СПОСОБ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОРЦИИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2006 года по МПК B01F5/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в общем, относится к обработке жидкостей, находящихся в резервуарах, и к способам перемешивания и смешивания этих жидкостей.

Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу обработки массы жидкости в резервуаре, к способу обеспечения работы технологической установки и к технологической установке.

Уровень техники

В области обработки жидкостей чрезвычайную важность имеют меры, направленные на частое перемешивание или смешивание жидкости, такое перемешивание направлено на обеспечение гомогенизации, то есть выравнивание различий в концентрации и температуре, интенсификацию передачи тепла между жидкостью и поверхностью теплового обмена, поддержание состояния суспензии твердого вещества в жидкости, диспергирование несмешиваемых жидкостей или барботирование газа в жидкости. Конкретные области применения в отрасли биотехнологии включают ферментаторы для производства пива или дрожжевые резервуары, в которых перемешивание осуществляют для обеспечения равномерного распределения концентрации ингредиентов и температуры. Другие области применения составляют обработку пищевых продуктов или косметических препаратов, где требуется обеспечить смешивание малого количества ингредиентов с большим объемом вещества. Кроме того, такие устройства применяются в целлюлозно-бумажном производстве, а также в отрасли общей химической обработки, связанной с процессами изготовления красок, полимеров, буровых растворов и других.

Операции перемешивания часто выполняют в резервуарах, содержащих различные средства перемешивания, такие как вращающиеся крыльчатки или сопла. Для предотвращения вращения всей массы или завихрения содержимого резервуара под действием вращения крыльчатки или аналогичного элемента обычно устанавливают перегородки. Перегородки иногда используются для предотвращения завихрения или формирования воронки, и эти перегородки представляют собой структурное усложнение, а также затрудняют работу из-за образования застойных объемов и из-за экранирования поверхностей, что затрудняет очистку.

Для вращения крыльчатки требуется применять двигатели привода и структурные держатели для подшипников и двигателей. Вращающаяся крыльчатка для крупного резервуара обычно включает вращающийся вал с крыльчатками на нескольких уровнях. Вращающийся вал обычно устанавливают на подшипники на обоих концах, а также на подшипники в промежутке между ними. Вращающиеся крыльчатки часто устанавливают в закрытых резервуарах так, что вал проходит через стенку резервуара. Лопасти крыльчатки, подшипники и структура держателя усложняют очистку, поскольку создают дополнительные поверхности, и из-за эффекта экранирования.

Очистка и другие основные процессы, проводимые в технологической установке, обычно направлены на удаление остатков, что выполняется с различной целью, как, например, для исключения взаимного загрязнения между последующими порциями, предотвращения накопления барьерных слоев и для подготовки соответствующих частей установки для другой порции аналогичного или отличающегося продукта.

В американском патенте 5620250 описан струйный смеситель, содержащий вращающуюся крыльчатку, приводимую во вращение реактивной силой струй, формируемых на кончиках лопастей крыльчатки. Вращение обеспечивается за счет подвода текучей среды, причем эта текучая среда также образует подшипник между частью корпуса и крыльчаткой. Указанное назначение этого устройства состоит в обеспечении перемешивания без необходимости использования двигателя и коробки передач с уплотнителями.

Возможности применения такого смесителя в определенной степени ограничены. Использование привода во вращение крыльчатки под действием силы реакции струй приводит к тому, что скорость вращения значительно изменяется в зависимости от давления подаваемой жидкости и вязкости массы жидкости в резервуаре. Кроме того, крыльчатка, вращающаяся вокруг неподвижной оси, создает устойчивую структуру циркуляции в резервуаре, в которой могут оставаться застойные объемы или объемы с низкой скоростью перемешивания, в частности, когда резервуар содержит внутренние структурные элементы, как часто бывает в данном случае. При перемешивании под действием крыльчатки, вращающейся вокруг неподвижной оси, часто образуются завихрения или формируется воронка внутри резервуара, для предотвращения которых требуется принимать дополнительные меры. Кроме того, крыльчатка повышает степень экранирования, что затрудняет очистку внутренних поверхностей резервуара, и сама крыльчатка представляет дополнительные поверхности, которым требуется уделять особое внимание при очистке.

В американском патенте 4166704 описан вращающийся смеситель со струями текучей среды, предназначенный для перемешивания, содержащий первичные смесительные струйные сопла, установленные так, что они вращаются вокруг вертикальной оси и направляют потоки жидкости вдоль плоскости вращения, и сопла привода, установленные так, что они создают тяговое усилие, которое приводит первичные сопла во вращение вокруг вертикальной оси. Сопла привода могут быть выполнены с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, причем в этом случае сопла привода структурно соединены с пластиной динамического сопротивления, которая вращается под действием силы тяжести, компенсируемой силой гидродинамического сопротивления, создаваемого при вращении, что позволяет, таким образом, управлять углом сопла привода, и благодаря этому, результирующим крутящим моментом, прикладываемым к соплам привода для вращения первичных сопел.

Таким образом, первичные сопла вращаются вокруг неподвижной вертикальной оси, в то время как сопла привода могут колебаться вокруг горизонтальной оси таким образом, что отсутствует возможность механического управления ими.

Схема вращения сопел под действием силы реакции одной струи также подвержена изменениям скорости в зависимости от таких факторов, как давление приводящей во вращение текучей среды и вязкость массы жидкости внутри резервуара. При перемешивании под действием струй, выходящих из сопел, вращающихся вокруг неподвижной вертикальной оси, весьма вероятно, создается довольно устойчивая структура перемешивания, в которой остаются застойные объемы, например, в частях объема резервуара, отдаленных от плоскости вращения первичных сопел.

В американском патенте 5810473 описано устройство создания струи жидкости, включающее сопло, причем это устройство содержит отдельные силовые элементы, предназначенные для перемещения сопла в вертикальном и горизонтальном направлениях. Устройство создания струи выполнено с возможностью установки на боковой стенке или в верхней части большой цистерны для нефти и служит для разжижения нефтяного отстоя для предотвращения осаждения отстоя или для удаления отложений на дне резервуара. Через сопло выходит текучая среда под высоким давлением, сформированная из потока, отбираемого из жидкости, содержащейся в резервуаре. Качание сопла ограничено только некоторыми угловыми секторами.

