Кавитационный реактор
Изобретение относится к аппаратам для обработки кавитацией водных растворов, используемых в химической, пищевой и фармацевтической промышленности, и может применяться для интенсификации жидкофазных реакций, для приготовления рассолов при производстве рыбо-, мясо- и овощепродуктов, а также консервов из животного и/или растительного сырья, для приготовления физиологических растворов и жидких лекарственных средств. Реактор предназначен для обработки растворов электролитов, имеющих плотность выше плотности воды: органических и неорганических кислот, их солей, некоторых оснований, а также полиэлектролитов. Реактор содержит поверхности, которые в растворе ограничивают пространство возбуждающей кавитацию ультразвуковой волны в направлении ее луча. Расстояние по нормали между этими поверхностями задается в определенном диапазоне. Это позволяет развивать в реакторе максимально возможную и одинаковую кавитационную мощность при обработке растворов электролитов любой концентрации и создать условия обработки, при которых энергия ультразвука, трансформируемая в растворе посредством кавитации и совершающая в нем определенную работу, определяется только временем обработки. 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к аппаратам для обработки кавитацией водных растворов, используемых в химической, пищевой и фармацевтической промышленности. Предлагаемый кавитационный реактор предназначен для обработки имеющих плотность выше плотности воды растворов электролитов: органических и неорганических кислот, их солей, некоторых оснований, а также полиэлектролитов. В химической промышленности изобретение может быть использовано для интенсификации жидкофазных реакций в водных растворах электролитов при осуществлении различных технологических процессов. В пищевой промышленности изобретение может применяться при приготовлении рассолов в производстве рыбо-, мясо- и овощепродуктов, а также консервов из животного и/или растительного сырья. В фармации - для приготовления физиологических растворов и жидких лекарственных средств.
Известны кавитационные реакторы, в которых возбуждающие кавитацию ультразвуковые волны передаются в жидкость, находящуюся между обращенной в нее поверхностью волновода, соединенного с источником ультразвука, и поверхностью находящейся напротив стенки корпуса реактора [US 3519251, 1970] либо специально оборудованного рефлектора [US 4618263, 1986 и RU 2228217, 2003]. Расстояние между этими поверхностями в них произвольное. Поэтому развиваемая в жидкости мощность кавитации, зависящая не только от звуковой мощности передаваемой в нее волны, но и от физических свойств жидкости, не будет одинаковой у различающихся по этим параметрам жидкостей [1]. Это препятствует достижению указанного ниже технического результата при использовании такого реактора.
Известны кавитационные реакторы, в которых в объеме жидкости устанавливаются стоячие ультразвуковые волны максимальной амплитуды, так как эти реакторы в направлении их распространения имеют резонансный размер. То есть расстояние между поверхностями реактора, ограничивающими волну в жидкости в направлении ее луча, равно [RU 2252070, 2004] или кратно [RU 2246347, 2003] ее длине в этой жидкости. Длина волны, как известно, пропорциональна скорости звука в среде и периоду звуковых колебаний [2]. И хотя в этих реакторах кавитационная мощность максимальна в одной конкретной жидкости, по скорости звука в которой выбран резонансный размер, но в отношении остальных жидкостей эти реакторы обладают тем же недостатком, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, что и рассмотренные выше.
Известен кавитационный реактор, который приводится в действие множеством смежных излучателей [US 4556467]. Они закреплены на пластинах, находящиеся друг против друга поверхности которых обращены в жидкость и передают в нее ультразвуковые волны с заданной фазой, частотой и амплитудой. Поскольку пластины монолитны, а расстояние между ними в жидкости одинаково по всей площади их поверхности, то установление какого-то конкретного значения фазы, частоты и амплитуды позволит всего лишь задать определенную звуковую мощность суммарной волны, одинаковую во всем пространстве реактора. За счет этого невозможно создать равные условия обработки растворов различной концентрации. Поэтому нельзя достигнуть указанного ниже технического результата с помощью и этого реактора.
Наиболее близким к заявленному является кавитационный реактор, в находящейся внутри которого жидкости устанавливается возбуждающая кавитацию ультразвуковая волна. Поверхностями, ограничивающими эту ультразвуковую волну, являются обращенные друг к другу поверхности, которые размещены в пучностях колебательных смещений находящегося между ними объема жидкости на частоте колебаний ультразвукового излучателя [RU 2254912, 2005]. Эти поверхности могут принадлежать акустически не связанным между собой излучателю и отражателю ультразвука, двум излучателям ультразвука либо соединенному с источником ультразвука общему для них твердотельному резонатору. Таких поверхностей может быть не одна пара. Этот реактор принят за прототип.
Прототип обладает недостатком, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании для обработки растворов произвольной концентрации. Расстояние между обращенными друг к другу поверхностями, ограничивающими пространство ультразвуковой волны в реакторе в направлении ее луча, равно резонансному расстоянию для одной конкретной жидкости или, в данном случае, для раствора конкретной концентрации, которая в прототипе не оговорена. Поэтому величина амплитуды звукового давления в волне и развиваемой реактором ультразвуковой мощности в растворах иной концентрации может быть также иной.
