ПОДКАЧИВАЮЩАЯ КРЫЛЬЧАТКА ДЛЯ СОДЕРЖАЩИХ СУСПЕНЗИЮ РЕАКТОРОВ И РЕЗЕРВУАРОВ Российский патент 2008 года по МПК B01F7/16 B01F15/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к подкачивающей крыльчатке и перемешивающей системе для использования в содержащих суспензию реакторах и резервуарах-хранилищах. Более конкретно, подкачивающая крыльчатка содержит лопатки, которые выполнены криволинейными, проходящими под углом вверх и установленными с наклоном относительно вертикали, что оказывается существенным при создании завихрения внутрь и вниз в веществе суспензии в резервуаре, направляющего твердые частицы, взвешенные в суспензии, к дну и центру резервуара во время слива суспензии.

Уровень техники

Перемешивающие системы в оснащенных мешалками и содержащих суспензию реакторах и резервуарах-хранилищах зачастую содержат подкачивающую (подбрасывающую) крыльчатку в качестве части перемешивающей системы. Подкачивающая крыльчатка установлена на валу мешалки и находится в непосредственной близости к дну резервуара. Назначение подкачивающей крыльчатки состоит в том, чтобы поддерживать твердые частицы взвешенными, а также исключить оседание твердых частиц на дне резервуара. Подкачивающие крыльчатки обычно выполнены в виде ТНЛ - турбин с наклонными лопатками или ТПВЛ - турбин с плоскими вертикальными лопатками, см. фиг.1 и 2 соответственно.

По отношению к основной крыльчатке, которая перемешивает твердые частицы в жидком веществе, подкачивающая крыльчатка выполнена в виде меньшего перемешивающего средства, расположенного на некотором расстоянии под основной крыльчаткой. При опорожнении резервуара, в частности, после того, как уровень суспензии опустился ниже основной крыльчатки, эффективность подкачивающей крыльчатки для взвешивания твердых частиц является важным фактором, позволяющим избежать осаждения твердых частиц, недогрузки насоса и скачков потока из-за засорения всасывающей линии насоса. Как правило, подкачивающие крыльчатки типа ТНЛ или ТПВЛ функционируют около дна резервуара как радиальные крыльчатки, которые обусловливают тенденцию отбрасывать суспензию к стенкам резервуара, т.е. от центрального сопла или слива. В результате, твердые частицы могут прилипать к этой стенке и вызывать необходимость дополнительной работы по удалению посредством сдувания их со стенки струей под давлением. Результатом недогрузки упомянутого сопла перед окончанием слива суспензии из резервуара также могут стать недогрузка насоса и продолжительное время опорожнения.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к подкачивающей крыльчатке и перемешивающей системе для использования в оснащенных мешалками и содержащих суспензию реакторах и резервуарах-хранилищах. В настоящем изобретении также раскрыт способ опорожнения резервуара посредством подкачивающей крыльчатки согласно изобретению. Когда подкачивающая крыльчатка установлена на вертикальном валу, она обеспечивает создание завихрения внутрь и вниз в веществе суспензии, направляющего твердые частицы, взвешенные в суспензии, к дну резервуара и к валу, на котором установлена крыльчатка. Направление частиц, взвешенных в суспензии, вниз и к центру резервуара, осуществляемое вместо отталкивания этих твердых частиц от центра, уменьшает осадки твердых частиц на дне и боковой поверхности резервуара, облегчает опорожнение резервуара и уменьшает засорение сопла и недогрузку насоса.

