Ультразвуковий штир високої потужності та проточний реактор безперервної дії

1. Ультразвуковий штир, який містить: - видовжене тіло з поздовжньою віссю, де один кінець поздовжньої осі зветься ближнім, а інший далеким кінцем; - зазначене видовжене тіло є суцільним шматком матеріалу, придатного до ультразвукових коливань, довжина видовженого тіла приблизно дорівнює довжині хвилі ультразвукових коливань, передбачених для поширення через зазначений матеріал на вибраній ультразвуковій частоті; - зазначене видовжене тіло має конічну форму на далекому кінці і монтажну поверхню на ближньому кінці для ультразвукового перетворювача, а також засіб кріплення, розташований між ближнім і далеким кінцями для встановлення цього видовженого тіла на проточний реактор таким чином, щоб зазначений далекий кінець проходив всередину зазначеного проточного реактора. 2. Ультразвуковий штир за п. 1, де зазначеним матеріалом є легована інструментальна сталь. 3. Ультразвуковий штир за п. 1, де зазначеним матеріалом є легована інструментальна сталь, яка містить принаймні приблизно 4% хрому. 4. Ультразвуковий штир за п. 1, де зазначеним матеріалом є сталь, а зазначена довжина становить приблизно від 20см до 50см. 5. Ультразвуковий штир за п. 1, де зазначеним матеріалом є легована інструментальна сталь, яка містить принаймні приблизно 4% хрому, а зазначена довжина становить приблизно від 20см до 50см. 6. Ультразвуковий штир за п. 1, де зазначене видовжене тіло має профіль, який містить конусну 2 (19) 1 3 Даний винахід лежить у площині технологічного обладнання, використовуваного в обробці матеріалів у рідких середовищах при застосуванні ультразвуку. Про застосування ультразвуку в активації хімічних реакцій добре відомо, зокрема, із таких публікацій [Suslick, K.S., Science., vol. 247, р, 1439 (1990), and Mason, T.J., Practical Sonochemistry, А User’s Guide to Applications in Chemistry and Chemical Engineering, Ellis Norwood Publishers, West Sussex, England (1991)], що стосуються технологічних можливостей ультразвукового опромінювання в хімічних процесах. Однією із типових форм ультразвукового випромінювача, розробленого для галузі хімічної технології, є "ультразвуковий штир", на котрий ультразвуковий генератор передає вироблену ним ультразвукову енергію для її підсилення. Ультразвукові генератори мають, як правило, низький рівень вихідної енергії, що зумовлено потужністю, потрібною для збудження ультразвукових коливань, і теплом, що виділяється ультразвуковими перетворювачами. Через ці обмеження ультразвуковий інструментарій в промислових хімічних процесах не отримав належного розвитку. Одним зі способів одержання ультразвукових коливань відносно високої потужності є застосування ультразвукових перетворювачів з магнітострикційним збудженням. Але магнітострикційне збудження на тих частотах, яких воно дозволяє досягати, дає коливання поки що помірної амплітуди. Описи відомих магнітострикційних ультразвукових перетворювачів та їх застосування в хімічних реакціях можна знайти в таких патентних публікаціях: [Ruhman, А.А., et al., Патент США №6,545,060 В1, виданий 8 квітня 2003p.] та його РСТ дублікат [WO 98/22277, опублікований 28 травня 1998p.], а також [Yamazaki, N., et al. Патент США №5,486,733, виданий 23 січня 1996p.; Kuhn, M.C., et al., Патент США №4,556,467, виданий 3 грудня 1985p.; Blomqvist, P., et al., Патент США №5,360,498, виданий 1 листопада 1994p.; Sawyer, H.T., Патент США №4,168,295, виданий 18 вересня 1979р.]