ПОКРЫТАЯ СТЕКЛОМ, ДИСПЕРГИРУЮЩАЯ ГАЗ, МЕШАЛКА Российский патент 2004 года по МПК B01F7/16 B01F15/00 

Предпосылки создания изобретения

Это изобретение относится к устойчивым к коррозии мешалкам для перемешивания, а в особенности относится к покрытым стеклом металлическим мешалкам для перемешивания.

Хорошо известны покрытые стеклом металлические подложки, например, описанные в патентах США №35625 (заменяющий патент), 3755164 и 3788874. Кроме того, известны покрытые стеклом мешалки для перемешивания, например, описанные в патентах США №3494708, 4213713, 4221488, 4246215, 4314396, 4601583 и 262791 (пром. образец). В патенте США №4601583 описаны покрытые стеклом мешалки, посаженные на вал посредством криогенного охлаждения для достижения очень плотной фрикционной посадки. Мешалки выполнены с двумя ступицами, при этом каждая из двух ступиц имеет две лопасти. Ступицы расположены близко друг к другу на валу, при этом лопасти расположены вокруг оси на угловом расстоянии 90° друг от друга. Кроме того, в патенте показаны составные мешалки, разнесенные друг от друга на валу, известные как “двухэтажные” конфигурации.

Несмотря на то, что известна установка покрытых стеклом мешалок на валу, однако, не существует качественной, покрытой стеклом мешалки с высокой эффективностью диспергирования газа. Такая покрытая стеклом мешалка с высокой эффективностью диспергирования газа необходима для того, чтобы быстро и эффективно обеспечить ускоренное диспергирование газа в коррозионных средах внутри всего резервуара без захлебывания мешалки подаваемым газом, которое приводит к экстремальному падению эффективности диспергирования, какое наблюдается при использовании известных мешалок, например, турбинного типа. В патенте США №5791780 раскрыта мешалка, имеющая хорошие характеристики диспергирования газа, но вследствие большого числа острых углов и изгибов такие мешалки непригодны для покрытия стеклом для использования в сильно коррозионных средах.

Краткое описание изобретения

В соответствии с изобретением в настоящее время установлено, что мешалка для высококачественного диспергирования газа может быть разработана и покрыта стеклом, при этом, если необходимо, ее можно собрать в виде конструкции с двумя ступицами.

Поэтому изобретение охватывает покрытую стеклом, диспергирующую газ мешалку. Мешалка содержит ступицу, имеющую расположенное в центре отверстие. Отверстие имеет центральную ось и заданный размер для прохождения через него ведущего вала, имеющего, по существу, вертикально вытянутую продольную ось, так что центральная ось расположенного в центре отверстия совпадает с продольной осью вала. Мешалка имеет множество углов и кромок, которые имеют закругленную форму. Кроме того, мешалка содержит множество лопастей, прикрепленных к ступице, которая проходит радиально наружу от центральной оси. Каждая из лопастей имеет переднюю вогнутую поверхность и заднюю выпуклую поверхность, определяемые нижней кромкой, верхней кромкой, внутренней кромкой и наружной кромкой. Вогнутая поверхность имеет такую форму, при которой верхняя кромка выступает над нижней кромкой.

Лопасти могут быть соединены со ступицей непосредственно или с помощью промежуточных соединительных средств, таких как диск или консоль, выполненных за одно целое со ступицей и проходящих радиально наружу от центральной оси. Ступица и присоединенные лопасти облицованы сплошным покрытием из стекла.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг.1 показывает вид сбоку двухлопастной мешалки в соответствии с изобретением;

фиг.2 показывает вид с торца лопасти мешалки на фиг.1;

фиг.3 показывает вид сбоку двух двухлопастных турбин согласно изобретению, которые представляют собой зеркальные изображения друг друга и имеют смещенные лопасти, при этом турбины установлены на валу с ориентацией в 90° относительно друг друга, так что лопасти действует в одних и тех радиальных плоскостях вокруг вала;

фиг.4 показывает вид сверху двух двухлопастных турбин согласно изобретению, представленных при установке на валу с ориентацией в 90° относительно друг друга на фиг.3;

фиг.5 показывает вертикальный вид перемешивающего узла согласно изобретению, включающий две турбины согласно изобретению, установленные близко друг к другу на нижней части вала, и мешалку турбинного типа, установленную на верхней части вала внутри резервуара, снабженного барботажным кольцом;

фиг.6 - показывает график сравнения мощности, получаемой от мешалки согласно изобретению при различных потоках барботируемого газа, с мощностью, получаемой от известных мешалок при аналогичных потоках газа.