Угол отклонения лопатки от горизонтали, кривизна лопатки и угол лицевой поверхности лопатки или угол установки лопатки подкачивающей крыльчатки согласно настоящему изобретению существенны для направления твердых частиц, взвешенных в суспензии, вниз и к центру резервуара, что повышает опорожняющую способность крыльчатки. Угол установки лопаток крыльчатки также дает преимущество, заключающееся в уменьшении величины мощности, затрачиваемой на преодоление аэродинамического сопротивления крыльчатки. Подкачивающая крыльчатка согласно настоящему изобретению повышает опорожняющую способность крыльчатки (1) посредством уменьшения количества материала, оставляемого в качестве осадка на дне опорожненного резервуара, и (2) посредством обеспечения меньшего времени опорожнения. Подкачивающая крыльчатка согласно изобретению предназначена для уменьшения времени опорожнения и массы осадка по сравнению с перекачивающей вниз крыльчаткой типа ТНЛ тех же габаритов, совершающей вращение на том же конкретном уровне мощности в той же самой суспензии. Геометрия и форма подкачивающей крыльчатки согласно изобретению таковы, что подкачивающая крыльчатка стандартизирована по размерам и окружающей среде, вследствие чего она имела диаметр 0,28 м (11 дюймов) и была использована в резервуаре диаметром 0,762 м (30 дюймов) с коническим дном, имевшим угол конуса 75° к вертикальной осевой линии, причем эта подкачивающая крыльчатка может оказаться эффективной при уменьшении количества суспензии, остающейся в резервуаре, по меньшей мере, на 10 процентов (%), а обычно - на величину от 15 до 90% по сравнению с перекачивающей вниз крыльчаткой типа ТНЛ диаметром 0,28 м (11 дюймов) в той же системе и может оказаться эффективной при уменьшении времени опорожнения, по меньшей мере, на 10 процентов (%), а обычно - на величину от 30 до 45% по сравнению с перекачивающей вниз крыльчаткой типа ТНЛ диаметром 0,28 м (11 дюймов) в той же системе.

Лопатки подкачивающей крыльчатки установлены на ступицу для осевого вращения на валу, который в основном перпендикулярен горизонтали, с целью перемешивания содержимого резервуара или емкости. Подкачивающая крыльчатка согласно настоящему изобретению содержит, по меньшей мере, два и до двенадцати криволинейных лопаток, которые закруглены на своих концах или законцовках, расположенных напротив ступицы. В предпочтительном варианте подкачивающая крыльчатка имеет три - четыре лопатки. Закругленные законцовки лопаток эффективны для уменьшения сдвига потока на законцовках. Согласно другому предпочтительному варианту края лопаток могут быть закруглены. Закругленный верхний край лопатки, который проходит от ступицы и вала к закругленному концу или законцовке, эффективен при уменьшении возмущения, вносимого подкачивающей крыльчаткой в структуру потока главной крыльчатки, которая распределяет твердые частицы по резервуару. Закругленный нижний край лопатки, противоположный верхнему краю, проходит от ступицы и вала к закругленному концу или законцовке, эффективен при уменьшении величины радиального возмущения, сообщаемого суспензии крыльчаткой, когда уровень суспензии падает ниже законцовки лопатки. Когда уровень суспензии в резервуаре уменьшается, жидкости суспензии сообщается течение, направленное больше внутрь и вниз. Кроме того, лопатки, которые имеют закругленные концы, могут быть покрыты стеклом для некоторых приложений, связанных с проведением перемешивания и/или реакций.

В одном аспекте криволинейные лопатки подкачивающей крыльчатки установлены на вертикальном валу, предпочтительно на одинаковых расстояниях друг от друга. Это уравновешивает лопатку и придает равномерность создаваемой гидравлической силе. Лопатки проходят над дном резервуара и расположены под некоторым углом к горизонтали, равным углу, под которым расположено дно резервуара, или превышающим этот угол. В общем случае лопатки направлены под углом вверх и согласованы с дном (которое в резервуарах-хранилищах, как правило, бывает коническим) по форме или углу таким образом, что линия, касательная к нижнему краю каждой лопатки, параллельна дну резервуара. Лопатки проходят вверх от горизонтали под углом от 0° до угла, меньшего, чем тот, под которым проходит вертикаль, т.е. 90°, и в предпочтительном варианте находящегося в диапазоне от 0° до 75° от горизонтали, и предпочтительно наклонены вверх под углом 15° в резервуаре с коническим дном, угол конуса которого составляет 15°. Наклонные лопатки особенно важны в резервуарах, имеющих коническое или конусообразное дно, потому что угол установки лопаток в этом случае существенен при обеспечении размещения лопаток как можно ближе к дну резервуара. В этом аспекте отметим, что лопатки могут находиться на расстоянии от 1,3·10^-2 до 0,1 м (от 0,5 до 4 дюймов) от дна резервуара (в зависимости от размеров частиц и резервуара).

