УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Российский патент 1997 года по МПК B01F11/00 

Изобретение относится к технике приготовления дисперсных систем жидкость-газ, жидкость-жидкость, жидкость-твердые частицы и проведения тепломассобменных процессов в них с использованием вибровоздействий и может быть использовано в пищевой, химическойнефтехимической и других отраслях промышленности.

Известно устройство для получения дисперсных систем, содержащее вертикальную емкость с герметичной крышкой, установленную на столе вибростенда [1] При работе этого устройства емкость заполняют жидкостью не полностью, оставляя над поверхностью жидкости объем газа, контактирующий с поверхностью жидкости. При работе известного устройства вибрирование емкости вызывает нелинейные колебательные движения столба жидкости, сопровождающиеся пульсациями давления, образованием звуковых и гравитационных волн, приводящих к разрушению поверхности жидкости и насыщению приповерхностного слоя жидкости пузырьками газа. С увеличением амплитуды вибраций пузырьки газа тонут и группируются внутри объема жидкости, при этом их местоположение зависит от параметров вибрации, свойств жидкости и характеристик емкости. При определенной частоте вибраций, которая соответствует резонансу нелинейных акустических колебаний газожидкостной среды, с увеличением амплитуды колебаний вибростенда пузырьки газа лавинообразно тонут на дно емкости, где образуют "воздушную подушку", на которой столб жидкости как на пружине начинает совершать колебания с амплитудой намного превышающей амплитуду вибраций стенда.

Недостатком данного устройства является сложность установления режима вибротурбулизации и большие затраты энергии.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство для получения дисперсных систем [2] содержащее герметичную емкость с технологическими патрубками, установленную неподвижно. В верхней части емкости помещена вертикально установленная упругая тонкостенная сильфонная оболочка с открытым нижним торцом, на верхнем торце которой закреплена пластина с центральным отверстием. Сильфонная оболочка при помощи штока присоединена к виброприводу, установленному на крышке емкости. Сильфонная оболочка установлена в верхней части емкости таким образом, чтобы пластина находилась на высоте, составляющей 0,85-0,9 высоты емкости. Перед работой устройства емкость заполняется смешиваемыми жидкостями и твердыми компонентами до уровня, когда при крайнем нижнем положении штока вся сильфонная оболочка находится в жидкости, а пластина на поверхности жидкости. При включении вибратора сильфонная оболочка начинает совершать вертикальные колебания в жидкости, при этом верхняя ее часть с пластиной периодически поднимается над уровнем жидкости на расстояние, равное двойной амплитуде колебаний штока. Колебания сильфонной оболочки и периодические удары пластины о поверхность жидкости приводят в движение столб жидкости, возбуждая в нем поверхностные и акустические волны, что приводит к захвату и транспорту пузырьков газа вглубь жидкости. При совпадении частоты вибраций с частотой собственных колебаний системы наступает резонанс, обеспечивающий высокую эффективность получения дисперсных систем. Основным недостатком этого устройства является невысокое газосодержание в системе и неравномерное распределение газа по ее объему. Дальнейшее уменьшение транспорта газа в жидкость происходит по мере насыщения жидкости газом, так как пластина погружается в газожидкостную среду и ввод газа через центральное отверстие в пластине практически прекращается. Удары пластины о поверхность жидкости в начале процесса смешения жидкости и газа, когда она располагается на расстоянии двойной амплитуды колебаний от поверхности, не приводят к возникновению гидроударов в системе, что также снижает эффективность работы устройства.

