Ультразвуковой концентратор высокой мощности

010581 Область техники, к которой относится изобретение Данное изобретение относится к области обрабатывающего оборудования, используемого при обработке материалов ультразвуком в жидких средах. Уровень техники Использование ультразвука для возбуждения химических реакций общеизвестно. Примерами публикаций, которые описывают химические применения ультразвука, являются Suslick, K.S., Science, vol. 247, p. 1439 (1990), и Mason, T.J., Practical Sonochemistry, A User's Guide to Applications in Chemistry andChemical Engineering, Ellis Norwood Publishers, West Sussex, England (1991). Из многочисленных ультразвуковых обрабатывающих систем, которые разработаны, эти известные в качестве систем зондового типа включают в себя ультразвуковой преобразователь, который генерирует ультразвуковую энергию и передает эту энергию к ультразвуковому рупору для усиления. Ультразвуковые генераторы в общем имеют выходной сигнал ограниченной энергии из-за мощности, необходимой для возбуждения вибраций, и тепла, вырабатываемого ультразвуковыми преобразователями. Вследствие этих ограничений использование ультразвука для проведения химических процессов в больших масштабах имеет ограниченный успех. Одним средством достижения ультразвуковых вибраций с относительно высокой мощностью является использование ультразвуковых преобразователей с магнитострикционным возбуждением, но частоты, достижимые магнитострикционными возбудителями,все же только средние по величине. Раскрытие магнитострикционных ультразвуковых преобразователей и их использование в химических реакциях показано в патенте США 6545060 на имя Ruhman, A.A., etal. (выдан 8 апреля 2003 г.) и его аналоге заявке РСТ WO 98/22277 (опубликована 28 мая 1998 г.), а также в патентах США 5486733 на имя Yamazaki, N., et al. (выдан 23 января 1996 г.),4556467 на имяKuhn, M.C., et al. (выдан 3 декабря 1985 г.),5360498 на имя Blomqvist, P., et al. (выдан 1 ноября 1994 г.) и 4168295 на имя Sawyer, H.T. (выдан 18 сентября 1979 г.). Патент Ruhman et al. раскрывает магнитострикционный преобразователь, который производит ультразвуковые вибрации в реакторе непрерывного потока, в котором эти вибрации ориентированы в радиальном направлении относительно направления потока, а частотный диапазон ограничен до максимума 30 кГц. Патент Yamazaki et al. раскрывает небольшого размера ультразвуковой рупор, работающий при относительно низкой мощности, в котором магнитострикция перечислена в качестве одного из группы возможных источников генерирования вибраций вместе с пьезоэлектрическими элементами и элементами электрострикционной деформации. Патент Kuhn et al. раскрывает реактор непрерывного потока, который включает в себя большое число ультразвуковых рупоров и генераторов, выдающих частоты меньше чем 100 кГц. Патент Blomqvist etal. раскрывает ультразвуковой генератор, использующий магнитострикционный порошковый состав,работающий на резонансной частоте 23,5 кГц. Патент Sawyer et al. раскрывает проточную реакционную трубу с тремя наборами ультразвуковых преобразователей, причем каждый набор содержит четыре преобразователя и выдает ультразвук на частоте от 20 до 40 кГц. Эти системы непригодны для высокопроизводительных реакций, где требуется высокий выход реакции. Сущность изобретения Обнаружено, что ультразвук можно подавать в реакционную систему при высокой энергии посредством специально сконструированного концентратора, который может выдерживать высокие напряжения вибраций без повреждения концентратора. Оптимально, концентратор по изобретению сконструирован для использования на конкретной ультразвуковой частоте, и различные концентраторы могут быть сконструированы и использованы для различных ультразвуковых частот. Концентратор представляет собой твердое удлиненное тело, предпочтительная длина которого приблизительно равна одной длине волны ультразвуковых колебаний через концентратор на выбранной частоте. Концентратор имеет ближний и дальний концы, причем ближний конец приспособлен для функционального соединения с ультразвуковым преобразователем, а дальний конец подвергается погружению в реакционную текущую среду. Дальний конец имеет коническую форму, сужающуюся, по меньшей