Способ гидродинамической активации сырья (варианты) и устройство для его осуществления (варианты)

(51)7 01 3/22, 01 19/00, 10 1/06 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(76) Даулетов Аскар ДаулетовичРыжков Владимир Николаевич(54) СПОСОБ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ СЫРЬЯ (ВАРИАНТЫ) И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)(57)Изобретение относится к активации сырья путем гидродинамического воздействия и может быть использовано в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, пищевой и других отраслях промышленности. Расширение технологических возможностей за счет применения в любых отраслях промышленности, повышение степени активации сырья и синтез новых продуктов достигается тем, что в способе гидродинамической активации сырья диспергирование смеси исходного сырья с газом или с жидкостью и газом осуществляют в диспергирующем устройстве, снабженном соплом Лаваля, в которое подают газ,смешивают газ, выходящий из сопла Лаваля, с потоком исходного сырья или смеси исходного сырья с жидкостью, ускоряют движение потока полученной смеси до сверхзвуковой скорости и осуществляют ударное и ультразвуковое воздействие, после чего диспергированную смесь направляют на кавитационную обработку. Установка для гидродинамической активации сырья содержит сопло Лаваля и кавитационный реактор согласно изобретению, она снабжена диспергирующим устройством, имеющим циклон, камеру ультразвуковой обработки и камеру смешения, в которую установлен выходной конец сопла Лаваля,вторым циклоном для подачи диспергированной смеси, дополнительным соплом Лаваля, размещенным коаксиально второму циклону, конфузором и гидродинамической трубой, входной конец которой связан с конфузором, а выходной - с кавитационным реактором, при этом длина гидродинамической трубы составляет не менее 2 , где- диаметр трубы. 10900 Изобретение относится к активации сырья путем гидродинамического воздействия и может быть использовано в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, пищевой и других отраслях промышленности. Известен способ получения жидких продуктов из угля путем смешения угля с растворителем и катализатором, последующей гидрогенизации полученной суспензии, разделения полученных продуктов гидрирования в горячем сепараторе на парогазовый поток и жидкотвердую фазу, подачи парогазового потока на каталитическое гидрирование с последующим выделением из продуктов гидрирования в виде жидкой фазы растворителя, рециркулируемого на смешение с углем, и парогазовой фазы целевых продуктов с последующим выделением из нее конденсацией целевых продуктов и циркуляционного газа, выделения из жидкотвердой фазы вакуумным испарением дистиллята и рециркуляции его в процесс. Парогазовую фазу перед выделением из нее целевых продуктов подвергают дополнительному каталитическому гидрированию (патент СССР 1468427, кл. С 101/06, 1989). Недостатком данного способа являются высокие энергозатраты за счет необходимости гидрирования в горячем сепараторе. Известна установка для получения углеводородов из угля, включающая загрузочную воронку, подготовительную камеру с фрикционными элементами, установленными на валу, и камеру гидрогенизации с соплами для подачи водорода, соединенными с источником давления. Подготовительная камера подсоединена непосредственно к камере гидрогенизации и расположена с ней в одном корпусе, камера гидрогенизации снабжена ротором с лопастями,расположенным по ее оси, запирающим клапаном,расположенным на ее выходном конце, и теплообменной рубашкой, сопла для подачи водорода снабжены обратными клапанами и расположены радиально и аксиально между лопастями ротора (патент СССР 1058508, кл. С 101/06,1983). Необходимость снабжения установки источником давления усложняет ее конструкцию. Кроме того, указанная установка не может быть использована для активации сырья и синтеза новых продуктов в других отраслях промышленности. Известен кавитационный реактор для обработки потока материалов, содержащий цилиндрический корпус, расположенный соосно внутри него вращающийся кавитатор, технологические патрубки,установленную перед кавитатором крыльчатку с втулкой и лопастями, при этом лопасти крыльчатки укреплены на втулке с возможностью вращения вокруг своих продольных осей (а.с. СССР 1200967,кл. В 0119/00, 1985). Указанный кавитационный реактор не обеспечивает эффективной активации сырья и синтеза новых продуктов. Известен способ получения жидких углеводородов из угля, включающий гидрогенизацию угля в присутствии водорододонорного растворителя. Процесс 2 проводят при 400-450 С в присутствии гидрида кальция, в качестве водорододонорного растворителя используют углеводородную фракцию смолы полукоксования бурого угля, предварительно активированного ультразвуковой обработкой в течение 7 ч при мощности 5-7 Вт/ см 2 (патент РФ 2110553, кл. С 101/06, 1998). Выдержка продукта в автоклаве при 400 - 450 С в течение 60 мин и активирование углеводородной фракции смолы полукоксования бурого угля ультразвуковой обработкой в течение 7 ч усложняет способ и снижает его производительность. