СПОСОБ, УСТРОЙСТВО И УСТАНОВКА ПРОВЕДЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МЕЖДУ ПОДВИЖНЫМИ СРЕДАМИ Российский патент 2007 года по МПК B01F7/26 B28C5/16 

1. Область изобретения

Изобретение относится к проведению физико-химических процессов, а более конкретно к способу, устройству и установке проведения физико-химических процессов между подвижными средами, содержащими компоненты в разных фазовых состояниях, обеспечивающих смешение потоков подвижных сред, а также полученному конечному продукту, и может найти применение в химической технологии, используемой в различных областях промышленности, в частности фармацевтической, пищевой, бумажной, производства строительных материалов и др.

2. Известный уровень техники

В патенте РФ №772585 описан способ измельчения и смешивания суспензий, при котором происходит встречное столкновение подаваемых под давлением струй. При этом суспензия предварительно, перед формированием струй, насыщается сжатым газом. При изменении давления струй в смесительной камере газ резко выделяется, придавая порциям суспензии дополнительный разгон и обеспечивая тем самым повышение эффективности смешивания. Однако достигаемая с помощью данного способа производительность является недостаточной. Более того, способ не может обеспечить высокую степень гомогенизации смешиваемых компонентов, в частности, из-за неравномерного распределения зон усиленного газом смешения. Более того, наличие газовых турбуленций неизбежно вызывает забрасывание части суспензии на элементы конструкции, что неизменно приведет к нарушению их функционирования и, возможно, остановке в работе. При этом трудно обеспечивать равномерный обмен энергии между всеми компонентами. Образуются застойные зоны, приводящие к снижению качества смешения и, соответственно, готовой смеси. Такой способ смешивания является весьма энергоемким процессом.

Наиболее близким аналогом заявленному способу является способ проведения физико-химических процессов с участием веществ в различных фазовых состояниях, раскрытый в патенте авторов настоящего изобретения РФ №2252816. Способ включает введение жидких и твердых или жидких компонентов из средств загрузки в рабочий объем корпуса, который может приводиться во вращение для придания стекающему жидкому компоненту отклонения от вертикали. При этом жидкий компонент стекает по стенке корпуса под действием гравитации и может отклоняться при вращении корпуса, а другой, твердый или также жидкий, компонент поступает на вращаемую чашу ротора и распыляется под действием центробежных сил в горизонтальной плоскости и попадает на стенку корпуса, где смешивается со стекающим компонентом. Полученная смесь выгружается из нижней части рабочего объема. Недостатком этого способа является нестабильность стекающего компонента, возможность его прерывания, образование за счет этого комков несмешанных компонентов.

Из патента РФ №2121870 известен смеситель, включающий корпус и установленный внутри корпуса на валу ротор, на основании которого установлен вершиной вверх эллиптический параболоид. Ротор представляет собой сужающееся книзу полое конусовидное образование, имеющее в вертикальном сечении форму параболы, образованной в соответствии с уравнением у=ах², где а=0,05...0,2. Исходные материалы подают внутрь ротора, где и происходит их смешивание, обеспечиваемое вращением ротора и выбранной конфигурацией ротора. Приготовленная смесь сбрасывается с ротора на днище корпуса и выгружается из смесителя. Недостатком такого смесителя является наличие застойных зон и, как следствие, низкая интенсивность смешения компонентов и качества готовой смеси.

Наиболее близким заявленному устройству является известный из патента РФ 2252816 аппарат для проведения физико-химических процессов с участием веществ в различных фазовых состояниях. Аппарат содержит вращаемый корпус, установленный внутри него вал, приводимый в движение внешним приводом и несущий чашу закрепленного на нем ротора со спиральными бороздками. К внутренней стенке корпуса и ротору подведены патрубки для подвода компонентов смеси. В нижней части корпуса предусмотрен узел выгрузки целевого продукта. Недостатком данного аппарата является то, что подаваемый на стенку корпуса жидкий компонент просто льется из соответствующего патрубка, из-за чего не обеспечивается равномерность и стабильность стекающего потока. Вследствие этого происходит неоднородное смешивание компонентов, образование комков и возможно захлебывание работы аппарата.

