Способ обработки материалов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способу и средству (С) воздействия на поток текучей среды (ТС) в физических, физико-химических, химических, биологических и иных процессах. Обработку ведут в составе кристаллизующейся ТС в камере (К) импульсами давлений, путем снижения давления возбуждают течения газовых растворов (ТГР) в межмолекулярных или межатомных пространствах ТС и формируют из них пузырьки газа, затем с помощью течений газовых растворов растворяют их в ТС путем повышения давления в К. Устройство выполнено в виде герметичной К с жесткой оболочкой, выпуклыми днищем и крышкой, с С ввода и вывода из К ТС в виде труб с обратными клапанами по ходу потока, регулирующими органами, регуляторами потока на входе и сливе и средствами обработки в виде волновых колебаний ТС. В основе изобретения лежат физические силы механических колебаний давления, возбуждающих ТГР в ТС, изменяющие структуру и параметры силового поля молекул - растяжение и сжатие связей, деформацию валентных и торсионных углов, вандерваальсовы взаимодействия, удельную поверхность молекул S/V=10⁹ м^-1и безразмерный фактор массотеплопередачи в виде отношения скорости ТГР в псевдокристалле к скорости молекул относительно друг друга в тот же миг и в том же объеме, стремящийся в пределе к величине 10¹¹, что позволяет транспортировать реагирующие материалы навстречу друг другу в возбужденном состоянии, одновременно производить разделение и очистку ТС от любых взвесей. 2 с и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способам и средствам воздействия на поток текучей среды и может быть использовано для обработки материалов в физических, физико-химических, химических, биологических и иных технологических процессах, в легкой и пищевой промышленности, черной и цветной металлургии, химии и энергетике, экологии и нефтехимии, в частности для обработки воды, промышленных сточных вод, растворов, кислоты, щелочи, расплавов шлака и металлов, а также в процессах диспеpгирования, диффузии, электролиза, теплопередачи, тепломассообмена, гидролиза, экстракции, аппретирования, смешения, стирки, промывки, отбеливания, мерсеризации, шлихтовки, расшлихтовки, крашения, растворения, выщелачивания, выращивания кристаллов и монокристаллов из растворов или расплава, извлечения летучих и взвешенных в текучей среде компонентов, включая радионуклеиды, травления металла, предотвращения накипеобразований, рафинирования жидкого металла и т.д.

Цель изобретения инициирование эффективности в широкой области физических, физико-химических, химических, биологических и иных технологических процессах, превышающих по эффективности известные процессы в 10²-10¹¹ раз.

Цель достигается тем, что в герметичную камеру с жесткой оболочкой подают обрабатываемый материал с кристаллизующейся текучей средой, содержащей газы и газовые растворы, и возбуждают в ней течения газовых растворов перепадами импульсных давлений ниже точки давления насыщенных газовых растворов во всем объеме межмолекулярного пространства текучей среды, в фазах снижения давления формируют пузырьки газа из газовых растворов, а в фазах сжатия растворяют их.

Эффективность любого технологического процесса, не осложненного химической реакцией, определяется безразмерным фактором тепломассопереноса j, равного j= v_{газ. растворов}/v_{молекул}Lim 10^x, где V_{газ. растворов} скорость течения газовых растворов между атомов или молекул кристаллизующейся текучей среды, и может достигать сотни метров в секунду; V_{молекул} скорость течения молекул /атомов друг относительно друга в кристаллизующейся текучей среде на расстоянии вандервальсовых взаимодействий. Эта величина может измеряться от долей ангстрема до нескольких микронов в секунду. Во взрывных процессах эта величина может быть и больше; х степень в потенциале отталкивания и сжатия силового поля молекул измеряется величиной от нуля до одиннадцати и даже выше. Если скорость течения газовых растворов равна нулю, то и эффективность процесса равна единице, так как 10^о=1. Если же скорость течения газовых растворов равна 100 м/с, а скорость молекул 1, то эффективность процесса будет равна j= 100 м/с/10^-9 м/с10¹¹ Эффективность технологического процесса, осложненного химической реакцией, будет равна j_x= Lim 10^х+y, где у степень в потенциале отталкивания и сжатия силового поля молекул, осложненного химической реакцией. Дальнейшие рассуждения приведут нас к тому, что процессы с получением газов из жидкостей и жидкостей из газов наиболее эффективны.

Под термином "кристаллизующаяся текучая среда" следует понимать жидкость, раствор, расплав или иную текучую среду, способные проходить фазу кристаллизации и псевдокристаллизации не только при снижении температуры ниже температуры кристаллизации, но и при снижении давления. Например, рафинирование расплава металла проводят в кристаллизующейся текучей среде несмотря на то, что в современном понятии процесс кристаллизации в расплавленном металле отсутствует. Вода кристаллизующаяся текучая среда при температуре выше 0^оС, хотя в ней отсутствуют кристаллы льда.