Механизм привода для качания сопла содержит сложный набор шестерен и концевых выключателей, а также набор уплотнений и набивок, создающих барьер для жидкости под высоким давлением с обеспечением возможности вращения валов.

Работа устройства такого типа связана с рядом ограничений. Качание сопла вокруг двух взаимно перпендикулярных осей с помощью соответствующих силовых приводов не обязательно гарантирует равномерное распределение струй по всему объему. Перемешивание жидкости с помощью устройства сопла, установленного на стенке, вызывает результирующую силу реакции, направленную на держатель сопла, что создает напряжение в структуре. Внутри массы жидкости перемешивание с помощью установленного на стенке сопла, весьма вероятно, формирует относительно устойчивую структуру потока, например завихрение, или другую структуру, в которой могут оставаться застойные объемы.

В американском патенте 5333630 описано устройство, предназначенное для очистки закрытого объема, причем это устройство содержит втулку с соплами, установленную с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси в нижней части корпуса, причем нижняя часть корпуса, в свою очередь, установлена с возможностью вращения вокруг вертикальной оси. Насадка сопла содержит турбину и шестерни, с помощью которых осуществляется вращение вокруг обеих осей, для того чтобы сопла во время вращения могли проходить по всему внутреннему объему закрытого резервуара. Это устройство предназначено для очистки резервуара с помощью разбрызгиваемых жидкостей. Шестерни промываются жидкостью, и устройство содержит прорези и отверстия, предназначенные для выпуска жидкости для промывки внешней поверхности корпуса, так, что устройство выполняет функцию самоочищения.

Сущность изобретения

Изобретение, в соответствии с первым аспектом, направлено на способ в соответствии с пунктом 1.

В данном контексте резервуар может содержать любой контейнер или, в общем, закрытую оболочку или структуру, предназначенную для того, чтобы, в целом, заключать объем жидкости. Примеры таких оболочек включают любого рода резервуары, контейнеры, трубопроводы или трубы. Время нахождения жидкости может составлять от нескольких секунд, как в случае трубопровода, который, прежде всего, служит для транспортировки, до нескольких дней, месяцев или лет, как в случае контейнера, который, прежде всего, предназначен для хранения.

Способ, в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивает очень эффективное смешивание и перемешивание массы жидкости, содержащейся внутри резервуара, при котором обеспечивается качание струй для эффективного последовательного перекрытия всех направлений. Поскольку сопла не имеют устойчивых направлений, структура потока внутри резервуара будет постоянно изменяться в большом диапазоне, создавая, таким образом, максимальную степень турбулентности, которая распространяется во всех направлениях.

Поскольку любой поток с постоянной структурой может оставлять застойные объемы, непрерывное качание сопел улучшает эффект перемешивания и обеспечивает максимальную вероятность того, что перемешивание достигнет всех частей объема. Данный способ устраняет необходимость использования перегородок для управления потоком внутри резервуара. Способ минимизирует потребность в подшипниках и структурных держателях, устанавливаемых внутри резервуара. В случае, когда резервуар содержит внутренние перегородки или конструктивные элементы любого вида, способ обеспечивает исключительное перемешивание всех частей объема внутри резервуара, включая частично закрытые объемы. Способ может быть воплощен с использованием минимальных механических конструктивных узлов, устанавливаемых внутри резервуара, и такая структура может быть выполнена с возможностью эффективной самоочистки.

Такой способ может быть выполнен с помощью простых структурных средств, в которых качание устройства создания струи вокруг двух взаимно перпендикулярных или не перпендикулярных осей осуществляется с помощью общего или отдельного силового средства. Использование силового средства позволяет обеспечить эффективное управление скоростью вращения. Силовое средство может содержать любые соответствующие силовые узлы, например двигатели или турбины, установленные рядом с устройствами создания струи или расположенные на некотором расстоянии от устройств создания струи. Источники энергии могут представлять собой поток жидкости для формирования струй или отдельные силовые подводки, например, в виде источника текучей среды или источника электроэнергии.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения, устройство создания струи выполнено так, что в нем осуществляется смазка подшипников и средства зубчатой передачи с помощью потока жидкости под давлением. Это обеспечивает эффективную смазку и устраняет необходимость использования уплотнителей. Кроме того, такая схема предотвращает риск загрязнения содержимого резервуара посторонними веществами.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения, силовое средство содержит средство зубчатой передачи, установленное для осуществления вращения вокруг второй оси со скоростью вращения, отличающейся от скорости вращения вокруг первой оси. При этом после одного полного оборота вокруг второй оси сопло возвращается в положение по отношению к первой оси, смещенное на некоторый угол от исходного положения. Благодаря этому, сопло при каждом новом повороте вокруг второй оси направляется в другую область внутри резервуара, так, что струя проходит, в общем, по круговой траектории.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения силовое средство содержит турбину, приводимую в движение потоком сжатой жидкости, и средство зубчатой передачи, предназначенное для передачи вращения от турбины на сопло, обеспечивая его вращение вокруг первой оси и вокруг второй оси. Это позволяет создать простое средство силовой передачи для привода во вращение. Скоростью вращения можно управлять путем управления давлением и потоком текучей среды привода, с учетом того, что существует тенденция изменения скорости турбины при изменении давления, хотя скорость в этом случае не настолько подвержена изменениям, как в случае крыльчатки, приводимой во вращение силой реакции струи. В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения, устройство создания струи выполнено с возможностью самодренирования всей жидкости. Это упрощает процедуру смены содержимого внутри резервуара, например, при выпуске одной порции и подачи в резервуар новой порции жидкости.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения, устройство создания струи выполнено с возможностью последовательного прохождения соплом по пути, в общем, покрывающем полную сферу. Благодаря этому обеспечивается эффективное перекрытие всего объема в пределах досягаемости струи. Кроме того, при этом любое воздействие на содержимое резервуара, например воздействие, которое в данный момент имеет тенденцию создания общего вращения или завихрения внутри резервуара, в общем, будет смещаться с образованием противодействующего воздействия в некоторые другие моменты.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом воплощения, устройство создания струи выполнено с возможностью формирования, в общем, сбалансированных струй так, что не создается результирующая сила тяги, приложенная к устройству создания струи. Это компенсирует результирующие силы реакции, действующие на устройство создания струи, упрощая, таким образом, требования к конструкции. Это позволяет устанавливать устройство создания струи на конце трубы для подачи жидкости, поскольку на такую трубу для подачи жидкости, в общем, будут воздействовать незначительные усилия, например незначительный крутящий момент. Таким образом обеспечивается возможность, например, подвешивать устройство создания струи на трубе, проходящей от верхней части резервуара, что обычно является предпочтительным для упрощения установки и технического обслуживания, а также в случаях, когда устройство создания струи должно обеспечивать максимальное воздействие вблизи к донной части резервуара для эффективного перемешивания содержимого резервуара в этом месте.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения, в жидкость, содержащуюся в резервуаре, добавляют ингредиент путем добавления ингредиента в поток, который поступает в резервуар через устройство создания струи. Ингредиенты могут представлять собой газы, жидкости, твердые вещества, или их комбинацию. Это упрощает ввод ингредиентов в резервуар и обеспечивает эффективное и быстрое смешивание ингредиента с содержимым внутри резервуара.