мере, приблизительно в точку, благодаря чему усиливается проникновение ультразвуковых вибраций в массу реакционной среды. Установочная арматура на концентраторе, расположенная между ближним и дальним концами, позволяет устанавливать концентратор на стенке сосуда-реактора так, что дальний конец находится внутри сосуда, а ближний конец - снаружи. Твердое удлиненное тело представляет собой единую конструкцию, что означает, что она образована из одного непрерывного куска материала, а не из множества кусков или составляющих, которые сформированы по отдельности, а затем соединены сваркой или с использованием болтов, зажимов или любого иного способа скрепления частей вместе. Непрерывный означает, что тело не содержит внутренних полостей, а вместо этого полностью плотное по своим наружным размерам. Ультразвуковой концентратор по данному изобретению полезен при осуществлении любой химической реакции, у которой выход, скорость реакции или оба этих параметра могут усиливаться ультразвуком, и особенно полезен при обессеривании сырой нефти и фракций сырой нефти. Процессы, описывающие использование ультразвука при обработке этих материалов, раскрываются в патентах США 6402939 (выдан 11 июня 2002 г.),6500219 (выдан 31 декабря 2002 г.),6652992 (выдан 25 ноября 2003 г.), опубликованной заявке на патент США 2003/0051988 А 1 (опубликована 20 марта 2003 г.) и-1 010581 патенте США 6827844 (выдан 7 декабря 2004 г.). Дальнейшие раскрытия имеются в поданных заявках на патент США 10/803802 (подана 17 марта 2004 г.), 10/857444 (подана 27 мая 2004 г.) и 10/994166(подана 18 ноября 2004 г.). Все патенты, заявки на патент и публикации в целом, которые цитируются в данном описании, включены сюда посредством ссылки во всей своей полноте для правовых целей, где они могут быть полезными. Краткое описание чертежей Фиг. 1 - вид сбоку ультразвукового концентратора в соответствии с настоящим изобретением. Фиг. 2 - внутренний вид узла реактора и кожуха охладителя, содержащего ультразвуковой концентратор по фиг. 1, и ультразвуковой преобразователь. Подробное описание изобретения и предпочтительных вариантов осуществления Как отмечено выше, длина ультразвукового концентратора по данному изобретению оптимально выбирается по отношению к длине волны ультразвуковых вибраций. Таким образом, когда ультразвуковая частота выбрана, можно определить соответствующую длину волны вибраций в материале, из которого изготавливается концентратор, а, следовательно, и оптимальный продольный размер концентратора. Частоты, известные как ультразвуковые частоты, общеизвестны и будут сразу ясны для специалистов при использовании ультразвука в любом из различных приложений. В общем, ультразвуковые вибрации имеют частоты в широком диапазоне от примерно 15 до примерно 100 кГц. Для целей данного изобретения предпочтительный диапазон ультразвуковых частот лежит от примерно 15 до примерно 30 кГц, а более предпочтительно от примерно 15 до примерно 20 кГц. Предпочтительно длина концентратора такова, что он работает как резонатор полной длины волны для вибраций в ультразвуковом диапазоне,проходящих в продольном направлении через концентратор. Таким образом, длина концентратора предпочтительно выбирается так, чтобы заставить концентратор резонировать на конкретной частоте, которая выбирается. Материал конструкции концентратора тоже может варьироваться, хотя при высоких напряжениях желательны материалы с высокой прочностью и жесткостью. Предпочтительны металлы, особенно сталь. Предпочтительный в настоящее время класс сталей представляет собой легированные инструментальные стали, такие как сплав, называемый в сталелитейной промышленности как инструментальная сталь 2-А, который является мелкозернистой закаленной на воздухе сталью, содержащей 0,95-1,24% углерода, 4,75-5,50% хрома, 0,90-1,4% молибдена, 0,15-0,50% ванадия и максимум 1,00% магния. Предпочтительны стали, содержащие хром в качестве элемента сплава в концентрации по меньшей мере около 4% по массе, одной из которых является инструментальная сталь 2-А. Предпочтительные характеристики концентратора могут также выражаться как диапазоны для длины концентратора, и соответственно предпочтительны длины от примерно 30 до примерно 50 см, хотя длины от 