способ обработки жидкотекучих сред и роторно-пульсационный аппарат для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном аппарате, отличающийся тем, что обработку ведут в условиях одновременного высокочастотного воздействия на обрабатываемую среду со стороны вращающегося ротора и статора веерными колебаниями различной формы, частоты, амплитуды, интенсивности и низкочастотного воздействия статора, совершающего колебания на упругом элементе корпуса зонтичной формы относительно ротора и корпуса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут с изменяемым высокочастотным воздействием на обрабатываемую среду со стороны вращающегося ротора и статора путем изменения частоты вращения ротора, геометрии ротора и статора, акустической добротности их материалов, их взаимного расположения относительно друг друга.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что обработку ведут с изменяемым низкочастотным воздействием на обрабатываемую среду со стороны статора изменением жесткости упругого элемента корпуса, его геометрии, видом заделки в корпус, акустической добротностью его материала.

4. Роторно-пульсационный аппарат, содержащий корпус, в котором на валу установлен с помощью упругих лопаток и втулки ротор с коаксиальными цилиндрами, в которых выполнены проточные каналы, и статор, установленный с зазором к ротору и корпусу с помощью упругих лопаток с размещенными на нем коаксиальными цилиндрами с проточными каналами, отличающийся тем, что статор установлен в корпусе посредством упругого элемента, выполненного в виде мембраны, установленной с зазором к корпусу и закрепленной в нем по периферии.

5. Аппарат по п. 3, отличающийся тем, что упругий элемент корпуса выполнен в виде двух мембран, скрепленных друг с другом по периферии и в центральной части, образуя между собой полость, соединенную с источником давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам обработки жидкотекучих сред и может быть использовано в химической, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, пищевой, кормовой, фармацевтической, парфюмерной, топливоэнергетической, химико-фотографической, микробиологической, промышленностях, в строительстве, в дорожном строительстве и т.д.

Известен способ обработки жидкотекучих сред и роторно-пульсационный аппарат для его осуществления (SU 331811 A, 14.03.72), заключающийся в том, что обработку ведут вращающимся ротором и неподвижным статором в аппарате, содержащем корпус со статором, выполненным в виде коаксиальных цилиндров с проточными каналами и ротор, выполненный в виде диска с размещенными на его торцах коаксиальными цилиндрами с проточными каналами. В этом случае обработка среды происходит в зазорах между вращающимся ротором и статором, а также в их проточных каналах. В результате этой обработки, воздействия ротора и статора на обрабатываемую среду, в зависимости от решаемой задачи, от природы обрабатываемой среды, в ней происходят процессы смешения, растворения, перемешивания, гомогенизации, диспергирования, например, диспергирование порошкообразных удобрений в воде. Недостатком этого способа и устройства для его осуществления является то, что в нем отсутствует высокочастотное воздействие со стороны аппарата на обрабатываемую среду, воздействующие частоты определяются как произведение частоты вращения ротора на число проточных каналов ротора и статора, что составляет величину порядка 1,5 кГц, при этом интенсивность этого излучения также не велика и составляет величину порядка 20-50 Вт/см². Этих параметров, как правило, бывает недостаточно для получения тонких и супер тонких эмульсий, для проведения звукохимических реакций, для обеззараживания сточных вод от бактерий, для проведения процессов пастеризации и стерилизации и т.д. в жидкотекучих средах. Кроме того, это акустическое воздействие оказывается только вращающимся ротором. Акустическое воздействие со стороны при этом отсутствует, что делает практически не пригодным это техническое решение для проведения, например, процессов пастеризации, стерилизации в молочных продуктах и т. д.

