МНОГОКОНУСНЫЙ СТРУЙНЫЙ АППАРАТ Российский патент 1997 года по МПК B01F5/04 

Изобретение относится к области смешивания жидкостей и может быть использовано, например, в химической промышленности для приготовления эмульсий, в энергетике при сжигании топлива, в молочной промышленности для высокодисперсного эмульгирования в молоке жира немолочного происхождения при производстве заменителя цельного молока.

Известен струйный аппарат для смешивания и эмульгирования жидкостей, содержащий корпус с рядом сопел и вал с турбинными лопатками, установленными с возможностью свободного вращения против каждого ряда сопел [1] Известное устройство является сложным по конструкции и в обслуживании; вращающиеся детали требуют механического привода, что снижает технологическую надежность устройства. При работе устройства наряду с энергией потока используется энергия вращающейся турбины, что приводит к получению неравномерности спектра дисперсной фазы: в активных аппаратах наряду с дроблением может происходить и слияние капель дисперсной фазы, что отрицательно сказывается на качестве эмульсии. Частицы подмешиваемого компонента подвергаются неравномерному механическому воздействию со стороны вращающейся турбины: частицы, которые поступают в аппарат через верхние сопла многократно ударяются лопатками турбины, а частицы, поступающие в аппарат через сопла в нижней части аппарата только один раз ударяются лопатками, что также приводит к неоднородности эмульсии. Кроме того этот аппарат не обеспечивает возможности регулирования количества подмешиваемого потока.

Известен многоконусный струйный аппарат для смешивания жидкостей, включающий корпус в виде герметичной емкости с патрубками ввода рабочего потока и подмешиваемого потока (компонента), внутри которой центрально установлен вертикальный ряд насадок в виде усеченных конусов, последовательно расположенных один в другом с образованием кольцевого зазора между ними и конусообразного проходного канала для продукта с вершиной со стороны ввода рабочего потока, горизонтальная перегородка и диффузор, при этом верхняя конусная насадка выполнена заодно с патрубком ввода рабочего потока [2]
Недостатком известного устройства является невозможность введения подмешиваемого компонента в количестве, превышающем 5% по отношению к рабочему потоку, за счет малого контакта рабочего потока с подмешиваемым компонентом. Конструкция конусов, расположенных выше перегородки и количество конусов, участвующих в образовании этого контакта не обеспечивают регулирования количества подмешиваемого компонента.

Таким образом, исследование уровня техники показывает, что не решена задача введения подмешиваемого компонента в рабочий поток при одновременном высокоточном регулировании количества подмешиваемого компонента.

Заявляемое изобретение обеспечивает расширение диапазона введения подмешиваемого компонента и одновременное регулирование количества подмешиваемого компонента. При этом, очень существенным является то, что количество подмешиваемого компонента всегда прямо пропорционально количеству рабочего потока, так как фактором регулирующим количество подмешиваемого потока(компонента) является площадь поверхности контакта рабочего потока и подмешиваемого компонента, а не режим подачи рабочего потока.

Для достижения указанного технического результата многоконусный струйный аппарат, включает герметичную емкость с патрубками ввода рабочего потока и подмешиваемого компонента, внутри которой центрально установлен вертикальный ряд насадок в виде усеченных конусов последовательно расположенных один в другом с образованием кольцевого зазора между ними и конусообразного проходного канала для продукта с вершиной со стороны ввода рабочего потока, горизонтальная перегородка и диффузор, при этом верхняя конусная насадка выполнена заодно с патрубком ввода рабочего потока и установлена с возможностью вертикального перемешивания, а горизонтальная перегородка также установлена с возможностью вертикального перемещения, что обеспечивает образование контактной поверхности переменной высоты. Кроме того, угол конусности проходного канала, образованного конусными насадками, размещенными над перегородкой, превышает угол конусности проходного канала, образованного конусными насадками, размещенными под перегородкой, а величина кольцевого зазора Н между первой и второй коническими насадками может быть выбрана из соотношения:
,
где u коэффициент инжекции между соплами первой и второй конусных насадок,
d₁ и d₂ диаметры сопел первой и второй конических насадок,
δ коэффициент использования поверхности контакта.

