучения на обрабатываемую жидкость.
Известно устройство для ультразвуковой химической обработки (см. патент ЕПВ № 0449008, МПК B01J19/10, опубл. 02.10.1991 г.), включающий рабочую камеру в виде цилиндра с толщиной стенки 2,5 мм, при этом на внешней стенке цилиндра симметрично размещены три ультразвуковых датчика, закрепленные через сцепную втулку и буферную камеру, заполненную оливковым маслом. При подаче питания на ультразвуковые датчики они резонируют, и ультразвук передается на обрабатываемую жидкость через сцепную втулку и оливковое масло, при этом создается излучение мощностью, достаточной для возникновения кавитации в обрабатываемой жидкости.
Недостатком известного устройства является то, что в процессе работы возможен перегрев оливкового масла, находящегося в буферной камере. Время беспрерывной работы устройства ограничено временем нагрева масла до допустимой температуры, что снижает производительность устройства. При этом необходимо наличие в устройстве охладителя, что усложняет его конструкцию. Кроме того, передача энергии от ультразвукового преобразователя происходит через систему жидкость - металл, что приводит к значительной потере энергии излучения в жидкости.
Наиболее близким к заявляемому техническому рещению по совокупности существенных признаков является реактор для ультразвуковой обработки жидкости (см. патент ВОИС № 0183102, МПК В 01J 19/10, опубл. 08.11.2001 г.), содержащий цилиндрическую трубу, полость которой является рабочей камерой, ультразвуковые преобразователи, расположенные асимметрично снаружи рабочей камеры, и диафрагму, расположенную между ультразвуковыми преобразователями и рабочей камерой. При этом эффективная работа реактора осуществляется в диапазоне частот, излучаемых преобразователем от 0,5 до 5 МГц, а жидкость обрабатывается излучением мощностью порядка 1000 mV в камере с габаритами, ограниченными размерами ультразвукового преобразователя.
Недостатком настоящего устройства является ограничение, накладываемое на размер рабочей камеры из-за небольших габаритных размеров ультразвуковых преобразователей. Вследствие этого снижается объем обрабатываемой жидкости за единицу времени и скорость обработки и, следовательно, производительность устройства. Кроме того, жидкость обрабатывается излучением в диапазоне частот от 0,5 до 5 МГц, что превышает предельно безопасную норму воздействия излучения на человека. Это приводит к необходимости наличия в устройстве защитных средств.
Задачей настоящего технического рещения является повышение производительности ультразвукового реактора при обеспечении требуемого качества обработки (смешивания, диспергирования и гомогенизации) жидкостей в диапазоне частот, излучаемых ультразвуковым преобразователем, от 18 кГц до 40 кГц.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является повышение единицы энергии, воздействующей на обрабатываемую жидкость в единице объема.
Поставленная задача достигается тем, что реактор для ультразвуковой обработки жидкости, содержащий трубу, полость которой является рабочей камерой, и ультразвуковые преобразователи, расположенные снаружи рабочей камеры, согласно полезной модели, дополнительно снабжен диафрагмой, на которой расположены ультразвуковые преобразователи, причем ультразвуковые преобразователи расположены симметрично относительно продольной оси рабочей камеры, а акустическое волновое сопротивление материала трубы больше в 2,0-3,0 раза акустического волнового сопротивления материала диафрагмы.
Диафрагма выполнена в виде цилиндра с накладками, на которых размещены ультразвуковые преобразователи. Целесообразно, чтобы значение акустического волнового сопротивления материала диафрагмы лежало в диапазоне ()-10 кг(). Реактор может быть дополнительно снабжен кожухом с патрубками для подвода и отвода обрабатываемой жидкости.
Введение диафрагмы в коиструкцию реактора с симметричным расположением на ней ультразвуковых преобразователей, и изготовление диафрагмы из материала, акустическое волновое сопротивление которого меньше акустического волнового сопротивления материала трубы, полость которой является рабочей камерой, позволяет значительно увеличить энергию, воздействующую на обрабатываемую жидкость в единице объема, что позволяет улучшить качество обработки жидкостей и ускорить процесс ультразвуковой обработки (смешивания, диспергирования, гомогенизации) среды до необходимых характеристик, повышая производительность реактора. При этом повышение производительности и улучшение качества обработки происходит не за счет повышение частоты ультразвукового излучения, а за счет увеличения его энергии в диапазоне частот, излучаемых ультразвуковым преобразователем, от 18 кГц до 40 кГц.
Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез реактора (пунктирными и сплошными тонкими линиями в рабочей камере трубы показано распределение энергии излучения от ультразвуковых преобразователей); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - труба; 2 - диафрагма; 3 ультразвуковой преобразователь; 4 - кожух; 5 - патрубок для подвода жидкости; 6 патрубок для отвода жидкости.
Реактор для ультразвуковой обработки жидкости содержит цилиндрическую трубу 1, например, из нержавеющей стали, толщина стенки которой должна быть не менее 0,5 мм. Полость трубы является рабочей камерой. На трубе 1 размещена диафрагма 2, выполненная, например, в виде цельного или составного, собираемого из отдельных сегментов, цилиндра с накладками, на которых расположены электрические или пьезокерамические ультразвуковые преобразователи 3. В качестве ультразвуковых преобразователей 3 могут быть использованы, например, известные ультразвуковые преобразователи, изготовленные ООО Аврора-Элма г. Волгоград, по ТУ ОДО.339.190, имеющие относительную диэлектрическую проницаемость 14002100, излучающие колебания внутрь трубы 1 с рабочей частотой ()±7,5% кГц. Питание ультразвуковых преобразователей 3 осуществляется от ультразвукового генератора (на чертеже не показан), служащего для преобразования электрической энергии промышленной частоты в электрическую энергию ультразвуковой частоты  кГц. В качестве ультразвукового генератора может быть использован известный ультразвуковой генератор, например, УЗГЗ-04, производства ОАО ППО Московский радиотехнический завод, изготовленный согласно БТ3.119.039 ПС.
Ультразвуковые преобразователи 3 расположены симметрично относительно продольной оси рабочей камеры. Акустическое волновое сопротивление материала трубы 1 больше в 2,,0 раза акустического волнового сопротивления материала диафрагмы 2, причем значение акустического волнового сопротивления (рс) материала диафрагмы 2 лежит в диапазоне ()-10 кг(). Кроме того, реактор дополнительно снабжен кожухом с патрубком 5 для подвода и патрубком 6 для отвода обрабатываемой жидкости (фиг.1 и 2).
Реактор для ультразвуковой обработки жидкости работает следующим образом.
Для подготовки реактора к работе необходимо установить его в горизонтальном или в вертикальном положении, закрепив кожух 4 на полу или на подставке. Реактор встраивается в технологическую линию с помощью переходников и хомутов. При горизонтальном расположении реактора направление течения рабочей жидкости может быть любое. При вертикальном расположении реактора вход жидкости целесообразно сделать снизу.
Обрабатываемая жидкость подается насосом через патрубок 5 в рабочую камеру реактора и одновременно включается ультразвуковой генератор. Упругие колебания ультразвуковой частоты от ультразвуковых преобразователей 3, расположенных на диафрагме 2 симметрично относительно продольной оси рабочей камеры, распространяются через диафрагму 2 и трубу 1 без затухания и возбуждают в жидкости внутри трубы 1 механические колебания, под воздействием которых в жидкости возникает кавитация, интенсифицирующая процесс получения продукта. Из реактора через патрубок 6 жидкость поступает, например, в накопительную емкость (на чертеже не показана), и может быть использована по назначению. Если степень обработки недостаточна, жидкость снова направляется в реактор, где она повторно подвергается ультразвуковому воздействию до полной готовности продукта.
Реактор для ультразвуковой обработки жидкости может работать как по замкнутому циклу, так и на проход.
Таким образом, реактор для ультразвуковой обработки жидкости позволяет получать сверх тонкие суспензии, смешивать различные жидкие компоненты ускорения химических реакций, получать стойкие эмульсии несмешивающихся между собой жидкостей путем создания в обрабатываемых средах ультразвукового излучения высокой интенсивности.