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ гидродинамической активации сырья, включающий диспергирование смеси измельченного исходного сырья с жидкостью и газом, ускорение движения потока смеси до сверхзвуковой скорости, ударное воздействие на смесь и кавитационную обработку диспергированной смеси(а.с. СССР 1316690, кл. В 013/22, 1987). Указанный способ реализуется с помощью установки для гидродинамической активации сырья,содержащей сопло Лаваля для ускорения смеси исходного сырья с жидкостью и газом до сверхзвуковой скорости и кавитационный реактор ( а.с. СССР 1316690, кл. В 013/22, 1987). Подача трехфазной смеси в сопло Лаваля не обеспечивает эффективной активации смеси, так как среднее время пребывания смеси в зоне обработки ударными волнами не превышает 0,2 с. Указанные способ для гидродинамической активации сырья и установка для его осуществления могут быть использованы только для активации извести, имеют невысокую степень активации и не позволяют изменять структуру обрабатываемого вещества и синтезировать новые продукты, что сужает технологические возможности данного способа и установки. Задачей изобретения является разработка способа активации сырья и установки для его осуществления, позволяющих изменить структуру и свойства веществ, входящих в состав сырья, с возможностью образования новых продуктов. Использованием изобретения достигается расширение технологических возможностей за счет применения в любых отраслях промышленности,повышение степени активации сырья и синтез новых продуктов. Для этого в способе гидродинамической активации сырья, включающем диспергирование смеси исходного сырья с газом или с жидкостью и газом путем ускорения движения потока смеси до сверхзвуковой скорости и создания ударного воздействия на смесь и кавитационную обработку диспергированной смеси, диспергирование осуществляют в камере смешения, снабженной соплом Лаваля, путем подачи газа через сопло Лаваля, который на выходе из сопла смешивают с потоком исходного сырья или смеси исходного сырья с жидкостью, с ускорением движения потока полученной смеси до сверхзвуковой скорости и созданием ударных воздействий, и 10900 перед кавитационной обработкой создают вихревое движение потока и последующее осуществление ультразвукового воздействия на диспергированную смесь. При диспергировании смеси исходного сырья с газом или с жидкостью и газом добавляют катализатор и поверхностно активное вещество. Во втором варианте способа гидродинамической активации сырья, включающем диспергирование смеси исходного сырья с газом или с жидкостью и газом путем ускорения движения потока смеси до сверхзвуковой скорости и создания ударного воздействия на смесь и кавитационную обработку диспергированной смеси, диспергирование смеси осуществляют в камере смешения, снабженной соплом Лаваля, путем подачи газа через сопло Лаваля, который на выходе из сопла смешивают с потоком исходного сырья или смеси исходного сырья с жидкостью, с ускорением движения потока полученной смеси до сверхзвуковой скорости и созданием ударных воздействий, и перед кавитационной обработкой создают вихревое движение потока смеси и последующее осуществление ультразвукового воздействия на нее, затем повторно создают вихревое движение потока смеси и смешивают его с газом, подаваемым через дополнительное сопло с последующей подачей смеси в гидродинамическую трубу. При диспергировании смеси исходного сырья с газом или с жидкостью и газом добавляют катализатор и поверхностно активное вещество. Установка для гидродинамической активации сырья, содержащая сопло Лаваля и кавитационный реактор, снабжена камерой смешения, в которой размещен выходной конец сопла Лаваля, циклоном,соединенным с камерой смешения, и камерой ультразвуковой обработки, сообщенной с циклоном и кавитационным реактором и размещенной между ними, а по второму варианту дополнительно снабжена вторым циклоном для подачи диспергированной смеси и дополнительным соплом Лаваля, размещенным коаксиально ему, конфузором и гидродинамической трубой, входной конец которой связан с конфузором, а выходной - с кавитационным реактором, при этом длина гидродинамической трубы составляет не менее 2 , где- диаметр трубы. Длина трубы должна быть не менее двух диаметров трубы для обеспечения требуемой степени активации сырья. Максимальная длина трубы не ограничена и зависит от вида обрабатываемого сырья и необходимой степени активации. На чертеже представлена схема