Кавитационный реактор

 

Изобретение относится к перемешиванию и может быть использовано в нефтехимической промышленности, в частности для окисления нефтяных остатков кислородом воздуха до битумов различных марок. Цель изобретения - интенсификация процесса смешивания. Кавитационный реактор содержит корпус с размещенной в нем крыльчаткой, ступица которой установлена на трубопроводе с перфорированным концом. Реактор снабжен диском, закрепленным неподвижно на торцовой части трубопровода и имеющим каналы в периферийной части. Ступица имеет форму конуса и установлена с возможностью свободного вращения. В ступице выполнены каналы, оси входных отверстий которых лежат в одной плоскости с осями отверстий перфорации трубопровода, а центры выходных отверстий и входных отверстий каналов в диске лежат на одной окружности, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси реактора.

Изобретение касается перемешивания и может быть использовано в нефтехимической промышленности, в частности для окисления нефтяных остатков кислородом воздуха до битумов различных марок. Цель изобретения интенсификация процесса смешивания. На чертеже представлен кавитационный реактор, разрез. Кавитационный реактор содержит корпус 1 с размещенной в нем крыльчаткой 2, ступица 3 которой установлена на трубопроводе 4 с перфорированным концом. Реактор снабжен диском 5, закрепленным неподвижно на торцовой части трубопровода 4 и имеющим каналы 6 в периферийной части. Ступица 3 имеет форму конуса и установлена с возможностью свободного вращения. В ступице 3 выполнены каналы 7, оси входных отверстий которых лежат в одной плоскости с осями отверстий 8 перфорации трубопровода, а центры выходных отверстий и входных отверстий каналов 6 в диске 5 лежат на одной окружности, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси реактора. Кавитационный реактор работает следующим образом. Поток жидкости, подвергаемый смешению, прокачивают через корпус 1 со скоростью порядка 3-8 м/с. При обтекании крыльчатки 2 скорость потока увеличивается до 15-20 м/с, давление жидкости при этом снижается, жидкость воспринимает растягивающие усилия. Происходит вскипание, вначале легколетучих компонентов, затем (по мере снижения давления) и более тяжелокипящих компонентов. При этом образуются поля микропузырьков по всему сечению корпуса 1. В дальнейшем микропузырьки схлопываются с образованием кумулятивных микроструек со скоростями до 10⁵ м/с и ударными давлениями до 10⁴ атм. Воздействие кумулятивных микроструек обеспечивает перемешивающее воздействие. Газ подают через трубопровод 4, отверстия 8, каналы 6 и 7 в зону образования каверн, где под воздействием кумулятивных струй газ смешивается с жидкостью, образуя мелкодисперсную газожидкостную смесь. При этом создаются условия наибольшей площади контакта окислителя и жидкости, что повышает скорость окисления жидкости. При данной форме обтекаемого тела кавитация возникает при некотором, вполне определенном для данной точки потока значении безразмерного параметра где P_∞ гидростатическое давление набегающего потока; P_н давление насыщенного пара; ρ плотность жидкости; V_∞ скорость жидкости на достаточном расстоянии от тела. Параметр χ называется числом кавитации и служит одним из критериев подобия при моделировании гидродинамических течений. Если внутрь каверны через тело, около которого возникает кавитация, подвести атмосферный воздух или иной газ, то размеры каверны увеличиваются. При этом установится течение, которое соответствует числу кавитации, образованному уже не по насыщенному давлению пара P_н, а по давлению газа внутри каверны, т.е. P_в Так как P_в может быть много больше P_н, то в таких условиях возможно при малых скоростях набегающего потока получать течения, соответствующие очень низким значениям χ , т.е. глубоким степеням развития кавитации. Пульсация окислителя приводит к пульсации размеров каверны, так как размер каверны зависит от расхода газа в каверну. Однако при работе соотношения расходов жидкость-газ при росте размеров каверны наблюдается снижение энергетических параметров схлопывания кавитационных микропузырьков, так как энергия схлопывания пузырьков пропорциональна разности давлений внутри пузырька и вне его. Чем выше градиент давления, тем выше выделяемая при схлопывании пузырька энергия, тем более мелкодисперсную газожидкостную смесь возможно получить. Пульсация расхода газа в каверну позволяет добиться резкого роста выделяемой энергии при одновременном росте размеров и количества микропузырьков. Пульсация расхода газа приводит к изменению давления в каверне и, следовательно, скачкообразному изменению диаметра пузырьков, т.е. возникают условия, обеспечивающие облегченный рост микропузырька, а на последующем полупериоде к более жестким условиям его схлопывания. Наилучшие условия достигаются при совпадении частоты пульсации расхода газа и собственной частоты пульсации каверны. Обычно собственная частота пульсаций каверны составляет сотни герц. Добиться такой частоты пульсаций расхода газа весьма трудно. Предлагается за счет вращения крыльчатки 2 относительно диска 5 перекрывать каналы 6 и 7, добиваясь при этом пульсации расхода газа. Такая конструкция не требует внешних источников и аппаратуры. Кроме того, выбирая угол установки лопастей, возможно добиться необходимой частоты вращения, которая обеспечит требуемую частоту пульсации расхода газа. Крыльчатка 2 представляет собой лопасть суперкавитирующего профиля, закрепленного на трубопроводе 4 с возможностью свободного вращения. Выполнение ступицы 3 конусной обеспечивает увеличение скорости потока. После расширения за ступицей 3 скорость потока снижается до 1-2 м/с. Такая скорость обеспечивает минимальные потери давления при транспортировке жидкости. Крыльчатка 2 под действием потока жидкости приходит во вращательное движение. При этом, вращается крыльчатка или нет, кавитационные пузырьки возникают в местах наибольших растягивающих усилий, т. е. в местах наибольшего загромождения на задних кромках лопаток крыльчатки. Таким образом, в предложенном устройстве кавитационный процесс происходит именно на крыльчатке. При обтекании конусного основания крыльчатки 2 создаются вихри, которые, с одной стороны, вызывают дробление кавитационных пузырьков, созданных на задних кромках крыльчатки, с другой стороны, вызывают некоторую эжекцию газа, т.е. облегчается подача газа в жидкость и возможно снижение давления газа на входе устройства. Наилучшие условия работы устройства достигаются при резонансе частот. Частота пульсации газа зависит от скорости вращения крыльчатки, которая, в свою очередь, в основном зависит от угла установки лопастей. Кроме того, частота пульсации газа не зависит от количества каналов 6 и 7 для ввода газа, число которых определяется исключительно из условия пропускания газа. Предложенный кавитационный реактор обеспечивает получение высокой дисперсности, увеличение площади контакта cмешиваемых веществ, что сокращает время протекания реакции и увеличивает производительность реактора.

Формула изобретения

Кавитационный реактор, содержащий корпус с размещенной в нем крыльчаткой, ступица которой установлена на трубопроводе с перфорированным концом, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса смешения, он снабжен диском, закрепленным неподвижно на торцевой части трубопровода и имеющим каналы в периферийной части, а ступица крыльчатки имеет форму конуса и установлена с возможностью свободного вращения, при этом в ступице выполнены каналы, оси входных отверстий которых лежат в одной плоскости с осями отверстий перфорации трубопровода, а центры выходных отверстий и входных отверстий каналов в диске лежат на одной окружности, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси реактора.

РИСУНКИ

Рисунок 1