Применение ультразвуковых генераторов в промышленной водоочистке и водоподготовке

Нами запроектирован флотатор с газоструйным УЗ генератором (запатентован) в системе водоочистки крупнейшего в европе Рязанского кожевенного завода где достигнута эффективность по ряду параметров (хром и др.) более 90%).

Основные направления применения ультразвуковых технологий в водоочистке:

интенсификация химических реакций при сокращении необходимого объема химреагентов;
подготовка качественной водо-воздушной смеси в экономичных не сатураторных схемах флотации шлама;
создание эффективных (с плотностью поля более 10 вт/см2) экономичных реакторов проведения окислитель реакций промышленного стока (возможность замены не экономичных технологий озонирования сточных вод);
экономичные, эффективные технологии оксидирования промышленного стока;
проведение эффективных реакций, приводящих к уменьшению сульфидов в сточных водах промышленных предприятий.

Эжектор с газоструйными ультразвуковыми генераторами

Изобретение относится к акустическим (ультразвуковым) способам воздействия на жидкие, газовые, газожидкостные смеси в механо-физико-химических процессах тепломассоэнергообмена перемешивания, эмульгирования, диспергирования, термообработки и подобным им. Поставленная задача решается с помощью тепломассоэнергообменного процесса методом акустического резонансного возбуждения потока создаваемого в эжекторе с газоструйными генераторами и концентратором ультразвукового поля, воздействующим на многофазный продукт. Для осуществления настоящего способа газоструйный генератор выполняется в виде генерирующих ультразвук кольцевых резонаторов с центром расположенным по оси эжектора.

Область техники, к которой относится изобретение

Уровень техники

Известны способы изменения физико-химических свойств потоков жидкости путем передачи жидкости энергии колебательных процессов различных ультразвуковых излучателей, которые усиливают гидродинамическую кавитацию в процессе которой также генерируются акустические, в т. ч. и ультразвуковые колебания [1]. Акустическое поле влияет на кинетику фазовых превращений в жидкостях процесса кавитации пузырьков. Акустическое поле оказывает сильное воздействие как на пороги метастабильности жидкости, так и на кинетику фазового перехода. Звук влияет на поток зародышей пузырьков в жидкости и барьер, отделяющей метастабильную жидкость и новую фазу. Этот процесс зависит, в основном, от амплитуды и частотной характеристики акустического поля. Реальная жидкость насыщена ядрами кавитации, которые при большой интенсивности волны разрежения (|p| > 200 атм ), набегающей на группу зародышей одного начального размера приобретают монодисперсный по размерам пузырьков характер за счет коалесценции пузырьков, расположенных внутри группы (кластера) [2]. Поэтому, представляет интерес создания приборов с большой интенсивностью озвучивания газожидкостных сред, когда возможны существенные изменения физико-химических свойств многофазных продуктов.
      Известен способ совмещения эжектора с ультразвуковым генератором, патент 92010550, отличающийся тем, что газовый эжектор снабжен проходящим по оси активного сопла стержнем, на котором установлен колпачок (резонатор), выполненный с острыми кромками со стороны сопла и образующий с соплом газоструйный ультразвуковой излучатель.
      Известен способ разработки нефтяного пласта, включающий закачку воды и рабочего агента одновременно по раздельным линиям, с последующим смешиванием их эжектированием на заданной глубине, патент 2078200 опубликован 27.04.1997, отличающийся тем, что закачивают газоводяную пену приготавливаемую высоконапорным струйным эжектором отличающийся тем, что воздействие упругими колебаниями при закачке в пласт водогазовой смеси осуществляют с помощью гидродинамического генератора.
      Известен также газовый эжектор, содержащий активное сопло и камеру смешения, при этом активное сопло снабжено ультразвуковым излучателем (см. авторское свидетельство СССР N 1548534, кл. F 04F 5/02, 1990).
      Известны способы диспергирования, эмульгирования с помощью гидродинамических кавитаторов, когда многофазный продукт подвергается воздействию ультразвукового поля, получаемого в процессе кавитации самого жидкого продукта.
      Наиболее близкий по технической сущности и достигнутому результату способ тепломассоэнергообмена и устройство для его осуществления (прототип) - патент РФ 2268772, 7B01F11/02, опубликован 27.01.2006 г., в котором кроме резонансного возбуждения конструкции устройства используется возбуждение кавитационного процесса (образование и всхлопывание пузырьков, приводящее к ультразвуковым колебаниям) методом соприкосновения двух или более вихревых потоков. Недостатком этих способов является сложность достижения высокой плотности облучения продукта (менее 10 Вт/см2) при заданной производительности.
Невозможность достижения высокой плотности облучения в заданных частотных диапазонах при заданной производительности устройства приводит к ограничению возможности использования способа ультразвукового воздействия для эффективных тепломассооэнергообменных процессов.
При интенсивности 10-30 вт/см2 из торфа получается препарат сельскохозяйственного применения Ультрагумат с высоким содержанием гуминовых кислот. При интенсивности более 100 вт/см2 получается препарат медицинского применения Аницин (Anicin) с высоким содержанием фульво кислот.

