ДИСПЕРГАТОР Российский патент 2005 года по МПК B01F5/08 

Техническое решение относится к устройствам для диспергирования в потоке движущейся жидкости пузырьков газа или жидкости, несмешивающейся с несущей. Устройство может быть использовано для образования газожидкостных смесей во флотационных установках и аэрации грунтовых вод в процессах водоподготовки.

Известен диспергатор (патент Франции №2354294, кл. С 02 С 5/10, 1/14, 10.02.78, приоритет Италии 07.02.76), содержащий цилиндрический корпус с подающим соплом и отводящими отверстиями, расположенными на боковой поверхности, внутри которого перпендикулярно оси сопла установлена преграда, выполненная в виде круглой пластины. Основной недостаток диспергатора заключается в низкой эффективности диспергирования. После удара струи о преграду и первичного дробления основная масса смеси выводится через расположенные на боковой поверхности корпуса диспергатора отводящие отверстия. Вторичное диспергирование в результате удара отраженных от преграды струй о внутреннюю поверхность корпуса диспергатора не предусмотрено. Однократный удар струи о преграду является причиной низкой эффективности диспергирования в известной конструкции.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является диспергатор по патенту РФ №2074117, кл. С 02 F 1/24, опубл. в БИ №6, 1997, содержащий корпус с подающим соплом и отводящим патрубком. Внутри корпуса перпендикулярно оси сопла установлена преграда. Корпус выполнен в виде последовательно расположенных конфузора, цилиндра и диффузора. Преграда имеет цилиндроконическую форму и снабжена венчиком, расположенным на ее цилиндрической части и имеющим продольные пазы. Подающее сопло размещено с возможностью осевого перемещения в конфузоре корпуса, преграда - в цилиндре, а отводящий патрубок - в диффузоре. Недостатком известного устройства является низкое качество диспергирования воздуха в воде. Указанный недостаток проявляется в получении на выходе из диспергатора пузырьков широкого спектра размеров и в пропуске достаточно крупных пузырьков, нарушающих процесс ценообразования во флотационных аппаратах. Для получения более однородной по размерам пузырьков эмульсии водовоздушную смесь необходимо пропускать через диспергатор несколько раз или использовать последовательный набор таких диспергаторов. Низкое качество диспергирования в известном диспергаторе объясняется следующими причинами. Пузырек разрушается силой, обусловленной динамическим напором воды. Величина указанной силы равна произведению динамического напора струй на величину площади поверхности пузырька, на которую оказывает влияние напор. Силы, действующие на отдельные участки поверхности пузырька, различны, что приводит к отклонению формы пузырька от сферической. Высокий градиент скорости, то есть изменение скорости струй на расстоянии, равном или меньшем размера пузырька, приводит к различию сил, действующих на разные участки поверхности пузырька, и при определенной величине динамического напора - к искажению его формы с последующим разрушением. Широкий спектр размеров пузырьков на выходе из диспергатора известной конструкции обусловлен различным значением градиента скорости в рабочем объеме диспергатора, образованном конфузором корпуса и преградой, и, следовательно, широким диапазоном значений динамического напора струй по указанному объему диспергатора. Неоднородность градиента скорости в рабочем объеме диспергатора вызывается тем, что после удара водовоздушной струи о преграду отраженные струи имеют широкий диапазон направлений. Их направление зависит от содержания воздуха в воде и скорости вытекания смеси из сопла. Часть из отраженных струй ударяется о внутреннюю поверхность конфузора под прямым углом и после удара движется в направлении, близком к обратному. Встречное движение струй в данной области объема диспергатора создает высокий градиент скорости и благоприятно сказывается на процессе дробления. Но основная масса струй встречается с поверхностью конфузора под углом, значительно отличающимся от прямого. После удара о поверхность конфузора такие струи движутся вдоль стенок и не оказывают существенного влияния на повышение градиента скорости в рабочем объеме диспергатора. Изменение скорости на расстоянии, равном размеру пузырька, в этой части объема диспергатора небольшое и разница динамических давлений струй у различных участков поверхности пузырька сопоставима с избыточным давлением воздуха внутри пузырька. Силы, обусловленной динамическим давлением струй, недостаточно для разрушения пузырька. Малые изменения давления на расстоянии, равном размеру пузырька, приводят лишь к незначительному отклонению его формы от сферической, но не к разрушению пузырька. В этой части рабочего объема диспергатора возможно существование довольно крупных пузырей. В результате на выходе из диспергатора наряду с мелкими пузырьками появляются довольно крупные пузыри. Слабая изолированность объема продольных пазов от рабочего объема диспергатора - часть отраженных от поверхности конфузора струй направляется непосредственно в их объем, малая протяженность этих пазов приводят к усилению коалесценции пузырьков после дробления.

