Гідроударний кавітаційний реактор

Реферат: Гідроударний кавітаційний реактор містить герметичний корпус із вхідним і вихідним патрубками для протоку рідини, що встановлені по дотичній до циліндричної поверхні корпусу, ротор і статор, які виконані циліндричними та розташовані співвісно. При цьому статор є частиною корпусу пристрою. На зовнішній поверхні ротора виконані виступи, а на внутрішній поверхні статора – пази. Простір між виступами ротора служить для заповнення оброблюваною рідиною. UA 85141 U (12) UA 85141 U UA 85141 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до пристроїв, призначених для обробки рідин, зокрема в'язкої і важкої нафти, а точніше до гідроударного кавітаційного реактора, і може бути використана в нафтодобувній та нафтопереробній промисловості. Гідродинамічний вплив на рідини з метою одержання дрібнодисперсних однорідних сумішей або здійснення хімічних реакцій досить широко застосовується в різних галузях промисловості. Вимоги, пропоновані до гідродинамічних пристроїв, можуть різнитися значно, залежно від здійснюваного завдання. Ступінь впливу на оброблювану рідину в гідродинамічних пристроях головним чином залежить від трьох основних параметрів - швидкості рідини щодо твердої поверхні, зазору між твердими поверхнями й часу знаходження рідини в зоні обробки. Витрати енергії на обробку, крім вищевказаних параметрів, залежать ще від щільності й в'язкості рідини. При протіканні рідини щодо твердої поверхні формуються прошарки течії: в'язкий (нерухливий), перехідний, логарифмічний і турбулентний, товщина яких залежить від числа Рейнольдса (Re): Re~wd/ν, де w - швидкість течії рідини щодо поверхні; d - величина зазору між твердими поверхнями; ν - кінематичний коефіцієнт в'язкості. Коефіцієнт тертя в прошарках відрізняється в десятки разів, нелінійно збільшуючись від турбулентного до в'язкого. Для здійснення фізичних процесів у рідинах - змішання, диспергування, емульгування й ін., потрібні невеликі числа Рейнольдса (Re~103). Для здійснення хімічних реакцій у рідинах з використанням кавітації необхідні числа Рейнольдса Re~105 і вище. У цьому випадку різко (на порядок і вище) зростає гідродинамічний опір, і відповідно, витрати енергії на обробку. Крім того, для хімічних реакцій, проведених в умовах кавітації, необхідний багаторазовий вплив на рідину з інтенсивним її перемішуванням, оскільки реакції йдуть у малих об'ємах поблизу малорухомих прикордонних прошарків. Відомі гідродинамічні пристрої, принцип роботи яких заснований на порушенні гідродинамічних коливань у роторно-статорній парі із зубчастими елементами. Відомий роторно-пульсаційний апарат, що містить роторний і статорний диски із зубчастими елементами, розміщеними по концентричних окружностях, що чергуються, і виконаними зі зсувом по концентричних окружностях на одному з дисків. При цьому відстань між сусідніми зубчастими елементами однієї концентричної окружності менше або дорівнює ширині зубчастого елемента наступної концентричної окружності в напрямку до периферії, при цьому зубчасті елементи однієї або декількох концентричних окружностей роторного або статорного дисків зміщені на величину, що забезпечує перекриття наскрізних перетинів між зубчастими елементами сусідньої пари концентричних окружностей роторного й статорного дисків при відкритому положенні наскрізного перетину будь-який іншої сусідньої пари. При цьому зубчасті елементи роторного або статорного дисків зміщені на величину, що забезпечує збіг осей наскрізних перетинів одних концентричних окружностей з осями зубчастих елементів інших сусідніх концентричних окружностей того ж диска; або зубчасті елементи роторного або статорного дисків зміщені на величину, що забезпечує відношення між кількістю наскрізних перетинів у різних концентричних окружностях того ж диска, рівне нецілому або непарному числу [1]. У даному пристрої