В случае, когда ингредиент представляет собой газ, этот газ переносится жидкостью под давлением и смешивается с содержимым резервуара при более низком давлении. Благодаря этому формируются мелкие пузырьки газа, что дополнительно улучшает эффективное и быстрое смешивание и реакцию с содержимым резервуара.

Газ включает один или несколько газов, например, таких как кислород, двуокись углерода, метан, водород, азот или их комбинацию.

Жидкость включает одну или несколько жидкостей, например чистых жидкостей, растворов, дисперсий газа, дисперсий жидкостей, дисперсий твердых веществ, эмульсий и их комбинаций.

Настоящее изобретение, во втором аспекте, направлено на способ в соответствии с пунктом 10 формулы изобретения.

При этом обеспечивается простой и эффективный способ перемешивания порции жидкости, выпуска порции жидкости и последующей очистки резервуара, поскольку одно и то же устройство создания струи может использоваться для перемешивания и для очистки. В общем, устройство создания струи может очень эффективно использоваться для очистки, поскольку позволяет эффективно промывать всю внутреннюю стенку резервуара в зависимости от соответствующих условий, связанных с размерами резервуара, давлением очищающего состава и т.д.

Настоящее изобретение, в третьем аспекте, направлено на технологическую установку в соответствии с пунктом 22 формулы изобретения.

Такая технологическая установка предназначена для обработки порций жидкости и обеспечивает эффективную очистку резервуара после выпуска порции жидкости, поскольку одно и то же устройство создания струи может избирательно использоваться для перемешивания и для очистки. Устройство для очистки служит для выполнения двойной цели и позволяет исключить необходимость использования соответствующих специализированных средств, предназначенных отдельно для перемешивания и для очистки.

Предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Перечень фигур чертежей

Другие цели, преимущества и свойства настоящего изобретения будут очевидны из прилагаемого описания его предпочтительных вариантов воплощения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

на фиг.1А показана схема технологической установки на этапе перемешивания порции жидкости,

на фиг.1В показана схема, аналогичная фиг.1А, в которой контейнер вводимых реагентов представляет собой контейнер для газа под давлением,

на фиг.2 показана схема технологической установки на этапе очистки резервуара,

на фиг.3 показано устройство создания струи с узким корпусом, с покомпонентным представлением деталей,

на фиг.4 показано устройство создания струи с узким корпусом в вертикальном разрезе,

на фиг.5 показаны диаграммы трасс, по которым проходят струи, ударяющие о внутреннюю поверхность горизонтального цилиндрического резервуара,

на фиг.6 показано устройство создания струи с широким корпусом, с покомпонентным представлением деталей,

на фиг.7 показано устройство создания струи в виде сбоку с частичным разрезом,

на фиг.8 показано многоярусное устройство создания струи в виде в перспективе,

на фиг.9 показана часть многоярусного устройства создания струи, с покомпонентным представлением деталей,

на фиг.10 показано устройство вращающейся насадки с плоской струёй в виде сбоку,

на фиг.11 показано устройство вращающейся насадки с плоской струёй по фиг.10 в вертикальном разрезе.

Все чертежи выполнены схематично, не обязательно в масштабе, и изображают только детали, существенные для понимания настоящего изобретения, в то время как другие детали на них не представлены для упрощения изображения.

На всех фигурах одинаковыми номерами ссылок обозначены идентичные или аналогичные детали.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Вначале рассмотрим фиг.1А, на которой изображена схема технологической установки в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения. Такая технологическая установка содержит резервуар 1, выходной трубопровод 2, обводной трубопровод 3, насос 4 и вращающуюся струйную насадку 5. Вращающаяся струйная насадка подвешена на трубе 6 и выполнена таким образом, как более подробно описано ниже, что из нее выходят струи 7 или разбрызгивается жидкость для перемешивания массы жидкости 8, содержащейся внутри резервуара 1.

Технологическая установка дополнительно содержит контейнер, в котором находится очищающий состав 12 и другой контейнер, в котором содержится реагент 13, вводимый в реакционную систему; причем указанный реагент представляет собой, например, ингредиенты, находящиеся в одном или нескольких контейнерах, предназначенные для реакции с содержимым резервуара. Клапаны 9 установлены для обеспечения управления потоком жидкости через выходной трубопровод 2 и обводной трубопровод 3 и для избирательного ввода реагента или очищающего состава в обратный поток или вместо обратного потока, как будет понятно специалистам в данной области техники. Реагент, может вводиться в реакционную систему перед или после насоса 4.

