Спосіб інтенсифікації звукохімічних реакцій та пристрій для його здійснення

1. Спосіб інтенсифікації звукохімічних реакцій, який полягає у тому, що в розчині реагуючи х компонентів збуджують ультразвукові коливання і кавітаційний процес, який відрізняється тим, що в розчин реагуючих компонентів занурюють капіляр, після включення ультразвукового поля в рідині 36047 ної камери. Отже, у цьому способі вирішена проблема захисту поверхні перетворювача від руйнівної дії ультразвукової кавітації. Але і в цьому способі не можна позбутися безперервного перемішування продуктів звукохімічної реакції, тобто розчину, який зазнав кавітаційної дії, та первинного робочого розчину, який не реагував під впливом кавітації. Як зазначалось вище, саме це є причиною того, що кавітаційне стимулювання звукохімічних реакцій виявляється нетехнологічним, тобто не дозволяє зробити процес керованим, безперервним та більш ефективним. Задача, на вирішення якої спрямовано запропонований винахід, полягає у створенні умов для оптимального і швидкого відведення продуктів реакції, які зазнали кавітаційної дії, від залишкової частини первинного розчину. Ця задача вирішується тим, що перед збудженням ультразвукових коливань у розчин реагентів, які заповнюють ультразвукову ванну, занурюють капіляр. Задають амплітуду коливань ультразвукового перетворювача і підвищують тиск у капілярі. Меніск переміщується до перерізу капіляра, там відбувається локальне розчинення газу і зниження кавітаційної міцності рідини. Тому саме на перерізі в каналі капіляра формується стаціонарна кавітаційна хмара, яка стабілізована там дією звукокапілярної сили, спрямованої в канал капіляра. Існування цього локалізованого кавітаційного процесу зумовлює формування стаціонарного потоку рідини по капіляру. Таким чином, в капілярі формується потік рідини, яка обов'язково пройшла через локалізовану кавітаційну хмару. Регулюючи тиск у капілярній системі, змінюють швидкість потоку рідини і, таким чином, змінюють час кавітаційної дії на порцію рідини, яка проходить через кавітаційну хмару. Розчин, який зазнав дії кавітаційного процесу, безперервно відводять в окрему посудину. Щоб не порушувати акустичн у настройку всієї системи (мається на увазі рівень рідини над поверхнею перетворювача) в ультразвукову ванну безперервно подають розчин реагуючи х компонентів. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє локалізувати стаціонарний кавітаційний процес під каналом капіляра, та запобігти кавітаційній ерозії поверхні перетворювача. Крім того, такий спосіб дозволяє безперервно відводити продукти реакції та подавати в ультразвукову ванну нові порції реагуючого розчину, підтримуючи концентрацію компонентів на оптимальному рівні і виключаючи усі інші негативні прояви такого перемішування, вказані вище. Існують пристрої для стимулювання та інтенсифікації хімічних реакцій під впливом ультразвукової кавітації. Відомий пристрій (М.А.Маргулис. Основы звукохимии. - М.: Высшая школа, 1984. С.11), який має термостатовану ультразвукову посудину для розчину хімічних реагентів, ультразвуковий перетворювач, електричне з'єднаний з генератором ультразвукової частоти та механічно з'єднаний з експоненційним концентратором, останній занурено у розчин реагентів. Такий пристій має два принципових недоліки: 1) кавітаційний процес виникає в більшості випадків на поверхні робочої частини концентратора, що в умовах хімічно активних речовин зумовлює надто малий строк його дії; 2) під час роботи ультразвукового перстворювача не можна відокремити частину рідини, яка зазнала кавітаційної дії, отже відбувається безперервне перемішування первинного розчину з продуктами реакції, що зумовлює зростання часу, необхідного для обробки всієї рідини. Перша проблема вирішена в пристрої, який прийнято нами за прототип (М.А.Маргулис. Основы звукохимии. - М.: Высшая школа, 1984. - С.10). Розчин реагуючих компонентів знаходиться в тонкодонному реакторі, зануреному в ультразвукову ванну з дистильованою водою, в донній частині якої встановлено ультразвуковий перетворювач. Форма реактора зроблена такою, щоб кавітаційний процес виникав не на поверхні перетворювача, а в об'ємі реактора. Друга проблема, пов'язана з безперервним перемішуванням, у такому пристрої не може бути вирішена. Усі негативні прояви цього були зазначені вище. Технічна задача, на вирішення якої спрямовано запропонований винахід, полягає у тому, щоб відвести продукти реакції від первинного розчину безпосередньо після дії кавітації і, таким чином, запобігти їх безперервному перемішуванню. Ця задача вирішується тим, що над поверхнею ультразвукового перетворювача 1 в ультразвуковій ванні 2 розміщено капіляр 3. Капіляр з'єднано через трубку 4 і кран 5 з компресором 6, трубка має патрубок 7, переріз якого регулює кран 8. Кінець патрубка дістає окремої посудини 9, в яку відводять продукти реакції. В ультразвукову ванну входить впускна трубка 10, по якій подають нові порції розчину реагуючи х компонентів. Рівень розчину реагуючих компонентів встановлюють з вимог оптимального акустичного навантаження на перетворювач і підтримують на цьому рівні датчиком рівня 11 (контактним або оптичним), який керує клапаном 12. Робота такого пристрою відбувається таким чином. Розчин реагуючих компонентів заповняє ультразвукову ванну 2. Встановлюють робочу амплітуду звукови х коливань. Підвищують тиск у капілярній системі компресором 6 (кран 5 відкрито, кран 8 перекрито), після досягнення меніском перерізу капіляра завдяки локальному розчиненню саме під перерізом виникає стаціонарний кавітаційний процес. Рідина, проходячи через стаціонарну кавітаційну хмару, піднімається по капіляру під дією звукокапілярного тиску. Коли встановлено в капілярі стаціонарний потік рідини, перекривають кран 5, відсікаючи компресор, і відкривають регулюючий кран 8 настільки, щоб встановити необхідний гідродинамічний опір, який зумовить швидкість потоку і тривалість кавітаційної дії на кожну порцію рідини. Відведення з ультразвукової ванни рідини, яка зазнала кавітаційної дії, веде до зменшення рівня розчину та погіршення акустичної настройки системи. Датчик рівня 11 періодично дає електричний сигнал на клапан 12, який відкриває впускну тр убку 10, і в ультразвукову ванну поступають нові порції розчину. Таким чином, запропонований пристрій є макетом безперервного технологічного процесу. У такому процесі рідина, яка пройшла через кавітаційну хмару, практично не попадає знову в первинний розчин, отже його концентрація підтримується на постійному рівні. Тривалість кавітаційної 2 36047 дії можна регулювати, змінюючи швидкість потоку краном 8, що робить такий процес регульованим. Експериментально досліджена швидкість потоку, який зумовлений звукокапілярним тиском, в капілярі діаметром порядка 0,5 мм, становить 12 м/с, отже "пропускна" спроможність такого пристрою виявляється порядку 1,5 л/год. По прикладах, наведених в роботі (М.А.Маргулис. Основы звукохимии. - М.: Высшая школа, 1984. - С.10, 11) можна оцінити, що пропускна спроможність при строїв - аналога і прототипу - в кілька разів менша. Промислові перетворювачі з концентраторами в більшості випадків працюють в оптимальному режимі, якщо кількість рідини в реакторній посудині не перевищує 0,25 л. Отже, пропускна спроможність аналога не перевищує 0,25 л/год. Об'єм зануреного реактора, який використовують в пристрої-прототипі, певно не перевищує такої ж величини, отже і його пропускна спроможність такого ж порядку. Фіг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 3