РОТОРНАЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к устройствам для получения эмульсий смешиванием суспензий в гидродинамическом кавитационном поле, и может быть использована в энергетике, в пищевой промышленности, химической, нефтехимической и других отраслях народного хозяйства, в частности при подготовке мазута или водомазутной смеси к сжиганию в котельных и других теплоэнергетических установках, при обеззараживании воды в процессе водоподготовки, для получения высокооктановых бензинов из низкооктановых и обработки других углеводородных продуктов.
Известен гидродинамический кавитационный реактор, содержащий корпус с патрубками подачи сырья и вывода продукта, составной кавитирующий элемент, расположенный на валу и выполненный в форме усеченного конуса, или из нескольких усеченных конусов, меньшим основанием направленных навстречу потоку, полость которого сообщена с источником газообразного реагента, при этом, кавитирующий элемент выполнен с сужающимися к его продольной оси кольцевыми каналами на боковой поверхности, имеющими стенки, наклоненные по ходу движения среды, при этом кольцевые каналы в их наиболее узкой части сообщены с полостью вала посредством радиальных каналов. (1)
Недостатком устройства является ограниченная область его использования. Устройство с определенной конфигурацией кавитирующего элемента применим только для обработки нефтепродуктов определенного состава, например, гудрона. Для обработки продукта с другим исходным составом требуется перестраивание кавитирующего элемента и иные типоразмеры корпусов. Определенная форма кавитирующего элемента обуславливает также ограничение зоны кавитации, возникающей за кавитирующим элементом, что требует защиты данной зоны из-за подверженности ее эрозионным процессам.
Известен также гидродинамический кавитационный реактор, содержащий проточную камеру, в которой, на продольном стержне, расположенном по оси реактора, на
расстоянии друг от друга, установлены кавитаторы, выполненные в виде закрепленных на продольном стержне отдельных конусов с различными углами конусности. (2).
Недостатком известного устройства является повышенное гидравлическое сопротивление потоку жидкости, обусловленное наличием внутри проточной полости неподвижных кавитирующих элементов. На преодоление гидравлического сопротивления расходуется кинетическая энергия потока, что ведет к снижению кавитационного эффекта на каждом кавитаторе по мере прохождения потока жидкости через устройство и снижает интенсивность кавитационной обработки в целом. К тому же, данное устройство требует перенастройки размещения кавитаторов для жидкостей различной плотности, т.к. интенсивность кавитационной обработки определяется расстоянием между кавитаторами.
Общим недостатком вышеприведенных известных устройств является фиксированное размещение кавитирующих элементов, снижающее степень кавитационной обработки, зависящей от потенциальной и кинетической энергий потока.
Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому техническому решению является роторный гидродинамический кавитационный реактор, в корпусе которого, выполненном с патрубками ввода и вывода обрабатываемого продукта, расположен снабженный приводом дисковый высокоскоростной кавитатор с цилиндрическими обтекателями и неподвижный металлический диск (успокоительная решетка) с выполненными в нем пазами, сопряженными с обтекателями на диске, установленными по радиусу диска. Обтекатели установлены под углом к плоскости диска посредством опор треугольного сечения. (3).
Недостатком устройства является периодичность работы, и невысокий уровень навигации перемешиваемых продуктов в ограниченной емкости, обуславливающий низкую интенсивность кавитационной обработки. Процесс кавитации возникает в создаваемом обтекателями турбулентном потоке, в зоне его отрыва от кромки цилиндрических обтекателей за счет местного понижения давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела. Интенсивность кавитации определяется соотношением между потенциальной энергией слоя жидкости перед обтекателями и кинетической
энергией турбулизируемого потока, и в замкнутом объеме жидкости, помещенной в ограниченную емкость, это соотношение имеет незначительную величину. Кроме того, цилиндрическая форма обтекателей, закрепленных на вращающемся диске, неэффективна для обработки продуктов повышенной вязкости, что сужает область использования известного реактора. Другим недостатком устройства является повышенная металлоемкость из-за относительной массивности металлического диска с пазами, выполняющего функции успокоительной решетки.
Техническим результатом от использования предлагаемой полезной модели является расширение области использования роторной гидродинамической установки и повышение интенсивности кавитационного процесса, путем создания поперечно направленных потоков обрабатываемого продукта в каналах кавитационных камер.
