УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Российский патент 2003 года по МПК B01B1/00 

Изобретение относится к устройствам для реализации физико-химических процессов и может найти широкое применение в пищевой, химической и других промышленностях.

Известно устройство, содержащее емкость, подводящие и отводящие патрубки, приспособления для подогрева и перемешивания массы, позволяющее реализовать физико-химический процесс переработки жидких сред, суспензий и смесей (А.С. 176868 от 01.10.1965 г., B 01 B 1/00).

Недостатком известных устройств является их значительная механоемкость.

Целью предлагаемого изобретения является снижение механической и энергетической емкости устройства и улучшение качества физико-химического процесса.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит независимый от основного канала вспомогательный замкнутый канал, соединяющий выход технологической емкости трубопроводом, на котором установлено, по меньшей мере, одно нагнетательное устройство, например насос, с ее входом, при этом на конце этого трубопровода установлено реактивное лопастное устройство, содержащее полость, через которую и отверстия, выполненные в нем, полость вспомогательного трубопровода соединена с окружающей средой.

Устройство для физико-химических процессов поясняется следующими чертежами:
Фиг.1 - Функциональная схема устройства.

Фиг.2 - Пример выполнения лопастного узла.

Фиг.2а - Пример выполнения элемента лопастного узла.

Фиг.3 - Пример выполнения лопастного узла.

Фиг.3а - Пример выполнения элемента лопастного узла.

Фиг.4 - Пример выполнения функциональной схемы устройства,
Фиг.4а - Пример выполнения функционального узла.

Фиг.5 - Пример выполнения функциональной схемы.

Фиг.6 - Пример выполнения функциональной схемы.

Фиг.7 - Пример выполнения лопастного устройства.

Фиг.8 - Пример выполнения лопастного устройства.

Фиг.9 - Пример выполнения лопастного устройства.

Фиг.9а - Пример выполнения лопастного устройства.

Фиг.10 - Пример выполнения лопастного узла.

Устройство для физико-химических процессов состоит из технологической емкости 1, в нижней части которой выполнено выходное отверстие 2, соединяющее внутреннюю полость этой емкости со вспомогательным трубопроводом 3, на котором установлено, по меньшей мере, одно нагнетательное устройство 4 и на конце которого установлена ступица 5 с закрепленным на ней реактивным лопастным устройством с возможностью вращения вокруг своей оси, например полые лопасти 6 и 7, через отверстие 8, каналом 9, выполненным в ступице 5, соединен с трубопроводом 3, с полостями 10 и 11 соответственно выполненными в лопастях 6 и 7.

В лопастях 6 и 7 выполнены отверстия 12 и 13, расположенные, например, со стороны задних кромок этих лопастей и соединяющие полости 10 и 11 с окружающей средой. На фиг.1 технологическая емкость 1 выполнена с открытым верхом, над которым расположено реактивное лопостное устройство, в данном примере - полые лопасти 6 и 7.

На трубопроводе 3 устанавливается автоматический клапан 14, функционально связанный с датчиком температуры 15, установленным на технологической емкости 1, например, через вторичный электронный регулятор (на чертеже не показан). На трубопроводе 3 может быть установлен теплообменник 16, охладитель или нагреватель, в зависимости от поставленной задачи. В технологической емкости 1 может быть установлен внутренний теплообменник, например паровая рубашка 17.

В технологической емкости 1 выполнено отверстие 19, соединяющее внутреннюю полость с полостью входного трубопровода 19, подсоединенного к емкости 1 и являющегося частью основного канала.

В технологической емкости 1 выполнено отверстие 20, соединяющее внутреннюю полость этой емкости с полостью трубопровода 21, подсоединенного к емкости 1 и являющегося частью основного канала.

Трубопровод 19 является входным трубопроводом, а трубопровод 21 является выходным трубопроводом.

В технологической емкости 1 выполнено отверстие 22 соединяющее внутреннюю полость этой емкости с полостью трубопровода 23, подсоединенного к емкости 1, и является подпитывающим трубопроводом.

На трубопроводе 23 установлен автоматический клапан 24, функционально связанный с датчиком уровня 25, установленным на емкости 1, например, через вторичный электронный регулятор уровня (на чертеже не показан).

К паровой рубашке 17 подводится паропровод 26 с установленным на нем вентилем 27. А выход паровой рубашки выполнен в виде конденсатопровода 28 с установленным на нем конденсатоотборником 29.