С каждым импульсом снижения давления и повышения давления непрерывно изменяются свойства и структуры текучей среды и материалов, которые в ней находятся. В основе этих структурных преобразований лежат сверхпроцессы: псевдо- кристаллизации, диспергации, диффузии, ионизации, рекомбинации, сольватации, тепломассопереноса, растворимости, энергетические, вандервальсовые взаимодействия в силовых полях молекул и т.д.

Состояние газовых растворов в межмолекулярных или межатомных пространствах среды определяет свойства и структуру вещества кристалла, растворителя, расплава, раствора или иной жидкости. Взаимосвязь газовых растворов со структурой веществ настолько многообразна, что все ее виды трудно перечислить.

Течение газовых растворов можно использовать в следующих технологических процессах: снятие кожуры с картофеля, совмещенное с промывкой; приготовление кормов, исключающих термическую обработку материалов; экстракция растворителями твердых и жидких веществ; растворение, смешивание жидкостей с жидкостями, смешивание вязких жидкостей, а также жидкостей с твердыми частицами (веществами); общие химические или физико-химические, или физические процессы, проводимые в присутствии жидкостей и твердых частиц или твердыми частицами не в форме частиц, например листами; химические, физические, физико-химические или биологические способы общего назначения; промывка гранулированных, порошкообразных материалов, включая кусковые; способы общего назначения для нанесения жидкостей или других текучих веществ на поверхности с диффузией покрытия в материал; непрерывное литье металла с предварительной обработкой расплавленного металла; обработка метала в жидком или вязком состоянии в литейных формах с использованием электрических или магнитных воздействий, воздействием на структуру зерна или строение материала; способы обработки глины; приготовление суспензий, приготовление суспензий перемешиванием глины с водой, обработка суспензии для гомогенизации или для измельчения; способы смешивания глины с другими материалами; способы для получения смесей цемента с другими материалами, например жидкого цементного теста; обработка пластиков, обработка веществ в пластическом состоянии вообще; смешивание, пластикация; предварительная обработка материала перед формованием; сырого каучука, гуттаперчи или иных веществ; получение водорода, кислорода, синтез газа из углеводородов; умягчение воды, предотвращение накипеобразования; получение удобрений мокрой обработкой или выщелачиванием сырья либо кислотами, либо щелочами; получение углеводородов из углеводородов с большим числом атомов углерода в молекуле; способы полимеризации в масле, в растворе, в органическом растворителе, в водном растворителе, в водной среде и т.д. старение или созревание алкогольных напитков; извлечение соединений металлов из руд и рудных концентратов мокрыми способами; общие способы рафинирования или переплавки металлов; получение благородных металлов, олова, никеля, кобальта, свинца, кадмия и цинка мокрыми способами, например выщелачиванием изменение физической структуры цветных и черных металлов и их сплавов; покрытие металлических материалов в твердом состоянии внедрением материала в расплавленном состоянии на глубину наружного ряда кристаллов; химическое покрытие; химическая поверхностная обработка; предварительная обработка материала, подлежащего покрытию; очистка или обезжиривание металлических материалов химическими способами; электролитические способы получения неорганических соединений или неметаллов: водорода или кислорода, электролизом воды; электрогенеративные способы, т. е. способы получения соединений с одновременным выделением электричества; обработка текстильных изделий, эластичных материалов жидкостями или растворителями: отбелка, мерсеризация, крашение, аппретирование, шлихтование, стирка и промывка; химическая и безреагентная обработка натурального волокна или волокнистого материала, например шерсти; производство бумаги, производство целлюлозы; разделение сырья на волокна химическими способами или гидродинамическими способами, совмещенными с механическими способами; производство целлюлозы путем удаления нецеллюлозных веществ из содержащих целлюлозу материалов; предварительной обработкой сырья, холодной варкой сырья; обработка бумажной массы перед поступлением на бумагоделательную машину, добавление веществ; способы промывки скважин; добыча полезных ископаемых растворением, например добыча солей; подогрев или аккумулирование подогретой воды внутри паровых котлов; система водяного центрального отопления; стерилизация мясомолочных продуктов, зараженных бруцеллезом, туберкулезом или иными бактериями; нагревание текучей среды; теплообмен; теплопередача; очистка внутренних и внешних поверхностей теплообменников или теплопередающих каналов; обеззараживание питьевых и сточных вод уничтожением бактерий, вирусов и микроорганизмов в ней; выращивание монокристаллов из жидкостей, из расплавов, из расплава с использованием расплавленных растворителей, вытягивание монокристаллов из расплава, например по методу Чохральского, на затравочном кристалле и т.д.

Данный способ разработан на основе исследований обзорной и научно-технической информации, патентной документации, изобретений и открытий СССР. В результате теоретических исследований были предсказаны и экспериментально подтверждены неизвестные ранее явления, свойства и закономерности материального мира при кристаллизации, псевдокристаллизации, кавитации, диффузии, тепломассопереносе, флотации, катализа, пиролиза, разделения и очистки, броуновского движения, жидкости как твердого тела, пограничных слоев и сплошных сред. На основе этих открытий создана неизвестная ранее наука молекулярная гидродинамика.