Подробное описание изобретения

Мешалки согласно изобретению покрывают стеклом способом, известным специалистам в данной области техники. В большинстве случаев металлическую основу очищают, покрывают стеклообразной фриттой и обжигают.

Мешалки согласно изобретению обычно выполняются из покрытого стеклом металла. Обычно в качестве металла используется низкоуглеродистая сталь или устойчивый к коррозии сплав, такой как нержавеющая сталь. Турбину можно изготовить любым подходящим способом, например посредством приваривания лопастей к ступице или путем литья или ковки всей мешалки как одной детали. Во всех случаях углы закругляются, чтобы уменьшить напряжение при более позднем нанесении стеклянных покрытий. При образовании стеклянного покрытия обычно используется многократное нанесение стекла, например за первым и вторым слоями следуют четыре облицовочных слоя.

Ступица мешалки имеет отверстие, проходящее через центр, которое имеет заданный размер для обеспечения скольжения по ведущему валу для образования единого перемешивающего узла. Мешалка может удерживаться на валу посредством фрикционной посадки или с помощью других средств, таких как зажимы или винтовые соединения.

Ступица мешалки имеет отверстие, проходящее через центр, которое предпочтительно покрыто стеклом. Поверхность, определяющую отверстие, предпочтительно подвергают хонингованию для исключения допусков для фрикционной посадки на ведущий вал, например, посредством криогенного охлаждения вала, чтобы сократить его диаметр, с последующим продвижением ступицы по валу. После завершения охлаждения вал расширяется, и мешалка надежно удерживается на валу посредством фрикционной посадки с образованием единого перемешивающего узла (соединения вала и мешалки).

Как упоминалось ранее, передние поверхности лопастей диспергирующих газ турбин согласно изобретению имеют вогнутую форму, т.е. поверхность лопасти, обеспечивающая соударения жидкости и газа при вращении мешалки, находится позади плоскости, соединяющей нижнюю кромку и верхнюю кромку лопасти. Вогнутая передняя поверхность может быть образована линейными и/или криволинейными элементами поверхности. Например, вогнутая поверхность может быть эллиптической, параболической, гиперболической или, в основном, образована пересекающимися плоскостями, имеющими закругленную поверхность на их соединяющих вершинах.

Верхняя кромка лопасти выступает над нижней кромкой, т.е. вертикальная плоскость, проходящая через нижнюю кромку, пересекает вогнутую поверхность лопасти над нижней кромкой в месте, удаленном на расстояние от верхней кромки. Линия пересечения такой вертикальной плоскости с вогнутой поверхностью лопасти обычно равна умноженному от примерно на 0,1 до примерно на 1 наибольшего горизонтального расстояния от вертикальной плоскости до вогнутой поверхности. Выступающая часть вогнутой поверхности лопасти обычно находится под углом от примерно -5° до примерно +30° относительно горизонтали.

Перемешивающий узел согласно изобретению может содержать, по меньшей мере, две мешалки, каждая из которых прикреплена к ведущему валу посредством посадки ведущего вала через отверстия в ступицах мешалок. В соответствии с изобретением при использовании составных турбин, по меньшей мере, одна из турбин, обычно нижняя турбина, представляет собой диспергирующую газ турбину согласно изобретению.

