RU2337749C1

RU2337749C1 - Ультразвуковой реакционный аппарат непрерывного действия с высокой пропускной способностью

Info

Publication number: RU2337749C1
Application number: RU2006146668/15A
Authority: RU
Inventors: Рудольф В. ГУННЕРМАН (US); Рудольф В. Гуннерман
Original assignee: Сальфко, Инк.
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2008-11-10
Also published as: CA2567649A1; AR048947A1; CN100466997C; WO2005118277A3; CN101018509A; WO2005118277A2; EP1748882A2; SA05260134B1; RU2006146668A; US7559241B2; MXPA06013756A; US20080067055A1; US20050274600A1; NO20065875L

Abstract

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Ультразвуковые колебания от преобразователя 22 к ультразвуковому излучающему элементу 16 передаются по блоку 21. Через входное отверстие 13 жидкость непрерывно подается в реакционный резервуар 12 и ударяется о концевую поверхность 17 ультразвукового излучающего элемента 16. Жидкость протекает вдоль боковой поверхности излучающего элемента и выводится через выходные отверстия 14 и 15. Предложенное изобретение позволяет повысить эффективность использования энергии и экономичность обработки материалов. 4 н. и 29 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технологическому оборудованию, используемому при обработке материалов в жидкой среде ультразвуком, а также при обработке нефти и топлива на нефтяной основе.

Уровень техники

Известно, что при проведении химических реакций может использоваться ультразвук. Это описано в следующей литературе: Suslick, K.S., Science 247: 1439 (1990), and Mason, T.J., Practical Sonochemistry, A User's Guide to Applications in Chemistry and Chemical Engineering, Ellis Norwood Publishers, West Sussex, England (1991). Описан целый ряд ультразвуковых систем, среди самых известных следует выделить системы с «датчиком», содержащие ультразвуковой преобразователь, который генерирует ультразвуковую энергию и передает эту энергию датчику, то есть ультразвуковому излучающему элементу для усиления.

В последнее время ультразвук нашел применение в обработке нефти, а именно для десульфуризации органического топлива и преобразования компонентов нефти с высокой молекулярной массой в продукты низкой молекулярной массы, то есть для улучшения преобразования сырой нефти, и в частности кубовых остатков перегонки сырой нефти, в полезные материалы. Описания этих процессов и оборудования, на котором они осуществляются, можно найти в следующих источниках: Yen T.F. и другие, патент США №6402939, выданный 11 июня 2002 г, Gunnerman R.W., патент США №6500219, выданный 31 декабря 2002 г., Gunnerman R.W., патент США №6652992, выданный 25 ноября 2003 г., Gunnerman R.W. и другие, выложенная заявка на патент США №2003-0051988 А1, опубликованная 20 марта 2003 г., Gunnerman R.W., выложенная заявка на патент США №2004-0079680 А1, опубликованная 29 апреля 2004 г., Gunnerman R.W. и другие, заявка на патент США №10/440445, поданная 16 мая 2003 г. и Gunnerman R.W. и другие, заявка на патент США №10/803802, поданная 17 марта 2004 г. Содержание каждого документа, цитируемого в этом параграфе или где-либо еще в этом описании, посредством ссылки включено в настоящий документ во всей полноте и для любых юридических целей, для которых они могут понадобиться.

Ультразвуковая обработка имеет громадный потенциал для нефтеперерабатывающей отрасли, но ее значение сильно зависит от стоимости обработки и, в частности, от потребления энергии при генерировании ультразвуковых колебаний. В настоящем изобретении предложены усовершенствования оборудования, осуществляющего ультразвуковую обработку, которые предполагают более эффективное использование энергии, что позволяет очень экономно обрабатывать чрезвычайно большие объемы материала.

Раскрытие изобретения

Сейчас известно, что жидкие материалы можно обрабатывать ультразвуком на непрерывной основе при одновременном чрезвычайно эффективном использовании энергии, что возможно посредством внедрения некоторых конструктивных улучшений реакционного резервуара и ультразвуковых компонентов.

В одном из этих усовершенствований реакционный резервуар содержит удлиненный ультразвуковой излучающий элемент, так прикрепленный к резервуару, что один конец излучающего элемента расположен во внутренней части резервуара, источник питания и ультразвуковой преобразователь присоединены к противоположному концу излучающего элемента. После входа в резервуар жидкий материал непосредственно ударяется о дальний конец излучающего элемента, то есть конец, противоположный концу, к которому присоединен источник питания и ультразвуковой преобразователь, при этом материал ударяется в направлении в целом перпендикулярном дальнему концу, далее жидкий материал протекает по поверхности дальнего конца до выхода из резервуара через одно или несколько выходных отверстий, выполненных в стенке резервуара. Часть внутреннего пространства реакционного резервуара, которую занимает текущая жидкость, когда она контактирует с дальним концом ультразвукового излучающего элемента, ограничена дальним концом, расположенным вблизи входного отверстия, при сравнительно большом отношении площади поверхности к объему, где имеется в виду поверхность дальнего конца и часть объема резервуара, через которую течет жидкость при контакте с дальним концом.

