СПОСОБ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ТЕКУЧИХ ЖИДКИХ СРЕД И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК B01F5/04 

Изобретение относится к способам и устройствам для перемешивания текучих жидких сред таких, например, как спиртосодержащие смеси, топливные или масляные смеси, краски, фруктовые напитки и т.д., и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Известен способ циркуляционного перемешивания текучих жидких сред в установке, содержащей емкость, снабженную рециркуляционным контуром [Баранов Д.А., Кутепов А.М. Процессы и аппараты. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - С.69-70].

В этом способе перемешивание осуществляется путем многократного перекачивания (рециркуляции) текучей жидкой среды из нижней части емкости насосом по замкнутому контуру и возвратом ее в верхнюю часть емкости путем разбрызгивания над поверхностью находящейся в емкости текучей жидкой среды.

Известна также установка для циркуляционного перемешивания текучих жидких сред, содержащая емкость, снабженную рециркуляционным контуром, включающим последовательно соединенные насос, трубопровод и установленный в емкости над поверхностью, находящейся в ней текучей жидкой среды, разбрызгиватель [Баранов Д.А., Кутепов А.М. Процессы и аппараты. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - С.70, чертеж слева на рис.4.3.].

Данные способ и установка для его осуществления не могут обеспечить высокую однородность текучей жидкой среды.

Известен способ циркуляционного перемешивания текучих жидких сред в установке, содержащей емкость, снабженную рециркуляционным контуром [Горбатюк В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Колос, 1999. - С.142].

Известна также установка для циркуляционного перемешивания текучих жидких сред, содержащая емкость, первый запорный вентиль, через который вход установки подключен к первому входному патрубку емкости, насос, второй запорный вентиль, через который вход насоса подключен к выходному патрубку емкости, третий запорный вентиль, через который выход установки подключен к выходу насоса, четвертый запорный вентиль, вход которого подключен к выходу насоса [Горбатюк В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Колос, 1999. - С.142, рис.5.25].

Данные способ и установка для его осуществления также не могут обеспечить высокую однородность текучей жидкой среды.

В основу настоящего изобретения положена задача создания способа циркуляционного перемешивания и установки для его осуществления, обеспечивающих высокую однородность текучей жидкой среды.

Решение поставленной задачи в части, относящейся к способу по первому варианту, достигается тем, что в способе циркуляционного перемешивания текучих жидких сред в установке, содержащей емкость, снабженную рециркуляционным контуром, в процессе рециркуляции текучей жидкой среды ее подвергают гомогенизации в струйно-кавитационном режиме.

Решение поставленной задачи в части, относящейся к первому варианту выполнения устройства, достигается тем, что установка для циркуляционного перемешивания текучих жидких сред, содержащая емкость, соединенную с рециркуляционным контуром, включающим насос, вход которого через запорный вентиль подключен к выходному патрубку емкости, снабжена струйно-кавитационным гомогенизатором, входящим в состав рециркуляционного контура, при этом патрубок ввода текучей жидкой среды струйно-кавитационного гомогенизатора через запорный вентиль подключен к выходу насоса, а патрубок вывода текучей жидкой среды струйно-кавитационного гомогенизатора подключен к входному патрубку емкости.

Струйно-кавитационный гомогенизатор может быть выполнен в виде цилиндрического корпуса с патрубками ввода и вывода текучей жидкой среды и размещенными в корпусе по ходу движения текучей жидкой среды насадкой с сопловыми каналами и смесительной камерой с диспергатором, установленным на внутренней боковой поверхности смесительной камеры и выполненным в виде замкнутого профилированного кольца, торец которого скошен со стороны насадки.

Диспергатор может быть закреплен на расстоянии 10-20 калибров соплового канала от насадки.

Торец диспергатора может быть скошен по ходу движения текучей жидкой среды.

Торец диспергатора может быть скошен под углом больше 90° относительно направления движения текучей жидкой среды.

Скос торца диспергатора может быть выполнен профильным.

Решение поставленной задачи в части, относящейся к способу по второму варианту, достигается тем, что в способе циркуляционного перемешивания текучих жидких сред в установке, содержащей емкость, снабженную рециркуляционным контуром, в процессе рециркуляции текучей жидкой среды ее подвергают гомогенизации в струйно-кавитационном режиме, при этом текучую жидкую среду попеременно перекачивают из одной емкости в другую.

