НАСОС-ДИСПЕРГАТОР Российский патент 1997 года по МПК B01F7/00 F04D1/00 

Изобретение относится к устройствам для получения и перекачивания тонкодисперсных эмульсий и может быть использовано в химическом, нефтехимическом, целлюлозно-бумажном, пищевом, строительном и других производствах.

Устройство, созданное на базе стандартного центробежного насоса, позволяет получить в зазоре, образованном между колесом-ротором и перфорированным кольцом-статором, область интенсивной турбулентности, где за счет действия пульсаций давления и скорости в потоке эмульсии происходит дробление капель дисперсной фазы при одновременном перекачивании обрабатываемой эмульсии.

Среди известных устройств, совмещающих функции насоса и диспергатора, - "Центробежный насос" по авторскому свидетельству N 1418491 (кл. B OI P 7/04, 1988 г.), который содержит корпус, ротор, выполненный в виде лопастного колеса, установленного на валу, и перфорированного кольца, неподвижно закрепленного на периферии колеса и вращающегося вместе с ним, и статор в виде перфорированного кольца, неподвижно установленного в корпусе, причем кольца установлены с зазором относительно друг друга.

Недостатком известного устройства является невозможность использования его для создания эмульсий из жидкостей с разным межфазным натяжением, поскольку диспергирующие элементы (перфорированные кольца) выполнены стационарными, и это не позволяет изменять условия диспергирования (регулировать зазор между кольцами), что необходимо при работе с различными по свойствам жидкими системами.

Известен также "Центробежный диспергатор" (авт. св. N 778761, кл. B OI F 7/04, 1980 г.), который содержит корпус, лопастное колесо и сдвоенное перфорированное кольцо, охватывающее колесо и состоящее из внутреннего перфорированного кольца, жестко закрепленного в корпусе, и внешнего неподвижного, но допускающего фиксированный поворот вокруг оси на определенный угол.

По замыслу авторов изобретения регулирование взаимного расположения перфорированных колец должно влиять на изменение степени дисперсности. Однако это возможно только при изготовлении суспензий, содержащих твердую фракцию, и мало эффективно при создании эмульсий.

Наиболее близким аналогом из известных, совпадающим с предлагаемым решением по наибольшему количеству общих признаков, принят "Центробежный насос для перекачивания и диспергирования жидкостей" по авт. св. N 992829 (дополнительное к авт. св. N 773311, кл. F 04 D I/00, 1983 г.).

Известное устройство содержит корпус, входной и выходной патрубки, ротор, выполненный в виде лопастного колеса с ведущим и покрывным дисками и перфорированного кольца, неподвижно закрепленного на колесе и вращающегося вместе с ним, статор в виде перфорированного кольца, неподвижно закрепленного в корпусе, причем, кольца размещены с зазором относительно друг друга.

Недостатками наиболее близкого аналога следует считать невозможность создания у различных эмульсий более высокой степени дисперсности, так как зазор между кольцами (фактор, существенно влияющий на степень диспергирования) остается постоянным вне зависимости от свойств эмульсии (межфазное натяжение, плотность, вязкость), а кроме того, такая конструкция устройства значительно снижает напор и производительность базового насоса, поскольку наличие двух колец создает дополнительное гидравлическое сопротивление потоку перекачиваемой жидкости.

Целью изобретения является создание эмульсий с разным межфазным натяжением, повышение их качества путем регулирования величины зазора, улучшение основных насосных характеристик устройства и расширение диапазона его использования.