Раскрытие модели

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа акустического воздействия на многофазный поток (например водогазовый поток) при котором осуществляется временное или безвозвратное изменение физико-химических свойств обрабатываемого продукта за счет максимальной энергии акустического резонансного возбуждения потока продуктов в заданном частотном диапазоне, что позволяет:

создать достаточную для деструкции длительность и мощность резонансного возбуждения потока за счет кавитационного процесса усиливаемого газоструйными генератороми;
создать кавитационный процесс в потоке с высокой плотностью акустического облучения продукта (значительно больше 10 Вт/см2), приводящий к акустической деструкции дисперсно-агрегатного состояния продукта и преобразованию химических связей;
использовать тепломассоэнергообменный процесс потока для проведения преобразований продукта.

Поставленная задача решается с помощью тепломассоэнергообменного процесса методом акустического резонансного возбуждения потока создаваемого в эжекторе с газоструйными генератороми и концентраторами ультразвукового поля, воздействующим на многофазный продукт. Для осуществления настоящего способа газоструйный генератор выполняется в виде генерирующих ультразвук кольцевых резонаторов с центром расположенным по оси эжектора. Количество кольцевых резонаторов должно обеспечить пропускную способность эжектора по газовому (паровому) входу. Для усиления акустического воздействия на жидкий продукт приемная камера эжектора выполняется в виде концентратора акустической энергии, фокусирующей ультразвуковую волну на осевую линию потока жидкого продукта. Большая сфокусированная мощность воздействует на кавитационные зародыши в жидкости, которые приобретают монодисперсный по размерам характер за счет коалесценции пузырьков, расположенных внутри группы (кластера) волновых зон повышенного или пониженного давления.

Кроме достижения высокой суммарной мощности генераторов, в разработанных эжекторах используется несколько газоструйных генераторов для решения различных задач воздействия на обрабатываемый поток.

В эжекторах с рабочим жидким продуктом часто необходимо акустическое воздействие на жидкий рабочий поток для достижения эффекта форсунки. В этом случае возможно достижение значительно большей эжекции газообразного продукта. Эта задача решается с помощью ультразвукового газоструйного генератора, расположенного совместно с соплом жидкого продукта. Дополнительные генераторы могут быть расположены в конфузорной, диффузорной частях эжектора, а также в рабочем канале.

Особенности изобретения будут дополнительно понятны из нижеследующего описания прилагаемых чертежей.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 – Схема водо-газового эжектора с ультразвуковыми газоструйными генераторами;
Фиг.2 – Схема сечения газоструйного генератора;
Фиг.3 – частотная характеристика устройства обработки жидкого продукта;
Фиг.4 – частотная характеристика устройства с вводом газообразного продукта, выполненного в виде газоструйного генератора акустических колебаний.

Осуществление модели
Способ интенсификации тепломассоэнергообмена в физико-химическом процессе превращений методом акустического резонансного возбуждения потока ультразвуковым излучением осуществляется в эжекторе с ультразвуковым газоструйным генератором и концентратором акустической энергии. На чертеже фиг.1 условно показан эжектор с одним потоком жидкого продукта, который подается по оси. Газ (или пар) подается через входные патрубки 1,2,3 с регулирующим расход газа по входу 2. Газ (пар) поступает в приемную камеру 4, которая выполнена в виде концентратора акустической энергии фокусируемой по оси. Для этого торцы камеры имеют специальную форму и выполняются наилучшие соотношения диаметра и длины приемной камеры, а также диаметра и длины трубы 6. При закрытом вентиле 3 весь газовый поток через патрубки 1,3 поступает в сопла газоструйных генераторов 5, выполненных в виде кольцевых резонаторов с соплами. Сечение резонатора показано на фиг.2. Максимальный кпд генератора достигается для соотношений R/S=1,6 и L=H, [3, стр. 77]. Частота акустических колебаний генератора зависит как от геометрических размеров резонатора, так и от разности давлений на входе и выходе генератора.

	Расход газа, проходящего через генератор пропорционален SD, где D – диаметр кольца резонатора, и числу кольцевых резонаторов генератора. Для генератора чертежа фиг. 1 расход пропорционален S(D1+D2), поскольку кольцевых резонаторов два. Направление движения потока газа в генераторе на фиг.2 показана фигурными стрелками. Основными оценочными физическими параметрами эффективности работы эжектора являются газо-водяной фактор R, который определяется по формуле R = Qг.ст / Qp,где Qг.ст - расход газа, приведённый к стандартным условиям по входу, Qp - расход рабочей жидкости через эжектор и кпд эжектора КПД=R k/(1-k),где k=(Pc-Pк)/(Pр-Pк) относительный безразмерный перепад давления равен, Рс – давление смешанного потока на выходе из эжектора, Рр – давление рабочей жидкости перед соплом, Рк – давление в приемной камере. Очевидно, что необходимо достигать максимума газо-водяного фактора R , который зависит от диспергирования и эмульгирования смешиваемых продуктов. Диспергирование и эмульгирование зависит от интенсивности кавитационного процесса зависящего от амплитуды и частоты ультразвуковых колебаний в жидкости. На фиг. 3 представлен спектр одного из самых эффективных гидродинамического вихревого генератора с характерным спектром кавитационного “шума” воды в диапазоне 42-50 Кгц с оценочной амплитудой колебаний А.

