Рядом исследований установлено, что ультразвуковые колебания способны изменять агрегатное состояние вещества, диспергировать, эмульгировать его, изменять скорость диффузии, кристаллизации и растворение веществ, активизировать реакции, интенсифицировать технологические процессы. Воздействие ультразвуковых колебаний на физико-химические процессы в пищевой промышленности дает возможность повысить производительность труда, сократить энергозатраты, улучшить качество готовой продукции, продлить сроки хранения, а также создать новые продукты с новыми потребительскими свойствами.
Наиболее перспективным и достаточно освоенным использованием ультразвуковых технологий являются следующие технологические процессы:
- приготовление пищевых водных и водо-жировых эмульсий в мясомолочной, кондитерской, пищевкусовой отраслях промышленности, при изготовлении колбас, молочных продуктов, соков и т.д. ;
- низкотемпературная обработка продуктов с целью “мягкой” варки;
- диспергирование, гомогенизация и пастеризация сырья, полуфабрикатов и продуктов;
- биологическая активизация пищевых продуктов с целью улучшения потребительских и лечебно-биологических свойств;
- гидрогенизация жиров, осветление растительных масел;
- мгновенная варка водомучных суспензий в хлебопекарных и спиртовых технологиях;
- подавление микробиологических процессов в диффузионных аппаратах при производстве сахара за счет ультразвука;
- интенсификация диффузионного процесса в диффузионных аппаратах при производстве сахара за счет ультразвука;
- очистка диффузионного сахарного сока;
- осаждение винно-кислых солей, содержащихся в вине;
- обеззараживание воды.
Использование ультразвуковых технологий в пищевой промышленности не ограничивается приведенными примерами.
С помощью разработанного аппарата для спиртового производства была осуществлена в промышленном объеме мгновенная варка водо-мучной суспензии с целью извлечения крахмала в проточном режиме. В ультразвуковой генератор под давлением 3-4 атм подавалась суспензия и пар, на выходе получалась готовая суспензия с температурой 80-95°С с выделенным крахмалом. Микробиологический анализ показал отсутствие микрофлоры. Опыт использования ультразвуковой варки дает основания считать возможным распространение его и на другие процессы спиртового производства – осахаривание, активизацию бражки, коагуляцию барды, ректификацию и т.д. Таким образом, использование ультразвуковых аппаратов в тепломассоэнергообменных процессах спиртового производства позволяет надеяться на радикальные изменения технологии водно-тепловой обработки зерна.
В аналогичном аппарате была осуществлена холодная пастеризация и гомогенизация молока. При дроблении жировых шариков молока за счет ультразвука повышается его питательная ценность. При достаточной плотности ультразвука происходит стерилизация молока. В отличии от стерилизации и кипячения при ультразвуковой обработке молока не происходит разрушение витамина С.
При использовании пара в газоструйном генераторе температура обработанного молока на выходе существенно ниже, чем при стерилизации, при этом, за счет ультразвукового газоструйного процесса достигается необходимая акустическая мощность.
Применение ультразвуковой технологии принципиально упрощает технологию получения альбуминных белков.
Таким образом, использование ультразвуковых технологий в различных пищевых производствах позволяет:
-
во много раз увеличить скорость физико-химических процессов;
-
снизить энерго и ресурсозатраты;
-
интенсифицировать процессы тепломассоэнергообмена;
-
радикально изменить аппаратурные оформления техпроцессов в сторону уменьшения металлоемкости и совмещения нескольких операций;
-
освободить производственные площади;
-
получить новые виды продуктов с биологически активными лечебными свойствами;
-
снизить себестоимость продукции.
Вместе с тем необходимо отметить следующее – внедрение акустических технологий в ряде случаев влечет за собой корректировку некоторых параметров технологических процессов.
На Самотлоре более 18и месяцев проводится эксперимент по акустической обработке призабойной зоны, деструкции нефти где полностью устраняется АСПО с помощью устройства ВГУР, установленного на НКТ.