оброблювана рідина подається через вхідний отвір у центрі статора і під дією відцентрової сили обертового ротора спрямовується до периферії через наскрізні перерізи між зубчастими елементами, розташованими по концентричних окружностях дисків. При цьому зубчасті елементи ротора й статора створюють турбулентний режим перемішування. Недоліком даного пристрою є те, що конструкція містить надлишкові функціональні елементи, що створюють непродуктивні витрати енергії при обробці рідини. Внаслідок того, що ступінь впливу на рідину пропорційна окружної швидкості ротора, яка максимальна на периферії, найбільша ефективність кавітаційного впливу спостерігається тільки на зовнішньому кільці зубчастих елементів, де окружна швидкість найбільша. На зубчастих елементах ротора й статора, розташованих ближче до осі обертання, енергія в основному витрачається на перемішування й нагрівання, а не на хімічні перетворення в оброблюваній рідині. Крім того, більша площа поверхонь, з якими контактує рідина, що рухається, створює додатковий динамічний опір, а отже, непродуктивні витрати енергії. 1 UA 85141 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Найбільш близьким до пристрою, що заявляється, є кавітаційний теплогенератор, що включає порожнистий корпус із кришкою, всмоктуючий патрубок для підведення рідини й нагнітальний патрубок для відводу рідини, ротор, розташований всередині корпусу, виконаний у вигляді відцентрового колеса з отворами по периферії, статор, установлений коаксіально ротору. Вихідний патрубок на корпусі встановлений, наприклад, по дотичній до циліндричної поверхні корпусу, ротор і статор виконані циліндричними, отвори на циліндричних поверхнях ротора й статора виконані, наприклад, у вигляді радіальних прорізів, витягнутих уздовж осі обертання [2]. До недоліків відомого пристрою по прототипу слід віднести значні непродуктивні втрати, недостатня ефективність одноразової обробки рідини, а також те, що конструктивні особливості роторно-статорної пари не забезпечують повну обробку всієї рідини за рахунок її протікання поза зоною кавітації. А саме, дана конструкція допускає прохід до 15 % сировини за межами зони кавітації (не обробляється й не перемішується) через високу в'язкість у нерухливому, перехідному, логарифмічному прошарку, а турбулентний (робочий) прошарок пропускає близько 85 % рідини [3]. Крім того, даний пристрій має наскрізні прорізи в роторі й статорі, які визначають напрямок потоку рідини й дозволяють провести її тільки однократну обробку. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення гідроударного кавітаційного реактора, в якому за рахунок іншої конструкції досягається значне зменшення непродуктивних втрат, підвищення ефективності обробки рідини, переважно важкої нафти з високою в'язкістю і щільністю, при її багаторазовій обробці та максимальній повноті. Поставлена задача вирішується тим, що у гідроударному кавітаційному реакторі, що містить герметичний корпус із вхідним і вихідним патрубками для протоку рідини, що встановлені по дотичній до циліндричної поверхні корпусу, ротор і статор, які виконані циліндричними, що розташовані співвісно, згідно з корисною моделлю, статор є частиною корпусу пристрою, на зовнішній поверхні ротора виконані виступи, а на внутрішній поверхні статора - пази, причому простір між виступами ротора служить для заповнення оброблюваною рідиною. У результаті використання корисної моделі, що заявляється, забезпечується одержання технічного результату, який полягає в значному зменшенні непродуктивних втрат, підвищенні ефективності обробки рідини, переважно важкої нафти з високою в'язкістю і щільністю, при її багаторазовій кавітаційній обробці та максимальній повноті. Між суттєвими ознаками корисної моделі, що заявляється, і технічним результатом, який досягається, існує наступний причинно-наслідковий зв'язок. Зменшення непродуктивних