Способ обработки материалов в потоке жидкости и устройство для его осуществления

Изобретение предназначено для интенсификации технологических процессов в строительной и других отраслях промышленности. Способ обработки материалов в потоке жидкости включает подачу в проточную камеру под давлением жидкой среды и введение в нее твердых, газообразных или жидких веществ с обеспечением в проточной камере режима кавитации, непрокавитировавшую часть потока после первого ряда тел кавитации подвергают воздействию кавитации на следующем ряду, проводят предварительное смешение с жидкой средой вводимых в нее твердых, газообразных или жидких веществ с обеспечением ввода полученной смеси пропорционально расходу смеси в данном поперечном сечении проточной камеры, ввод смеси осуществляют на различную глубину и под различными углами к продольной оси камеры, уменьшающимися в направлении потока. Устройство предназначено для осуществления указанного способа. Изобретение позволяет получить вводно-угольную суспензию, обладающую более равномерным гранулометрическим составом твердой фазы с меньшими затратами энергии и расходом ПАВ. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области интенсификации технологических процессов в строительной и других отраслях промышленности путем гидродинамической обработки вводимого в поток жидкости материала в процессах смешения, измельчения и диспергирования твердых, жидких и газообразных веществ в жидкой среде, например, для подготовки водобитумных эмульсий для производства асфальта и кровельных материалов, вододисперсионных красок, эмульсий водонерастворимых отходов перед их сжиганием в печах (в том числе хлорорганических) и др.

Наиболее близким из известных является способ обработки материалов в потоке жидкости, в котором обработку смешиваемого материала ведут в гидродинамическом потоке жидкости, осуществляя последовательное смешение вводимого материала за счет создания кавитации при числе кавитации, равном 1,5-4,5, и выдержке после каждой стадии обработки в течение 12-720 часов [RU №2120471 С1, 1998 г.].

Из известных устройств наиболее близким по конструкции и достигаемому результату является устройство, содержащее три кавитационных смесителя, три насоса, подготовительные и выходную емкости, заборные патрубки подготовительных емкостей объединены и подключены к входу первого насоса, выход которого подключен к входу первого кавитационного смесителя, выход которого соединен с объединенными входными патрубками подготовительных емкостей, выходные патрубки которых подключены к входу второго насоса, выход которого соединен с входом второго кавитационного смесителя, выход которого соединен с входным патрубком выходной емкости, выходной патрубок которой подключен к входу третьего насоса, выход которого соединен с входом третьего кавитационного смесителя, выход которого образует выход устройства [RU №2120471 С1, 1998 г.].

Известные решения не обеспечивают универсальности использования в качестве компонента обрабатываемого материала любого из материалов - твердого, жидкого или газообразного, поскольку они соответствующим образом приспособлены для обработки только одного из них. Поэтому известные решения имеют малое сечение для прохода жидкости, что может быть причиной засорения. При этом поток жидкой среды, проходящий в пристенной зоне, не подвергается смешению и диспергированию под воздействием кавитации.

Техническая задача, решаемая предлагаемым способом обработки, осуществляемым с помощью устройства обработки материала в потоке жидкости, состоит в попеременном воздействии (кавитационном, акустическом, интенсивном перемешивании) на поток, заключающемся в обработке сначала ядра потока (центральной по сечению части), а затем его периферийных и непрокавитированных зон в рабочей камере, производящимся при помощи тел кавитации, расположенных в потоке определенным образом, и совмещении процесса кавитационной обработки с интенсификацией такого процесса за счет определенного относительно зон кавитации расположения катализатора процесса обработки.

Достигается это:

- в способе обработки материалов в потоке жидкости - тем, что в нем осуществляют подачу в проточную камеру под давлением жидкой среды и введение в нее твердых, газообразных или жидких веществ с обеспечением в проточной камере режима кавитации при их контакте в зоне образования каверн для получения устойчивых в указанной зоне радикалов вводимых веществ с катализатором процесса обработки путем разделения рядами тел кавитации жидкой среды на потоки таким образом, что непрокавитировавшую часть потока после первого ряда тел кавитации полностью подвергают воздействию кавитации на следующем ряду или на следующих рядах тел кавитации при расстоянии между рядами тел кавитации, равном 3,0-12,0 максимального гидравлического диаметра тел кавитации и условии увеличения живого сечения потока жидкой среды на каждом последующем теле кавитации или на ряде тел кавитации при одинаковой для них величине расхода жидкой среды, при этом расстояние между рядами тел кавитации устанавливают таким образом, чтобы оно превышало длину кавитационной каверны. Кроме того, в способе обработки материалов проводят предварительное смешение с жидкой средой вводимых в нее твердых, газообразных или жидких веществ с обеспечением ввода полученной смеси пропорционально расходу смеси в данном поперечном сечении проточной камеры. При этом ввод смеси осуществляют на различную глубину и под различными углами к продольной оси камеры, уменьшающимися в направлении потока.