Перемешивающий узел может содержать, например, по меньшей мере, две двухлопастные диспергирующие газ турбины согласно изобретению для эффективного образования диспергирующих газ турбин, имеющих четыре лопасти. В этом случае каждая из диспергирующих газ турбин собрана с возможностью крепления и прикреплена к ведущему валу посредством посадки ведущего вала через центральное отверстие в ступицах турбин. Лопасти первой из диспергирующих газ турбин повернуты от примерно на 30° до примерно на 90° вокруг продольной оси вала относительно расположения лопастей второй диспергирующей газ турбины. В дополнение к этому ступицы первой и второй диспергирующих газ турбин расположены близко друг к другу, т.е. они расположены непосредственно в соприкосновении или отведены на небольшое расстояние, которое обычно меньше, чем толщина одной ступицы. В такой конфигурации места присоединений лопастей одной из мешалок к ступице могут быть смещены так, что передние кромки лопастей как первой, так и второй диспергирующей газ турбин проходят через одни и те же плоскости.

Изобретение можно лучше понять со ссылкой на чертежи, показывающие предпочтительные варианты осуществления изобретения. Должно быть понятно, что предпочтительные варианты осуществления приведены для пояснения и не являются ограничивающими настоящее изобретение.

Как видно на чертежах, покрытая стеклом, диспергирующая газ мешалка 10 имеет ступицу 12 с противоположными поверхностями 13. Ступица 12 снабжена расположенным в центре отверстием 14, проходящем через поверхности 13, при этом отверстие 14 имеет центральную ось 16. Отверстие 14 имеет заданный размер, необходимый для прохождения через него вала 18, имеющего продольную ось 20, так что центральная ось 16 отверстия 14 совпадает с продольной осью 20 вала 18. Мешалка имеет, по меньшей мере, две лопасти 22. Каждая лопасть 22 имеет переднюю вогнутую поверхность 24 и заднюю выпуклую поверхность 26, определяемые нижней кромкой 28, верхней кромкой 30, внутренней кромкой 32 и наружной кромкой 34. Вогнутая поверхность 24 имеет такую форму, при которой верхняя кромка 30 выступает над нижней кромкой 28. Лопасти 22 симметрично присоединены к ступице 12 по внутренним кромкам 32 либо непосредственно, либо с помощью промежуточных средств, таких как консоли 36. Консоли 36 могут быть прикреплены к ступице 12 вблизи одной из поверхностей 13 и могут быть снабжены ответвлениями 38, которые обеспечивают возможность установки на валу двух мешалок, являющихся зеркальными изображениями друг друга, так что лопасти мешалок вращаются в одних и тех же плоскостях вращения от P₁ до Р_n вокруг вала. Вся мешалка 10, включая ступицу 12 и присоединенные лопасти 22, облицована сплошным стеклянным покрытием 40. Мешалка имеет множество углов и кромок, например 28, 30, 32 и 34, при этом все они имеют закругленную форму для обеспечения прочного и устойчивого стеклянного покрытия.

Как лучше видно на фиг.3, по меньшей мере, две мешалки 10 могут быть прикреплены к ведущему валу 18 посредством посадки ведущего вала через отверстия 14 в ступицах 12 мешалок для образования перемешивающего узла.

Как видно на фиг.5, можно образовать перемешивающий узел 42, который содержит, по меньшей мере, две мешалки, описанные ранее, каждая из которых собрана с возможностью крепления и прикреплена к ведущему валу 18 через центральные отверстия 14 в ступицах 12 мешалок 10. В этом случае необходимо, чтобы лопасти первой мешалки были повернуты на угол от примерно 45° до примерно 90° вокруг продольной оси 20 вала 18 относительно расположения лопастей второй мешалки. Ступицы могут находиться близко друг к другу для эффективного образования объединенной мешалки, имеющей четыре лопасти. Понятие “близко друг к другу”, как оно использовано в этой связи, означает, что ступицы 12 мешалок 10 расположены так, что, по меньшей мере, часть лопастей 22, по меньшей мере, одной из мешалок действует в той же самой плоскости вращения вокруг вала 18, как и, по меньшей мере, часть лопастей другой мешалки. Эта конструкция, образованная двумя лопастными мешалками согласно изобретению, является преимущественной по нескольким причинам. Эта конструкция дает возможность собирать мешалки, имеющие более чем две лопасти, наряду с тем обеспечивая возможность стеклования мешалок, имеющих только две лопасти. Вследствие меньшего количества углов в двухлопастной мешалке стеклование облегчается. Кроме того, двухлопастную конфигурацию можно вводить в узкие отверстия обычно покрытых стеклом сосудов и собирать внутри сосуда для образования сборок мешалок, имеющих более чем две лопасти.