На фиг. 4 представлен спектр того же устройства с включенным газоструйным генератором, рассчитанным на частоту 19,5 Кгц. Амплитуда колебаний газоструйного генератора существенно больше А, поэтому наблюдавшееся качество диспергирования и эмульгирования продукта в устройстве с газоструйным генератором выше. Дополнительными важными физическими параметрами заявляемого устройства являются акустическая мощность газоструйного генератора в эжекторе и частота генерируемых колебаний. В разрабатываемых и внедренных устройствах достигаются акустические мощности Nа>1000 вт и плотности ультразвукового облучения продукта 100 вт/см2 и более.
В литературе до настоящего времени авторами не обнаружены описания устройств, в которых инжектируемый газ (пар) в эжекторе поступает через газоструйный генератор с кольцевыми резонаторами, акустические колебания которого сфокусированы на потоке жидкого продукта где достигаются плотности ультразвукового облучения продукта 100 вт/см2 и более. Не обнаружены также описания эжекторов, в которых используются несколько газоструйных генераторов, решающих различные задачи преобразования многофазного продукта. Это позволяет сделать заключение, что заявляемое техническое решение соответствует первому признаку изобретения – новизна. Исследования, проведенные авторами в поисках аналогов, экспериментов с аналогами устройств, промышленными испытаниями устройств интенсификации тепломассообменных процессов и прототипа, позволяют сделать заключение, что известные способы интенсификации тепломассообмена и устройства их осуществляющие не в полной мере могут обеспечить заданные мощность, частотный диапазон акустической обработки продукта. В отличие от этого, как видно из фиг.3, фиг.4, заявляемое устройство имеет преимущественный энергетический спектр акустических колебаний в заданном диапазоне, технические решения, достигающие этот результат не вытекают явным образом из известного на сегодняшний день уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует второму признаку изобретения – изобретательский уровень. Изготовленные опытные образцы эжекторов проходили испытания в пилотных проектах в качестве устройств диспергирования жидких и газообразных продуктов. Поэтому, заявляемое техническое решение соответствует третьему признаку изобретения – промышленная применимость.
Таким образом, применение заявляемого устройства позволяет интенсифицировать тепломассоэнергообмен, проводить физико-химические преобразование продуктов при меньших энергетических и трудовых затратах.

Формула

Устройство тепломассоэнергообмена в эжекторе, отличающеесяся тем, что возбуждение кавитации жидкостного потока осуществляется с помощью газоструйных генераторов с фокусирующей системой путем достижения наибольшей плотности акустического облучения жидкостной струи, обеспечивающей эффективное диспергирование и эмульгирование потока.
Устройство по п. 1 отличающийся тем, что газоструйные генераторы выполнены в виде кольцевых сопел, с помощью которых достигается большая акустическая мощность.
Устройство по п. 1 отличающийся тем, что ввод газового потока в камеру эжектора осуществляется через несколько входов (патрубков), снабженных регуляторами расхода газа, причем несколько входов соединены с газоструйными генераторами а один вход непосредственно с камерой эжектора, это дает возможность регулировать акустическую мощность газоструйного генератора, обеспечить необходимый для эжектирования объем газа и, в некотором диапазоне, регулировать частоту газоструйных генераторов путем регулирования давления газа на входе генераторов.
Устройство по п. 1 отличающийся тем, что за счет мелкодисперсного потока жидкости, получаемого в ультразвуковой обработке, увеличивается объем эжектируемого газа.
Устройство по п. 1 отличающийся тем, что в ультразвуковом поле эжектора ускоряются химические реакции компонентов газо-жидкостного продукта.
Устройство по п. 1 отличающийся тем, что в смесительной камере эжектора находятся газоструйные генераторы, выполненные в виде кольцевых сопел.
Устройство по п. 1 отличающийся тем, что смесительная камера эжектора выполнена в виде концентратора акустической энергии, создающего наибольшую плотность акустического облучения струи жидкости.
Применение устройства по п. 1 в качестве устройства тепломассоэнергообмена.
Применение устройства по п. 1 в качестве устройства приготовления водо-топливных эмульсий.
Применение устройства по п. 1 в качестве устройства приготовления нефте-газовых эмульсий в технологиях нефтедобычи.
Применение устройства по п. 1 в качестве реактора интенсификации химических реакций.
Применение устройства по п. 1 в качестве устройства подготовки водо-воздушной смеси в системах водоочистки.
Применение устройства по п. 1 в качестве устройства подготовки газо-жидкостных суспензий во флотационных технологиях.
Применение устройства по п. 1 в качестве устройства подготовки пищевых эмульсий.

Библиографические данные

Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. пер. с нем., 2 изд. М, 1957. 368 с.
Kedrinskii V.K. On multiplication mechanism of cavitation nuclei // Proc. 12th Intern. Congress on Acoustics. Toronto, 1986.
Ультразвук: Маленькая энциклопедия.- М.: Сов. Энциклопедия, 1979 – 400 с.