На фиг.1В показан вариант воплощения, в котором контейнер для реагента 13, вводимого в реакционную систему, был заменен на контейнер со сжатым газом, что позволяет вводить газ в поток жидкости, проходящий в резервуар.

Газ может представлять собой любой подходящий газ или газы, например кислород, двуокись углерода, метан, водород, азот и их комбинацию.

Аналогично, в резервуар могут подаваться жидкости.

Кроме того, в обводном трубопроводе установлен теплообменник 11, в то время как вокруг резервуара установлена рубашка 10, по которой проходит теплоноситель 14. Теплообменник 11 позволяет осуществлять нагрев или охлаждение потока в обводном трубопроводе, как будет понятно специалистам в данной области техники. Рубашка 10, аналогично, позволяет регулировать температуру стенок резервуара 1.

Кроме того, резервуар содержит входное отверстие 15 для продукта и выходное отверстие 16 для продукта. Хотя это не показано на чертежах, резервуар и трубопроводы потока могут содержать дополнительные устройства, например дополнительные запасы сырья, статические смесители, резервуары обработки, фильтры, инструменты, клапаны, коллекторы-распределители, входные отверстия, выходные отверстия, как будет понятно специалистам в данной области техники.

Хотя на чертежах показано различное оборудование, оно приведено только в качестве примера, и некоторые части такого оборудования могут быть исключены, и настоящее изобретение точно также может быть воплощено с использованием других компоновок. Хотя это не показано на чертежах, такая компоновка также может быть модифицирована путем установки в резервуар множества устройств создания струи, соответствующим образом соединенных для подвода жидкости. Установка в резервуаре более одного устройства создания струи может использоваться для расширения области охвата и повышения эффективности воздействия струй. Одно из конкретных преимуществ использования более одного устройства создания струи состоит в возможности взаимной очистки внешней поверхности соответствующих устройств создания струи.

Благодаря подводу жидкости через вращающуюся струйную насадку, образуются струи 7, которые обеспечивают смешивание или перемешивание массы жидкости внутри резервуара, как обозначено стрелками. Вращение сопла вокруг двух осей (на фиг.1 показано только мгновенное изображение структуры потока) создает непрерывно изменяющуюся структуру потока. Это обеспечивает эффективное перемешивание во всех зонах внутри массы жидкости.

Рассмотрим теперь фиг.2 для описания конкретной последовательности работы установки. На фиг.2 показана та же установка, что и на фиг.1, но в ходе этапа очистки резервуара, следующего после выпуска порции жидкости из резервуара.

В состоянии очистки клапаны 9 включены так, что обеспечивается подвод очищающего состава из резервуара очищающего состава 12. В ходе этой фазы рециркуляция содержимого через выходное отверстие может продолжаться или может быть остановлена, в соответствии с необходимостью. Очищающее вещество выходит через вращающуюся струйную насадку в виде струй 7. Поскольку резервуар на этом этапе пустой, струи, в общем, ударяют о стенки резервуара, растворяя, таким образом, или удаляя осадок со стенок резервуара.

Так же как и на этапе перемешивания, сопла вращаются с постоянным изменением положения, так, что струи очищающего состава проходят, практически, по всей внутренней поверхности стенок резервуара.

При работе установки, например для подготовки порции краски, порцию жидкости основы вводят в резервуар через входное отверстие 15 для продукта. Поток отбирают через трубопровод 2 выходного отверстия, ускоряют с помощью насоса 4 и повторно вводят через петлевой трубопровод 3 и струйную насадку 5 для перемешивания содержимого резервуара, например, для улучшения теплообмена со стенками резервуара, на которые осуществляется тепловое воздействие путем циркуляции теплоносителя в рубашке 10. Пигменты для краски могут быть введены непосредственно через входное отверстие 15 или из запаса добавляемого реагента 13 через обводной трубопровод 3 и струйную насадку 5 и могут быть подмешаны в содержимое резервуара. Температура в обводном потоке управляется с помощью теплообменника 11. После окончания перемешивания порцию жидкости выводят через выходное отверстие 16 для продукта. Затем из резервуара 12 забирают растворитель и подают его через обводной трубопровод 3 и струйную насадку 5 для очистки внутренней поверхности резервуара.

Рассмотрим теперь фиг.3, на которой изображена вращающаяся струйная насадка, которая может использоваться для воплощения настоящего изобретения, причем эта насадка показана с покомпонентным представлением деталей. Струйная насадка по фиг.3 представляет собой так называемую струйную насадку 17 с узким корпусом, которая, в основном содержит верхнюю часть 23, нижнюю часть 24, колесо 22 турбины, центральное зубчатое колесо 28, верхний сателлит 29 и нижний сателлит 30. Нижняя часть корпуса 24, в основном, содержит вращающийся корпус 25, втулку 26 и струйное отверстие 21. Втулка 26 имеет форму, в общем, круглой крышки с частью дефлектора 36. На втулке установлены струйные отверстия 21.

Рассмотрим теперь фиг.4, на которой представлено изображение в разрезе узкого корпуса струйной насадки, также показанного на фиг.3. При этом на фиг.4 в узком корпусе струйной насадки показана верхняя часть корпуса 23, нижняя часть корпуса 24, вращающийся корпус 25, втулка 26 с дефлектором 36 и колесо 22 турбины.

Верхняя часть корпуса 23 выполнена с возможностью закрепления на трубе, что не показано на чертеже. Нижняя часть корпуса, в основном содержит вращающийся корпус 25 и втулку 26. Вращающийся корпус 25 установлен на подшипник 37 вращения, соединенный с верхней частью корпуса 23, для обеспечения возможности вращения вращающегося корпуса 25 вокруг оси 18. Аналогично, втулка 26 установлена на подшипнике втулки 38 по отношению к вращающемуся корпусу 25 для обеспечения возможности вращения втулки 26 вокруг оси 19 втулки.

