Спосіб обробки і очистки рідини та пристрій для його використання

1 Спосіб обробки і очистки рідини шляхом попереднього збудження в ній ультразвукових коливань з утворенням стоячої хвилі та наступного пропускання рідини через фільтроелемент, який відрізняється тим, що коливання збуджують на одній частоті, але з різним фазовим зсувом, і в режимі розвиненої кавітації, а необхідний ступінь ультразвукової обробки і очистки рідини досягають зміною часу витримки рідини в зоні стоячих хвиль 2 Пристрій для обробки і очистки рідини, що скла дається із корпуса з вхідним і вихідним патрубками, очисної камери з фільтроелементом, шламозбірником та ультразвуковим випромінювачем, який відрізняється тим, що очисна камера має форму, що розширюється знизу, де розташований шламозбірник, вверх, де розташований фільтроелемент, а ультразвуковий випромінювач розташований таким чином, що його випромінююча поверхня утворює з протилежною поверхнею очисної камери кут, який забезпечує зсув фаз відбитих хвиль в межах від 0 до тт/2, причому вхідний патрубок розташований в нижній частині очисної камери тангенціально до неї, а об'єм очисної камери задається співвідношенням V=Qt, Винахід відноситься до технологічного використання ультразвукової енергії і може бути використаний в різних галузях промисловості, зокрема в процесах, що відбуваються з використанням рідкого середовища, в тому числі для фільтрування, сгущення тонкодисперсних фаз, освітлення оборотної води Для інтенсифікації технологічних процесів використовують різні фізичні фактори впливу, зокрема ультразвукові коливання, які діють на згадані процеси через, так звані, ефекти першого порядку (частоту, інтенсивність і т п) і ефекти другого порядку, наприклад, кавітацію Особливо широке розповсюдження в різних областях промисловості отримали ультразвукові методи впливу на процеси розділення рідких неоднорідних сумішей, де найбільше проявляється їх ефективність До таких процесів в першу чергу можна віднести відстоювання стійких емульсій і суспензій, обеззаражування водопровідної і стоячих вод Найбільш ефективно впливають ультразвукові коливання на процес фільтрації - видаляють осад з фільтруючої поверхні в ході робочого процесу Це один з найбільш перспективних напрямів сучасного фільтробудування Використо вують часто вплив ультразвуку і на процеси в органічних рідинах, наприклад, на активацію палива перед згорянням Таким чином підбір режимів дії ультразвукових хвиль прямо впливає на ефективність технологічних процесів Відомий спосіб освітлення рідини (А с СРСР № 1286528, МПК C02F 1/36, 1987) полягає в накладанні на неї низькочастотних вібрацій в режимі стоячих хвиль, розгоні рідини до визначених швидкостей, відділенні освітленої рідини із потоку в зоні між пучністю і вузлом стоячої хвилі, а також відділенні суспензії з концентрованим складом твердих часток - в зоні пучності і вузла Такий спосіб має невисоку якість технологічного впливу ультразвукових коливань, тобто не дозволяє досягти високого ступеню обробки і очистки рідини Пояснюється це тим, що із-за нерівномірності розподілу пучностей і вузлів вібрацій стоячих хвиль в ємкості в одному МІСЦІ ємкості рідина піддається максимальному впливу вібрацій, а в другому взагалі відсутня їх дія Відсутність кавітації також знижує технологічний вплив вібрацій і не дозволяє досягти необхідний ступінь ультразвукової обробки і очистки рідини Відомий спосіб зниження концентрації емуль де Q - витрата рідини через пристрій, t - тривалість кавітаційної обробки рідини для досягнення необхідного ступеня ультразвукової обробки і очистки СО сч со ю Ю 55323 гованих в воді нафтопродуктів (патент Російської Федерації №2047566, МПК С02 F 1/36, 1995), який ґрунтується на обробці в режимі ультразвукової кавітації з частотою 8 - 500 кГц і інтенсивністю 2Вт/см Вищезгаданий спосіб не забезпечує якісну очистку рідини від механічних домішок із-за