Кроме того, следует отметить, что кинетическое внедрение одного материала в другой сопровождается дегазацией, по крайней мере, внедряемого материала, особенно порошкообразного. Учитывая, что газосодержание, например, порошкообразных материалов составляет в среднем 50%, имеют место мощные газообразования в рабочем объеме смесителя. Газоистечение существенно влияет на устойчивость работы смесительных устройств, уносит часть мелкой фракции и способствует пылеобразованию с засорением внутренних элементов рабочего объема в виде наростов "бороды", вплоть до нарушения нормального функционирования. Процесс усугубляется образованием газовых потоков, вызываемых центробежным ускорением ротора, особенно имеющем радиально развитую поверхность, порождающую разнообразные поверхностные возмущения. Известно, что элементы конструкции с развитой радиальной поверхностью возбуждают мощные вихреобразные потоки газа со скоростью в 10-15 м/с и более.

В целом во всех известных решениях происходит так называемое объемное взаимодействие материалов, т.е. сталкивающиеся материалы смешиваются друг с другом, но по мере потери энергии при внедрении материалов друг в друга смешивание замедляется и затухает. Таким образом, остаются какие-то периферийные участки, где смешивание не происходит совсем. Напрашивается необходимость создания условий смешивания, при которых происходило бы максимальное взаимодействие материалов.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание таких простых и экономичных способа и устройства для проведения физико-химических процессов между подвижными средами, содержащими компоненты в различных фазовых состояниях, благодаря которым обеспечивалось бы высокое качество смешивания, интенсификация взаимодействия сред вплоть до эмульгирования несмешиваемых материалов и возможность управляемости протеканием химических процессов. Следовательно, необходимо так организовать способ и условия взаимодействия, чтобы обеспечить максимально эффективное внедрение одной среды в другую, например путем придания одной среде такой скорости движения, которая позволит ее частицам максимально внедриться в выбранный объем другой среды. В предлагаемом изобретении эта задача решена регулируемым способом, а именно путем придания подвижным средам формы потоков, располагающихся в плоскостях, близких к взаимоперпендикулярным, и имеющих регулируемые характеристики. Одному из потоков придают форму пленки, а другой распыляют с центробежным ускорением. Процесс представляет собой внедрение ускоряемого с возможностью регулирования потока одной подвижной среды в сплошной поток в виде пленки другой подвижной среды, истекающей под регулируемым давлением.

3. Сущность изобретения.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе проведения физико-химических процессов между подвижными средами с компонентами в различных фазовых состояниях, включающем введение подвижных сред в рабочий объем из питателя и средства загрузки, образование распыляемого с центробежным ускорением первого потока первой подвижной среды посредством подачи первой подвижной среды из средства загрузки на средство вращения, приводимое в движение вращаемым от привода валом, формирование второго потока второй подвижной среды, взаимодействие первого и второго потоков подвижных сред и вывод результирующей смеси, в соответствии с изобретением вторую подвижную среду подают из питателя под давлением через формирователь второго потока в виде сплошной пленки, перемещающейся по стенке корпуса по меньшей мере частично под углом к вертикали и в направлении, противоположном вращению средства вращения, при этом используют формирователь второго потока, содержащий перевернутую тарелку, имеющую основание и юбку с кромкой и установленную так, что кромка юбки обращена к стенке корпуса и образует с ней зазор, так что формирование второго потока происходит при прохождении второй подвижной среды через зазор.

Предпочтительно обеспечивать внедрение первого потока во второй поток в области перемещения пленки по стенке корпуса под углом к вертикали.

Предпочтительно также сообщать средству вращения скорость, обеспечивающую внедрение первого потока на часть глубины второго потока, но не более чем на 0,9 толщины пленки.

Желательно использовать средства вращения, снабженные барьерами для минимизизации возмущения газовой среды, отделяющейся при взаимодействии подвижных потоков в корпусе.

При этом желательно выводить отделяющиеся при проведении процесса газы из рабочего объема корпуса с помощью вентилирующих средств и возвращать их через сепараторные средства на средство загрузки или в питатель, или и на одно, и в другое.

Задача реализации указанного способа решена с помощью создания устройства для проведения физико-химических процессов между подвижными средами с компонентами в различных фазовых состояниях, содержащего корпус, приводной вал, связанный с приводом, установленное на валу средство вращения для создания первого потока первой подвижной среды, средство загрузки первой подвижной среды на средство вращения, придающее первому потоку радиальное центробежное распыление и ускорение, средство выгрузки результирующей смеси и питатель для введения второй подвижной среды, которое в соответствии с изобретением включает формирователь второго потока второй подвижной среды, содержащий прикрепленную изнутри к корпусу перевернутую тарелку, имеющую основание и юбку с кромкой, обращенной к стенке корпуса и образующей с ней зазор для выхода потока второй подвижной среды в виде пленки, причем на образующих зазор кромке юбки или поверхности корпуса, либо и на том, и на другом выполнен наклонный рельеф для придания на выходе из зазора движению пленки направления под углом к вертикали, а средство вращения выполнено в виде барабанного ротора с верхней и нижней полостью или только с верхней полостью, ограниченными по периферии кольцевым барьером, при этом питатель выполнен с возможностью введения второй подвижной среды в формирователь под давлением.

