Способ обработки жидкости в кавитационном реакторе - RU2254911C1

Описание

Изобретение относится к области процессов ультразвуковой кавитационной обработки жидкостей с целью, например, разрушения, разъединения, разделения на части различных субстанций, включая живые (микроорганизмы), существующих в этих жидкостях в виде взвешенных фаз, а также для диссоциации молекул самих жидкостей. Задачей кавитационной обработки жидкостей может быть повышение дисперсности и гомогенности содержащихся фаз, интенсификация происходящих химических реакций, в том числе сопровождающихся синтезом новых соединений, а также бактериолиз и бактериостаз. Кавитационной обработке могут подвергаться суспензии, эмульсии, коллоидные либо истинные растворы, а также вода и другие жидкости. При кавитационном воздействии механизм передачи энергии в жидкость имеет “надтепловой” характер, реализуя в ней процессы, свойственные химии высоких энергий, при которых жидкость выводится из состояния термодинамического равновесия за короткий отрезок времени. Это позволяет аккумулировать в жидкости, например, в воде определенное количество энергии практически без ее нагрева и впоследствии при возврате к равновесному состоянию отдавать ее в виде тепла гидратации.

Изобретение может быть использовано в пищевой, химической, нефтедобывающей, горнорудной, фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в медицине.

Известен способ кавитационной обработки потока жидкости в кавитационном реакторе, при котором жидкость с обеспечивающей заданное время обработки скоростью пропускают сквозь реактор, устанавливая в ней стоячую акустическую полуволну с заданным средним значением объемной плотности мощности. Посредством энергии этой полуволны в жидкости возбуждается кавитация с соответствующим средним значением эрозионного коэффициента. При этом на периметре плоского сечения потока жидкости, содержащего максимальное значение эрозионного коэффициента, значения этого эрозионного коэффициента устанавливают не меньшими его среднего значения в кавитационном реакторе [1]. Установление значений эрозионного коэффициента осуществляют, подбирая форму и соотношение размеров отверстия в специальной диафрагме, являющейся частью конструкции внутреннего пространства реактора. Этим, кроме установления требуемого соотношения кинетической и потенциальной составляющих энергии кавитации, обеспечивают также и некую равномерность ее распределения в сечении потока жидкости, ограниченного отверстием в диафрагме. То есть, в конечном итоге, форму и соотношение размеров отверстия в диафрагме задают в зависимости от амплитуды звукового давления акустической полуволны Р, которое, будучи пропорционально амплитуде колебательного смещения в ней А и корню квадратному задаваемого среднего значения ее объемной плотности мощности, определяет величину среднего значения эрозионного коэффициента и вид функции его распределения [2].

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании такого способа, являются следующие обстоятельства.

Во-первых, способ не позволяет обеспечить равномерность обработки жидкости при порционной обработке, когда нет движения жидкости относительно диафрагмы, так как подбор размеров отверстия в ней обеспечивает равномерность распределения поля кавитации только в створе границ этого отверстия.

Во-вторых, при изменении назначения процесса обработки, в случае, когда это сопровождается изменением среднего значения объемной плотности акустической мощности, как известно, изменятся среднее значение и функция распределения эрозионного коэффициента [2].

Поэтому способ не универсален для различных случаев назначения процесса обработки, так как для обеспечения равномерности обработки в каждом случае требуется изменение размеров внутреннего пространства кавитационного реактора, в котором осуществляется процесс путем изменения формы и размеров отверстия в диафрагме.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению является способ кавитационной обработки жидких сред, при котором жидкость с заданной скоростью пропускают сквозь кавитационный реактор, где в жидкости рассеивают акустическую мощность с заданным средним значением объемной плотности, которая вызывает возникновение в ней кавитации. При этом объемную плотность потенциальной энергии возникающей кавитации распределяют по объему реактора со среднеквадратичным отклонением от среднего значения, не превышающим заданное значение этого отклонения. Вид функции распределения плотности потенциальной энергии кавитации задают выбором соотношения внутренних размеров корпуса кавитационного реактора, в котором осуществляют процесс [3].