Теоретически предсказана и экспериментально подтверждена неизвестная ранее закономерность течений газовых растворов в кристаллизующихся текучих средах, заключающаяся в том, что при снижении давления в среде формируются течения газовых растворов и двухсторонний вынос ими загрязнений в плоскости спайности образующихся псевдокристаллов с последующим стягиванием их к ребрам, а затем к вершинам разрушающихся псевдокристаллов с образованием там пузырьков газа. После снятия вакуума пузырьки газа растворяются в текучей среде. Форма псевдокристаллов зависит от материала и структуры текучей среды.

Процесс образования псевдокристаллов при импульсном вакуумировании называется псевдокристаллизацией, а само явление, которое сопровождает этот процесс, называется явлением псевдокристаллизации.

Течения газовых растворов уменьшают поляризацию молекул и атомов, многократно разрушают и восстанавливают структуру жидкостей, активизируют ее, измельчают и вымывают загрязнения из межкристаллитного пространства наружного ряда кристаллов, тем самым способствуют разрушению твердого тела и проникновению жидкости в глубину любого монолита, например при выщелачивании руды в массиве горной породы. Разрушение структуры жидкости и расплава связано с явлением выноса загрязнений из объема псевдокристаллов, поэтому при электролизе и выращивании монокристаллов в фазе возрастающего вакуума осажденный материал на катоде и затравке будет чище и возрастать с каждым импульсом на величину псевдокристалла.

Если на пути газовых растворов встречаются растительные полимеры с мембранной структурой, то течения газовых растворов выносят зольные вещества в текучую среду без разрушения волокнистой структуры растительного полимера, что очень важно для текстильной промышленности. Ткань можно обрабатывать в рулонах, при этом процессы отбеливания, промывки, мерсеризации, крашения, стирки, аппретирования и ворсования идут с минимальным расходом химических растворов, красителя, воды и энергии при высоком качестве продукции. При этом производственные площади отделочных фабрик на этих операциях могут сократиться в сотни раз.

Покрытия, нанесенные предложенным способом, обладают высокими защитными свойствами благодаря диффузии защитных материалов в материал твердого тела по крайней мере на глубину наружного ряда кристаллов, наружного ряда волокон, например для дерева.

Импульсная вакуумная обработка придает остывающему слитку неизвестное ранее свойство сверхтеплопроводности вплоть до температуры ниже линии солидуса конца кристаллизации металла. Это позволяет получать слитки с мелкокристаллической решеткой и гомогенной структурой независимо от объема охлаждаемого металла.

Сверхтеплопроводность позволяет в тысячи раз уменьшить площади теплопередачи от сильно нагретых тел, например в атомной энергетике, при этом исключается накипеобразование.

Можно резко повысить прочность бетонов и растворов за счет диспергирования цемента на один-три порядка и диффузии его в кристаллическую решетку заполнителя и арматурный каркас.

Совмещением импульсной вакуумной обработки воды с электролизом или химической обработкой можно получать водород и кислород, при этом течения газовых растворов возбуждают и раздирают молекулы воды на атомы, уменьшают их поляризацию, разрушают структуру воды, ускоряют процесс разделения, способствуют получению целевого продукта и снижают энергоемкость всего процесса.

В условиях эпидемий, бактериологической войны обеззараживание воды и промстоков производят путем разрушения оболочки вирусов и бактерий течениями газовых растворов, возбуждаемых импульсным вакуумированием текучей среды. После разрушения оболочек вирусы и бактерии погибают. Кроме того, обеззараживание воды можно совмещать с обеззараживанием текстильных изделий стиркой.

Изложенным способом можно получать длинные волокна для производства высококачественной бумаги, целлюлозы и льняных волокон, например при обработке древесины в виде хлыстов, поленьев, крупной щепы, бревен, снопов льна.

В технологических процессах импульсного вакуумирования не нужны катализаторы, физические параметры могут быть совмещены с химическими, термодинамическими, электрическими, электромагнитными, волновыми во всем диапазоне частот. В любом случае порознь или в различных комбинациях проявляется гигантская активность технологического процесса и обусловлена эта активность тем, что в работе участвуют необычайно высокая удельная поверхность молекул и атомов (10⁹ М^-1) и высокие скорости течений газовых растворов, которые могут достигать сотни метров в секунду, и с этой же скоростью они транспортируют непрореагировавшие молекулы и атомы навстречу друг другу по наикратчайшему расстоянию в возбужденном состоянии. Таким образом, как бы не была развита поверхность катализатора, она несоизмеримо мала в сравнении с молекулярной поверхностью всего объема текучей среды, в которой она находится, а скорости самодиффузии на поверхностях катализаторов близким к нескольким ангстремам в секунду, что говорит не в пользу катализаторов. Предложенный процесс обеспечивает максимальный выход годной продукции при оптимальном соотношении продуктов на входе реакций.

Второе отличие способа состоит в том, что процесс ведут при постоянном вакуумировании среды, а импульсы создают пульсирующим сжатием среды, например взрывами, электрогидравлическими ударами, механическими средствами, ультразвуковыми волнами, ионизирующим излучением и т.д. порознь или в различных комбинациях.