30 до примерно 35 см наиболее предпочтительны. В предпочтительном в настоящее время варианте осуществления концентратор сделан из инструментальной стали 2-А, ультразвуковая частота составляет 17,5 кГц, а длина концентратора равна примерно 31 см. Единая конструкция концентратора может быть получена любым традиционным способом формирования стальных деталей. Примерами этих способов являются традиционная станочная обработка и литье. Можно использовать любой способ, который не ухудшит зернистой структуры или прочности какой-либо части концентратора. Концентратор может либо покрываться коррозионно-стойким материалом, либо оставляться без покрытия. Концентраторы, которые покрыты, могут быть либо покрыты полностью, либо покрыты только на частях, которые выступают в реакционный сосуд и находятся в контакте с текучей реакционной средой. Еще одна альтернатива состоит в покрытии только концевой поверхности части рупора, которая будет погружаться в реакционную среду. Примерами покрывающих материалов являются металлы на основе серебра, в том числе как само серебро, так и сплавы, в которых серебро является главным компонентом. Можно использовать сплавы, в которых серебро составляет 85% или более по массе или предпочтительно 90% или более по массе, с компонентами сплава, состоящими из меди, цинка, кадмия или любой комбинации двух или более из этих компонентов. Наиболее предпочтительными концентраторами являются те, что сделаны из инструментальной стали 2-А без покрытия. Ультразвуковые концентраторы по настоящему изобретению представляют собой удлиненные тела с продольной осью и предпочтительно являются телами вращения, имеющими симметричную форму относительно продольной оси. Независимо от того, является ли концентратор телом вращения, поперечное сечение ультразвукового концентратора по настоящему изобретению в плоскости, перпендикулярной продольной оси, изменяется вдоль длины оси. Концентратор проектируется для установки в реакционном сосуде с одним концом, выступающим внутрь сосуда для погружения в реакционную среду и передачи ультразвуковых вибраций в эту среду, и с другим концом, наружным к сосуду, для функционального контакта с источником ультразвуковой энергии, в частности, для прямого соединения с ультразвуковым преобразователем. Для целей данного описания и приложенной формулы изобретения конец концентратора на торце, который соединен с ультразвуковым преобразователем, определяется как ближний конец, тогда как конец, который проходит внутрь реакционного сосуда и подвергается воздействию реакционной среды, определяется как дальний конец. Для установки на реакционном сосуде концентратор содержит установочную арматуру, такую, например, как фланец, кромка, удлинение, отверстия под болт-2 010581 и т.п., и в предпочтительных вариантах осуществления установочная арматура располагается на расстоянии вдоль продольной оси, которое находится между ближним и дальним концами. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения установочная арматура концентратора позволяет окружать кожухом охладителя ближний конец концентратора и ультразвуковой преобразователь, который соединен с ближним концом. Охладитель будет циркулировать через кожух в этих вариантах осуществления для управления подъемом температуры, вызванным ультразвуковой энергией в преобразователе и ближнем конце. Концентратор также будет предпочтительно содержать уплотнительные кольца, прокладки или т.п. в виде манжет вокруг концентратора в местоположении, где концентратор входит в реакционную камеру, кожух охладителя или в оба. Изменение поперечного сечения в предпочтительных вариантах осуществления данного изобретения в общем таково, что поперечное сечение на дальнем конце меньше, чем поперечное сечение на ближнем конце, благодаря чему увеличивается амплитуда ультразвуковых вибраций в направлении, ведущем к дальнему концу вдоль по меньшей мере части длины концентратора до максимальной амплитуды, и наиболее предпочтительно минимальное поперечное сечение на дальнем конце. Этого можно достичь одной или несколькими сужающимися секциями в профиле концентратора. Степень снижения поперечного сечения может меняться в широких пределах в зависимости от того, какое усиление желательно и какое вибрационное напряжение способен выдержать концентратор. Для наилучших результатов процентное уменьшение поперечного сечения будет попадать в диапазон от примерно 20 до примерно 99% или наиболее предпочтительно от примерно 40 до примерно 85%. Дальний конец концентратора имеет коническую форму и поскольку сам концентратор предпочтительно представляет собой тело вращения относительно продольной оси, дальний конец предпочтительно имеет форму круглого конуса. Угол конуса не является критичным и может варьироваться в широких пределах; наилучшие результаты в большинстве случаев будут достигаться при угле конуса, т.