Известен способ обработки жидкотекучих сред и роторно-пульсационный аппарат для его осуществления (SU 1830278 A1, 30.07.93) наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению, взятый нами за прототип, заключающийся в том, что обработку ведут в условиях колебания статора, установленного в корпусе на упругих лопатках в аппарате, содержащем корпус, в котором на упругих лопатках установлен статор с возможностью совершать колебания. На статоре расположены коаксиальные цилиндры с проточными каналами. В корпусе установлен ротор, на торце которого размещены коаксиальные цилиндры с проточными каналами. Обработка по этому техническому решению ведется как гидромеханическим воздействием со стороны коаксиальных цилиндров с проточными каналами ротора и статора, так и акустическим полем, создаваемым колеблющимся на упругих лопатках статором. Этот способ позволяет значительно повысить эффективность обработки жидкотекучих сред. Он позволяет получать ультратонкие дисперсии гидрофобных защищаемых компонент цветного проявления, проводить обеззараживания от бактерий сточных вод, проводить процессы низкотемпературной пастеризации и стерилизации пищевых продуктов, в частности молока и т.д. Однако этот способ и устройство имеют недостаток, заключающийся в том, что воздействие на обрабатываемую среду со стороны статора (акустическое воздействие) имеет только высокочастотный диапазон в пределах 4-16 кГц интенсивностью порядка 150 Вт/см². Это приводит к тому, что при обработке эмульсий, содержащих в своем составе широкий спектр размеров частиц дисперсной фазы для получения тонких и супер тонких эмульсий обработку по данному способу, в данном устройстве нужно проводить многократно, т.к. в данном случае отсутствует низкочастотное воздействие со стороны статора на обрабатываемую среду, эффективно воздействующее на частицы фазы, имеющие значительные размеры (эффективность диспергирования, равно как и других процессов, зависит от частоты акустического поля и размера диспергируемых частиц, резонансные частоты которых должны быть близкими к частоте акустического поля).

Техническим эффектом изобретения является повышение эффективности обработки жидкотекучих сред, снижение времени обработки, повышение качества получаемого в результате обработки продукта в роторно-пульсационном акустическом аппарате за счет одновременного суперпозиционного высокочастотного воздействия на обрабатываемую среду со стороны ротора и статора с низкочастотным воздействием статора.

Сущность изобретения в части способа характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, обеспечивающих достижения указанного эффекта тем, что способ обработки в роторно-пульсационном аппарате согласно изобретению ведут в условиях одновременного высокочастотного воздействия на обрабатываемую среду со стороны вращающегося ротора и статора веерными колебаниями различной формы, частоты, амплитуды, интенсивности с низкочастотным воздействием статора, совершающего колебания на упругом элементе корпуса зонтичной формы относительно ротора и корпуса.

Используют аппарат с изменяемым высокочастотным воздействием на обрабатываемую среду со стороны вращающегося ротора и статора путем изменения частоты вращения ротора, геометрия ротора и статора, акустической добротности их материалов, их взаимного расположения друг относительно друга.

Используют аппарат с изменяемым низкочастотным воздействием на обрабатываемую среду со стороны статора изменением жесткости упругого элемента корпуса, его геометрии, видом заделки в корпус, акустической добротностью его материала.

Сущность изобретения в части устройства характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, обеспечивающих достижения указанного эффекта тем, что роторно-пульсационный аппарат содержит корпус, внутри которого на валу с помощью упругих лопаток и втулки установлен ротор с коаксиальными цилиндрами, в которых выполнены проточные каналы и статор, установленный с зазором к ротору и корпусу с помощью упругих лопаток с размещенными на нем коаксиальными цилиндрами с проточными каналами, согласно изобретению, статор установлен в корпусе посредством упругого элемента корпуса, выполненного в виде мембраны, установленной с зазором к корпусу и закрепленной в нем по периферии.

Упругий элемент корпуса выполнен в виде двух мембран, скрепленных друг с другом по периферии и в центральной части, образуя между собой полость, соединенную с источником давления.

Ведение обработки жидкотекучей среды в условиях акустической суперпозиции при высокочастотном воздействии на среду со стороны вращающегося ротора и статора веерными колебаниями с одновременным низкочастотном воздействия статора, совершающего колебания на упругом элементе корпуса зонтичной формы относительно ротора и корпуса приводит к тому, что на обрабатываемую среду оказывается комплексное акустическое воздействие всех основных элементах роторно-пульсационного аппарата, причем как высокочастотное, так и одновременно и низкочастотное воздействие. Это приводит к тому, что эффективному акустическому воздействию подвергаются частицы, находящиеся в обрабатываемой среде, имеющие как малые размеры (от 5 до 0,07 мкм), так и частицы, имеющие значительно большие размеры (от десятков до сотен мкм). Это значительно интенсифицирует процесс обработки, протекающий в жидкотекучих средах.