- в устройстве для обработки материалов в потоке жидкости с использованием описанного выше способа - тем, что оно выполнено в виде проточной камеры с патрубками подвода и отвода жидкой среды, а также патрубком ввода твердых, газообразных или жидких веществ, оснащенное, по меньшей мере, одним устройством в виде тел кавитации с перпендикулярной направлению потока плоской торцевой частью, обеспечивающих возникновение кавитации в потоке жидкости, и катализатором для протекания химических реакций, при этом тела кавитации имеют тупую кормовую часть, предпочтительно плоскую, и установлены рядами таким образом, что отношение последующего к предыдущему живых сечений потока жидкости в узком сечении на двух соседних по длине потока рядах тел кавитации составляет 1,0-3,0, а расстояние между рядами тел кавитации составляет 3,0-12,0 максимального гидравлического диаметра тел кавитации, причем любые два соседних ряда тел кавитации расположены таким образом, что поток, непрокавитировавший на первом ряду тел кавитации, подвергается воздействию кавитации на следующем ряду тел кавитации. Проточная камера может быть выполнена в виде трубы Вентури, причем тела кавитации расположены на выходе из ее цилиндрического участка в пристенной зоне. Для ввода эмульгируемых жидких веществ (компонентов) может быть использована многоструйная головка, расположенная на оси проточной части кавитатора, струи из которой направлены под разными углами к продольной оси проточной камеры для подачи эмульгируемого жидкого вещества в разные сечения потока жидкости в количестве, пропорциональном в данном сечении расходу жидкости, в которой происходит эмульгирование. Для ввода эмульгируемых жидких веществ может быть использована центробежная камера, в центральной зоне которой расположена цилиндрическая вставка с диаметром, не менее диаметра живого сечения - с соотношением диаметра вставки и диаметра выходного отверстия центробежной камеры, равным 0,80-0,95. Как вариант, для ввода эмульгируемых жидких веществ может быть использована ориентированная по оси потока труба, на выходе которой расположен дефлектор с диаметром, равным 1,2-3,0 наружного диаметра подающей трубы. Для интенсификации процесса на входном участке устройства может быть расположен, по крайней мере, один генератор электромагнитных волн. В потоке за телом кавитации в кавитационной каверне установлена решетка, имеющая противокавитационное и каталитическое покрытие.

На фиг.1 представлен общий вид устройства для обработки материалов в потоке жидкости;

на фиг.2 представлено выполнение устройства с телом кавитации в виде пластины с центральным отверстием;

на фиг.3 представлено устройство с рядами тел кавитации;

на фиг.4 - разрез по А-А на фиг.2;

на фиг.5 - разрез по Б-Б на фиг.3;

на фиг.6 - устройство с каталитической решеткой;

на фиг.7 - устройство с приспособлением (головкой) для ввода и предварительного смешения материалов.

Тела кавитации 1 имеют плоскую торцевую часть 2, расположенную в плоскости, перпендикулярной направлению потока. Форма тела кавитации может быть в виде конуса, пирамиды с расположением его вершины в центре цилиндрического потока жидкости. Возможно выполнение тела кавитации в виде треугольной призмы, установленной одной из граней навстречу потоку - в центре потока прямоугольного сечения. Такая форма служит для эффективного отрыва пограничного слоя за телом кавитации и зарождения вихрей, которые при определенной скорости жидкой среды в месте отрыва потока являются причиной возникновения кавитационных полостей и объединяются в единую каверну 3 за телом кавитации.

Для того чтобы избежать "проскока", т.е. получения на выходе непрокавитировавшей среды, что было бы возможно при установке тел (тела) кавитации 1 в потоке, когда кавитационные следы за этими телами отделены друг от друга некавитирующей средой (в пристенной зоне также невозможна кавитационная обработка всего потока - в потоке устанавливают второй ряд 4 тел кавитации в периферийной зоне и в потоке на пути возможного проскока непрокавитированной среды.