установки для гидродинамической активации сырья. Установка для гидродинамической активации сырья согласно первому варианту изобретения содержит измельчающее устройство 1 для твердого сырья, узел 2 смешивания исходного сырья с жидкой фазой, например, с растворителем, диспергирующее устройство 3, имеющее циклон 4, камеру ультразвуковой обработки 5 и камеру смешения 6, в которую установлен выходной конец сопла Лаваля 7, выпускной конец камеры смешения 6 соединен с циклоном 4, а камера ультразвуковой обработки 5 размещена между циклоном 4 и кавитационным реактором 8. Установка для гидродинамической активации сырья в соответствии со вторым вариантом содержит измельчающее устройство 1 для твердого сырья, если исходное сырье жидкое, то измельчающее устройство не устанавливают, узел смешения 2 исходного сырья с жидкой фазой, диспергирующее устройство 3, имеющее циклон 4, камеру ультразвуковой обработки 5 и камеру смешения 6, в которую установлен выходной конец сопла Лаваля 7, второй циклон 9 для подачи диспергированной смеси, дополнительное сопло Лаваля 10, размещенное коаксиально второму циклону 9, конфузор 11 и гидродинамическую трубу 12, входной конец которой связан с конфузором 11, а выходной - с кавитационным реактором 8, при этом длина гидродинамической трубы 12 составляет не менее 2 , где- диаметр трубы. Перекачивание смеси в диспергирующем устройстве в каждом из вариантов установки осуществляется насосом 13. Для подачи смеси из гидродинамической трубы 12 в кавитационный реактор 8 служит насос 14. Камера ультразвуковой обработки содержит приспособление для торможения потока (не показано). Способ и работа заявленных вариантов изобретения осуществляется следующим образом. Пример 1. Для получения жидких продуктов из угля исходное сырье, например, каменный уголь,измельчают, 100 кг измельченного угля смешивают со 150 кг воды или углеводородного растворителя. В полученную суспензию угля добавляют 5 кг катализатора на основе оксида железа и диспергируют,подавая смесь в камеру смешения 6. В сопло Лаваля 7 подают водород под давлением. Газ в сужающейся части сопла достигает дозвуковой скорости, а в расширяющейся части сопла - сверхзвуковой. При выходе газа он смешивается с исходной смесью угля с растворителем, поток смеси сжимается, происходит скачок уплотнения смеси, и она со сверхзвуковой скоростью поступает в циклон 4, где приобретает вращательное движение и затем перемещается в камеру ультразвуковой обработки 5. При ускорении потока до сверхзвуковой скорости происходит образование ударных волн. Образующиеся при преодолении потоком смеси звукового барьера ударные волны взаимодействуют с частицами угля и дополнительно разрушают и активизируют их. Кроме того, при переходе потока суспензии через фронт ударной волны происходит дробление кавитационных пузырьков, создаются условия для их схлопывания и дополнительного кавитационного воздействия на смесь, так как ударное давление кумулятивной струйки на фронте ударной волны значительно выше. В камере 5 при движении смеси образуются послойные кавитационные каверны (пузырьки газа),которые, ударяясь друг о друга, создают местные микровзрывы, способствующие выделению тепла и генерированию ультразвуковых колебаний частотой 20 - 30 тыс. Гц. Это оказывает эффективное диспер 3 10900 гирующее действие на суспензию и вызывает ее активацию и гидрирование. При необходимости исходную смесь пропускают через диспергирующее устройство несколько раз. Диспергированная и предварительно активированная смесь поступает тангенциально во второй циклон 9, совершает вращательное движение, которое приобретает характер вихревого потока, скорость потока возрастает. В дополнительное сопло Лаваля 10 подают пар, который выходит из сопла со сверхзвуковой скоростью. При смешении пара и вихревого потока среды в конфузоре 11 происходит скачок уплотнения среды и смесь перемещается в гидродинамическую трубу 12, где достигает скорости 10 -28 м/с, которая для данной смеси является сверхзвуковой. При этом происходит дополнительная активация среды и ее гидрирование. Из гидродинамической трубы 12 поток среды насосом 14 перекачивается в кавитационный реактор 8, куда подают воздух. В результате воздействия кавитации происходит дополнительное разрушение структуры исходного сырья и гидродинамическая активация. Продукт из кавитационного реактора 8 при необходимости направляют на вакуумную дистилляцию для удаления избытка влаги,фильтруют и получают жидкое топливо. Пример 2. Для получения активированного угля способ осуществляют по примеру 1, но катализатор при диспергировании не добавляют, а в сопло Лаваля подают не водород, а воздух. В результате гидродинамической активации при воздействии на суспензию, состоящую из измельченного угля и воды, ударных волн, ультразвуковых