Реактивное лопастное устройство может быть установлено в тарельчатом корпусе 30, выполненным, например, из двух частей, верхней части 31, с выполненным в ней проемом 32, и нижней части 33 с выполненным в ней выходным отверстием 34. Две части соединены между собой при помощи фланцев 35 и 36, радиально выполненных на верхней части 31 и нижней части 33 корпуса 30. Над проемом 32 на некотором расстоянии может быть закреплена крышка 37 для исключения попадания посторонних частиц, например осадков. Крышка 37 может быть закреплена непосредственно на трубопроводе 3. Корпус 30 может быть закреплен непосредственно на емкости 1 один, например, при помощи подпятника 38 или при помощи промежуточного патрубка 39. В этом случае на технологической емкости 1 на верхней ее части выполнена крышка 40 (фиг.2).

На фиг.3 показан пример выполнения ступицы 5, выполненной в виде промежуточного патрубка 41, закрепленного на комле лопастей 6 и 7, а на конце патрубка 41 закреплена шайба 42 со свободно установленной накидной гайкой 43, имеющей резьбовое соединение 44, закрепленной на трубопроводе 3. Между втулкой 44 и шайбой 42 может быть установлен подшипник 45. Таким образом, лопасти 6 и 7 установлены на ступицу 5 с возможностью вращения вокруг своей оси, совместно с патрубком 41 и шайбой 42. Нижняя часть корпуса 30 может иметь неровности 46, например, внутренняя поверхность нижней части 33 может быть выполнена перфорированной.

На фиг. 4 изображен пример выполнения устройства для физико-химических процессов применительно для приготовления пивного сусла, в верхней конусной части конусной крышки 40 выполнен короб 47 для подачи сыпучих веществ, например солода, в коробе 47 выполнен шибер 48. В крышке 40 выполнен вытяжной трубопровод 49 с заслонкой 50. На трубопроводе 21 установлен насос 51. На трубопроводах 19, 21 и 23 устанавливаются соответственно вентили 53, 54 и 52. В данном частном случае лопасти 6 и 7 расположены в нижней части технологической емкости 1, ступица которых закреплена на промежуточном патрубке 55, расположенном в емкости 1. Лопастное реактивное устройство, а именно лопасти 6 и 7, могут быть соединены с общим коллектором, по несколько пар, через промежуточные патрубки 57, при этом технологических емкостей может быть несколько штук. При этом на выходе этих емкостей выполнены коллекторы 58 и 59, связанные с ними через промежуточные патрубки 60 и 61, в данном случае коллектор 58 связан с трубопроводом 3, а коллектор 59 - с трубопроводом 21.

Поверхность полых лопастей 6 и 7 может быть выполнена неровной, например, имеет радиаторные выступы 63, имеет гофры или может быть перфорированной. Корпус лопастей 6 и 7 может иметь мелкие сквозные отверстия 64.

На фиг. 7 показано расположение отдельных элементов лопастей 6 и 7 по отношению к направлению вращения этих лопастей, которое указано стрелкой, комль 65 лопастей, являющийся общим для этих лопастей, расположен в их начале, задняя кромка 66 лопастей, передняя кромка 67. Концевая кромка 62. Лопастное реактивное устройство может быть выполнено в виде, по меньшей мере, одной трубки 68, соединенной со ступицей 5 и загнутой в конце в противоположную направлению движению и по своей конструкции напоминающей снегерево колесо, т.е. полость 68 трубки связана с полостью ступицы 5. На трубке закрепляется сплошная лопасть 69 с выполненными на ней радиаторными выступами 63, при этом трубка 68 установлена на ступице 5 с возможностью вращения совместно с установленной на ней лопастью 63, фиг.8. Лопастное устройство может быть выполнено также с непосредственно закрепленными на ступице 5 (на ее подвижной части) сплошными лопастями 69 и 70 и закрепленными на этой ступице трубками 68 и 71 с загнутыми окончаниями в противоположную сторону вращения, полости которых соединены с полостью ступицы 5 с возможностью вращения со сплошными лопастями 69 и 70.

Реактивные лопастные устройства, расположенные в корпусах 30, могут быть расположены на технологической емкости 1 параллельно относительно друг друга (фиг.10).

Лопасти 6 и 7 могут быть выполнены поплавковыми, например, трубопровод 3 может быть соединен со ступицей 5 при помощи гибкого шланга 72, для фиксации направленного движения к ступице 5 прикреплен шток 73, размещенный свободной посадкой в обойме 74, который закреплен в крышке 40 технологической емкости 1. Шток 73 может быть закреплен на ступице при помощи трапецеидальной распорки 76, а шланг 72 подсоединен к ступице 5 через штуцер 75.

Реактивное лопастное устройство может быть кинематически связано со вспомогательным приводом, например электроприводом.

На фиг. 3а изображен пример реализации этой связи. На патрубке 41 закреплено колесо 77, аналогичное колесо 78 установлено на валу 79 электропривода 80, кинематическая связь между которыми осуществляется при помощи техстропного ремня 81, таким образом колеса 77 и 78 соединены между собой при помощи техстропного ремня 81. Возможны и другие способы связи между приводом и реактивным лопастным устройством.