Угол конусности проходного канала, образованного насадками, размещенными под перегородкой не превышает 1-го градуса (1^o); соединение корпуса с патрубком ввода рабочего потока выполнено резьбовым и снабжено устройством для контроля величины перемещения патрубка и его фиксации.

Заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что перегородка и верхняя коническая насадка установлены с возможностью вертикального перемещения, угол конусности проходного канала, образованного конусными насадками, размещенными над перегородкой, превышает угол конусности проходного канала, образованного конусными насадками, размещенными под перегородкой, величина кольцевого зазора H между первой и второй конусными насадками выбрана из соотношения:
,
где u коэффициент инжекции между соплами первой и второй конусных насадок;
d₁ и d₂ диаметры сопел первой и второй конусных насадок;
δ коэффициент использования поверхности контакта.

В частном случае выполнения устройства угол конусности проходного канала, образованного насадками, размещенными под перегородкой, не превышает 1^o, кроме того, соединение корпуса аппарата с патрубком ввода рабочего потока в частном случае выполнено резьбовым и снабжено устройством для контроля величины перемещения патрубка и его фиксации.

Анализ влияния совокупности существенных признаков на достижение технического результата показывает следующее.

Первая группа насадок, размещенных над перегородкой образует конусообразный проходной канал с углом раствора a₁> α₂, это позволяет увеличить количество подмешиваемого компонента: через патрубок ввода подмешиваемого компонента верхнюю камеру заполняют подмешиваемым компонентом, который натекает на поверхность струи рабочего потока и увлекается им. Чем больше угол раствора проходного канала, тем больше можно увлечь подмешиваемого компонента.

Перегородка установлена с возможностью вертикального перемещения, что позволяет изменять количество насадок над перегородкой. Благодаря этому мы в широких пределах можем изменять количества подмешиваемого компонента, при соблюдении условия α₁> α₂. В верхней камере будет происходить организация тонкого слоя подмешиваемого компонента на струе рабочего потока, а в нижней камере высокодисперсное дробление продукта за счет многократного воздействия мягкими гидравлическими ударами с очень малыми возмущениями потока, которые являются достаточными для качественного дробления тонкого слоя подмешиваемого компонента.

В частности, как свидетельствуют опытные данные, выполнение α₂ не более 1^o позволяет осуществлять высокодисперсное эмульгирование за счет мягких гидравлических ударов.

Чем больше насадок размещено над перегородкой, чем больше угол α₁ и чем больше расстояние H от торца сопла первой насадки до торца входа нижерасположенной насадки, тем больше возможно ввести подмешиваемого компонента. Для более точной настройки количества подмешиваемого компонента изменяют расстояние H первой пары сопряженных конусных насадок. H выбирают из соотношения
,
где
u-коэффициент инжекции между первой и второй конусными насадками,
d₁ и d₂ диаметры сопел соответственно первой и второй конусных насадок,
δ коэффициент использования поверхности контакта.

Коэффициент d зависит от числа R_e следующим образом. При ламинарном движении рабочего потока d близок к 1, а при турбулентном режиме уменьшается в зависимости от турбулентности потока.

В каждом частном случае его необходимо определять экспериментальным путем в зависимости от скорости движения рабочего потока, вязкости жидкости и диаметра сопла первого конуса.

Зона контакта H состоит из двух частей: h₀ это расстояние между торцевой поверхностью сопла первой конусной насадки 2 и входом в отверстие сопла сопряженной (рядом находящейся) конусной насадки (фиг.2). Эта величина определяется конструктивными особенностями сопла первой конусной насадки и сопла сопряженной конусной насадки, в частности, толщиной стенки сопла первой насадки и диаметра сопла сопряженной насадки. Эта часть зоны контакта жидкостей является нерегулируемой.

h H h₀ регулируемая часть зоны контакта.