Предпочтительно, чтобы средство вращения было выполнено с возможностью перемещения по валу или вместе с ним вдоль центральной оси для его позиционирования на уровне внедрения распыляемого с него потока в область перемещения пленки под углом к вертикали.

Предпочтительно наклон рельефа выполнять так, чтобы придать движению пленки направление, противоположное направлению вращения средства вращения.

Желательно дополнительно снабдить формирователь расположенной поверх основания тарелки упругой мембраной, покрывающей зазор.

Желательно также дополнительно ввести в устройство средства вентиляции и сепарации для отвода отделяющихся газов из рабочего объема корпуса и подачи их через средства сепарации на средство загрузки или в питатель или и на то, и в другое.

Для обеспечения высокой степени гомогенизации смешиваемых сред предложена установка проведения физико-химических процессов между подвижными средами, включающая корпус, образующий первый рабочий объем, камеру, являющуюся продолжением корпуса и образующую второй рабочий объем, приводную ось, функционально связанную с приводом оси, устройство проведения физико-химических процессов для получения результирующей смеси подвижных сред, включающее установленное на валу средство вращения, по меньшей мере одно дополнительное средство вращения, установленное на валу ниже устройства проведения физико-химических процессов для получения результирующей смеси, по меньшей мере один направляющий коллектор-конфузор, жестко присоединенный к стенке камеры между устройством и дополнительным средством, и средство вывода конечного продукта, в которой в соответствии с изобретением устройство проведения физико-химических процессов для получения результирующей смеси подвижных сред выполнено в соответствии с любым из п.п.6-10.

Предпочтительно дополнительное средство вращения выполнять в виде барабанного ротора с верхней и нижней полостью или только с верхней полостью, ограниченной по периферии кольцевым барьером.

Желательно на стенке камеры в месте столкновения распыляемой дополнительным средством вращения смеси, т.е. первого потока смеси, со стенкой камеры разместить кольцевой козырек, прикрепленный с наклоном под острым углом к стенке камеры. Наклонный козырек создаст смывающее воздействие и обеспечит более благоприятные условия отвода смеси после столкновения, что позволит избежать возможного залипания. Более подробно это будет пояснено ниже.

На стенках камеры можно предусмотреть дополнительные загрузочные средства для подачи добавок на дополнительное средство вращения. Такая конструкция может использоваться при необходимости введения в смесь каких-то веществ, способных изменить ее характеристики.

Для вращения оси установки может применяться любой известный привод оси, который может быть установлен как вне установки, так внутри нее. Этот же привод может быть использован и для приведения во вращение вала установки.

Ось может быть продолжением вала устройства, при этом в качестве привода оси используют привод вала или в качестве привода вала используют привод оси.

Согласно изобретению проведение физико-химических процессов между двумя подвижными средами с компонентами в различных фазовых состояниях осуществляют за счет взаимодействия первой и второй подвижных сред в виде потоков, один из которых представляет собой дискретный распыляемый с центробежным ускорением поток: первый поток, а другому придана форма сплошного непрерывного потока в виде пленки: второго потока. Для этого первую подвижную среду подают из средства загрузки на средство вращения в виде барабанного ротора с барьером, приводимое в движение валом от привода вала. Возникающие в результате вращения силы разгоняют частицы и разбрасывают их с барабанного ротора с центробежным ускорением в виде распыляемого первого потока. При этом было установлено, что наиболее оптимальный отрыв частиц от ротора происходит при выполнении на периферии его барьера острого выступа. Так образуется поток первой подвижной среды, т.е. первый поток, распыляемый средством вращения с центробежным ускорением в плоскости, по существу параллельной плоскости вращения. Вторую подвижную среду подают через питатель, откуда она под давлением, сообщаемым при помощи любых известных средств или используя напор магистрали поступает на формирователь. Образованный формирователем со стенкой корпуса кольцевой зазор придает второй подвижной среде форму перемещающейся по стенке сплошной пленки, представляющей собой второй поток. При этом толщина пленки определяется, в частности, давлением подачи второй подвижной среды, внешним периметром зазора, вязкостью и плотностью подвижной среды. Проектную толщину выбирают в зависимости от характеристик материала второй подвижной среды, а также от величины центробежного ускорения, с которым должно производиться распыление первой подвижной среды, исходя из того, что распыляемый с этим ускорением первый поток не должен нарушать устойчивость пленки. Формирование необходимой толщины пленки при постоянстве вышеуказанных зависимостей осуществляют за счет выбора давления второй подвижной среды. Давление может регулироваться. Исследования показали, что распыляемый поток не должен проникать на более чем 0,9 толщины пленки, что справедливо, особенно для сред с высокой адгезией к стенке, где остаточная толщина пленки выполняет роль подсредовой смазки.