Указанный результат достигается тем, что в роторной гидродинамической установке, содержащей корпус с патрубками ввода и вывода продукта и снабженный приводом высокоскоростной кавитирующий механизм, включающий кавитирующий диск с обтекателями, согласно полезной модели, кавитирующий механизм выполнен разделением внутренней полости установки на несколько, хотя бы не менее одной, проточных кавитационных камер, в которых на общем валу установлены кавитирующие диски с обтекателями, выполненными в виде концентрично расположенных выступов с прямоугольным сечением, чередующихся с пазами, при этом, концентричные выступы и пазы расположены на обеих сторонах кавитирующих дисков, к тому же число кольцевых выступов на кавитирующих дисках в каждой кавитационной камере может быть различным, и кавитирующие диски дистанционированы на валу втулками, а проточные кавитационные камеры сформированы ограничивающими их стационарными металлическими дисками с центральными отверстиями, диаметр которых не превышает диаметра первого кольцевого выступа на кавитирущем диске, и с выполненными на внутренних плоскостях кольцевыми пазами, сопряженными с кольцевыми выступами на кавитирующих дисках, при этом, высота кольцевых выступов на кавитирующих дисках превышает расстояние между кавитирующим диском и стационарными металлическими
дисками в каждой камере, а стацинарные диски дистанционированы кольцевыми втулками на внутренней поверхности корпуса установки.
Предлагаемое выполнение в полости роторной гидродинамической установки проточных кавитационных камер, в каждой из которых установлены кавитирующие диски с обтекателями на обеих плоскостях, выполненными в виде чередующихся кольцевых пазов и выступов с прямоугольным сечением, сопряженных с кольцевыми пазами стационарных металлических дисков, ограничивающих кавитационные камеры, обеспечивают повышение интенсивности кавитационной обработки жидкостей за счет образования поперечно-направленных потоков обрабатываемой жидкости, перемещающихся в радиальном направлении по поверхности кавитирующего диска и тангенциально - по его кольцевым пазам. Благодаря созданию дополнительных гидродинамических колебаний, происходящих в пленке жидкости, формирующейся в замкнутом пространстве кавитационных камер за счет превышения высоты прямоугольных кольцевых выступов над расстоянием между стационарными и кавитирующими дисками, создаются условия для возникновения повышенного числа кавитационных каверн, пузырьков, схлопывание которых сопровождается температурным всплеском и мгновенно повышающимся в зонах кавитационных каверн давлением, что ведет к трансформации межмолекулярных связей молекул компонентов, входящих в состав обрабатываемого продукта. Варьируя значениями первоначального давления и скоростью вращения кавитирующих дисков, роторная гидродинамическая установка может использоваться для обработки различных жидкостных продуктов без изменения конструктивных характеристик самой установки, а существующая возможность изменения расположения числа кавитационных камер, расстояния между ними и числа обтекателей, в виде выступов и пазов, на кавитационные дисках, делает установку универсальной для обработки продуктов с широким спектром вязкости и плотности.
Интенсивность кавитации увеличивается благодаря выполнению на кавитирующих дисках кольцевых выступов прямоугольного сечения, при движении которых в пленке жидкости создаются дополнительные навигационные зоны в тангенциально
направленных потоках, образующиеся за счет отрыва последних от поверхности прямоугольных выступов.
Пример выполнения роторной гидродинамической установки (РГДУ) поясняется приведенными эскизами.
На фиг 1 представлена РГДУ в разрезе (верхняя часть).
На фиг 2 дан увеличенно вид А на фиг 1.
Роторная гидродинамическая установка включает корпус 1 с подводящим и отводящим патрубками 2 и 3, в полости которого, на общем валу 4, размещены кавитационные камеры 5, образованные стационарными дисками 6, жестко зафиксированными посредством дистанционирующих кольцевых втулок 7 на внутренней поверхности корпуса установки. В кавитационных камерах, число которых варьируется от одной до N=10 (при необходимости перехода к обработке продукта с отличающимися свойствами компонентов) установлены кавитирующие диски 8, ступицы 9 которых дистанционированы на валу кольцевыми втулками 10. На обеих плоскостях поверхности кавитирующих дисков 8 выполнены обтекатели в виде кольцевых выступов 11, разделенных пазами 12, а на поверхности стационарных дисков 6 выполнены кольцевые пазы 13, сопряженные с кольцевыми выступами 11 кавитирующих дисков и центральные отверстия 14, диаметр которых не превышает диаметра первого (меньшего, внутреннего) кольцевого выступа на кавитирущем диске. Вал 4 установлен в корпусе посредством подшипников 15, снабжен уплотняющими узлами 16 и соединен с приводом (на чертеже не показан).
РГДУ работает следующим образом.
0
Обрабатываемый продукт (смешиваемое сырье, в качестве которого -) подается в РГДУ с расчетным давлением Р через патрубок 2. Через центральное отверстие 14 в стационарном диске 6 смешиваемое сырье поступает в полость кавитационной камеры 5, распределяясь пленкой по кавитирующему диску 8, при вращении которого на поверхности обтекателей, выполненных в виде кольцевых пазов 11, благодаря воздействию центробежных сил в пленке образуются радиально направленные потоки, толщина которых, определяется еще и расстоянием между кавитирующим диском 8 и
стационарными дисками 6, задаваемым, соответственно, дистанционирующими втулками 7, определяющими положение стационарных дисков, и дистанционирующими втулками 10, фиксирующими кавитирующие диски на валу 4. Вращение вала 4, установленного в корпусе посредством уплотнительных узлов 16 и подшипников 15, обеспечивается приводом (на чертеже не показан).