відсутності фільтроелемента, означення рівня кавітації тільки при інтенсивності 2Вт/см2 не забезпечує якісного впливу не деякі технологічні процеси в рідинах Найбільш близьким до запропонованого способу по сукупності ознак і технічному результату є спосіб очистки рідини чи газу і фільтр (патент Російської Федерації № 2049522 B01D 27/72, 1995 ) шляхом пропускання потоку середовища через фільтровий матеріал При цьому в потоці, що фільтрується, попередньо збуджують коливання, що створюють плоску стоячу хвилю на частоті нижчої моди поперечних коливань У вхідному патрубку фільтру встановлена пластина, передня кромка якої жорстко закріплена, а задня кромка розміщена на визначеній відстані від вихідного перетину вхідного патрубку Розміри пластини визначаються співвідношенням Фільтроелемент розміщений на визначеній співвідношенням відстані від вихідного перетину патрубку Проте відомий спосіб не забезпечує ефективної фільтрації і ультразвукової обробки рідини Ізза неоднорідного розподілу енергії ультразвуку в стоячий хвилі будуть максимуми і мінімуми енергії (пучності і вузли) Як наслідок не буде точної ВІДПОВІДНОСТІ наявної інтенсивності ультразвукової енергії в кожному елементарному об'ємі вимогам технологічного процесу Тобто, в одних місцях рідина буде оброблятиря в більший мірі, ніж потрібно для даного технологічного процесу (наприклад, очистки), а в інших - недостатньо Наприклад, фільтроелемент або деякий об'єм рідини може попасти в зону мінімальної дії ультразвукових хвиль - вузол (мінімум кавітації), що приведе до його забруднення і зниження продуктивності фільтру Якщо ж фільтроелемент або фрагмент рідини попаде в зону максимуму дії ультразвуку, то вірогідний процес диспергацм часток замість їх коагуляції і відповідне зниження ефективності відділення фільтрату Із-за неоднорідності рівнів ультразвукової енергії по об'єму зміною часу обробки неможливе регулювання процесів фільтрації і ультразвукової обробки рідини, зниження енергетичних затрат на проведення процесу Це, а також дія ультразвукових хвиль не в режимі розвиненої кавітації знижує ефективність фільтрації, ультразвукової обробки і к к д пристроїв, принцип дії яких ґрунтується на даному способі В основу винаходу поставлено задачу розробки способу обробки і очистки рідини шляхом попереднього збудження в ній ультразвукових коливань з утворенням стоячої хвилі та наступного пропускання рідини через фільтроелемент, досягнення однорідного ультразвукового поля в усьому об'ємі оброблюваної рідини, а для регулювання ступеню ультразвукової обробки і очистки змінюють час витримки рідини в зоні стоячих хвиль в режимі розвиненої кавітації, що підвищує к к д пристроїв, реалізованих за даним способом Для вирішення поставленої задачі в способі обробки і очистки рідини шляхом попереднього збудження в ній ультразвукових коливань з утворенням стоячої хвилі та наступного пропускання рідини через фільтроелемент, згідно винаходу коливання збуджують на одній частоті, але з різним фазовим зсувом в режимі розвиненої кавітації, а необхідний ступінь ультразвукової обробки і очистки рідини досягають зміною часу витримки рідини В ЗОНІ СТОЯЧИХ ХВИЛЬ Для вирішення поставленої задачі в пристрої для обробки і очистки рідини, що складається із корпуса з вхідним і вихідним патрубками, очисної камери з фільтроелементом, шламозбірником та ультразвуковим випромінювачем згідно винаходу очисна камера має форму, що розширюється знизу, де розташований шламозбірник, вверх, де розташований фільтроелемент, а ультразвуковий випромінювач розташований таким чином, що його випромінююча поверхня утворює з протилежною поверхнею очисної камери кут, який забезпечує зсув фаз відбитих хвиль в межах від 0 до ті/2, причому вхідний патрубок розташований в нижній частині камери тангенціально до неї, а об'єм очисної камери задається співвідношенням V = Qt, де Q - витрата рідини через пристрій, t - тривалість