Ультразвуковой химический реактор

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано для осуществления звукохимических реакций и может использоваться в химической промышленности. Ультразвуковой химический реактор представляет собой технологический объем (сосуд), внутренняя поверхность которого выполнена в форме сферы, а внешняя поверхность - в форме усеченного икосаэдра. Ультразвуковые преобразователи размещаются на шестиугольных гранях внешней поверхности, каналы для подвода исходных компонентов и отвода продуктов реакции проходят через центры пятиугольных граней перпендикулярно им. Технический результат состоит в создании однородного акустического поля во всем объеме реактора при интенсивности ультразвукового воздействия свыше 500 Вт/см². 2 ил.

 

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано для осуществления звукохимических реакций, протекающих при интенсивностях ультразвукового воздействия свыше 500 Вт/см² в химической промышленности.

Известно, что ультразвуковая кавитация, возникающая при распространении в жидкой среде акустических волн с интенсивностью свыше 2...5 Вт/см², способна вызывать разрывы химических связей. Реакции, возникающие в таких условиях, называются звукохимическими. Для их осуществления создаются ультразвуковые химические реакторы.

Ультразвуковые химические реакторы - разновидность ультразвуковых технологических аппаратов. В общем случае ультразвуковой химический реактор представляет собой технологический объем (сосуд), внутри которого находится технологическая среда (обычно жидкая, реже - газообразная). В технологическую среду вводятся ультразвуковые колебания требуемой интенсивности. Ввод колебаний может осуществляться как с использованием излучателя, находящегося внутри технологического объема, так и через стенки технологического объема. Возбуждение ультразвуковых колебаний осуществляется электроакустическими преобразователями (пьезоэлектрическими, магнитострикционными), питаемыми током ультразвуковой частоты от электронных генераторов.

Известен ультразвуковой химический реактор [1], включающий ультразвуковой преобразователь, излучающая поверхность которого находится внутри технологического объема. В таком реакторе возможно получение интенсивности ультразвуковых колебаний свыше 50 Вт/см², но не обеспечивается однородность акустического поля. Это обуславливается малыми размерами излучающей поверхности и приводит к невозможности создания одинаковых условий для осуществления реакций во всем объеме реактора. Кроме того, поверхность формирования ультразвуковых колебаний ограничена, что не позволяет вводить в технологический объем ультразвуковые колебания большой мощности. Эти недостатки существенно ограничивают область применения реакторов рассмотренного типа.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является реактор типа "low-intensity, high energy density" [2, прототип], представляющий собой технологический объем, выполненный в виде трубы, внутри которой протекают исходные химические компоненты и происходит их взаимодействие, а на наружной поверхности закреплены и акустически связаны с ней ультразвуковые преобразователи. Ввод колебаний в технологическую среду осуществляется через стенки технологического объема (трубы).

К достоинствам прототипа следует отнести:

- возможность ввода в технологический объем большой мощности колебаний за счет использования большого числа ультразвуковых преобразователей, расположенных по периметру технологического объема и вдоль его оси;

- возможность продолжительного нахождения исходных компонентов и продуктов реакции в зоне ультразвукового воздействия.

Вместе с тем прототипу присущи следующие недостатки:

- ограниченная интенсивность ультразвукового воздействия в зоне взаимодействия исходных компонентов, обусловленная ограниченной поверхностью формирования ультразвуковых колебаний и «одномерной» фокусировкой, что приводит к невозможности осуществления химических реакций, требующих сверхвысокой интенсивности колебаний;

- невозможность создания технологических объемов с равномерным ультразвуковым воздействием вдоль направления движения реагирующих исходных компонентов и вдоль радиуса трубы и одновременным введением в зону реакции большого количества различных компонентов;

- внутренний размер технологического объема выполнен нерезонансным, что также не позволяет получить высокую интенсивность колебаний; дополнительное введение в сосуд центрального цилиндра позволяет сделать промежуток «стенки сосуда - стенки цилиндра» резонансным, но при этом снижается степень фокусировки колебаний, сводя на нет все преимущества резонансного промежутка.

Указанные недостатки существенно сужают область применения прототипа.

Предлагаемое техническое решение направлено на создание ультразвукового химического реактора, способного обеспечить интенсивность ультразвуковых колебаний в зоне химической реакции свыше 500 Вт/см² при однородности акустического поля во всем объеме.