Для более надежного формирования пленки можно разместить на тарелке упругую круговую мембрану. Мембрану выполняют по форме и размеру корпуса и укладывают на основание тарелки. Под давлением жидкости края упругой мембраны прогибаются, образуя круговой кромочный зазор с корпусом, который и придает второй подвижной среде вид пристеночной пленки. Упругой мембраной автоматически формируется величина необходимого кольцевого зазора и в прямой зависимости от давления второй подвижной среды формируется толщина пристеночной пленки. Необходимую толщину пристеночной пленки предварительно определяют из выражения

, где:

δ - толщина пленки, [м];

Г - линейная плотность орошения внешнего периметра зазора, кг/мс;

μ - динамическая вязкость второй подвижной среды, Нс/м²;

ρ - плотность второй подвижной среды, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Тонкие пленки, толщиной не более 0,1 мм, имеют естественную неустойчивость даже в невозмущенном состоянии. Было установлено, что возмущаемые внедрением пленки должны быть не тоньше 0,3 мм. Диапазон используемых толщин пленок для большинства подвижных сред равен 0,3...3,0 мм и зависит, как видно из уравнения, от многих факторов, но управляем, в основном, давлением жидкости, обеспечивающим необходимую линейную плотность орошения внешнего периметра кольцевого зазора.

Известно, что распыляемая с центробежным ускорением первая подвижная среда, т.е. первый поток, перемещается по касательной к ротору и, соответственно, также по касательной внедряется в пленку второй подвижной среды. Чтобы снизить закручивающее воздействие на пленку со стороны распыляемого потока первой подвижной среды, траектория перемещения по стенке корпуса пленки второй подвижной среды должная быть обратной закручиванию первого потока по меньшей мере в зоне взаимодействия подвижных сред. Это достигается благодаря конструктивным особенностям зазора, а именно его выполнением с закручивающим рельефом в виде, например, наклонных выступов и канавок, или гофр, на внутренней стенке корпуса или кромке юбки тарелки, или и на том, и на другом, что обеспечивает выход потока второй подвижной среды по направлениям, заданным направлением рельефа. Выбор этого направления позволяет получить поток второй подвижной среды, перемещающийся, по меньшей мере, в области около выхода из зазора, в направлении, компенсирующем закручивающее воздействие распыляемого первого потока. В результате расчетов и проведенных испытаний было найдено, что наклон рельефа, или канавок, не должен превышать 45°.

Известно, что при кинетическом взаимодействии потоков имеет место отделение газов. Вращение средства вращения в замкнутом рабочем объеме корпуса устройства и отделение газов сопровождаются образованием газовых возмущений, существенно влияющих на устойчивость и качество взаимодействия сред. В соответствии с еще одной задачей изобретения при осуществлении способа минимизируют возмущения межпотоковой газовой среды в рабочем объеме корпуса, возникающие, в основном, при вращении средства вращения, увлекающего отделяющиеся из подвижных сред газы. Это необходимо для сохранения устойчивости пространственных форм потоков и устранения несанкционированных забросов подвижных сред на элементы устройства. Проведенными исследованиями было установлено, что наиболее благоприятная межпотоковая газовая среда в рабочем объеме может быть достигнута при наличии пневмосопротивления радиальному растеканию газа на вращающемся средстве вращения. При осуществлении настоящего способа используют специально сконструированное средство вращения в виде однополостного или двуполостного барабанного ротора с расположенным по периферии полости барьером, создающим необходимое пневмосопротивление. Двуполостной ротор слабо возмущает газовую среду. Заметное же отклонение от симметрии формы и размеров контуров между верхней и нижней частями барабана способно породить газовые возмущения, сказывающиеся на маловязких подвижных средах и тонкой пристеночной пленке. Если же во втором потоке присутствуют вязкие подвижные среды, а также, если имеют место толстые пленки с δ>0,5 мм, возможно использование и однополостного барабана, который хоть и возбуждает повышенные газозавихрения, но уже за зоной взаимодействия подвижных сред. Простого выбора того или иного варианта барабана в функции вязкости подвижной среды и толщины ее пленки нет, однако двуполостной барабан позволяет гарантированно избежать возмущения газовой среды.

