УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗМЫВАНИЯ ОСАДКА, СУСПЕНДИРОВАНИЯ И ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК B01F7/16 

Изобретение относится к обрабатывающей промышленности, а именно к конструкции устройств для смешивания (перемешивания), эмульгирования, суспендирования и диспергирования смесей и может быть применено в технологических процессах производств для подъема осадка во взвесь с целью дальнейшего удаления суспензии из рабочего объема, например, при откачивании отработанной смазывающе-охлаждающей жидкости из пристаночных емкостей станков для обработки камня, шлифовальных и тому подобное.

Во многих технологических процессах требуется размывание твердого осадка мелкодисперсных частиц либо с целью получения суспензии, либо для подъема во взвесь с целью дальнейшего перекачивания. Так, при обработке камня, например, при распиловке кристаллов кварца алмазными кругами образуется большое количество мелкодисперсного осадка, который накапливается в пристаночных емкостях с запасом смазывающе-охлаждающей жидкости и уплотняется так, что для удаления его требуются значительные затраты физического труда.

Весьма производительным способом для удаления осадка является гидравлический размыв и подъем его во взвесь. Однако применение для этого обычных центробежных насосов нерационально, так как требуются насосы большой производительности, и они имеют и существенный напор, что приводит к большой потребляемой мощности. Сам процесс размыва требует либо создания сложного устройства, обеспечивающего размыв всего объема осадка, либо задействования человека (оператора) для управления процессом. При этом существующие центробежные насосы малопригодны для перекачивания высокоабразивных суспензий, имеют малые зазоры между деталями и непрочные полости, которые быстро забиваются и выводят насос из строя. Кроме того, взвесь должна быть все время равномерно распределена в объеме и не выпадать в осадок при перекачке.

Для решения данной проблемы имеет смысл создать комбинированный осевой насос-мешалку, который бы создавал существенные осевые скорости в большом поперечном сечении и при этом, как осевой насос с высоким коэффициентом быстроходности n_s (пропеллерного типа) имел бы небольшой напор при высокой производительности, что существенно снижает потребляемую мощность (N Q•H, где Q производительность, H напор).

При конструировании такой мешалки возникает проблема, связанная с возможными резонансными колебаниями вала при достижении критических оборотов. Задача осложняется тем, что установка второго опорного подшипника, погруженного в абразивную суспензию, затруднена из-за практической невозможности его защиты от быстрого износа, в связи с чем необходимы специальные меры по обеспечению демпфирования колебаний вала.

При размывании осадка направление движения жидкости от поверхности жидкости к поверхности осадка. В таких условиях возможно возникновение воронки, что приводит к уменьшению производительности насоса и захвату газовых пузырей, поэтому такая мешалка должна иметь эффективные воронкогасители.

Известны винтовые (пропеллерные) мешалки, применяющиеся в различных отраслях промышленности для суспендирования, эмульгирования и гомогенизации жидкостей, а также для размывания твердого осадка.

Так, для повышения надежности и уменьшения необходимой установочной мощности привода при работе с суспензией, имеющий высокую концентрацию оседающих твердых частиц, известна мешалка в виде вращающегося вертикального цилиндра с откидывающимися лопастями, точки подвеса которых смещены по отношению к их центру тяжести в сторону от цилиндра (авт.св. 1648540, кл. B 01 F 7/18, опубл. Б.И. N 8, 1991 г.). Однако такая конструкция не создает направленной струи большого сечения в осевом направлении и поэтому не может использоваться для эффективного размыва осадка.

Известна размыватель-мешалка для размывания твердого осадка и перемешивания жидких форм препаратов, содержащая вращающийся вал с рабочим органом в виде тросов со щетками. Размывание осадка осуществляется, в основном, за счет механического воздействия щеток на поверхность осадка (авт.св. 1813539, кл. B 01 F 7/00, опубл. Б.И. N 17, 1993 г.). Устройство малопроизводительно, не создает осевых потоков, а отсутствие существенной осевой циркуляции ухудшает равномерность распределения взвеси в жидкости.

