СМЕСИТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК B01F5/00 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в легкой, химической и других отраслях промышленности для перемешивания, эмульгирования и гомогенизации жидких и газообразных многокомпонентных систем, а также для диспергирования твердых частиц в жидкости.

Известен встраиваемый статический смеситель, образованный цилиндрическим корпусом, в полости которого размещены плоские пластины, лопасти и лопатки сложной формы (см. патент США N 4 461 579, кл. BO1F 5/00, 1984).

Однако, данный смеситель достаточно сложен, а, кроме того, не обеспечивает высокой степени гомогенизации, поскольку смешиваемые компоненты поступают в него одновременно. При этом для эффективного смешивания требуется либо подготовительная стадия перемешивания, либо многократная рециркуляция.

С целью устранения перечисленных недостатков были разработаны смесители, в которых один из компонентов подавался в зону кавитации или, во всяком случае, в зону турбулентного течения второго компонента (см. например, патент Великобритании N 2 022 430, кл. BO1F 5/00, 1979). Данный смеситель содержит корпус с продольным патрубком ввода первого компонента и наклонными патрубками ввода второго компонента.

Наиболее близким к предложенному является смеситель, содержащий цилиндрический корпус с осевым каналом ввода первого компонента и боковыми каналами ввода второго компонента смеси, расположенными под определенным острым углом к оси корпуса (см. патент N США 4 474 477, кл. B O1 F 5/00, 1984).

К недостаткам смесителей подобного типа следует отнести низкую эффективность смешивания, обусловленную как отсутствием завихрителей и расположением патрубков, так и существенной зависимостью эффективности смешивания от состава смеси, так что смеситель, настроенный на определенный расход компонентов, оказывается непригодным для работы при изменившемся расходе, что ограничивает область его применения, поскольку для большинства применений состав смеси непостоянен.

Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение эффективности смешивания в широком диапазоне возможных составов смеси.

Указанный результат достигается тем, что известный смеситель, содержащий цилиндрический корпус с осевым каналом ввода первого компонента и боковыми каналами ввода второго компонента смеси, снабжен завихрителями, каналы ввода второго компонента выполнены в виде трубок и изогнутым концом, расположенных в боковых отверстиях корпуса, при этом завихрители размещены в полости корпуса соосно с ним, а изогнутые концы трубок расположены за соответствующими завихрителями в кавитационной зоне.

Кроме того, трубки могут быть установлены в боковых отверстиях корпуса с возможностью возвратно-поступательного и/или вращательного фиксированного перемещения.

Целесообразно также, чтобы трубки были соединены общим патрубком ввода второго компонента с направлением потока, обратным направлению потока в смесителе.

Рекомендуется, чтобы угол между осью трубки и ее изогнутым концом составлял 26-34 градуса.

Кроме того, угол поворота трубки может лежать в диапазоне 15-25 градусов.

При этом относительное смещение конца трубки может составлять 20-70%
Кроме того, завихрители могут быть выполнены со сквозными отверстиями, а площадь сечения предшествующего завихрителя превышать площадь наибольшего сечения последующего.

Целесообразно также, чтобы относительное смещение и угол поворота трубки, расположенной за предшествующим завихрителем, были соответственно больше и меньше, чем соответствующие величины для трубки, расположенной за последующим завихрителем.

При этом знаки относительных смещений и углов поворота трубок, расположенных за смежными завихирителями, могут быть различны.

Кроме того, часть завихрителей может быть выполнена со сквозными отверстиями, при этом завихрители с отверстиями и без них могут быть размещены чередуясь.

При этом относительное смещение и угол поворота трубок, расположенных за завихрителями с отверстиями соответственно меньше и больше, чем те же величины для трубок, размещенных за завихрителями без отверстий.

И, наконец, относительное смещение и угол поворота трубок могут определяться из соотношений
L=(r+KA)/Gv, a V/CA,
где: L, a относительное смещение и угол поворота трубки соответственно;
A содержание наиболее вязкого компонента в смеси;
V расход наименее вязкого компонента смеси;
r, K, G, C константы.

На чертеже представлен продольный разрез смесителя.

Смеситель содержит цилиндрический корпус 1 с входным каналом (штуцером) 2 и выходным каналом 3. В полости корпуса 1 установлены завихрители 4, за которыми размещены трубки 5 с изогнутым концом. Завихрители 4 могут быть выполнены со сквозными отверстиями 6. Трубки 5 установлены в отверстиях 7 корпуса.

Каналы 2, 3 могут быть выполнены коническими, соответственно сужаясь и расширяясь по ходу потока. В полости корпуса 1 также могут быть конические участки (диффузоры и конфузоры), обеспечивающие, вместе с завихрителями 4, возникновение кавитационных зон, т.е. зон, в которых в процессе использования смесителя развивается кавитационная каверна, расположенных за соответствующим завихрителем. В простейшем случае такой зоной можно считать объем, полученный в результате симметричного преобразования завихрителя относительно плоскости его основания.

В предлагаемом смесителе могут быть использованы как конические завихрители, так и завихрители в виде призмы, пирамиды, полусферы и т.п.