Труба представляет собой канал для подачи жидкости или текучей среды во вращающуюся струйную насадку. Поток жидкости проходит через неподвижные лопасти 27, которые направляют поток так, чтобы они соответствующим образом ударяли в лопатки колеса 22 турбины. После колеса турбины большая часть потока проходит вдоль планетарной передачи, через объемы внутри вращающегося корпуса 25 и втулки 24, и выходит через струйные отверстия (см. фиг.3).

Колесо турбины вращается под воздействием потока и приводит во вращение зубчатую планетарную передачу 20, содержащую зубчатые колеса, начиная с центрального зубчатого колеса 28, которое соединено с верхним сателлитом 29, установленным для эпициклического движения вокруг центрального зубчатого колеса 28. Верхний сателлит 29 также зацеплен с неподвижным зубчатым кольцом 31, которое структурно соединено с верхней частью корпуса 23. Верхний сателлит 29 жестко соединен с нижним сателлитом 30, который соединен с вращающимся зубчатым колесом 32. Нижний сателлит содержит меньшее количество зубьев, чем верхний сателлит, и диаметр вращающегося зубчатого кольца 32 выбран несколько меньшим, чем диаметр неподвижного зубчатого кольца 31 для соответствия нижнему сателлиту 30.

В результате работы зубчатой планетарной передачи скорость колеса турбины значительно уменьшается, например, в 100-300 раз в зависимости от количества зубьев на зубчатых колесах передачи. Это обеспечивает возможность принудительного вращения вращающегося корпуса 25 вокруг оси 18 верхней части корпуса 23, которая, в общем, совпадает с осью трубы.

Верхняя часть корпуса 23 также содержит неподвижную коническую шестерню 33, которая соединена с вращающейся конической шестерней 34, соединенной со втулкой 26. Конические шестерни имеют небольшое различие в количестве зубьев; в предпочтительном варианте воплощения неподвижная коническая шестерня содержит 45 зубьев, в то время как вращающаяся коническая шестерня содержит 43 зуба. В результате, такая зубчатая передача передает вращение таким образом, что при вращении вращающегося корпуса втулка вращается с несколько большей скоростью. При этом при полном обороте втулки вращающийся корпус поворачивается на 43/45 одного поворота, то есть на 344°.

Таким образом, в результате одного полного оборота втулки конкретное сопло будет ориентировано в точке, смещенной от начальной ориентации на 16° вокруг оси вращения. Поскольку втулка содержит 4 отверстия сопла, расположенные через 90°, трассы струй, в общем, будут смещены на 4° вдоль экватора. Поскольку струи обычно расходятся приблизительно на 6-8°, такая структура сканирования обеспечивает полное покрытие всей сферы во всех направлениях.

Обычно при каждом повороте струи устанавливаются в полярных направлениях. На параллелях между полярными направлениями и экватором поперечное смещение пути будет составлять промежуточное значение, то есть промежуточное значение между 4 и 0°. Структура трасс, проходимых струями, может быть изображена в виде графиков, показанных на фиг.5.

На фиг.5 показаны трассы, образующиеся при установке вращающейся струйной насадки в центре цилиндрического контейнера с горизонтальной осью цилиндра. На фиг.5 показаны три частичных вида, причем на верхнем представлен график трасс 39, получающихся при одном обороте втулки, на среднем частичном изображении показаны трассы, получающиеся при двух оборотах втулки, в то время как на нижнем частичном изображении показаны трассы, получающиеся при 45 оборотах втулки, которые представляют собой полный цикл вращения вращающегося корпуса, в результате которого втулка возвращается точно в исходное положение.

В других вариантах воплощения зубчатые передачи и/или количество сопел может быть изменены для получения структуры разбрызгивания со смещением трасс, соответствующим конкретным требованиям. Рекомендации для выбора конкретной эффективной структуры разбрызгивания, то есть, конкретных значений смещения трасс можно найти в публикации US-А-5279675, содержание которой приводится здесь в качестве ссылки.

Как можно видеть на фиг.4, все зубчатые передачи и подшипники расположены внутри устройства создания струи в потоке жидкости и, таким образом, смазываются и охлаждаются этой жидкостью. Подходящие материалы для шестерен включают PTFE (политетрафторэтилен), E-CTFE (этилен-полихлортрифторэтилен), PEEK (полиэфирэфиркетон) и PVDF (поливинилиденфторид), возможно в комбинации с нержавеющей сталью марки AISI316L или с другими материалами.

Небольшие зазоры между поворотным корпусом и неподвижным корпусом позволяют выходить небольшим струям жидкости так же, как и через зазор между втулкой и поворотным корпусом.

Дефлектор 36 втулки направляет часть потока назад так, что он омывает внешнюю поверхность поворотного корпуса. Поворотный корпус на дне содержит отверстие 35 слива, которое предназначено для обеспечения возможности дренажа из внутреннего объема корпуса. Все части объема внутри устройства сопла выполнены так, что обеспечивается самостоятельный дренаж жидкости из устройства сопла.

На фиг.6 показана струйная насадка 40 с широким корпусом с покомпонентным представлением деталей. Струйная насадка с широким корпусом содержит выступающие струйные трубки 41. Аналогично струйной насадке с узким корпусом, струйная насадка с широким корпусом содержит верхнюю и нижнюю части корпуса, внутреннюю турбину и понижающую передачу, предназначенную для привода во вращение нижней части корпуса и для передачи вращения на втулку по отношению к оси втулки. Широкий контур нижней части корпуса получается из-за несколько отличающейся компоновки внутренней зубчатой передачи, которая содержит два каскада червячных передач, которые выполнены, так что обеспечивается суммарное отношение понижения скорости вращения в диапазоне 1000-3000. Помимо этого она функционирует, в основном так же, как и струйная насадка с узким корпусом, поэтому, делается ссылка на пояснение варианта с узким корпусом.

Вариант с широким корпусом имеет преимущество, состоящее в большой длине струи и в эффекте крыльчатки струйных трубок, однако, из-за широкого контура для его установки требуется использовать отверстие в резервуаре с большим размером.