Пройдя через кавитационные проточные камеры 5 поток жидкости выводится через выходной патрубок 3.
мгн
ср
При попадании потоков жидкости в разделяющие кольцевые выступы пазы 12 происходит мгновенное пульсационное падение давления на величину ΔР и жидкость «вскипает», образуя огромное число полостей микроскопических размеров, заполненных насыщенными парами ингредиентов, входящих в состав смешиваемого сырья, формирующих кавитационные каверны, которые попадают под воздействие поперечно движущихся (по разделяющим кольцевые выступы 11) пазам 12 потоков с осредненным давлением Р. Происходит сжатие кавитационных каверн под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения жидкостной пленки. Кавитационные пузырьки, попадая в область повышенного давления, охлопываются кумулятивными струйками в точки. В этих точках, а их огромное количество, кумулятивные эффекты приводят к точечному повышению давлений с образованием точечных температур.
В момент схлопывания кавитационной каверны давление и температура насыщенных паров достигают значительных величин (по опытным данным до 100 МПа и 2000°С). После схлопывания кавитационной каверны в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве паза 12. Мгновенные повышения температуры и давления в насыщенных парах ингредиентов в охлопывающихся кавитационных кавернах обуславливают резкие фазовые переходы, сопровождающиеся разрывом межмолекулярных Ван-дер-ваальсовых связей и образованием свободных радикалов в смешиваемых ингредиентах, вступающих в реакции.
При расчетах заявляемой роторной гидродинамической установки учитывается, что процессы кавитации в кавитационных камерах подчиняются зависимости:
где k - коэффициент плотности кавитационного поля;
0
Р - давление в невозмущенном потоке;
ср
P - осредненное давление в пазах 11;
мгн
ΔР - мгновенное пульсационное падение давления при переходе потоков жидкости с поверхности обтекателя 10 в полость паза 11;
0
υ - скорость невозмущенного потока;
ρ - плотность обрабатываемого продукта.
Под воздействием кавитации большой интенсивности на протяжении длительного времени, обусловленной прохождением обрабатываемого продукта по поверхности кавитирующих дисков и последующим переходом из одной кавитационной камеры в другую, нарушаются даже С-С связи в молекулах парафина, вследствие чего происходят изменения физико-химического состава обрабатываемых продуктов. По физической сути процессы в пленке жидкости, подвергающейся гидродинамической кавитационной обработке в поперечно направленных потоках, приближаются к крекинг-процессам. Совместное воздействие кумулятивных струек, гидродинамических ударов и точечного температурного поля приводят к:
- стерилизации обрабатываемой жидкости;
- эмульгированию обычно не смешиваемых продуктов (мазут-вода);
- разрыву длинных полимерных цепей в нефтепродуктах, переводу их в новое структурное состояние;
- измельчению (диспергированию) до микронного уровня твердых частиц в жидкости;
- гомогенизации обрабатываемого продукта;
- интенсификации химических реакций в десятки и порой даже тысячи раз;
В роторной гидродинамической установке, благодаря процессам кавитационного крекинга, можно осуществлять алкилирование, изомеризацию и другие процессы переработки нефти и нефтепродуктов. Данный способ позволяет осуществлять синтез
легких нефтепродуктов из углеводородных газов. Это позволяет вовлечь в процесс синтеза углеводородного топлива такие виды сырья, как газовый конденсат и природный газ.
Обработка в установке РГДУ очищенного обезвоженного газоконденсата (стабильного бензина) позволяет освободиться от легких фракций, увеличить его плотность и повысить октановое число. При смешивании стабильного бензина с определенными присадками получаются высокооктановые бензины.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели обеспечивает расширение области использования РГДУ, благодаря повышению интенсивности кавитационного процесса, происходящего в поперечно направленных потоках обрабатываемого продукта, формирующихся в каналах кавитационных камер.
Источники информации, цитируемые в описании:
1. Описание к патенту №1534815 на изобретение «Кавитационный реактор» по Кл. B01F 5/00, B01J 19/00, опубликовано 20.08.1997 г.
2. Описание к авторскому свидетельству СССР №1287934 по Кл. В01J 19/24, опубликован 1987 г.
3. Описание к патенту РФ №2016646 на изобретение «Кавитационный реактор» по Кл. B01F 7/00, опубликован 30.07.1994 г. (Прототип).