Дополнительные материалы
Фиг. 11 - Пример выполнения ступицы и крепления реактивного лопастного устройства.

Фиг.12 - Пример крепления реактивного лопастного устройства.

Фиг. 13 - Расположение реактивного лопастного устройства в корпусе, вид сверху.

Фиг.14 а и б - Пример выполнения реактивного лопастного устройства.

Ступица 5 может состоять из двух соединенных между собой обойм, а именно неподвижной обоймы 82, закрепленной на патрубке 3, имеющей кольцевое углубление 83 и подвижной обоймы 84, имеющей адекватный углублению 83 выступ 85, через которые эти обоймы соединены друг с другом, при этом обоймы 82 и 84 соединены свободной посадкой, т.е. обойма 84, имеющая форму чашки с боковыми отверстиями 86 и 87 для подключения к ним трубок 68 и 71 или лопастей 6 и 7, имеет возможность вращаться с ними относительно обоймы 82. К обойме 84 могут быть подсоединены сплошные лопасти 69 и 70 (фиг.11).

Трубки 68 и 71 могут крепиться непосредственно на патрубке 41, в котором выполняются для их подсоединения дополнительные отверстия 88 и 89, к этому же патрубку могут быть подсоединены и сплошные лопасти 69 и 70 (фиг.12).

Реактивное лопастное устройство может крепиться на патрубке 41, скрепленном с другим патрубком 90 с возможности вращательного и вертикального перемещения первого относительного последнего, при этом патрубки 41 и 90 соприкасаются друг с другом через уплотнительное кольцо 91. Патрубок 90 может быть непосредственно соединен с трубопроводом 3 или в свою очередь может быть промежуточным и подвижным патрубком по отношению к следующему патрубку 92, к которому он подсоединен с возможностью вращения и вертикального перемещения. В этом случае патрубок 92 подключен к трубопроводу 3.

Таким образом, реализуется подсоединение реактивного лопастного устройства к трубопроводу 3 через телескопический переходник. В этих случаях необходимость в ступице 5 отпадает, и реализуется поплавковое исполнение реактивного лопастного устройства.

Дополнительно
Фиг.15 а и б - Пример выполнения реактивного отверстия в лопастях.

Отверстия 12 и 13 могут быть выполнены в задней кромке лопастей 6 и 7 и имеют щелевую форму, лопасти 6 и 7 имеют загибы на конце в сторону, противоположную направлению вращения, в этом случае отверстия 12 и 13 выполняются в концевой кромке лопастей 6 и 7.

Отверстия 12 и 13 могут быть выполнены в соплах и форсунках, выполненных в корпусе лопастей 6 и 7, и направлены в сторону, противоположную направлению вращения этих лопастей, и могут быть в общем названы отводами 93 направленного действия.

Во всех случаях отверстия служат для создания реактивной струи для получения основной движущей силы.

Устройство для физико-химических процессов работает следующим образом. Среда, находящаяся в технологической емкости 1 из отверстия 2 по трубопроводу 3 нагнетательным устройством 4 через автоматический клапан 14 поступает на ступицу 5, а через нее в полости 10 и 11 лопастей 6 и 7, по которым среда поступает в отверстия 12 и 13 под достаточным давлением для образования реактивной струи выходящей из этих отверстий жидкой среды, например воды, приводящей во вращение лопасти 6 и 7.

Одновременно по каналу трубопровода 19, технологической емкости 1, трубопроводу 21 независимо от вспомогательного канала движется жидкая среда, при необходимости в целях поддержания уровня в технологической емкости 1 по трубопроводу 23 производится подпитка жидкой среды в этой емкости, для регулировки этого уровня на трубопроводе 23 устанавливается регулирующий автоматический клапан 24, функционально связанный с датчиком уровня 25.

Данное устройство позволяет реализовать различные процессы. Разберем первый случай, когда производится тепловая обработка жидкой среды, например воды, в этом частном случае на трубопроводе 3 устанавливается теплообменник 16, который может предварительно нагревать или охлаждать жидкость, протекающую по трубопроводу 3.

Роль теплообменника может выполнять широко известный пластинчатый теплообменник, теплоносителем которого может быть пар, а хладоносителем - охлажденный известными способами рассол.

Разберем конкретный прием охлаждения жидкости, например воды.

Вода в данном случае охлаждается, непосредственно протекая в полостях лопастей 10 и 11, которые, вращаясь, обдувают жидкость в технологической емкости 1, и тем самым вторично охлаждают воду в ней.

Радиаторные выступы 63 позволяют охлаждать жидкость непосредственно в полостях 10 и 11 с большей силой.