. У патенті [Ruhman, A.A., et al.] описаний магнітострикційний перетворювач, який генерував ультразвукові коливання в реакторі безперервної дії, в котрому коливання були орієнтовані радіально по відношенню до напрямку потоку, а частотний діапазон був обмежений максимальною частотою 30кГц. У патенті [Yamazaki et al.] описаний ультразвуковий випромінювальний штир порівняно низької потужності для виробничих процесів малих масштабів, де магнітострикція згадується лише як одне із групи можливих джерел генерування коливань поряд з п'єзоелектричними елементами та електрострикційними деформаційними елементами. У патенті [Kuhn et al.] описаний процесор безперервної дії, який містить множину ультразвукових штирів і генераторів, котрі генерували частоти менше 100кГц. У патенті [Blomqvist et al.] описаний ультразвуковий генератор, в якому використовувався магнітострикційний порошковий композит, що працював на резонансній частоті 23,5кГц. У патенті [Sawyer et al.] описаний трубний проточний реактор з трьома групами ультразвуко 86704 4 вих перетворювачів, де кожна група містила чотири перетворювачі і генерувала ультразвукові коливання на частотах у діапазоні від 20 до 40кГц. Ці пристрої не є підходящими для високопродуктивних реакторів, де потребується забезпечувати високий вихід корисного продукту. Авторами даного винаходу було виявлено, що ультразвук може застосовуватися в реакторних апаратах високої потужності і забезпечувати потрібний для них високий рівень ультразвукової енергії завдяки ультразвуковому випромінювальному штирю специфічної конструкції, здатної витримувати без її руйнування великі напруги від ультразвукових коливань. В оптимальному варіанті випромінювальний штир згідно з винаходом проектується для його застосування на конкретній частоті ультразвуку. Таким чином, для кожної частоти може розроблятися відповідний ультразвуковий штир згідно з даним винаходом. Ультразвуковий штир згідно з винаходом містить суцільне видовжене тіло, довжина якого в кращому варіанті приблизно дорівнює довжині однієї хвилі ультразвукових коливань, що проходять через даний випромінювач на вибраній частоті. Запропонований штир має ближній і далекий кінці, із котрих ближній кінець призначений для підключення штиря до ультразвукового перетворювача, а далекий кінець - для занурення його в рідке реакційне середовище. Далекий кінець штиря має форму, що звужується на конус принаймні в одній точці, чим досягається поліпшення проникнення ультразвукових коливань у реакційне середовище. Засіб монтажного кріплення ультразвукового штиря, розташований між його ближнім і далеким кінцями, дозволяє встановлювати штир на стінці реакторної посудини далеким кінцем всередину, а ближнім кінцем назовні посудини. Суцільне видовжене тіло штиря згідно з винаходом утворюється із одного суцільного шматка матеріалу, а не із множини деталей або компонентів, виготовлених індивідуально, а потім зібраних в єдину конструкцію шляхом зварювання або за допомогою болтів, затисків та інших засобів скріплення деталей. Під визначенням "суцільний" тут мається на увазі, що дане тіло не має внутрішніх порожнин, а є повністю густим у його зовнішніх розмірах. Ультразвуковий випромінювальний штир згідно з винаходом може використовуватися в апаратурному забезпеченні будь-якої хімічної реакції, корисний вихід і/або швидкість якої можуть підвищуватися за допомогою ультразвуку. Особливо корисним такий штир може бути в реакціях десульфурації сирої нафти та її сирих фракцій. Процеси, в котрих ультразвук використовується для обробки зазначених матеріалів, описані в таких патентах США загальної власності [Патент США №6,402,939 (виданий 11 червня 2002p.), Патент США №6,500,219 (виданий 31 грудня 2002p.), Патент США №6,652,992 (виданий 25 листопада 2003р.)], в опублікованій патентній заявці США №2003-0051988 А1 (20 березня 2003p.), і Патенті США №6,827,844 (виданому 7 грудня 2004p.). Аналогічні описи можна знайти також у таких патентних заявках США що розглядаються, 5 86704 6 [№№10/803,802 (від 17 березня 2004p.), звукових коливань 17,5кГц і довжину хвилі прибли10/857,444 (від 27 травня 2004р.) і 10/994,166 (від зно 31см. 18 листопада 2004р.)]