Оба варианта вращающейся струйной насадки пригодны для обработки различных жидкостей, например, с вязкостью от 0,5 сантипуаз (такой, как у ацетона) до 1000 сантипуаз (такой, как у тяжелого топливного масла). Давление привода может быть в диапазоне от 2 до 12 бар, предпочтительно от 3 до 8 бар.

Рассмотрим теперь фиг.7 для описания струйного устройства с приводным валом, показанного на фиг.7 в виде сбоку с частичным разрезом. Струйное устройство 42 с приводным валом, аналогично варианту воплощения, описанному выше, содержит поворотный корпус 25 с вращающейся втулкой 26. На вращающейся втулке 26 установлены струйные трубки 41, через которые жидкость может выбрасываться для формирования струй 7. Поворотный корпус 25 выполнен с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, в то время как втулка 26 установлена с возможностью вращения по отношению к поворотному корпусу вокруг, в общем, горизонтальной оси. Вращательные движения связаны с помощью неподвижной конической шестерни 33, которая зацеплена с вращающейся конической шестерней 34.

Струйное устройство 42 с приводным валом закреплено на нижней трубе 44, которая жестко соединена с фланцем 45. Фланец 45 выполнен с возможностью закрепления на стенке резервуара, как будет понятно специалистам в данной области техники. Вращение поворотного корпуса 25 осуществляется с помощью вращающегося вала 43, который жестко соединен с поворотным корпусом 25. Вращающийся вал 43 установлен внутри нижней трубы 44 и проходит через всю длину трубы и выше, где он соединяется с блоком 46 привода. Блок 46 привода содержит турбину 47, вращающуюся под действием жидкости, проходящей через устройство. Блок 46 привода содержит зубчатую передачу, установленную для понижения скорости вращения до уровня, требуемого для привода вала 43. Блок привода также содержит перепускной клапан 48, который может открываться для пропуска части потока жидкости так, чтобы он проходил мимо турбины для уменьшения мощности, подводимой к турбине, в случаях, когда это необходимо.

Узел, показанный на фиг.7, обычно устанавливают так, что фланец 45 устанавливается в контакте со стенкой поверхности резервуара или аналогично так, чтобы нижняя труба 44 и струйное устройство 42 с приводным валом были установлены внутри резервуара, в то время как блок 46 привода обычно расположен за пределами резервуара. Конические шестерни и подшипники в поворотном корпусе 25 смазываются потоком жидкости, подводимой к струйному устройству. С другой стороны, зубчатая передача установлена в блоке привода отдельно от потока жидкости, подводимой для создания струй, и в качестве нее используется масло или другое средство смазки как будет понятно специалисту в данной области техники. Другие свойства струйного устройства с приводным валом аналогичны описанным со ссылкой на предыдущие чертежи.

Как будет понятно специалисту в данной области техники, блок 46 с приводом от турбины легко может быть заменен другим силовым средством, обеспечивающим вращение вала 43, например, пневматическим двигателем, гидравлическим двигателем или электрическим двигателем.

Рассмотрим фигуры 8 и 9 для описания многоуровневого струйного устройства. Многоуровневое струйное устройство 49 обычно содержит блок 46 привода, вращающуюся нижнюю трубу 50 и множество блоков 52 сопел, причем на фиг.8 показаны три блока 52 сопел, установленных вдоль вращающейся нижней трубы. Вращающаяся нижняя труба также содержит один или несколько держателей 51, предназначенных для установки установочных подшипников вала.

Как показано на фиг.9 с покомпонентным представлением деталей, вращающийся вал 50 привода содержит вспомогательный вал 43 привода, установленный внутри вращающейся нижней трубы.

Каждый блок 52 сопла содержит вращающуюся втулку 26 со струйной трубкой 41. Вращающаяся втулка 26 вращается вокруг горизонтальной оси с приводом от червячной передачи, содержащей червячное колесо 54, сцепленное с червяком 53, который вращается от вала 43. Таким образом, вращение вала 43 по отношению к вращающемуся валу 50 обеспечивает медленное вращение на каждую из втулок 26 вокруг соответствующих горизонтальных осей. Червячная зубчатая передача и подшипники внутри узла сопла смазываются потоком жидкости, поступающей для формирования струй.

Одновременно с этим вращением вся труба 50 медленно поворачивается вокруг вертикальной оси. Благодаря этому вращению, каждый из блоков 52 сопел медленно поворачивается вокруг вертикальной оси.

В варианте воплощения, показанном на фиг.9, втулка 26 содержит только одну струйную трубку 41. Таким образом, струя будет создавать результирующую силу реакции, направленную на блок сопла, которая должна быть скомпенсирована соответствующими держателями, установленными на вращающейся трубке. Однако, при использовании для перемешивания массы жидкости, воздействие струи, в результате вращения, в течение длительного времени в среднем будет равно нулю. Таким образом, не образуется вращение всей массы. В других вариантах воплощения блок сопла может содержать большее количество струйных сопел на каждой втулке. Другие свойства многоуровневого струйного устройства, в общем, аналогичны струйному устройству с приводом от вала.

Блок 56 привода содержит двигатель, например турбину, пневматический двигатель, гидравлический двигатель или электрический двигатель и соответствующие зубчатые передачи. Зубчатые передачи позволяют вращать вал 43 и вращающуюся нижнюю трубку 50 с соответствующими различными скоростями вращения, которые подобраны так, что обеспечивается, в общем, равномерное сканирование со смещением или промывка во всех направлениях.

Обычно эффективное смешивание и перемешивание массы жидкости, содержащейся внутри резервуара, в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивается с помощью струй, выходящих из струйного устройства, которое качается для эффективного последовательного покрытия во всех направлениях и позволяет струям непосредственно достигать все внутренние поверхности резервуара.

В предпочтительных вариантах воплощения струйное устройство формирует узкие струи требуемого диаметра и длины воздействия, причем эти струи в особенности пригодны для подачи на большое расстояние, достигающее стенок резервуара.