Решение поставленной задачи в части, относящейся ко второму варианту выполнения устройства, достигается тем, что установка для циркуляционного перемешивания текучих жидких сред, содержащая емкость, соединенную с рециркуляционным контуром, включающим насос, вход которого через запорный вентиль подключен к выходному патрубку емкости, снабжена второй емкостью и струйно-кавитационным гомогенизатором, входящим в состав рециркуляционного контура, при этом вход насоса через запорные вентили подключен к выходному патрубку каждой из емкостей, выход насоса подключен к патрубку ввода текучей жидкой среды струйно-кавитационного гомогенизатора, а патрубок вывода текучей жидкой среды струйно-кавитационного гомогенизатора через запорные вентили подключен к входному патрубку каждой из емкостей.

Струйно-кавитационный гомогенизатор может быть выполнен в виде цилиндрического корпуса с патрубками ввода и вывода текучей жидкой среды и размещенными в корпусе по ходу движения текучей жидкой среды насадкой с сопловыми каналами и смесительной камерой с диспергатором, установленным на внутренней боковой поверхности смесительной камеры и выполненным в виде замкнутого профилированного кольца, торец которого скошен со стороны насадки.

Диспергатор может быть закреплен на расстоянии 10-20 калибров соплового канала от насадки.

Торец диспергатора может быть скошен по ходу движения текучей жидкой среды.

Торец диспергатора может быть скошен под углом больше 90° относительно направления движения текучей жидкой среды.

Скос торца диспергатора может быть выполнен профильным.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема установки для циркуляционного перемешивания текучих жидких сред по первому варианту выполнения; на фиг.2 - установка во втором варианте выполнения; на фиг.3 - схема струйно-кавитационного гомогенизатора.

В первом варианте выполнения установка для циркуляционного перемешивания текучих жидких сред содержит емкость 1, первый запорный вентиль 2, через который в емкость 1 подается подвергаемая перемешиванию текучая жидкая среда, насос 3, вход которого через второй запорный вентиль 4 подключен к выходному патрубку емкости 1, третий запорный вентиль 5, через который осуществляют выход обработанной текучей жидкой среды, подключен к выходу насоса 3, четвертый запорный вентиль 6, вход которого подключен к выходу насоса 3, а также струйно-кавитационный гомогенизатор 7, патрубок ввода 12 которого подключен к выходу четвертого запорного вентиля 6, а патрубок вывода - ко второму входному патрубку емкости 1.

Во втором варианте выполнения установка для циркуляционного перемешивания текучих жидких сред содержит первую емкость 1, первый запорный вентиль 2, через который в емкость 1 подается подвергаемая перемешиванию текучая жидкая среда, насос 3, вход которого через второй запорный вентиль 4 подключен к выходному патрубку емкости 1, третий запорный вентиль 5, через который осуществляют выход обработанной текучей жидкой среды, четвертый запорный вентиль 6, через который вход насоса 3 подключен к выходному патрубку второй емкости 8, струйно-кавитационный гомогенизатор 7, патрубок ввода 12 которого подключен к выходу насоса 3, выходной патрубок второй емкости 8 подключен также к входу третьего запорного вентиля 5, пятый 9 и шестой 10 запорные вентили, через которые выход струйно-кавитационного гомогенизатора 7 подключен к второму входному патрубку первой емкости 1 и к входному патрубку второй емкости 8 соответственно.

Струйно-кавитационный гомогенизатор выполнен в виде цилиндрического корпуса 11 с патрубком ввода 12 и конфузорным патрубком вывода 13 текучей жидкой среды и размещенными в корпусе 11 по ходу движения текучей жидкой среды насадкой 14 с сопловыми каналами 15 и смесительной камерой 16 с диспергатором, установленным на внутренней боковой поверхности смесительной камеры 16 и выполненным в виде замкнутого профилированного кольца 17, торец 18 которого скошен со стороны насадки 14. Корпус 11 снабжен конфузором 19 и горловиной 20.

Диспергатор 17 закреплен на расстоянии 10-20 калибров соплового канала 15 от насадки 14, а торец 18 диспергатора 17 скошен по ходу движения текучей жидкой среды. При этом торец 18 диспергатора 17 скошен под углом больше 90° относительно направления движения текучей жидкой среды, а скос торца 18 диспергатора 17 выполнен профильным.

