РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННЫЙ АППАРАТ Российский патент 1999 года по МПК B01F5/06 B01F7/10 

Изобретение относится к области химического машиностроения и может быть использовано для проведения процессов смешения, диспергирования, гомогенизации и массообмена в гомогенных и гетерогенных системах.

Известен роторно-пульсационный аппарат, рабочим органом которого является набор вращающихся цилиндров с прорезями, выполненными по всей длине образующей. Во время работы аппарата прорези вращающихся цилиндров с определенной периодичностью открываются и перекрываются перемычками между прорезями соседних неподвижных цилиндров (а.с. СССР 127999, кл. B 01 F 7/28). Известен центробежно-пульсационный аппарат для эмульгирования, диспергирования и массообмена, содержащий корпус и расположенные в нем ротор и статор в виде коаксиальных цилиндров с прорезями, причем статор снабжен упругой кольцевой пластиной, а прорези на роторе и статоре размещены по обе стороны пластины (а. с. СССР 631188, B 01 F 7/28). В результате перекрывания прорезей в стенках статора ротором с отверстиями, кроме радиальных пульсаций давления, возникают осевые пульсации в замкнутом объеме. Известен роторный аппарат а. с. СССР 667223, содержащий корпус, крыльчатку и коаксиально установленные вращающиеся и неподвижные цилиндры с прорезями, причем прорези цилиндров смещены в осевом направлении относительно друг друга при определенном соотношении высот прорезанной и не прорезанной части. При таком выполнении прорезей вся обрабатываемая среда подвергается интенсивному многократному гидромеханическому воздействию в зазорах между вращающимися и неподвижными цилиндрами за счет того, что при работе отверстия в роторе никогда не совпадают с отверстиями в статоре. Такое расположение исключает возможность проскока обрабатываемого материала между рядами ротора и статора. Известен аппарат, содержащий роторный и статорный диски с зубчатыми элементами, размещенными по концентрическим окружностям. Между секторами, на которые разбиты диски ротора и статора, образованы сквозные радиальные каналы (а.с. СССР 273101, кл. B 01 F 5/06, 1969). Для повышения производительности аппарата отверстия в роторе выполнены в центральных частях, в статоре - на периферии.

Недостатками указанных аппаратов является либо наличие транзитного потока обрабатываемой среды в периоды открытия отверстий (прорезей), что приводит к уменьшению времени пребывания среды в активной зоне аппарата (а.с. СССР 127999, 631188) и возможности проскока материала без обработки, либо отсутствие турбулентных пульсаций скорости вследствие размещения на роторном и статорном цилиндрах отверстий (прорезей), не совпадающих при вращении (а. с. СССР 667223). Указанные недостатки приводят к снижению эффективности обработки материалов.

Прототипом предлагаемого изобретения является роторный аппарат, описанный в а. с. 921611, кл. B 01 F 7/26. Аппарат содержит роторные и статорные диски, установленные в корпусе, имеющем впускной и выпускной патрубки. На поверхности дисков расположены по чередующимся концентрическим окружностям зубчатые элементы, образующие на поверхности дисков идентичные для каждого из дисков секторы. При этом зубчатые элементы одного из дисков выполнены со смещением по концентрическим окружностям на угол, определяемый математической зависимостью, таким образом, что элементы одного из дисков в каждом секторе установлены по дугам. В указанном устройстве исключается возможность появления сквозных радиальных каналов при работе, что способствует повышению однородности обработки материала, а также отсутствует возможность перекрывания каналов в одном диске зубьями другого (отсутствуют локальные остановки потока), что снижает нагрузку на узлы привода.

Недостатком указанного устройства-прототипа являются недостаточная эффективность работы роторного аппарата и невысокое качество обработки среды (низкая степень измельчения, гомогенизации) за счет отсутствия пульсации скорости потока, а также низкая дисперсность капель эмульсии.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности работы роторного аппарата и улучшении однородности обрабатываемой среды за счет наличия пульсаций скорости потока при исключении возможности появления транзитного потока.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что предложен роторно-пульсационный аппарат, содержащий роторный и статорный диски с зубчатыми элементами, размещенными по чередующимся концентрическим окружностям и выполненными со смещением по концентрическим окружностям на одном из дисков, при этом расстояние между соседними зубчатыми элементами одной концентрической окружности меньше или равно ширине зубчатого элемента следующей концентрической окружности в направлении к периферии, а зубчатые элементы одной или нескольких концентрических окружностей роторного или статорного дисков смещены на величину, обеспечивающую перекрытие сквозных сечений между зубчатыми элементами соседних пар концентрических окружностей роторного и статорного дисков при открытом положении сквозных сечений любой другой соседней пары этих же дисков. Для перекрытия сквозных сечений между зубчатыми элементами одной или нескольких соседних пар концентрических окружностей роторного и статорного дисков при открытом положении сквозных сечений любой другой соседней пары зубчатые элементы роторного или статорного диска смещены на величину, при которой оси сквозных сечений одних концентрических окружностей совпадают с осями зубчатых элементов других соседних концентрических окружностей того же диска.

Возможно выполнение смещения зубчатых элементов на величину, обеспечивающую соотношение между количеством сквозных сечений в разных концентрических окружностях, равное нецелому или нечетному числу.