Эти признаки наиболее целесообразно использовать при обработке большого объема материалов, например при выщелачивании горных пород, или в герметичных пустотах горных массивов, или в огромных сосудах.

Третье отличие способа состоит в том, что процесс ведут в камере с регулирующими и обратными клапанами на входе и выходе потоков проточной среды, проточную текучую среду в камере разделяют как минимум на два потока основу и флотопродукты и выводят их соответственно через нижнюю и верхнюю части камеры пропорционально разделенным потокам.

В сущности это новый способ импульсной флотации без использования флотореагентов, коагуляции и флокуляции, который можно использовать раздельно или совместно с другими процессами. Импульсная вакуумная флотация позволяет проводить разделение и очистку текучих сред от взвешенных всех частиц радионуклеидов, коллоидов, хлопьев, солей, тяжелых металлов и летучих компонентов. Сущность процесса состоит в том, что при снижении давления течения газовых растворов выносят пузырьки газа содержимое межмолекулярных и межатомных пространств текучей среды (флотопродукты) За время существования пузырька он поднимается на небольшую высоту и транспортирует на себе флотопродукты на ту же высоту, а так как импульсы снижения и повышения давления повторяются с любой заданной частотой, то текучая среда становится своеобразным незасоряющимся фильтром, лишенным всех известных недостатков, присущих фильтрам. Под основой следует понимать нефлотируемую текучую среду, проходящую фазу псевдокристаллизации при снижении давления.

Четвертое отличие способа состоит в том, что обрабатываемые и реагирующие материалы подают в камеру или раздельно (например, в виде порошков, крупно-дисперсных смесей, снопов льна, в проницаемых контейнерах, послойно и т. д.) с текучими средами, или совмещают раздельную загрузку сыпучих материалов на входе трубопровода в камеру перед обратным клапаном непрерывно, а обработку ведут в проточной текучей среде.

Эти признаки целесообразно использовать при подаче материалов в камеру, слабо реагирующих с турбулизированным потоком текучей среды в непрерывных процессах. Когда эти материалы попадают в зону пульсирующих давлений (импульсного вакуумирования), в текучей среде возбуждаются течения газовых растворов, а с ними проявляется букет сверхсвойств, усиливающих эффективность процесса. Например, высокомолекулярные системы плохо полимеризуются при высоких давлениях и температурах, так как движения в текучей среде затруднены длинными цепочками молекул. Иная картина раскрывается при наличии течений газовых растворов, транспортирующих свободные атомы и молекулы до тех пор, пока каждая из молекул или атомов не будет связана в новые структурные соединения.

Пятое отличие способа состоит в том, что процесс ведут или с градиентами скоростей, или без градиентов скоростей в текучей среде или при их сочетании.

Экспериментально обнаружена и теоретически подтверждена неизвестная ранее закономерность при сочетании градиента скоростей с импульсным вакуумированием: объем газа в пузырьках псевдокристалла пропорционален не менее квадрату градиента скорости по сравнению с режимом псевдокристаллизации без градиента скорости. Эти признаки целесообразно использовать при дегазации текучей среды и для повышения скорости течения газовых растворов.

Шестое отличие способа состоит в том, что процесс ведут или с нагревом, или с охлаждением текучей среды и обрабатываемых материалов. Этот процесс необходимо использовать при обработке высокоинициирующих материалов, например взрывчатых веществ, или при обработке материалов вблизи критических точек, например парообразовании.

Седьмое отличие способа состоит в том, что смесь изотопов в составе текучей среды разделяют путем возгонки легкого изотопа в режиме волнового цуга или без него, при этом максимальную температуру текучей среды поддерживают в фазах сжатия ниже температуры возгонки тяжелого изотопа. Обеспечивая это условие, можно легко извлекать легкий изотоп из смеси изотопов путем его возгонки с выносом в составе газовой среды. Волновой цуг способствует повышению эффекта разделения.

Восьмое отличие состоит в том, что импульсы снижения давления доводят до вакуума 10^-12, а механические колебания возбуждают с частотой от 10^-2 до 10²⁴ Гц.

Оптимальная частота колебаний в текучей среде определяется, исходя из физико-химических свойств обрабатываемых материалов, включая и биологические свойства материала и наличия средств для возбуждения механических колебаний в текучей среде. Во многих процессах глубокое вакуумирование не требуется, а в биологических процессах может оказаться нежелательным вообще, или наоборот предпочтительным для уничтожения вредных вирусов и бактерий. Снижение давления в текучей среде должно быть взаимосвязано с частотой механических колебаний в текучей среде, глубокого вакуума можно достичь с помощью взрывов или механическими средствами, частота колебаний которых определяется способностью быстрого ввода взрывчатого вещества в камеру после каждого взрыва или прочностью кривошипно-шатунного механизма механического средства импульсного вакуумирования.

