Способ обработки жидкостей в кавитационном реакторе

Изобретение относится к ультразвуковой кавитационной обработке жидкостей с целью, например, разрушения, разъединения, разделения на части различных субстанций, включая живые (микроорганизмы), существующих в этих жидкостях в виде взвешенных фаз, а также для диссоциации молекул самих жидкостей. Изобретение может быть использовано в пищевой, химической, нефтедобывающей, горнорудной, фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в медицине. Жидкость помещают в кавитационный реактор либо пропускают сквозь него, рассеивая в ней заданную энергию акустической волны, сопровождающуюся возникновением кавитации. Размер реактора в направлении распространения акустической волны устанавливают не менее длины этой волны в обрабатываемой жидкости. Остальные размеры реактора устанавливают из расчета распределения объемной плотности потенциальной энергии кавитации по его объему со среднеквадратичным отклонением от среднего значения в пределах 0,499-1,027 этого среднего значения. Использование изобретения обеспечивает максимально равномерное воздействие потенциальной энергии кавитации на обрабатываемую жидкость при минимальном воздействии на элементы конструкции реактора. 2 ил.

 

Изобретение относится к области процессов ультразвуковой кавитационной обработки жидкостей с целью, например, разрушения, разъединения, разделения на части различных субстанций, включая живые (микроорганизмы), существующих в этих жидкостях в виде взвешенных фаз, а также для диссоциации молекул самих жидкостей. Кавитационной обработке могут подвергаться суспензии, эмульсии, коллоидные либо истинные растворы, а также вода и другие жидкости. Задачей кавитационной обработки жидкостей может быть повышение дисперсности и гомогенности содержащихся фаз, интенсификация происходящих химических реакций, в том числе сопровождающихся синтезом новых соединений, а также бактериолиз и бактериостаз.

Изобретение может быть использовано в пищевой, химической, нефтедобывающей, горнорудной, фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в медицине.

Известен способ кавитационной обработки цельного молока с целью его бактериолиза и гомогенизации, при котором его пропускают сквозь кавитационный реактор со скоростью, обеспечивающей оптимальное время обработки. Внутри реактора в молоке рассеивают акустическую мощность с заданным средним значением объемной плотности, которая вызывает возникновение стационарных кавитационных областей [1, (с.67-69, таблица 3.3)]. Оптимальные параметры процесса предварительно определены экспериментальным путем с использованием так называемого эталонного реактора [1, (с.61)], в которой вынуждающий осциллятор вызывает возникновение одной стационарной кавитационной области.

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании этого способа, являются следующие обстоятельства.

Известно, что эрозионный коэффициент имеет определенного вида функцию распределения по внутреннему объему реактора, параметрами которой являются, в том числе, размеры и форма этого объема [1].

От вида функции распределения эрозионного коэффициента, а следовательно, и плотности потенциальной энергии кавитации в реакторе, будет зависеть, вся ли помещенная в реактор либо пропускаемая через него жидкость получит в равной мере необходимое для выполнения задачи ее обработки количество энергии. Ясно, что, полагаясь только на средние значения параметров процесса и не учитывая их распределение в пространстве реактора, невозможно обеспечить воспроизводимость результатов при использовании способа с реактором, имеющим отличные от эталонного форму и соотношение размеров. Изменяя размеры внутреннего объема также невозможно в точности воспроизвести функцию распределения плотности потенциальной энергии кавитации в реакторе с другим объемом, так как кавитационные реакторы не обладают подобием формы [1, (с.87, 88)].

Известен кавитационный реактор для обработки жидкостей, представляющий собой камеру, объем которой ограничен поверхностью корпуса хотя бы одной отражающей стенки и хотя бы одного излучателя акустической волны, и заполнен обрабатываемой жидкостью [2]. Минимальный внутренний размер корпуса, измеряемый по нормали к границе любого из фронтов ультразвуковой волны в камере, равен минимальному положительному корню трансцендентного уравнения, получаемого путем приравнивания к нулю выражения для известной единичной обобщенной функции, которая аппроксимирует известную функцию интегральной безразмерной жесткости [1].

Существует следующая причина, препятствующая достижению указанного ниже технического результата при использовании этого реактора для кавитационной обработки в жидкостей.