. Всі цитовані в даному описі Виготовляти ультразвуковий штир суцільної патенти, патентні заявки і взагалі публікації вклюконструкції можна за допомогою будь-якого спосочені тут шляхом посилання в усій їхній повноті і бу формування стальних деталей. Це можуть будля всіх юридичних цілей, в яких вони можуть бути ти, наприклад, машинна обробка і лиття. На праккорисними. тиці можуть використовуватися будь-які способи Ці та інші цілі, перевага та особливості даного формування, що не погіршують зернисту структуру винаходу роз'яснюються більш детально нижче, в або міцність будь-якої частини штиря. У разі пойого докладному описі. треби штир можна плакувати корозійностійким На Фіг.1 показаний вигляд збоку ультразвукоматеріалом. При цьому плакувати можна як весь вого випромінювального штиря згідно з даним виультразвуковий штир цілком, так і лише деякі його находом. частини, які під час експлуатації перебувають в На Фіг.2 показаний вигляд у розрізі вузла реареакційній посудині і входять у контакт з рідким ктора та охолоджувальної сорочки, якою охоплюреакційним середовищем. В альтернативному ється як ультразвуковий штир, показаний на Фіг.1, варіанті плакують лише торцеву поверхню тієї чатак і ультразвуковий перетворювач. стини штиря, що занурюється в реакційне середоЯк зазначалося вище, оптимальну довжину вище. Для плакування зазвичай використовують ультразвукового штиря згідно з винаходом вибиметалеві матеріали на основі срібла з легувальрають відповідно до вибраної довжини хвилі ультними компонентами. При цьому використовуватиразвукових коливань. Таким чином, довжину хвилі ся можуть сплави, в котрих кількість срібла склаультразвукових коливань у матеріалі, з якого вигодає 85%(мас.) і більше, або краще - 90%(мас), товлений штир, а отже і оптимальний поздовжній легувальними компонентами є мідь, цинк, кадмій розмір штиря можуть бути визначені відповідно до або комбінації із двох чи більше цих компонентів. вибраної ультразвукової частоти. Корисні для Найкращими є штирі, виконані із інструментальної практичного застосування ультразвукові частоти є сталі А-2 без плакування. добре відомими і можуть легко вибиратися фахівУльтразвуковий випромінювальний штир згідцями в тих галузях, де застосовується ультразвук. но з винаходом являє собою видовжене тіло з поУ загальному випадку ультразвукові коливання здовжньою віссю, яким у кращому варіанті є тіло мають частоти в діапазоні приблизно від 15кГц до обертання, що має симетричну відносно поздовж100кГц. Для цілей даного винаходу кращі ультраньої осі форму. Незалежно від того, є даний ультзвукові частоти лежать у діапазоні приблизно від развуковий штир тілом обертання чи ні, його попе15 до 30кГц, а найкращі - в діапазоні приблизно від речний переріз у площині, нормальній до 15 до 20кГц. У кращому варіанті здійснення винапоздовжньої осі, змінюється по довжині цієї осі. ходу довжина випромінювального штиря є такою, Штир згідно з винаходом розрахований на устанощоб штир працював як повнохвильовий резонатор влення його в реакційній посудини таким чином, коливань в ультразвуковому діапазоні, що пошищоб один його кінець проходив всередину посудирюються уздовж штиря. Таким чином, довжину ни і занурювався в реакційне середовище для виштиря в кращому варіанті вибирають так, щоб промінювання в це середовище ультразвукових штир резонував на вибраній частоті. коливань, а інший кінець виходив назовні посудиМатеріал для виготовлення штиря можна вини для того, щоб під час роботи він з'єднувався з бирати із таких самих міркувань, але враховуючи джерелом ультразвукової енергії і, зокрема, безпри цьому ту обставину, що для випадку експлуапосередньо з ультразвуковим перетворювачем. У тації штиря в умовах генерованих ним високих тексті даного опису і доданої Формули винаходу напруг більш підходящими є матеріали, що волокінець штиря зі сторони з'єднання його з ультрадіють високими міцністю та ударною в'язкістю. звуковим перетворювачем зветься "ближнім кінКращими для цього є метали і особливо сталі. цем", а кінець, що занурюється в реакційну посуНайбільш підходящими для цілей даного винаходу дину і вступає в контакт з реакційним є леговані інструментальні сталі і, зокрема, відома середовищем, зветься "далеким кінцем". Для у сталевій індустрії інструментальна сталь 2-А, яка встановлення на реакційній посудині штир має має тонкозернисту структуру, гартується на повітрі засіб кріплення, яким може бути, наприклад, флаі містить 0,95-1,24% вуглецю, 4,75-5,50% хрому, нець, виступ, подовження, отвори під болти і т.