Известно устройство для перемешивания расслаивающихся жидкостей, содержащие пропеллерную мешалку, размещенную в диффузоре, состоящем из цилиндрических секций с всасывающими отверстиями (авт.св. 1792731, кл. B 01 F 5/12, опубл. Б.И. N 33 36, 1993). Устройство создает осевую циркуляцию в емкости, крышка диффузора препятствует образованию воронки. Однако производительность его ограничена из-за дросселирования входа через отверстия, в связи с чем использование такой мешалки для эффективного размыва осадка вряд ли возможно.

Известна, наконец, промышленная переносная мешалка с приводом от фланцевого вертикального электродвигателя (ГОСТ-26-01-343-71; Васильцов Э.А. Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред. Справочное пособие. Л. Машиностроение, 1979. 271 с.) Устройство содержит закрепленную на валу привода трех лопастную мешалку с углом наклона лопасти β 24^o. Вал установлен в опорно-упорном шарикоподшипнике, размещенном в поворотной стойке. Описанная пропеллерная (винтовая) мешалка может быть использована как для размыва осадка, так и для приготовления эмульсий, суспензий и гомогенизации жидкостей.

Однако, мешалка такой конструкции имеет следующие недостатки:
значительная часть энергии привода уходит на закручивание жидкости, что приводит к воронкообразованию, для уменьшения которого необходимо либо специальные емкости с внутренними ребрами, либо устанавливать мешалку под углом (такая возможность предусмотрена в конструкции), но это не всегда решает проблему;
из-за закручивания жидкости такого рода мешалки часто используют в режиме движения жидкости "снизу-вверх", что уменьшает ее эффективность для размыва, слежавшегося твердого осадка.

В основу изобретения положена задача создать конструкцию, обеспечивающую размыв слежавшегося мелкодисперсных твердых осадков, подъем их во взвесь и создание суспензий, пригодных для перекачивания и удаления из рабочего объема. Эта же конструкция должна обеспечивать диспергирование крупных фракций, эмульгирование разнородных жидкостей, гомогенизацию смесей и быстрое изготовление растворов.

Задача решается тем, что устройство для размывания осадка, суспендирования и перемешивания жидкостей, содержащие привод, вал которого жестко соединен с рабочим валом, на свободном конце которого закреплена лопастная винтовая мешалка (ротор), согласно изобретению снабжено соединенными между собой входным и выходным кольцевыми неподвижными направляющими аппаратами, между которыми расположен вышеупомянутый ротор, на концах лопастей последнего установлена и жестко с ними соединена кольцевая обечайка, образующая которой параллельна оси вращения ротора, при этом входной направляющий аппарат расположен между приводом и ротором на несущих стойках, которые закреплены на корпусе привода.

Для обеспечения положения ротора на различной высоте от размываемой поверхности или свободного опускания под собственным весом вслед за размываемой поверхностью устройство снабжено установочной раздвижной рамой с направляющими элементами, через которые проходят несущие стойки, причем направляющие элементы имеют фиксаторы стоек.

Задача решается также тем, что устройство (вариант II) для размывания осадка, суспендирования, эмульгирования и перемешивания жидкостей, содержащее привод, вал которого соединен с рабочим валом, а на свободном конце последнего закреплена лопастная винтовая мешалка (ротор), согласно изобретению снабжено соединенными между собой входным и выходным кольцевыми неподвижными направляющими аппаратами, между которыми расположен вышеупомянутый ротор, на концах лопастей последнего установлена и жестко с ними соединена кольцевая обечайка, образующая которой параллельна оси вращения ротора, при этом рабочий вал размещен внутри трубчатого несущего элемента, один конец которого закреплен на корпусе привода, а на свободном его конце закреплен один из направляющих аппаратов.

Для расширения функциональных возможностей устройства по обоим вариантам ротор выполнен съемным, а устройство снабжено комплектом роторов с различными углами установки лопастей.

Для уменьшения закрутки потока и увеличения осевой скорости, а также предотвращения воронкообразования каждый из направляющих аппаратов выполнен в виде неподвижного цилиндрического кольца с плоскими или изогнутыми радиальными ребрами, причем ребра направляющего аппарата, расположенного со стороны привода, выполнены выступающими за пределы его кольца.

