ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Номер

02-019-06

Наименование проекта

Ультразвуковой химический реактор

Назначение

Относится к аппаратам для ультразвуковой обработки жидких сред и может быть использован в химической, биологической, пищевой, фармацевтической промыш-ти для получения суспензий, эмульсий, интенсификации химич. реакций, экстрагирования и т.п

Рекомендуемая область применения

Химическая, биологическая, пищевая и фармацевтическая промышленности

Описание

            Результат выполнения конструкторской разработки.

Изобретение относится к аппаратам для ультразвуковой обработки жидких сред и может быть использовано в химической, биологической, пищевой, фармацевтической промышленности для получения суспензий, эмульсий, интенсификации химических реакций, экстрагирования и т.п.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном ультразвуковом химическом реакторе, содержащем закрепленный в корпусе пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде последовательно размещенных и акустически связанных между собой тыльной частотно-понижающей накладки, кольцевых пьезоэлектрических элементов и частотно-понижающей концентрирующей накладки, соединенный и акустически связанный с выступающей из корпуса частью частотно-понижающей концентрирующей накладки рабочий инструмент, на конце которого имеется рабочее окончание и технологический объем с патрубками ввода-вывода обрабатываемых сред, соединенный с корпусом преобразователя и расположенный относительно него так, что выступающая из корпуса часть частотно-понижающей концентрирующей накладки и рабочий инструмент размещены в корпусе технологического объема, тыльная частотно-понижающая накладка и кольцевые пьезоэлектрические элементы размещены на выполненной в виде соединительного стержня части частотно-понижающей концентрирующей накладки. Размер соединительного стержня выбран таким образом, что он выступает из тыльной накладки на длину, соответствующую четверти длины волны ультразвуковых колебаний на рабочей частоте преобразователя. В соединительном стержне и концентрирующей накладке выполнены три канала: центральный сквозной канал, имеющий конусное выходное отверстие в рабочем окончании инструмента, и симметрично относительно него два канала, соединенные одной стороной с закрепленным на соединительном стержне патрубком, а второй имеющие выход на поверхность выступающей из корпуса части концентрирующей накладки на участке, соответствующем минимуму амплитуды колебаний преобразователя. Корпус технологического объема выполнен в виде двух последовательно установленных и осесимметрично размещенных объемов, разделенных звукопрозрачной мембраной.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором схематично показан предлагаемый ультразвуковой химический реактор.

Ультразвуковой химический реактор включает в себя закрепленный в корпусе 1 пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде акустически связанных между собой и последовательно размещенных на выполненной в виде соединительного стержня 2 части частотно-понижающей концентрирующей накладки 3, тыльной частотно-понижающей накладки 4, кольцевых пьезоэлектрических элементов 5 и частотно-понижающей концентрирующей накладки 3. Для вывода акустических колебаний в обрабатываемые жидкие среды 6 и 7 используется рабочий инструмент 8, на конце которого имеется рабочее окончание 9. Рабочий инструмент посредством резьбового соединения механически и акустически связан с выступающей из корпуса частью частотно-понижающей концентрирующей накладки 3. Размер соединительного стержня выбран таким образом, что длина выступающей из тыльной накладки части 10 соответствует четверти длины волны ультразвуковых колебаний на рабочей частоте преобразователя. В соединительном стержне 2 и концентрирующей накладке 3 выполнены три канала: центральный сквозной канал 11, имеющий конусное выходное отверстие 12 в рабочем окончании 9 инструмента 8, и симметрично относительно него два канала 13 и 14, соединенные одной стороной с закрепленным на соединительном стержне патрубком 15, а второй имеющие выход 16 на поверхность выступающей из корпуса части концентрирующей накладки на участке, соответствующем минимуму амплитуды колебаний преобразователя. Корпус технологического объема ультразвукового реактора выполнен в виде двух последовательно установленных и осесимметрично размещенных объемов 17 и 18, разделенных звукопрозрачной мембраной 19.

Выполнение в соединительном стержне 2 и концентрирующей накладке 3 центрального сквозного канала 11 обеспечивает подачу газа в область максимального ультразвукового воздействия и его растворение в жидкости с максимальной эффективностью. При этом исключается уменьшение производительности реактора в процессе эксплуатации из-за дегазации обрабатываемых сред. Кроме того, принудительная подача инертного газа через центральный канал обеспечивает перемешивание вязких сред.

