Патент на изобретение №2288777

(54) АКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЖИДКОТЕКУЧИХ СРЕД В РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОМ АКУСТИЧЕСКОМ АППАРАТЕ

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано в различных отраслях промышленности для обработки различных жидкотекучих сред, например для проведения звукохимических реакций, обессоливания и обезвоживания нефти, для снижения вязкости различных жидкостей, в частности нефти и нефтепродуктов, для увеличения выхода светлых фракций при перегонке нефти, для удаления из нефти серы и ее соединений, для выращивания и заглушки бактерий, для изготовления различных эмульсионных лекарственных форм, для получения искусственной крови, пастеризации и стерилизации молока и молочных продуктов, при производстве спирта, для приготовления различных смесей, для экстрагирования веществ из различного сырья, для получения водобитумных и водотопливных эмульсий и т.д. Способ включает обработку жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате, в котором обрабатываемую среду подвергают волновому воздействию чередующихся и повторяющихся волн сжатия-разряжения-сжатия, генерируемыми продольными, перпендикулярно плоскости диска листовыми колебаниями плоскости диска вращающегося ротора. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности обработки жидкотекучих сред путем генерирования низкочастотных высокоинтенсивных акустических колебаний. 26 ил., 14 табл.

Изобретение относится к способам обработки различных жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате (РПАА). Оно может быть использовано в химической, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, микробиологической, фармацевтической, пищевой, парфюмерной, кормовой, энергетике, химико-фотографической и других отраслях промышленности, дорожном строительстве, для проведения звукохимических реакций, обессоливания и обезвоживания нефти, для снижения вязкости различных жидкостей, в частности нефти и нефтепродуктов, для увеличения выхода светлых фракций при перегонке нефти, для удаления из нефти серы и ее соединений, для выращивания и заглушки бактерий, для изготовления различных эмульсионных лекарственных форм, для получения искусственной крови, для гомогенизации, пастеризации и стерилизации молока и молочных продуктов, при производстве спирта, для приготовления различных смесей, пюре и т.д., для производства различных косметических препаратов, в том числе и экстрактов, для экстрагирования различных веществ из различного сырья, для получения водобитумных эмульсий, для получения водотопливных эмульсий и т.д.

Известен способ обработки жидкотекучих сред (Патент РФ №2090253, кл. В 01 F 7/00 Бл. №26, 20.09.97) в роторно-пульсационном аппарате, заключающийся в том, что обработку ведут в условиях дополнительного акустического воздействия статора на среду колебаниями различной частоты и амплитуды, частоту при этом регулируют числом оборотов ротора, а амплитуду – моментом инерции массы диска вращающего ротора. По этому способу удается получить дисперсии гидрофобных защищаемых компонентов цветного проявления, применяемых в кинофотопромышленности с размерами частиц 0,1 мкм (0,1-10^-6 м), а также проводить пастеризацию и стерилизацию в молочных продуктах. Недостатком этого способа является то, что в нем используются дополнительные акустические колебания (воздействия) статора на обрабатываемую среду. Эти колебания имеют значительно меньшую интенсивность и частоту по сравнению с акустическими излучениями колеблющегося ротора, более того, иногда технически более выгодно вести обработку, когда статор выполняет роль акустического зеркала, т.е. он максимально отражает падающие на него акустические волны, создаваемые вращающимся ротором в обрабатываемой среде. Интенсивность акустического излучения по этому способу составляет 100…150 Вт/см², а частота излучения находится в пределах 100…16000 Гц. Этот способ не позволяет получать стабильные во времени результаты (воспроизводимость и повторяемость результатов) при обработке различных сред, например, при пастеризации молока, при обеззараживании сточных вод, содержащих микроорганизмы и т.д., что сдерживает его широкое практическое применение в различных областях народного хозяйства.

Известен способ обработки жидкотекучих сред (авторское свидетельство СССР №1479088 кл. В 01 F 7/28. 15.05.89), заключающийся в том, что обработку жидкотекучей среды ведут в условиях гидроакустического воздействия, например, на суспензию минеральных удобрений акустическими колебаниями с определенной интенсивностью и частотой, которые возникают в радиальном зазоре между ротором и статором с наложением на них вибраций статора, обусловленных его периодическим отжатием от ротора. Используя этот способ можно получать, например, водотопливные эмульсии с размерами частиц по диаметру 0,6…0,8 мкм. Такие эмульсии обладают невысокой устойчивостью во времени – порядка 0,5 года. Кроме того, обработка по этому способу гидрофобных защищаемых компонентов цветного проявления не позволяет получать приемлемые результаты, т.к. средний диаметр частиц дисперсной фазы имеет значение порядка 0,5…1,0 мкм. Этот способ в целом характеризуется низкими частотами до 4 кГц акустического излучения с низкой интенсивностью J=50…60 Вт/см², что делает его неприемлемым, например, для проведения звукохимических реакций, для получения высококачественных водобитумных эмульсий, пастеризации и стерилизации в жидкотекучих средах и т.д.