Поставленная цель достигается тем, что в насосе-диспергаторе, содержащем корпус с входным патрубком, установленное на валу лопастное колесо-ротор с ведущим и покрывным дисками, статор в виде перфорированного кольца, неподвижно закрепленного в корпусе, расположенного концентрично лопастному колесу и установленного с зазором относительно него, и выходной патрубок, перфорированное кольцо выполнено съемным с возможностью изменения его диаметра и закрепленного в корпусе посредством буртика, а величина зазора между кольцом и колесом определена формулой:

где δ зазор между кольцом (статором) и колесом (ротором), м;
d минимальный размер капель, м;
n частота вращения ротора, об/с;
D диаметр ротора, м;
r плотность среды, кг/м⁶;
n кинематический коэффициент вязкости среды, м²/с;
s межфазное натяжение жидкостей, н/м;
C опытный коэффициент;
p, q, l опытные значения показателей степеней,
при этом прорези перфорированного кольца выполнены трапецеидальными и обращены большими основаниями к буртику, их суммарная площадь равна площади выходного сечения колеса, причем, площадь каждой прорези составляет 0,8 от квадрата ширины выходного сечения колеса, а кромки прорезей скошены в направлении движения потока эмульсии.

Для доказательства наличия существенных признаков в предлагаемом техническом решении приводим следующие обоснования, подтверждающие достижение технического результата:
выполнение перфорированного кольца съемным позволяет менять его диаметр, и следовательно, регулировать величину зазора (величину, определяющую степень дисперсности эмульсий), за счет чего появляется возможность создавать эмульсии с разным межфазным натяжением и с заданной степенью дисперсности, а это, в свою очередь, расширяет диапазон использования насоса-диспергатора,
наличие буртика позволяет сделать кольцо съемным, т.е. влиять на возможность регулирования величины зазора между колесом и кольцом (ротором и статором),
определение величины зазора по предложенной авторами формуле, учитывающей влияние основных параметров выбранного насоса и физико-химических характеристик эмульсии, позволяет получать эмульсии с заданным (необходимым) размером капель,
выполнение прорезей кольца трапецеидальными с определенным расположением оснований трапеции и скошенностью кромок в направлении движения потока эмульсии способствует получению необходимой степени дисперсности создаваемой эмульсии, а также уменьшению потерь производительности и напора насоса за счет снижения гидравлического сопротивления потока эмульсии,
выполнение суммарной площади прорезей кольца, равной площади выходного сечения колеса, а площади каждой прорези в определенной зависимости от ширины выходного сечения колеса позволяет улучшить насосные характеристики устройства (напор, производительность) также за счет уменьшения гидравлического сопротивления потока эмульсии,
наличие в предлагаемой конструкции только одного перфорированного кольца (в сравнении с прототипом) обеспечивает упрощение устройства и улучшение его насосных характеристик.

На фиг. 1 показан общий вид устройства; на фиг. 2 вид устройства по сечению А-А; на фиг. 3 перфорированное кольцо-статор.

Предлагаемый насос-диспергатор содержит корпус 1 с входным патрубком 2 и лопастное колесо-ротор 3, межлопастное пространство которого ограничено ведущим 4 и покрывным 5 дисками. Статор перфорированное кольцо 6 с трапецеидальными прорезями 7 имеет буртик 8, посредством которого кольцо 6 прикреплено к корпусу 1. Пространство между колесом 3 и внутренней поверхностью кольца-статора 6 образует зазор 9. Корпус 1 имеет также спиральный отвод с выходным патрубком 10.

Насос-диспергатор работает следующим образом.

Предварительно приготовленная крупнодисперсная эмульсия подается через входной патрубок 2 в корпус 1 насоса. Проходя через входное сечение вращающегося лопастного колеса 3, эмульсия попадает в межлопастное пространство, ограниченное ведущим 4 и покрывным 5 дисками, где радиально движется, одновременно вращаясь, к выходному сечению колеса 3. При вращении колеса 3 по обе стороны каждой лопасти в потоке эмульсии возникает разность давлений, отчего происходит приращение ее гидравлической энергии. Вращательно-поступательное движение эмульсии вызывает увеличение частоты столкновений капель, а следовательно, их укрупнение. В зазоре 9 между колесом 3 и кольцом 6 с трапецеидальными прорезями 7 эмульсия движется вихреобразно в неустановившемся режиме, при этом в потоке возникает спектр пульсаций давления и скорости. Мелкомасштабная турбулентность, кавитация и механическое воздействие приводят к интенсивному дроблению капель в зазоре 9 и прорезях 7 кольца 6, в результате чего получается мелкодисперсная эмульсия.