втрат досягається за рахунок подачі рідини безпосередньо в зону між виступами ротора - в область максимального кавітаційного впливу, де й здійснюється обробка рідини. Підвищення ефективності обробки досягається також за рахунок багаторазового кавітаційного впливу в просторах між виступами ротора й пазами статора. Максимальна повнота обробки, яка досягається за рахунок особливостей конструкції, що виключає можливість перетікання неопрацьованої рідини поза зоною кавітаційного впливу. Наслідком вище перерахованих особливостей конструкції пристрою є зниження питомих витрат енергії на обробку рідин, переважно важкої нафти з високою в'язкістю і щільністю. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображений загальний вигляд гідроударного кавітаційного реактора, на фіг. 2 показаний загальний вигляд з боку А, на фіг. 3 - поперечний розріз перпендикулярно осі обертання ротора, на фіг. 4 - поздовжній розріз перпендикулярно осі обертання ротора й профіль виступів ротора й пазів статора, на фіг. 5 показане заповнення порожнин між ротором і статором при роботі пристрою. Напрямок обертання ротора й руху рідини показані стрілками. На кресленнях позначено: 1 - корпус, 2 - вхідний патрубок, 3 - вихідний патрубок, 4 - ротор, 5 - статор, 6 - виступи ротора4, 7 - пази статора 5, 8 - вал ротора 4. Гідроударний кавітаційний реактор містить корпус 1, циліндричною частиною якого є статор 5. В статорі 5 є вхідний 2 і вихідний 3 патрубки для протоки рідини (див. фіг. 1, 2). У статорі 5 розташований ротор 4, виконаний у вигляді суцільного циліндра, а статор 5 виконаний у вигляді пустотілого циліндра (див. фіг. 3). Ротор 4 і статор 5 розміщені співвісно. На зовнішній поверхні ротора 4 виконані виступи 6, наприклад, у вигляді прямокутного паралелепіпеда, а на внутрішній поверхні статора 5 - пази 7, виконані, наприклад, прямокутної форми (див. фіг. 4). Обертання ротора здійснюється за допомогою двигуна (на кресленнях не показаний) через вал 8 (див. фіг. 1). Пропонований гідроударний кавітаційний реактор працює таким чином. 2 UA 85141 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Оброблювана рідина через вхідний патрубок 2 надходить у простір між виступами 6 ротора 4 і захоплюється в область, утворену цими виступами і внутрішньою поверхнею статора 5. Далі рідина порціями переміщається по колу в просторі між виступами 6 ротора по напряму обертання від вхідного 2 патрубка до вихідного 3. У робочому режимі рідина в області між виступами 6 ротора 4, при сполученні з пазами 7 статора 5, на високій швидкості перетікає в ці пази статора 5. При цьому відбувається багаторазовий кавітаційний вплив на рідину з утворенням гідродинамічних імпульсів, а також й інтенсивне перемішування в кожній порожнині, яка утворюється при сполученні області простору між виступами 6 ротора 4 і пазами 7 статора 5. У моменти, коли захоплена порція рідини між виступами 6 ротора 4 перетинається з пазами 7 статора 5, відбувається гідродинамічна дія на оброблювану рідину. За рахунок відбиття ударної хвилі від поверхонь відбувається формування інтенсивних турбулентних потоків і перемішування рідини. Гідродинамічна дія відбувається за рахунок того, що при обертанні ротора 4 простір між його виступами 6 частково заповнений парогазовою сумішшю (ближче до осі обертання) і частково рідиною (далі від осі обертання), а пази 7 статора 5 заповнені сумішшю газу, пари й рідини (див. фіг. 5). При перетинанні пазів 7 статора 5 за рахунок відцентрової сили рідина спрямовується із простору між виступами 6 ротора 4 в область паза 7 зі швидкістю, яка визначається окружною швидкістю ротора 4. При цьому формується область кавітаційного впливу і відбувається гідродинамічний імпульс спочатку в області паза 7 статора 5, а потім, за рахунок відбиття ударних хвиль, і в області між виступами 6 ротора 4. Даний процес в одній і тій же області повторюється