Лопатки подкачивающей крыльчатки согласно настоящему изобретению выполнены криволинейными для создания чашевидной поверхности в перемешиваемой жидкости, которая «раскрывается» в направлении вращения лопаток. Вращение в этом направлении означает вращение подкачивающей крыльчатки таким образом, что вогнутая сторона лопатки оказывается передней, а выпуклая сторона - задней. Каждая из криволинейных лопаток имеет радиус криволинейной поверхности, составляющий от 0,1 диаметра до 10-ти диаметров подкачивающей крыльчатки. Следует также признать, что в предпочтительном варианте лопатки имеют плавную кривизну, но возможно и получение лопаток, кривизна которых претерпевает ступенчатые изменения или которые имеют грани. При эксплуатации вращающиеся лопатки подкачивающей крыльчатки направляют твердые частицы, взвешенные в суспензии, вниз и к центру резервуара.

Криволинейные лицевые поверхности лопаток подкачивающей крыльчатки имеют средний угол установки или угол отклонения от вертикали, составляющий 75° или менее, в одном важном аспекте они имеют средний угол установки от 30° до 60°, а в одном очень важном аспекте они имеют средний угол установки 45°. Угол установки может изменяться по длине лопатки от 10° до 90° и предпочтительно составляет 45°. В еще одном аспекте отношение высоты лопаток к диаметру крыльчатки составляет от 0,05 до 0,75, а в одном важном аспекте - 0,2.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана крыльчатка известной турбины с наклонными лопатками.

На фиг.2 показана крыльчатка известной турбины с плоскими вертикальными лопатками.

На фиг.3 показан один вариант выполнения подкачивающей крыльчатки согласно настоящему изобретению.

На фиг.4 показан схематичный вид резервуара, который снабжен двумя крыльчатками типа ТНЛ и одной подкачивающей крыльчаткой.

На фиг.5а-b показан вид сбоку лопатки подкачивающей крыльчатки согласно настоящему изобретению и угол установки лопатки. На фиг.5b показан вид в перспективе лопатки согласно фиг.5а.

На фиг.6а и 6b показан вариант выполнения ступицы подкачивающей крыльчатки согласно настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Термины «криволинейная лопатка» и «кривизна лопатки» в контексте данного описания означают, что лопатка, если смотреть на нее сверху, имеет в основном серпообразную форму, при этом вогнутая сторона серпа обращена в направлении предусматриваемого вращения лопатки, а выпуклая сторона лопатки расположена позади вогнутой стороны лопатки, когда лопатка вращается. Радиус криволинейной поверхности лопаток обозначен позицией 2 на фиг.3.

Термин «угол отклонения лопаток от горизонтали» в контексте данного описания означает угол, под которым линия, касательная к нижнему краю лопатки, проходит относительно горизонтали и который является таким, что вращающиеся лопатки не сталкиваются с дном емкости или резервуара или не вступают с ним в контакт, а это дно может быть наклонным к горизонтали или криволинейным, вследствие чего получается конусообразное или криволинейное дно. Этот угол обозначен позицией 102 на фиг.4.

Термин «угол установки» в контексте данного описания означает угол, под которым лицевая поверхность лопатки располагается относительно вертикальной оси, обозначенный позицией 4 на фиг.5b.

Подкачивающая крыльчатка 10 согласно настоящему изобретению показана на фиг.3. Подкачивающая крыльчатка 10 содержит три криволинейных лопатки 20, которые установлены на ступице 30. В иллюстрируемом варианте выполнения ступица 30 содержит поясок 32 вала, установочный винт 34 и отверстие 35 под вал, которые обеспечивают установку подкачивающей крыльчатки 10 на вал (такой, как вал 120, показанный на фиг.4) и крепление ее к нему.

Как показано на фиг.6а-b, ступица 30 имеет отверстие 35 под вал, которое обеспечивает расположение подкачивающей крыльчатки 10 на валу, например, таком, как вал 120, показанный на фиг.4. В отверстии 35 под вал может быть установлен съемный поясок 32 вала (показанный на фиг.3).

Как показано на фиг.6а-b, в ступице 30 выполнены приемные пазы 140, которые расположены через одинаковые промежутки вокруг ступицы 30 и которые предназначены для приема криволинейных лопаток 20. Ступица 30 прикреплена к валу посредством, по меньшей мере, одного установочного винта 34, который находится в отверстии 150 под установочный винт, как видно на фиг.6а. Для специалиста очевидно, что лопатки можно установить на ступице, а ступицу можно установить на вал посредством установочных винтов, шпонок, срезных штифтов, или лопатки могут быть выполнены как единое целое со ступицей, например, в виде приваренной, впрессованной или отлитой детали.

