Устройство для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов в жидкой среде

Изобретение относится к области специальных физических и химических технологий и может быть использовано там, где требуется разложение жидкой среды на составляющие элементы, например при детоксикации и дебактеризации, при переработке нефтесодержащих фракций. Техническим результатом изобретения является повышение интенсификации процесса. Устройство для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов в жидкой среде включает рабочую проточную камеру, предназначенную для создания в ней зоны кавитации, поток жидкости в которую подается через сужающийся цилиндрический канал, при этом рабочая камера дополнительно снабжена источником электромагнитного излучения, выполненного с возможностью создания в зоне кавитации рабочей камеры как переменного, так и постоянного поля напряженностью 1÷10 кВ/см, а на выходе сужающегося цилиндрического канала расположено излучающее сопло, обеспечивающее режим потока, отличный от ламинарного. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области специальных физических и химических технологий и может быть использовано в различных сферах человеческой деятельности, где требуется разложение жидкой среды на составляющие элементы, например, при детоксикации и дебактеризации, при переработке нефтесодержащих фракции. В перспективе изобретение может быть использовано для получения водорода.

Известен способ ультразвуковой обработки материалов [а.с. СССР 561576], согласно которому в рабочей среде создают зону кавитации, а обработку упругими колебаниями осуществляют на ультразвуковой частоте и ведут ее в течение двух часов. Для реализации способа используют устройство, в котором рабочая камера и источник упругих колебаний выполнены как единое целое и изготовлены на базе кольцевого магнитострикционного преобразователя ЦМС-8, создающего в жидкой рабочей среде зону кавитации и работающего на одной ультразвуковой частоте

Основным недостатком этого устройства является ограниченное его применение в различных технологических процессах из-за незначительной интенсивности создаваемых колебаний. Уровень кавитационного шума недостаточно высок, например, для разложения воды и получения из нее водорода или кислорода, по этой же причине устройство не обеспечивает надежного разрушения высоковязких сред.

Вторым недостатком является большая продолжительность процесса в объеме рабочей камеры.

Известна установка для осуществления способа подготовки нефти и/или нефтепродуктов к переработке [RU 2287355], включающая устройство для воздействия на движущийся поток перепадами давления, содержащее входной трубопровод с герметично установленным в его сечении многосопловым блоком, соединенным с цилиндрическим каналом и затем с расширяющимся диффузором, при этом отношение площади сечения цилиндрического канала к сумме площадей отверстий сопел на выходе из многосоплового блока характеризуется величиной от 2,1 до 5,9.

К недостатку приведенного механического устройства относится то, что эффективность качественного и количественного изменения состава жидких сред зависит от количества кавитационных пузырьков на единицу объема. Указанный показатель ограничен тем, что в основе образования пузырьков заложено сужение в поперечном сечении потока жидкости, т.е. гидродинамическое сопротивление, поэтому интенсификация кавитационных процессов имеет предел по экономическим соображениям.

Нашли развитие устройства для реализации способов активирования перерабатываемого сырья с использованием источников электромагнитного излучения.

Компанией Electromagnetic Energy Corporation разработан физический способ переработки [US 5055180] путем последовательного извлечения фракций из углеводородного сырья с использованием электромагнитной энергии частотой 300 МГц÷300 ГГц.

Недостатком способа является то, что степень разложения, по выходу светлых нефтепродуктов, недостаточно высока и зависит от напряженности электромагнитного поля.

Известна установка по переработке нефтяного сырья [RU 2246525], включающая блок деструкции на базе двух и более независимо друг от друга работающих генераторов волнового поля, причем один генератор электромагнитного действия с излучающими антеннами в резонаторе, через который прокачивается сырье, выполнен со встроенным магнитострикционным и/или пьезоэлектрическим акустическим излучателем, другой акустический генератор кавитационного действия роторного типа и/или гидродинамического типа, конструктивно выполненный по принципу сопла Лаваля с акустическими резонаторами.

Установка позволяет одновременно или последовательно воздействовать на деструктурируемое сырье волновыми электромагнитными и акустическими полями с энергией и частотами, соответствующими резонансным частотам и/или частоте колебаний молекул деструктурируемых органических соединений и/или соединения с последующим температурным воздействием в пределах атмосферной перегонки. Известно также [WO 0231084], что резонансную частоту подбирают набором катушек, установленных на транспортном трубопроводе коаксиально к сырьевому потоку.

Недостатком является то, что установка позволяет проводить активирование как отдельную подготовительную операцию, а указанная в примерах мощность электромагнитного воздействия, равная 7 Вт, слишком мала, чтобы оказывать влияние на кавитационные процессы.

При исследовании деструкции углеводородов в кавитационной области в присутствии электрического поля при активации водными растворами электролитов [А.С.Бесов, К.Ю.Колтунов, С.О.Брулев, В.Н.Кириленко, С.И.Кузьменков, Е.И.Пальчиков Письма в ЖТФ, 2003, том 29, вып.5, с.71-77] было установлено, что наложение сильного электрического поля напряженностью 10÷20 кВ/см на зону кавитации, создаваемую воздействием ультразвуковых колебаний, интенсифицирует процесс кавитации и позволяет в течение 10 минут дополнительно получить 1.5÷2.0% светлых нефтепродуктов.