С помощью разработанного автономного погружного инструмента – вихревого гидродинамического ультразвукового реактора (ВГУР), установленного в скважине на колонне НКТ с помощью резьбового соединения непосредственно за насосом, получена деструкция углеводородов нефти. Эффективно используeтся большое статическое давление в скважине, динамика вихря и акустическое давление в резонансных процессах кавитации жидкости и собственной частоты реактора. При мощном кавитационном воздействии на эмульсию нефти в парогазовой фазе происходит процесс гидрокрекинга. В условиях протекания интенсивного кавитационного процесса наблюдается эффект изменения ароматической системы аренов, что позволяет проводить гидрирование без использования специализированных катализаторов. Изменение дисперсно-агрегатного состояния продукта и преобразование химических связей приводит к уменьшению содержания высокомолекулярных углеводородов и увеличению углеводородов бензиновой группы, что приводит к упрощению дальнейших технологий переработки углеводородного сырья. Ультразвук так же воздействует на элементы насоса и уменьшает в нем отложения солей. Призабойная зона при этом получает акустическое воздействие, способствующее стабилизации дебета скважины. Уменьшается так же вязкость прокачиваемой эмульсии и решается проблема АСПО. Устройство работает за счет разности давления жидкости, составляющего 0,5-0,7 мПа, не требует электропитания и обладает надежностью выше насосного агрегата.
Основные направления разработки технологий:
- мокрый помол торфа в ультразвуковом кавитационном процессе;
- создание синтетического торфосодержащего топлива;
- разработка технологий органо-минеральных удобрений;
- разработка технологий пищевых добавок в животноводстве;
- разработка технологий производства лечебных эмульсий.
Торф - золото России
Органические вещества торфа состоят из гуминовых и фульвовых кислот, битумов, целлюлозы, лигнина. Минеральная часть в основном состоит из кремния, кальция, железа, алюминия и микроэлементов. Как удобрение торф малоэффективен, так как основная масса азота находится в труднодоступной форме, в составе гуминовых веществ. Применяя щелочную экстракцию торфа, добиваются доступности ряда веществ питанию растения. Однако химический способ выделения гуминовых веществ не достаточно эффективен. Кроме этого разрушается природная структура гуминовых препаратов, полученных химической экстракцией. Поэтому актуальна задача разработки эффективных технологий переработки торфа, в которой органические вещества становятся водорастворимыми с содержанием фульвовых и гуминовых кислот.
Использование кавитации в технологиях получения гуминовых препаратов дает возможность достижения их высокой физиологической активности, большого выхода водорастворимых органических веществ, протекания реакций гидротермального синтеза. В кавитаторе синхронно идут процессы диспергации, экстракции, растворения, дезинтеграции клеточных структур, деструкция целлюлозы. Физиологическая активность гуминовых препаратов с неупорядоченными полимерными структурами гуминовых кислот и их солей, получаемых с использованием кавитации, увеличивается, поскольку неупорядоченная полимерная структура таких веществ с условным понятием молекулярной массы, чем мельче, тем эффективнее усваивается мембранами клеточной структуры растений.
Для обработки водо-торфяного потока авторами разработано устройство итенсификации тепломассоэнергообмена, состоящее из одной и более камер, в которых обрабатываемый в потоках продукт диспергируется, эмульгируется и другое за счет волновой энергии большой интенсивности газоструйных генераторов. Устройство и способ зарегистрированы: патент РФ №2392046 от 25.01.2008 – “Устройство деструкции углеводородов”, заявка на патент РФ №2010148726 от 29.11.2010 – “Способ акустической обработки многофазного продукта и устройство для его осуществления”.
Разработан способ акустического воздействия на поток многофазного продукта, в котором используется акустическая кавитация в вихревом или струйном потоке, за счет энергии газоструйных генераторов, используется тепломассоэнергообменный процесс потока для проведения преобразований продукта.