Предлагаемый способ циркуляционного перемешивания текучих жидких сред по первому варианту осуществляется при работе установки в первом варианте выполнения, содержащей емкость 1, снабженную рециркуляционным контуром, в котором в процессе рециркуляции текучей жидкой среды ее подвергают гомогенизации в струйно-кавитационном режиме в струйно-кавитационном гомогенизаторе 7.

Установка для циркуляционного перемешивания текучих жидких сред в первом варианте выполнения работает следующим образом.

В начальный момент времени все запорные вентили 2, 4, 5, 6 закрыты, насос 3 выключен, а емкость 1 пуста.

Открывают первый вентиль 1 и через него подают в емкость 1 текучую жидкую среду, подлежащую перемешиванию. После заполнения текучей жидкой средой емкости 1 запорный вентиль 2 закрывают.

Открывают второй и четвертый вентили 4 и 6 и включают насос 3. В результате этого через рециркуляционный контур, образованный последовательно соединенными вторым вентилем 4, насосом 3, четвертым вентилем 6 и струйно-кавитационным гомогенизатором 7, текучая жидкая среда через выходной патрубок емкости 1 забирается из ее нижней части и подается в ее верхнюю часть, подвергаясь при этом гомогенизации в струйно-кавитационном режиме в струйно-кавитационном гомогенизаторе 7.

Высокая однородность текучей жидкой среды обеспечивается за счет ее многократной обработки в режиме струйно-кавитационной гомогенизации в струйно-кавитационном гомогенизаторе 7, который работает следующим образом.

Текучая жидкая среда, подлежащая гомогенизации в струйно-кавитационном режиме, подается на патрубок ввода 12 и проходит насадку 14, где распределяется сопловыми каналами 15 на автономные струи. В струйном режиме текучая жидкая среда поступает в смесительную камеру 16 и подается на диспергатор 17. Месторасположение диспергатора 17 выбирается с одной стороны из условия сохранения струйного режима течения текучей жидкой среды на всем протяжении вплоть до контакта с диспергатором 17, и одновременно к моменту контакта с диспергатором 17 струи должны находиться в начальной стадии распада из-за наличия в них волновых возмущений. Опыт эксплуатации струйно-кавитационного гомогенизатора 7 выявил оптимальное расстояние размещения диспергатора 17 от насадки 14 в пределах 10-20 калибров соплового канала 15. Скошенный торец 18 диспергатора 17 изменяет направление течения периферийных струй текучей жидкой среды и обеспечивает их внедрение в центральную область потока. В результате, взаимодействие между собой струй с различным углом течения и различной осевой составляющей скорости приводит к скольжению струй между собой, что инициирует отрыв пограничных структур в струях, их перемешивание и диспергирование текучей жидкой среды в целом. В каждом конкретном случае, в зависимости от исходных данных и состава текучей жидкой среды, выбирается свой угол скоса торца 18, который может быть скошен как по ходу, так и под углом больше 90° относительно направления движения текучей жидкой среды и может быть спрофилирован с требуемой ориентацией среза скоса.

После диспергатора 17 образуется двухфазная смесь, состоящая из глубоко гомогенизированной по конденсированной компоненте текучей жидкой среды и насыщенного пара. Образованная смесь проходит систему конфузор 19, горловина 20, диффузорный патрубок вывода 13 и при этом паро-капельный поток инвертируется в жидкостно-пузырьковый поток с высокой концентрацией паровых пузырьков. Конденсация паровых пузырьков в конце горловины 20 и далее в диффузорном патрубке вывода 13 сопровождается в фазе схлопывания пузырьков интенсивным кавитационным воздействием на окружающую текучую жидкую среду. Возникающее при этом интенсивное воздействие акустического давления (порядка 3000 атм.) и температуры (порядка 800°К) включает тонкие механизмы преобразования структуры и гомогенизации на молекулярном уровне.

Таким образом, осуществление процесса гомогенизации в струйно-кавитационном режиме позволяет обеспечить высокую степень однородности текучей жидкой среды.

После достижения требуемой степени однородности текучей жидкой среды в емкости 1 закрывают четвертый вентиль 6, открывают третий вентиль 5 и осуществляют слив перемешанной текучей жидкой среды требуемой однородности из емкости 1 по технологическому назначению.