Кольца направляющих аппаратов и обечайки ротора выполнены с одинаковыми внутренними диаметрами и размещены таким образом, что в совокупности образуют составную циркуляционную трубу, а это способствует увеличению осевой скорости потока и обеспечивает эффективность размыва осадка.

На фиг. 1 дан общий вид устройства с расположением направляющих аппаратов на несущих стойках (вар. 1); на фиг. 2 общий вид устройства с расположением направляющих аппаратов на трубчатом несущем элементе (вар. 2).

Описание устройства
I вариант. Устройство содержит привод 1. Вал привода жестко связан муфтой 2 с рабочим валом 3, а на свободном конце последнего установлена винтовая лопастная мешалка 4, на концах лопастей которой укреплена цилиндрическая обечайка 5 (в дальнейшем мешалка с обечайкой ротор). Ротор 4 установлен на валу 3 на резьбе, и контрится с помощью специальной гайки 6.

Ротор 4 расположен между кольцевыми направляющими аппаратами: входным 7 и выходным 8. Направляющие аппараты представляют собой кольца с установленными в них плоскими радиальными ребрами. Причем ребра 9 а, б входного направляющего аппарата внутри кольца располагаются между образующими кольцами и втулкой 10, через которую проходит рабочий вал 3. Как видно на фиг. 1, ребра направляющего аппарата могут быть выполнены двух модификаций: 9 а малые ребра, расположенные внутри кольца и 9 б ребра, выступающие за пределы кольца.

Ребра 11 выходного направляющего аппарата 8 расположены только внутри кольца. Между кромками ротора и кромками направляющих аппаратов 7, 8 имеется зазор 2 3 мм.

Направляющие аппараты 7 и 8 закреплены к несущим стойкам 10; стойки в районе расположения ротора выгнуты таким образом, чтобы обеспечить зазор ≈ 5 мм между поверхностью ротора и стойкой. Верхние кольца стоек закреплены в плите привода 1, а нижние концы стоек, отогнутые под прямым углом, образуют "лапы".

Стойки проходят через направляющие элементы 13, имеющие фиксаторы 14, и установлены на раздвижной установочной раме 15.

II вариант. Устройство содержит привод 1. Вал привода соединен упругой муфтой 2 с рабочим валом 3, на свободном конце которого установлена лопастная мешалка 4 с обечайкой 5, в дальнейшем ротор 4, закрепленный на валу гайкой 6 и расположенный между направляющими аппаратами 7 и 8. Направляющие аппараты соединены друг с другом кронштейнами 16, обеспечивающими зазор 2 3 мм между кромками кольца ротора 4 и кромками колец направляющих аппаратов 7 и 8. Кронштейны 16 выполнены так, чтобы обеспечить зазор ≈ 5 мм между поверхностью ротора и кромками кронштейнов.

Ребра 9 в направляющем аппарате 7 могут иметь две модификации: 9а - расположены внутри кольца 7 и 9б выступают за пределы кольца. Ребра 11 в направляющем аппарате 8 расположены внутри кольца.

Входной направляющий аппарат 7 закреплен на несущем трубчатом элементе 17, а другой конец этого элемента крепится к уплотнительно-подшипниковому узлу 16.

Уплотнительно-подшипниковый узел имеет два шариковых подшипника, один из которых радиально-упорный, в которых установлен вал 3 и уплотнительное устройство с нажимной втулкой. Уплотнительно-подшипниковое устройство крепится с помощью фланца на горловине емкости 19.

Привод 1 установлен с помощью стоек 20 на подмоторной плите, которая укреплена на фланце 21 емкости 19.

Работа устройства.

I вариант. Устройство, выполненное по I варианту предназначено для эффективного размывания твердого мелкодисперсного осадка и подъема его во взвесь.

Устройство с помощью раздвижной рамы 15 устанавливается на емкость любой формы. При этом фиксаторы 13, 14 направляющих элементов отпускаются так, что установка под действием собственного веса опирается "лапами" в поверхность осадка.