В других предпочтительных вариантах воплощения струйное устройство формирует веерообразные плоские струи, проходящие под требуемым углом с оптимизированной длиной воздействия, причем указанный угол, в общем, покрывает 360 градусов. Однако, предпочтительно, используются меньшие углы и более плоские струи в зависимости от требуемой длины воздействия.

Плоская струя веерообразной формы, создаваемая под действием энергии жидкости под давлением, заменяет принудительное вращение узкой струи жидкости, качающейся в пределах секции сферы. Обычно в плоской струе жидкость испускается в виде секции плоского конуса для формирования веерообразной струи, благодаря чему плоская струя может перекрывать ту же секцию сферы, что и качающаяся узкая струя. Однако плоская струя веерообразной формы получается без использования принудительного вращения вокруг оси вращения как требуется для качания узкой струи в пределах той же сферической площади. В соответствии с этим, плоская струя заменяет одну из осей вращения. Преимущество такого варианта воплощения состоит в меньшем количестве используемых механических частей, например, благодаря отсутствию зубчатой передачи, с помощью которой осуществляется принудительное вращение.

Следует отметить, что для плоской струи сфера воздействия получается большей, чем для узкой струи, с которой выходит такое же количество жидкости. Следовательно, длина воздействия плоской струи обычно получается меньшей по сравнению с узкой струёй. Такая меньшая длина воздействия, однако, может быть в определенной степени скомпенсирована повышением давления жидкости. Однако при более высоком давлении, повышается тенденция разбивания струи жидкости на капли. Вследствие этого, вращающиеся плоские струи более пригодны для использования в небольших резервуарах, например в резервуарах с диаметром до 3-4 метров. Для больших резервуаров, может потребоваться большее количество плоских струй для компенсации этого эффекта и для получения того же уровня смешивания и перемешивания массы жидкости во всем резервуаре, который обеспечивается при использовании узких струй.

Рассмотрим фигуры 10 и 11 для описания вращающегося устройства 55 с плоскими струями, которое также может использоваться в качестве струйного устройства. Вращающееся устройство 55 с плоскими струями обычно содержит вращающуюся насадку 56 с плоской струёй, установленную на нижней трубе 57 струйного устройства на подшипнике 61, который вращается только вокруг одной оси, причем указанное устройство с плоской струёй делает второе принудительное вращение избыточным и, таким образом, упрощает конструкцию.

Вращающаяся насадка 56 с плоской струёй содержит ряд щелей или прорезей, через которые могут выходить плоские струи жидкости. Такие прорези содержат нижнюю прорезь 58, пару боковых прорезей 59 (на фиг.10 показана только одна плоская струя, создаваемая закрытой для обзора прорезью), и пару верхних прорезей 60. В каждой из этих прорезей создается широкая плоская струя жидкости, и совместно все плоские струи при вращении вращающейся насадки 56 с плоскими струями охватывают всю сферу. Привод во вращение вращающейся насадки с плоскими струями осуществляется либо от вала, либо благодаря силе реакции плоских струй, выходящих через боковые прорези 59, которые ориентированы под небольшим углом к направлению оси вращения, для создания крутящего момента, возникающего благодаря силе реакции плоской струи.

Подходящие вращающиеся насадки с плоскими струями поставляются компанией Toftejorg A/S, г.Исхей, Дания, под торговым наименованием Sani Miget®, Sani Magnum® и Sani Mega®.

Хотя выше были описаны конкретные варианты воплощения, следует помнить, что настоящее изобретение может быть выполнено различными способами и что приведенное пояснение служит только для примера настоящего изобретения, а не ограничивает его объем, который определен исключительно прилагаемой формулой изобретения.