Искомый корень трансцендентного уравнения определяет размер корпуса, при котором плотность потенциальной энергии поля кавитации в заданной точке поверхности корпуса равна нулю. Таким образом, путем выбора размера корпуса реактора по нормали к его границе обеспечивается минимальное эрозионное воздействие на корпус. Однако, поскольку таким выбором размера обеспечивается положение минимума плотности потенциальной энергии на стенке корпуса, то тем же самым задаются наихудшие из возможных условия распределения энергии кавитации внутри корпуса в смысле равномерности.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению является способ кавитационной обработки жидкости, при котором жидкость с заданной скоростью пропускают сквозь кавитационный реактор, где в жидкости рассеивают мощность акустической волны с заданным средним значением объемной плотности, которая вызывает возникновение в ней кавитации. Объемную плотность потенциальной энергии возникающей при этом кавитации W распределяют по объему реактора со среднеквадратичным отклонением S от среднего значения не большим, чем [3].

В данном случае мерой или критерием равномерности обработки жидкости в реакторе служит выраженное в относительных единицах среднеквадратичное отклонение потенциальной энергии кавитации от среднего значения Поэтому заданную равномерность можно обеспечить для реактора практически с любым внутренним объемом, подбирая соотношение размеров и соответствующее значение рассеиваемой акустической мощности.

Для подбора размеров кавитационного реактора при осуществлении этого способа используют следующую формулу:

где ν, f - объем полуволновой резонансной ячейки, прилегающей к излучателю, и функция, зависящая от соотношения ее размеров, получаемая из известной математической модели кавитационного реактора [1], соответственно, а константа 0,743=0,862².

Этот способ принят за прототип.

Существуют следующие причины, препятствующие достижению указанного ниже технического результата при использовании способа, принятого за прототип.

Во-первых, при малых среднеквадратичных отклонениях потенциальной энергии кавитации от среднего ее значения в реакторе возникает опасность эрозионного разрушения элементов конструкции самого реактора вследствие кавитационной эрозии [2].

Во-вторых, можно показать, что равномерность распределения плотности потенциальной энергии кавитации характеризуется функцией ее распределения в полуволновой резонансной ячейке, прилегающей к излучателю в области выбранного в прототипе критерия 0,862 не всегда. Для подтверждения этого на фиг.1 показаны графики зависимости относительного среднеквадратичного отклонения s от среднего значения плотности потенциальной энергии кавитации для круглого в плане реактора плоской волны от его диаметра d=D/λ, выраженного в относительных единицах к длине волны. Номера кривых соответствуют числу стационарных кавитационных областей в реакторе. Графики получены с использованием математической модели кавитационного реактора расчетным путем. Ясно видно, например, что у двух- и трехполуволновых реакторов в диапазоне диаметров 1,0...1,5λ s внутри всего их объема больше критерия, тогда как в прилегающей полуволновой ячейке (кривая 1) наоборот.

Таким образом, применение критерия 0,862 для оценки равномерности распределения в реакторах, у которых наличествует более чем одна стационарная кавитационная область, или, иными словами, размер в направлении распространения вызывающей кавитацию акустической волны превышает половину длины этой волны, неправомерно при некоторых вариантах соотношений их внутренних размеров. К тому же, соответствие этому критерию не гарантирует обеспечения минимизации эрозионного разрушения элементов конструкции реактора вообще.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При использовании в качестве меры равномерности воздействия кавитации на жидкость в реакторе параметра s примером для сравнения служит гипотетический реактор сферической волны, имеющий одну стационарную кавитационную область с распределенными параметрами. В описании прототипа показано, что из всех известных видов реакторов сферический реактор обладает самым низким среднеквадратичным отклонением плотности потенциальной энергии кавитации от среднего значения при минимальном воздействии кавитации на сам реактор, так как в нем отсутствует непосредственный контакт кавитационных областей со стенкой реактора.

Таким образом, область значений s, удовлетворяющих достижению сформулированного ниже технического результата, находится в диапазоне между минимальным и максимальным значениями s реактора сферической волны, имеющего более чем одну стационарную кавитационную область с распределенными параметрами. На фиг.2 в виде дискретного множества показаны значения s реактора сферической волны, содержащего n стационарных кавитационных областей с распределенными параметрами, вычисленные по методике, аналогичной использованной в прототипе.

s_min=0,499 и соответствует реактору с n=3, а s_max=1,027 и соответствует реактору с n=4. Область, находящаяся в геометрическом центре сферы, имеет нулевой номер, считается областью с сосредоточенными параметрами - единичным кавитационным пузырьком, и ее влияние в расчетах не учитывается за малостью.