Характер распределения скорости эмульсии по ширине выходного сечения колеса 3 обусловил трапецеидальную форму прорезей 7 на статоре 6, а их площадь принята равной площади проходного сечения колеса 3. Строго определенная величина зазора 9 влияет на гидродинамические условия для наиболее эффективного дробления и перекачивания эмульсии. В спиральном отводе корпуса 1 насоса происходит преобразование кинетической энергии тонкодисперсной эмульсии в энергию давления, в результате чего готовая эмульсия перекачивается через выходной патрубок 10 из аппарата.

При испытании заявляемого насоса-диспергатора (приготовление и перекачивание эмульсий) были использованы три модификации аппаратов, изготовленных на базе серийных центробежных электронасосов типа "X", с широким диапазоном частот вращения колеса, производительностей и напоров.

Готовили и перекачивали водные эмульсии изоамилового спирта, конденсаторного масла и толуола, имеющие различные коэффициенты межфазного натяжения s (5,2; 21,8; 35,7) 10^-3 н/м, соответственно), от величины которого, из многих физико-химических свойств, главным образом зависит дисперсность эмульсий.

Для получения различных эмульсий со средним размером минимальной фракции капель d 1, 2, 3 мкм (фракция d±0,5 мкм должна составлять более 70% от общего количества измеренных капель) необходимо выбрать серийный центробежный насос, имеющий частоту вращения n колеса диаметром D, обеспечивающий производительность Q и напор H.

Затем по предложенной математической формуле рассчитывают величину зазора d между колесом и кольцом (табл. 1) и изготавливают кольцо-статор необходимого диаметра с точностью до десятых миллиметра.

Трапецеидальность прорезей и их размеры определены конструктивными соображениями, при этом большее и меньшее основания трапеции и ее высота зависят от ширины выходного сечения b колеса.

Таким образом, было получено соотношение для расчета площади одной прорези: f 0,8 b².

С учетом равенства площадей выходных сечений колеса и кольца было рассчитано число прорезей на кольце-статоре, при котором достигаются минимальные потери производительности (20%) и напора (25%) базового насоса при установке статорного кольца необходимого диаметра.

Дисперсионный анализ полученных эмульсий проводили оптическим методом измерения индикатрисы рассеяния с использованием гелий-неонового лазера (длина волны l 0,6328 мкм). Луч света направляли в исследуемый объем эмульсии, находящейся в зазоре d между колесом и кольцом. Интенсивность рассеянного света определяли по показаниям микроамперметра на входе фотоэлектронного умножителя при перемещении его на различные углы при шаге Db 0,023 рад (Авербух Ю.И. Никифоров О.А. Костин Н.М. Коршаков А.В. "Оптический метод дисперсионного анализа гетерогенных систем", депонирование в ВИНИТИ N 1970-ЛБ 87 от 03.06.87). По измеренной индикатрисе рассеяния (зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния) находили распределение капель эмульсии по размерам.

Для нахождения среднего размера минимальной фракции капель (d ±0,5 мкм) обработаны опытные данные 27 опытов на ЭВМ ЕС 1020 с учетом аппроксимирующей функции, и их сравнение со значениями необходимой дисперсности показало удовлетворительную сходимость (среднее квадратичное отклонение 0,16).

Таким образом, для нахождения величины зазора возможно использование предложенной формулы в пределах условий применения данного технического решения по приготовлению и перекачиванию водных эмульсий заданной дисперсности на разных модификациях насоса-диспергатора.

О стабильности полученных эмульсий (т.е. их качестве) судили по скорости их расслаивания после перекачивания, рассматривая зависимость высоты слоя дисперсной фазы от времени расслаивания эмульсий. Измерение проводили с помощью микроскопической трубы катетометра КМ-6, дающего увеличение 51^x с разрешающей способностью 0,002 мм (Павлушенко И.С. Авербух Ю.И. Костин Н.М. "О методике определения межфазной поверхности при механическом перемешивании несмешивающихся жидкостей", Журнал прикладной химии, XLII, N 5, 1969; 2. "Эмульсии". Под ред. Ф.Шермана. Пер. с англ. Химия, Л. 1972).