В другом усовершенствовании ультразвуковые колебания генерируются источником электропитания и ультразвуковым преобразователем, преобразователь присоединен к излучающему элементу через блок передачи колебаний или усилитель, или указанный блок, или излучающий элемент, или они оба покрыты материалом, отражающим ультразвуковые колебания. Указанное покрытие удерживает энергию колебаний внутри блока, которая в отсутствие покрытия уходила бы через боковые поверхности блока, которые не соединены с излучающим элементом. Это сокращение потерь энергии через боковые поверхности блока приводит к тому, что больший процент энергии колебаний передается от преобразователя к излучающему элементу.

Дальнейшие усовершенствования, свойства и варианты выполнения изобретения будут ясны из последующего описания.

На чертеже представлен ультразвуковой реакционный аппарат, соответствующий настоящему изобретению, в разрезе.

Осуществление изобретения

Хотя настоящее изобретение допускает различные варианты выполнения и конструкции, подробное изучение конкретной системы, не выходящей за пределы объема изобретения, поможет полностью понять идею изобретения в целом и каким образом ее можно применять. Одна подобная система показана на чертеже.

На чертеже показан осевой разрез непрерывного реакционного аппарата 11, в котором текучая среда реакции подвергается воздействию ультразвука в соответствии с настоящим изобретением. Реакционный аппарат содержит реакционную камеру 12 с входным отверстием 13, предназначенным для входящего потока среды реакции, и выходные отверстия, два из которых - 14, 15 - показаны. Через выходные отверстия обработанная среда реакции выходит из камеры. Ультразвуковой излучающий элемент 16 прикреплен к реакционному аппарату, причем дальний конец 17 ультразвукового излучающего элемента расположен во внутренней части реакционной камеры 12. Ближний конец 18 излучающего элемента посредством соединительного винта 19 соединен с соединительным блоком 21, который в свою очередь присоединен к ультразвуковому преобразователю 22. Соединительный блок служит в качестве устройства, передающего колебания от преобразователя к излучающему элементу 16, и в качестве волновода и усилителя, предназначенного для увеличения амплитуды ультразвуковых колебаний, генерируемых преобразователем 22. Преобразователь 22 присоединен к блоку 23 электропитания, который содержит источник питания, усилитель и блок управления.

Для получения наилучших результатов обрабатываемый материал проходит непрерывным, постоянным потоком по пути, который охватывает поверхность дальнего конца 17 ультразвукового излучающего элемента, предпочтительно всю поверхность, причем неиспользуемого объема или очень мало, или вообще нет. В конструкции, показанной на чертеже, это достигается благодаря использованию ультразвукового излучающего элемента с ровным (плоским) дальним концом 17 и благодаря такому расположению входного отверстия 13, при котором входной поток направляется к центру поверхности дальнего конца, от которого поток по радиусу движется наружу к внешнему ободку 24 дальнего конца, после огибания которого поток выходит из реакционной камеры. Таким образом, излучающий элемент 16 предпочтительно выполнен цилиндрической формы с круглым дальним концом 17, и хотя размеры могут изменяться в границах объема изобретения, предпочтительно, чтобы диаметр дальнего конца находился в диапазоне, в основном, от 3 см до, в основном, 30 см, а более предпочтительно, в основном, от 5 см до, в основном, 15 см. Аналогично промежуток 25 между полом 26 реакционной камеры, через который поступает входящий поток жидкости, и дальним концом 17 излучающего элемента может изменяться, но для достижения наилучших результатов в большинстве приложений ширина промежутка не превышает 3,0 см, а предпочтительно меньше 2,0 см, а еще более предпочтительно меньше 1,5 см. Предпочтительно, чтобы минимальная ширина промежутка составляла 0,5 см, а наиболее предпочтительно составляла 1,0 см. Отношение «площадь поверхность - объем», определенное выше, предпочтительно равно примерно 0,5 см^-1 или больше, а наиболее предпочтительно это отношение находится в пределах от 0,5 см^-1 до 5 см^-1. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения диаметр дальнего конца составляет, в основном, 3,0 дюйма (7,6 см), а промежуток, в основном, равен 0,5 дюйма (1,3 см).

Для минимизации неиспользуемого объема реакционной камеры 12 предпочтительно, чтобы камера закрывала только дальний конец 17 ультразвукового излучающего элемента 16 и прилегающую к дальнему концу часть длины излучающего элемента, как показано на чертеже. Таким образом, верхний конец камеры герметизирован барьером 28, который уплотнен со стороны излучающего элемента. Дополнительно реакционная камера 12 содержит внутреннюю поверхность 31 стенки, которая дополняет по форме часть ультразвукового излучающего элемента 16, которая расположена во внутренней части камеры, и только узкий боковой промежуток или зазор 32 и выходные отверстия 14, 15 расположены на небольшом расстоянии над дальним концом 17 излучающего элемента. Предпочтительно ширина указанного зазора 32 не превосходит 2,0 см, более предпочтительно не превосходит 1,5 см, а наиболее предпочтительно не превосходит 1,0 см.