Техническим результатом является обеспечение максимально равномерного воздействия потенциальной энергии кавитации на обрабатываемую жидкость в кавитационном реакторе при минимально возможном ее воздействии на элементы конструкции реактора и вне зависимости от размера реактора в направлении распространения вызывающей кавитацию акустической волны.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе обработки жидкостей в кавитационном реакторе, при котором жидкость помещают в кавитационный реактор либо пропускают сквозь него, рассеивая в ней заданную энергию акустической волны, сопровождающуюся возникновением кавитации, особенность состоит в том, что размер кавитационного реактора в направлении распространения акустической волны устанавливают не менее длины этой волны в обрабатываемой жидкости, а остальные размеры реактора устанавливают из расчета распределения объемной плотности потенциальной энергии возникающей в нем кавитации по его внутреннему объему со среднеквадратичным отклонением от среднего значения в пределах 0,499-1,027 этого среднего значения.

Расчет s при установлении размеров кавитационного реактора осуществляют аналогично прототипу с использованием известной математической модели кавитационного реактора, но с учетом вида функции распределения по всему объему реактора, а не только по объему одной резонансной ячейки. То есть исходя из выражения

где V, F - внутренний объем всего реактора и функция, зависящая от соотношения его размеров, получаемая из известной математической модели кавитационного реактора, соответственно.

Например, функция F может быть рассчитана по формуле из [4], как

где квадратными скобками обозначена целая часть числа, фигурными - дробная;

λ - длина акустической волны, вызывающей кавитацию в обрабатываемой жидкости;

n - число кавитационных областей, возникающих в реакторе при его работе;

r - среднее расстояние от любой произвольной точки объема реактора до видимых из нее частей всех кавитационных областей;

h - среднее значение величины, обратной расстоянию от любой произвольной точки объема реактора до видимых из нее частей всех кавитационных областей.

В качестве примера для сравнения приведен расчет реактора на соответствие критерию равномерности распределения плотности потенциальной энергии кавитации и минимизации эрозионного разрушения элементов конструкции.

Пусть внутреннее пространство корпуса реактора имеет в сечении форму прямоугольника со сторонами l и b. Координатная система в реакторе имеет начало в центре реактора, ось у направлена перпендикулярно поверхности излучателя, ось х параллельна ширине корпуса b, а ось z - длине l.

Выражения для r и h в этом случае будут иметь вид

где:

f=f₁+f₂+f₃+f₄+f₅;

где

g=g₁+g₂+g₃+g₄;

В координатах реактора выражение (2) можно записать, как:

Используя (3)-(6), можно вычислить, что при λ=0,07 м (вода при частоте 20 кГц) и, например, l=b=0,12 м значение параметра s, рассчитанное по методике прототипа для резонансной ячейки, прилегающей к излучателю, составит 1,052. То есть условие равномерности не выполняется ни для прототипа, ни для заявленного способа в случае, если реактор имеет размер в направлении распространения вызывающей кавитацию акустической волны (высоту), равный половине длины волны. Если же принять во внимание распределение во всем реакторе, то при тех же параметрах и высоте реактора, равной 2λ, параметр s составит 0,361. То есть наряду с высокой равномерностью распределения плотности потенциальной энергии корпус реактора будет подвергаться значительному эрозионному воздействию. Это можно также подтвердить расчетом максимального значения относительной плотности потенциальной энергии на корпусе реактора, результат которого составляет и превышает аналогичный показатель для реактора сферической формы с минимальным s (при n=3), равный .

С другой стороны, если выбрать высоту реактора равной 3λ, то s будет равно 0,704, а относительная плотность потенциальной энергии на корпусе реактора, соответственно, . В этом случае будет обеспечена и равномерность распределения плотности потенциальной энергии, и корпус реактора не будет подвергаться эрозионному воздействию большему, чем максимальное эрозионное воздействие у сферического реактора.

Таким образом, сравнение заявленного способа с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный способ обладает существенными по отношению к указанному техническому результату отличительными признаками.