колебаний и кавитации, происходит изменение кристаллической структуры угля, значительно увеличивается удельная поверхность частиц угля, а значит,их активность. После фильтрации получают готовый продукт - активированный уголь. Пример 3. Осуществляют гидродинамическую активацию молока, которое подают насосом 13 в камеру смешения 6. В сопло Лаваля 7 подают пар,который выходит из сопла со сверхзвуковой скоростью и смешивается в камере б с молоком. С помощью подаваемого пара, изменяя его количество и температуру, можно регулировать температуру смеси, обеспечивая мгновенный нагрев молока. При кратковременной высокотемпературной (150 С) обработке молока в течение нескольких секунд происходит его стерилизация с наименьшими физикохимическими изменениями. В потоке смеси молока с паром происходит образование ударных волн. Образующиеся при преодолении потоком молока звукового барьера ударные волны взаимодействуют с частицами жира в молоке и разрушают их, активизируя продукт. После ультразвуковой обработки в камере 5 диспергированное молоко направляют в кавитационный реактор, на выходе из которого получают стерилизованное молоко, срок хранения которого даже в неблагоприятных условиях (при температуре до 50 С) составляет 1 год без ухудшения качества. Пример 4. Способ осуществляют по примеру 3,но в качестве исходного сырья используют сухое молоко в виде порошка, который смешивают с водой и подвергают ударному и ультразвуковому воздействию с последующей кавитационной обработкой. В результате гидродинамической активации получают продукт, сопоставимый по качеству с натуральным молоком. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ гидродинамической активации сырья,включающий диспергирование смеси исходного сырья с газом или с жидкостью и газом путем ускорения движения потока смеси до сверхзвуковой скорости и создания ударного воздействие на смесь и кавитационную обработку диспергированной смеси,отличающийся тем, что диспергирование смеси осуществляют в камере смешения, снабженной соплом Лаваля, путем подачи газа через сопло Лаваля,который на выходе из сопла смешивают с потоком исходного сырья или смеси исходного сырья с жидкостью, с ускорением движения потока полученной смеси до сверхзвуковой скорости и созданием ударных воздействий, и перед кавитационной обработкой создают вихревое движение потока и последующее осуществление ультразвукового воздействия на диспергированную смесь. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при диспергировании смеси исходного сырья с газом или с жидкостью и газом добавляют катализатор и поверхностно-активное вещество. 3. Способ гидродинамической активации сырья,включающий диспергирование смеси исходного сырья с газом или с жидкостью и газом путем ускорения движения потока смеси до сверхзвуковой скорости и создания ударного воздействие на смесь и кавитационную обработку диспергированной смеси,отличающийся тем, что диспергирование смеси осуществляют в камере смешения, снабженной соплом Лаваля, путем подачи газа через сопло Лаваля,который на выходе из сопла смешивают с потоком исходного сырья или смеси исходного сырья с жидкостью, с ускорением движения потока полученной смеси до сверхзвуковой скорости и созданием ударных воздействий, и перед кавитационной обработкой создают вихревое движение потока смеси и последующее осуществление ультразвукового воздействия на нее, затем повторно создают вихревое движение потока смеси и смешивают его с газом, подаваемым через дополнительное сопло с последующей подачей смеси в гидродинамическую трубу. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при диспергировании смеси исходного сырья с газом или с жидкостью и газом добавляют катализатор и поверхностно-активное вещество. 5. Установка для гидродинамической активации сырья, содержащая сопло Лаваля и кавитационный реактор, отличающаяся тем, что она снабжена камерой смешения, в которой размещен выходной конец сопла Лаваля, циклоном, соединенным с ка 10900 мерой смешения, и камерой ультразвуковой обработки, сообщенной с циклоном и кавитационным реактором и размещенной между ними. 6. Установка для гидродинамической активации сырья, содержащая сопло Лаваля и кавитационный реактор, отличающаяся тем, что она снабжена камерой смешения, в которой размещен выходной конец сопла Лаваля, циклоном, соединенным с камерой смешения, и камерой ультразвуковой обра ботки, сообщенной с циклоном и кавитационным реактором и размещенной между ними, вторым циклоном для подачи диспергированной смеси и дополнительным соплом Лаваля, размещенным коаксиально ему, конфузором и гидродинамической трубой, входной конец которой связан с конфузором, а выходной - с кавитационным реактором, при этом длина гидродинамической трубы составляет не менее 2 , где- диаметр трубы.