В целях большей эффективности охлаждения (или подогрева) воды (жидкой среды) полые лопасти 6 и 7 могут быть размещены в тарельчатом корпусе 30. В данном примере воздух из проема 32 лопастями 6 и 7 подается на поток жидкости, стекающей с нижней половины 33 в отверстие 34. Аналогично действует и другое исполнение реактивного лопастного устройства, например устройства, показанные на фиг. 8 и фиг.9, которые также могут быть размещены в корпусе 30.

Фиг. 4 показывает пример приготовления пивного сусла, в данном случае производится термическая обработка затора или сусла. В данном примере лопасти расположены в нижней части технологической емкости 1. В данном примере по трубопроводу 19 подается вода, подогретая до определенной температуры. По коробу 47 подается солод или другие сыпучие продукты. По трубопроводу 21 выходит термически обработанный полуфабрикат. При достижении определенного уровня в емкости 1 включается насос 4, который подает жидкий продукт из нижней части емкости 1 через промежуточный патрубок 55 и ступицу 5, которая может располагаться в верхней части технологической емкости 1, к реактивному лопастному устройству, например, к полым лопастям 6 и 7, и через отверстия 12 и 13 - в технологическую емкость 1. По трубопроводу 23 в данном случае могут дополнительно подаваться жидкие составляющие пивного полуфабриката. Через вытяжной трубопровод 49 уходит выпар в момент расхолаживания затора. Аналогичную термическую обработку можно производить и с пивным суслом.

Выполнение реактивного лопастного устройства поплавковым позволяет производить перемешивание и термообработку жидкой среды непосредственно на ее поверхности, несмотря на изменение ее уровня в ходе физико-химического процесса. Плавучесть лопастей достигается очень легко, для этого достаточно объем полостей 10 и 11 выполнить достаточным для того, чтобы предположительный вес жидкости равного объема был больше веса лопастей 6 и 7, установленных с возможностью вертикального перемещения, или в общем больше веса реактивного лопастного устройства. Гибкий шланг 72 или телескопическое крепление реактивного лопастного устройства, например лопастей 6 и 7, позволяет перемещаться и вертикально.

Дополнительно
Фиг.16 - Пример расположения ступицы.

Ступица 5 может располагаться или в верхней части технологической емкости 1, или выше ее верхней точки, а само реактивное лопастное устройство за счет удлиненного промежуточного патрубка 41 расположено в нижней части технологической емкости 1, например полые лопасти 6 и 7.

Таким образом, в заявленных материалах выделены два независимых канала: основной канал - трубопровод 19, технологическая емкость 1 - трубопровод 21, насос 51, и вспомогательный канал - технологическая емкость 1, трубопровод 3, насос 4, трубопровод 3, реактивное лопастное устройство, например полые лопасти 6 и 7, технологическая емкость 1.

Дополнительные материалы
Между трубопроводом 3 и трубопроводом 21 может быть выполнена перемычка 94 с установленным ней вентилем 95, на трубопроводе 3 установлен вентиль 96, на трубопроводе 21 установлен вентиль 97 (фиг.4).

Перемычка 94 позволяет подавать жидкую среду из трубопровода 21 основного канала в реактивное лопастное устройство, например, полые лопасти 6 и 7 частично или полностью, при этом вентиль 96 может быть закрыт. Циркуляция по каналу технологическая емкость 1, трубопровод 21, насос 51, перемычка 94, реактивное лопастное устройство, например, полые лопасти 6 и 7, при закрытом вентиле 97, может быть использована в период заполнения технологической емкости 1, промывки системы коммуникации устройства и др.

Устройство для физико-химических процессов для снижения механической и энергетической емкости содержит вспомогательный канал, независимый от основного технологического канала, связывающий выход технологической емкости через нагнетательное устройство. 4 з.п.ф-лы, 16 ил.

1. Устройство для физико-химических процессов, содержащее технологическую емкость, подводящие и отводящие трубопроводы, нагнетательные устройства, приспособления для перемешивания и температурной обработки жидкой среды, отличающееся тем, что оно содержит вспомогательный канал, независимый от основного технологического канала, связывающий выход технологической емкости через нагнетательное устройство, например насос, и реактивное лопастное устройство, например полые лопасти с проходными отверстиями, с ее входом. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что реактивное лопастное устройство, например полые лопасти с проходными отверстиями, размещено у проема дискообразного корпуса со сливным отверстием, выполненным в нижней его части. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что реактивное лопастное устройство выполнено поплавковым и с возможностью вертикального перемещения, например, по форме полых лопастей. 4. Устройство по пп. 1-3, отличающееся тем, что реактивные лопастные устройства соединены с общим коллектором. 5. Устройство по пп. 1-4, отличающееся тем, что между основным и вспомогательным каналами выполнена соединяющая их перемычка.