е. угле между осью конуса и стороной конуса, который лежит в диапазоне от примерно 60 до примерно 87 или предпочтительно от примерно 75 до примерно 85. Любой из широкого многообразия ультразвуковых преобразователей можно использовать для выработки ультразвуковых вибраций в концентраторе. Для высоких уровней энергии, которые способен обеспечить концентратор по данному изобретению, предпочтительный преобразователь представляет собой петлеобразный преобразователь, который преобразует периодически изменяющиеся напряжения в механические вибрации в ультразвуковом диапазоне с помощью магнитострикции. Петля предпочтительно выполнена в виде пакета тонких плоских пластин из магнитострикционного материала, ламинированного вместе с диэлектрическим материалом, таким как пластичная смола или клей на основе керамики, между каждой парой смежных пластин. Число пластин в пакете может быть от 100 до 400 пластин,а толщина каждой пластины может быть в диапазоне от примерно 50 до примерно 250 мкм. Размер каждой пластины, а, следовательно, и петли может меняться, хотя предпочтительно каждая будет иметь длину в диапазоне от примерно 5 до примерно 50 см при меньшей ширине, в общем лежащей в диапазоне от примерно 3 до примерно 25 см. Центральное отверстие петли будет, как правило,лежать в диапазоне от примерно 0,5 до примерно 5 см. На петлю преобразователя намотана катушка из электропроводного провода, и обмотки размещены и ориентированы для выработки магнитострикционных вибраций в петле, когда переменное напряжение прикладывается к этим обмоткам. Обмотки могут,например, навиваться в одном направлении вокруг одной продольной стороны контура и в противоположном направлении вокруг другой продольной стороны. Преобразователь может запитываться любым осциллирующим напряжением. Осцилляции могут иметь любую форму волны, например, от синусоидальной до прямоугольной. Прямоугольное колебание означает напряжение постоянного тока, которое попеременно меняется между постоянным положительным значением и линией развертки со ступенчатыми изменениями напряжения между ними. Линия развертки является либо отрицательным напряжением, либо нулевым напряжением, и когда линия развертки является отрицательным напряжением, чередующиеся положительное и отрицательное напряжения имеют предпочтительно одну и ту же величину. Предпочтительные амплитуды напряжения составляют от примерно 140 до примерно 300 В при наиболее предпочтительном однофазном напряжении примерно 220 В, а предпочтительные мощности составляют от примерно 12 до примерно 20 кВт. Частота осцилляции напряжения будет выбираться для достижения желательной ультразвуковой частоты. Предпочтительные частоты лежат в диапазоне от примерно 10 до примерно 30 кГц, а наиболее предпочтительно от примерно 15 до примерно 20 кГц. Когда ультразвуковые концентраторы по данному изобретению используются в реакторах непрерывного потока, протекающая реакционная среда будет обеспечивать охлаждение концентратора на дальнем конце. Во многих случаях, как упомянуто выше, будет также выгодно охлаждать ближний конец концентратора и ультразвуковой преобразователь с помощью системы охлаждения, которая не зависит от реакционной среды. Охлаждение ближнего конца концентратора и ультразвукового преобразователя традиционно достигается за счет заключения этих колец в кожух или корпус, через который проходит или циркулирует охладитель. Кожух остается снаружи реакционного сосуда и, как отмечено выше, концентратор предпочтительно снабжен вторичной установочной арматурой, так что его ближний конец и-3 010581 ультразвуковой преобразователь