Хотя ультразвуковой преобразователь 22 подробно будет описан ниже, этот преобразователь и прилегающая часть 33 соединительного блока 21 окружены охлаждающей камерой 34, предназначенной для ограничения температуры, которая может подняться из-за колебаний в преобразователе и блоке. Кромка 35, окружающая указанный блок, служит в качестве пола для охлаждающей камеры. Хотя форма различных компонентов системы, включая реакционную камеру 12, ультразвуковой излучающий элемент 16, соединительный блок 21 и охлаждающую камеру 34, не ограничивается какой-либо конкретной формой, наиболее удобно и выгодно с экономической точки зрения, чтобы они были телами вращения с общей осью 36.

В частности, ультразвуковой излучающий элемент 16 может иметь любую обычную форму и размеры, которые применяются в технике для ультразвуковых излучающих элементов. Например, излучающий элемент может быть цилиндрическим, предпочтительно с круглым поперечным сечением, как отмечено выше, а подходящая длина составляет, в основном, от 5 см до, в основном, 100 см в зависимости от размеров реакционного аппарата, предпочтительно, в основном, от 10 см до, в основном, 50 см, а диаметр находится в пределах, в основном, от 3 см до, в основном, 30 см, предпочтительно, в основном, от 5 см до, в основном, 15 см. Аналогично различные размеры может иметь блок 21, предназначенный как для механического соединения, которое передает ультразвуковые колебания от преобразователя к излучающему элементу, так и в качестве усилителя ультразвуковых волн, что осуществляется посредством его конусообразного профиля. Для показанной формы блока подходящая длина составляет, в основном, от 5 см до, в основном, 100 см, а наиболее предпочтительно, в основном, от 10 см до, в основном, 50 см, наибольшее значение диаметра составляет, в основном, от 3 см до, в основном, 30 см и предпочтительно, в основном, от 5 см до, в основном, 15 см.

В предпочтительных вариантах выполнения изобретения длина блока 21 составляет половину длины волны резонансной частоты блока. Более того, для минимизации потерь акустической энергии к стенкам конструкции через кромку 35 крепится установочное приспособление 37, которое расположено вдоль оси блока на расстоянии, равном одной четверти резонансной частоты, таким образом, на центре длины оси блока. Как замечено выше и как показано, блок предпочтительно сужается к концу, что делается для усиления акустической амплитуды от конца, близкого к преобразователю, к концу, к которому крепится излучающий элемент 16. Это сужение уменьшает диаметр блока в направлении к излучающему элементу.

В конструкции согласно предпочтительному варианту выполнения длина излучающего элемента 16 составляет, в основном, 13 см, а его диаметр, в основном, 8 см, длина блока 21 составляет, в основном, 6 см, ширина блока 21 в наиболее широком месте, в основном, 8 см, а в наиболее узком месте, в основном, 5 см.

Металлы, из которых выполнены излучающий элемент 16 и блок 21, хорошо известны в области использования ультразвука. Примерами могут служить сталь, включая нержавеющую сталь, инструментальную сталь и другие виды сталей, а также никель, алюминий, титан, медь и различные сплавы упомянутых металлов. Предпочтительно, чтобы блок 21 был изготовлен из стали, а излучающий элемент 16 предпочтительно изготовлен из алюминия или титана. В конструкции, предпочтительной в настоящее время, блок 21 изготовлен из инструментальной стали А2, а излучающий элемент 16 выполнен из алюминия.

Излучающий элемент 16 или блок 21, или они оба покрыты отражающим ультразвук материалом для дальнейшего уменьшения потерь энергии. В предпочтительных вариантах выполнения изобретения блок 21 может быть покрыт одновременно с излучающим элементом 16, а также блок 21 может быть покрыт указанным материалом, а излучающий элемент 16 - нет. Примеры материалов в качестве отражающего ультразвук покрытия, включают серебро, золото, медь и алюминий. Хотя некоторые перечисленные здесь металлы подходят, как для изготовления излучающего элемента или блока, так и для их покрытия, но металл, из которого изготавливается излучающий элемент или блок, и металл, используемый для покрытия, должны быть различными. Среди металлов для покрытия предпочтительно использовать серебро и золото, при этом наиболее предпочтительным вариантом является серебро. Покрытие может наноситься любым общепринятым способом, двумя примерами упомянутых способов являются: нанесение покрытия методом электроосаждения и методом химического восстановления.

Ультразвуковой преобразователь может иметь конструкцию, описанную Gunnerman R.W. и другими в заявке на патент США №10/440445, упомянутой выше. Повторяя описание указанного документа, следует отметить, что преобразователь содержит набор пластин, выполненных из магнитного сплава, который функционирует как магнитострикционный материал. Набор образует пару штырей, на которые намотаны катушки из электрического провода. С обоих концов штыри могут быть соединены поперечинами для образования закрытого витка. Таким образом, каждая пластина может быть прямоугольной пластиной с центральным удлиненным отверстием. Для изготовления пластины подходит любой магнитно-мягкий сплав, например: сплавы кремнистого железа, сплавы кремнистого железа и алюминия, сплавы никеля и железа и сплавы железа и кобальта, многие из указанных сплавов дополнительно содержат такие элементы, как хром, ванадий и молибден. Примерами серийно выпускаемых форм указанных сплавов являются материалы, продаваемые под торговыми названиями HIPERCO® 27, HIPERCO® 35, 2V PERMENDUR® и SUPERMENDUR. Предпочтительным в настоящее время сплавом является HIPERCO® сплав 50А (High Temp Metals, Inc., Силмар, Калифорния, США).