Для осуществления способа требуется известное устройство в виде герметичной камеры с жесткой оболочкой, выпуклыми днищем и сводом, оснащенное средствами для ввода-вывода материалов (крышки, люки, водоводы с запорной и регулирующей арматурой) и обработки материалов. Новым является то, что водоводы снабжены обратными клапанами на вводе и выводах верхнем и нижнем и, как минимум, возбудителем механических волн во всем объеме текучей среды или в сочетании со средствами локальной обработки материалов (например, трубчатыми нагревателями, лопастными мешалками, активаторами и т.д.).

Такое конструктивное решение обеспечивает обработку материалов во многих областях промышленности, резко сокращает номенклатуру оборудования, повышает скорости технологических процессов и качество продуктов.

Второе отличие устройства состоит в том, что в качестве механического возбудителя механических волн использован или кривошипно-поршневой насос, или реверсивно-винтовой, или реверсивно-шестеренный насос, рабочие полости которых соединены с полостью камеры, а камера установлена на упругих опорах.

Поршневые, винтовые и шестеренные насосы, а также герметичные реакторы с жесткой оболочкой широко распространены в промышленности, поэтому предложенное устройство может быть изготовлено в любой слабооснащенной механической мастерской.

Третье отличие устройства состоит в том, что средства для ввода смесей в составе текучей среды снабжены по ходу потока в камеру смесителем (например, в виде струйного насоса), нагревателем или охладителем порознь или в различных комбинациях, а ввод в камере снабжен форсункой.

Скорости технологических процессов проходят настолько быстро, что нагрев или охлаждение текучей среды можно проводить непосредственно перед вводом ее в камеру.

Четвертое отличие устройства состоит в том, что между генератором и излучателем волновых колебаний текучих сред, а также между источником ионизирующих частиц и полостью камеры установлены прерыватели импульсов механических волн.

Прерыватель импульсов ультразвуковых волн и волн ионизирующих излучений может использоваться для особо тонких процессов, в которых нужно чередовать высокие частоты с достаточно длительными фазами вакуумирования, во время которых проводят вынос необходимого материала газовыми пузырьками, например подъем на доли миллиметра.

Пятое отличие устройства состоит в том, что, с целью защиты от абразивного износа, химических воздействий и механических ударов, рабочие органы средств возбуждения механических волн отделены мембраной и сеткой от полости камеры с образованием буферной полости, в верхней части которой размещен воздухосбрасывающий дренажный клапан.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема комплексного устройства для обработки материалов в жидкости; на фиг. 2 то же, с нагревателем или охладителем, смесителем и форсункой; на фиг. 3 то же, рабочая полость камеры отделена сеткой и мембраной от полости рабочих органов механического средства волновых колебаний текучей среды.

Устройство для обработки материалов выполнено в виде герметичной камеры 1 с жесткой оболочкой 2, выпуклыми днищем 3 и сводом или крышкой 4, сливным вентилем 5, механическим средством 6 волновых колебаний текучей среды, рабочие органы которого соединены с полостью камеры 1, а средства для ввода-вывода (водоводы) из камеры текучих сред выполнены в виде труб 7 и 8 с обратными клапанами 9 по ходу потока, регулирующими органами 10-12 и регулятором 13 потока на входе, причем дренажный вывод 8 размещен в верхней части камеры 1.

Устройство ввода текучей среды в камеру снабжено смесителем 14, например в виде струйного насоса, нагревателем или охладителем 15 и форсункой 16, введенной в полость камеры 1.

Рабочая полость камеры отделена защитной сеткой 17 и мембраной 18 от полости рабочих органов 19 механического средства колебаний текучей среды 6 с образованием буферной полости 20, в верхней части которой установлен дренажный клапан 21 для сброса только газов.

Камера 1 в горных выработках может представлять на начальном этапе вертикальный ствол со стенками 2, дном 3, приближающимся к нижней отметке рудного тела, сводом 4, выполненным в виде трубы-крышки, забетонированной в горной породе и опускающейся до вершины рудного тела или линзы нефтяного месторождения. Обработку месторождения можно проводить в том случае, если рудное тело загерметизировано природными условиями, или герметизацию можно провести искусственно, или само рудное тело представляет монолит без трещин. В силу особенностей, присущих этому устройству, сливной вентиль 5 установлен на дренажной трубе 8 на поверхности земли, а труба 7 использована не только для ввода текучей среды в камеру 1, но и для ввода в нее взрывных средств колебаний текучей среды в камеру 1. На входе трубы 7 установлены обратный клапан 9, регулирующий орган 10 и регулятор 13 потока. На выходе 8 установлены обратный клапан 9 и вытяжной насос 22, а сама труба 8 выполнена достаточно большого диаметра с отверстием, выполняющим функцию регулирующего органа 12.

Камера 1 может быть выполнена любой формы и размеров, но из условий прочности и металлоемкости и жесткости будет выгодна сферическая форма. В качестве камеры может быть использован любой сосуд радиатор, теплообменник, реактор, камера Глезера, трубопроводы, ректификационные колонны, колонны для крекинга, пиролиза и т.д.

Устройство работает следующим образом.