Как видно на фиг.5, мешалки согласно изобретению можно объединять на валу вместе с другими мешалками, которые являются такими же или отличными от мешалок согласно изобретению. Перемешивающий узел 42, показанный на фиг.5, содержит две нижние мешалки 10 согласно изобретению и верхнюю мешалку 44 в виде турбины с плоскими лопастями.

Покрытые стеклом, диспергирующие газ мешалки необходимо устанавливать в резервуар в сочетании с устройством подачи газа, чтобы обеспечить преимущество посредством использования хороших характеристик дисперсии газа турбин согласно изобретению. Например, как видно из фиг.5, две двухлопастные турбины согласно изобретению, собранные на валу так, как описано ранее, могут быть установлены в резервуаре 46 над барботажным кольцом 48, имеющем отверстия 50 для выпуска газа. В такой конфигурации турбины согласно изобретению эффективно диспергируют газ, выходящий из барботажного кольца в окружающую жидкость.

Мешалки согласно изобретению, показанные на фиг.3, испытывались в резервуаре с двумя ребристыми перегородками для определения характеристик диспергирования газа мешалок посредством направления различных потоков газа в мешалку, чтобы определить характеристики захлебывания газом по падению мощности. Результаты сравнивались с данными для уже известных покрытых стеклом мешалок. Результаты показаны на фиг.6. Из результатов ясно видно, что покрытая стеклом мешалка согласно изобретению существенно превосходит известные покрытые стеклом турбинную мешалку с криволинейными лопастями и дисковую турбинную мешалку. Турбина согласно изобретению настолько лучше, что, как показано с помощью падения мощности (Р_g/Р_o, отношение мощности при выделении газа к мощности при отсутствии выделения газа), покрытая стеклом турбина с криволинейными лопастями и покрытая стеклом дисковая турбина захлебываются при приведенных скоростях газа примерно 0,011 м/с, тогда как турбина согласно изобретению все еще не захлебывается при приведенных скоростях газа, превышающих 0,030 м/с. Это примерно в три или более раз превышает способность к диспергированию газа известных испытанных покрытых стеклом турбин.