Например, в случае установки первоначально одного тела кавитации 1 в центре потока круглого сечения, второй стадией обработки может служить установка пластины 5 с отверстием 6 круглого сечения по центру потока. В случае установки нескольких тел кавитации по сечению потока расположение второго ряда 4 тел кавитации должно быть таким, чтобы часть потока, не попавшая в зону кавитации тел 1, натекала бы на тела кавитации второго ряда 4 и кавитировала на них. Устанавливая тела кавитации 1 в несколько рядов (2 и более) и попеременно чередуя зоны, в которых происходит воздействие кавитации на часть потока, и зоны "проскока", возможна равномерная и эффективная обработка всего потока жидкой среды. Тела кавитации 1 или ряды 4 тел кавитации устанавливают в суженном сечении потока для обеспечения максимальной скорости именно на телах кавитации, а в остальных сечениях потока необходимо снизить потери на сопротивление. Установка тел кавитации может быть, например, осуществлена в трубе 8 (сопле) Вентури в конце ее цилиндрической части. Длину цилиндрической части трубы L₁ принимают в диапазоне L₁/d=1-10 для обеспечения равномерности потока по сечению. Длину L₂ каждого из тел кавитации, установленных параллельно оси трубы в цилиндрической ее части L₁, выбирают из диапазона L₂/d=1-5.

Тела кавитации 1 или ряды 4 тел кавитации, устанавливаемые в потоке последовательно, должны удовлетворять условиям: живое сечение потока жидкой среды должно увеличиваться с каждым последующим телом кавитации 1 или рядом 4 тел кавитации (для возникновения кавитации при одинаковом значении расхода жидкой среды, что более эффективно); расстояние между рядами тел кавитации должно быть больше длины кавитационной каверны (каверна должна закончиться прежде, чем начнется следующий ряд тел кавитации). Установка рядов 4 тел кавитации 1 на расстоянии большем (3,0-4,0)d - характерных размеров (диаметров) тела кавитации приведет к образованию участка потока с бескавитационным течением, в котором жидкость, подвергнутая кавитационному воздействию, будет смешиваться с жидкостью, не подвергнутой кавитационному воздействию, что, в конечном счете, приведет к неравномерности обработки потока жидкости. Работа устройства при расстоянии между рядами тел кавитации меньшем, чем 3d, повлечет за собой кавитационную эрозию следующего за рассматриваемым телом тела кавитации. Необходимость увеличения живого сечения потока с каждым последующим рядом 4 тел кавитации связана с условием одновременного возникновения кавитации в каждом ряде 4 тел кавитации. Известно, что для возникновения кавитации на теле кавитации необходимо достижение определенной скорости. При последовательной установке тел кавитации 1 в потоке жидкой среды статическое давление жидкой среды перед каждым предшествующим телом кавитации будет выше. Из этого следует, что скорость на каждом предшествующем теле кавитации должна быть выше, а для этого, при неизменном расходе жидкой среды и неизменном коэффициенте местного сопротивления, необходимо уменьшать сечение потока (увеличивать сечение тел кавитации, установленных в данном сечении). Соотношение площадей сечения потока жидкости в узком сечении на двух соседних по длине потока телах кавитации последующего к предыдущему или рядах тел кавитации составляет 1,0-3,0. При значениях отношений площадей сечения потока жидкости на соседних телах кавитации последующего к предыдущему выше значения 3,0 - кавитация на первом из пары тел кавитации возникает на меньших расходах жидкости, а для возникновения кавитации на втором теле кавитации необходимо повышать расход и, соответственно потери давления на первом теле кавитации, что является нерациональным. При значениях отношений площадей сечения потока жидкости на соседних телах кавитации последующего к предыдущему ниже значения 1,0 кавитация на втором из пары тел кавитации возникает на меньших расходах жидкости, а для возникновения кавитации на первом теле кавитации необходимо повышать расход и, соответственно, потери давления на втором теле кавитации, что также является нерациональным.