Известен акустический способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате (патент РФ №2145255, кл. В 01 F 7/00,10.02.2000, Бюл. №4) заключающийся в том, что обработку ведут в условиях веерных колебаний плоскости диска вращающегося ротора при их различной форме, частоте, интенсивности относительно статора. Форму веерных колебаний, их частоту и интенсивность регулируют изменением мощности, затрачиваемой на вращение диска ротора. Этот способ позволяет значительно расширить частотный диапазон воздействия ротора на обрабатываемую среду, значительно повысить интенсивность акустического излучения в роторно-пульсационном акустическом аппарате. Это позволяет использовать этот способ для получения ультратонких дисперсий гидрофобных защищаемых компонентов цветного проявления, используемых в кинофотопромышленности, проводить процессы в жидкотекучих средах: обеззараживания, пастеризации, стерилизации и т.д. Недостатком этого способа является то, что на высоких частотах веерные колебания диска ротора распространяются только на периферию диска. Таким образом, не вся плоскость вращающегося диска ротора излучает в это время в обрабатываемую жидкотекучую среду акустические колебания.

Известен акустический способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате (патент РФ №2162363, кл. В 01 F 7/00, 27.01.2001, Был. №3), как наиболее близкий аналог предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков, взятый нами за прототип, заключающийся в том, что эту обработку ведут посредством волнового воздействия на обрабатываемую среду чередующимися и повторяющимися периодическими волнами сжатия, разряжения, сжатия генерируемых веерными, и/или зонтичными, и/или комбинированными веерно-зонтичными колебаниями диска вращающегося ротора различной формы, частоты, амплитуды и интенсивности. Этот способ позволяет получить более широкую гамму частот, излучаемых в обрабатываемую среду вращающимся диском ротора, увеличить интенсивность этого излучения и, как следствие этого, расширить область использования этого способа, получить более качественные результаты по его применению. Недостатком этого способа является то, что не все виды колебаний и частот задействованы в процессе генерирования в обрабатываемую жидкотекучую среду периодически повторяющихся и чередующихся волн сжатия, разряжения, сжатия.

Техническим эффектом изобретения является повышение эффективности обработки жидкотекучих сред (ОЖС): экстракции, растворения, эмульгирования, диспергирования, деэмульгирования, проведения звукохимических реакций, проведения микробиологических процессов, гомогенизации и т.д. путем генерирования в ОЖС низкочастотных высокоинтенсивных акустических колебаний.

Сущность изобретения характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, обеспечивающих достижение указанного эффекта. Обработку жидкотекучих сред ведут в роторно-пульсационном акустическим аппарате волновым воздействием на обрабатываемую среду периодически чередующимися и повторяющимися волнами сжатия-разряжения-сжатия генерируемыми колебаниями плоскости диска вращающегося ротора различной частоты, амплитуды и интенсивности, согласно изобретению, эти волны генерируются продольными, перпендикулярно плоскости диска листовыми колебаниями этого диска.

Ведение акустической обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате волновым воздействием на обрабатываемую среду периодически чередующимися и повторяющимися волнами сжатия, разряжения, сжатия генерируемыми листовыми колебаниями диска вращающегося ротора, приводит к тому, что в области низких частот, где интенсивность акустического излучения диска ротора максимальная, удается получить стабильный процесс этого излучения и, как следствие этого, стабильный процесс обработки жидкотекучих сред. Снижение частоты акустического воздействия на ОЖС приводит к увеличению времени этого воздействия (времени экспозиции) как бы их “постоянной”, “неизменной” волны сжатия, разряжения, сжатия на различные объекты, находящиеся в ОЖС. Это приводит к тому, что эти объекты (частицы жидкой или твердой фазы, различные микроорганизмы, частицы сырья при экстрагировании, частицы крахмалосодержащего сырья, молекулы и т.д.) успевают деформироваться или изменить свой химический потенциал под действием высокой акустической интенсивности, достигающей 10⁵ Вт/см².

Существенными отличительными признаками изобретения является то, что обработку жидкотекучих сред ведут волновым воздействием на обрабатываемую среду периодически чередующимися и повторяющимися волнами сжатия-разряжения-сжатия генерируемыми продольными, перпендикулярно плоскости диска листовыми колебаниями диска вращающегося ротора.