Привод установки запускается так, чтобы обеспечить движение жидкости сверху вниз. При этом создается осевой поток большого сечения (0,2 0,5 от диаметра емкости) с осевой скоростью 2 4 м/с, под действием которого происходит интенсивное размывание осадка и подъем его во взвесь. По мере размывания поверхности двигатель с ротором опускается под собственным весом до тех пор, пока не упрется "лапами" в дно емкости. При этом происходит окончательный размыв той части осадка, которая примыкает к стенкам. Если слой жидкости над ротором не превышает диаметра ротора, то возможно образование воронки с захватом газа, что заметно снижает производительность мешалки как осевого насоса. В таком случае следует использовать ребра типа 9 б, служащие воронкогасителем.

Если уровень жидкости более диаметра ротора, как показали эксперименты, можно обойтись ребрами типа 9а.

Устойчивая стабилизация вращающегося ротора возможна только при полном погружении его в жидкость. В этом случае на цилиндрическую обечайку ротора действуют гидродинамические силы возвращающие ротор в исходное положение при биении центра вращения. Эти силы весьма существенны, они фиксируют положение центра вращения ротора в пространстве и вал приобретает как бы второй опорный подшипник. Это обстоятельство позволяет выполнять валы значительной длины и работает при оборотах близких к критическим.

Наличие стабилизирующего кольца у пропеллерной мешалки позволяет отказаться от второго подшипника, который трудно было бы защитить в суспензии с высокими абразивными свойствами.

Проточная часть мешалки (верхнее кольцо направляющего аппарата, стабилизирующее кольцо ротора и нижнее направляющее кольцо) служит составным диффузором (циркуляционной трубой), существенно увеличивая осевую скорость, что важно для эффективного размыва, а также обеспечивает осевую циркуляцию в емкости, ускоряя процесс образования равномерной суспензии.

II вариант. Устройство, выполненное по II варианту, предназначено для гомогенизации разнородных по составу жидких компонентов. При этом необходимо обеспечить равномерность распределения концентраций смесей в большом объеме.

Устройство выполнено по той же схеме: консольный вал с ротором, размещенным между двумя направляющими аппаратами. Процесс образования равномерной по концентрации эмульсии в этом случае разбивается на две зоны: зону диспергирования интенсивного перемешивания компонентов (внутри циркуляционной трубы) и зону распределения диспергированных компонентов (во всем объеме). Получение стойкой эмульсии с равномерной концентрацией по объему достигается намного быстрее, чем при применении, например, якорной или рамной мешалки (в 2 3 раза).

Пример конкретного выполнения.

Были изготовлены и испытаны в производственных условиях оба варианта.

Вариант I
Техническая характеристика
1. Обороты двигателя 1420 об/мин
2. Мощность двигателя 1,1 кВт
3. Диаметр ротора 150 мм
4. Диаметр емкости 500 мм
5. Объем емкости 100 л
6. Количестве твердого осадка 30 дм³
7. Производительность мешалки, как осевого насоса 36 л/с
8. Напор, создаваемый мешалкой 0,5 м
9. Длина вала 600 мм
10. Масса 29 кг (с двигателем)
Устройство, выполненное по I варианту, было испытано для размывания осадка в пристаночных емкостях со смазывающе-охлаждающей жидкостью станков для распиловки кварцевых кристаллов алмазными кругами. Объем емкости 100 л, преимущественный размер частиц SiO₂ ≈ 4 6 мкм, количество осадка по объему до 1/3 емкости.

Подъем во взвесь твердого, слежавшегося осадка, не поддающегося другим способам удаления, производился на 15 20 мин, после чего суспензия откачивалась с помощью штатного центробежного насоса.

Эта же мешалка использовалась для получения эмульсии СОЖ (типа "Укринол"). Непосредственно в пристаночной емкости: шестипроцентная стойкая эмульсия концентрата в воде была получена за 2 мин.

Вариант II.