Использование аппарата с изменяемым высокочастотным воздействием на обрабатываемую среду со стороны вращающегося ротора и статора путем изменения частоты вращения ротора, геометрии ротора и статора, акустической добротности их материалов, их взаимного расположения друг относительно друга приводит к тому, что предложенный способ имеет универсальный характер и может применяться для обработки различных по своей природе жидкостей, что подтверждается приводимыми ниже примерами.

Использование аппарата с изменяемым низкочастотным воздействием на обрабатываемую среду со стороны статора изменением жесткости упругого элемента корпуса, его геометрии, видом заделки в корпус, акустической добротности его материала приводит к тому, что для различных по природе обрабатываемых сред можно подобрать наиболее оптимальные, низкие частоты для интенсификации процесса обработки, с целью снижения времени обработки, повышения качества получаемого продукта, т.к., наиболее оптимальный процесс обработки (диспергирование, пастеризация и т.д.) протекает на частотах близких к резонансным частотам объектов, подвергаемых обработке (слипшиеся бактерии, частицы диспергируемой фазы и т.д.).

Установка статора в корпусе посредством упругого элемента корпуса, выполненного в виде мембраны, установленной с зазором к корпусу и закрепленной в нем по периферии, приводит к тому, что статор, совершая высокочастотное колебания на упругих лопатках относительно ротора и упругого элемента корпуса, будет совершать низкочастотные колебания относительно корпуса и ротора на упругом элементе корпуса. Значительно более низкая частота этих колебаний обусловлена, во-первых, тем, что масса статора и упругого элемента больше массы статора, а, во-вторых, статор своими упругими лопатками закреплен на упругом элементе корпуса в центральной части, а упругий элемент корпуса закреплен в корпусе периферийной частью, поэтому частоты колебаний отдельно статора и статора вместе с упругим элементом корпуса значительно, на порядок, отличаются друг от друга. При этом колебания системы "статор - упругий элемент корпуса" вызваны нестационарными процессами, протекающими в сравнительно больших масштабах, чем колебания отдельно статора. Колебания системы "статор - упругий элемент статора" вызваны нестационарностями течений, например, в подводящем патрубке, нестационарностью, возникающей при обтекании обрабатываемой жидкостью второго торца диска ротора (торца диска ротора со стороны, противоположной входному патрубку). Мембрана упругого элемента корпуса может быть выполнена, например, из стали типа 12Х18Н9Т, а статор из титанового сплава типа ВТ1 с заделкой, как показано на приведенных фигурах, позволяет получать разницу на порядок в частотах колебаний статора и системы "статор - упругий элемент корпуса" за счет того, что акустическая добротность титанового сплава - 22000, а стали типа 12Х18Н9Т - порядка 6000. Акустическая добротность - количественная, характеристика резонансных свойств колебательной системы, указывающей, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте много ниже резонансной при одинаковой амплитуде вынужденной силы.

Выполнение упругого элемента корпуса в виде двух мембран, скрепленных друг с другом по периферии и в центральной части, образуя между собой полость, соединенную с источником давления, приводит к тому, что изменяя давление в этой полости можно менять жесткость упругого элемента корпуса, меняя тем самым его акустические параметры. Таким образом, изменяя давление в полости между мембранами можно менять плавно частоту (низкую), с которой система "статор - упругий элемент корпуса" воздействует на обрабатываемую жидкотекучую среду. Кроме того, повышая или понижая давление в этой полости, можно приближать или отдалять статор от ротора.

Существенными отличительными признаками изобретения является то, что суперпозиционную акустическую обработку жидкотекучей среды ведут в роторно-пульсационном акустическом аппарате в условиях одновременных высокочастотных воздействий на обрабатываемую среду со стороны вращающегося ротора и статора веерными колебаниями различной формы, частоты, амплитуды, интенсивности с низкочастотным воздействием статора, совершающего колебания на упругом элементе корпуса зонтичной формы относительно ротора и корпуса, для усиления эффекта используют аппарат с изменяемым высокочастотным воздействием на среду со стороны вращающегося ротора и статора путем изменения частоты вращения ротора, геометрии ротора и статора, акустической добротностью их материалов, их взаимного расположения друг относительно друга, для усиления эффекта обработку ведут в аппарате с изменяемым низкочастотным воздействием со стороны статора на среду изменением жесткости упругого элемента корпуса, его геометрии, акустической добротностью его материала, статор при этом установлен в корпусе посредством упругого элемента корпуса, выполненного в виде мембраны, установленной с зазором к корпусу и закрепленной в нем по периферии, кроме того, упругий элемент корпуса может быть выполнен в виде двух мембран, скрепленных друг с другом по периферии и в центральной части, образуя между собой полость, соединенную с источником давления.

Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с известными техническими решениями позволяет сделать вывод о новизне и соответствии условию изобретательского уровня этого технического решения.

На фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемого устройства; на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1; на фиг. 3-8 представлены диски ротора и статора, колеблющиеся с высокой частотой (частоты их колебаний указаны под фигурами). Индексами "П" на фиг. 3-8 обозначены пучности колебаний (максимальные амплитуды колебаний), а индексами "П" - узлы колебаний (колебания с нулевой амплитудой колебания). В таблице 1 представлены результаты обработки битума по предлагаемому изобретению и по прототипу, температура размягчения КиШ определяется по ГОСТ 11506-78, это температура, при которой битум из твердого состояния превращается в жидкое состояние, пенетрация - характеризует глубину проникновения иглы в битум и косвенно является показателем твердости битума, температура хрупкости - температура, при которой битум разрушается под действием кратковременной нагрузки. В таблицах 2, 3 представлены результаты обработки цельного молока и восстановления сухого молока, ОМЧ БГКП - соответственно общее микробное число и бактерии группы кишечной палочки, ОМЧ дано в одном миллилитре, ОМЧ для пастеризованного и стерильного молока 50000 и 1000 соответственно в одном миллилитре.

Роторно-пульсационный акустический аппарат содержит корпус 1, входной и выходной патрубки 2 и 3, ротор 4, установленный на валу 5. На роторе 4 с одной или двух сторон установлены коаксиальные цилиндры 6 с проточными каналами 7. С двух или одной стороны от ротора установлен один или два статора 8 на торце/торцах которых, обращенных к ротору 4 размещены коаксиальные цилиндры 9 с проточными каналами 10. Статор/статоры 8 с помощью упругих элементов статора 11 установлены на упругих элементах корпуса 12 в корпусе 1, выполненных, например, в виде мембраны, установленной по отношению к корпусу 1 с зазором и закрепленной в нем по периферии. В зазор между корпусом 1 и упругим элементом корпуса 12 от источника давления (на фиг. не показан) может подаваться, например, обрабатываемая среда, или один из компонентов этой среды, причем среда в эту полость подается пульсирующим давлением. Ротор 4 установлен на валу 5 с помощью упругих лопаток 13 и втулки 14.