Задачей технического решения является повышение качества диспергирования воздуха в воде за счет создания высокого и одинакового по объему силового воздействия на пузырьки.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в диспергаторе, содержащем корпус с подающим соплом, отводящим патрубком и установленной внутри, перпендикулярно оси подающего сопла, преградой, согласно изобретению внутреннюю поверхность корпуса выполняют в виде последовательно расположенных полусфероида, поверхности цилиндра и поверхности диффузора, преграду выполняют в форме цилиндра, к основаниям которого примыкают основаниями, равными основаниям цилиндра, усеченный конус и конус. Меньшее основание усеченного конуса обращено к отверстию подающего сопла, вершина конуса направлена в сторону отводящего патрубка, а в усеченном конусе и цилиндре преграды выполнены продольные пазы, глубина которых составляет половину разности диаметров оснований усеченного конуса.

Выполнение внутренней поверхности передней части корпуса диспергатора в форме полусфероида позволяет получить одинаковое значение градиента скорости в рабочем объеме диспергатора, образованном передней частью корпуса диспергатора и преградой. Однородность градиента скорости обусловлена тем, что отраженные от преграды водовоздушные струи ударяются о внутреннюю поверхность передней части корпуса диспергатора под прямым углом вне зависимости от направления отраженных от преграды струй. После удара о внутреннюю поверхность передней части корпуса диспергатора струи имеют направление движения, близкое к обратному. Встречное движение струй, отраженных от преграды и от внутренней поверхности передней части корпуса диспергатора, создает высокий градиент скорости в рабочем объеме диспергатора и благоприятно сказывается на процессе дробления воздушной фазы. Благодаря значительному изменению скорости на расстоянии, равном размеру пузырька, разница динамических давлений струй у различных участков поверхности пузырька превышает избыточное давление воздуха внутри пузырька. Обусловленная динамическим давлением струй сила имеет величину, достаточную для разрушения пузырька. Поэтому выполнение внутренней поверхности передней части корпуса диспергатора в форме полусфероида приводит к созданию одинакового силового воздействия на пузырьки в различных точках рабочего объема диспергатора и получению узкого диапазона размеров пузырьков на выходе из него.

Использование преграды в форме цилиндра, к основаниям которого примыкают основаниями, равными основаниям цилиндра, усеченный конус и конус, в сочетании с выполнением сопрягающейся части корпуса диспергатора в форме цилиндра улучшает режим обтекания преграды и позволяет снизить интенсивность коалесценции пузырьков в продольных пазах преграды и на выходе из них за преградой. Снижение интенсивности слияния пузырьков обусловлено резким гашением турбулентности потока, негативно влияющей на крупность воздушных включений после дробления. Снижению турбулентности способствует плавное вхождение смеси в объем продольных пазов, определенная изолированность объема этих пазов от рабочего объема корпуса диспергатора, достаточная их протяженность. Глубина пазов, равная половине разности диаметров оснований усеченного конуса, позволяет отводить водовоздушную смесь из рабочего объема корпуса диспергатора со скоростью течения смеси, предотвращающей повышение турбулентности в продольных пазах. Плавное, без резких поворотов, движение водовоздушной смеси в кольцевом объеме, образованном конусом преграды и диффузором корпуса, и на входе в отводящий патрубок препятствует усилению турбулентности потока и коалесценции пузырьков. В результате на выходе из диспергатора предложенной конструкции достигается получение однородной по размерам пузырьков водовоздушной смеси.

Целесообразно расстояние между соседними продольными пазами на боковых поверхностях усеченного конуса и цилиндра преграды выполнить равным. Это позволяет сохранить время обработки различных выделенных объемов смеси постоянным.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами фиг.1, 2, где на фиг.1 показан продольный разрез диспергатора, а на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Диспергатор содержит корпус 1, внутренняя поверхность которого представляет собой последовательно расположенные полусфероид 2, поверхность цилиндра 3 и поверхность диффузора 4. Подающее сопло 5 установлено на входе в переднюю часть корпуса 1. Внутри корпуса 1 диспергатора размещена преграда 6, имеющая форму цилиндра, к основаниям которого примыкают основаниями, равными основаниям цилиндра, усеченный конус 7 и конус 8. Меньшее основание усеченного конуса 7 обращено к отверстию подающего сопла 5, а вершина конуса 8 направлена в сторону отводящего патрубка 9. Преграда 6 в усеченном конусе и цилиндре имеет продольные пазы 10, глубина которых равна половине разности диаметров оснований усеченного конуса 7. Расстояние между соседними продольными пазами 10 на боковых поверхностях усеченного конуса 7 и цилиндра преграды 6 выполнено, например, равным. Рабочий объем диспергатора образован передней частью корпуса 1 и преградой 6. Корпус 1 выполнен из двух половин, что облегчает изготовление и сборку диспергатора. При сборке, после установки преграды 6, части корпуса 1 соединяются с помощью сварки.

