[1]ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ
[2]Полезная модель относится к устройствам для смешивания, диспергирования, гомогенизации, интенсификации химико-физических процессов в поле упругих колебапий ультразвукового диапазона в жидкостях, а также в системах жидкость - жидкость , жидкость - газ, жидкость - твердое тело, а именно к ультразвуковым реакторам проходного типа и может быть использована в медицинской, химической, пищевой, газовой и других отраслях промышленности, например, для получения различных эмульсий.
[3]Известно устройство для ультразвуковой обработки (см. патент Японии № 3-98634, МПК В 01F 11/02, опубл. 24.04.11991 г.), состоящее из нескольких разъемных цилиндров, в стенки которых вмонтированы излучатели ультразвуковых колебаний и мембраны для распространения колебаний, при этом мембраны одним концом прикреплены к стенкам цилиндров, а другим - выходят в канал для протекания жидкости.
[4]Недостатком известного устройства является то, что в рабочей зоне находятся дополнительные элементы, а именно мембрана, что снижает качество промывки рабочей зоны устройства перед его использованием, приводя, таким образом, к невозможности использования устройства в медицине, вследствие его несоответствия пп. 5.2 и 5.4 ОСТ 42-510-98 «Правила организации производства и контроля качества лекарственных средств (GMP).
[5]Известно устройство для обработки неоднородной текучей среды (см. патент РФ № 2177824, МПК В О IF 11/02, опубл. 10.01.2002 г.), содержащее корпус, имеющий входное отверстие, диафрагму, формирующую входное сопло, и расположенный напротив него консольно закрепленный пакет упругих параллельных пластин, каждая из которых на своем свободном конце имеет обращенную в сторону сопла фронтальную
[6]кромку, при этом диафрагма имеет N сопел, каждое из которых по длине состоит из трех участков, первый из которых имеет конически сходящуюся форму, переходящую
[7]во второй участок, выполненный цилиндрическим, переходящим в третий участок, выполненный щелевидным, пакет параллельных упругих пластин включает их в количестве , равном количеству сопел. Кроме того, каждая пластина размещена напротив соответствующего сопла, ее фронтальная кромка образована двусторонними скосами.
[9]. 11Л 111Н1р1|1{|111111Ш|ц
[10]МПК-7: В 01J 19/10 B01F11/02
[13]выполненными по толщине каждой пластины и образующими по существу прямой угол, причем длина одного из скосов больше длины другого скоса, а фронтальная кромка каждой пластины размещена с эксцентриситетом относительно продольной оси сопла и отстоит от выходного торца этого сопла на расстояние от 1 до 5 мм.
[14]Недостатками известного устройства является его низкая производительность вследствие снижения потока жидкости через устройство и неравномерное воздействие энергии излучения на обрабатываемую жидкость. Кроме того, в зоне обработки жидкости размещены гибкие пластины, которые препятствуют проведению эффективной обработки внутренней поверхности корпуса устройства, в соответствии с требованиями пп. 5.2 и 5.4 ОСТ 42-510-98 «Правила организации производства и контроля качества лекарственных средств (GMP).
[15]Известно также устройство для диспергирования и микрокапсулирования гидрофобных жидкостей (см. патент РФ № 2096074, МПК В 01F 11/02, В 01J 13/02, опубл. 20.11.1997 г.), содержащее реактор с ультразвуковыми колебательными излучающими системами, работающими синхронно, и генератор, при этом реактор состоит из двух камер верхней и нижней с обратным клапаном на нагнетательном патрубке, каждая из камер снабжена персональной ультразвуковой пьезоэлектрической колебательной системой, а между камерами, соединенными фланцами, установлен полиэтилентерефталатный трековый фильтр, заключенный в крупноячеистую сетку из нержавеющей стали.
[16]Однако, недостатком настоящего устройства является то, что асимметричное размещение ультразвуковых излучателей приводит к рассеиванию энергии, вследствие чего снижается эффективность обработки жидкости.
[17]Известен ультразвуковой активатор жидких сред (см. авторское свидетельство СССР № 1666174, МПК В 01F 11/02, опубл. 30.07.91 г.), содержащий цилиндрическую камеру, размещенный в ней вкладыш и источник ультразвуковых колебаний, при этом с целью повышения эффективности обработки жидких сред, ультразвуковой активатор дополнительно снабжен источниками ультразвуковых колебаний, при этом вкладыш одним концом закреплен на корпусе, а другой его конец выполнен с продольными прорезями, образующими сектора, каждый из которых соединен с источником ультразвуковых колебаний.
[18]Недостатком известного устройства также является наличие в рабочей зоне элементов, препятствующих проведению эффективной обработки внутренней поверхности устройства. Кроме того, происходит рассеивание и потеря энергии при передаче
[19]ее от ультразвукового излучателя на вкладыш через открытый волновод. Вследствие чего снижается качество обработки жидкости и производительность устройства.