Технический результат выражается в создании ультразвукового химического реактора для осуществления звукохимических реакций, обеспечивающего:

- ввод в технологическую среду ультразвуковых колебаний с интенсивностью более 500 Вт/см²;

- обеспечение равномерного ультразвукового воздействия во всем технологическом объеме;

- обеспечение возможности ввода в технологический объем большого количества различных исходных компонентов;

- возможность увеличения интенсивности ультразвуковых колебаний, вводимых в технологическую среду за счет резонансного размера внутренней полости технологического объема.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном ультразвуковом химическом реакторе, состоящим из технологического объема, на внешней поверхности которого расположены и акустически связаны с ним ультразвуковые преобразователи, внутренняя поверхность технологического объема выполнена в форме сферы, внешняя поверхность технологического объема выполнена в форме усеченного икосаэдра, расстояние от плоскостей шестиугольных граней которого до внутренней поверхности кратно нечетному количеству четвертей длины продольной акустической волны в материале стенок технологического объема на выбранной рабочей частоте, с каждой шестиугольной гранью внешней поверхности акустически связана торцовая поверхность одного или нескольких пакетов, состоящих из четного количества пьезоэлектрических элементов, другая торцовая поверхность каждого пакета пьезоэлектрических элемента акустически связана с отражательной частотно-понижающей накладкой, число накладок равно числу пакетов пьезоэлектрических элементов; через центры пятиугольных граней внешней поверхности, перпендикулярно им, выполнены каналы, соединяющие внешнюю и внутреннюю поверхности технологического объема, радиус внутренней поверхности технологического объема кратен половине длины продольной акустической волны в технологической среде на рабочей частоте химического реактора, а продольный размер и форма отражательных частотно-понижающих накладок выбраны из условия обеспечения заданной амплитудно-частотной характеристики.

Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1, фиг.2.

На фиг.1 поз.1 соответствует технологическому объему, поз.2 - ультразвуковым преобразователям, поз.3 - каналам для подачи исходных компонентов и отвода продуктов реакции, 4 - пьезоэлектрические элементы, 5 - отражательные частотно-понижающие накладки.

Технологический объем представляет собой икосаэдр с усеченными плоскостями пятигранными углами. Внешняя поверхность технологического объема состоит из 20 правильных шестиугольных граней одинакового размера и 12 правильных пятиугольных граней одинакового размера. Расстояние от плоскостей шестиугольных граней до поверхности внутренней сферической полости выбирается кратным нечетному числу четвертей длины продольной акустической волны в материале стенок на выбранной рабочей частоте.

На плоскостях шестиугольных граней закрепляются ультразвуковые преобразователи (на фиг.1 показана схема ультразвукового химического реактора с одним ультразвуковым преобразователем на каждой шестиугольной грани). Перпендикулярно пятиугольным граням выполняются цилиндрические каналы, соединяющие внутреннюю сферическую полость технологического объема с внешними поверхностями.

Шестиугольные грани усеченного икосаэдра являются касательными к воображаемой сферической поверхности. Ультразвуковые преобразователи, расположенные на внешней поверхности технологического объема, возбуждают в его стенках сходящийся сферический волновой фронт. По мере распространения волнового фронта к центру технологического объема происходит фокусировка колебаний, выражающаяся в увеличении их интенсивности. Интенсивность ультразвуковых колебаний внутренней сферической поверхности технологического объема определяется выражением:

где I₀ - интенсивность ультразвуковых колебаний, формируемых ультразвуковыми преобразователями, n - число ультразвуковых преобразователей, d - диаметр пьезоэлектрических элементов, R - радиус внутренней сферической поверхности технологического объема.

При излучении колебаний в технологическую среду, в ней также образуется сходящийся сферический волновой фронт и происходит дополнительная фокусировка колебаний. Но в технологической среде, при наличии в ней кавитации, происходит существенное затухание первичной акустической волны, то есть рост интенсивности колебаний, за счет фокусировки, компенсируется снижением их интенсивности в результате затухания. Как показано в работе Л.Д.Розенберга [3], в случае, если радиус сферы не превышает длины волны акустических колебаний в технологической среде, указанные выше процессы взаимно компенсируют друг друга и интенсивность ультразвуковых колебаний в технологической среде практически не изменяется при распространении волнового фронта к центру технологического объема.

Интенсивность колебаний, вводимых в технологическую среду, определяется выражением

где К - коэффициент выхода энергии ультразвуковых колебаний в технологическую среду.

В связи с существенным различием волнового сопротивления материала стенок технологического объема и технологической среды в режиме кавитации, коэффициент выхода акустической энергии оказывается незначительным и составляет 0,05...0,2, в зависимости от свойств среды. Для увеличения коэффициента выхода энергии использованы резонансные явления, для чего радиус внутренней сферической полости выполнен кратным половине длины акустической волны в технологической среде на рабочей частоте. В условиях резонанса технологической среды значение коэффициента выхода энергии достигает 0,4...0,8.

Поскольку исходные акустические свойства различных технологических сред (в частности, скорость распространения продольной акустической волны, коэффициент затухания) неодинаковы, а также подвержены изменениям в процессе ультразвукового воздействия, необходимо обеспечить возможность изменения рабочей частоты ультразвукового химического реактора в пределах до ±10% от номинального значения без снижения эффективности ультразвукового воздействия.

Так как рабочая частота ультразвукового химического реактора определяется расстоянием от внутренней сферической поверхности технологического объема до торца отражательной частотно-понижающей накладки преобразователя, эффективная работа ультразвукового химического реактора может быть обеспечена двумя способами: за счет применения задних частотно-понижающих накладок различной длины или за счет применения задних частотно-понижающий накладок ступенчато-переменной формы.