В предпочтительном в настоящее время способе изготовления штырей отдельные пластины вырубаются из листа сырого материала, представляющего собой магнитный сплав, причем толщина листа составляет 0,017 дюйма (0,0067 см). Длина каждой вырубаемой пластины равна половине длины волны требуемой резонансной частоты. Таким образом, при резонансной частоте, равной 17,5 кГц, например, предпочтительная длина каждой пластины составляет 5,125 дюйма (13,0 см). Центральное удлиненное отверстие выполнено большим для пропуска через него электрического провода для образования катушек с каждой стороны отверстия. В предпочтительном варианте конструкции оставшиеся части пластин, вокруг которых наматываются катушки, составляют 3,6 дюйма (9,1 см) в длину и 0,83 дюйма (2,1 см) в ширину, а ширина отверстия равна 0,73 дюйма (1,9 см).

Для максимизации эксплуатационных качеств, как компонентов ультразвукового преобразователя, пластины могут быть подвергнуты температурной обработке. Согласно предпочтительному в настоящее время способу обработки пластины нагреваются в инертной атмосфере до 900°F (482°C) при скорости нагревания 1000°F/ч (556°С/ч), а затем до 1625°F (885°C) при скорости нагревания 400°F/ч (222°С/ч), затем выдерживаются при такой температуре в течение нескольких часов (примерно три часа 45 минут), затем охлаждаются до 600°F (316°C) при скорости охлаждения 3,2°F/ч (1,7°С/ч) и охлаждаются до комнатной температуры. Далее пластины соединяются вместе в набор, который содержит 96 пластин. После соединения набор пластин припаивается к блоку посредством серебряного твердого припоя.

Далее электрический провод наворачивается на набор пластин для образования катушек, что завершает образование преобразователя. Отдельные катушки образованы вокруг каждого из двух штырей, причем они выполнены в противоположных направлениях, так что, когда напряжение прикладывается к обоим крыльям, магнитные полярности, образующиеся благодаря действию электрического тока, направлены в противоположные стороны и магнитострикционные силы образуются в направлении, параллельном осям штырей. В конкретной конструкции, описанной выше, подходящим проводом является провод 14 AWG MIL SPEC, а катушка содержит 32 витка.

Преобразователь может питаться от источника с любым колеблющимся напряжением. Колебания могут иметь непрерывную форму волны, такую как синусоидальная волна, или ряды импульсов, таких как импульсы с прямоугольной формой волны. Под «прямоугольной формой волны» понимается напряжение постоянного тока, которое периодически ступенчато меняется между постоянным положительным значением и базовым значением. При реализации настоящего изобретения предпочтительно использовать прямоугольные формы волн, в которых базовое значение напряжения представляет собой отрицательное значение, а не нулевое значение напряжения, и предпочтительно перемежающиеся положительные и отрицательные значения напряжения имеют одинаковое абсолютное значение. Предпочтительно, чтобы напряжение составляло, в основном, от 140 В до, в основном, 300 В и предпочтительно, в основном, 220 В одной фазой, а предпочтительное значение мощности составляет, в основном, от 1 кВт до, в основном, 10 кВт. Частота колебаний напряжения выбирается так, чтобы добиться нужной частоты ультразвука. Предпочтительные значения частоты находятся в пределах, в основном, от 10 до, в основном, 50 МГц, при этом наиболее предпочтительны значения, в основном, от 15 до, в основном, 30 МГц.

Помимо конкретного ультразвукового преобразователя, описанного выше и показанного на чертеже, ультразвуковые колебания в излучающем элементе 16 могут возбуждаться целым рядом способов, известных специалистам в области использования ультразвука. Ультразвук состоит из волн, похожих на звуковые, имеющих частоту, превышающую предел слышимости нормального человеческого слуха, то есть свыше 20 кГц (20000 циклов в секунду). Возможно генерировать ультразвук с частотой, достигающей 10 ГГц (10000000000 циклов в секунду), но для целей настоящего изобретения, полезные результаты достигаются при частотах, находящихся в пределах, в основном, от 30 кГц до, в основном, 300 МГц, а предпочтительно в диапазоне от 1 МГц до, в основном, 100 МГц. Ультразвуковые волны могут генерироваться механическими, электрическими, электромагнитными или тепловыми источниками энергии. В то время как интенсивность энергии может меняться в широких пределах, наилучшие результаты достигаются, когда интенсивность находится в диапазоне, в основном, от 30 Вт/см² до, в основном, 300 Вт/см² или предпочтительнее, в основном, от 50 Вт/см² до, в основном, 100 Вт/см². Альтернативой магнитострикционному преобразователю, описанному выше, является пьезоэлектрический преобразователь, в котором используются природные или синтетические монокристаллы (такие как кварц) или керамика (такая как титанат бария или цирконат свинца) и в котором применяется постоянно меняющееся электрическое напряжение на противоположных поверхностях кристалла или керамики для образования перемежающихся расширения и сжатия кристалла или керамики при прикладываемой частоте. Также могут использоваться другие известные в технике способы.