Этот способ принят за прототип.

В данном случае требуемую равномерность обработки жидкости с учетом известного факта, что основную роль кавитационного воздействия играет потенциальная энергия кавитации [4], обеспечивают, задавая наиболее равномерное распределение ее плотности во всем объеме реактора, а не в отдельном его сечении. Это позволяет равномерно обрабатывать жидкость в реакторе, в том числе порциями и без принудительного перемешивания.

В то же время и этот способ, принятый за прототип, обладает недостатком, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при его использовании.

Дело в том, что функция распределения плотности потенциальной энергии кавитации, так же как и эрозионного коэффициента, зависит от амплитуды звукового давления акустической волны Р, квадрату которого пропорционально задаваемое среднее значение плотности акустической мощности, рассеиваемой в реакторе.

Это можно доказать следующим образом.

В теории кавитационного реактора [2], которая взята за основу при расчете размеров корпуса кавитационного реактора в прототипе, распределение потенциальной энергии кавитации в пространстве описывается для такого случая посредством интеграла по времени квадрата кусочно-линейной обобщенной функции вида:

где t, φ - безразмерные (выраженные в долях периода вызывающей кавитацию акустической волны) мгновенное значение времени и начальная фаза его отсчета соответственно;

[ ] - обозначена целая часть числа.

Этой функцией аппроксимируют так называемую интегральную безразмерную жесткость кавитационного пузырька σ i - параметр, характеризующий его упругие свойства.

Однако такую аппроксимацию правомочно применять только тогда, когда фаза схлопывания (коллапса) кавитационных пузырьков - отрезок времени, на протяжении которого их мгновенный радиус R меньше радиуса покоя R₀, пренебрежимо мала по сравнению с периодом акустической волны, вызывающей кавитацию. Когда же это условие не выполняется или за период акустической волны пузырьки коллапсируют многократно, вид функции δ (t, φ ) отличается от кусочно-линейного. Это происходит при низких значениях амплитуды давления вызывающей кавитацию акустической волны и влечет за собой изменение функции распределения плотности потенциальной энергии кавитации.

Интегрируя, например, дифференциальное уравнение движения стенки кавитационного пузырька Хиклинга-Плессета [5], можно показать, что при амплитуде звукового давления Р, составляющей, например, 75% от давления покоя внутри кавитационного пузырька Р₀, его безразмерная интегральная жесткость σ i будет с достаточной точностью аппроксимироваться значимо отличающейся от (1) функцией вида:

где а - константа в рассмотренном случае при Р₀=0,75Р₀ равная 0,28.

Выражение для функции f, посредством которой в описании прототипа вычисляется среднеквадратичное отклонение плотности потенциальной энергии кавитации от ее среднего значения, имеет вид:

где λ - длина излучаемой акустической волны в обрабатываемой жидкости;

V - объем прилегающей к излучателю полуволновой резонансной ячейки.

F₁ - функция, задающая среднее значение расстояния от любой произвольной точки объема V до видимой из нее части стационарной кавитационной области, возникающей при работе реактора на расстоянии 0,25λ от поверхности излучателя;

f₂ - функция, задающая среднее значение величины, обратной расстоянию от любой произвольной точки объема V до видимой из нее части стационарной кавитационной области, возникающей при работе реактора на расстоянии 0,25λ от поверхности излучателя.

При замене вида аппроксимирующей функции с (1) на (2) необходимой, как показано выше, в случае низких значений Р выражение (3) для f соответственно примет вид:

Воспользовавшись методикой расчета среднеквадратичного отклонения плотности потенциальной энергии кавитации от ее среднего значения, применяющейся в описании прототипа, можно показать, что у круглого в плане полуволнового кавитационного реактора плоской волны радиусом, например, 0,855λ при расчете с использованием выражения (3) результат составит 0,862 (значение верхнего предела отклонения у прототипа), а с использованием выражения (4) - 0,904. Или, иначе, значение верхнего предела отклонения в последнем случае обеспечивается при радиусе реактора, равном 0,840λ , а не 0,855λ .