В случае подготовки эмульсий или каких-либо смесей, ввод эмульгируемой жидкости перед телами кавитации, на которых происходит кавитационное воздействие, осуществлялся одной струей без всякой предварительной подготовки. В результате этого на первом теле кавитации происходит процесс грубого дробления и усреднения эмульгируемой жидкости в потоке жидкости, в которой происходит эмульгирование (до размеров 200-1000 мкм). Вследствие того, что воздействие кавитации на поток жидкости происходит при значительных перепадах давления, данный процесс является энергоемким. Целесообразно проводить предварительное смешение (грубое смешение и усреднение эмульгируемой жидкости в потоке жидкости, в которой происходит эмульгирование). В предлагаемом устройстве предварительное смешение эмульгируемой жидкости и жидкости, в которой происходит эмульгирование, производится при помощи смесителя, например, в виде многоструйной головки с расположенными по ее поверхности (в 1 и более рядов) отверстиями для ввода эмульгируемой жидкости таким образом, чтобы обеспечивался ввод эмульгируемой жидкости по сечению пропорциональный расходу жидкости, в которой происходит эмульгирование, в данном месте сечения. Причем струи направлены под разными (последовательно изменяемыми от 90° до 0°) углами β к поверхности головки (или к оси головки) для проникновения струй на различную глубину потока и доставки эмульгируемой жидкости по всему сечению жидкости, в которой происходит эмульгирование. Головка 9 подачи эмульгируемой жидкости располагается на расстоянии от первого тела или ряда тел кавитации на расстоянии от 1,5-5,0 внутренних диаметров кавитационного смесителя.

В качестве предварительной подготовки потока перед воздействием кавитации может быть осуществлено смешение в трубе, установленной по оси потока, по которой подается эмульгируемая жидкость. На выходе из этой трубки устанавливается отражатель (дефлектор), представляющий собой диск, достигая края которого эмульгируемая жидкость дробится и уносится потоком жидкости, в которой происходит эмульгирование. При этом образуется грубая эмульсия 3, которая подается в дальнейшем на тела кавитации. Данный элемент необходимо устанавливать перед сужающейся частью кавитационного элемента. Также в качестве предварительной обработки потока перед воздействием кавитации возможно использование устройства для смешения с элементом, осуществляющим распыление эмульгируемой жидкости за счет центробежной силы, воздействующей на жидкость, достигающей кромки сопла цилиндрической камеры. Он представляет собой центробежную камеру, в которую подается эмульгируемая жидкость, в которой установлена цилиндрическая вставка для предотвращения подсасывания жидкости, в которой происходит эмульгирование.

Электромагнитное воздействие увеличивает поляризацию молекул ПАВ (поверхностно активных веществ), что усиливает их эмульгирующие свойства.

В предлагаемом устройстве возможно производить совместное воздействие электромагнитным полем и полем кавитации на обрабатываемую жидкость. Достигаемый результат состоит в том, что воздействие кавитации на обрабатываемую жидкость с образованием эмульсии при кавитации сочетается с электромагнитным воздействием, увеличивающим эмульгирующие свойства ПАВ, приводящим к получению более устойчивой эмульсии, чем при воздействии указанными способами по отдельности.

Установка решетки 7 с нанесенным катализатором в объеме кавитационной каверны позволит повысить эффективность химических процессов из-за образующихся в результате схлопывания кавитационных пузырьков различных радикалов. Катализатор, предназначенный для ускорения протекания химических реакций, установлен в зонах образования активных радикалов. Конструктивно это представляет собой решетку 6 с нанесенным противокавитационным покрытием, на которое наносится или в которое внедряется катализатор. Решетка 6 устанавливается в зоне кавитационной каверны на расстоянии (2-3)d за телом кавитации. При этом происходит демпфирование ударных волн и кумулятивных струй и ослабление или исчезновение разрушающего воздействия на катализатор. Для увеличения эффективности катализатора и увеличения скорости реакции возможно введение в одну или несколько зон кавитации (через тело кавитации) реагентов. Устройство с решеткой с нанесенным катализатором может применяться для процессов гидрирования тяжелых углеводородов в жидкой фазе на металлических или сульфидных катализаторах.

При диспергировании газовой фазы в потоке жидкой среды введение газовой фазы осуществляют перед телами кавитации 1, а также в зону кавитации за одним из тел кавитации 1. Многостадийная обработка газожидкостного потока в этом случае уменьшает дисперсность газовой фазы и увеличивает ее устойчивость.

При эмульгировании двух несмешивающихся жидкостей, например мазута и воды, их предварительное смешение позволяет получать дисперсность капель воды 200 мкм и менее и обеспечивать равномерное распределение воды по длине потока эмульсии.