кавітаційної обробки рідини для досягнення необхідного ступеню ультразвукові обробки і очистки Збудження стоячих ультразвукових коливань в рідині на одній частоті з різним фазовим зсувом ( від 0 до ті/2) приводить до того, що в об'ємі оброблюваної рідини максимуми і мінімуми енергії ( пучності і вузли ) взаємно перетинаються, створюється так зване дифузне поле, що має однакові характеристики по всьому об'єму В результаті цього досягається рівномірний розподіл випромінюваної ультразвукової енергії на весь об'єм рідини, що заповнює камеру обробки Найбільший вплив на технологічні процеси (обробку і очистку) має розвинена кавітаційна область, в якій спостерігається максимальна концентрація кавітаційних бульбашок і їх схлопування з досягненням максимальної ефективності кавітаційного впливу на оброблювану і очищувану рідину Таким чином, створена в об'ємі рідини висока однорідна ЩІЛЬНІСТЬ ультразвукової енергії через найбільш впливовий фізичний ефект другого порядку (розвинену кавітацію) дає можливість регулювати і підтримувати оптимальний (необхідний) режим інтенсифікації технологічного процесу за рахунок часу обробки ультразвуковими коливаннями Так, в пристої, що реалізує приведений спосіб, фільтроелемент розміщений в ультразвуковому дифузному кавітаційному полі і це приводить до очистки рідини фрагментами фільтроелементу з однаковою продуктивністю і з однаковою заданою ступінню очистки При цьому затрати енергії, що підводиться до ультразвукового випромінювача, нижчі ніж в відомих аналогах для підтримання такого ж рівня впливу ультразвукових коливань на технологічний процес обробки і очистки Сутність винаходу пояснюється рисунками, де на фіг 1 представлена схема пристрою для реалізації запропонованого способу, в якій застосоване 55323 бокове розміщення ультразвукового випромінювача, на фіг 2 і фіг 3 перетини пристрою по ЛІНІЯМ АА та Б-Б ВІДПОВІДНО, а на фіг 4 - варіант такого пристрою 3 осьовим розміщенням ультразвукового випромінювача Пристрій для обробки і очистки рідини (Фіг1) складається з корпуса 1 з вхідним 2 і вихідним З патрубками Частина корпуса утворює очисну камеру 4, яка розширюється знизу, де розташований шламозбірник 5, вверх, де розташований фільтроелемент 6 Фільтроелемент 6 розділяє корпус 1 на дві частини - очисну камеру 4 з вхідним патрубком 2 і камеру з вихідним патрубком 3 Вхідний патрубок 2 розміщений в нижній частині очисної камери 4 тангенціально до неї (ФігЗ) Ультразвуковий випромінювач 7 розташований (Фіг1, Фіг 2 і Фіг 4) таким чином, що його випромінююча поверхня 8 утворює кут з протилежною поверхнею очисної камери 4 При цьому випромінювач 7 може бути розташований збоку очисної камери 4 (Фіг 1), або, як варіант, вздовж осі очисної камери 4 (Фіг 4) Ультразвуковий випромінювач 7 підключено до електричного генератора ультразвукових коливань (на схемах умовно не показаний) Ультразвукові хвилі, що випромінює випромінююча поверхня 8, розповсюджуються в напрямках 9 (Фіг 1, Фіг 2, Фіг 4) Об'єм очисної камери 4 вибирається виходячи із витрати рідини через пристрій і необхідної тривалості кавітаційної обробки рідини, що забезпечує досягнення необхідного ступеню ультразвукової обробки і очистки Спосіб обробки і очистки рідини реалізується наступним чином Через вхідний патрубок 2 в очисну камеру 4 подається рідина, що вимагає технологічної обробки і очистки Рідина заповнює очисну камеру 4 і через фільтроелемент 6 потрапляє у вихідний патрубок 3 корпуса 1 Ультразвуковий випромінювач 7 за допомогою електричного генератора збуджується на одній резонансній частоті Його випромінююча поверхня 8 починає коливатися і випромінювати в рідину ультразвукові хвилі однієї частоти Ультразвукові хвилі розповсюджуються в рідині в напрямках 9 Із-за нахилу поверхні очисної камери створюється різний шлях проходження ультразвуковими хвилями до відбиття, що приводить до існування цілого спектру стоячих