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

На фиг.1 представлен диск ротора 9 РПАА, совершающий продольные, перпендикулярно плоскости диска листовые колебания, литерой “У” обозначены узлы этих колебаний, а литерой “П” – пучности колебаний диска ротора. Узел колебаний – это то место на диске ротора, амплитуда колебаний которого равна нулю, т.е. в этом месте диск ротора не колеблется в данное мгновение. Пучность колебаний – это то место на диске ротора, амплитуда колебаний которого максимальна. Стрелками “а” показано направление бегущих волн листовых колебаний, распространяющихся по диску продольно, вдоль плоскости диска ротора. На фиг.2 представлен РПАА, в котором осуществляется предлагаемый способ, его продольный разрез. Стрелками “б” показано колебательное перемещение диска ротора, которое осуществляется перпендикулярно плоскости диска ротора, благодаря чему на его поверхностях возникают пучности и узлы. На фиг.3 – сечение А-А фиг.2. На фиг.4 представлен опытный образец РПАА, на котором осуществлены все приведенные примеры во всех областях, представленных ниже. На фиг.5 представлена эмульсионная система, находящаяся возле неподвижного диска ротора. На фиг.6 представлена частица дисперсной фазы, находящаяся в покое или под действием незначительных возмущений со стороны среды со схемой действия сил притяжения (взаимодействия) на поверхность частицы фазы со стороны самой фазы и со стороны среды. На фиг.7 представлено действие периодически чередующихся и повторяющихся волн сжатия-разряжения-сжатия генерируемых листовыми колебаниями диска вращающегося ротора на частицы дисперсной фазы эмульсии, показана деформация этих частиц под действием этих волн. На фиг.8 представлена деформированная под действием волн сжатия-растяжения-сжатия генерируемых диском вращающегося ротора частица дисперсной фазы эмульсии и схема действия на поверхность деформированной частицы фазы сил притяжения со стороны самой фазы и со стороны среды. На фиг.9 представлено действие акустических волн сжатия-разряжения-сжатия на различного рода трещины, имеющиеся на поверхностях различных твердых тел при диспергировании суспензий, при экстрагировании и других процессах. На фиг.10 представлено действие этих же волн на поры пористого тела, например, при экстрагировании. На фиг.11 представлена частица крахмалосодержащего сырья. На фиг.12 представлена группа зерен крахмала, находящаяся в воде с микротрещинами между зернами, в которых действуют знакопеременные силы от действия в воде волн сжатия-разряжения-сжатия. На фиг.13 представлено действие этих же знакопеременных сил на микротрещины находящиеся на поверхности этого зерна. На фиг.14 представлен график зависимости интенсивности акустического излучения J [Вт/см²] от частоты f [кГц] излучения диска вращающегося ротора РПАА. На фиг.15 изображен кристалл соли, покрытый гидрофобной оболочкой находящейся в сырой нефти. На фиг.16 представлен кристалл соли, находящийся в перенасыщенном водном растворе, окруженном адсорбционным слоем асфальто-смолистых веществ с механическими примесями. На фиг.17 изображен тот же кристалл соли с разрушенной под действием акустических волн сжатия-разряжения-сжатия гидрофобной оболочкой. На фиг.18 изображен процесс коалесценции капель воды, находящейся в нефти под действием низкочастотных акустических волн высокой интенсивности. На фиг.19 представлена дисперсионная структура нефти (поз.36, 37). На фиг.20 представлено действие акустических волн сжатия-разряжения-сжатия на дисперсные структуры нефти. На фиг.21 представлено действие акустических волн на макромолекулы нефти (поз.38). На фиг.22 представлено действие акустических волн сжатия – растяжения – сжатия на надмолекулярную структуру нефти. На фиг.23 представлен график хранения обработанного в РПАА и не обработанного цельного молока. На фиг.24 представлена принципиальная схема стенда “Лазерный интерферометр”. На фиг.25 представлены схемы диспергирования эмульсий, на фиг.26 – частица дисперсной фазы с векторами скорости движения среды в районе полюсов частицы.

В таблице №1 приведены параметры акустической добротности для различных конструкционных материалов. Акустическая добротность это параметр, численно характеризующий во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансных частотах больше амплитуды колебаний при частотах ниже резонансных при одинаковых амплитудах вынуждающих колебаний. В таблице №2 приведены результаты по получению водобитумных эмульсий, в таблице №3 приведены результаты экстрагирования пектина по предлагаемому способу в сравнении со способом получения пектина по патенту РФ №2123266, кл. А 23 L 1/0524, С 08 В 37/06. В таблице №4 приведены параметры сусла полученного по предлагаемому способу в сравнении с традиционным, в таблице №5 приведены показатели спирта при сбраживании сусла необработанного и обработанного в РПАА, эти две таблицы №4 и №5 касаются производства спирта. В таблице №6 приведены результаты обессоливания нефти, в таблице №7 – результаты обезвоживания нефти; в таблицах №6 и №7 исходная обводненность – 20%, содержание солей -61825 мг/л. В таблице №8 – изменение температуры вспышки, в таблице №9 – изменение вязкости, в таблице №10 изменение температуры застывания, в таблице №11 – изменение выхода светлых фракций при перегонке нефти. В таблицах №№8-11 образцы 1 соответствуют не обработанной в РПАА нефти, образцы 2-4 соответствуют нефти, обработанной в РПАА при различных режимах. Результаты, приведенные в таблицах №№8 -11 получены на нефтеперерабатывающем заводе. В таблице №12 приведены показатели не обработанного и обработанного в РПАА молока, в таблице №13 приведены результаты восстановления молока из сухого молока. В таблице №14 представлены результаты “заглушки” бактерий.