В основу предлагаемого изобретения положена задача интенсификации процесса перемешивания за счет повышения эффективности вибрационных воздействий, а также повышения эксплуатационных возможностей устройства.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для получения дисперсных систем, содержащем герметичную емкость для жидкости, в которой размещен упругий элемент в виде сильфонной оболочки с закрепленной на верхнем торце пластиной с центральным отверстием и открытым нижним торцом, вибропровод с вертикальным штоком, согласно изобретению, в отверстии пластины установлена труба с дном и соединена со штоком с возможностью регулирования ее положения по высоте емкости, при этом сверху труба сообщена со свободным пространством емкости, а дно трубы перфорировано коническими отверстиями с направлением сужений отверстий вниз и снаружи закрыто сеткой или тканью, кроме того пластина перфорирована коническими отверстиями с направлением сужений отверстий вверх и выполнена с возможностью перемещения относительно трубы. Нижний торец сильфонной оболочки установлен на штырях, жестко связанных со стенкой емкости. В днище емкости установлены клапанные приспособления для подсоса воздуха и его распределения в придонной части жидкости. Клапанное приспособление для подсоса воздуха выполнено в виде сильфона с герметичной крышкой на верхнем торце и герметично прижатым к днищу емкости нижним краем, перекрывающим отверстие в днище емкости в крайнем нижнем положении сильфона, а шток соединен с крышкой сильфона. На штоке выполнены дополнительные перемешивающие диски, перфорированные коническими отверстиями.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для получения дисперсных систем с установленными в днище емкости клапанными приспособлениями для подсоса воздуха; на фиг. 2 подобное устройство, в котором на днище емкости установлен сильфон, а на штоке перемешивающие диски, перфорированные коническими отверстиями.

Устройство (фиг. 1) содержит емкость 1 для жидкости с герметичной крышкой 2, установленную неподвижно. Емкость снабжена патрубками 3, 4, 5 для подачи исходных компонентов дисперсной системы (жидкости и газа) и отвода полученной смеси, а также люком 6 с крышкой 7 для твердофазной составляющей суспензий, взвесей и растворов. В нижней части емкости 1 помещена вертикально установленная упругая тонкостенная сильфонная оболочка 8 с открытым нижним торцом, на верхнем торце которой закреплена перфорированная коническими отверстиями 9, направленными сужением вверх, пластина 10. В отверстии пластины 10 установлена труба 11, присоединенная сообщаемым с окружающей средой верхним концом к штоку 13 при помощи ребер 12. Шток 13 верхним концом присоединен к вибратору 14 и свободно проходит через уплотненное втулкой 15 отверстие в крышке 2. Дно 16 трубы 11 выполнено перфорированными коническими отверстиями 17, направленными сужением вниз, а снаружи закрыто сеткой или тканью 18. Труба 11 выполнена с возможностью перемещения по штоку 13, а пластина 10 сделана перемещаемой относительной трубы 11. Сильфонная оболочка 8 установлена на штырях 19, жестко связанных со стенками емкости 1. На днище 20 емкости 1 установлено клапанное приспособление 21 или 22 для аэрации придонного слоя жидкости. Клапанное приспособление 21 состоит из трубы 23 с вентилем 24, отрезок которой возвышается над днищем 20 емкости 1. Над выходом из трубы 23 помещена на пружинах 25 пластинка 26. Расстояние от среза трубы 23 до пластинки 26 составляет несколько миллиметров в незатопленной жидкостью емкости 1. Клапанное приспособление 22 состоит из отверстия 27 в днище 20 емкости 1, к которому присоединяется труба 23 с вентилем 24. Над отверстием 27 помещается клапан 28, удерживающий пружиной 29, упирающейся в пластинку 30, установленную на стойках 31.

В устройстве, представленном на фиг. 2, пластина 10 и дно 16 трубы 11 выполнены на одном уровне, а на днище 20 емкости 1 установлен сильфон 32, крышка 33 которого соединена со штоком 13. Сильфон 32, находясь в крайнем нижнем положении, нижним краем перекрывает отверстие 34 в днище 20 емкости 1, имеющей трубопровод 23 с вентилем 24 для подвода газа к придонному слою жидкости. На штоке 13 закреплен диск вибромешалки 35, имеющей коническое отверстие (или конические насадки), направленные сужением вверх 36 или вниз 37, чередующиеся между собой. Труба 11 вместе с пластиной 10, а также диск вибромешалки выполнены с возможностью перемещения относительно вертикальных стенок емкости 1, например, при помощи винта и гайки.