Результаты испытаний заявляемого насоса-диспергатора для получения и перекачивания тонкодисперсной эмульсии, например системы "конденсаторное масло вода" (в сравнении с устройством прототипа, воспроизведенным авторами) приведены в табл. 2.

Таким образом, на основании приведенных данных (в сравнении с известным) использование предлагаемого устройства имеет преимущества, которые обеспечивают достижение следующего технического результата:
появляется возможность создания в одном аппарате эмульсий из жидкостей с различными межфазными натяжениями, т.е. расширяется диапазон его использования, достигается универсальность аппарата; это происходит за счет конструктивных особенностей устройства сменности перфорированного кольца, изменения его диаметра и, как следствие, возможности регулирования зазора между кольцом и колесом,
повышается качество получаемых эмульсий (улучшается их дисперсность и стабильность, т. к. возрастает время расслоения) также за счет возможности регулирования зазора и выполнения прорезей кольца предложенной трапецеидальной формы и размеров,
улучшаются насосные характеристики устройства (производительность, напор) за счет предложенной геометрии прорезей кольца-статора и их расположения, а также за счет наличия только одного кольца в конструкции и, следовательно, уменьшения сопротивления потоку движущейся жидкости,
упрощается (и облегчается) конструкция насоса-диспергатора за счет использования меньшего количества деталей,
появляется возможность использования стандартных (серийных) центробежных насосов в дополнительной функции в качестве диспергатора за счет незначительной модификации конструкции насоса.

Использование: приготовление и перекачивание эмульсий в химической, целлюлозно-бумажной, пищевой и некоторых других отраслях промышленности, в частности при создании и транспортировке тонкодисперсных эмульсий из жидкостей с разными межфазными натяжениями. Сущность изобретения: насос-диспергатор содержит корпус с входным и выходным патрубками, ротор в виде лопастного колеса с ведущим и покрывным дисками и статор в виде перфорированного, неподвижно закрепленного в корпусе кольца, концентрично расположенного относительно колеса и установленного с зазором. При этом кольцо выполнено съемным с возможностью изменения его диаметра и закреплено в корпусе посредством буртика; найдена математическая зависимость, характеризующая величину зазора между кольцом и колесом, определена геометрия и размеры прорези и их суммарная площадь. Использование предложенного устройства обеспечивает достижение необходимого технического результата - создания и транспортировки эмульсий с разным межфазным натяжением, повышения их качества путем регулирования величины зазора, улучшения основных насосных характеристик устройства и расширения диапазона его использования. 3 ил., 2 табл.

Насос-диспергатор, содержащий корпус с входным патрубком, установленное на валу лопастное колесо-ротор с ведущим и покрывным дисками, статор в виде перфорированного кольца, неподвижно закрепленного в корпусе, расположенного концентрично лопастному колесу и установленного с зазором относительно него, и выходной патрубок, отличающийся тем, что перфорированное кольцо выполнено съемным с возможностью изменения его диаметра и закреплено в корпусе посредством буртика, величина зазора между кольцом и колесом определена формулой

где δ - зазор между кольцом и колесом, м;
d минимальный размер капель, м;
n частота вращения ротора, об/с;
D диаметр ротора, м;
ρ - плотность среды, кг/м³;
ν - кинематический коэффициент вязкости среды, м²/с;
σ - межфазное натяжение жидкостей, н/м;
c опытный коэффициент;
p, q, l опытные значения показателей степеней,
при этом прорези перфорированного кольца выполнены трапецеидальными и обращены большими основаниями к буртику, их суммарная площадь равна площади выходного сечения колеса, причем площадь каждой прорези составляет 0,8 от квадрата ширины выходного сечения колеса, а кромки прорезей скошены в направлении движения потока эмульсии.