Отделяющиеся в процессе работы газы отводят из рабочего объема с помощью вентиляционных средств, которые могут быть снабжены сепараторными средствами, препятствующими уносу мелкой фракции подвижных сред. Пневмосопротивление радиальному растеканию газа и вентилирующее воздействие на газовую среду обеспечивают устойчивый характер массообмена протекающих процессов, сохранение гранулометрического состава сред и получение качественного взаимодействия подвижных сред.

4. Краткое описание чертежей.

Далее задачи, преимущества и особенности изобретения будут более понятны из приводимого только в качестве примера, но не ограничивающего варианта реализации устройства по изобретению со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - вид в разрезе устройства с двуполостным барабанным ротором;

Фиг.2 - вид в разрезе однополостного барабанного ротора;

Фиг.3 - вид фрагмента А стенки зазора в диаметральном сечении корпуса с выполненным на ней наклонным рельефом в виде канавок;

Фиг.4 - схема распределения сил, действующих на результирующую смесь при ее соударении с козырьком установки;

Фиг.5 - схематический вид установки по изобретению.

5. Вариант выполнения изобретения.

Как показано на фиг.1, устройство 1 содержит корпус 2 с рабочим объемом 3, внутри которого установлен приводной вал 4, приводимый в движение приводом 5 вала. На валу 4 внутри рабочего объема 3 закреплено с возможностью осевого перемещения средство вращения в виде барабанного ротора 6, над которым находится средство загрузки 7 первой подвижной среды. Барабанный ротор 6 в данном примере выполнен с двумя полостями 8. Однако возможно выполнение ротора с одной полостью 8, как показано на фиг.2. В рабочем объеме 3 установлен формирователь, содержащий жестко соединенную с корпусом 2 тарелку 9, над которой располагается питатель 10, включающий средство 11 придания давления второй подвижной среде. Тарелка 9 имеет обращенное вверх основание 12 и юбку 13, кромка которой образует со стенкой корпуса 2 зазор 14, через который выходит сформированный поток второй подвижной среды в виде пленки 15. Тарелка 9 содержит размещенную на ее основании 12 упругую повторяющую контур корпуса мембрану 16, примыкающую своей периферией к стенке корпуса 2, перекрывая зазор 14. Для придания пленке направления движения под углом к вертикали поверхность стенки корпуса 2 в области зазора 14 выполнена рельефной в виде наклонных канавок 17. Угол наклона канавок относительно вертикали не превышает 45°. Такие канавки могут быть образованы на образующей зазор 14 кромке юбки 13 или на стенке корпуса 2 или и на стенке, и на кромке. Вариант с рельефом в виде канавок 17 на поверхности корпуса показан в увеличенном виде как фрагмент А на фиг.3. Барабанный ротор 6 имеет две кольцевые полости 8, обращенные соответственно к средству загрузки 7 и днищу корпуса 2. Каждая полость ограничена по периферии бортиком 18 с радиальным выступом 19, форма которого в вертикальном, проходящем через центральную ось сечении, представляет собой треугольник, обращенный острием к стенке корпуса. Корпус 2 снабжен средством выгрузки 20 результирующей смеси, а также вентиляционными средствами 21 для отвода газа из рабочего объема 3 через сепаратор 22 в средство загрузки 7 или питатель 10, или и в то, и в другое.