При анализе отличительных признаков описываемого способа кавитационной обработки жидкостей не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установления размеров реактора с целью обеспечением максимально равномерной обработки жидкости при минимальном кавитационно-эрозионном воздействии на элементы конструкции реактора, причем вне зависимости от размера реактора в направлении распространения акустической волны вызывающей кавитацию.

На фиг.1 показаны графики зависимости относительного среднеквадратичного отклонения s от среднего значения плотности потенциальной энергии кавитации для круглого в плане реактора плоской волны от его диаметра, выраженного в относительных единицах к длине волны. Номера кривых соответствуют числу стационарных кавитационных областей в реакторе. Пунктиром выделены части графиков функций s реакторов, у которых наличествуют диапазоны значений d, в которых значение этого параметра для объема одной резонансной ячейки меньше, чем 0,862, тогда как во всем объеме оно превышает этот критерий.

На фиг.2 дискретным множеством точек показана зависимость значения параметра s реактора сферической волны от числа стационарных кавитационных областей с распределенными параметрами n.

Изобретение может быть осуществлено следующим образом.

Жидкость, например насыщенный раствор NaCl, требуется обработать в кавитационном реакторе путем пропускания, например, при помощи насоса сквозь него при давлении, близком к атмосферному, с целью повышения уровня диссоциации натрия хлорида и увеличения гидратационной активности воды [4]. Для этого внутри кавитационного реактора при помощи излучателя ультразвуковых колебаний частотой 22 кГц в каждом литре протекающего раствора рассеивают энергию акустической волны равную 28 кДж. Эта энергия рассеивается, возбуждая в растворе кавитацию, так как амплитуда давления в волне при этом составляет 5,54·10⁵ Па, что превышает порог кавитации (рассчитано по данным из [4]). Амплитуда давления может быть установлена по амплитуде колебательного смещения рабочей поверхности излучателя ультразвуковых колебаний путем, например, установления соответствующей амплитуды тока/напряжения питания излучателя, так как они пропорциональны.

В соответствии с сущностью изобретения для осуществления процесса с максимально равномерной обработкой раствора при минимальном кавитационно-эрозионном воздействии на элементы конструкции реактора необходимо так рассчитать размеры реактора, чтобы объемная плотность потенциальной энергии возникающей в нем кавитации была распределена по его внутреннему объему со среднеквадратичным отклонением от среднего значения в пределах 0,499-1,027 этого среднего значения.

Пусть квадратный в плане реактор плоской волны имеет высоту, равную двум длинам волны ультразвука частотой 22 кГц в насыщенном растворе NaCl, то есть в пределах 156-158 мм, что удовлетворяет первому отличительному признаку изобретения. Тогда, используя (3)-(6), можно вычислить, что для реализации второго признака, например, по нижнему пределу критерия s=0,499 сторона квадрата сечения реактора должна также быть равна 158 мм. Таким образом, реактор будет иметь объем, равный 3,94 л, а его производительность, вычисляемая из известных рассеиваемой энергии волны, площади сечения, амплитуды давления в волне и акустических характеристик раствора и по известным формулам [5] составит, соответственно, 973 литра в час.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. - М. ЕВА-пресс, 2001. - 173 с.: ил.

2. RU 2228217, 21.05.2003.

3. RU 2209112, 04.06.2002.

4. Феноменология, моделирование и экспериментальные исследования процесса активирования водных растворов солей с целью снижения минерализации продуктов питания // И.А.Рогов, С.Д.Шестаков. - В кн.: Технологии, оборудование и компоненты для производства мясных продуктов здорового питания. / Под ред. академика И.А.Рогова. - Вологда: Изд. Сад-огород, 2004. - с.5-11.

5. Основы физики и техники ультразвука. / Б.А.Агранат, М.Н.Дубровин, Н.Н.Хавский и др. - М.: Высшая школа, 1987. - 352 с.: ил.

Способ обработки жидкостей в кавитационном реакторе, при котором жидкость помещают в кавитационный реактор, либо пропускают сквозь него, рассеивая в ней заданную энергию акустической волны, сопровождающуюся возникновением кавитации, отличающийся тем, что размер кавитационного реактора в направлении распространения акустической волны устанавливают не менее длины этой волны в обрабатываемой жидкости, а остальные размеры реактора устанавливают из расчета распределения объемной плотности потенциальной энергии возникающей в нем кавитации по его внутреннему объему со среднеквадратичным отклонением от среднего значения в пределах 0,499-1,027 этого среднего значения.