В реакционном аппарате способами, соответствующими настоящему изобретению, могут быть обработаны любые жидкие среды реакции, свойства которых улучшаются в результате этой обработки. Особый интерес вызывает среда реакции, представляющая собой жидкие органические топлива, этот термин используется здесь для обозначения любой содержащей углерод жидкости, полученной из нефти, угля и любого другого встречающегося в природе материала и которая используется для производства энергии для любого дальнейшего использования, включая использование в промышленности, сельском хозяйстве, коммерции, правительстве и использование потребителями. Помимо других видов топлива сюда относятся топлива для двигателей внутреннего сгорания, такие как бензин, дизельное топливо, реактивное топливо и ракетное топливо, и жидкие топлива на основе твердых осадков нефти, такие как бункерное топливо и мазуты. Примерами бункерных топлив являются жидкие топлива номера 4, 5 и 6, последнее также известно как жидкое топливо «Бункер С». Также изобретение применяется к кубовым остаткам перегонки нефти, включая вакуумные кубовые остатки, то есть к наиболее тяжелым жидким топливам из фракционной перегонки нефти с точкой кипения в 565°С и выше.

Когда средой реакции является нефть и, в частности, органическое топливо, ультразвук в соответствии с изобретением применяется к эмульсии нефти в водной фазе. Вода или любой водный раствор может выступать в качестве водной фазы. Относительные количества органической и водной фаз могут различаться и, хотя пропорция может влиять на эффективность процесса или легкость обращения с жидкостями, для изобретения относительные количества не являются критичными. Тем не менее, в большинстве случаев наилучшие результаты достигаются тогда, когда водная фаза в эмульсии составляет, в основном, от 20% до, в основном, 75%, предпочтительно, в основном, от 30% до, в основном, 50%.

В качестве добавки в эмульсию может быть добавлен гидропероксид, но для успеха преобразования его наличие не является критичным. При наличии гидропероксида его количество может быть разным. В большинстве случаев наилучшие результаты достигаются при концентрации гидропероксида по массе, в основном, от 10 частей на миллион до, в основном, 100 частей на миллион и предпочтительнее по массе, в основном, от 15 частей на миллион до, в основном, 50 частей на миллион от водной фазы, в частности, когда гидропероксид представляет собой Н₂О₂. В качестве альтернативы, когда количество Н₂О₂ рассматривается как компонент смеси органической и водной фаз, для большинства систем наилучшие результаты, как правило, достигаются при концентрации Н₂O₂, находящейся в диапазоне, в основном, от 0,0003% до, в основном, 0,03% от объема (как Н₂О₂), и предпочтительно при концентрации Н₂O₂, находящейся в диапазоне, в основном, от 0,001% до, в основном, 0,01% от смеси фаз. Для гидропероксидов, отличных от Н₂О₂, предпочтительными будут такие концентрации, которые соответствуют эквивалентной молярной массе.

В некоторых предпочтительных вариантах выполнения настоящего изобретения в эмульсии содержатся поверхностно-активные вещества или другие стабилизаторы эмульсии, указанные вещества предназначены для стабилизации эмульсии при подготовке органической и водной фаз для обработки ультразвуком. Определенные нефтяные фракции содержат поверхностно-активные вещества в виде встречающихся в природе компонентов фракций, и эти вещества могут иметь большое значение для стабилизации эмульсии. В других случаях в эмульсию могут добавляться синтетические поверхностно-активные вещества или такие поверхностно-активные вещества, которые не содержатся в нефти. Могут использоваться любые вещества из широкого спектра известных материалов, которые эффективны в качестве стабилизаторов эмульсии. Эти материалы перечислены в различных источниках, таких как McCutcheon's Том 1: Эмульгаторы и детергенты - 1999, издание Северной Америки, отделение McCutcheon's, издательство МС Publishing Co, Glen Rock, New Jersey, США, и в другой литературе. Могут использоваться катионные, анионные и неионные поверхностно-активные вещества. Предпочтительными катионными веществами являются четверичные соли аммония, четверичные соли фосфония и макроциклические эфиры. Примерами четверичных солей аммония являются тетрабутилбромид аммония, тетрабутиламмоний водород сульфат, трибутилметиламмоний хлорид, бензилтриметиламмоний хлорид, бензилтриэтиламмоний хлорид, метилтрикаприлиламмоний хлорид, додецилтриметиламмоний бромид, тетраоктиламмоний бромид, цетилтриметиламмоний хлорид и триметилоктадециламмоний гидроксид. Четвертичные галоиды аммония полезны во многих системах и наиболее предпочтительными являются додецилтриметиламмоний бромид и тетраоктиламмоний бромид.