Изобретение направлено на создание условий для развития реактором максимально возможной и одинаковой кавитационной мощности при обработке растворов электролитов любой концентрации. Это, в свою очередь, позволит обеспечить условия обработки, при которых энергия ультразвука, трансформируемая в растворе посредством кавитации и совершающая в нем определенную работу, будет определяться только временем обработки.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Известно, что максимальное возмущение давления от кавитации достигается в более плотной жидкости при амплитуде звукового давления меньшей, чем в менее плотной [3]. Длина волны в растворах электролитов растет с ростом их плотности [4]. Встречно распространяющиеся волны или падающая и встречно отраженная волна в соответствии с принципом суперпозиции складываются в волну с амплитудой, пропорциональной косинусу разности их фаз [2]. А возмущение давления при бесконечном росте амплитуды звукового давления стремится к постоянному значению, являющемуся константой насыщения [5, 6]. Исходя из всего этого для обеспечения постоянства кавитационной мощности при любой концентрации электролита в растворе расстояние между поверхностями, ограничивающими пространство волны в направлении ее луча, должно быть равным резонансному расстоянию в растворе нулевой концентрации. Экспериментально установлено, что при кавитационной обработке водных растворов электролитов плотнее воды выбор резонансного расстояния в диапазоне отношения его величины к периоду ультразвука от 1,3 до 1,6 мм/мкс обеспечивает практически незначимую погрешность амплитуды звукового давления. Эта характеристика реакторов для обработки растворов электролитов является критерием их подобия.
Техническим результатом изобретения является обеспечение кавитационным реактором при обработке в нем водных растворов электролитов плотнее воды такой кавитационной мощности, которая не зависит от концентрации электролита в растворе.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в кавитационном реакторе для обработки водных растворов электролитов, содержащем поверхности, которые ограничивают во внутреннем объеме реактора возбуждающую кавитацию ультразвуковую волну в направлении ее луча, отличие состоит в том, что отношение расстояния по нормали между этими поверхностями к периоду ультразвуковой волны составляет от 1,3 до 1,6 мм/мкс.
Для сравнения заявленного изобретения с прототипом обрабатывались дистиллированная вода комнатной температуры со скоростью распространения звука, равной 1,45 мм/с, и насыщенный раствор натрия хлорида марки ХЧ в дистиллированной воде со скоростью распространения звука, равной 1,72 мм/с. Источником ультразвука служил так называемый ультразвуковой процессор UIP 2000, (dr. Hielscher GmbH, Германия) с периодом излучаемой волны 50 мкс. В качестве реактора, имитирующего прототип (фиг.1), использовался помещенный в емкость 1 с жидкостью 2 каскадный волновод 3 из титанового сплава с тремя парами находящихся друг напротив друга плоских поверхностей а-а', b-b' и с-с' для излучения ультразвука в жидкость, который был присоединен к рабочему торцу 4 источника ультразвука. Волновод представлял собой монолитный стержень круглого сечения с диаметром, ступенчато меняющимся вблизи пучности его колебательных смещений с 40 им на 55 мм и обратно. Расположенные друг против друга и перпендикулярно к оси волновода кольцеобразные поверхности, образованные ступенчатым изменением диаметра, и есть пары поверхностей, с которых в раствор передаются встречные ультразвуковые волны. Расстояние по нормали между этими поверхностями всех трех пар в реакторе, имитирующем прототип, было равно 86 мм, то есть длине волны ультразвука в насыщенном растворе NaCl. У реактора, воспроизводящего изобретение, расстояния между излучающими поверхностями были выбраны в соответствии с отличительным признаком изобретения из указанного диапазона 1,5 мм/мкс · 50 мкс = 75 мм. Торцы волноводов в реакторе акустически изолировались от раствора прокладками из пористой резины 5.
Контроль развиваемой реактором кавитационной мощности осуществлялся по убыли массы в результате эрозии образцов алюминиевой фольги 6, помещаемых на равные промежутки времени в работающий реактор параллельно оси волноводов на одинаковом расстоянии от нее, так как кавитационная эрозия является показателем мощности кавитации [3]. Средние по пяти опытам результаты сведены в таблицу:
| Уменьшение массы образца в процессе обработки, % | Прототип | Изобретение |
| В дистиллированной воде В концентрированном растворе NaCl | 2,9±0,4 6,2±0,2 | 5,5±0,3 6,1±0,2 |
| Отношение средних значений | 0,47 | 0,90 |
В использованном методе сравнения, кроме мощности кавитации, на результат влияет усиливаемая кавитацией химическая коррозия алюминия в растворе NaCl. В заявленном реакторе убыль массы образцов в воде и насыщенном растворе не одинакова, но по сравнению с прототипом разница в значениях существенно меньше.