Техническая характеристика
1. Обороты ротора 940 об/мин
2. Мощность двигателя 1,5 кВт
3. Диаметр ротора 240 мм
4. Производительность мешалки как осевого насоса 84 л/с
5. Напор, создаваемый ротором 0,77 м
6. Длина рабочего вала 1275 мм
7. Объем емкости 630 л
8. Диаметр емкости 900 мм
9. Масса устройства (без двигателя) 15 кг
Мешалка использовалась для получения эмульсий разнородных жидкостей (лосьонов, жидких кремов). Время получения устойчивой гомогенной эмульсии по сравнению с использованием якорной мешалки сократилось в 2,5 3 раза, затраченная мощность при этом была ниже в 1,5 раза.

Устройство предлагаемой конструкции может быть использовано для размывания и подъема во взвесь осадка, полученного в технологических процессах различных производств, в том числе и твердого, слежавшегося осадка, не поддающегося размыву и подъему известным способами.

Устройство может быть применено для приготовления суспензий, эмульсий и гомогенизации жидкостей в химической промышленности, в лакокрасочной, пищевой и фармацевтической промышленности, а также как диспергатор с одновременными перемешиванием при изготовлении жидких и полужидких кормов в животноводстве и для получения растворов жидких минеральных и органо-минеральных удобрений.

Использование изобретения: размыв и подъем во взвесь осадка, полученного в технологических процессах различных производств, в том числе и твердого, слежавшегося осадка, а также для приготовления суспензий, эмульсий и гомогенизации жидкостей в химической промышленности, в лакокрасочной, пищевой и фармацевтической промышленности. Сущность изобретения: устройство содержит привод, вал которого жестко соединен с рабочим валом, на свободном конце которого закреплена лопастная винтовая мешалка-ротор. Оно снабжено соединенными между собой входным и выходным кольцевыми неподвижными направляющими аппаратами, между которыми расположен вышеупомянутый ротор. На концах лопастей ротора установлена и жестко с ними соединена кольцевая обечайка. Образующая обечайки параллельна оси вращения ротора. При этом входной направляющий аппарат расположен между приводом и ротором на несущих стойках, закрепленных на корпусе привода. По второму варианту рабочий вал размещен внутри трубчатого несущего элемента, один конец которого закреплен на корпусе привода, а на свободном его конце закреплен один из направляющих аппаратов. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для размывания осадка, суспендирования и перемешивания жидкостей, содержащее привод, вал которого жестко соединен с рабочим валом, на свободном конце которого закреплена лопастная винтовая мешалка-ротор, отличающееся тем, что оно снабжено соединенными между собой входным и выходным кольцевыми неподвижными направляющими аппаратами, между которыми расположен ротор, на концах лопастей последнего установлена и жестко с ними соединена кольцевая обечайка, образующая которой параллельна оси вращения ротора, при этом входной направляющий аппарат расположен между приводом и ротором на несущих стойках, закрепленных на корпусе привода. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено установочной раздвижной рамой с направляющими элементами, через которые проходят несущие стойки, причем направляющие элементы имеют фиксаторы стоек. 3. Устройство для размывания осадка, суспендирования и перемешивания жидкостей, содержащее привод, вал которого соединен с рабочим валом, на свободном конце которого закреплена лопастная винтовая мешалка-ротор, отличающееся тем, что оно снабжено соединенными между собой входным и выходным кольцевыми неподвижными направляющими аппаратами, между которыми расположен ротор, на концах лопастей последнего установлена и жестко с ними соединена обечайка, образующая которой параллельна оси вращения ротора, при этом рабочий вал размещен внутри трубчатого несущего элемента, один конец которого закреплен на корпусе привода, а на свободном его конце закреплен один из направляющих аппаратов. 4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что ротор выполнен съемным, а устройство снабжено комплектом роторов с различными углами установки лопастей. 5. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что каждый из направляющих аппаратов выполнен в виде неподвижного цилиндрического кольца с плоскими или изогнутыми радиальными ребрами. 6. Устройство по пп. 1 5, отличающееся тем, что ребра направляющего аппарата, расположенного со стороны привода, выполнены выступающими за пределы его кольца. 7. Устройство по пп. 1 6, отличающееся тем, что кольца направляющих аппаратов и обечайки ротора выполнены с одинаковым внутренним диаметром и размещены таким образом, что в совокупности образуют составную циркуляционную трубу.