Предлагаемый способ циркуляционного перемешивания текучих жидких сред по второму варианту осуществляется при работе установки во втором варианте выполнения, содержащей емкость 1, снабженную рециркуляционным контуром, в котором в процессе рециркуляции текучей жидкой среды ее подвергают гомогенизации в струйно-кавитационном режиме в струйно-кавитационном гомогенизаторе 7.

Установка для циркуляционного перемешивания текучих жидких сред во втором варианте выполнения работает следующим образом.

В начальный момент времени все запорные вентили 2, 4, 5, 6, 9 и 10 закрыты, насос 3 выключен, а первая 1 и вторая 2 емкости пусты.

Открывают первый вентиль 1 и через него подают в первую емкость 1 текучую жидкую среду, подлежащую перемешиванию. После заполнения текучей жидкой средой первой емкости 1 запорный вентиль 2 закрывают.

Открывают второй и шестой вентили 4 и 10 и включают насос 3. В результате этого через первую часть рециркуляционного контура, образованную последовательно соединенными вторым вентилем 4, насосом 3, струйно-кавитационным гомогенизатором 7 и шестым вентилем 10 текучая жидкая среда через выходной патрубок емкости 1 забирается из ее нижней части и подается через входной патрубок второй емкости 8 в ее верхнюю часть, подвергаясь при этом гомогенизации в струйно-кавитационном режиме в струйно-кавитационном гомогенизаторе 7.

После опорожнения первой емкости 1 и, соответственно, заполнения второй емкости 8 выключают насос 3 и закрывают второй 4 и шестой 10 вентили.

Далее открывают четвертый 6 и пятый 9 вентили и снова включают насос 3. В результате этого через вторую часть рециркуляционного контура, образованную последовательно соединенными второй емкостью 8, четвертым вентилем 6, насосом 3, струйно-кавитационным гомогенизатором 7 и пятым вентилем 9, текучая жидкая среда через выходной патрубок второй емкости 8 забирается из ее нижней части и подается через второй входной патрубок первой емкости 1 в ее верхнюю часть, снова подвергаясь при этом гомогенизации в струйно-кавитационном режиме в струйно-кавитационном гомогенизаторе 7.

После опорожнения второй емкости 8 и, соответственно, нового заполнения первой емкости 1 выключают насос 3 и закрывают четвертый 6 и пятый 9 вентили.

Далее цикл работы устройства повторяется.

После достижения требуемой степени однородности текучей жидкой среды в емкости 1 выключают насос 3, закрывают вентили 9 и 10 и при открытых вентилях 4, 5 и 6 осуществляют слив глубоко гомогенизированной текучей жидкой среды по технологическому назначению.

Таким образом, во втором варианте выполнения устройства, текучая жидкая среда при ее перемещении по рециркуляционному контуру от выходного патрубка первой емкости 1 до ее второго входного патрубка, дважды подвергается гомогенизации в струйно-кавитационном режиме.

При этом струйно-кавитационный гомогенизатор 7 работает в режиме полностью идентичном режиму, описанному выше для устройства по первому варианту.

Таким образом, предлагаемые способ циркуляционного перемешивания текучих жидких сред и варианты установки для его осуществления позволяют получать текучие жидкие смеси повышенной однородности.

Как показали проведенные исследования, указанный технический результат достигается только при взаимосвязанном использовании всей совокупности существенных признаков заявляемого объекта.