Между жидкой фазой потока и газовой, особенно при вихревом движении, создается большая площадь соприкосновения, увеличивающаяся в процессе взаимодействия за счет диспергирования в возникающих сверхдавлениях волнового кластерного процесса кавитации. Твердая фаза продукта так же за счет сверхдавлений подвергается диспергированию и различным преобразованиям исходного вещества. При обработке вихревого водно-торфяного потока получается ценное вещество с большим содержанием фульвовых и гуминовых кислот , а также другие органические и минеральные компоненты доступные для питания растений. Основной задачей разработки устройства обработки многофазного продукта является достижение максимальной интенсивности ультразвука в рабочих камерах, достаточной для деструкции обрабатываемого продукта.
Поставленная задача решается с помощью тепломассоэнергообменного процесса методом акустического резонансного возбуждения потоков создаваемых в струйных камерах или вихревых трубах, газовый или ввод пара в которые, составляющей смеси обрабатываемого продукта, выполнен в виде газоструйных генераторов. Предлагаемый способ ввода газовой составляющей за счет большой акустической мощности газоструйных генераторов приводит к интенсивной акустической кавитации жидкой составляющей продукта.
В газовой, и жидкой фазах продукта возникают пульсирующие сверх давления, приводящие к диспергированию, эмульгированию и другим физико-химическим процессам. За счет большой площади соприкосновения акустической волны газового потока с жидкой и твердой компонентами обрабатываемого продукта, возможна передача энергии большой интенсивности, что не возможно при передаче энергии от твердой поверхности генераторов (пьезокерамика, магнитострикторы) в жидкий продукт.
Представленная технология может принципиально изменить роль торфа. Во первых, получение гуматов с высоким содержанием фульвовых и гуминовых кислот упрощается и становится возможным без применения химикатов. При этом органическая составляющая торфа в результате физико-химических реакций становится в большей части водорастворимой. Во вторых, производительность установок получения гуматов может быть достигнута практически как угодно большой, и не требует возведения заводов. Производство гуматов может быть организовано в рамках любого сельскохозяйственного предприятия и, даже, в личном хозяйстве. Для этого достаточно организовать производство ультразвуковых газоструйных реакторов различной производительности. Дополнительно требуются стандартные насосы и компрессоры.
Технология производства гуматов в ультразвуковых реакторах с газоструйными генераторами принципиально изменяет ценность торфа и дает возможность существенно повысить эффективность применения торфа в сельском хозяйстве и медицине.
Обнаружены лечебные свойства торфяной эмульсии, полученной в результате мокрого помола в ультразвуке. Эмульсия имеет нефте-дегтярный запах. Исходный торф обычный топочный из Нижнего Новгорода.
История с переработкой торфа в интенсивном ультразвуковом поле началась в начале августа 2010 года в процессе поездки автора на азовское море (отражено в описании проекта растворения кислорода в воде рыбного хозяйства). На обратном пути я заехал в Курск, где ранее оставлял лабораторный реактор. В Курске на развалившемся заводе счетных машин был припасен торф из Нижнего Новгорода, правда для других задач. Товарищи безуспешно пытались разбить торф используя имеющийся маломощный парогенератор. Одноко на заводе еще работал заводской компрессор, поэтому я предложил использовать заводскую магистраль сжатого воздуха. Известно, что паровая кавитация сопровождается более мощными кавитационными процессами, однако температурные процессы могут изменять органический состав продукта, поэтому представляет интерес газоструйные процессы как паровые, так и воздушные - менее интенсивные, но протекающие при малых температурах.
Учитывая практически неограниченный потенциал по залежам торфа в РФ и разработанные технологии получения УДЭТ возможна очевидная перспектива направления переработки торфа.
На Самотлоре более 18и месяцев проводится эксперимент по акустической обработке призабойной зоны, деструкции нефти где полностью устраняется АСПО с помощью устройства ВГУР, установленного на НКТ.