Аппарат работает следующим образом. Через входной патрубок 2 обрабатываемая жидкотекучая среда, (нефтепродукты, битум, мазут, химические реагенты, пищевые продукты, лекарственные препараты и т.д.) поступают в корпус 1 аппарата, где под действием создаваемого радиального потока вращающимся на валу 5 ротора 4 она движется в рабочей части аппарата. При этом на нее оказывают воздействие лопатки, образованные боковыми поверхностями коаксиальных цилиндров 6 ротора 4 и их проточными каналами 7, а также коаксиальными цилиндрами 9 и проточными каналами 10 статора 8. Это приводит к интенсивному перемешиванию, растворению, гомогенизации в обрабатываемых жидкотекучих средах. Наряду с этим, на обрабатываемую среду оказывают высокочастотное воздействие вращающийся и колеблющийся на лопатках 13 относительно ступицы 14 ротор 4 и статор 8, колеблющийся на лопатках 11 относительно ротора 4 и упругого элемента корпуса 12, как показано на фиг. 3, 4, 5, 6, 7, 8 (на фиг. 3, 5, 7 изображен колеблющийся ротор, а на фиг. 4, 6, 8 - колеблющийся статор). Это высокочастотное воздействие оказывает наиболее эффективное воздействие на объект с размерами частиц порядка 0,2 - 0,1 мкм. Наряду с этим, под действием пульсирующих давления и скорости в аппарате, во входном патрубке 2 или из-за пульсаций давления на поверхности диска ротора 4 со стороны, противоположной патрубку 2, в нем возникают низкочастотные колебания давления, приводящие к тому, что статор 8 будет совершать колебания на упругих элементах корпуса 12 относительно корпуса 1 и вращающегося и колеблющегося с высокой частотой ротора 4, причем в силу того, что масса статора 8 и упругого элемента корпуса 12 больше массы статора 4, а также из-за того, что способы заделки их различны, то и частоты, с которыми они колеблются, будут различными. Причем частота колебаний статора значительно (на один, два порядка) выше частоты колебаний статора 4 совместно с упругим элементом корпуса 12. Таким образом, мы имеем следующую акустическую картину, возникающую в предлагаемом изобретении: (кроме гидромеханического воздействия ротора 4 и статора 8 на обрабатываемую среду) - высокочастотные колебания вращающегося ротора 4 и статора 8 (см. фиг. 3-8), плюс низкочастотное колебание статора на упругих элементах корпуса 12 относительно корпуса 1 и ротора 4. Для увеличения амплитуды низкочастотных колебаний, для управления величинами их частот, полость между корпусом 1 и упругим элементом корпуса 12 может быть соединена с пульсирующим источником давления, и в эту полость могут подавать как саму обрабатываемую среду, так и любой ее компонент. При установке на валу гидродинамических уплотнений, расход подаваемых в эту полость компонентов может быть незначительным и его можно учитывать с помощью расходомера, с тем, чтобы конечный продукт, получаемый в аппарате, имел постоянный состав. Это позволяет комплексно воздействовать на различные по размерам объекты, находящиеся в обрабатываемой среде, что снижает время проведения звукохимических реакций, увеличивая их скорость протекания, позволяет более плотно проводить сами реакции. Из приведенных примеров видно, что комплексная акустическая обработка повышает эффективность работы роторно-пульсационного акустического аппарата.

В таблице 1 приведен пример по обработке битума по предлагаемому изобретению. Из этой таблицы видно, что только обработка битума позволяет повысить его качества за счет акустической суперпозиционной его обработки. При этом время такой обработки сокращается в сравнении с известными способами в 1,5-2 раза.

В таблице 2 приведены данные по пастеризации и стерилизации молока. Время обработки также сократилось в 1,5-2 раза по сравнению с известными способами.

В таблице 3 приведены данные по обработке (восстановлению) сухого молока по изобретению и по прототипу. Как и в предыдущих случаях, время обработки сокращается в 1,5-2 раза по сравнению с известными способами.

По предлагаемому способу были получены все дисперсии гидрофобных защищаемых компонент цветного проявления. Время, затрачиваемое на обработку по предлагаемому способу в сравнении с прототипом, сократилось в 1,5-2 раза.

Как указывалось выше, ротор и статор выполняются из титановых сплавов с акустической добротностью порядка 20000, а упругий элемент корпуса, мембрана выполняется из стали типа 12Х18Н9Т, толщина мембран может меняться с тем, чтобы менять ее акустические параметры. Акустическая добротность стали 12Х18Н9Т порядка 6000. Возможно изменять внешний диаметр упругого элемента корпуса (мембраны), менять способ ее заделки в корпусе (сварка, штифтовое крепление, резьбовое соединение, крепление с помощью фланца и т.д.). Возможно применять различные способы обработки мембраны (специальная термообработка, увеличивающая или уменьшающая внутреннее напряжение в ней, выполнение на мембране кольцевых гофр, установка ее на место в горячем или охлажденном состоянии и т.д.).

Частоты, с которыми совершает колебание система "статор - упругий элемент корпуса", составляют 50 Гц-1 кГц, частоты вращения ротора составляют 800 - 8000 об/мин, частоты колебаний ротора и статора составляют 100 Гц - 63 кГц, мощность, затрачиваемая на вращение ротора, составила 32-140 кВт.

Эффект от использования предлагаемого изобретения заключается в интенсификации процесса обработки жидкотекучих сред в 1,5-2 раза по сравнению с известными способами, в повышении качества получаемого продукта, в возможности получения новых продуктов благодаря акустическому суперпозиционному способу обработки сред.