Конусное выходное отверстие 12 в рабочем окончании 9 инструмента 8 создает перепад давления перед излучающей поверхностью и работает в качестве насоса, засасывая обрабатываемую жидкость в центральный канал. Соединение выходного отверстия центрального канала, противоположного выходному отверстию в рабочем окончании 9, с выходом двух каналов 13 и 14 (патрубком 15), обеспечивает автоматическое перекачивание обрабатываемой жидкости (всасывание в центральный канал и сброс через выход 16 на поверхность выступающей из корпуса части концентрирующей накладки на участке, соответствующем минимуму амплитуды колебаний преобразователя). Такой режим перекачивания жидкости обеспечивает эффективное охлаждение пьезоэлектрического преобразователя.

Выполнение выступающей из тыльной накладки части соединительного стержня 10 длиной, соответствующей четверти длины волны ультразвуковых колебаний на рабочей частоте преобразователя, обеспечивает отсутствие механических колебаний в месте крепления патрубка.

Выполнение корпуса технологического объема ультразвукового реактора в виде двух последовательно установленных и осесимметрично размещенных объемов 17 и 18 и разделение их звукопрозрачной мембраной 19 исключает контакт излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы с обрабатываемой средой в объеме 18. Это позволяет исключить непосредственный контакт технологической среды с излучающей поверхностью инструмента (например, при обработке жиров, белков, ферментов и т.п.).

Кроме того, предлагаемая конструкция реактора обеспечивает возможность его эксплуатации в следующих режимах:

- обработка малых количеств жидких сред в первом объеме 17. При этом обеспечивается максимальное ультразвуковое воздействие в тонком слое между излучающей поверхностью и мембраной. Расстояние между излучающей поверхностью и мембраной может изменяться, что позволяет выбрать оптимальный объем для обработки;

- обработка жидких сред в первом объеме 17 в проточном режиме. При этом подача обрабатываемой среды осуществляется, например, через центральный канал, обеспечивается максимальное ультразвуковое воздействие в тонком слое между излучающей поверхностью и мембраной, а выход обработанной среды осуществляется через боковые каналы. Изменение расстояния между излучающей поверхностью и мембраной в этом случае позволяет выбрать оптимальную производительность обработки. Мембрана в обоих перечисленных случаях может использоваться в качестве охлаждающей обрабатываемую жидкость поверхности;

- при удалении звукопрозрачной мембраны реактор может работать в режиме прототипа с дополнительными каналами подачи газа или реагирующих компонентов в зону максимального ультразвукового воздействия.

Таким образом, предлагаемый ультразвуковой химический реактор характеризуется более высокой эффективностью и имеет более широкие функциональные возможности в сравнении с прототипом.

Ультразвуковой химический реактор работает следующим образом. При подаче на пьезоэлектрические элементы 5 электрического напряжения с частотой, соответствующей резонансной частоте пьезоэлектрического преобразователя, происходит преобразование электрических колебаний в упругие ультразвуковые. Упругие ультразвуковые колебания усиливаются концентрирующей накладкой и через рабочий инструмент вводятся в обрабатываемые жидкие среды. При использовании преобразователя, выполненного по полуволновой схеме и совмещенного со ступенчато-экспоненциальным концентратором [9], заканчивающимся рабочим инструментом диаметром от 10 до 30 мм, и электрического генератора мощностью 400 Вт предлагаемый реактор обеспечивает обработку жидких сред (на примере воды) ультразвуковыми колебаниями с интенсивностью от 50 до 300 Вт/см².

Предложенный ультразвуковой химический реактор был реализован в практической конструкции и исследован в лабораторных и производственных условиях.

Проведенные исследования позволили подтвердить указанные технические характеристики и перечисленные функциональные возможности созданного реактора.

Преимущества перед известными аналогами

Возмож-ть обработки малых количеств жидких сред, проточный режим обработки. При удалении звукопрозрачн. мембраны реактор может работать в режиме с дополнит. каналами подачи газа или реагирующих компонентов в зону максим. ультразвук. воздейс

Стадия освоения

Внедрено в производство

Результаты испытаний

Соответствует технической характеристике изделия (устройства)

Технико-экономический эффект

Обеспечение мнофункциональности, повышение интенсивности обработки до 500Вт/см2.

Возможность передачи за рубеж

Возможна передача за рубеж

Дата поступления материала

06.10.2006