Особый интерес представляют такие поверхностно-активные вещества, которые способствуют образованию эмульсии органической и водной фаз при прохождении жидкостей через общий смешивающий насос и все еще позволяют смеси веществ спонтанно и легко разделяться на водную и органическую фазы после выхода из реакционного аппарата. После оседания фазы могут быть разделены посредством фильтрации или другой обычной технологии разделения фаз. Одним классом поверхностно-активных веществ, которые легко образуют эмульсию и легко разделяются после выхода из реакционного аппарата, являются жидкие алифатические C₁₅-C₂₀ углеводороды и смеси таких углеводородов, предпочтительно таких, плотность которых составляет, по меньшей мере, в основном, 0,82 и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, в основном, 0,85. Примерами смесей углеводородов, удовлетворяющих приведенному описанию и которые очень удобны в использовании и легко доступны, являются минеральные масла, предпочтительно тяжелое и особо тяжелое минеральное масло. Эти масла доступны у поставщиков промышленных химикатов. Количество минерального масла может быть разным и оптимальное количество может зависеть от марки минерального масла, состава обрабатываемого материала, относительных количеств водной и органической фаз и условий эксплуатации. Правильный выбор - это вопрос установившейся практики и регулировок, проводимых опытным инженером. В случае минерального масла, наилучшие и наиболее эффективные результаты получаются тогда, когда отношение объемов минерального масла к органической фазе составляет, в основном, от 0,00003 до, в основном, 0,003.

Другой добавкой, полезной при формировании и стабилизации эмульсии, является диалкиловый эфир. Предпочтительными диалкиловыми эфирами являются те, нормальная точка кипения которых составляет, по меньшей мере, 25°С, или те, молекулярная масса которых составляет не более, в основном, 100. Могут использоваться как циклические, так и ациклические эфиры. Примеры эфиров, предпочтительных для выполнения изобретения, включают диэтиловый эфир, метил-трет-бутиловый эфир, метил-н-пропиловый эфир и метилизопропиловый эфир. Наиболее предпочтительным является диэтиловый эфир. Количество диалкилового эфира может меняться, хотя в большинстве случаев наилучшие результаты получаются тогда, когда отношение объема эфира к нефтяной фазе находится в пределах, в основном, от 0,00003 до, в основном, 0,003 и предпочтительно, в основном, от 0,0001 до, в основном, 0,001.

Другим необязательным компонентом системы является металлический катализатор. Примерами таких катализаторов являются катализаторы из переходных металлов, предпочтительно металлов, чьи атомные числа составляют от 21 до 29, от 39 до 47 и от 57 до 79. В частности, предпочтительные металлы из этой группы - это никель, серебро, вольфрам (и вольфраматы) и их комбинации. В определенных системах полезны находящиеся в рамках объема изобретения катализаторы Фентона (соли двухвалентного железа) и катализаторы с ионами металлов, в общем, таких, как железо (II), железо (III), медь (I), медь (II), хром (III), хром (VI), молибден, вольфрам и ионы ванадия. Из перечисленного предпочтительно использовать катализаторы с железом (II), железом (III), медью (II) и вольфрамом. Вольфраматы включают вольфрамовую кислоту, замещенные вольфрамовые кислоты, такие как фосфорно-вольфрамовая кислота и металлические вольфраматы. Металлический катализатор может присутствовать в виде частиц, гранул, сеток металла или присутствовать в любом виде, имеющем большую площадь поверхности и который может сохраняться в ультразвуковой камере.

Дальнейшего улучшения эффективности процесса часто можно добиться посредством предварительного нагревания органической фазы, жидкости на водной основе или обеих, до формирования эмульсии или воздействия ультразвука на эмульсию. Предварительное нагревание производится до температуры, находящейся в диапазоне, в основном, от 50°С до, в основном, 100°С.

Также, в зависимости от обрабатываемого материала и пропускной способности, могут изменяться другие условия эксплуатации ультразвуковой камеры. Например, показатель степени кислотности среды может составлять от 1 до 10, хотя наилучшие результаты, как правило, достигаются тогда, когда показатель степени кислотности находится в диапазоне от 2 до 7. Давление эмульсии, при котором она подвергается воздействию ультразвука, также может быть разным, меняясь, от значений ниже атмосферного (от 5 единиц абсолютного давления, выраженного в английских фунтах на квадратный дюйм, или 0,34 атм) до значений в 3000 фунтов на квадратный дюйм (214 атм), хотя предпочтительными являются значения, не превосходящие 400 фунтов на квадратный дюйм (27 атм), а еще более предпочтительны значения не превосходящие, в основном, 50 фунтов на квадратный дюйм (3,4 атм) и наиболее предпочтительными являются значения, в основном, от атмосферного давления до 50 фунтов на квадратный дюйм.

Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что процесс и оборудование может использоваться для обработки органического топлива, нефтяных дистиллятов и других материалов при высокой пропускной способности. Предпочтительные значения пропускных способностей нефтяной фазы находятся в пределах, в основном, от 5 до, в основном, 500 галлонов (США) в минуту (в основном, от 0,3 до, в основном, 30 л/с), а наиболее предпочтительно, в основном, от 8 до, в основном, 160 галлонов (США) в минуту (в основном, от 0,5 до примерно 10 л/с).