хвиль, які мають вузли 5 пучності в різних точках камери, наприклад, зсунуті по фазі в межах від 0 до ті/2 Додатково хвилі ще багаторазово відбиваються від нахиленої поверхні очисної камери Як наслідок, в очисній камері 4 утворюється, так зване, дифузне ультразвукове поле, при якому в об'ємі очисної камери рівномірно "перемішані" вузли і пучності стоячих ультразвукових хвиль При цьому ультразвукові коливання в очисній камері 4 збуджують в режимі розвиненої кавітації Цей режим для конкретного типу рідини досягається, наприклад, регулюванням потужності і амплітуди коливань, тиском рідини в очисній камері, тощо При дифузному полі кавітація рівномірно розповсюджується по усьому об'єму очисної камери, що забезпечує максимально ефективну обробку рідини в очисній камері Тангенціально розташований вхідний патрубок 2 забезпечує закручування ріди ни, що поліпшує її перемішування і сприяє підвищенню рівномірності ультразвукової обробки рідини в очисній камері В залежності від тривалості кавітаційної обробки рідини може бути досягнутий різний технологічний ефект, наприклад, обеззаражування питної води, коагуляція і осаджування в шламозбірник 5 часток забруднювача рідини, підвищення енергетичної спроможності рідкого палива за рахунок утворення в ньому при кавітаційній обробці багатих на енергію дисоційованих і іонізованих молекул, а також атомів і вільних радикалів, і таке інше Таким чином, необхідний ступінь впливу (технологічний ефект) ультразвукових коливань на рідину досягається зміною часу присутності рідини в очисній камері Після обробки в очисній камері рідина через фільтроелемент 6 потрапляє в вихідний патрубок 3 Оскільки фільтроелемент 6 постійно знаходиться в кавітаційному середовищі, то його поверхня і пори постійно очищуються, тобто фільтроелемент 6 в пристрої, що розглядається, не засмічується Завдяки цьому пристрій, що реалізує запропонований спосіб обробки і очистки рідини, не потребує періодичної зміни фільтроелемента і має дуже великий термін експлуатації при збереженні на ньому постійного перепаду тиску Частки забруднювача, що коагулюють в очисній камері, поступово по похилій поверхні камери опускаються донизу у шламозбірник, який періодично спорожнюється при технічному обслуговуванні пристрою Наприклад, реалізовано пристрій для ультразвукової фільтрації і обробки водного розчину при робочій частоті ультразвукового випромінювача 40кГц без фазового зсуву ультразвукових коливань При цьому довжина хвилі ультразвукових коливань складала 36мм Тобто через кожні 9мм (ті/4) в камері обробки був або максимум кавітації, або повна и відсутність Для проведення необхідної технологічної обробки розчину (фільтрації) необхідно було підвести до ультразвукового випромінювача струм в 1,ЗА При цьому тривалість незасмічуваності фільтроелемента дуже залежала від його правильноро розміщення в ультразвуковому полі, а забезпечення СТІЙКОСТІ процесу коагуляції часток забруднювача взагалі було не можливим При реалізації такого ж пристрою (з однаковим об'ємом робочої камери) із фазовим зсувом ультразвукових коливань (конічна форма робочої камери) індекс кавітації по всьому об'єму був однаковий і для досягнення бажаного ступеню обробки рідини і забезпечення надійної незасмічуваності фільтроелемента необхідний був струм через ультразвуковий випромінювач всього 0,9А До того ж, при створеному дифузному ультразвуковому полі стало дуже легко по часу находження в камері обробки контролювати необхідний ступінь обробки рідини, тобто підтримувати стійкий процес коагуляції і осаджування частинок забруднювача у шламозбірник При ЗМІНІ часу обробки рідини можна забезпечити надійне диспергування часток забруднювача, обеззаражування рідини (якщо це питна вода), або контролюєме підвищення енергетичних можливостей рідкого пального 55323 Фіг.1 Фіг.З Фіг.4 Підписано до друку 03 04 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24