Аппарат (см. фиг.2, 3 и 4) содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками. В корпусе 1 с зазором установлены статоры 4 с помощью упругих элементов (лопаток, стоек, обечайки и т.д.) статора 5. На торцах статоров 4, обращенных в противоположную сторону от корпуса 1, размещены коаксиальные цилиндры 6, в которых выполнены проточные каналы 7. На валу 8 установлен ротор 9 с помощью упругих лопаток 10 и втулки 11. На торцах диска ротора размещены коаксиальные цилиндры 12, в которых выполнены проточные каналы 13. Ротор 9 выполнен из титана или титановых сплавов, т.к. акустическая добротность этого материала наибольшая из известных и доступных металлов и их сплавов. Статоры 4 выполнены из титана или титановых сплавов и имеют массу, близкую по значению массе ротора. Статоры выполняют роль акустических резонаторов, колеблющихся с теми же частотами, что и вращающийся ротор. Фиг.5 поз.9 – диск ротора, 14 – частицы дисперсной фазы, 15 – дисперсионная среда; фиг.6 – поз.16 силы молекулярного взаимодействия точки на поверхности частицы фазы 14 со средой 15, поз.17 силы молекулярного взаимодействия той же точки на поверхности частицы фазы 14 с самой фазой; фиг.7 – поз.9 – стенка диска ротора совершающего вынужденные колебания и генерирующего в среду 15 периодически чередующихся и повторяющихся волн сжатия 18 и разряжения 19; фиг.8 – элемент фиг.7, а именно частица фазы 14, деформированная волнами сжатия 18, разряжения 19, в результате чего результирующие силы взаимодействия точки на поверхности фазы с самой фазой поз.17 “работают” на разделение, т.е. диспергирование частицы фазы 14; фиг.9 – поз.15 – среда; поз.20 – твердое тело, поз.21 – трещины на поверхности твердого тела 20, поз.22 – знакопеременные пульсирующие силы, возникающие от действия волн сжатия (18) – разряжения (19) – сжатия (18), действующие на стенки поверхностных трещин 21; поз.23 – трещины в твердом теле 20, возникающие от действия сил 22; фиг.10 – поз.24 – пористое тело, поз, 25 – сквозные поры, поз.26 – замкнутые поры (полости); фиг.11, 12, 13 – поз.27 – мякинная оболочка крахмалосодержащего сырья, поз.28 – зерно крахмала, на фиг.9-13 поз.15 – среда растворителя или вода. На фиг.14 представлена графически зависимость интенсивности акустического излучения J от частоты f, поз.29 – интенсивность акустического излучения роторно-пульсационного аппарата (РПА), поз.30 – интенсивность акустического излучения ультразвукового диспергатора низкочастотного (УЗДН), поз.31 – интенсивность акустического излучения роторно-пульсационного акустического аппарата (РПАА). Фиг.15 поз.32 – кристалл соли, поз.33 – адсорбционный слой асфальто-смолистых веществ (гидрофобный слой), поз.34 – нефть. Фиг.16 поз.35 – перенасыщенный водный раствор соли. Фиг.17 то же, что на фиг.15 и 16, но с разрушенным гидрофобным слоем (33). Фиг.18 поз.35 – капля воды, поз.36 – направление (вектор скорости) движения капли воды (35) под действием разности (градиента) давления волн сжатия (18) – разряжения (19), сжатия (18). Фиг.19 – поз.36 – ядро дисперсной структуры, состоящее из асфальтенов или частиц механических примесей, поз.37 сольватная оболочка. Фиг.20 – действие акустических волн сжатия (18), разряжения (19) на дисперсную структуру нефти. На фиг.21 – действие акустических волн на макромолекулы (38) нефти, приводящие их к разрушению, на фиг.22 – действие волн на надмолекулярную структуру нефти, поз.39 – надмолекулярная структура нефти.

Для получения листовых колебаний диска ротора во время работы РПАА, т.е. во время его вращения необходимо сделать следующее. Диск ротора 9 установить в державку стенда “Лазерный интерферометр” представленного на фиг.24. С помощью генератора поз.54, усилителя поз.55 и пъезо-излучателя поз.49 привести диск ротора 9 в вынужденные колебания, при этом частоту возбуждения генератора поз.54 менять плавно от 0 Гц. С помощью микрофона поз.48 и шумомера поз.52 следить за интенсивностью колебаний диска ротора 9. Как только эта интенсивность J достигнет максимального значения, что соответствует резонансным колебаниям диска, произвести с помощью оптической системы стенда (лазера поз.50, полупрозрачного зеркала поз.45, зеркал поз.44, линз поз.46, голографической фотопластины поз.47) фотографирование формы этого колебания. Это будет первая форма колебаний данного диска ротора и эта форма будет аналогична форме простого колебания листа, т.е. соответствовать продольным, перпендикулярно плоскости диска листовыми колебаниями диска ротора, распространение и перемещение которых представлены на фиг.1 и фиг.2.

Колебания этого же диска ротора на больших частотах, генерируемых генератором поз.54, будет иметь сложную форму. Эти формы представлены в патентах РФ №2145255, Кл. В 01 F 7/00, Бюл. 4, 10.02. 2004, №2162363, кл. В 01 F 7/00, Бюл.3,. 27.01.2001, а именно: веерные, зонтичные и комбинированные веерно-зонтичные колебания. Для представленного на фиг.4 РПАА частота, при которой возникают первые, листовые колебания диска ротора, соответствует 215 Гц. Для каждого типа-размера диска ротора и его материала, титановых сплавов ВТ-5, ВТ-8, ВТ-9, ВТ-20 и т.д. эта частота будет иметь другое, свое значение.

Далее диск ротора 9 снимается со стенда и устанавливается в роторно-пульсационный акустический аппарат (РПАА). Аппарат включают в работу. При этом частоту его вращения плавно увеличивают от 0 об/мин. С помощью анализатора спектра, например, СКЧ-3, или любого другого, см. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник. В 2-х кн. Кн.1. Под ред. В.В.Клюева – Машиностроение, 1978. – 448 с, ил, стр.286-287. Табл.1 “Технические характеристики отечественных анализаторов спектра” устанавливают такую частоту вращения ротора, при которой максимальная амплитуда колебаний акустических излучений диска ротора, а следовательно, и аппарата в целом, будет происходить для данного аппарата на частоте акустического излучения порядка 215 Гц.

В этом случае, согласно работе: Островский Ю.И. и др. Голографические интерференционные методы измерения деформаций. – М.: Наука, 1988, 248 с. стр.228, форма колебаний диска ротора будет такой же, как и на стенде, т.е. будет листовой. Для одинакового типа-размера диска ротора и одинакового материала, из которого он изготовлен, эта частота будет отличатся от стендовой на незначительную величину из-за погрешности при их изготовлении, и она (частота) легко определяется с помощью анализатора спектра.