могут быть заключены в непроницаемый для жидкостей кожух. Обычно эффективной и традиционной охлаждающей средой для циркуляции через кожух является вода. Ультразвуковые генераторы в соответствии с данным изобретением могут использоваться либо в реакторах периодического действия, чтобы способствовать периодическим реакциям, либо в реакторах с непрерывным потоком для реакций, выполняемых непрерывно. Предпочтительными являются реакторы непрерывного потока. Хотя данное изобретение восприимчиво к множеству воплощений и конфигураций, подробное изучение конкретных вариантов осуществления предоставит читателю полное понимание идей изобретения и того, как его можно применять. Один такой вариант осуществления показан на чертежах. Фиг. 1 представляет собой внешний вид ультразвукового концентратора 11, который представляет собой тело вращения относительно продольной оси 12. Ближний конец 13 концентратора находится наверху чертежа, а дальний конец 14 находится внизу. Установочный фланец 15 для установки рупора на реакционном сосуде располагается между ближним и дальним концами. Канавка 16 проходит по кругу концентратора возле дальнего конца. Эта канавка имеет размер такой, чтобы разместить уплотнительное кольцо для уплотнения периферии концентратора на внутренней стенке реактора, и она отмечает место верхней оконечности реакторной полости. Ближний конец 13 концентратора представляет собой плоскую поверхность, на которой устанавливается ультразвуковой преобразователь, тогда как дальний конец 14 имеет коническую форму, сужаясь в точке 17, между ближним концом и дальним концом концентратор содержит две сужающихся секции, верхнюю секцию 18 рядом с ближним концом и нижнюю секцию 19 рядом с дальним концом. Фиг. 2 показывает поперечное сечение узла 21 реактора и кожуха охладителя с концентратором типа, показанного на фиг. 1, и ультразвуковым преобразователем 22 внутри этого узла. Узел 21 включает в себя реакционную камеру 23 непрерывного потока, кожух 24 охладителя, окружающий преобразователь 22 и ближний конец 13 ультразвукового концентратора. Соединительный цилиндр 25, который является продолжением реакционной камеры 23 и при работе не содержит ни реакционной среды, ни охладителя,соединяет реакционную камеру 23 с кожухом 24 охладителя. Кожух 24 охладителя закрыт на дне установочным фланцем 15 и герметизирован уплотнительными кольцами 26, 27 на фланце 15. Кожух 24 охладителя, продолжение 23 реакционной камеры и концентратор 11 скрепляются вместе комбинацией фланцев и болтов 28 на уровне установочного фланца 15 рупора. Ультразвуковой преобразователь 22 представляет собой электромагнит в форме петли с намотанными на нем катушками из электрического провода, которые изолированы как термически, так и электрически. Электрические выводы 31 к катушкам проходят снаружи кожуха через герметизированное отверстие 32 и соединяются с наружным источником питания, усилителем и контроллером (не показано). Впускное отверстие 33 охладителя направляет охладитель во внутренность кожуха, а нагретый охладитель выходит через выпускное отверстие 34 охладителя. Реакционная среда, которая обрабатывается ультразвуком, входит в реакционную камеру 23 через впускное отверстие 35, которое соосно с продольной осью 12 концентратора, и выходит из реактора через выпускные отверстия 36, 37, расположенные сбоку по сторонам реакционной камеры. Дальний конец 14 ультразвукового концентратора располагается непосредственно в горловине впускного отверстия 35,так что поступающая реакционная среда ударяется о дальний конец 14, течет в радиальном направлении по поверхности дальнего конца 14 и выходит через выходные отверстия 36, 37. Силовые компоненты, в том числе источник питания, усилитель и контроллер, являются традиционными компонентами, доступными от промышленных поставщиков и сразу пригодные для выполнения описанных выше функций. Может использоваться управляемый компьютером генератор произвольных колебаний, такой как Agilent 33220 А или Advantek 712 с выходным ЦАП (цифроаналоговым преобразователем), либо управляемый напряжением генератор колебаний с микропроцессорным приводом, спроектированный на интегральной микросхеме 8038. Генератор произвольных колебаний может быть самонастраиваемым