п. і 0,90-1,4% молібдену, 0,15-0,50% ванадію і максиякий у кращому варіанті розміщується на певній мум 1,00% марганцю. Кращими є сталі, що містять відстані по поздовжній осі від ближнього і далекого як легувальний елемент хром у кількості принаймкінців. ні приблизно 4% (мас.) і серед них однією з краУ деяких варіантах здійснення винаходу засіб щих є інструментальна сталь 2-А. Характеризувакріплення ультразвукового штиря дозволяє охопти ультразвуковий штир можна також інтервалом лювати ближній кінець штиря та з'єднаний з цим його довжини. Отже, кращими є штирі, довжини кінцем ультразвуковий перетворювач охолоджуяких лежать в інтервалі приблизно від 20см до вальною сорочкою. Шляхом перепускання через 50см, а найкращими - штирі, довжини яких лежать цю охолоджувальну сорочку хладагента можна в інтервалі приблизно від 30см до 35см. Таким регулювати викликаний генерованою ультразвукочином, у кращому варіанті, що розглядається, ульвою енергією підйом температури на перетворютразвуковий штир згідно з винаходом виконаний із вачу та ближньому кінці штиря. У цих варіантах інструментальної сталі 2-А, має частоту ультраздійснення штир може містити також ущільнювальні кільця, прокладки та інші подібні засоби для 7 86704 8 забезпечення ущільнення по периметру штиря в Для живлення ультразвукового перетворювамісцях, де ультразвуковий штир входить у реакча може використовуватися будь-яка коливна елеційну камеру, охолоджувальну сорочку або в те й ктрична напруга. Коливання цієї напруги можуть інше. мати будь-яку бажану форму, наприклад, від синуДля збільшення амплітуди ультразвукових косоїдальної до прямокутної. Під "прямокутною фоливань до максимального рівня на кінціштиря рмою коливань" тут мається на увазі напруга пойого поперечний переріз у кращих варіантах здійстійного струму, що ступінчастим чином снення винаходу змінюється у напрямку далекого змінюється між її постійним позитивним рівнем і кінця уздовж принаймні частини довжини штиря в базовим рівнем. Базовим рівнем при цьому може загальному випадку таким чином, що на далекому бути негативна напруга або нульовий рівень накінці поперечний переріз штиря є меншим, ніж на пруги. Крім того, якщо базовим рівнем є негативна його ближньому кінці, а в найкращому варіанті напруга, то бажано, щоб чергування позитивної та мінімальним. Це може досягатися в одній або бінегативної напруг відбувалося з однаковою амплільше звужених на конус секціях профілю штиря. тудою. У кращому варіанті амплітуда напруги живСтупінь зменшення поперечного перерізу штиря лення лежить в інтервалі приблизно від 140Вольт може варіювати в широких межах залежно від того до 300Вольт, а в найкращому варіанті вона дорівнаскільки велике потребується підсилювання конює 220Вольт однофазної напруги при потужності ливань і від того наскільки великі вібраційні наванприблизно від 12кВт до 20кВт. Частоту коливань таження повинен витримувати штир. Для одернапруги живлення вибирають таким чином, щоб жання найкращих результатів, зменшення отримати бажану частоту ультразвукових колипоперечного перерізу штиря повинно лежати в вань. Кращі в аспекті даного винаходу частоти інтервалі приблизно від 20% до 99%, а ще краще ультразвукових коливань лежать у діапазоні прив інтервалі приблизно від 40% до 85%. близно від 10 до 30кГц, а найкращі - в діапазоні Далекий кінець штиря має конічну форму, а приблизно від 15 до 20кГц. оскільки сам штир у кращому варіанті є тілом обеПри застосуванні ультразвукових штирів згідно ртання навколо його поздовжньої осі, його далекий з винаходом у проточних реакторах безперервної кінець у цьому випадку має форму круглого конудії потік реакційного середовища сам по собі заса. Кут конуса при вершині не є критичним і може безпечує охолодження далекого кінця штиря. Як варіювати в широких межах, але кращі результати зазначалося вище, в багатьох випадках може бути в більшості випадків досягаються з кутом конуса, також вигідним охолоджувати ближній кінець штитобто