Изложенное выше приведено, главным образом, для иллюстрации изобретения. Специалист в этой области легко предложит различные изменения компонентов аппарата и системы, их устройства, используемых материалов, условий эксплуатации и других описанных здесь особенностей, при этом указанные изменения не выйдут за пределы объема настоящего изобретения.

Claims

1. Проточный реакционный аппарат для непрерывной обработки ультразвуком жидкого материала, содержащий реакционный резервуар, удлиненный ультразвуковой излучающий элемент с первой и второй противоположными концевыми поверхностями, причем ультразвуковой излучающий элемент прикреплен к реакционному резервуару, при этом первая концевая поверхность расположена во внутренней части реакционного резервуара, а также источник электропитания, ультразвуковой преобразователь, соединяющий источник электропитания и вторую концевую поверхность ультразвукового излучающего элемента, и предназначенный для преобразования электрической энергии из источника электропитания в ультразвуковые колебания в ультразвуковом излучающем элементе, входные и выходные отверстия в реакционном резервуаре, обеспечивающие возможность жидкому материалу, поступающему в реакционный резервуар, ударяться о первую концевую поверхность с возможностью протекания поперек указанной первой концевой поверхности до того, как покинуть резервуар через выходное отверстие.

2. Аппарат по п.1, в котором удлиненный ультразвуковой излучающий элемент дополнительно содержит боковую поверхность, соединяющую указанные первую и вторую концевые поверхности, при этом ультразвуковой излучающий элемент прикреплен к реакционному резервуару, а первая концевая поверхность и, по меньшей мере, часть указанной боковой поверхности расположена во внутренней части реакционного резервуара, при этом выходное отверстие обеспечивает возможность протекания жидкого материала вдоль указанной части боковой поверхности до того, как покинуть резервуар через выходное отверстие.

3. Аппарат по п.1, в котором входное отверстие расположено на расстоянии, не превышающем 3,0 см от первой концевой поверхности ультразвукового излучающего элемента.

4. Аппарат по п.1, в котором входное отверстие расположено на расстоянии, не превышающем 2,0 см от первой концевой поверхности ультразвукового излучающего элемента.

5. Аппарат по п.1, в котором реакционный резервуар содержит поверхность внутренней стенки, контур которой дополняет боковую поверхность ультразвукового излучающего элемента, при этом зазор между указанной поверхностью внутренней стенки и указанной боковой поверхностью не превышает 2,0 см.

6. Аппарат по п.5, в котором зазор между поверхностью внутренней стенки и боковой поверхностью не превышает 1,5 см.

7. Аппарат по п.5, в котором зазор между поверхностью внутренней стенки и боковой поверхностью не превышает 1,0 см.

8. Устройство генерирования ультразвуковых колебаний, содержащее ультразвуковой излучающий элемент, ультразвуковой преобразователь, предназначенный для получения электрической энергии и преобразования электрической энергии в ультразвуковые колебания, и блок передачи колебаний, соединяющий ультразвуковой преобразователь и ультразвуковой излучающий элемент для передачи указанных ультразвуковых колебаний от ультразвукового преобразователя к ультразвуковому излучающему элементу, причем, по меньшей мере, или на ультразвуковом излучающем элементе или блоке передачи выполнено покрытие, отражающее ультразвук.

9. Устройство по п.8, в котором форма блока передачи колебаний выбрана таким образом, чтобы указанный блок усиливал ультразвуковые колебания, и на указанном блоке выполнено покрытие, отражающее ультразвук.

10. Устройство по п.8, в котором блок передачи колебаний выполнен из первого металла, выбранного из группы, состоящей из стали, никеля, алюминия, титана, меди и сплавов никеля, алюминия, титана и меди, а покрытие выполнено из второго металла, отличного от первого металла, и выбранного из группы, состоящей из серебра, золота, меди и алюминия.

11. Устройство по п.8, в котором покрытие расположено на указанном блоке передачи колебаний и выполнено из серебра.

12. Устройство по п.8, в котором блок передачи колебаний выполнен из стали, и покрытие выбрано из группы, состоящей из серебра, золота, меди и алюминия.

13. Устройство по п.8, в котором блок передачи колебаний выполнен из стали, и покрытие выбрано из группы, состоящей из серебра и золота.

14. Устройство по п.8, в котором блок передачи колебаний выполнен из стали, а покрытие - из серебра.

15. Проточный реакционный аппарат для непрерывной обработки ультразвуком жидкого материала, содержащий реакционный резервуар, удлиненный ультразвуковой излучающий элемент, с первой и второй противоположными концевыми поверхностями, соединенные боковой поверхностью, причем ультразвуковой излучающий элемент прикреплен к реакционному резервуару, при этом первая концевая поверхность и, по меньшей мере, часть боковой поверхности расположена во внутренней части реакционного резервуара, а также источник электропитания, ультразвуковой преобразователь, соединяющий источник электропитания и вторую концевую поверхность ультразвукового излучающего элемента и предназначенный для преобразования электрической энергии из источника электропитания в ультразвуковые колебания в ультразвуковом излучающем элементе, блок передачи колебаний, соединяющий ультразвуковой преобразователь и ультразвуковой излучающий элемент для передачи ультразвуковых колебаний от ультразвукового преобразователя к ультразвуковому излучающему элементу, при этом на блоке передачи колебаний выполнено покрытие, отражающее ультразвук, входные и выходные отверстия в реакционном резервуаре, обеспечивающие возможность жидкому материалу, поступающему в реакционный резервуар, ударяться о первую концевую поверхность и протекать поперек указанной первой концевой поверхности до того, как покинуть резервуар через выходное отверстие.