Покрытая стеклом, диспергирующая газ мешалка, содержащая ступицу, имеющую расположенное в центре отверстие. Отверстие имеет центральную ось и заданный размер для прохождения через него ведущего вала, имеющего, по существу, вертикально проходящую продольную ось, так что центральная ось расположенного в центре отверстия совпадает с продольной осью вала. Мешалка имеет множество углов и кромок, имеющих закругленную форму. Кроме того, мешалка содержит множество лопастей, присоединенных к ступице, которые проходят радиально наружу от центральной оси. Каждая из лопастей имеет переднюю вогнутую поверхность и заднюю выпуклую поверхность, определяемые нижней кромкой, верхней кромкой, внутренней кромкой и наружной кромкой. Вогнутая поверхность имеет такую форму, при которой верхняя кромка выступает над нижней кромкой, причем выступающая часть вогнутой поверхности лопасти находится под углом от примерно –5° до примерно +30° относительно горизонтали. Лопасти могут быть соединены со ступицей непосредственно или с помощью промежуточного соединительного средства, такого как диск или консоль, выполненного за одно целое со ступицей и проходящего радиально от центральной оси. Ступица и присоединенные лопасти облицованы сплошным покрытием из стекла. По сравнению с известными покрытыми стеклом турбинами мешалка обладает хорошей способностью к диспергированию газа без захлебывания при высоких скоростях газа. 5 с. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Покрытая стеклом мешалка, содержащая ступицу, имеющую расположенное в центре отверстие, при этом отверстие имеет центральную ось и заданный размер для прохождения через него ведущего вала, имеющего, по существу, вертикально проходящую продольную ось, так что центральная ось расположенного в центре отверстия совпадает с продольной осью вала, при этом мешалка имеет множество углов и кромок, имеющих закругленную форму, и множество лопастей, присоединенных к ступице и проходящих радиально от центральной оси, отличающаяся тем, что она представляет собой диспергирующую газ мешалку, в которой каждая из лопастей имеет переднюю вогнутую поверхность и заднюю выпуклую поверхность, определяемые нижней кромкой, верхней кромкой, внутренней кромкой и наружной кромкой, при этом вогнутая поверхность имеет такую форму, при которой верхняя кромка выступает над нижней кромкой, причем выступающая часть вогнутой поверхности лопасти находится под углом от примерно -5° до примерно +30° относительно горизонтали.2. Мешалка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти соединены со ступицей посредством, по меньшей мере, одной консоли, выполненной за одно целое со ступицей и проходящей радиально наружу от центральной оси.3. Мешалка по п.2, отличающаяся тем, что две лопасти присоединены к ступице с противоположных сторон.4. Мешалка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти присоединены к ступице посредством сваривания.5. Мешалка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти присоединены к ступице посредством ковки за одно целое со ступицей.6. Мешалка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти присоединены к ступице посредством литья за одно целое со ступицей.7. Мешалка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти присоединены к ступице посредством сваривания с промежуточной консолью, выполненной за одно целое со ступицей.8. Мешалка по п.2, отличающаяся тем, что она выполнена из покрытой стеклом стали.9. Мешалка по п.8, отличающаяся тем, что в качестве стали использована нержавеющая сталь.10. Перемешивающий узел, содержащий мешалку, отличающийся тем, что мешалка выполнена по п.1 и прикреплена к ведущему валу посредством посадки ведущего вала через отверстие в ступице.11. Узел по п.10, отличающийся тем, что мешалка прикреплена к ведущему валу посредством фрикционной посадки.12. Узел по п.10, отличающийся тем, что ведущий вал выполнен из покрытой стеклом стали.13. Узел по п.10, отличающийся тем, что ведущий вал выполнен из покрытой стеклом нержавеющей стали.14. Перемешивающий узел, содержащий, по меньшей мере, две мешалки, отличающийся тем, что каждая из мешалок прикреплена к ведущему валу посредством посадки ведущего вала через отверстия в ступицах мешалок, при этом, по меньшей мере, одна из мешалок выполнена по п.1.15. Перемешивающий узел, содержащий, по меньшей мере, две мешалки, отличающийся тем, что мешалки выполнены по п.1, при этом каждая из мешалок выполнена с возможностью крепления и прикреплена к ведущему валу посредством посадки ведущего вала через центральные отверстия в ступицах мешалок, причем лопасти первой мешалки повернуты примерно на 45 - 90° вокруг продольной оси вала относительно расположения лопастей второй мешалки, а ступицы первой и второй мешалок расположены близко друг к другу, при этом соединение первой и второй мешалок имеет значение P_q/P₀ по меньшей мере 0,8 при приведенной скорости газа по меньшей мере 0,03 м/с, где Р_q/Р₀ - соотношение мощности при выделении газа к мощности при отсутствии выделения газа.16. Узел по п.15, отличающийся тем, что места присоединений по меньшей мере двух лопастей к их ступицам смещены так, что лопасти как первой, так и второй мешалок действуют в одних и тех же плоскостях вращения вокруг вала.17. Перемешивающий узел, содержащий первую мешалку, отличающийся тем, что она выполнена по п.1 и установлена в нижнем положении на, по существу, вертикальном валу относительно второй мешалки, установленной в верхнем положении на валу, так что мешалки вращаются не в одной и той же плоскости вокруг вала, при этом вторая мешалка представляет собой турбину.18. Узел по п.17, отличающийся тем, что турбина представляет собой турбину с плоскими лопастями.19. Узел по п.17, отличающийся тем, что турбина представляет собой турбину с криволинейными лопастями.