Устройство 1 работает следующим образом. В зависимости от выбранного рабочего режима устанавливают положение барабанного ротора 6 на валу 4 так, чтобы распыляемый им первой поток попадал в рельефную часть стенки корпуса 2, которая находится за зазором 14, т.е. в ту область, где пленка 15 перемещается по стенке под углом к вертикали. Первую подвижную среду через средство загрузки 7 подают на барабанный ротор 6. Вторую подвижную среду через питатель 10 под давлением, созданным любым известным способом или средством 11, подают на поверхность тарелки 9, откуда она поступает в зазор 14. Выполненный в области зазора рельеф в виде наклонных канавок 17 придает направление перемещению пленки с закруткой в соответствии с направлением рельефа, но не более чем с наклоном 45°. В варианте выполнения по фиг.1 тарелка 9 дополнительно содержит упругую мембрану 16, на которую фактически и поступает из питателя 10 вторая подвижная среда. Вторая подвижная среда, формируя под давлением русло для продвижения, прогибает периферийную часть мембраны, что показано на фиг.1 и 3 пунктирной линией, создавая предварительный кромочный зазор, который придает второй подвижной среде вид пристеночного слоя или пленки, которая в таком виде выходит из зазора 14. Такой способ образования пленки с дополнительной мембраной 16 позволяет осуществлять ее более точное и надежное формирование. Итак, на выходе из зазора 14 получают направленную под углом к вертикали перемещающуюся по стенке корпуса 2 сплошную пленку 15. Любой известный привод вращает вал 4 и вместе с ним ротор 6. При вращении ротора 6 поступившая на него первая подвижная среда распыляется с центробежным ускорением, создавая дисперсный поток первой подвижной среды, т.е. первый поток, внедряющийся в пленку 15. Отделяющиеся при взаимодействии подвижных сред газы увлекаются вращающимся ротором к стенке корпуса 2, но встречают препятствие в виде барьера 18, который создает пневмосопротивление, заставляющее потоки газов оставаться преимущественно в области центральной оси устройства или, как минимум, формироваться в виде непрерывно самовыворачивающегося тора, слабо взаимодействующего с окружающей средой и, соответственно, мало рассеивающего энергию. Благодаря этому в рабочем объеме 3 минимизируется возмущение газовой среды и ее отрицательное влияние как на движение пленки 15, так и на нормальную работу всех элементов устройства. Средство вентиляции 22 выводит отделившиеся газы вместе с захваченными мелкими частицами подвижной среды из рабочего объема 3 и через сепаратор 22 вновь подает в средство загрузки 7. На фиг.1 пунктирной линией показан возможный вариант выполнения устройства по изобретению с подводом отсепарированных потоков на оба средства загрузки, т.е. и на средство загрузки 7, и в питатель 10. Полученная результирующая смесь под действием силы тяжести падает в нижнюю часть корпуса, откуда выводится с помощью средства выгрузки 20.

На фиг.5 схематически показана установка 23 по изобретению, включающая камеру 24, ось 25, три дополнительных средства вращения 26, соответственно: 26-1, 26-2 и 26-3, три направляющих коллектора-конфузора 27-1, 27-1 и 27-3, дополнительные загрузочные средства 28, три козырька 29-1, 29-2, 29-3, средство вывода 30 конечного продукта и привод 31. В качестве дополнительного средства вращения 26 использован двуполостной или имеющий только верхнюю полость с кольцевым периферийным барьером барабанный ротор, конструкция которого аналогична вышеописанному барабанному ротору 6, применяемому в устройстве 1, но габариты могут отличаться. В данном варианте воплощения стенка камеры 24 выполнена интегральной со стенкой корпуса 2 устройства 1, ось 25 установки 23 выполнена за одно целое с валом 4 устройства 1, а привод 31 является общим для устройства 1 и установки 23 и расположен вне установки 23. Каждый коллектор-конфузор 27 выполнен в виде обращенного большим основанием вверх усеченного конуса так, что край по периметру его верхнего основания совпадает с внутренним периметром камеры 24 и закреплен на ней, а край нижнего основания усеченного конуса располагается над дополнительным средством вращения 26. На уровне размещения каждого дополнительного средства вращения 26 на стенках камеры 24 закреплен козырек 29, т.е., в данном варианте, соответственно, козырьки 29-1, 29-2, 29-3. Козырек 29 выполнен в виде замкнутой ленты, один край которой свободен и направлен вверх к центральной оси, а другой край закреплен на стенке камеры 24 на уровне размещения дополнительного средства вращения 26, т.е. так, чтобы козырек 29 представлял собой наклонную поверхность, в которую ударяется смесь, распыляемая с дополнительного средства вращения 26. Такой козырек способствует лучшему стеканию смеси по стенке вниз за счет оказания на смесь дополнительного воздействия. Происходит это потому, что при соударении распыляемого потока смеси с наклонной стенкой действующие на смесь силы распределяются, как показано на фиг.4: распыляемая смесь ударяется о стенку наклонного козырька 29 с силой F1, в месте удара, в свою очередь, на смесь воздействует сила отражения F2, в сумме составляющие силу F3=F1+F2, и сила гравитационного воздействия mg. Таким образом, сила сползания смеси по стенке составит Fсползания=F3+mg. Для обеспечения эффективности сползания угол наклона козырька относительно вертикали не должен превышать 60°.

Над первым коллектором-конфузором 27-1 в камере 24 предусмотрено дополнительное загрузочное средство 28.