Группа изобретений относится к обработке жидкостей в резервуарах. Способ включает циркуляцию жидкости через струйное устройство, установленное в резервуаре. Струйное устройство содержит сопла, вращающиеся принудительно вокруг непараллельных осей. Сопла создают плоские струи, покрывающие при последовательном прохождении струй полную сферу. После опорожнения резервуара струйное устройство служит для очистки резервуара путем разбрызгивания жидкости на стенки резервуара. Технический результат состоит в возможности использования одного устройства создания струи для перемешивания и для очистки. 3 н. и 29 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ обработки массы жидкости в резервуаре, включающий следующие этапы: отбор потока жидкости от массы жидкости, находящейся внутри резервуара, повышение давления в потоке жидкости, повторный ввод потока жидкости в резервуар через, по меньшей мере, одно струйное устройство, причем струйное устройство подает с помощью одного или нескольких сопел, установленных в массе жидкости, одну или несколько струй жидкости, направленных в массу жидкости, находящуюся внутри резервуара, для обеспечения смешивания и перемешивания массы жидкости, причем сопло/сопла принудительно вращается вокруг первой оси и вокруг второй оси, перпендикулярной или не перпендикулярной первой оси, указанное струйное устройство содержит силовое средство, предназначенное для привода во вращение сопла/сопел вокруг первой оси, и силовое средство, предназначенное для привода во вращение сопла/сопел вокруг второй оси.2. Способ по п.1, в котором струйное устройство выполнено с возможностью отвода части потока жидкости под давлением на подшипники и на силовое средство для обеспечения смазки подшипников и силового средства этой жидкостью.3. Способ по п.1, в котором силовое средство содержит зубчатую передачу, установленную для обеспечения вращения вокруг второй оси со скоростью вращения, отличающейся от скорости вращения вокруг первой оси, для смещения механизма качания сопла/сопел.4. Способ по п.1, в котором силовое средство включает одно из: турбину, приводимую во вращение потоком жидкости под давлением, пневматический двигатель, гидравлический двигатель или электрический двигатель.5. Способ по п.1, в котором струйное устройство выполнено с возможностью самодренирования всей жидкости.6. Способ по п.1, в котором струйное устройство выполнено с возможностью последовательного прохода соплом/соплами по пути, который покрывает полную сферу.7. Способ по п.1, в котором струйное устройство выполнено с возможностью формирования струй, сбалансированных для создания нулевой суммарной тяги, направленной на струйное устройство.8. Способ по п.1, содержащий добавление ингредиента или нескольких ингредиентов в жидкость, находящуюся в резервуаре, путем добавления ингредиента/ингредиентов непосредственно в резервуар или в поток перед тем, как он будет введен в резервуар через струйное устройство.9. Способ по п.8, в котором добавляемый ингредиент представляет собой газ, жидкость, твердое вещество или их комбинации.10. Способ по п.1, содержащий обработку жидкости, отбираемой из резервуара, путем пропускания этой жидкости через статический смеситель, фильтр или теплообменник.11. Способ по 1, в котором струйное устройство содержит вращающееся устройство, включающее вращающуюся насадку с плоской струей, установленную с возможностью вращения на нижней трубе струйного устройства и содержащую, по меньшей мере, одну прорезь, предназначенную для подачи плоской струи жидкости.12. Способ работы технологической установки, содержащий ввод порции жидкости в резервуар, перемешивание порции жидкости с помощью способа по п.1, выпуск порции жидкости из резервуара, подачу под давлением потока очищающего вещества через струйное устройство для создания одной или нескольких струй, разбрызгивающих очищающий состав, который активно промывает внутреннюю поверхность резервуара для удаления и промывки любых остатков, и удаление промывочной жидкости.13. Способ по п.12, в котором струйное устройство выполнено с возможностью отвода части потока жидкости под давлением на подшипники и на силовое средство для обеспечения смазки подшипников и силового средства этой жидкостью.14. Способ по п.12, в котором силовое средство содержит зубчатую передачу, установленную для обеспечения вращения вокруг второй оси со скоростью вращения, отличающейся от скорости вращения вокруг первой оси, для смещения механизма качания сопла/сопел.15. Способ по п.12, в котором силовое средство содержит одно из: турбину, приводимую во вращение потоком жидкости под давлением, пневматический двигатель, гидравлический двигатель или электрический двигатель.16. Способ по п.12, в котором струйное устройство выполнено с возможностью самодренирования всей жидкости.17. Способ по п.12, в котором струйное устройство выполнено с возможностью последовательного прохода соплом/соплами по всему пути, который покрывает всю сферу.18. Способ по п.12, в котором струйное устройство выполнено с возможностью формирования струй, сбалансированных для создания нулевой суммарной тяги, направленной на струйное устройство.19. Способ по п.12, содержащий добавление ингредиента в порцию жидкости в резервуаре путем добавления ингредиента непосредственно в резервуар или в поток перед тем, как он будет введен в резервуар через струйное устройство.20. Способ по п.12, содержащий обработку жидкости, отбираемой из резервуара, с помощью пропускания жидкости через статический смеситель, фильтр или теплообменник.21. Способ по п.12, в котором струйное устройство содержит вращающееся устройство, включающее вращающуюся насадку с плоской струей, установленную с возможностью вращения на нижней трубе струйного устройства и содержащую, по меньшей мере, одну прорезь, предназначенную для подачи плоской струи жидкости.22. Технологическая установка для обработки жидкости, содержащая резервуар, предназначенный для содержания порции жидкости, трубопровод, предназначенный для отбора потока жидкости из резервуара, резервуар с жидким очищающим составом, обводной трубопровод, предназначенный для подачи жидкости через, по меньшей мере, одно струйное устройство в резервуар, клапан, предназначенный для избирательной подачи одной отбираемой жидкости или как отобранной жидкости, так и очищающего средства, в обводной трубопровод и насос, предназначенный для подачи жидкости через обводной трубопровод, в которой струйное устройство подает через одно или несколько сопел, установленных в массе жидкости, одну или несколько струй жидкости в массу жидкости, находящуюся внутри резервуара, для обеспечения смешивания и перемешивания массы жидкости, в которой сопло/сопла выполнены с возможностью силового принудительного вращения вокруг первой оси и вокруг второй оси, перпендикулярной или не перпендикулярной первой оси, причем указанное струйное устройство содержит силовое средство, предназначенное для привода во вращение сопла/сопел вокруг первой оси, и силовое средство, предназначенное для привода во вращение сопла/сопел вокруг второй оси.23. Технологическая установка по п.22, в которой струйное устройство выполнено с возможностью отвода части потока жидкости под давлением на подшипники и на силовое средство для обеспечения смазки подшипников и силового средства этой жидкостью.24. Технологическая установка по п.22, в которой силовое средство содержит зубчатую передачу, установленную для обеспечения вращения вокруг второй оси со скоростью вращения, отличающейся от скорости вращения вокруг первой оси, для смещения механизма качания сопла/сопел.25. Технологическая установка по п.22, в которой силовое средство содержит одно из: турбину, приводимую во вращение потоком жидкости под давлением, пневматический двигатель, гидравлический двигатель или электрический двигатель.26. Технологическая установка по п.22, в которой струйное устройство выполнено с возможностью самодренирования всей жидкости.27. Технологическая установка по п.22, в которой струйное устройство выполнено с возможностью последовательного прохода соплом по пути, который покрывает полную сферу.28. Технологическая установка по п.22, в которой струйное устройство выполнено с возможностью создания струй, сбалансированных для создания нулевой суммарной тяги, направленной на струйное устройство.29. Технологическая установка по п.22, содержащая средство, предназначенное для добавления ингредиента или нескольких ингредиентов в массу жидкости, находящейся в резервуаре, путем добавления ингредиента непосредственно в резервуар или в поток перед тем, как он будет введен в резервуар через струйное устройство.30. Технологическая установка по п.29, в которой добавляемый ингредиент представляет собой газ, жидкость, твердое вещество или их комбинацию.31. Технологическая установка по п.22, содержащая статический смеситель, фильтр и теплообменник, установленный в обводной трубопровод с возможностью обработки жидкости, отбираемой из резервуара.32. Технологическая установка по п.22, в которой струйное устройство содержит вращающееся устройство, включающее вращающуюся насадку с плоской струей, установленную с возможностью вращения на нижней трубе струйного устройства, и содержащую, по меньшей мере, одну прорезь, предназначенную для подачи плоской струи жидкости.