СПОСОБ РАЗОГРЕВА ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к химической и лакокрасочной промышленности и предназначено для теплового воздействия на вязкую массу, находящуюся в химических реакторах (емкостях).
В настоящее время нагрев вязкой массы осуществляется, в основном, с помощью жидких теплоносителей, которые подаются в рубашку реакционного аппарата (емкости) насосами. Тепло от теплоносителей передается через стенку реактора к реакционной массе. При этом теряется много энергии на преодоление термического сопротивления материала стенки (на нагрев самого аппарата). Кроме того, требуется целый комплекс дополнительного оборудования: нагревательные печи, насосы, расширительные емкости, компенсаторы, приборы КИП и А и т.д.
Предлагаемый способ подачи энергии с применением СВЧ-излучения непосредственно на реакционную массу (на вязкую загустевшую массу) позволяет значительно снизить непроизводительные потери энергии.
Из современного уровня техники известны способы разогрева загустевших высоковязких продуктов (например, нефтепродуктов) при помощи СВЧ-колебаний.
Известен способ разогрева вязких продуктов в железнодорожных цистернах с использованием энергии ЭМП СВЧ направленным излучением в диапазоне 400-1000 МГц с дополнительным воздействием подогретого от обдува вывода энергии магнетрона и внутренних поверхностей стенок волноводного тракта воздушного потока с подпариванием паровой рубашки клапана сливного прибора давлением пара (патент №2172286, МПК B65D 88/74, опубл. 20.08.2001 г.), и устройство для его осуществления, содержащее СВЧ-генератор, жестко соединенный с волноводом, крышкой-экраном и излучателем. Между крышкой и горловиной цистерны установлено кольцо с обечайкой и имеется затвор с уплотнительной экранирующей прокладкой, при этом кольцо плотно притягивается к горловине.
Недостатком способа является недостаточная эффективность разогрева вязких продуктов в цистерне, т.к. в сочетании с дополнительным воздействием воздушного потока, который практически не нагревается, если стенки волноводного тракта выполнены из алюминиевых сплавов, попадая в цистерну, охлаждает поверхность продукта и способствует более интенсивному переходу в конденсат, увеличивает тем самым потери СВЧ-энергии на нагрев верхней части оболочки котла цистерны.
Известен также способ нагрева вязких продуктов в железнодорожных цистернах с использованием энергии ЭМП СВЧ направленным излучением в диапазоне 400-1000 МГц с дополнительным воздействием подогретого от обдува вывода энергии магнетрона и внутренних поверхностей стенок волноводного тракта воздушного потока с подпариванием паровой рубашки клапана сливного прибора давлением пара не более 0,2 МПа, при котором нагрев продуктов осуществляют в разреженном воздушном пространстве, а воздушный поток, поступающий в цистерну из волноводного тракта, дополнительно подогревается отходящими от продукта парами и газом.
Устройство для осуществления способа, содержащее СВЧ-генератор, жестко соединенный с волноводным трактом, крышкой-экраном и излучателем, снабжено размещенным между крышкой-экраном и горловиной цистерны кольцом, имеющим обечайку, затвор с уплотнительной экранирующей прокладкой, пластины с пазами и прижимы для крышки-экрана. При этом воздушный тракт имеет возможность подсоединяться к вентиляционной отсасывающей системе. Отсасывающее устройство создает в котле цистерны разрежение, удаляет образующиеся пары воды и газы, что создает положительный импульс, сопутствующий разогреву нефтепродуктов СВЧ-энергией. Эти обстоятельства позволяют снижать потери СВЧ-энергии на нагрев оболочки верхней части котла цистерны, а также сократить время и расход СВЧ-энергии на разогрев самого продукта (патент №2401786, МПК B65D 88/74, опубл. 20.05.2010 г.).
Недостатками предлагаемого способа являются: необходимость иметь для его реализации набор дополнительного оборудования: парогенератор, вакуум-насос, конденсатор-холодильник для улавливания отсасываемых паров нефтепродуктов. Большое разрежение газов может быть опасным для прочности цистерны. При интенсивном выделении паров и газов давление в цистерне повышается, пары и газы проникают в волноводный тракт, и происходит электрический пробой между стенками волновода, возгорание газа, разрыв волноводного тракта и повреждение магнетрона.
Кроме того, суммарный расход энергии на питание дополнительного оборудования может превысить экономию от снижения потерь СВЧ-энергии.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по назначению и технической сущности к заявленному изобретению является способ разогрева в емкости вязких продуктов и устройство для его осуществления направленным излучением сверхвысокой частоты в диапазоне 400-3000 МГц, создаваемое генератором СВЧ-колебаний, соединенным посредством передающей линии с излучателем в виде направленной антенны, установленной наклонно к поверхности продукта (патент №2103211, МПК B65D 88/74, опубл.27.01.1998 г.).