16. Аппарат по п.15, в котором блок передачи колебаний выполнен из стали, а указанное покрытие выбрано из группы, состоящей из серебра и золота.

17. Аппарат по п.15, в котором покрытие расположено на указанном блоке передачи колебаний и выполнено из серебра.

18. Аппарат по п.15, в котором блок передачи колебаний выполнен из стали, а покрытие - из серебра.

19. Способ обработки жидкого органического топлива ультразвуком, в котором непрерывно пропускают жидкость, содержащую жидкое органическое топливо и воду, через реакционный аппарат, содержащий реакционный резервуар и удлиненный ультразвуковой излучающий элемент с первой и второй противоположными концевыми поверхностями, причем ультразвуковой излучающий элемент прикреплен к указанному реакционному резервуару, при этом первая концевая поверхность выступает во внутреннюю часть указанного реакционного резервуара, а также ультразвуковой преобразователь, предназначенный для преобразования электрической энергии в ультразвуковые колебания, причем ультразвуковой преобразователь соединяет источник электропитания и вторую концевую поверхность ультразвукового излучающего элемента для передачи ультразвуковых колебаний через ультразвуковой излучающий элемент на первую концевую поверхность, при этом электрическую энергию подают к ультразвуковому преобразователю для генерации ультразвуковых колебаний на первом конце, а жидкость, поступающая в реакционный резервуар, сначала ударяется о первую концевую поверхность ультразвукового излучающего элемента в направлении, по существу, перпендикулярном первой концевой поверхности, а затем протекает поперек первой концевой поверхности.

20. Способ по п.19, в котором подают жидкость в реакционный резервуар через входное отверстие реакционного резервуара, при этом выполняют входное отверстие на расстоянии, не превышающем 3,0 см от первой концевой поверхности ультразвукового излучающего элемента.

21. Способ по п.19, в котором подают жидкость в реакционный резервуар через входное отверстие реакционного резервуара, при этом выполняют входное отверстие на расстоянии, не превышающем 2,0 см от первой концевой поверхности ультразвукового излучающего элемента.

22. Способ по п.19, в котором подают указанную жидкость в реакционный резервуар через входное отверстие реакционного резервуара, при этом выполняют входное отверстие на расстоянии, не превышающем 1,5 см от первой концевой поверхности ультразвукового излучающего элемента.

23. Способ по п.19, в котором непрерывно пропускают жидкость через реакционный аппарат с такой скоростью, что скорость пропускания органического топлива находится в диапазоне, в основном, от 0,3 до, в основном, 30 л/с.

24. Способ по п.19, в котором непрерывно пропускают жидкость через реакционный аппарат с такой скоростью, что скорость пропускания органического топлива находится в диапазоне, в основном, от 0,5 до, в основном, 10 л/с.

25. Способ по п.19, в котором подают жидкость в реакционный резервуар через входное отверстие реакционного резервуара, причем выполняют входное отверстие на расстоянии, не превышающем 1,5 см от первой концевой поверхности ультразвукового излучающего элемента, причем скорость прохождения такова, что скорость прохождения органического топлива находится в диапазоне, в основном, от 0,5 до, в основном, 10 л/с.

26. Способ по п.19, в котором жидкость представляет собой эмульсию, состоящую из водной фазы и органической фазы, причем водная фаза составляет, в основном, от 20 до, в основном, 75% объема указанной эмульсии.

27. Способ по п.19, в котором жидкость представляет собой эмульсию, состоящую из водной фазы и органической фазы, причем водная фаза составляет, в основном, от 30 до, в основном, 50% объема указанной эмульсии.

28. Способ по п.19, в котором значение мощности электроэнергии составляет, в основном, от 1 до, в основном, 10 кВт.

29. Способ по п.19, в котором электрическую энергию подают в форме импульсного напряжения, причем значение частоты находится в диапазоне, в основном, от 10 до, в основном, 50 МГц, при этом значение мощности электроэнергии составляет, в основном, от 1 до, в основном, 10 кВт.

30. Способ по п.19, в котором ультразвуковой преобразователь соединен с ультразвуковым излучающим элементом посредством блока передачи колебаний, который содержит покрытие, отражающее ультразвук.

31. Способ по п.30, в котором блок передачи колебаний выполнен из первого металла, выбранного из группы, состоящей из стали, никеля, алюминия, титана, меди и сплавов никеля, алюминия, титана и меди, а покрытие выполнено из второго металла, отличного от первого металла, и выбранного из группы, состоящей из серебра, золота, меди и алюминия.

32. Способ по п.30, в котором блок передачи колебаний выполнен из стали, а покрытие выбрано из группы, состоящей из серебра, золота, меди и алюминия.

33. Способ по п.30, в котором блок передачи колебаний выполнен из стали, а покрытие из серебра.