кутом між віссю конуса і його бічною стороря з ультразвуковим перетворювачем за допомоною, в інтервалі приблизно від 60° до 87°, а ще гою охолоджувального пристрою, незалежного від кращі - в інтервалі приблизно від 75° до 85°. реакційного середовища. Охолодження ближнього Для генерування ультразвукових коливань у кінця штиря та ультразвукового перетворювача штирі може використовуватися будь-який із шировигідно здійснювати за допомогою охолоджувалького різноманіття ультразвукових перетворювачів. ної сорочки або охолоджувального кожуха, якими Для забезпечення високих рівнів енергії, на які є закриваються ці частини конструкції і через які здатний штир згідно з винаходом, кращим є переперепускається або циркулює хладагент. Охолотворювач у формі замкненого контуру, який переджувальна сорочка перебуває зовні реакційної творює періодично змінювану електричну напругу посудини, а штир, як зазначалося вище, в кращона механічні коливання в ультразвуковому діапаму варіанті обладнується вторинним засобом кріпзоні за допомогою ефекту магнітострикції. Контур лення, за допомогою якого ближній кінець з переперетворювача в кращому варіанті виконують із творювачем можуть герметично закриватися під укладених одна одну тонких, плоских пластин із охолоджувальною сорочкою. Як хладагент при магнітострикційного матеріалу з прошарками із цьому в загальному випадку може ефективно слудіелектричного матеріалу, наприклад полімерного жити вода, що циркулює через сорочку. пластика або керамічного адгезиву, між сусідніми Ультразвукові генератори згідно з винаходом пластинами. Така шарувата укладка може набираможуть використовуватися як в реакторах перітися зі 100-400 пластин при товщині пластин приодичної дії для періодичної активації реакцій, так і близно від 50мкм до 250мкм. в реакторах безперервної дії для активації реакцій, Розмір кожної із пластин, а отже і набраного із що відбуваються в безперервному режимі. Краних контуру, може бути різним, хоча в кращому щими серед них в контексті даного винаходу є варіанті кожна з них має довжину в межах приблиреактори безперервної дії. зно від 5см до 50см, а ширину в загальному випаНижче розглядається приклад здійснення дадку в межах приблизно від 3см до 25см. Центраного винаходу, який дозволяє більш глибоко зрольне вікно контуру в типовому варіанті має розмір зуміти покладену в його основу концепцію та можприблизно від 0,5см до 5см. На контур перетворюливості практичного застосування винаходу в вача намотують котушку із електропровідного дрорізноманітних варіантах і конфігураціях його здійсту, витки якої укладають та орієнтують таким чинення. Запропонований до розгляду приклад здійном, щоб виробляти магнітострикційні коливання в снення винаходу ілюстрований на доданих кресконтурі при подаванні на ці витки змінної електриленнях. чної напруги. Витки котушки можуть, наприклад, на На Фіг.1 зображений зовнішній вигляд ультраодній поздовжній стороні контуру намотуватися в звукового штиря 11, що є тілом обертання навколо одному напрямку, а іншій його поздовжній стороні його поздовжньої осі 12. На цьому кресленні штир - в протилежному напрямку. показаний ближнім кінцем 13 уверх, а далеким кінцем 14 - униз. Між ближнім і далеким кінцями 9 86704 10 штиря розташований монтажний фланець 15 для дить через реактор, стикається з далеким кінцем кріплення штиря на реакційній посудині. Поблизу 14, обтікає його по радіусу зовні і покидає реактор далекого кінця штир по його зовнішньому контуру через виходи 36 і 37. охоплюється канавкою 16. Розміри канавки є таКомпоненти живлення, до яких входять джекими, щоб у ній розміщалося ущільнювальне кільрело живлення, підсилювач і контролер, є стандаце для забезпечення ущільнення по периферії між ртними приладами, що випускаються промисловіштирем і внутрішньою стінкою реактора; крім того, стю, і можуть бути легко придбані та пристосовані ця канавка помічає собою місцезнаходження вердо виконання описаних вище функцій. При цьому хнього краю порожнини реактора. Ближній кінець може використовуватися