Работает диспергатор следующим образом.

Исходная вода, например, с воздухом поступает под давлением в подающее сопло 5, где происходит ускорение водовоздушной смеси до заданной скорости. Скорость движения этой смеси на выходе из подающего сопла 5 выбирается из условия получения оптимального и достаточно узкого спектра размеров пузырьков для флотации конкретного вида материала. В результате удара струи водовоздушной смеси о меньшее основание усеченного конуса 7 преграды 6 образуются отраженные струи, направления которых в продольном сечении диспергатора имеет форму веера. В зависимости от скорости удара струи о преграду 6 и содержания воздуха в воде угол отражения струй может изменяться. Благодаря тому, что внутренняя поверхность передней части корпуса 1 имеет форму полусфероида 2, отраженные от преграды 6 струи ударяются об эту поверхность под углом, близким к 90°, вне зависимости от угла отражения от преграды 6. Это способствует вторичному отражению струй от полусфероида 2 корпуса 1 диспергатора и их движению в направлении, близком к противоположному. Отношение осей полусфероида 2 выбирается в зависимости от угла раскрытия струи, вытекающей из сопла 5, и угла отражения струи от преграды 6. Угол раскрытия струи зависит от содержания воздуха в воде, интенсивности турбулентного движения в диспергаторе. При низком содержании воздуха отношение осей полусфероида 2 принимается равным 1 и внутренняя поверхность передней части корпуса 1 диспергатора имеет форму поверхности полусферы. Встречное движение многократно отраженных струй способствует образованию однородного поля скоростей с высоким градиентом по всему рабочему объему корпуса 1 диспергатора. В результате действия сил, обусловленных динамическим давлением струй на различные участки поверхности пузырьков, происходит их деформация и разрушение. При этом силовое воздействие, оказываемое

на пузырьки, будет одинаковым в любой части рабочего объема корпуса 1 диспергатора. Это позволяет получать на выходе из диспергатора достаточно узкий спектр размеров пузырьков. Проскоки крупных пузырей исключаются.

После многократного удара струй о поверхность преграды 6 и полусфероид 2 вода с мелкими пузырьками воздуха выводится из рабочего объема корпуса 1, где происходит дробление воздушной фазы, через продольные пазы 10 преграды 6. Резкое гашение турбулентности в этих пазах 10 снижает интенсивность коалесценции пузырьков. На выходе из продольных пазов 10 водовоздушная смесь с однородными по размеру пузырьками воздуха попадает в диффузор 4. Затем, обтекая конус 8 преграды 6, плавно поступает в отводящий патрубок 9 и выводится из диспергатора.

Диспергатор позволяет получать водовоздушные смеси с требуемой крупностью пузырьков достаточно узкого спектра.

Изобретение относится к устройствам для диспергирования в потоке движущейся жидкости пузырьков газа или жидкости, несмешивающейся с несущей жидкостью, и может быть использовано для образования газожидкостных смесей во флотационных установках и аэрации грунтовых вод в процессах водоподготовки. Диспергатор содержит корпус с подающим соплом, отводящим патрубком и установленной внутри перпендикулярно оси подающего сопла преградой. Внутренняя поверхность корпуса представляет собой последовательно расположенные полусфероид, поверхность цилиндра и поверхность диффузора. Преграда имеет форму цилиндра, к основаниям которого примыкают основаниями, равными основаниям цилиндра, усеченный конус и конус. Меньшее основание усеченного конуса обращено к отверстию подающего сопла, вершина конуса направлена в сторону отводящего патрубка. В усеченном конусе и цилиндре преграды выполнены продольные пазы, глубина которых составляет половину разности диаметров оснований усеченного конуса. Достигается повышение качества диспергирования воздуха в воде. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Диспергатор, содержащий корпус с подающим соплом, отводящим патрубком и установленной внутри перпендикулярно оси подающего сопла преградой, отличающийся тем, что внутренняя поверхность корпуса представляет собой последовательно расположенные полусфероид, поверхность цилиндра и поверхность диффузора, преграда имеет форму цилиндра, к основаниям которого примыкают основаниями, равными основаниям цилиндра, усеченный конус и конус, при этом меньшее основание усеченного конуса обращено к отверстию подающего сопла, вершина конуса направлена в сторону отводящего патрубка, а в усеченном конусе и цилиндре преграды выполнены продольные пазы, глубина которых составляет половину разности диаметров оснований усеченного конуса.2. Диспергатор по п.1, отличающийся тем, что расстояние между соседними продольными пазами на боковых поверхностях усеченного конуса и цилиндра преграды выполнено равным.