Криволинейные лопатки 20 подкачивающей крыльчатки 10 выполнены с возможностью вращения в направлении кривизны, как показано стрелкой 22 на фиг.3, так что вогнутая сторона 70 криволинейной лопатки 20 является передней, а выпуклая сторона 80 - задней. Криволинейные лопатки 20 могут иметь закругленные концы или законцовки 40, а также верхний край 50 и нижний край 60, которые закруглены.

На фиг.4 изображена подкачивающая крыльчатка 10 в резервуаре 100 реактора. В этом варианте выполнения изобретения подкачивающая крыльчатка 10 расположена ниже основной крыльчатки 110 и установлена на том же валу 120, что и вторая крыльчатка 110. Как показано на фиг.4, резервуар 100 реактора имеет конусообразное дно 130, а криволинейные лопатки 20 подкачивающей крыльчатки 110 параллельны конусообразному дну 130. Вышеописанная крыльчатка в общем случае расположена на касательной линии 140, которая является линией, перпендикулярной вертикальным сторонам 142 резервуара в точке, где эти вертикальные стороны соединяются с наклонным основанием 146 конического дна 130 резервуара. Подкачивающая крыльчатка в общем случае размещена ниже упомянутой касательной линии.

Лопатка может быть изготовлена из любого материала, который совместим с содержимым резервуара, например, это может быть химически неактивная пластмасса или нержавеющая сталь.

Нижеследующие примеры иллюстрируют способы осуществления изобретения, и их следует считать иллюстрирующими, а не ограничивающими, объем притязаний изобретения, который охарактеризован в прилагаемой формуле изобретения.

Пример 1: Перемешивание суспензии

Под четырехлопаточными сдвоенными ТНЛ, имеющими наружный диаметр (НД) 0,38 м (15 дюймов), в выполненном из плексигласа резервуаре для перемешивания, имеющем НД 0,76 м (30 дюймов), устанавливали подкачивающие крыльчатки трех разных типов. Это были следующие три подкачивающие крыльчатки:

1. перекачивающая вверх ТНЛ, имеющая НД 0,28 м (11 дюймов), с четырьмя лопатками шевронного типа (угол установки 45°, угол отклонения вверх от горизонтали 15°);

2. перекачивающая вниз ТНЛ, имеющая НД 0,28 м (11 дюймов), с четырьмя лопатками шевронного типа (угол установки 45°, угол отклонения вверх от горизонтали 15°);

3. перекачивающая вниз подкачивающая крыльчатка, имеющая НД 0,28 м (11 дюймов), с серпообразными лопатками шевронного типа (имеющими в общем случае угол установки 45°, угол отклонения вверх от горизонтали 15°); эта подкачивающая крыльчатка отображает один аспект подкачивающей крыльчатки согласно настоящему изобретению.

В процессе испытаний каждой из этих подкачивающих крыльчаток резервуар заполнен на глубину приблизительно 0,41 м (16 дюймов) выше касательной линии 40%-ной суспензией поливинилиденхлоридной смолы Saran^TM в воде. Скорость вращения крыльчатки задана так, что ТНЛ диаметром 0,38 м (15 дюймов) в сочетании с подкачивающей крыльчаткой каждого типа требуют создания одного и того же крутящего момента двигателя, составлявшего 2,9 Н·м (26,1 фунт-сил·дюйм). После того, как все «бусинки» суспензии полностью переходили во взвешенное состояние в течение 20 минут (1200 с), резервуар опорожнялся. Процедуру опорожнения записывали на цифровую видеокамеру и измеряли общее время опорожнения и массу смолы, оставшейся в виде осадка на дне резервуара. Результаты испытаний оказались следующими.

Поливинилиденхлоридная смола А марки Saran™

(поставляемая The Dow Chemical Company)

Средний диаметр частиц, определенный с помощью рентгеновского гониометра Саутера, составляет 350 мкм (350·10^-6 м), а плотность суспензии составляет 1,4 г/см².

Номер подкачивающей крыльчаткиВремя опорожнения (мин)СекундыОсадок в резервуаре (граммы)18,55109127,7546572735,030045

Поливинилиденхлоридная смола В марки Saran^TM

(поставляемая The Dow Chemical Company)

Средний диаметр частиц, определенный с помощью рентгеновского гониометра Саутера, составляет 350 мкм (350·10^-6 м), плотность суспензии составляет 1,4 г/см², но в отличие от смолы А поверхность частиц имела покрытие, обусловливающее агломерацию.