К недостаткам устройства относится относительно высокая напряженность создаваемого электрического поля. Это связано с тем, что интенсификация процесса кавитации лимитирована накоплением внутри кавитационных пузырьков легких продуктов деструкции углеводородов, что приводит к увеличению давления насыщенных паров и затрудняет тем самым возникновение новых электрических разрядов. Вторым недостатком является то, что для формирования в кавитационной области устойчивого объемного разряда авторы использовали водный раствор электролита.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является устройство для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов, осуществляемых в жидкой рабочей среде с использованием энергии упругих колебаний [RU 2006135708] (прототип), включающее рабочую камеру в виде полой емкости, источник упругих колебаний, излучающее звено которого расположено в полости рабочей камеры, источник электропитания и соединенные с ним, по меньшей мере, два электрода, которые введены в полость рабочей камеры, отличающееся тем, что источник упругих колебаний выполнен работающим в частотном диапазоне 1-8000 кГц на одной или нескольких частотах, электроды установлены от излучающего звена на расстоянии, не превышающем длины волны упругих колебаний, распространяющейся в используемой рабочей среде, а источник электропитания выполнен в виде двух блоков, один из которых формирует напряжение поджигающего импульса в пределах 10-25 кВ и устанавливает его продолжительность в интервале 0.01-100 мкс, а другой формирует напряжение стабильного горения плазменного разряда, составляющее 50-300 В.

За счет подбора акустических и электрических параметров устройство позволяет в значительной степени интенсифицировать кавитационные процессы, а комбинированием видов и количеств источников упругих колебаний достигается стабильное горение плазменного разряда, что в свою очередь позволяет стимулировать физико-химические и технологические процессы в жидких средах.

Недостатком прототипа является то, что генерация упругих колебаний с помощью ультразвукового источника, излучающее звено которого расположено в полости рабочей камеры, не позволяет обеспечить равномерную плотность кавитационных пузырьков по сечению потока обрабатываемой жидкости. В этом случае получение высоких качественных характеристик конечных продуктов требует либо нескольких циклов, либо достаточно большого времени, от 5 до 20 минут, обработки единицы объема жидкой среды в замкнутом цикле. Таким образом, интенсификация процесса стимуляции физико-химических и технологических процессов ограничена.

Технической задачей является конструктивное решение, позволяющее создать плазменный разряд в потоке жидкой среды.

Настоящее изобретение направлено на изыскание технического продукта, позволяющего интенсифицировать физико-химические и технологические процессы и стимулировать их путем соноплазменного воздействия на непрерывный поток жидкости.

Технический результат достигается тем, что предложено устройство для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов в жидкой среде, включающее рабочую проточную камеру, предназначенную для создания в ней зоны кавитации, поток жидкости в которую подается через сужающийся цилиндрический канал, при этом рабочая камера дополнительно снабжена источником электромагнитного излучения, выполненного с возможностью создания в зоне кавитации рабочей камеры как переменного, так и постоянного поля напряженностью 1÷10 кВ/см, а на выходе сужающегося цилиндрического канала расположено излучающее сопло, обеспечивающее режим потока, отличный от ламинарного.

Технический результат достигается также тем, что источник электромагнитного излучения соединен, по меньшей мере, с двумя электродами, которые введены в полость рабочей камеры.

Возможно, что источник электромагнитного излучения выполнен в виде магнитрона, обеспечивающего возможность работы в СВЧ-диапазоне переменного поля.

Желательно, что электромагнитное излучение генерируется источником в импульсном режиме продолжительностью 0.1-100 мкс и частотой 1÷10 кГц.

Под действием электрического поля в образующихся кавитационных пузырьках происходят газовые электрические разряды. Это обусловлено тем, что при образовании кавитационного пузырька давление в нем не превышает давления насыщенных паров окружающей жидкости. В случае большинства жидких сред это давление настолько мало, что реализуются условия газового разряда даже при сравнительно небольших значениях электрического поля 1÷2 кВ/см.

Образование газового разряда приводит к двум полезным эффектам. Прежде всего, при газовом разряде происходит электродинамический удар, в результате которого в жидкой среде распространяются гидродинамические волны, приводящие в свою очередь к образованию новых кавитационных пузырьков, т.е. происходит генерация упругих колебаний. С увеличением концентрации кавитационных пузырьков повышается и механохимическая активность кавитационной области в целом.

Во-вторых, в газовом разряде под действием потока электронов образуются активные химические соединения: радикалы и ион-радикалы, которые химически интенсифицируют процессы разложения жидкой среды на составляющие элементы.

Важно отметить, что накопление продуктов разложения в жидкой среде приводит к увеличению давления насыщенных паров внутри кавитационных пузырьков, затрудняя тем самым возникновение новых электрических разрядов и тормозя интенсификацию процессов стимуляции. Поэтому для неводных сред существенным является повышенное, в интервале 5÷10 кВ/см, напряжение поджигающего импульса, а его генерация в импульсном режиме продолжительностью 0.1÷100 мкс и частотой 1÷10 кГц позволяет не выходить за верхний предел заявленной напряженности.