Установка 23 работает следующим образом. Подлежащие смешиванию подвижные среды смешиваются, как это было описано выше, в устройстве 1, в данном варианте представляющем собой верхнюю часть установки 23. Полученная в устройстве 1 смесь через свое специально выполненное средство выгрузки 20 попадает на первый коллектор-конфузор 27-1, откуда поступает в верхнюю полость двуполостного барабанного ротора, представляющего собой вращающееся вместе с осью первое дополнительное средство вращения 26-1. При этом происходит падение, а следовательно, удар смеси о днище полости барабанного ротора, вызывающего размельчение и перераспределению частиц, составляющих смесь. Далее в полости дополнительного средства вращения 26-1 смесь подвергается воздействию центробежных сил, которые перемещают ее до соударения с барьером, аналогичным барьеру 18, что сопровождается дальнейшим перераспределением и измельчением частиц смеси. И, наконец, распыляемая с ротора смесь ударяется о поверхность козырька 29-1, где происходит еще большее измельчение и перемешивание. В результате от поверхности козырька отскакивает уже значительно более гомогенизированная, чем она была на выходе из устройства 1, смесь. При желании таких дополнительных средств вращения, т.е. дополнительных этапов измельчения и перемешивания смеси, можно предусмотреть столько, сколько необходимо для получения нужного качества, т.е. нужной степени гомогенизации, смеси, простым набором однотипных модулей. Характерным для такого набора модулей является высочайшее качество приготавливаемых эмульсий, например, из несмешиваемых сред, поскольку каждая предшествующая эмульсия не проходит длинных трубопроводов и не отстаивается, что может привести к седиментации и дегомогенизации, а кратчайшим путем и при минимальном контакте со стенками вводится на обработку в очередной модуль. В данном варианте по фиг.5 имеется три этапа дополнительного диспергирования, размельчения и перемешивания частиц смеси. Причем перед первым дополнительным этапом предусмотрено введение в смесь дополнительных добавок. Для этого используют дополнительное загрузочное средство 28, через которое добавка поступает на коллектор-конфузор 27-1, а оттуда на дополнительное средство вращения 26-1, с помощью которого и происходит ее подмешивание в исходную смесь. После прохождения последнего этапа смесь как конечный продукт выводится из установки 23 любым известным способом с помощью любого известного средства вывода 30.

Приведенный вариант реализации является только примером и не должен рассматриваться как ограничивающий объем изобретения, некоторые аспекты которого могут иметь другое воплощение. Например, формирователь может быть выполнен за одно целое с корпусом или, в случае выполнения корпуса состоящим из двух половин, размещаться между этими половинами. Стенки как устройства, так и установки могут иметь специальную конфигурацию и т.п.