Устройство, изображенное на фиг. 1, работает следующим образом. Перед работой устройства емкость 1 заполняется смешиваемыми жидкими (и твердыми - через люк 6) компонентами до уровня 0,7-0,95 высоты емкости. При этом пластина 10 в зависимости от свойств жидкости и размеров емкости либо погружается в жидкость, либо помещается над свободной поверхностью жидкости на расстоянии, величина которого может меняться в диапазоне от амплитуды вибраций пластины 10 до размаха ее колебаний. Увеличивая или уменьшая это расстояние, можно регулировать интенсивность ударных нагрузок на дисперсную систему и окружающую среду. Затем емкость 1 герметизируется. При заключении вибратора 14 пластина 10, труба 11 и сильфонная оболочка 8 начинают совершать вертикальные колебания в жидкости. Колебание трубы 11, сильфонной оболочки 8 и пластины 10 или удары последней о поверхность жидкости возбуждают в ней пульсации давления. Колебательное движение сильфонной оболочки 8, опирающейся на штыри 19, совместно с пластиной 10 способствует образованию крупномасштабного вихревого течения. При движении пластины 10 вниз из отверстий 9, направленных сужением вверх, выбрасываются вверх струйки жидкости, которые, будучи дальнобойными, достигают свободной поверхности, покидают жидкость, распадаются и возвращаются обратно, насыщая жидкость газом. Колебания дна 16 трубы 11, перфорированного коническими отверстиями 17, направленными сужениями вниз, и закрытого снаружи сеткой или тканью, приводят к тому, что из трубы 11, сообщающейся со свободным пространством емкости 1 (занятым воздухом), засасывается воздух в жидкость и распределяется в ней. Так как труба выполнена с возможностью перемещения относительно стенок емкости 1, то глубина погружения пузырьков регулируется в широких пределах. Клапанные приспособления 21 или 2 служат для аэрации придонного слоя жидкости. Клапанное приспособление 21 работает следующим образом. При заполнении емкости 1 жидкостью пластинка 26 сжимает пружину 25 и перекрывает вход воздуха в емкость 1 и выход из нее жидкости. Включение вибратора 14, соединенного с трубой 11, пластиной 10 и сильфонной оболочкой 8 приводит к пульсациям давления, под действием которых пластинка 26 начинает колебаться на пружинах 25 так, что при отрицательных давлениях она поднимается и воздух из трубы 23 при открытом вентиле 24 начинает подсасываться в придонный слой жидкости, при положительном давлении пластинка 26 перекрывает вход в трубу 23. При определенном повышении давления в емкости 1 за счет подсосанного воздуха пластинка перестает колебаться и перекрывает вход в трубу 23. Клапанное приспособление 22 работает аналогично приспособлению 21. В статике клапан 28 прижат пружиной 29 к отверстию 27. При включении вибратора 14 в жидкости появляется пульсирующее давление за счет колебаний трубы 11, пластины 10 и сильфонной оболочки 8. В фазе разрежения клапан 28 отходит от отверстия 27 и при открытом вентиле 24 на трубе 23 газ из атмосферы или какой-либо другой емкости поступает в емкость 1. В фазе повышенного давления клапан 28 перекрывает отверстие 27. По окончании процесса аэрации амплитуда колебаний столба жидкости увеличивается, внутри объема жидкости возникают кавитационные полости и пузырьки, которые схлопываясь генерируют в системе мощные импульсы давления, что способствует дроблению и диспергированию имеющихся в жидкости пузырьков газа. Возникающая газожидкостная система обладает заметной сжимаемостью и может колебаться с собственной частотой, которая зависит от количества поступившего в жидкость газа. При совпадении собственной частоты газожидкостной системы в объеме с упруго-пластичными границами с частотой вибрации наступает нелинейный резонанс, который сопровождается интенсивными колебаниями газожидкостной системы, гидроударами и волнами разгрузки. Это приводит к резкому увеличению в объеме количества схлопывающихся кавитационных полостей, интенсивному захвату газа свободной поверхностью жидкости и формированию режима развитой вибротурбулизации, что способствует образованию однородной газожидкостной смеси во всем объеме емкости. В режиме резонанса кавитация и вибротурбулизация наступает через 30-40 с, а для ее поддержания амплитуду колебаний вибростенда можно уменьшить на 30-40% что позволить снизить энергозатраты на получение дисперсной системы не менее, чем в два раза. Дополнительный ввод газа через клапанное приспособление увеличивает газонасыщение и тем самым заметно увеличивает сжимаемость газожидкостной системы. Это приводит к снижению резонансной частоты, что улучшает режим работы вибропривода и увеличивает его КПД. С другой стороны дополнительный ввод газа позволяет более быстро и эффективно создать дисперсную систему при более однородном распределении газа по ее объему. Перфорированные коническими отверстиями, направленными в разную сторону, пластина 10 и дно 16 трубы 11 работают, помимо всего прочего, как вибронасос, который создает крупномасштабную циркуляцию дисперсной среды от стенок емкости 1 внутрь объема и обратно, что обеспечивает равномерное перемешивание компонент дисперсной системы по всему объему емкости 1.