В случае водных сред наблюдается постоянное выделение в кавитационной зоне рабочей проточной камеры легкого продукта разложения - водорода. В этом случае ни повышенной напряженности электромагнитного поля, ни его генерации в импульсном режиме не требуется. Это делает перспективным применение заявленного устройства в качестве генератора водорода.

Совокупность предложенных средств воздействия на жидкую среду позволяет создать кавитационный шум, характеризующийся частотой колебания 10÷1000 кГц и относительной мощностью 50÷90 dB.

Работа предлагаемого устройства для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов осуществляется следующим образом.

Для конкретной жидкой среды с известной плотностью и динамической вязкостью подбирают геометрию излучающего сопла, обеспечивающую на выходе сужающегося цилиндрического канала скорость истечения жидкой среды, характеризующуюся переходом от ламинарного к турбулентному режиму, т.е. превышением критического числа Рейнольдса. Известно, что для потоков, проходящих по прямым трубам, критическое число Рейнольдса составляет Re≈2300 [К.Ф.Павлов и др. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, М., "Химия", 1976, стр.156-158].

Насосом поток жидкости через сужающийся цилиндрический канал, снабженный излучающим соплом, подают в рабочую проточную камеру, в которой создается зона кавитации за счет режима потока, отличного от ламинарного.

Включают источник электромагнитного излучения, формируют в зоне кавитации рабочей камеры поле напряженностью, достаточной для газового разряда в образовавшихся и вновь образующихся кавитационных пузырьках. В случае неводных сред устанавливают импульсный режим электромагнитного излучения.

Газовый разряд приводит к электрическому пробою жидкой среды и делает жидкость электропроводящей, в результате чего в рабочей жидкости возникает плазменный разряд, имеющий стабильное горение и позволяющий целенаправленно воздействовать на какой-либо из параметров осуществляемого процесса. Для поддержания стабильного горения вполне достаточно напряжения около 0.5 кВ/см, что на порядок ниже приложенного.

Ниже приведены примеры использования устройства, производительностью 0.5 м³/час для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов. Время пребывания единицы объема жидкости в режиме плазменного разряда составляло 0.2 сек. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают применение предложенного устройства.

Пример 1.

Ливневый сток промышленного предприятия, загрязненный органическими веществами концентрацией 2.0 мг/л, что определяло величину химического потребления кислорода (ХПК), равную 1000 мгО/л, обрабатывали соноплазменным воздействием с помощью предлагаемого устройства. На зону кавитации накладывали постоянное поле напряженностью 2 кВ/см. На выходе из устройства ХПК жидкости снизился до 400 мгО/л. Повторная обработка жидкости при напряженности электромагнитного излучения 1 кВ/см позволила достичь ХПК, равное 250 мгО/л.

Предлагаемое устройство позволяет провести водоподготовку к канализационному сбросу загрязненных технических стоков без применения широко распространенных методов озонирования и электрохимической обработки.

Пример 2.

Отработанные моторные масла обрабатывали соноплазменным воздействием с помощью предлагаемого устройства. На зону кавитации накладывали переменное поле напряженностью 10 кВ/см в импульсном режиме продолжительностью 10 мкс и частотой 8 кГц. После этого активированные масла разлагали термическим крекингом при атмосферном давлении и температуре нагрева 360°С. Выход конечных продуктов по составу составил: бензиновая фракция с температурой кипения до 180°С - 20%, дизельная фракция с температурой кипения 180-360°С - 65%, битумы дорожных марок - до 15%.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет провести переработку отработанных масел с глубиной не ниже каталитического крекинга, однако энергозатраты при этом снижаются в 2-2.5 раза. В большой степени упрощается собственно технологический процесс переработки: отсутствует химический катализатор; не нужно проводить операции по его регенерации.

Настоящее изобретение позволяет интенсифицировать физико-химические и технологические процессы и стимулировать их путем соноплазменного воздействия на непрерывный поток жидкости.

1. Устройство для соноплазменной стимуляции физико-химических и технологических процессов в жидкой среде, включающее рабочую проточную камеру, предназначенную для создания в ней зоны кавитации, поток жидкости в которую подается через сужающийся цилиндрический канал, при этом рабочая камера дополнительно снабжена источником электромагнитного излучения, выполненного с возможностью создания в зоне кавитации рабочей камеры как переменного, так и постоянного поля напряженностью 1÷10 кВ/см, а на выходе сужающегося цилиндрического канала расположено излучающее сопло, обеспечивающее режим потока, отличный от ламинарного.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник электромагнитного излучения соединен, по меньшей мере, с двумя электродами, которые введены в полость рабочей камеры.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник электромагнитного излучения выполнен в виде магнетрона, обеспечивающего возможность работы в СВЧ-диапазоне переменного поля.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник электромагнитного излучения генерирует излучение в импульсном режиме продолжительностью 0,01÷100 мкс и частотой 1÷10 кГц.