Таким образом, сравнение заявленного кавитационного реактора с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный кавитационный реактор обладает существенным по отношению к указанному техническому результату отличием.
При анализе этого отличия не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установления требований к расстоянию между поверхностями, ограничивающими в реакторе пространство ультразвуковой волны, с целью уравнивания развиваемой мощности кавитации в диапазоне концентраций обрабатываемых растворов.
Фиг.1. Совмещенный с разрезом вид кавитационного реактора для экспериментального сравнения изобретения с прототипом. Источник ультразвука на чертеже целиком не показан. Соотношение размеров условное.
Фиг.2 Совмещенный с разрезом вид кавитационного реактора для обработки растворов электролитов с каскадным волноводом. Соотношение размеров условное.
Заявленный кавитационный реактор для обработки водных растворов электролитов плотнее воды (фиг.2) представляет собой герметичный корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками для подачи обрабатываемого раствора и помещенным в него через акустическую развязку 4 твердотельным волноводом 5. Волновод присоединен к рабочему торцу 6 источника ультразвука - пьезокерамического излучателя с рабочей частотой 20 кГц посредством монолитного с ним бустера 7, обеспечивающего акустическую развязку волновода 5 с корпусом 1. Волновод имеет три пары перпендикулярных к оси волновода плоских поверхностей, с которых в раствор передаются встречные ультразвуковые волны для возбуждения в нем кавитации. Для того чтобы обеспечить одинаковую во всем диапазоне концентраций раствора мощность кавитации расстояния по нормали между излучающими ультразвук во встречных направлениях поверхностями составляют 75 мм и соответствуют отличительному признаку изобретения. Для более равномерной обработки раствора на корпусе реактора в промежутках между излучающими поверхностями имеются диафрагмы 8, профилирующие поток раствора.
Кавитационный реактор работает следующим образом. В раствор электролита произвольной концентрации, пропускаемый через внутренний объем корпуса 1 реактора посредством патрубков 2 и 3, от перпендикулярных оси волновода 5 плоскостей передаются его продольные колебания ультразвуковой частоты. Корпус 1 реактора этих колебаний не испытывает, так как соединен с волноводом в узле его колебаний. Такое соединение является так называемой акустической развязкой. Встречно направленные ультразвуковые волны, образуемые синфазными колебаниями раствора, складываются в пространстве между излучающими поверхностями в общую волну. Так как максимальная кавитационная мощность получается в менее плотном растворе при звуковом давлении, большем, чем в более плотном, и с ростом звукового давления остается постоянной, а расстояние между ограничивающими пространство волны поверхностями выбрано близким к резонансному в растворе наименьшей плотности, то равенство кавитационной мощности в растворах любой концентрации будет обеспечено.
Изобретение также может быть реализовано в известных аппаратах для кавитационной обработки. Например, с использованием изобретения выполнена обработка растворов NaCl с концентрациями 0,1 и 0,01 г-экв. при +20°С в аппарате типа «Сиринкс 4000» [7], имеющем поверхности одного излучателя и одного отражателя ультразвука частотой 20 кГц, между которыми устанавливается гармоническая волна. В одном случае расстояние между ними было установлено равным длине волны в насыщенном растворе NaCl, то есть 86 мм, во втором - 75 мм. В каждой пробе до и сразу же после обработки измерялась удельная электропроводность. Полученное за счет усиления диссоциации NaCl под воздействием кавитации [8] увеличение удельной электропроводности, отнесенное к количеству недиссоциируемого в термодинамически равновесных условиях электролита, приведено в таблице:
| Изменяемый размер, мм Концентрация, г-экв. | 86 | 75 |
| 0,01 | 0,32 | 0,84 |
| 0,1 | 0,71 | 0,83 |
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о способности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.
Источники информации
1. Большая советская энциклопедия. Статья «Кавитация» - М: Изд. Советская Энциклопедия, 1972.
2. Горелик Г.С.Колебания и волны. - М.: Ф-МЛ. - 1959. - 572 с.
3. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф., Кавитация. - М.: Мир, 1974. - 348 с.
4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956. - 726 с.
5. RU 2279918, 2006.
6. Шестаков С.Д. О распределении плотности потенциальной энергии многопузырьковой кавитации относительно порождающей ее гармонической волны // Сборник трудов XVI сессии Российского Акустического Общества. - М.: ГЕОС, Том 1, 2005, с.116-121.
7. Аппарат «Сиринкс 4000» для кавитационной дезинтеграции жидких пищевых сред, СИТБ. 443146.002ТУ, 2002.
8. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: заблуждения и реальность, ч.2 // Хранение и переработка сельхозсырья, 10, 2004. - с.9-13.
Кавитационный реактор для обработки водных растворов электролитов, содержащий поверхности, которые ограничивают во внутреннем объеме реактора возбуждающую кавитацию ультразвуковую волну в направлении ее луча, отличающийся тем, что отношение расстояния по нормали между этими поверхностями к периоду ультразвуковой волны составляет от 1,3 до 1,6 мм/мкс.