Недостатком данного способа являются повышенные затраты энергии и длительный цикл разогрева продуктов, при воздействии на них ЭМП СВЧ, а также отсутствие возможности контроля и регулирования процесса разогрева.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности способа разогрева реакционной массы в реакторе, экономия электроэнергии, упрощение способа его осуществления и возможность управления процессом разогрева массы продукта.
Поставленная задача решается за счет обеспечения возможности автоматического регулирования температуры нагрева вязкой массы с одновременным выравниванием температуры по всему объему жидкости путем ее механического перемешивания. Управление температурой разогрева массы жидкости и ее выравниванием по всему объему осуществляется устройством программного управления (блоком управления), электрически связанным с датчиками температуры, закрепленными на стенках емкости.
Сущностью заявляемого способа является то, что способ разогрева вязкой жидкости с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты направленным излучением, при частоте колебаний в диапазоне 400-3000 МГц разогрев ее производят с одновременным механическим перемешиванием, т.е. выравниванием температуры по всему объему разогреваемой жидкости. При этом осуществляется автоматическое регулирование температуры нагрева массы, в зависимости от реологических свойств самой жидкости. Для осуществления процесса разогрева и регулирования процесса используют устройство, содержащее СВЧ-генератор, соединенный с излучателем, выполненным в виде направленной антенны, установленной наклонно к поверхности продукта (нагреваемой массы), и крышку-экран. На боковых стенках емкости закреплены датчики температуры, а на крышке-экране, на оси размещена мешалка. Устройство снабжено блоком управления, электрически связанным с СВЧ-генератором, датчиками температуры и мешалкой.
Устройство для реализации способа поясняется графическими материалами.
На фиг.1 изображена схема устройства для подачи энергии, где стрелками показано направление действия СВЧ-излучения на реакционную массу (загустевшую жидкость) в емкости.
Устройство размещено на крышке 1 емкости и закреплено на обечайке 2 горловины люка с помощью шаровой опоры 3. Устройство содержит генератор СВЧ-колебаний 4, соединенный посредством передающей линии в виде волновода 5 с излучателем, выполненным в виде направленной антенны 6, установленной наклонно к поверхности разогреваемой массы. Вход в волновод 5 закрыт радиопрозрачной прокладкой 7. Устройство закреплено в шаровой опоре 3, позволяющей изменять угол наклона волновода 5 с антенной 6 в двух вертикальных плоскостях с целью обеспечения максимального поглощения СВЧ-энергии разогреваемой массой вязкой жидкости и минимального отражения энергии обратно к генератору (показано стрелками).
Управление генератором 4 осуществляют при помощи электрически связанного с ним блока управления 8 по заданной программе с использованием показаний датчиков температур 9, размещенных на боковых стенках емкости. Поскольку СВЧ-энергия на входе в реакционную массу поглощается в основном в поверхностных слоях, и локальная температура продукта при длительном воздействии может достичь температуры воспламенения или температуры возгонки, то для выравнивания температурных градиентов, возникающих в реакционной массе в процессе нагрева, используют турбинную мешалку 10, закрепленную на оси, размещенной на внутренней поверхности крышки-экрана 1 в ее центре. Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Реактор (емкость) заполнен вязкой жидкостью. На обечайке горловины люка емкости в шаровой опоре 3 установлен генератор СВЧ-колебаний 4, соединенный металлическим волноводом 5 с излучателем в виде направленной антенны 6. Включают генератор СВЧ-излучения, обеспечивающий поступление энергии в диапазоне частот 400-3000 МГц в излучатель. В этом диапазоне частот длина волны электромагнитного поля составляет от 65 до 10 см, что во много раз меньше размеров емкости. Электромагнитная волна, распространяясь внутри аппарата, многократно проходит через продукт, переотражаясь от стенок емкости, и поглощается жидкостью. При этом электромагнитное СВЧ-поле воздействует на молекулы продукта, и его энергия преобразуется в тепловую, нагревая продукт.
Поскольку поглощение энергии происходит неравномерно в объеме продукта, и соответственно продукт разогревается неравномерно во всем объеме емкости, для выравнивания температуры в реакционной массе включают турбинную мешалку 9, создающую интенсивное перемешивание, что обеспечивает повышение температуры во всем объеме реакционной массы, без локальных перегревов.
Управление процессом осуществляется при помощи блока управления. Компьютер блока управления задает интенсивность перемешивания, которая зависит от мощности СВЧ-излучения, реологических параметров разогреваемого продукта, температурных градиентов и времени.
Техническим результатом предлагаемого способа является эффективность процесса, его экономичность за счет уменьшения времени разогрева массы, уменьшения расхода энергии на обслуживание оборудования и улучшения равномерности разогрева всего объема реакционной массы, способ обладает высоким уровнем автоматизации и уменьшает трудовые и экономические расходы, при этом позволяет управлять процессом разогрева жидкости.
Таким образом, задача, поставленная перед изобретением, решена.