В камеру 1 подают обрабатываемые материалы в составе текучей среды по трубе 7 через регулятор 13 потока, обратный клапан 9 и регулирующий орган 11, при заполнении текучая среда вытесняет газы из камеры 1 по трубе 8 через обратный клапан 9. Кривошипно-поршневой насос 6 можно запустить только при наличии небольшого количества газа в камере или при верхнем крайнем положении поршня, так как вода не сжимаема.

Далее текучая среда поступает непрерывно при работающем кривошипно-поршневом насосе 6 и полностью вытесняет газы из камеры 1. Затем в зависимости от цели можно проводить в камере различные процессы: физические, химические, физико-химические. Для этого регулирующий орган 10 настраивают таким образом, чтобы объем текучей среды, поступающей в камеру 1, был значительно меньше объема разрежения, создаваемого кривошипно-поршневым насосом при движении поршня из верхней мертвой точки в нижнюю. В результате снижения давления во всем объеме камеры 1 текучая среда проходит фазу псевдокристаллизации с образованием пузырьков газа в вершинах разрушающихся псевдокристаллов, т. е. с помощью предложенного устройства сформировано течение газовых растворов в текучей среде. За время существования пузырек газа поднимается на небольшую высоту. В фазе сжатия пузырек газа растворяется в текучей среде с помощью течений газовых растворов. С помощью регулирующего органа 12 можно обеспечить режим подавления пузырьков газа в текучей среде и обеспечить вывод ее в том объеме, в каком поступило при снижении давления в камере. Течения газовых растворов поднимаются вместе с потоком текучей среды, поступающей в камеру, а пузырьки газа транспортируют флотореагенты. Скорость подъема флотореагента суммируется из этих двух составляющих.

П р и м е р 1. Если в камеру подать раствор красителя, содержащий кристаллы и гели красящего вещества, то в результате импульсных вакуумных давлений крупные частицы будут диспергированы, а истинный раствор будет получен на выходе обратного клапана 12.

П р и м е р 2. В камере 1 полимеризуют высокомолекулярные вещества А, В, С и т.д. в составе растворителя, например воды. В этом случае обработку материалов ведут до полной полимеризации, при этом течения газовых растворов транспортируют молекулы и атомы друг относительно друга и навстречу друг другу до тех пор, пока каждая из молекул или группа молекул не среагируют с другими молекулами. После полимеризации продукты разгружают через открытый сливной вентиль 5 или иным путем.

П р и м е р 3. Промышленные сточные воды, содержащие любой букет взвешенных частиц, включая радионуклеиды, тяжелые металлы, коллоидные растворы и т. д. разделяют и очищают в режиме псевдокристаллизации, одновременно проточную воду разделяют на два потока основу и флотопродукты и выводят их соответственно через нижнюю и верхнюю части камеры пропорционально разделенным потокам. Если в промышленных сточных водах необходимо уничтожить болезнетворные вирусы, микробы и бактерии, то режим псевдокристаллизации подбирают в соответствии с поставленной задачей. Этому условию способствует тот факт, что жидкость (вода) рассматривается как твердое тело, разупрочненное газовыми растворами, сохраняет ближние связи. Течения газовых растворов прогоняют вирусы и бактерии с большими скоростями в межмолекулярных пространствах твердых молекул воды и разрушают их оболочки, затем они погибают.

П р и м е р 4 (способ приготовления шлихты). На входе в камеру смешивают дозированные количества крахмалопродуктов и воды и нагревают их до температуры клейстеризации крахмала и обрабатывают приготовленную суспензию в режиме псевдокристаллизации до полного расщепления зерен крахмала. Процесс можно проводить как в проточной среде, так и за один цикл: загрузка, импульсная обработка, разгрузка.

П р и м е р 5 (способ дегазации жидкости). Процесс ведут в режиме псевдокристаллизации с градиентами скорости в проточной текучей среде, проточную текучую среду в камере разделяют на два потока основу и газопродукты и выводят их соответственно через нижнюю и верхнюю части камеры пропорционально разделенным потокам. Из дегазированной жидкости будут выведены не только газопродукты, но и взвешенные в ней вещества. Степень очистки определяется режимами псевдокристаллизации.

Если процесс дегазации, изложенный выше, совместить с нагревом жидкости, то эффективность дегазации повысится в связи с увеличением объема газовых растворов в межмолекулярном пространстве жидкости. Полученные продукты выводятся из камеры 1 в фазах сжатия через верхний и нижний выводы 8 и регулирующие органы 11 и 12, выполняющие функцию дозаторов.

П р и м е р 6 (способ разделения изотопов). Смесь изотопов в составе текучей среды разделяют путем возгонки легкого изотопа в режиме псевдокристаллизации, волнового цуга и в проточной текучей среде, при этом максимальную температуру текучей среды поддерживают в фазах сжатия ниже температуры возгонки тяжелого изотопа, проточную текучую среду разделяют на два потока основу и газопродукты и выводят их соответственно через нижнюю и верхнюю части камеры пропорционально разделенным потокам. На выходе газопродукты охлаждают и конденсируют легкий изотоп, а затем его извлекают.