багаторазово. Ті ж самі явища відбуваються й при перетинанні виступів 6 ротора 4 з наступними пазами 7 статора 5. При заданих параметрах гідроударного кавітаційного реактора (діаметр ротора, число обертів) кратність обробки в одному циклі визначається числом пазів 7 статора 5, а продуктивність - розмірами області між виступами 6 ротора 4. Пропонований гідроударний кавітаційний реактор може бути використаний для обробки багатокомпонентних рідин, у тому числі для модифікації нафти й нафтопродуктів з метою зниження її в'язкості й щільності. Ефективність роботи корисної моделі оцінювалася по величині зміни фізико-хімічних параметрів оброблюваної нафти. Для цього використовувалося два кавітаційних пристрої: прототип і пропонований пристрій. Ротори в обох пристроях мали діаметр 270 мм. Ротор приводився в обертання електродвигуном АИРМ112М2 потужністю 7,5 кВт, частотою обертання 2895 об./хв., ккд 87,5 %, cosφ - 0,88, мережа 3380 В, номінальний струм 15 А. При зазначених параметрах окружна швидкість ротора становила 40,9 м/с. Продуктивність у всіх експериментах і для обох пристроїв установлювалася однаковою й 3 становила 0,85 м /год. Потужність на валу розраховувалася по струму в ланцюзі електродвигуна, який вимірявся приладом UT208 з похибкою ±2 %. Формула розрахунків потужності трифазного струму Р для з'єднання зіркою: Р=1,73U I η cosφ, де U - напруга мережі; І - струм мережі; η - ккд електродвигуна; cosφ - кут зсуву фаз напруги й струму. Як сировина для обробки використовувалася нафта компанії Pacific Rubiales з параметрами 3 при 20°С: щільність 0,976 г/см і в'язкість 12500 сСт. Обробка проводилася в проточному режимі. Ефективність роботи пропонованого пристрою оцінювалася по питомих витратах енергії при 3 обробці нафти для зміни її в'язкості на 1 сСт і зміни щільності на 0,001 г/см . Результати досліджень представлено в таблиці. 3 UA 85141 U Таблиця Вимірюваний параметр Споживаний струм у робочому режимі, А Споживана потужність, кВт В'язкість після обробки, сСт Зміна (зменшення) в'язкості ΔВ'ЯЗК, сСт Питомі витрати на зміну в'язкості, Вт/м ΔВ'ЯЗК. сСт 3 Щільність після обробки, г/см 3 Зміна (зменшення) щільності Δщільн., г/см 3 3 Питомі витрати на зміну щільності, кВт/м Δщільн., 0,00 1 г/см 5 10 прототип 10,3 5,2 9000 3500 1,75 0,971 0,005 1,22 Дані вимірів пропонований 14,6 7,4 4300 8200 1,06 0,955 0,021 0,41 На підставі даних, представлених у таблиці, можна зробити наступні висновки: при обробці важкої нафти компанії Pacific Rubiales питомі витрати на зменшення в'язкості на 1 сСт у пропонованому пристрої в 1,6 рази менше, ніж у прототипі; питомі витрати на зменшення 3 щільності на 0,001 г/см у пропонованому пристрої в 3,0 рази менше, ніж у прототипі. Використання всієї сукупності суттєвих ознак дозволяє створити гідроударний кавітаційний реактор з низькими питомими витратами енергії на поліпшення споживчих характеристик нафти, переважно важкої. Джерела інформації:. 1. Патент РФ № 2124935, МПК B01F 5/06, B01F 7/10, заявл. 17.07.1997, опубл. 20.01.1999. 2. Патент РФ № 2334177, МПК F24J 3/00, заявл. 13.04.2005, опубл. 20.10.2006 (прототип). 3. Протодьяконов И.О., Сыщиков Ю.В. Турбулентность в процессах химической технологии. - Л.: Наука.-1983. - С. 23-24, 27. 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 Гідроударний кавітаційний реактор, що містить герметичний корпус із вхідним і вихідним патрубками для протоку рідини, що встановлені по дотичній до циліндричної поверхні корпусу, ротор і статор, які виконані циліндричними та розташовані співвісно, який відрізняється тим, що статор є частиною корпусу пристрою, на зовнішній поверхні ротора виконані виступи, а на внутрішній поверхні статора - пази, причому простір між виступами ротора служить для заповнення оброблюваною рідиною. 4 UA 85141 U 5 UA 85141 U 6 UA 85141 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7