Все это доказывает тот факт, что для обеспечения одинаковой равномерности обработки одной и той же жидкости в реакторе при различных назначениях обработки с, соответственно, различными Р требуется изменение размеров внутреннего объема реактора. Таким образом, сформулированный ниже технический результат при использовании способа-прототипа обеспечить нельзя.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Поскольку вышеизложенным, основанным на общедоступных знаниях, установлено, что функция распределения плотности потенциальной энергии кавитации зависит от среднего значения плотности акустической мощности, рассеиваемой в реакторе, а значит, от амплитуды звукового давления акустической волны Р, то можно установить такой диапазон значений этого параметра, при котором такая зависимость будет пренебрежимо малой. В этом неизвестном ранее диапазоне способ обработки жидкости в кавитационном реакторе будет отвечать сформулированному техническому результату.

Известно, что давление покоя в кавитационном пузырьке зависит от радиуса этого пузырька, поверхностного натяжения жидкости, плотности паров жидкости и гидростатического давления Р_h в ней [2, 5]. Реальный порог кавитации в жидкостях составляет для кавитационных пузырьков диаметром 2R₀ более 10^-6 м при гидростатическом давлении 10⁵ Па менее чем 10⁵ Па [6, 7], что объясняется низкой плотностью паров реальных жидкостей по сравнению с гидростатическим давлением в них при равновесном состоянии. С учетом этого, используя уравнение равновесия зародыша кавитационного пузырька в жидкости [2, 5], можно показать, что при различных вариациях параметров давление покоя Р₀ в пузырьке в равновесном состоянии, начиная с R₀ >10^-5 м, становится пренебрежимо мало отличающимся от гидростатического. Таким образом, при установлении диапазона изменения амплитуды звукового давления акустической волны Р, в котором распределение плотности потенциальной энергии в кавитационном реакторе будет инвариантно по отношению к нему, можно гидростатическое давление Р_h в жидкости принять в качестве константы, относительно которой устанавливается Р.

Уравнения движения стенки пузырька под воздействием внешнего давления содержат также в качестве параметров константы Р* (внутреннее давление) и γ из уравнения состояния жидкости типа Тэта [5]. Известно [8], что значения этих констант у реальных жидкостей меняются в диапазонах Р*=10⁸...10⁹ Па и γ =4... 12 соответственно. Используя упомянутое выше уравнение движения стенки кавитационного пузырька типа Хиклинга-Плессета, а также приняв во внимание тот факт, что скорость звука, сжимаемость и плотность воды, многих жидкостей и растворов слабо меняются в пределах технически достижимых значений Р_h [9], можно показать, что при варьировании Р* и γ в указанных диапазонах область разброса соответствующих моментов начала коллапса и отличие функции σ i от (1) незначительны при условии, если коллапс происходит не более 2 раз за период. Сама продолжительность коллапса при этом тем меньше, чем больше значение Р. Таким образом, для всех реальных жидкостей в диапазоне технически достижимых значений Р_h в них, при любых значениях Р, начиная с того, при котором коллапс происходит не чаще 2 раз за период акустической волны, вызывающей кавитацию, безразмерная интегральная жесткость σ i с достаточной точностью описывается функцией вида (1). Это утверждение истинно еще и в силу закона сохранения импульса давления, так как независимо от того, четно или нечетно кратна пауза между коллапсами отдельно взятого пузырька периоду акустической волны [2], среднее давление, порождаемое кавитационной областью за большое число периодов, равно нулю. Это значит, что распределение плотности потенциальной энергии в кавитационном реакторе при этом инвариантно по отношению к Р.

Искомое значение Р, полученное численным интегрированием с применением рекурсивной процедуры из [2] уравнения типа Хиклинга-Плессета, преобразованного в соответствии с вышеизложенными результатами компьютерных экспериментов и логическими выводами, составляет 4,4P_h.

