ЭМУЛЬГАТОР Российский патент 2001 года по МПК B01F7/12 B01F3/08 

Изобретение относится к химическому машиностроению и может быть использовано для проведения процессов смешивания, эмульгирования, суспендирования и других физико-химических процессов в системах жидкость-газ, жидкость-жидкость и жидкость-твердое тело.

Изобретение может быть использовано в химической, нефтяной, фармацевтической, строительной и других отраслях промышленности.

Известен типовой центробежный насос для перекачивания и диспергирования жидкостей, принятый за аналог [1]. Аналог содержит корпус с жестко закрепленным в нем наружным кольцом с прорезями, установленное в нем жестко на валу лопастное колесо с ведущим и покрывным дисками, между которыми закреплено внутреннее кольцо с прорезями. Наружное и внутреннее кольца установлены с определенным зазором, равным б.

Центробежный насос работает следующим образом. Перекачиваемая жидкость с содержащимися в ней компонентами поступает на вход рабочего колеса и прокачивается через прорези вращающегося внутреннего кольца и неподвижного наружного кольца. Проходя через зазор б, содержащиеся в жидкости компоненты диспергируются за счет быстрого чередования прорезей колец и вызванных этим пульсацией потока, гидравлических ударов и кавитации.

Недостатком данного насоса является низкая эффективность диспергирования. При поступлении перекачиваемой жидкости с содержащимися в ней компонентами на входе рабочего колеса начинается процесс разделения компонентов обрабатываемой среды под действием центробежной силы (сепарирование). Как известно, основным фактором, ответственным за химические и физико-химические эффекты в гидроакустических излучателях является развитая кавитация. Сепарация компонентов создает условия, при которых в кавитирующей жидкости, создаваемой чередованием прорезей, находится неравномерное количество диспергируемых компонентов, а при большой разнице в плотностях (например, наличие компонента в виде газа или пара) полное их отсутствие. Т.е. кавитирующая жидкость то насыщена компонентами для диспергирования, то их вообще нет.

Известен роторно-пульсационный аппарат (РПА) для тонкого диспергирования компонентов [2].

РПА содержит корпус с каналами, входными, для раздельного ввода компонентов, и выходным патрубками. В корпусе находятся коаксиально расположенные цилиндры ротора с прорезями и статора с прорезями. В торцевой стенке ротора и статора выполнены отверстия, сообщающиеся соответственно с прорезями и каналами. Число отверстий в торцевой стенке ротора и статора определяется расходом диспергируемого компонента.

Аппарат-аналог работает следующим образом. Обрабатываемые компоненты вводятся в аппарат через входные патрубки. При вращении ротора происходит периодическое перекрытие и совмещение торцевых отверстий ротора и статора, способствующее получению однородных капель диспергируемых компонентов.

Недостатком аналога является низкая эффективность диспергирования, вследствие того, что однородные капли диспергируемых компонентов попадают в прорези вращающихся цилиндров ротора. На капли начинает действовать центробежная сила, способствующая их сепарации, причем, чем больше разница по величине плотности диспергируемых компонентов, тем процесс сепарации будет эффективнее. Не исключена возможность того, что сепарация приведет к агрегированию капель.

Известен РПА [3], который по наибольшему количеству сходных признаков и принципу получения необходимого качества продукта принят за прототип.

РПА содержит корпус с входными и выходным патрубками, в котором расположены перфорированные статорные цилиндры с каналами и ротор с перфорированным цилиндром и лопастями. Каналы в теле статора выполнены сверлением.

Прототип работает следующим образом. Обрабатываемая среда поступает в аппарат через входные патрубки. Один из входных патрубков соединен с рабочим пространством аппарата каналами (отверстиями), выполненными сверлением. Такая раздельная подача компонентов позволяет повысить эффективность обработки компонентов, входящих в обрабатываемую среду.

Недостатком прототипа является низкая эффективность диспергирования вследствие того, что обрабатываемая среда, попадающая в рабочее пространство, подвергается разделению за счет центробежных сил. Это приводит к неравномерному распределению компонентов по рабочему пространству. Уровень разделения компонентов в различных местах рабочего пространства не одинаков, но он имеет место быть, вплоть до перфорации наружного статорного кольца.

Задачей изобретения является повышение эффективности диспергирования путем оптимального соотношения компонентов и количества пульсирующих пузырьков газа и равномерного их распределения в кавитирующей жидкости, а также создания двух различных градиентов скоростей в струе обрабатываемых компонентов.

Поставленная задача достигается тем, что у эмульгатора, содержащего корпус с кольцевым каналом и отводом, входные и выходной патрубки, и жестко закрепленное в нем статорное кольцо с прорезями, в котором на валу жестко закреплены ротор с роторным кольцом с прорезями, в статорном кольце выполнены дополнительные прорези, соединяющие кольцевой канал с отводом, являющиеся зеркальным отражением основных прорезей, и расположены относительно друг друга в шахматном порядке.

Так как совокупность отличительных признаков предлагаемого изобретения не выявлены в известных в мире технических решениях, то оно соответствует критерию "новизна".

Выполнение эмульгатора с отличительными признаками позволяет использовать основные и дополнительные прорези статорного кольца и их взаимное расположение, как элементы позволяющие достичь оптимального соотношения диспергируемых компонентов и количество пульсирующих пузырьков газа и равномерного их распределения в кавитирующей жидкости, а также создать в кавитирующем потоке два градиента скоростей, способствующих эффективному диспергированию.

Отличительные признаки обеспечивают совместно с общими достижение поставленной задачи, следовательно, они являются существенными.