Фиксируя сопло первой конусной насадки в пределах величины h обеспечивают определенную величину зоны контактной поверхности высотой Н. Площадь контактной поверхности S = Hπd где d диаметр сопла первой конусной насадки.

Таким образом изменяя площадь контактной поверхности рабочего потока между первой и второй конусными насадками регулируют количество подмешиваемого компонента, что обеспечивает получение продукта с заданным заранее количественным соотношением компонентов.

При значениях H, превышающих ограничиваемый формулой диапазон, дальнейшего регулирования количественного соотношения смешиваемых компонентов не происходит.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показана схема устройства;
Устройство включает корпус 1 в виде герметичной емкости с патрубками ввода рабочего потока 2 и подмешиваемого компонента 3. Внутри корпуса 1 центрально установлен вертикальный ряд насадок 4, выполненных в виде усеченных конусов, последовательно расположенных один в другом с образованием кольцевого зазора между ними и конусообразного проходного канала для продукта с вершиной со стороны патрубка ввода рабочего потока 2. В корпусе 1 расположена горизонтальная перегородка 5, установленная с возможностью вертикального перемещения и диффузора 6. Насадки 4, расположенные выше перегородки 5, образуют проходной канал, имеющий угол конусности α₁, а насадки 4, расположенные ниже перегородки 5, образуют проходной канал, имеющий угол конусности α₂. Причем площади отверстий сопел насадок увеличиваются по ходу процесса так, что отношения площади сопла верхней насадки и площади сопла нижней насадки в каждой паре сопрягаемых насадок не более 1,1. Самая верхняя насадка 4 выполнена заодно с патрубком ввода рабочего потока 2.

Для изменения величины кольцевого зазора H между первой и второй конусными насадками патрубок 2 соединен с корпусом 1 через резьбу 7; для фиксации величины этого изменения на корпусе 1 установлен указатель 8, 4 на патрубке 2 нанесена шкала 9 в виде, например, лимба, взаимодействующая с указателем
Аппарат работает следующим образом. В зависимости от заданного количественного соотношения смешиваемых жидкостей перегородку 5 устанавливают так, чтобы обеспечить ввод максимально необходимого количества подмешиваемого компонента в рабочий поток с последующим эмульгированием смеси за счет гидравлических ударов при движении продукта по конусным насадкам расположенным ниже перегородки 5 разрежения, создаваемого движущим рабочим потоком ниже перегородки 5.

После такой настройки аппарата через патрубок 2 вводят в направлении А рабочий поток под избыточным давлением, а через патрубок 3 в направлении B вводят подмешиваемый компонент, который через зазоры между первой, второй и третьей конусными насадками натекает на струю рабочего потока, обволакивает его в виде чулка. Дальнейшее движение продукта по конусным насадкам 4, расположенным ниже перегородки 5 приводит к высокодисперсному распределению фазы в среде за счет вытягивания в тонкую пленку подмешиваемого компонента на струе рабочего потока, воздействия многократных (девять и более) мягких гидравлических ударов и разрежения, создаваемого движущимся продуктом. Готовый продукт выводится из аппарата через диффузор 6 в направлении C.

Пример 1. Требуется приготовить раствор заменителя цельного молока (ЗЦМ) из сгущенного обезжиренного молока с содержанием сухих веществ от 30 до 48% для чего необходимо ввести подмешиваемого компонента (маргарина городского жирностью 70,7%) в количестве от 108 до 194 литров на 1000 литров обезжиренного сгущенного молока, т.е. до 20%
Для получения жировой эмульсии перегородку 5 размещают так, чтобы выше перегородки 5 находилось три конусные насадки. Площадь отверстия конусной насадки S₁ 6,29 мм², площадь отверстия второй конусной насадки S₂ 10,24 мм², площадь отверстия третьей конусной насадки 12,96 мм. Расстояние между первой и второй насадки для регулировки количества подмешиваемого компонента H 4,8 мм.