[20]Известен аппарат для диспергирования и микрокапсулирования гидрофобных жидкостей (см. патент РФ № 2161063, МПК В 01F 11/02, В 01J 19/10, опубл. 27.12.2000 г.), состоящий из двух камер - верхней и нижней, снабженных персональными ультразвуковыми пьезоэлектрическими излучателями и соединенных фланцами, между которыми установлен полиэтилентерефталатный трековый фильтр с калиброванными сквозными порами, при этом нижняя камера имеет форму перевернутого усеченного конуса с кольцевой нарезкой на внутренней поверхности, в меньшем основании конуса установлен ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель диаметром 50 мм, высота нижней камеры равна длине волны ультразвуковых колебаний в водных системах с частотой 20 кГц, а верхняя камера цилиндрической формы содержит три ультразвуковых излучателя, равномерно разнесенных вокруг нее.
[21]Недостатками известного технического решения является низкая производительность вследствие небольшого обьема рабочей камеры, а также снижения скорости обработки жидкости из-за неравномерного воздействия излучения на обрабатываемую жидкость.
[22]Известно устройство для ультразвуковой химической обработки (см. патент ЕПВ № 0449008, МПК B01J19/10, опубл. 02.10.1991 г.), включающий рабочую камеру в виде цилиндра с толщиной стенки 2,5 мм, при этом на внешней стенке цилиндра симметрично размещены три ультразвуковых датчика, закрепленные через сцепную втулку и буферную камеру, заполненную оливковым маслом. При подаче питания на ультразвуковые датчики они резонируют, и ультразвук передается на обрабатываемую жидкость через сцепную втулку и оливковое масло, при этом создается излучение мощностью, достаточной для возникновения кавитации в обрабатываемой жидкости.
[23]Недостатком известного устройства является то, что в процессе работы возможен перегрев оливкового масла, находящегося в буферной камере. Время беспрерывной работы устройства ограничено временем нагрева масла до допустимой температуры , что снижает производительность устройства. При этом необходимо наличие в устройстве охладителя, что усложняет его конструкцию. Кроме того, передача энергии от ультразвукового преобразователя происходит через систему жидкость - металл, что приводит к значительной потере энергии излучения в жидкости.
[24]Наиболее близким к заявляемому техническому рещению по совокупности существенных признаков является реактор для ультразвуковой обработки жидкости (см. патент ВОИС № 0183102, МПК В 01J 19/10, опубл. 08.11.2001 г.), содержащий цилиндрическую трубу, полость которой является рабочей камерой, ультразвуковые преобразователи, расположенные асимметрично снаружи рабочей камеры, и диафрагму , расположенную между ультразвуковыми преобразователями и рабочей камерой. При этом эффективная работа реактора осуществляется в диапазоне частот, излучаемых преобразователем от 0,5 до 5 МГц, а жидкость обрабатывается излучением мощностью порядка 1000 mV в камере с габаритами, ограниченными размерами ультразвукового преобразователя.
[25]Недостатком настоящего устройства является ограничение, накладываемое на размер рабочей камеры из-за небольших габаритных размеров ультразвуковых преобразователей . Вследствие этого снижается объем обрабатываемой жидкости за единицу времени и скорость обработки и, следовательно, производительность устройства. Кроме того, жидкость обрабатывается излучением в диапазоне частот от 0,5 до 5 МГц, что превышает предельно безопасную норму воздействия излучения на человека. Это приводит к необходимости наличия в устройстве защитных средств.
[26]Задачей настоящего технического рещения является повышение производительности ультразвукового реактора при обеспечении требуемого качества обработки (смешивания, диспергирования и гомогенизации) жидкостей в диапазоне частот, излучаемых ультразвуковым преобразователем, от 18 кГц до 40 кГц.
[27]Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является повышение единицы энергии, воздействующей на обрабатываемую жидкость в единице объема.
[28]Поставленная задача достигается тем, что реактор для ультразвуковой обработки жидкости, содержащий трубу, полость которой является рабочей камерой, и ультразвуковые преобразователи, расположенные снаружи рабочей камеры, согласно полезной модели, дополнительно снабжен диафрагмой, на которой расположены ультразвуковые преобразователи, причем ультразвуковые преобразователи расположены симметрично относительно продольной оси рабочей камеры, а акустическое волновое сопротивление материала трубы больше в 2,0-3,0 раза акустического волнового сопротивления материала диафрагмы.
[29]Диафрагма выполнена в виде цилиндра с накладками, на которых размещены ультразвуковые преобразователи. Целесообразно, чтобы значение акустического волнового сопротивления материала диафрагмы лежало в диапазоне ()-10 кг(). Реактор может быть дополнительно снабжен кожухом с патрубками для подвода и отвода обрабатываемой жидкости.