При диспергировании твердой фазы в потоке жидкой среды введение измельченной твердой фазы осуществляют перед телами кавитации 1, а также в зону кавитации за одним из тел кавитации 1. Данный процесс может применяться, например, для приготовления водо-угольной суспензии. Предварительное смешение позволяет обеспечить равномерное распределение частиц угля по сечению потока, а в последствии - равномерную кавитационную обработку суспензии. Таким образом, можно получить водо-угольную суспензию, обладающую более равномерным гранулометрическим составом твердой фазы с меньшими затратами энергии и с меньшим расходом ПАВ.

1. Способ обработки материалов в потоке жидкости, включающий подачу в проточную камеру под давлением жидкой среды и введение в нее твердых, газообразных или жидких веществ с обеспечением в проточной камере режима кавитации при их контакте в зоне образования каверн для получения устойчивых в указанной зоне радикалов вводимых веществ с катализатором процесса обработки путем разделения рядами тел кавитации жидкой среды на потоки таким образом, что непрокавитировавшую часть потока после первого ряда тел кавитации полностью подвергают воздействию кавитации на следующем ряду или на следующих рядах тел кавитации при расстоянии между рядами тел кавитации, равном 3,0-12,0 максимального гидравлического диаметра тел кавитации и условии увеличения живого сечения потока жидкой среды на каждом последующем теле кавитации или на ряде тел кавитации при одинаковой для них величине расхода жидкой среды, при этом расстояние между рядами тел кавитации устанавливают таким образом, чтобы оно превышало длину кавитационной каверны.

2. Способ обработки материалов по п.1, в котором проводят предварительное смешение с жидкой средой вводимых в нее твердых, газообразных или жидких веществ с обеспечением ввода полученной смеси пропорционально расходу смеси в данном поперечном сечении проточной камеры.

3. Способ обработки материалов по п.2, в котором ввод смеси осуществляют на различную глубину и под различными углами к продольной оси камеры, уменьшающимися в направлении потока.

4. Устройство для обработки материалов в потоке жидкости способом по любому из пп.1-3, выполненное в виде проточной камеры с патрубками подвода и отвода жидкой среды, а также патрубком ввода твердых, газообразных или жидких веществ, оснащенное, по меньшей мере, одним устройством, в виде тел кавитации с перпендикулярной направлению потока плоской торцевой частью, обеспечивающих возникновение кавитации в потоке жидкости, и катализатором для протекания химических реакций, при этом тела кавитации имеют тупую кормовую часть, предпочтительно плоскую, и установлены рядами таким образом, что отношение последующего к предыдущему живых сечений потока жидкости в узком сечении на двух соседних по длине потока рядах тел кавитации составляет 1,0-3,0, а расстояние между рядами тел кавитации составляет 3,0-12,0 максимального гидравлического диаметра тел кавитации, причем любые два соседних ряда тел кавитации расположены таким образом, что поток, непрокавитировавший на первом ряду тел кавитации, подвергается воздействию кавитации на следующем ряду тел кавитации.

5. Устройство по п.4, в котором проточная камера выполнена в виде трубы Вентури, причем на выходе из ее цилиндрического участка в пристенной зоне расположены тела кавитации.

6. Устройство по п.4 или 5, в котором для ввода эмульгируемых жидких веществ использована многоструйная головка, расположенная на оси проточной части кавитатора, струи из которой направлены под разными углами к продольной оси проточной камеры для подачи эмульгируемого жидкого вещества в разные сечения потока жидкости в количестве, пропорциональном в данном сечении расходу жидкости, в которой происходит эмульгирование.

7. Устройство по п.4 или 5, в котором для ввода эмульгируемых жидких веществ использована центробежная камера, в центральной зоне которой расположена цилиндрическая вставка с диаметром, не менее диаметра живого сечения - с соотношением диаметра вставки и диаметра выходного отверстия центробежной камеры, равным 0,80-0,95.

8. Устройство по п.4 или 5, в котором для ввода эмульгируемых жидких веществ использована ориентированная по оси потока труба, на выходе которой расположен дефлектор с диаметром, равным 1,2-3,0 наружного диаметра подающей трубы.

9. Устройство по любому из пп.4 и 5, имеющее, по крайней мере, один генератор электромагнитных волн, расположенный на входном его участке.

10. Устройство по любому из пп.4 и 5, в котором в потоке за телом кавитации в кавитационной каверне установлена решетка, имеющая противокавитационное и каталитическое покрытие.