Применение отражательных частотно-понижающих накладок ступенчато-переменной формы поясняется на фиг.2. Частотно-понижающая накладка состоит из N участков (ступеней) длиной L_i, где i=1...N, ограниченных окружностями диаметров D_i-1 и D_i (за исключением первой ступени, ограниченной только окружностью диаметра D₁). Каждая ступень отражательной частотно-понижающей накладки, в сочетании с пьезоэлектрическими элементами и стенками технологического объема, образует резонансную систему с собственной частотой

где c₀ - скорость распространения продольной акустической волны в материале стенок технологического объема, м/с; с_K - скорость распространения продольной акустической волны в материале пьезоэлектрических элементов, м/с; с_Н - скорость распространения продольной акустической волны в материале отражательной частотно-понижающей накладки, м/с; L₀ - толщина стенок технологического объема, м; L_K - толщина пакета пьезоэлектрических элементов, м; L_i - длина ступени частотно-понижающей накладки, м; m - число длин полуволн, укладывающихся на толщине стенок технологического объема.

Колебательные добротности каждой ступени отражательной частотно-понижающей накладки пропорциональны площади этой ступени:

Формирование требуемой амплитудно-частотной характеристики осуществляется за счет подбора длин и ограничивающих диаметров ступеней частотно-понижающих накладок.

В настоящее время в Бийском технологическом институте разработан ультразвуковой химический реактор для экспериментальных исследований звукохимических реакций в жидких средах при интенсивности колебаний свыше 500 Вт/см².

Реактор имеет следующие основные параметры:

Число пакетов пьезоэлектрических элементов	20
Наружный диаметр пьезоэлектрических колец в каждом пакете, мм	38
Толщина каждого пьезоэлемента, мм	6,35
Число пьезоэлементов в каждом пакете, шт.	2
Максимальная мощность ультразвуковых колебаний, создаваемых каждым пакетом пьезоэлементов, Вт	650
Радиус внутренней сферической полости, мм	13
Максимальная интенсивность ультразвуковых колебаний внутри сферической полости, Вт/см2	540
Рабочая частота, кГц	22±2
Максимальное статическое давление внутри технологического объема, МПа	15
Расстояние между противолежащими шестиугольными гранями, мм	180

В связи с тем что скорость распространения акустической волны в жидкой технологической среде в режиме кавитации лежит в пределах 400-600 м/с, радиус сферической области является резонансным для частот в пределах 20 кГц-24 кГц в зависимости от свойств технологической среды.

Диапазон рабочих частот 22±2 кГц получен за счет применения отражательных накладок ступенчато-переменной формы. Каждая накладка имеет по четыре ступени, длиной 18 мм, 20 мм, 22 мм и 24 мм.

Условия внутри технологического объема такого ультразвукового химического реактора (интенсивность ультразвуковых колебаний, рабочее давление) достаточны для осуществления химических реакций, требующих высокой плотности энергии, например для получения наноалмазов.

Список использованных источников

1. Ультразвуковой химический реактор. Пат. РФ №2272670, МПК⁷ B01J 19/10, В06 В 3/00. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Лебедев А.Н., Генне Д.В., патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ), номер заявки 2004117679/15 от 2004.06.10, опубл. 2006.03.27.

2. Horst C., Design of ultrasound reactors for technical scale organometallics and electrochemical synthesis / Horst C., Lindermeir A., Hoffmann U. // TU Hamburg-Harburg Reports of Sanitary Engineering 35, 2002, Neis U. (ed.). Ultrasound in Environmental Engineering II ISSN 0724-0783; ISBN 3-930400-47-2 - прототип.

3. Розенберг, Л.Д. Кавитационная область // Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Д.Розенберга. - М.: Наука, 1968. - С.222-265.

Ультразвуковой химический реактор, состоящий из технологического объема, на внешней поверхности которого расположены и акустически связаны с ним ультразвуковые преобразователи, отличающийся тем, что внутренняя поверхность технологического объема выполнена в форме сферы, внешняя поверхность технологического объема выполнена в форме усеченного икосаэдра, расстояние от плоскостей шестиугольных граней которого до внутренней поверхности кратно нечетному количеству четвертей длины продольной акустической волны в материале стенок технологического объема на выбранной рабочей частоте, с каждой шестиугольной гранью внешней поверхности акустически связана торцовая поверхность одного или нескольких пакетов, состоящих из четного количества пьезоэлектрических элементов, другая торцовая поверхность каждого пакета пьезоэлектрических элементов акустически связана с отражательной частотно-понижающей накладкой, число накладок равно числу пакетов пьезоэлектрических элементов, через центры пятиугольных граней внешней поверхности, перпендикулярно им, выполнены каналы, соединяющие внешнюю и внутреннюю поверхности технологического объема, радиус внутренней поверхности технологического объема кратен половине длины продольной акустической волны в технологической среде на рабочей частоте химического реактора, а продольный размер и форма отражательных частотно-понижающих накладок выбраны из условия обеспечения заданной амплитудно-частотной характеристики.