Режим псевдокристаллизации обеспечивает сверхтеплопроводность смеси изотопов. Волновой цуг возбуждает только легкий изотоп, и он возгоняется одновременно во всем объеме камеры 1. Сверхтеплопроводность смеси изотопов позволяет поддерживать температуру текучей среды не выше температуры возгонки тяжелого изотопа даже в фазе сжатия. Таким образом, легкий изотоп возгоняется и в составе газопродуктов выводится из камеры 1 через верхний вывод 8 и регулирующий орган 12. Тяжелый изотоп выводят из камеры через нижний вывод 8 и регулирующий орган 11 при открытом сливном вентиле 5.

Устройство для разделения изотопов показано на фиг. 1 и 2. Внутри камеры 1 должен быть установлен излучатель электромагнитных волн, соединенный с генератором (на фиг. 1 и 2 не показаны) вне камеры 1.

П р и м е р 7 (промышленная мойка деталей, промывка гранулированных и порошкообразных материалов, химическая поверхностная обработка деталей, получение благородных металлов выщелачиванием). Эти процессы можно проводить в одном универсальном устройстве, изображенном на фиг. 3. Обрабатываемый материал загружают в камеру 1 при снятой крышке 4 в контейнере или в сетке таким образом, чтобы обеспечивался свободный доступ обрабатывающего раствора ко всем поверхностям. Точечный и линейный контакт материала на качество процесса не влияет. При закрытой крышке 4 в камеру 1 подают обрабатывающий раствор по трубе 7 и включают кривошипно-поршневой насос 6, при этом в полость 20 предварительно заливают смазывающую жидкость, например воду или масло, таким образом, чтобы мембрана 18 не касалась сетки 17, днища 3 и оболочки 2 в верхней и нижней мертвых точках поршня насоса 6, а воздух стравливают через дренажный клапан 21. Обработку материалов ведут в режиме псевдокристаллизации до получения готовых продуктов. Устройство позволяет проводить комплексную обработку материалов со сменой обрабатывающих растворов, с разделением и очисткой обрабатывающего раствора импульсной флотацией. В зависимости от цели включают или выключают регуляторы 5 и 13 потока, настраивают регулирующие органы 10-12. Мембрана 18 и сетка 17 защищают рабочие органы кривошипно-шатунного насоса 6 от механических повреждений и химических воздействий. В остальном работа устройства, изображенного на фиг. 3, полностью соответствует работе устройств, изображенных на фиг. 1 и 2. Обрабатываемые материалы выгружают из камеры 1 при снятой крышке 4.

П р и м е р 8. (способ теплоотдачи, способ теплообмена, способ тепломассопереноса). В режиме псевдокристаллизации обеспечивается сверхтепломассоперенос, т. е. гигантская теплопроводность, которая не присуща природным материалам, и сверхбыстрое перераспределение материала в текучей среде, например нужное при диспергации, гомогенизации структур и т.д.

Для теплообмена не важен массоперенос главное быстрое перераспределение температуры во всем объеме текучей среды. Для теплоотдачи важно, чтобы стенки теплообменника отводили тепло в рабочее тело, например воду. Кроме того, режим псевдокристаллизации разрушает накипеобразование на стенках теплообменников за счет диффузии газов в их структуру и пульсации газовых пузырьков с гидравлическими ударами в момент схлопывания пузырьков.

Устройство для осуществления тепломассопереноса выполнено в виде камеры с жесткой оболочкой (например радиатора, теплообменника), оснащено нижним вводом и верхним выводом с обратными клапанами на вводе и выводах, средством для возбуждения механических волн во всем объеме текучей среды в камере и средствами для нагревания или охлаждения камеры.

П р и м е р 9. Способ нефтедобычи в истощенных месторождениях заключается в том, что в герметизированные нефтепласты подают воду до полного их заполнения по водоводам 7. Одновременно в нефтепласт 1 в составе текучей среды подают взрывные средства 6 циклически определенными порциями и вакуумируют нефтепласт, а режим псевдокристаллизации создают взрывами. Всплывающие нефтепродукты извлекают известными способами, но лучше в фазах повышенного давления после взрыва выводить нефтепродукты через обсадные трубы 8, снабженные на выходе обратными клапанами 9. Не исключается постоянный отсос нефти насосом 22 при открытом сливном вентиле 5 или самопроизвольный вынос за счет обильного формования нефтелинзы и вытеснения ее водой. Этим способом можно извлекать нефть практически на 100% во всех истощенных месторождениях, если возможно обеспечение режима псевдокристаллизации в нефтепласте.

П р и м е р 10. Проводили эксперимент по стирке белья в режиме псевдокристаллизации без полного схлопывания пузырьков газа, в холодной проточной воде без мыла и поверхностно-активных веществ.

Техническая характеристика устройства: возбудитель механических колебаний кривошипно-поршневой насос; отношение объема камеры вакуумирования к объему всей камеры 1/30, частота пульсаций 16 Гц. Градиент скорости не измеряли. Пузырьки газов при работе устройства достигали 6-8 мм, возбуждались во всем объеме воды. Три куска ворсованной ткани из хлопка один чистый, второй опущен в раствор красителя (чернил) и выжат, третий измазан в солидоле таким образом, что вся поверхность стала блестящей от солидола, были заложены в мешочек из хлопчатобумажной ткани и опущены в камеру 1 устройства, изображенного на фиг. 1. Образцы ткани после стирки в течение 20 с работы устройства были извлечены из мешочка и визуально исследованы. На всех образцах ткани не было обнаружено следов красителя и масляных пятен.