Таким образом, осуществляется промышленное применение этой формы колебаний, а именно промышленно используются листовые колебания диска ротора аппарата при его вращении.

Далее аппарат с установленным в нем диском ротора работает на частотах его вращения (числах оборотов), определенных как указано выше и соответствующих при этом листовым колебаниям диска ротора.

Предлагаемый способ осуществляется в аппарате следующим образом: через входной патрубок 2 в аппарат 1 поступает обрабатываемая жидкотекучая среда (см. приведенные примеры). Под действием насосного эффекта, создаваемого упругими лопатками 10 ротора 9 и стенками проточных каналов 13 ротора 9, вращающегося вместе с втулкой 11 и валом 8, она движется в радиальном направлении, проходя последовательно через проточные каналы 7, выполненные в коаксиальных цилиндрах 6 статоров 4, и проточные каналы 13, выполненные в коаксиальных цилиндрах 12 ротора 9. Здесь она подвергается интенсивному механическому воздействию со стороны вышеуказанных элементов конструкции ротора и статоров, что приводит к интенсивному перемешиванию, растворению, гомогенизации, грубому диспергированию и т.д. При этом эти процессы протекают на макроуровне. Наряду со всем этим в предлагаемом способе возникают листовые колебания плоскости диска вращающегося ротора 9, которые достигают интенсивности – 10⁵ Вт/см² и выше. На представленной фиг.1 изображены эти листовые колебания плоскости диска ротора 9, полученные с голографических пластин с помощью лазерной интерферометрии (см. фиг.24). Колебания плоскости диска вращающегося ротора возникают вследствие того, что, во-первых, он установлен на втулке 11 с помощью упругих лопаток 10, что позволяет диску совершать эти колебания, а, во- вторых, из-за того, что диск ротора 9 обтекается потоком жидкости с двух сторон, что неизбежно приводит к неравномерному течению жидкости с одной и другой стороны. В силу этого на диск ротора начинает действовать пульсирующее давление, возникающее с разных сторон диска, что и приводит к колебаниям диска ротора 9. Такие же колебания возникают и в односторонних дисках, когда коаксиальные цилиндры 12 с проточными каналами 13 установлены только на одной стороне плоскости диска ротора 9. В этом случае при определенных частотах вращения диска ротора из-за пульсаций давления уже с одной стороны диск ротора совершает точно такие же листовые колебания, обладающие значительно большей интенсивностью, чем все другие акустические колебания, возникающие в аппарате. Регулирование интенсивности акустического воздействия вращающегося ротора осуществляется регулированием затрачиваемой на его вращение мощности и происходит за счет изменения частоты вращения диска ротора. На фиг.21 поз.38 – деформированная под действием акустических волн макромолекула нефти, на фиг.22 – деформация надмолекулярной структуры нефти 39 под действием акустических волн. На фиг.23 поз.40 – исходное не обработанное в РПАА молоко, поз.41 – молоко, обработанное в РПАА при температуре 55°С, поз.42 – молоко, обработанное в РПАА при температуре 70°С, поз.43 – молоко обработанное в РПАА при температуре 80°С, Т° – кислотность молока в градусах Тернера. Фиг.24 поз.44 – зеркало, поз.45 – полупрозрачное зеркало, поз.46 – линза, поз.47 – голографическая фотопластинка, поз.48 – микрофон, поз.49 – пьезоизлучатель, поз.50 – лазер, поз.51 – блок питания лазера, поз.52 – шумомер, поз.53 – осциллограф, поз.54 – генератор, поз.55 – усилитель.