Изобретение относится к химической технологии, а точнее к способу, устройству и установке проведения физико-химических процессов между подвижными средами в разных фазовых состояниях, а также получаемому с их помощью конечному продукту, и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Благодаря способу и устройству создают потоки сталкивающихся друг с другом подвижных сред, толщина и скорость перемещения которых обеспечивает их регулируемое, надежное и эффективное взаимодействие. Устройство содержит цилиндрический корпус с размещенным на валу барабанным ротором, создающим один поток подвижной среды, формирователь второго потока подвижной среды, средства для загрузки и выгрузки подвижных сред и газоотводящие средства. Формирователь второго потока подвижной среды содержит перевернутую тарелку, имеющую основание и юбку с кромкой, обращенной к стенке корпуса. Ротор имеет служащие для приема подвижных сред одну или две торцевые полости, по периферии которых имеются барьеры с острыми радиальными выступами. Ротор посажен на вал с возможностью настроечного перемещения ротора вдоль осевой линии посредством перемещения по валу или вместе с валом. Для получения высокогомогенизированной смеси создана установка, включающая упомянутое устройство, а также, по меньшей мере, одно дополнительное средство вращения, конструкция которого аналогична упомянутому барабанному ротору, позволяющему добиваться дополнительного размельчения и перемешивания частиц смеси подвижных сред, полученной в устройстве. Изобретение позволяет повысить качество смешивания и эмульгирования материалов и обеспечивает эффективное проведение химических процессов за счет интенсификации перемешивания и улучшения управляемости процессом. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ проведения физико-химических процессов в корпусе с рабочим объемом между подвижными средами с компонентами в различных фазовых состояниях, включающий введение подвижных сред в рабочий объем из питателя и средства загрузки, образование распыляемого с центробежным ускорением первого потока первой подвижной среды посредством подачи первой подвижной среды из средства загрузки на средство вращения, приводимое в движение вращаемым от привода валом, формирование второго потока второй подвижной среды, взаимодействие первого и второго потоков подвижных сред, вывод результирующей смеси, отличающийся тем, что вторую подвижную среду подают из питателя под давлением через формирователь второго потока в виде сплошной пленки, перемещающейся по стенке корпуса, по меньшей мере, частично под углом к вертикали и в направлении, противоположном вращению средства вращения, при этом используют формирователь второго потока, содержащий перевернутую тарелку, имеющую основание и юбку с кромкой и установленную так, что кромка юбки обращена к стенке корпуса и образует с ней зазор, так что формирование второго потока происходит при прохождении второй подвижной среды через зазор.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый поток внедряют во второй поток в области перемещения пленки по стенке корпуса под углом к вертикали.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что средству вращения сообщают скорость, обеспечивающую внедрение первого потока на часть глубины второго потока, но не более чем на 0,9 толщины пленки.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют средства вращения, снабженные барьерами, для минимизации возмущения газовой среды, отделяющейся при взаимодействии подвижных потоков в корпусе.5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что отделяющиеся при проведении процесса газы выводят из рабочего объема корпуса с помощью вентилирующих средств и через сепараторные средства подают на средство загрузки или в питатель или и на одно и в другое.6. Устройство проведения физико-химических процессов между подвижными средами с компонентами в различных фазовых состояниях, содержащее корпус, приводной вал, связанный с приводом, установленное на валу средство вращения для создания первого потока первой подвижной среды, средство загрузки первой подвижной среды на средство вращения, придающее первому потоку радиальное центробежное распыление и ускорение, средство выгрузки результирующей смеси и питатель для введения второй подвижной среды, отличающееся тем, что включает формирователь второго потока второй подвижной среды, который содержит прикрепленную изнутри к корпусу перевернутую тарелку, имеющую основание и юбку с кромкой, обращенной к стенке корпуса и образующей с ней зазор для выхода потока второй подвижной среды в виде пленки, на образующих зазор кромке юбки или поверхности корпуса, либо и на том, и на другом выполнен наклонный рельеф для придания на выходе из зазора движению пленки направления под углом к вертикали, средство вращения выполнено в виде барабанного ротора с верхней и нижней полостями или только с верхней полостью, ограниченных по периферии кольцевым барьером, при этом питатель выполнен с возможностью введения второй подвижной среды в формирователь под давлением.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средство вращения выполнено с возможностью перемещения по валу или вместе с ним вдоль центральной оси для его позиционирования на уровне внедрения распыляемого с него потока в область перемещения пленки под углом к вертикали.8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что наклон рельефа выполнен так, чтобы придать движению пленки направление, противоположное направлению вращения средства вращения.9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что формирователь дополнительно содержит расположенную поверх основания тарелки упругую мембрану, покрывающую зазор.10. Устройство по любому из пп.6-9, отличающееся тем, что дополнительно имеет средства вентиляции и сепарации для отвода отделяющихся газов из рабочего объема корпуса и подачи их через средства сепарации на средство загрузки или в питатель или и на то и в другое.11. Установка проведения физико-химических процессов между подвижными средами, включающая корпус, образующий первый рабочий объем, камеру, являющуюся продолжением корпуса и образующую второй рабочий объем, приводную ось, функционально связанную с приводом оси, устройство проведения физико-химических процессов для получения результирующей смеси подвижных сред, включающее установленное на валу средство вращения, по меньшей мере, одно дополнительное средство вращения, установленное на валу ниже устройства проведения физико-химических процессов для получения результирующей смеси, по меньшей мере, один направляющий коллектор-конфузор, жестко присоединенный к стенке камеры между устройством и дополнительным средством вращения, и средство вывода конечного продукта, отличающаяся тем, что устройство проведения физико-химических процессов для получения результирующей смеси подвижных сред выполнено в соответствии с любым из пп.6-10.12. Установка по п.11, отличающаяся тем, что привод оси и привод вала могут быть размещены как внутри, так и вне камеры.13. Установка по п.11, отличающаяся тем, что ось является продолжением вала устройства, при этом в качестве привода оси используют привод вала или в качестве привода вала используют привод оси.14. Установка по п.11, отличающаяся тем, что дополнительное средство вращения выполнено в виде барабанного ротора с верхней и нижней полостями или только с верхней полостью, ограниченными по периферии кольцевым барьером.15. Установка по любому из пп.11-14, отличающаяся тем, что на стенке камеры имеется дополнительное загрузочное средство для подачи добавок на дополнительное средство вращения.