Документы можно смотреть по этой ссылке. http://vgur.gnm.su
С помощью разработанного автономного погружного инструмента – вихревого гидродинамического ультразвукового реактора (ВГУР), установленного в скважине на колонне НКТ с помощью резьбового соединения непосредственно за насосом, получена деструкция углеводородов нефти. Эффективно используeтся большое статическое давление в скважине, динамика вихря и акустическое давление в резонансных процессах кавитации жидкости и собственной частоты реактора. При мощном кавитационном воздействии на эмульсию нефти в парогазовой фазе происходит процесс гидрокрекинга. В условиях протекания интенсивного кавитационного процесса наблюдается эффект изменения ароматической системы аренов, что позволяет проводить гидрирование без использования специализированных катализаторов. Изменение дисперсно-агрегатного состояния продукта и преобразование химических связей приводит к уменьшению содержания высокомолекулярных углеводородов и увеличению углеводородов бензиновой группы, что приводит к упрощению дальнейших технологий переработки углеводородного сырья. Ультразвук так же воздействует на элементы насоса и уменьшает в нем отложения солей. Призабойная зона при этом получает акустическое воздействие, способствующее стабилизации дебета скважины. Уменьшается так же вязкость прокачиваемой эмульсии и решается проблема АСПО. Устройство работает за счет разности давления жидкости, составляющего 0,5-0,7 мПа, не требует электропитания и обладает надежностью выше насосного агрегата.
Обработка углеводородного сырья непосредственно в скважине, обеспечивает существенное улучшение физико-химических свойств добываемой нефти.
В режиме оптимальной эксплуатации реактора протекают процессы акустической конверсии высших нормальных парафинов, наблюдается интенсивное приращение содержания низкомолекулярных изо-парафинов, нафтенов, ароматических соединений, происходит эффективное диспергирование и эмульгирование.
Необратимых характер изменения качественных и количественных характеристик нефтяного компонента на этапе добычи позволяет рассматривать ВГУР как важный целевой элемент всего технологического цикла.
При помощи резьбового соединения ВГУР устанавливается непосредственно на колонне (НКТ) в скважине (предельно глубже или непосредственно за насосом).
Реакторы выпускаются в различных модификациях и калибруются в зависимости от условий эксплуатации и физико-химического состава углеводородного сырья.
Устройство работает полностью автономно за счет разности давления на входе-выходе составляющего не более 0,5-0,7 мПа, не требует электропитания и прямого телеметрического мониторинга, легко встраивается в традиционные технологические схемы.
Использование "ВГУР" позволяет принципиально улучшить основные составляющие рентабельности добычи нефти:
- стабилизировать и увеличить дебет скважины;
- уменьшить вязкость прокачиваемой жидкости;
- воздействовать на элементы насоса ультразвуком (через НКТ) и уменьшить в нем вероятность отложения солей;
- призабойная зона получает акустическое воздействие, способствующее стабилизации дебета скважины;
- при формировании гидрофобной эмульсии снизить теплопроводность, электропроводность и коррозионную активность нефтеносного сырья;
- удельный расход электроэнергии на куб добываемой нефти снизить не менее чем на 30%;
- полностью устранить проблему АСПО в НКТ ствола скважины, обеспечив ее длительную бесперебойную работу;
- при массовом переоборудовании кустового участка: - снизить расход реагентов и электроэнергии на основных процессах добычи, транспортировки, сбора, хранения и технологической доводки сырья; - на 10 – 20% сократить время разработки месторождения;
- изменить молекулярный состав углеводородов в сторону образования легких прямогонных фракций;
- снизить в 2 – 3 раза содержание тяжёлых парафинов путём их конверсии в ценные топливные компоненты;
Поиск и применение современных, экологически чистых и максимально эффективных технологий по увеличению нефтедобычи является на сегодня приоритетной задачей ТЭК.
Нестандартные технические подходы к этой проблеме позволяют заложить высокий экономический потенциал в деятельность отраслевых компаний на очень длительную перспективу.
ВГУР является ёмкой полифункциональной технологической концепцией погружного оборудования отлично адаптированного к работе в условиях высокого статического давления и температуры.
Реактор позволяет проводить уже на этапе подъёма нефти химические реакции, характеризующиеся значительной энергией активации.
Достигаемая глубина воздействия находится на уровне эффективной инициации процессов акустической конверсии углеводородного сырья, без привлечения дополнительных ресурсных и энергетических затрат.