Дисперсные структуры 14, находящиеся в дисперсионной среде 15 фиг.5 и 6 под действием разности результирующих сил 16 и 17, действующих на каждую точку их поверхности со стороны среды 15 и фазы 14, пребывают в стабильном сферическом состоянии из-за того, что результирующие силы 17 взаимодействия поверхностного слоя частиц фазы 14 с самой фазой больше результирующих сил 16 взаимодействия этого слоя со средой. При этом РПАА не работает, диск 9 фиг.4 не колеблется и не генерирует в жидкую среду. При работе РПАА диск ротора 9 совершает листовые колебания, как показано на фиг.1, стенка его колеблется (см. фиг.7) и генерирует в среду 15 периодически чередующиеся и повторяющиеся волны сжатия (18) – разряжения (19) – сжатия (18). Эти волны деформируют частицы дисперсной фазы 14, при этом в области волн сжатия 18 частицы дисперсной фазы 14 сжимаются, образуя шейку, а в области волн разряжения 19 – как бы расширяются, т.е. происходит как бы выдавливание капли частицы фазы 14 из области волны сжатия 18 в область волны разряжения 19. На фиг.8 в увеличенном масштабе показана одна частица жидкой фазы 14, находящаяся в среде 15, деформированная волнами сжатия 18 – разряжения 19, генерируемых листовыми колебаниями вращающегося диска ротора 9. В этом случае результирующие силы 17 взаимодействия поверхности частиц фазы 14 с самой фазой и силы 16 взаимодействия этой поверхности со средой 15 работают на разделение (разрушение, диспергирование и т.д.) частиц этой фазы 14, т.к. результирующая сил 16 и 17 направлена вовнутрь деформированной капли фазы 14. Таким образом, происходит диспергирование жидкой фазы в жидкой среде. На фиг.9 представлено действие волн сжатия 18, разряжения 19 на твердые частицы 20 находящиеся в жидкой среде 15. На поверхности твердых частиц 20 всегда имеются трещины 21. Волны сжатия 18 – разряжения 19, проникая аномально глубоко в эти трещины, создают в них пульсирующее давление, которое в свою очередь создает в этих трещинах знакопеременные силы 22, действующие на поверхность этих трещин 21. Эти знакопеременные силы 22 создают в материале твердого тела 20 усталостные напряжения, которые приводят к усталостному разрушению тела 20 по вновь образованным трещинам 23, которые, как правило, образуется по границам зерен и другим аномалиям в твердых телах. Таким образом, происходит диспергирование твердых частиц 20 фазы в жидкой среде 15. Это позволяет увеличить число этих частиц в среде, увеличить их поверхность, что положительно сказывается, например, на процессах экстрагирования из твердых веществ. При экстрагировании веществ из мягкого, пористого вещества (см. фиг.10) волны сжатия – 18, разряжения – 19, во-первых, деформируют эти частицы сжимая-разжимая их, что значительно увеличивает массообмен между этим телом 24 и жидким растворителем 15, во-вторых, на стенки открытых пор 25 действуют, как и в предыдущем случаи с твердыми веществами, знакопеременные силы, вызывающие деформацию этих пористых тел, а кроме того, за счет действия этих сил 22 происходит разрыв тканей 23 пористых тел 24 с открытием глухих пор 26 и притоком в них растворителя 15, что существенно повышает выход экстрагируемых веществ и интенсифицирует эти процессы. При обработке в РПАА по предлагаемому способу крахмалосодержащего сырья, как показано на фиг.11-13 под действием тех же знакопеременных сил происходит отделение мякинной оболочки 27 от глобул зерен крахмала 28 находящихся в воде 15, отделение зерен крахмала друг от друга (см. фиг.12) и диспергирование самих зерен крахмала (см. фиг.13) на отдельные осколки. На этих фигурах зазоры между зернами крахмала и трещины в самих зернах крахмала обозначены одинаково поз.21, все остальные обозначения совпадают с предыдущими обозначениями и соответствуют им. На фиг.14 представлен график зависимости акустического излучения J [Вт/см²] от частоты этого излучения f [кГц]. Из этого графика видно, что акустическое излучение РПАА поз.31 почти во всем диапазоне излучаемых диском вращающегося ротора частот значительно выше интенсивности излучения УЗДНа поз.30 и значительно выше интенсивности излучения роторно-пульсационного аппарата (РПА) поз.29. Измерения были проведены с помощью шумомера RFT 00017. Наибольшее значение интенсивность акустического излучения достигает на низких частотах, т.е. на тех частотах, которые генерируются именно листовыми колебаниями диска вращающегося ротора. Они достигают значения 10⁵ Вт/см². На фиг.15 и 16 представлены кристаллы солей 32, находящихся в нефти 34 окруженных слоем 33 асфальто-смолистых веществ (гидрофобный слой) и слоем 35 перенасыщенного водного раствора соли. Под действием акустического излучения высокой интенсивности гидрофобный слой окружающий кристалл соли или кристалл соли с перенасыщенным водным ее раствором разрушаются, а вводимая в нефть пресная вода проникает к кристаллам солей 32 и к их перенасыщенному раствору. Пресная вода при этом разбавляет перенасыщенный водный раствор солей, растворяет и сами кристаллы солей. Таким образом, происходит обессоливание нефти, результаты которого приведены в таблице №6. Процесс обезвоживания нефти заключается в том, что под действием значительной разницы в давлениях между волнами сжатия 18 и волнами разряжения 19, возникающих в нефти, в которой присутствует вода, т.е. имеет место обратная эмульсия, мелкие частицы воды 35 движутся по стрелке 36 из области высокого давления 18 в область низкого давления 19 и при вводе в такую нефть деэмульгатора, разрушающего поверхностно-активное вещество (ПАВ) эти капли воды коалесцируют до таких размеров, когда на них начинают действовать отрицательные архимедовы силы, что и разделяет воду и нефть. Результаты обезвоживания нефти приведены в таблице №7. Механизм движения капель воды в нефти под действием разности давлений представлен на фиг.18. На фиг.19 изображена дисперсная структура нефти, а на фиг.20 – действие акустических волн сжатия 18 и волн разряжения 19 на эту структуру. Под действием этих волн происходит разрушение сольватной оболочки 37 ядра 36, состоящего из асфальтенов. При воздействии на ядро 36 акустических колебаний высокой интенсивности оно так же может разрушаться. На фиг.21 представлено действие акустических волн на макромолекулы нефти. Поскольку в этих молекулах энтальпия связи С-S наименьшая, а именно 54 ккал/моль, то очевидно, что разрушение этих молекул происходит по этой связи. Это подтверждается тем, что при дальнейшей перегонке обработанной в РПАА нефти, во-первых, возрастает выделение сероводорода, во-вторых, увеличивается выход светлых фракций, в третьих, снижается вязкость нефти, в четвертых, снижается температура вспышки, в пятых, снижается температура ее застывания. Эти результаты представлены в таблицах №№8-11, где образцы под номером 1 – это исходная, не обработанная в РПАА нефть, образцы под номерами 2-4 – нефть, обработанная в РПАА при различных режимах обработки.