посредством выходного ЦАП на микропроцессоре или посредством функций в компьютере LabVIEW (National Instruments Corporation, Austin, Texas, USA), в котором импульсное программное обеспечение управляет генератором произвольных колебаний для максимизации ультразвукового выходного сигнала путем регулировки частоты импульсов на резонансную частоту преобразователя. Положительные и отрицательные импульсные компоненты также могут регулироваться, чтобы дать общую составляющую постоянного тока, которая будет максимизировать магнитострикционный эффект. В качестве силовых компонентов могут использоваться биполярные транзисторы с изолированным затвором в полномостовой силовой конфигурации. Одна такая конфигурация представляет собой полномостовую силовую конфигурацию, использующую четыре биполярных транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) (IGBT), составленных в конфигурации двух полумостовых двухтактных усилителей. Каждая полумостовая секция возбуждается асимметричной прямоугольной импульсной последовательностью, причем эти последовательности сдвинуты по фазе на 180. Относительные величины положительных и отрицательных импульсных составляющих, которые возбуждают каждую полумостовую секцию, могут быть оптимизированы для получения максимальной ультразвуковой выходной мощности.-4 010581 Каждый БТИЗ изолирован от источника сигнала посредством оптоизоляционного возбуждающего транзистора. Вышеприведенное описание предлагается в первую очередь для целей иллюстрации. Дальнейшие изменения компонентов устройства и системы, их размещение, используемые материалы, рабочие условия и иные признаки, раскрытые здесь, которые находятся в объеме изобретения, будут сразу понятны специалистам. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ультразвуковой концентратор, представляющий собой цельное твердое удлиненное тело, длина которого приблизительно соответствует длине волны ультразвуковых колебаний, распространяющихся через указанный концентратор, при этом первый конец концентратора имеет коническую форму, а второй конец концентратора имеет установочную поверхность для ультразвукового преобразователя, при этом концентратор дополнительно содержит установочную арматуру между его концами для установки концентратора на проточном реакторе так, что первый его конец проходит внутрь упомянутого проточного реактора. 2. Ультразвуковой концентратор по п.1, в котором упомянутый материал является инструментальной сталью. 3. Ультразвуковой концентратор по п.1, в котором упомянутый материал является легированной инструментальной сталью, содержащей по меньшей мере примерно 4% хрома. 4. Ультразвуковой концентратор по п.1, в котором упомянутый материал является сталью, а длина составляет от примерно 20 до примерно 50 см. 5. Ультразвуковой концентратор по п.1, в котором упомянутый материал является легированной инструментальной сталью, содержащей по меньшей мере примерно 4% хрома, а длина составляет от примерно 20 до примерно 50 см. 6. Ультразвуковой концентратор по п.1, в котором удлиненное тело имеет профиль, содержащий сужающуюся секцию между вторым концом и первым концом. 7. Ультразвуковой концентратор по п.1, содержащий дополнительно герметизирующее средство между установочным фланцем и первым концом для герметизации концентратора относительно поверхности внутренней стенки реактора. 8. Проточный реактор, содержащий реакционный сосуд, имеющий продольную ось и впускное и выпускные отверстия, причем впускное отверстие размещено так, чтобы направлять втекающую реакционную смесь вдоль продольной оси,и установленный в нем ультразвуковой концентратор по п.1. 9. Проточный реактор по п.8, в котором материал концентратора является инструментальной сталью. 10. Проточный реактор по п.8, в котором материал концентратора является легированной инструментальной сталью, содержащей по меньшей мере примерно 4% хрома. 11. Проточный реактор по п.8, в котором материал концентратора является сталью, а длина составляет от примерно 20 до примерно 50 см. 12. Проточный реактор по п.8, в котором материал концентратора является легированной инструментальной сталью, содержащей по меньшей мере примерно 4% хрома, а длина составляет от примерно 20 до примерно 50 см.