Изобретение относится к способам и устройствам для перемешивания текучих жидких сред таких, например, как спиртосодержащие смеси, топливные или масляные смеси, краски, фруктовые напитки и т.д., и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Установка содержит емкость и струйно-кавитационный гомогенизатор, выполненный в виде цилиндрического корпуса, в котором размещена насадка с сопловыми каналами и смесительная камера с диспергатором, установленным на внутренней поверхности камеры и выполненным в виде замкнутого кольца, торец которого скошен со стороны насадки. Диспергатор закреплен на расстоянии 10-20 калибров соплового канала от насадки. Во втором варианте выполнения установка снабжена второй емкостью. В процессе рециркуляции текучей жидкой среды ее подвергают гомогенизации в струйно-кавитационном режиме в струйно-кавитационном гомогенизаторе. Во втором варианте способа текучую жидкую среду попеременно перекачивают из одной емкости в другую. Технический результат состоит в обеспечении высокой однородности текучей жидкой среды. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ циркуляционного перемешивания текучих жидких сред в установке, содержащей емкость, снабженную рециркуляционным контуром, отличающийся тем, что в процессе рециркуляции текучей жидкой среды ее подвергают гомогенизации в струйно-кавитационном режиме посредством струйно-кавитационного гомогенизатора, выполненного в виде цилиндрического корпуса с патрубками ввода и вывода текучей жидкой среды и размещенными в корпусе по ходу движения текучей жидкой среды насадкой с сопловыми каналами и смесительной камерой с диспергатором, установленным на внутренней боковой поверхности смесительной камеры и выполненным в виде замкнутого профилированного кольца, торец которого скошен со стороны насадки, при этом диспергатор закреплен на расстоянии 10-20 калибров соплового канала от насадки.2. Установка для циркуляционного перемешивания текучих жидких сред, содержащая емкость, соединенную с рециркуляционным контуром, включающим насос, вход которого через запорный вентиль подключен к выходному патрубку емкости, отличающаяся тем, что она снабжена струйно-кавитационным гомогенизатором, входящим в состав рециркуляционного контура и выполненным в виде цилиндрического корпуса с патрубками ввода и вывода текучей жидкой среды и размещенными в корпусе по ходу движения текучей жидкой среды насадкой с сопловыми каналами и смесительной камерой с диспергатором, установленным на внутренней боковой поверхности смесительной камеры и выполненным в виде замкнутого профилированного кольца, торец которого скошен со стороны насадки, при этом диспергатор закреплен на расстоянии 10-20 калибров соплового канала от насадки, патрубок ввода текучей жидкой среды струйно-кавитационного гомогенизатора через запорный вентиль подключен к выходу насоса, а патрубок вывода текучей жидкой среды струйно-кавитационного гомогенизатора подключен к входному патрубку емкости.3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что торец диспергатора скошен по ходу движения текучей жидкой среды.4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что торец диспергатора скошен под углом больше 90° относительно направления движения текучей жидкой среды.5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что скос торца диспергатора выполнен профильным.6. Способ циркуляционного перемешивания текучих жидких сред в установке, содержащей емкость, снабженную рециркуляционным контуром, отличающийся тем, что в процессе рециркуляции текучей жидкой среды ее подвергают гомогенизации в струйно-кавитационном режиме, при этом текучую жидкую среду попеременно перекачивают из одной емкости в другую, а гомогенизацию в струйно-кавитационном режиме осуществляют посредством струйно-кавитационного гомогенизатора, выполненного в виде цилиндрического корпуса с патрубками ввода и вывода текучей жидкой среды и размещенными в корпусе по ходу движения текучей жидкой среды насадкой с сопловыми каналами и смесительной камерой с диспергатором, установленным на внутренней боковой поверхности смесительной камеры и выполненным в виде замкнутого профилированного кольца, торец которого скошен со стороны насадки, при этом диспергатор закреплен на расстоянии 10-20 калибров соплового канала от насадки.7. Установка для циркуляционного перемешивания текучих жидких сред, содержащая емкость, соединенную с рециркуляционным контуром, включающим насос, вход которого через запорный вентиль подключен к выходному патрубку емкости, отличающаяся тем, что она снабжена второй емкостью и струйно-кавитационным гомогенизатором, входящим в состав рециркуляционного контура и выполненным в виде цилиндрического корпуса с патрубками ввода и вывода текучей жидкой среды и размещенными в корпусе по ходу движения текучей жидкой среды насадкой с сопловыми каналами и смесительной камерой с диспергатором, установленным на внутренней боковой поверхности смесительной камеры и выполненным в виде замкнутого профилированного кольца, торец которого скошен со стороны насадки, при этом диспергатор закреплен на расстоянии 10-20 калибров соплового канала от насадки, вход насоса через запорные вентили подключен к выходному патрубку каждой из емкостей, выход насоса подключен к патрубку ввода текучей жидкой среды струйно-кавитационного гомогенизатора, а патрубок вывода текучей жидкой среды струйно-кавитационного гомогенизатора через запорные вентили подключен к входному патрубку каждой из емкостей.8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что торец диспергатора скошен по ходу движения текучей жидкой среды.9. Установка по п.7, отличающаяся тем, что торец диспергатора скошен под углом больше 90° относительно направления движения текучей жидкой среды.10. Установка по п.7, отличающаяся тем, что скос торца диспергатора выполнен профильным.