Анализ известных технических решений в исследуемой области и в смежных областях (нефтяной, фармацевтической, строительной) позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков сходных с отличительными признаками изобретения и признать свойства, проявляемые этими признаками новыми, а, следовательно, предлагаемое решение соответствующим критерию "изобретательского уровня".

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен эмульгатор в продольном разрезе. На фиг. 2 изображено перекрытие статорной прорези роторным кольцом. На фиг. 3 изображено совмещение прорезей роторного и статорного колец. На фиг. 4 изображено статорное кольцо с расположением основных и дополнительных прорезей в шахматном порядке.

Эмульгатор содержит корпус 1 с кольцевым каналом 2 и отводом 3, входными патрубками 4 и 5 и выходным патрубком 6. В корпусе 1 жестко установлено (на резьбе) статорное кольцо 7 с прорезями 8 и дополнительными прорезями 9. На валу 10 жестко (на резьбе) закреплен ротор 11 с лопастями 12, на котором закреплено болтами 13 роторное кольцо 14 с прорезями 15.

Эмульгатор работает следующим образом.

Обрабатываемая среда (две несмешивающиеся жидкости) поступает в корпус 1 раздельно по входным патрубкам 4 и 5. Одна из жидкостей поступает по входному патрубку 4 в ротор 11 и лопастями 12 нагнетается в прорези 15 и 8 роторного 14 и статорного 7 колец. В прорезях 8 (см. фиг. 2 и фиг. 3) при их периодическом перекрытии и совмещении с прорезями 15 создается кавитирующая жидкость. Образование кавитирующей жидкости происходит в два этапа. На первом этапе (см. фиг. 2) в статорной прорези 8, при ее перекрытии роторным кольцом, образуется вакуум за счет того, что часть жидкости успевает вытечь в отвод 3 и освобождает часть объема прорези. Вакуум способствует разрыву жидкости в объеме прорези 8, т.е. появлению пузырьков газа. Причем количество этих пузырьков зависит от многих условий: давления, температуры, скорости потока, физических свойств жидкости, наличия в ней микропузырьков газа или микроскопических твердых частиц. На втором этапе (см. фиг. 3) прорези 15 и 8 совмещаются. В результате в прорезь 8 поступает жидкость из прорези 15, увеличивая в ней давление и, заставляя сжиматься пузырьки газа, которые начинают пульсировать. Вторая жидкость по входному патрубку 5 и кольцевому каналу 2 поступает в прорези 9, минуя вращающееся поле жидкости, поступающей по входному патрубку 4, в результате чего не происходит их взаимного разделения. Истекающие из прорезей 8 кавитирующие струи жидкости эжектируют из дополнительных прорезей 9 другую несмешивающуюся жидкость. Обе жидкости под действием пульсирующих пузырьков интенсивно диспергируются и перемешиваются, причем количество жидкости, эжектируемое из прорезей 9 находится в прямой зависимости от количества пульсирующих пузырьков, находящихся в кавитирующем потоке, истекающем из прорезей 8. Это происходит потому, что интенсивность передачи энергии от струи прорези 8 к струе прорези 9 зависит от интенсивности их взаимного перемешивания, а эта интенсивность определяется количеством пульсирующих пузырьков газа. Готовый продукт отводится через выходной патрубок 6 в технологическую линию. Расположение прорезей 8 и 9 статорного кольца 7 в шахматном порядке (см. фиг. 4) позволяет использовать влияние двух ближайших струй кавитирующей жидкости прорезей 8 на струю жидкости, истекающую из прорези 9. Так как уровень кавитации жидкости прорезей 8 различен, исходя из условий кавитации, то образуемые ими потоки жидкости прорезей 9 будут иметь два градиента скоростей, что способствует эффективному диспергированию обрабатываемой среды.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении производительности за счет повышения эффективности диспергирования.

Литература
1. Авт. свид. СССР, N 773311, кл.³ F 04 D 1/00, F 04 D 7/04, 1980, БИ N 39.

2. Богданов В.В. и др. Эффективные малообъемные смесители. - Л.: Химия, 1989. - 224 с. - ил. (Химия промышленности), с. 54, рис. 2.28.

3. Балабудкин М.А. Роторно-пульсационные аппараты в химико-фармацевтической промышленности. - М.: Медицина, 1983, с. 95, рис. 23.

Изобретение относится к химическому машиностроению и может быть использовано для проведения процессов смешивания, эмульгирования, суспендирования и других физико-химических процессов в системах "жидкость-газ", "жидкость-жидкость" и "жидкость-твердое тело". Эмульгатор содержит корпус с кольцевым каналом и отвод, входные и выходной патрубки и жестко закрепленное в нем статорное кольцо с прорезями, в котором на валу жестко закреплен ротор с роторным кольцом с прорезями. В статорном кольце выполнены дополнительные прорези, соединяющие кольцевой канал с отводом, являющиеся зеркальным отражением основных прорезей и расположенные относительно друг друга в шахматном порядке. Технический результат состоит в повышении эффективности диспергирования. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Эмульгатор, содержащий корпус с кольцевым каналом и отводом, входными и выходными патрубками и жестко закрепленным в нем статорным кольцом с прорезями, в котором на валу жестко закреплены ротор с роторным кольцом с прорезями, отличающийся тем, что в статорном кольце выполнены дополнительные прорези, соединяющие кольцевой канал с отводом, являющиеся зеркальным отражением основных прорезей. 2. Эмульгатор по п.1, отличающийся тем, что основные и дополнительные прорези статорного кольца расположены в шахматном порядке.