Под действием акустических волн высокой интенсивности происходит разрушение бактерий, находящихся в различных жидкостях и, в частности, в молоке. Результаты этого воздействия при обработке молока в РПАА представлены на фиг.23, в таблицах №№12, 13. На фиг.23 по горизонтальной оси отложено время хранения молока в сутках, по вертикальной оси – кислотность молока в Т°, верхний предел кислотности молока – 24Т°, поз.40 – исходное, не обработанное в РПАА цельное молоко, поз.41-43 – молоко, обработанное в РПАА при разных режимах обработки. Максимальный срок хранения пастеризованного молока по ТУ-36 часов (1,5 суток). Из фиг.23 видно, что молоко, обработанное в РПАА, значительно превышает требование ТУ к сроку хранения пастеризованного молока традиционным температурным способом. Из таблицы №12 также видно, что молоко, обработанное в РПАА, имеет значительно более лучшие показатели по ОМЧ (общему микробному числу) и БГКП (бактерий группы кишечной палочки). Из таблицы №13 видно, что молоко, восстановленное по традиционным технологиям, имеет более низкие показатели по сравнению с молоком, восстановленным с помощью РПАА. Авторами были проведены работы по обработке отработанной СОЖ (смазывающе-охлаждающей жидкости), используемой в машиностроении для процессов резания металлов. Отработанная СОЖ имела сильный запах разложения (результат жизнедеятельности в СОЖ микроорганизмов). В результате обработки в РПАА отработанной СОЖ запах разложения полностью исчез, и не возникал в течении месяца при том, что она находилась при температуре 35°С.

В процессе эмульгирования происходит деформация частиц дисперсной фазы, с последующим их дроблением на более мелкие, как показано на фиг.25. Условия для дробления частиц возникают в результате вращательно-поступательного и вихревого (турбулентного) движения частиц фазы и жидкотекучей среды в РПАА, в котором жидкость протекает в зазоре между неподвижным диском-статором и вращающимся диском-ротором. Все частицы (капли) дисперсной фазы вовлекаются в это движение таким образом, что в качестве внешнего воздействия следует рассматривать параметр градиента скорости. Под этим параметром понимается разность по модулю величин векторов скоростей в любых двух точках движущейся жидкости, отнесенных к расстоянию между этими точками. На фиг.26 изображена капля дисперсной фазы 14, находящаяся в среде 15, с действующими на ее полюсах векторами скоростей V₁ и V₂. Направленные в разные стороны векторы скоростей складываются, а направленные в одну сторону – вычитаются из большего меньший. И эта величина V относится к расстоянию между полюсами капли, т.е. к диаметру капли d_k.

Механизм эмульгирования, изображенный на фиг.5-8, математически его можно представить следующим образом. Чтобы капля дисперсной фазы 14, находящаяся в состоянии покоя, как показано на фиг.5 и 6, начала деформироваться, необходимо, чтобы любое внешнее воздействие на нее, например динамический напор P_д, был бы равен или был бы больше капиллярного давления Р_к, создаваемого внутри капли, силами межфазного поверхностного натяжения .

где Р_к – капиллярное давление внутри капли дисперсной фазы [Н/м²], – межфазное поверхностное натяжение [Н/м], d_k – диаметр капли дисперсной фазы [м].

Динамический напор:

где Р_д – динамический напор [Н/м²], – плотность среды [кг/м³], V – разность скоростей V₁ и V₂ среды в окрестности капли (на полюсах капли) дисперсной фазы [м/сек] (см. фиг.25). Таким образом Р_дР_к (Брагинский Л.Г., Бегичев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета. – Л. Химия, 1984. – 336 л. илл.; стр.198).

Интенсивность акустического излучения:

где J – интенсивность акустического излучения [Вт/м²], Р_а – амплитуда акустического давления [Н/м²], V_a – амплитуда колебательной скорости [м/сек] (Ультразвук. Под ред. Голяминой И.П. Маленькая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1979, 400 с). Решая эти три уравнения (1, 2, 3) относительно d_k и принимая Р_д=P_a, V=V_a, получим d_k4·/(2··J²)^1/3. Производство любых эмульсий, например, по патенту РФ №2052843, кл G 03 С 7/32, 20.01.96, Бюл. №2, при градиенте скорости в зазоре между ротором и статором qradV=(3,0…8,8)-10⁶ м/сек·м при зазоре =10^-5 м с диаметром частиц дисперсной фазы порядка 0,05…0,1 мкм (5^-8…10^-8 м) и =6·10^-3…10^-4 Н/м невозможно, т.к. для начала деформации капель дисперсной фазы диаметром d_k=0,05 мкм необходимо, чтобы при зазоре между ротором и статором =10^-5…5·10^-5 м и диаметре ротора 200 мм (0,2 м) частота его вращения была бы в пределах n=5,91·10⁵ об/мин (9,85-10³ об/сек), при этом градиент скорости в зазоре между ротором и статором был бы равен qradV=6,19-10⁸ м/сек·м, а не (3,0…8,8)-10⁶ м/сек·м. Создание промышленных РПА с размерами диска ротора 0,2 м и вращающегося с частотой 591000 об/мин (9850 об/сек) в настоящее время представляется проблематичным.