Высокая эффективность стирки объясняется высокой активностью возбужденной воды, диспеpгирование и экстракция красителя и солидола происходили на молекулярном уровне течениями газовых растворов. Кроме того, краситель не успел закрепиться на ткани. Контрольные образцы с использованием мыла и соды отстирать вручную не удалось.

Использование изобретения позволяет решать множество технологических проблем, в том числе процессы, недоступные современной науке и промышленности. Решены экологические проблемы разделения и очистки текучих сред, зараженных бактериями, радионуклеидами и ядохимикатами, а также удаления механических взвесей любых размеров. Любые мокрые технологические процессы можно проводить одновременно с разделением и очисткой текучей среды.

В основе изобретения лежит открытие неизвестных ранее явлений, свойств и закономерностей при псевдокристаллизации, возбуждаемой колебаниями механических волн. Течения газовых растворов изменяют структуру и параметры силового поля молекул растяжение и сжатие связей, деформацию валентных и торсионных углов, вандервальсовы взаимодействия, удельную поверхность молекул S/V= 10⁹ м^-1 и безразмерный фактор тепломассопереноса в виде отношения скорости течения газовых растворов в псевдокристалле к скорости молекул друг относительно друга в тот же миг и в том же объеме, стремящийся в пределе к величине 10¹¹, что позволяет транспортировать реагирующие материалы навстречу друг другу в возбужденном состоянии, одновременно производить разделение и очистку текучей среды от любых взвесей с максимальным выходом годной продукции при оптимальном соотношении продуктов на входе реакций.

Формула изобретения

1. Способ обработки материалов механическими волнами в среде, содержащей пузырьки газа и газовые растворы, отличающийся тем, что в герметичную камеру с жесткой оболочкой подают обрабатываемый материал с кристаллизующейся текучей средой и возбуждают течения газовых растворов перепадами импульсных давлений ниже точки давления насыщенных газовых растворов во всем объеме межмолекулярного пространства текучей среды, в фазах снижения давления формируют пузырьки газа из газовых растворов, а в фазах сжатия растворяют их.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс ведут при постоянном вакуумировании текучей среды в камере, а импульсы создают пульсирующим сжатием среды взрывами, электрогидравлическими ударами, механическими средствами, ультразвуковыми волнами, ионизирующим излучением порознь или в различных комбинациях.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс ведут в камере с регулирующими и обратными клапанами на входе и выходе потоков проточной среды, проточную текучую среду в камере разделяют как минимум на два потока основу и флотопродукты и выводят их соответственно через нижнюю и верхнюю части камеры пропорционально разделенным потокам.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обрабатываемые и реагирующие материалы подают в камеру или раздельно (например, в виде порошков, крупнодисперсных смесей, снопов льна, в проницаемых контейнерах, послойно и т.д.) с текучими средами или совмещают раздельную загрузку штучных и сыпучих материалов с обработкой в проточной текучей среде.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс ведут с градиентами скоростей или без градиентов скоростей в текучей среде или при их сочетании.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс ведут с нагревом или с охлаждением текучей среды и обрабатываемых материалов.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь изотопов в составе текучей среды разделяют путем возгонки легкого изотопа в режиме волнового цуга или без него, при этом максимальную температуру текучей среды поддерживают в фазах ниже температуры возгонки тяжелого изотопа.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсы снижения давления доводят до вакуума 10^-12, а механические колебания возбуждают с частотой 10^-2 10²⁴ Гц.

9. Устройство для обработки материалов, выполненное в виде герметичной камеры с жесткой оболочкой, выпуклыми днищем и сводом, оснащенное средствами для ввода-вывода (крышки, люки, водозапорная арматура) и обработки материалов (нагреватели, мешалки), отличающееся тем, что в качестве средства для обработки материалов используют средства для возбуждения механических волн во всем объеме текучей среды.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в качестве механического возбудителя механических волн использован кривошипно-поршневой насос, или реверсивно-винтовой, или реверсивно-шестеренный насосы, рабочие полости которых соединены с полостью камеры, а камера установлена на упругих опорах.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что средства для ввода смесей в составе текучей среды снабжены по ходу потока в камеру смесителем, например, в виде струйного насоса, нагревателем или охладителем порознь или в различных комбинациях, а ввод в камере снабжен форсункой.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что между генератором и излучателем волновых колебаний текучих сред, а также между источником ионизирующих частиц и полостью камеры установлены прерыватели импульсов механических волн.

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что, с целью защиты от абразивного износа и механических ударов, рабочие органы средств возбуждения механических волн разделены мембраной и сеткой от полости камеры с образованием буферной полости, в верхней части которой размещен воздухосбрасывающий дренажный клапан.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3