Ниже перегородки 5 размещают девять конусных насадок, которые образуют канал для прохода продукта α₂ 0,52, а соотношение площадей сопел сопрягаемых насадок в среднем равно 1,1.

Обезжиренное молоко под избыточным давлением 150-180 н/см подают в направлении А через патрубок 1 жировую смесь через патрубок 3. На выходе из диффузора получают эмульсию, у которой жировая фаза распределена в потоке чрезвычайно равномерно с величиной жировых шариков непревышающих d_ср=2 мкм.

Пример 2. Требуется приготовить раствор ЗЦМ для выпойки телят, где для приготовления раствора используют обезжиренное (несгущенное) молоко с содержанием сухих веществ 8,2% при необходимости ведения жира в количестве не более 3%
Для получения нужного продукта перегородку 5 размещают на уровне второй конусной насадки, т.е. выше перегородки 5 работает две конусные насадки 4.

Площадь отверстия первой конусной насадки S₁=6,29 мм, площадь отверстия второй конусной насадки S₂=10,24 мм.

Предварительное расстояние между первой и второй конусными насадками H=3 мм.

Ниже перегородки 5 размещают десять насадок 4. Угол раствора канала α₂= 0,52, соотношение площадей отверстий сопел сопрягаемых насадок в среднем равно 1,1.

Обезжиренное молоко подают под давлением 70-100 н/см устанавливают необходимую величину H и на выходе из диффузора получают качественную по химическому составу эмульсию со средней величиной жировых шариков не более двух мкм.

Использование: для смешивания жидкостей в химической промышленности для приготовления эмульсий, в энергетике - при сжигании жидких топлив, в молочной промышленности для высокодисперсного эмульгирования в молоке жира немолочного происхождения при производстве заменителя цельного молока. Аппарат обеспечивает введение подмешиваемого компонента в рабочий поток при одновременном высокоточном регулировании количества подмешиваемого компонента. Сущность изобретения: в корпусе аппарата, в виде герметичной емкости, центрально установлен ряд конусных насадок, последовательно расположенных одна в другой с образованием кольцевого зазора между ними конусообразного канала для прохода продукта с вершиной со стороны ввода рабочего потока. Верхняя конусная насадка выполнена заодно с патрубком ввода рабочего потока и имеет возможность вертикального перемещения за счет чего изменяется величина кольцевого зазора между первой и второй конусными насадками. Изменение величины этого зазора позволяет изменять площадь поверхности контакта между смешиваемыми жидкостями. В корпусе установлена подвижная перегородка, при этом угол конусности проходного канала, образованного конусными насадками, размещенными над перегородкой, превышает угол конусности проходного канала, образованного конусными насадками, размещенными под перегородкой, 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многоконусный струйный аппарат, включающий корпус в виде герметичной емкости с патрубками ввода рабочего потока и подмешиваемого компонента, внутри которой центрально установлен вертикальный ряд усеченных конусных насадок, последовательно расположенных один в другом с образованием кольцевого зазора между ними и конусообразного проходного канала для продукта с вершиной со стороны ввода рабочего потока, горизонтальную перегородку и диффузор, при этом верхняя конусная насадка выполнена заодно с патрубком ввода рабочего потока, отличающийся тем, что перегородка и верхняя конусная насадка установлены с возможностью вертикального перемещения для образования контактной поверхности переменной высоты, угол конусности проходного канала, образованного конусными насадками, размещенными над перегородкой, превышает угол конусности проходного канала, образованного конусными насадками, размещенными под перегородкой. 2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что угол конусности проходного канала, образованного конусными насадками, размещенными под перегородкой, не превышает одного градуса. 3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что соединение корпуса с патрубком ввода рабочего потока выполнено резьбовым и снабжено устройством для контроля величины перемещения патрубка и его фиксации.