Устройство, изображенное на фиг. 2, работает аналогично устройству, представленному на фиг. 1. Установка на днище 20 емкости 1 сильфона 32 и перфорированного коническими отверстиями диска вибромешалки 35 способствует аэрации и перемешиванию придонного слоя жидкости при открытом вентиле (клапане) 24 на трубе 23. По окончании аэрации (что можно контролировать визуально или по величине и частоте пульсаций давления жидкости) клапан 24 закрывается. Таким образом, установка дополнительных аэраторов в виде трубы, дно которой перфорировано коническими отверстиями, направленными сужениями вниз и закрытое снаружи сеткой или тканью, пластины, перфорированной коническими отверстиями, направленными сужением вверх, регулирование положения трубы и пластины в объеме жидкости и наличие клапанных приспособлений или сильфона приводит к интенсивному аэрированию жидкости по всему объему. Установка дополнительных перемешивающих устройств в виде сильфона, вибромешалки, а также выполнение сильфонной оболочки с возможностью ее сжатия и расширения приводит к более быстрому и устойчивому переходу в вибротурбулизованное состояние. Суммарное действие указанных факторов позволяет повысить эффективность вибрационных воздействий в процессах смешивания компонент разной фазы, перемешивания дисперсных систем и тепломассообмена.

Сущность изобретения: устройство для получения дисперсных систем содержит герметичную емкость для жидкости, в которой размещен упругий элемент в виде сильфонной оболочки с закрепленной на верхнем торце пластиной с центральным отверстием и открытым нижнем торцом. Устройство снабжено трубой с дном, установленной в отверстии пластины и соединенной со штоком с возможностью регулирования ее положения по высоте емкости. При этом сверху труба сообщена со свободным пространством емкости, а дно трубы перфорировано коническими отверстиями с направлением сужений отверстий вниз и снаружи закрыто сеткой или тканью. Кроме того, пластина перфорирована коническими отверстиями с направлением сужений вверх и выполнена с возможностью перемещения относительно трубы. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для получения дисперсных систем, содержащее герметичную емкость для жидкости, в которой размещен упругий элемент в виде сильфонной оболочки с закрепленной на верхнем торце пластиной с центральным отверстием и открытым нижним торцом, вибропривод с вертикальным штоком, отличающееся тем, что оно снабжено трубой с дном, установленной в отверстии пластины и соединенной с штоком с возможностью регулирования ее положения по высоте емкости, при этом сверху труба сообщена со свободным пространством емкости, а дно трубы перфорировано коническими отверстиями с направлением сужений отверстий вниз и снаружи закрыто сеткой или тканью, кроме того, пластина перфорирована коническими отверстиями с направлением сужений отверстий вверх и выполнена с возможностью перемещения относительно трубы. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижний торец сильфонной оболочки установлен на штырях, жестко связанных со стенкой емкости. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в днище емкости установлены подпружиненные клапанные приспособления для подсоса и распределения воздуха в придонной области. 4. Устройство по пп.1 и 3, отличающееся тем, что приспособление для подсоса воздуха выполнено в виде сильфона с герметичной крышкой на верхнем торце и герметично прижатым к днищу емкости нижним краем, перекрывающим отверстие в днище емкости в крайнем нижнем положении сильфона, а шток соединен с крышкой сильфона. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на штоке выполнены дополнительные перемешивающие диски, перфорированные коническими отверстиями.