Благодаря тому, что расстояние между соседними зубчатыми элементами одной концентрической окружности меньше или равно ширине зубчатого элемента следующей концентрической окружности в направлении периферии и зубчатые элементы одной или нескольких концентрических окружностей роторного или статорного дисков смещены на величину, обеспечивающую перекрытие сквозных сечений между зубчатыми элементами соседней пары концентрических окружностей роторного и статорного дисков при открытом положении сквозного сечения любой другой соседней пары этих же дисков, обеспечивается увеличение числа пульсаций скорости потока в продольном направлении и наличие изменения направления потока в поперечном направлении при любом взаимном расположении ротора и статора. Изменение направления потока вызывает сепарацию твердых частиц в зазорах между статором и ротором, где они подвергаются интенсивному измельчению. При этом, чем больше размер частиц, тем лучше они сепарируются при изменении направления потока и тем дольше они задерживаются в зонах интенсивного измельчения. Измельченные частицы увлекаются потоком и быстрее проходят зоны измельчения. Это обеспечивает более быстрое измельчение компонентов до требуемой дисперсности и снижает количество при обработке материалов. Так при использовании аппарата без смещения время измельчения материалов до размеров от 1 мм до 10-20 микрон составляет около 30 минут, при этом более половины материала измельчается до требуемых размеров в течение первых 2-3 минут, а остальное время затрачивается на измельчение крупных частиц, число которых постепенно уменьшается.

При использовании предлагаемого аппарата время измельчения составляет около 10 минут, то есть уменьшается в три раза. Кроме того, уменьшается опасность переизмельчения части материала, что снижает потери, так как обычно требования к измельченным материалам включают не только максимально, но и минимально допустимый размер частиц.

При использовании предлагаемого аппарата для эмульгирования и гомогенизации наличие пульсаций скорости потока одновременно с его турбулизацией за счет постоянного изменения его направления позволяет повысить эффективность гомогенизации и снизить размер капель эмульсии. Повышение количества пульсаций так же способствует более быстрому и качественному диспергированию материалов, так как известно, что главной причиной разрыва капель при эмульгировании являются турбулентные пульсации скорости. За счет этого аппарат позволяет получить стабильные монодисперсные микроэмульсии (размер капель 5 мкм) за один цикл, то есть аппарат может работать как эмульгатор непрерывного действия без предварительного эмульгирования компонентов (других эмульгаторов).

На фиг. 1 изображен предложенный роторно-пульсационный аппарат, общий вид в разрезе, на фиг. 2, 4 - схема расположения элементов статора в плане, на фиг. 3 - схема расположения элементов ротора в плане, на фиг. 5, 6, 7 - схема возможного расположения элементов ротора и статора.

Роторно-пульсационный аппарат состоит из роторного 1 и статорного 2 дисков, установленных в корпусе 3, имеющем впускной 4 и выпускной 5 патрубки. На поверхности дисков установлены по чередующимся концентрическим окружностям зубчатые элементы ротора 6, 7, 8 и статора 9, 10, 11. Причем зубчатые элементы 10 концентрической окружности статорного диска смещены относительно зубчатых элементов 9 и 11 статорного диска таким образом, что оси сквозного сечения между зубчатыми элементами 10 совпадают с осями зубчатых элементов 9 и 11 (фиг. 2) или соотношение между количеством сквозных сечений в концентрических окружностях с зубьями 9 и 10 и в окружности с зубчатыми элементами 11 равно 1,5 (фиг. 4), возможно любое другое нецелое или нечетное число. Расстояние между соседними зубчатыми элементами (a) одной концентрической окружности меньше или равно ширине зубчатого элемента (b) следующей концентрической окружности в направлении к периферии.

Компоненты подают впускной патрубок 4 на вращающийся роторный диск 1. Под действием центробежной силы, возникающей вследствие вращения роторного диска 1, перемешиваемая масса устремляется к его периферии через сквозные сечения между зубчатыми элементами, расположенными по концентрическим окружностям дисков 1 и 2. При этом зубчатые элементы создают турбулентный режим перемешивания и при взаимодействии зубчатых элементов роторного диска 1 с элементами статорного диска 2 возникают пульсации скорости потока, при этом исключается возможность появления транзитного потока. Соблюдение условия, при котором а ≤ в, обеспечивает локальную остановку потока, при которой эффект сепарации достигает максимальной величины. Достигнув периферии дисков, смесь компонентов удаляется из аппарата через выпускной патрубок 5.

Изобретение предназначено для проведения процессов смешения, диспергирования, гомогенизации. Роторно-пульсационный аппарат содержит установленные в корпусе роторный и статорный диски, имеющие зубчатые элементы, при этом оси зубчатых элементов статорного диска совпадают с осями сквозного сечения между зубчатыми элементами роторного диска или соотношение между количеством сквозных сечений в разных концентрических окружностях того же диска выполнено равным нецелому или нечетному числу. Изобретение повышает эффективность в работе роторного аппарата за счет обеспечения пульсаций скорости потока при исключении возможности появления транзитного потока. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Роторно-пульсационный аппарат, содержащий роторный и статорный диски с зубчатыми элементами, размещенными по чередующимся концентрическим окружностям и выполненными со смещением по концентрическим окружностям на одном из дисков, отличающийся тем, что расстояние между соседними зубчатыми элементами одной концентрической окружности меньше или равно ширине зубчатого элемента следующей концентрической окружности в направлении к периферии, при этом зубчатые элементы одной или нескольких концентрических окружностей роторного или статорного дисков смещены на величину, обеспечивающую перекрытие сквозных сечений между зубчатыми элементами соседней пары концентрических окружностей роторного и статорного дисков при открытом положении сквозного сечения любой другой соседней пары. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что зубчатые элементы роторного или статорного дисков смещены на величину, обеспечивающую совпадение осей сквозных сечений одних концентрических окружностей с осями зубчатых элементов других соседних концентрических окружностей того же диска. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что зубчатые элементы роторного или статорного дисков смещены на величину, обеспечивающую отношение между количеством сквозных сечений в разных концентрических окружностях того же диска, равное нецелому или нечетному числу.