генератор типу Agilent 13 штиря має плоску поверхню, на котрій монту33220A або Advantek 712 з регульованою комп'юється ультразвуковий перетворювач (не показатером формою вихідного сигналу та з вихідним ний), а далекий кінець 14 має форму конуса з вецифро-аналоговим перетворювачем або ж кероршиною 17. Між ближнім і далеким кінцями штир ваний мікропроцесором генератор регульованих має дві конусоподібні секції - верхню секцію 18, що по напрузі сигналів на базі інтегральної схеми прилягає до ближнього кінця 13, і нижню секцію 8038. Генератор сигналів керованої форми може 19, що прилягає до далекого кінця 14. мати автоматичну настройку вихідним сигналом На Фіг.2 показаний вигляд у розрізі реактора і цифро-аналогового перетворювача на мікропровузла 21 охолоджувальної камери зі штирем типу, цесор або функціями в комп'ютері Lab VIEW ® зображеного на Фіг.1, та ультразвуковим перетво(National Instruments Corporation, Austin, Texas, рювачем 22 всередині зазначеного вузла. Вузол USA), де імпульсний програмований сигнал керує 21 включає у себе проточну реакційну камеру 23 генератором сигналів у розрахунку на виробляння безперервної дії та охолоджувальну сорочку 24, максимального ультразвукового виходу шляхом що оточує перетворювач 22 і ближній кінець 13 встановлення частоти імпульсу на резонансну ультразвукового штиря. З'єднальний циліндр 25, частоту ультразвукового перетворювача. Позитиякий є продовженням реакційної камери 23 і при вна і негативна складові імпульсного сигналу таексплуатації не містить ні реакційного середовикож можуть піддаватися регулюванню таким чища, ні хладагента, з'єднує реакційну камеру 23 з ном, щоб загальна постійна складова сигналу охолоджувальною сорочкою 24. Охолоджувальна давала максимальний магнітострикційний ефект. сорочка 24 внизу закрита монтажним фланцем 15 і Як компоненти схеми живлення можуть викоущільнюється ущільнювальними кільцями 26 і 27 ристовуватися інтегральні біполярні транзистори з на фланці 15. Охолоджувальна сорочка 24, позатвором у двонапівперіодній конфігурації живдовження 23 реакційної камери і штир 11 скріплені лення. Така конфігурація може бути утворена, наміж собою фланцями і болтами 28 на рівні монтаприклад, із двох напівперіодних двотактних підсижного фланця 15 штиря. лювачів на чотирьох інтегральних біполярних Ультразвуковий перетворювач 22 являє собою транзисторах із затворами (IGBT). Кожне таке наелектромагніт із замкненим осердям та обмоткою півперіодне плече керується асиметричною послііз електричного дроту в тепловій та електричній довністю прямокутних імпульсів зі 180 градусною ізоляції. Електричні виводи 31 обмотки виходять розбіжністю у фазі. Відносні кількості позитивних і назовні охолоджувальної сорочки через герметичнегативних складових імпульсів, що керують кожний рознім 32 і з'єднуються із зовнішнім джерелом ним напівперіодним плечем містка, можуть бути живлення, підсилювачем і контролером (не покаоптимізовані по максимуму вихідної ультразвукозані). Хладагент надходить в охолоджувальну сової потужності. Кожний IGBT транзистор ізольоварочку через вхід 33, а нагрітий хладагент виходить ний керуючим транзистором з оптичною розв'язчерез вихід 34. кою. Реакційне середовище, яке піддається опроРозглянутий вище приклад здійснення винамінюванню ультразвуком, надходить у реакційну ходу поданий тут, головним чином, у цілях ілюсткамеру 23 через вхід 35, коаксіальний з поздовжрації і не виключає інших варіантів, що стосуються ньою віссю 12 штиря, і виходить із реактора через компонентів апаратури і пристроїв, їх компонуванвиходи 36 і 37, розташовані по боках реакційної ня, використовуваних матеріалів, робочих умов та камери. Далекий кінець 14 ультразвукового штиря інших описаних тут аспектів, що є очевидними для поміщається безпосередньо в горло входу 35. Тафахівців у даній галузі і лежать у межах об'єму та ким чином, реакційне середовище, котре прохоідеї даного винаходу. 11 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 86704 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601