Технический результат - обеспечение одинаково равномерного воздействия потенциальной энергии кавитации на обрабатываемую жидкость, находящуюся в кавитационном реакторе, при заданных размерах кавитационного реактора для различных назначений процесса обработки, как при проточной, так и при порционной обработке.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе обработки жидкости в кавитационном реакторе, при котором внутри реактора в жидкости распространяют акустическую волну с заданным средним значением объемной плотности мощности, вызывающую возникновение кавитации, а равномерность распределения энергии возникающей кавитации обеспечивают, выбирая соотношение размеров внутреннего объема реактора, особенность состоит в том, что амплитуду звукового давления акустической волны устанавливают при этом не менее чем в 4,4 раза превышающей статическое давление в жидкости внутри кавитационного реактора.

Существует, например, задача избирательного обеззараживания жидкостей, например, молока с целью сохранения в нем молочнокислой микрофлоры и уничтожения болезнетворной.

Пусть требуется подобрать соотношение размеров круглого в плане малогабаритного кавитационного реактора плоской волны при частоте 20 кГц, с максимальным значением рассеиваемой акустической мощности 750 Вт, в котором можно обрабатывать цельное коровье молоко с целью как его общего бактериолиза, так и селективного обеззараживания в отношении бактерий группы Escherichia coli. Причем обработка в том и другом случаях должна осуществляться в известных оптимальных режимах и при условии обеспечения максимальной равномерности воздействия на обрабатываемый объем.

Известно [2], что оптимальная плотность мощности акустической волны, вызывающей кавитацию, рассеиваемая в молоке внутри реактора для общего бактериолиза составляет 1,5 Вт/см³, а для уничтожения бактерий группы кишечной палочки 0, 8 Вт/см³. Следовательно, чтобы удовлетворять условиям, объем реактора должен составлять 750:1,5=500 см³.

При высоте реактора, равной полуволне, которая для молока составляет ~3,5 см, не будет выполняться условие равномерности кавитационного воздействия в соответствии с признаком прототипа, так как среднеквадратичное отклонение от среднего значения объемной плотности потенциальной энергии кавитации в этом случае (при радиусе, равном

) превысит 0,862 и составит 1,057. Чтобы удовлетворять условию равномерности, реактор должен иметь высоту, равную длине волны ~7 см. При этом его радиус составит 4,8 см, а среднеквадратичное отклонение от среднего значения объемной плотности потенциальной энергии кавитации соответственно 0,686. Однако при этом не будет обеспечена одинаковая для общего бактериолиза и для уничтожения бактерий группы кишечной палочки равномерность обработки, так как амплитуда звукового давления акустической волны, равная , где с, ρ - скорость звука в молоке и его плотность соответственно; I - средняя за период интенсивность акустической волны (отношение рассеиваемой мощности к площади сечения реактора) составит в первом применении 5,42Р_h, а во втором только 3,96Р_h, что меньше, чем 4,4Р_h .

Таким образом, не принимая во внимание основной признак заявляемого изобретения, невозможно обеспечить одинаково равномерную бактерицидную обработку молока в рассматриваемых применениях.

Приняв же его во внимание, следует выбрать высоту реактора равной 1,5λ . Тогда среднеквадратичное отклонение от среднего значения объемной плотности потенциальной энергии кавитации составит 0,629, а амплитуда звукового давления акустической волны будет равна для общего бактериолиза 6,64P_h и для уничтожения бактерий группы кишечной палочки 4,85P_h. То есть условие равномерности в соответствии с признаком заявленного способа будет удовлетворено.

Таким образом, сравнение заявленного способа с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный способ обладает существенным по отношению к указанному техническому результату отличительным признаком.

При анализе этого отличительного признака не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся установления требований к амплитуде звукового давления акустической волны, возбуждающей кавитацию в кавитационном реакторе, в связи с ее влиянием на вид функции распределения по объему плотности потенциальной энергии кавитации, с целью получения равномерного воздействия энергии кавитации на обрабатываемую жидкость.

Осуществимость изобретения показана на конкретном примере.