Номер подкачивающей крыльчаткиВремя опорожнения (мин)СекундыОсадок в резервуаре (граммы)18,7552552728,551063636,5390436

При практическом осуществлении настоящего изобретения можно ожидать, что специалисты в данной области техники после рассмотрения вышеизложенного подробного описания изобретения смогут провести многочисленные модификации и изменения, которые следует считать находящимися в рамках объема притязаний нижеследующей формулы изобретения.

Настоящее изобретение относится к подкачивающей крыльчатке и перемешивающей системе для использования в содержащих суспензию реакторах и резервуарах-хранилищах. Перемешивающая система с крыльчатками содержит, по меньшей мере, одну крыльчатку, имеющую лопатки крыльчатки, по меньшей мере, одну подкачивающую крыльчатку и вертикальный вал, на котором установлены крыльчатки. Направление частиц, взвешенных в суспензии, вниз и к центру резервуара, осуществляемое подкачивающей крыльчаткой вместо отталкивания этих твердых частиц от центра, уменьшает осадки твердых частиц на дне и боковой поверхности резервуара, облегчает опорожнение емкости и уменьшает засорение сопла и недогрузку насоса. 3 н. и 29 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Перемешивающая система с крыльчатками, содержащая

по меньшей мере, одну крыльчатку, имеющую лопатки крыльчатки;

по меньшей мере, одну подкачивающую крыльчатку; и вертикальный вал, при этом, по меньшей мере, одна крыльчатка и одна подкачивающая крыльчатка установлены на вертикальном валу, причем подкачивающая крыльчатка установлена ниже, по меньшей мере, одной крыльчатки, при этом подкачивающая крыльчатка содержит, по меньшей мере, две криволинейные лопатки подкачивающей крыльчатки, установленные на валу для вращения в емкости, имеющей дно, причем криволинейные лопатки подкачивающей крыльчатки имеют нижние края, при этом линия, касательная к нижним краям, проходящим под углом от горизонтали, по меньшей мере, параллельна дну емкости при размещении в емкости, причем длина лопаток крыльчатки превышает длину лопаток подкачивающей крыльчатки, при этом лопатки подкачивающей крыльчатки имеют вогнутую поверхность, которая обращена вниз, по меньшей мере, под одним углом от вертикали к дну емкости при размещении в емкости, и выпуклую поверхность, которая обращена вверх, причем вогнутая поверхность лопатки подкачивающей крыльчатки является передней, а выпуклая поверхность является задней при вращении подкачивающей крыльчатки в направлении вращения подкачивающей крыльчатки, при этом вогнутая поверхность искривлена и обращена вниз от конца в направлении к валу и к концу лопатки, противоположному на валу, причем угол от горизонтали и угол установки вогнутой поверхности по вертикали влияют на создание внутреннего завихрения к дну емкости, если подкачивающая крыльчатка вращается в направлении, когда вогнутая поверхность является передней, а выпуклая - задней, для уменьшения времени опорожнения емкости по сравнению с перекачивающей вниз турбиной с наклонными лопатками, имеющей такое же количество лопаток, которые выполнены в виде лопаток того же размера и с тем же углом установки.

емкость, имеющую конусообразное дно и донный слив;

перемешивающую крыльчатку, расположенную на валу; и подкачивающую крыльчатку, установленную на валу ниже перемешивающей крыльчатки и расположенную над дном емкости, при этом подкачивающая крыльчатка имеет, по меньшей мере, три криволинейные лопатки подкачивающей крыльчатки, установленные на вертикальном валу для вращения в контейнере и проходящие вверх под углом от 15 до 90° относительно горизонтали, причем криволинейные лопатки подкачивающей крыльчатки имеют нижние края, при этом линия, касательная к нижним краям, проходящим под углом, по меньшей мере, параллельна конусообразному дну емкости при размещении в емкости, причем каждая из лопаток имеет вогнутую поверхность, искривленную и обращенную вниз под углом установки, при этом вогнутая поверхность является передней при вращении подкачивающей крыльчатки, причем угол отклонения от горизонтали, угол установки поверхности и кривизна лопаток влияют на создание внутреннего завихрения к дну емкости при вращении подкачивающей крыльчатки в направлении, когда вогнутая поверхность является передней, для уменьшения времени опорожнения емкости по сравнению с перекачивающей вниз турбиной с наклонными лопатками, имеющей такое же количество лопаток, которые выполнены в виде лопаток того же размера и с тем же углом установки.