Необходимо отметить, что обработка жидкотекучих сред в малых зазорах между вращающимся ротором и статором малоэффективна хотя бы в силу того, что через эти зазоры протекает порядка 10% жидкости по сравнению с 90% жидкости, протекающей в проточных каналах. Это вытекает из того, что площадь проточного канала по крайней мере на два порядка больше площади канала, образованного боковым зазором между ротором и статором. Так, при ширине проточного канала 6 мм, учитывая то обстоятельство, что этот канал бывает полностью открыт и полностью закрыт, примем ширину этого канала равным 3 мм. Примем также, что высота проточного канала и высота канала, образованного боковым зазором , равны между собой и равны каждый по 10 мм. Таким образом, площадь проточного канала S_прот=30 мм², а площадь канала, образованного боковым зазором ·S_бок (0,01…0,02)-10=0,1…0,2 мм², (см. кроме того, патент РФ №2138555, кл. С 12 Р 7/06, 05.12.97 и патент РФ №2123266, A 231 L 1/0524, С 08 В 37/06, 20.12.98). Максимальные линейные (окружные) или переносные скорости в этих патентах находятся в пределах V=18,32…99 м/сек при расходе 10…11 т/час, (м³/час) или (0,003 м³/сек). Учитывая то, что минимальная скорость в боковом зазоре равна нулю (см. вышеуказанные патенты), то средняя скорость в зазоре будет равна половине максимальной скорости, т.е. V_cp=9,16…49,5 м/сек. Расход жидкости через канал определяется как произведение скорости течения жидкости на площадь поперечного сечения канала. Таким образом, расход в канале, образованном боковым зазором между ротором и статором, Q_заз ⁼9,16-10^-7…9,9·10^-6 м /сек. Если учесть, что проточных каналов может быть порядка 60, то расход через один проточный канал составит 5·10^-5 м³/сек. Приняв это значение за 100%, определим, что расход жидкости через канал, образованный боковым зазором, составит от 1,83% до 19,8%, т.е. в среднем 10,8%. Здесь необходимо отметить следующее, что в боковой зазор между ротором и статором, равный 0,01…0,02 мм, не сможет попасть ни крахмалосодержащее сырье (см. патент РФ №2138555), ни пектиносодержащее сырье, например свекловичный жом, яблочные и цитрусовые выжимки, амарант (см. патент РФ №2123266), т.к. размеры частиц этого сырья значительно, на порядок или два порядка, больше величины этого зазора. Это обстоятельство подтверждается и тем, что процессы эмульгирования, диспергирования, экстрагирования, пастеризации, проведение звукохимических реакций, изменение дисперсной структуры нефти и нефтепродуктов и т.д. и т.п. протекают и при воздействии: на соответствующие продукты посредством УЗДНа, в котором нет никаких вращающихся частей, нет никакого зазора между ротором и статором, а следовательно, нет градиента скорости в этом зазоре, а есть невращающийся диск, совершающий колебания, генерируемые специальным источником.

Из приведенных примеров видно, что область применения предлагаемого способа очень широкая. При этом фактически может быть применен однотипный аппарат РПАА (см. фиг.4). При использовании регулируемого по частоте вращения привода аппарата, его с успехом можно применять во всех перечисленных отраслях промышленности.

На фиг.24 представлена схема стенда “Лазерный интерферометр”, на котором получен снимок, представленный на фиг.1. Диск ротора 9 установлен в оправке на станине. Через полупрозрачное зеркало 45, линзу 46 лазерный луч от лазера 50 падает на диск ротора 9. Часть этого луча, отражаясь от зеркала 45 с помощью зеркал 44 и линзы 46, попадает на голографическую фотопластинку 47. К диску ротора 9, в его торец, подведен пьезоизлучатель 49, который может быть подведен и к оси, на которой установлен диск ротора 9. С помощью генератора 54, усилителя 55 и пьезоизлучателя 49 в диске ротора 9 генерируются колебания. С помощью микрофона 48, шумомера 52 и осциллографа 53 определяется максимальное звучание диска ротора 9, т.е. определяется максимальная амплитуда его колебаний (резонансные колебания). При этом на фотопластине 47 происходит наложение невозмущенного луча лазера, прошедшего через отражающие зеркала 44, с возмущенным лучом лазера, отразившегося от колеблющегося ротора. Экспонирование фотопластины 47 происходит тогда, когда частота, генерируемая системой возбуждения пьезоизлучателя 49, совпадает с собственной частотой колебаний диска ротора 9. Диск ротора 9 при этом не вращается, а только совершает колебательное движение, однако из литературных источников известно, что вращающийся диск ротора совершает точно такие же колебания, как и диск, находящийся на этом стенде (Островский Ю.И. Голографические интерференционные методы измерения деформаций. – М.: Наука, 1988, 248 с.)

Экономический эффект от использования предлагаемого способа заключается в том, что с его помощью можно проводить более полно химические реакции, увеличить выход светлых фракций при перегонке нефти, более качественно готовить нефть на стадии ее подготовки для дальнейшей переработки, снижать вязкость нефтепродуктов, снижать температуру их вспышки и температуру их застывания, проводить процессы пастеризации и стерилизации, процессы экстрагирования, получение высокоустойчивых ультратонких эмульсий и суспензий и т.д. при сравнительно небольших энергетических затратах.

Формула изобретения

Акустический способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате, заключающийся в волновом воздействии на обрабатываемую среду периодически чередующимися и повторяющимися волнами сжатия-разряжения-сжатия, генерируемыми колебаниями плоскости диска вращающегося ротора различной частоты, амплитуды и интенсивности, отличающийся тем, что эти колебания генерируются продольными, перпендикулярно плоскости диска листовыми колебаниями этого диска.

РИСУНКИ