Цельное молоко требуется непрерывно обрабатывать с целью обеззараживания в отношении бактерий группы кишечной палочки в круглом в плане кавитационном реакторе плоской волны частотой 20 кГц. Производительность процесса при этом должна быть не менее 300 л/час. Гидростатическое давление в реакторе равно давлению в молокопроводе и составляет 1,5 атм.

Известно, что время обработки в таком процессе составляет 22,5 с, а плотность мощности акустической волны 0,8 Вт/см³ [2]. Таким образом, объем реактора должен быть не менее 300· 1000· 22, 5:3600=1875 см³. Пусть он будет равен 2 л. Акустическая мощность, рассеиваемая в реакторе, при этом будет составлять 0,8· 2000=1600 Вт.

Используя приведенное выше выражение для амплитуды звукового давления акустической волны, которая в соответствии с признаком изобретения должна быть не менее 4,4Р_h, через интенсивность волны, равную отношению рассеиваемой мощности к площади сечения реактора, можно вычислить последнюю. Она будет равна 103 см². Далее, зная, что длина акустической волны в молоке при заданной частоте равна 7 см, можно вычислить радиус реактора через ближайшее значение площади сечения реактора, не превышающее 103 см² . Он будет равен 5,5 см, а высота реактора при этом будет равна трем длинам волны. При таком радиусе Р=4,6Р_h>4,4Р_h, а среднеквадратичное отклонение плотности потенциальной энергии кавитации от ее среднего значения равно 0,794<0,862, то есть будут выполнены условия, определяемые признаками как прототипа, так и заявленного способа.

Поскольку внутреннее пространство реактора имеет форму цилиндра, плотность мощности акустической волны и рассчитанная амплитуда ее звукового давления могут быть установлены по амплитуде колебательного смещения поверхности излучателя, с которого волна распространяется, путем, например, установления соответствующей амплитуды тока питания электроакустического преобразователя.

Амплитуда колебательного смещения поверхности излучателя, которая вычисляется по известным формулам, составит 3,9 мкм и может в реальном процессе контролироваться известными техническими средствами [6].

Описанным способом при рассчитанных соотношениях размеров кавитационного реактора можно обрабатывать иные жидкости при других назначениях процесса обработки при условии, что требуемая плотность мощности акустической волны при этом не менее 0,8 Вт/см³, гидростатическое давление в жидкости не более 1,5 атм, а производительность обработки достаточна.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.

Источники информации

1. RU 2226428, 17.04.2003.

2. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. - М.: ЕВА-пресс, 2001. – 173 с.

3. RU 2228217, 21.05.2003.

4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956. - 726 с.

5. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. - М.: Мир, 1974. - 348 с.

6. Физическая акустика. Методы и приборы ультразвуковых исследований. // под ред. У. Мэзона. - М: Мир, 1967, T.1, ч. “Б”. - 362 с.

7. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. - М.: Наука, 1984. - 400 с.

8. Зарембо Л.К., Тимошенко В.И. Нелинейная акустика. - М.: Издательство Московского университета, 1984. – 104 с.

9. Физическая акустика. Свойства газов, жидкостей и растворов. Под ред. У. Мэзона. - М.: Мир, 1968, Т.2, ч. “А”. - 488 с.

Реферат

Изобретение относится к ультразвуковой кавитационной обработке жидкостей с целью разрушения, разъединения, разделения на части различных субстанций, включая живые (микроорганизмы), существующие в этих жидкостях в виде взвешенных фаз, а также для диссоциации молекул самих жидкостей. Изобретение может быть использовано в пищевой, химической, нефтедобывающей, горнорудной, фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в медицине. Внутри реактора в жидкости распространяют акустическую волну с заданным средним значением объемной плотности мощности, вызывающую возникновение кавитации. Равномерность распределения энергии кавитации обеспечивают соотношением размеров внутреннего объема реактора. Амплитуду звукового давления акустической волны устанавливают не менее чем в 4,4 раза превышающей статическое давление в жидкости внутри реактора. Это обеспечивает одинаково равномерное воздействие энергии кавитации на обрабатываемую жидкость при заданных размерах кавитационного реактора для различных назначений процесса обработки, как при проточной, так и при порционной обработке.

Формула