Для установки трубок 5 с возможностью фиксированного перемещения, т.е. перемещения в процессе настройки смесителя и фиксации в процессе его работы, можно воспользоваться скользящей посадкой трубок 5 в отверстиях 7 или резьбой, предпочтительно с большим шагом. Могут быть использованы и автоматические механизмы, осуществляющие осевое перемещение и поворот трубок 5 в зависимости от скорости потока и вязкости среды. С этой целью в состав смесителя могут быть введены датчики расхода наиболее и наименее вязкого компонентов смеси, выходы которых подключены к входам блока обработки, выходы которого соединены с соответствующими узлами регулировки положения трубок 5. Алгоритм работы блока обработки задается вышеприведенными соотношениями, а входящие в них константы определяются экспериментально для каждой трубки 5 по минимуму числа рециркуляций, необходимых для достижения определенной степени гомогенизации смеси на выходе канала 3. Величины смещения трубок 5 и углы их поворота могут устанавливаться и одинаковыми для всех трубок.

Исходным положением трубки 5 считают такое, когда срез ее изогнутого конца касается центра основания завихрителя 4, т.е. конец трубки находится на оси корпуса и лежит в плоскости фиг. 1. Величина относительного смещения определяется как отношение смещения трубки 5 к внутреннему радиусу корпуса 1. Знак смещения определяется произвольно, например, подъем и поворот против часовой стрелки могут иметь знак плюс.

Трубки 5 могут быть соединены общим патрубком ввода второго компонента (на чертеже не показано), т.е. являться последовательными отводами данного патрубка. При этом трубка 5, расположенная за последним завихрителем 4, является первой по ходу потока второго компонента.

Смеситель работает следующим образом. Основной поток обрабатываемой среды (первый компонент смеси, в качестве которого может выступать и предварительно подготовленная смесь веществ) подается в полость корпуса 1 через канал 2. При прохождении потоком завихрителей 4, особенно при наличии в полости корпуса диффузоров и конфузоров, за ними образуются кавитационные каверны, в которых происходит интенсивное дробление и перемешивание компонентов смеси. Второй компонент (чистое вещество или некоторая смесь компонентов) подается по трубкам 5 непосредственно в зону кавитации, что способствует более интенсивному перемешиванию. Дальнейшему увеличению степени гомогенизации способствует выбор оптимальных положений трубок 5 при обработке конкретной смеси.

Необходимо отметить также, что соблюдение вышеприведенных условий и ограничений, накладываемых на расположение трубок 5 может сочетаться с их установкой с возможностью фиксированного регулировочного смещения и поворота. Например, настройка смесителя может производиться в указанных пределах, конструктивно выраженных в виде ограничителей осевого смещения и поворота трубок 5. И, наоборот, в процессе настройки могут соблюдаться приведенные выше условия и ограничения.

Например, проводились испытания трехступенчатого смесителя с завихрителями в виде усеченного конуса. Вода подводилась через канал 2, а эмульсол в количестве 4 масс. по трубкам 5. В результате было установлено, что минимальная степень рециркуляции, равная единице, достигается при использовании трубки, изогнутой под углом 30 градусов, повернутой на 20 градусов и смещенной на 3-40 Подобный эксперимент позволяет определить константы.

Дальнейшие исследования показали, что вне указанных выше диапазонов эффективность смешивания заметно падает (в 2-2,5) раза. Это означает, что введение одного из компонентов непосредственно в зону кавитации и оптимальный выбор точки введения в пределах этой зоны (за счет соблюдения вышеприведенных условий и соотношений или за счет индивидуальной настройки смесителя) позволяет существенно повысить эффективность работы смесителя и использовать его для обработки смесей в широком диапазоне составов.

Смеситель содержит цилиндрический корпус с осевым каналом ввода первого компонента, трубки с изогнутыми концами для ввода второго компонента, установленные с возможностью возвратно-поступательного перемещения в боковых отверстиях корпуса и установленные перед трубками кавитаторы, выполненные, например, в виде усеченных конусов, направленных меньшими основаниями навстречу потоку и имеющих сквозные отверстия, 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Смеситель, содержащий цилиндрический корпус с осевым каналом ввода первого компонента, трубки для ввода второго компонента смеси, расположенные в боковых отверстиях корпуса, и кавитаторы, размещенные последовательно соосно в полости корпуса, отличающийся тем, что трубки выполнены с изогнутыми концами и расположены за кавитаторами по ходу движения потока смеси. 2. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что трубки установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения и/или поворота вокруг своей оси. 3. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что угол между осью трубки и ее изогнутым концом составляет 26 34^o. 4. Смеситель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что трубки установлены с возможностью поворота на 15 25^o. 5. Смеситель по пп. 1 4, отличающийся тем, что кавитаторы выполнены в виде усеченных конусов, меньшим основанием направленных навстречу потоку и имеющих сквозные отверстия. 6. Смеситель по пп. 1 4, отличающийся тем, что кавитаторы выполнены в виде усеченных конусов, меньшим основанием направленных навстречу потоку, и четные из них выполнены со сквозными отверстиями, а нечетные сплошными. 7. Смеситель по пп.1 6, отличающийся тем, что величины относительного смещения и угла поворота трубок определены из выражений
L (r + kA)GV;
a V/CA,
где L и a относительное смещение и угол поворота трубки соответственно;
A содержание наиболее вязкого компонента;
V расход наименее вязкого компонента;
r, k, G, C константы. 8. Смеситель по пп.1, 2, 6 и 7, отличающийся тем, что направления относительного смещения и поворота трубок, расположенных за соседними кавитаторами, противоположны. 9. Смеситель по пп.1, 2, 7 и 8, отличающийся тем, что величины относительного смещения и угла поворота трубок, расположенных за кавитаторами с отверстиями, выполнены соответственно большей и меньшей, чем для трубок, размещенных за сплошными кавитаторами.