[30]Введение диафрагмы в коиструкцию реактора с симметричным расположением на ней ультразвуковых преобразователей, и изготовление диафрагмы из материала, акустическое волновое сопротивление которого меньше акустического волнового сопротивления материала трубы, полость которой является рабочей камерой, позволяет значительно увеличить энергию, воздействующую на обрабатываемую жидкость в единице объема, что позволяет улучшить качество обработки жидкостей и ускорить процесс ультразвуковой обработки (смешивания, диспергирования, гомогенизации) среды до необходимых характеристик, повышая производительность реактора. При этом повышение производительности и улучшение качества обработки происходит не за счет повышение частоты ультразвукового излучения, а за счет увеличения его энергии в диапазоне частот, излучаемых ультразвуковым преобразователем, от 18 кГц до 40 кГц.
[31]Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез реактора (пунктирными и сплошными тонкими линиями в рабочей камере трубы показано распределение энергии излучения от ультразвуковых преобразователей); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
[32]Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - труба; 2 - диафрагма; 3 ультразвуковой преобразователь; 4 - кожух; 5 - патрубок для подвода жидкости; 6 патрубок для отвода жидкости.
[33]Реактор для ультразвуковой обработки жидкости содержит цилиндрическую трубу 1, например, из нержавеющей стали, толщина стенки которой должна быть не менее 0,5 мм. Полость трубы является рабочей камерой. На трубе 1 размещена диафрагма 2, выполненная, например, в виде цельного или составного, собираемого из отдельных сегментов, цилиндра с накладками, на которых расположены электрические или пьезокерамические ультразвуковые преобразователи 3. В качестве ультразвуковых преобразователей 3 могут быть использованы, например, известные ультразвуковые преобразователи, изготовленные ООО Аврора-Элма г. Волгоград, по ТУ ОДО.339.190, имеющие относительную диэлектрическую проницаемость 14002100 , излучающие колебания внутрь трубы 1 с рабочей частотой ()±7,5% кГц. Питание ультразвуковых преобразователей 3 осуществляется от ультразвукового генератора (на чертеже не показан), служащего для преобразования электрической энергии промышленной частоты в электрическую энергию ультразвуковой частоты кГц. В качестве ультразвукового генератора может быть использован известный ультразвуковой генератор, например, УЗГЗ-04, производства ОАО ППО Московский радиотехнический завод, изготовленный согласно БТ3.119.039 ПС.
[34]Ультразвуковые преобразователи 3 расположены симметрично относительно продольной оси рабочей камеры. Акустическое волновое сопротивление материала трубы 1 больше в 2,,0 раза акустического волнового сопротивления материала диафрагмы 2, причем значение акустического волнового сопротивления (рс) материала диафрагмы 2 лежит в диапазоне ()-10 кг(). Кроме того, реактор дополнительно снабжен кожухом с патрубком 5 для подвода и патрубком 6 для отвода обрабатываемой жидкости (фиг.1 и 2).
[35]Реактор для ультразвуковой обработки жидкости работает следующим образом .
[36]Для подготовки реактора к работе необходимо установить его в горизонтальном или в вертикальном положении, закрепив кожух 4 на полу или на подставке. Реактор встраивается в технологическую линию с помощью переходников и хомутов. При горизонтальном расположении реактора направление течения рабочей жидкости может быть любое. При вертикальном расположении реактора вход жидкости целесообразно сделать снизу.
[37]Обрабатываемая жидкость подается насосом через патрубок 5 в рабочую камеру реактора и одновременно включается ультразвуковой генератор. Упругие колебания ультразвуковой частоты от ультразвуковых преобразователей 3, расположенных на диафрагме 2 симметрично относительно продольной оси рабочей камеры, распространяются через диафрагму 2 и трубу 1 без затухания и возбуждают в жидкости внутри трубы 1 механические колебания, под воздействием которых в жидкости возникает кавитация, интенсифицирующая процесс получения продукта. Из реактора через патрубок 6 жидкость поступает, например, в накопительную емкость (на чертеже не показана), и может быть использована по назначению. Если степень обработки недостаточна , жидкость снова направляется в реактор, где она повторно подвергается ультразвуковому воздействию до полной готовности продукта.
[38]Реактор для ультразвуковой обработки жидкости может работать как по замкнутому циклу, так и на проход.
[39]Таким образом, реактор для ультразвуковой обработки жидкости позволяет получать сверх тонкие суспензии, смешивать различные жидкие компоненты ускорения химических реакций, получать стойкие эмульсии несмешивающихся между собой жидкостей путем создания в обрабатываемых средах ультразвукового излучения высокой интенсивности.
