ПУЛЬСАЦИОННО-ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК B01F7/00 

Изобретение относится к устройствам смешения гетерогенных сред при помощи мешалок, генерирующих совокупность двух полей - пульсационного и центробежного, и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности для обработки гетерогенных сред жидкость-твердые частицы, жидкость-жидкость, жидкость-газ и жидкость-газ-твердые частицы в различных технологических процессах, таких как суспендирование и растворение твердых частиц (в том числе с химической реакцией), абсорбция, газожидкостные реакции, эмульгирование, жидкостная экстракция, выщелачивание, репульпация, пропитка и т.п., а также для улучшения теплоотдачи от обрабатываемой среды к теплообменным устройствам (змеевикам, нагреваемой или охлаждаемой стенке аппарата и др.).

Известен смеситель с неподвижным корпусом и вращающимся ротором (МПК B01F 7/00, B01F 7/28, пат. РФ №2257257), предназначенный для интенсификации процессов гомогенизации, эмульгирования, диспергирования гетерогенных систем. Смеситель содержит входные и выходной патрубки, корпус с установленными в нем ротором, в ступице которого выполнены отверстия, и статором с рабочими элементами в виде зубьев, причем корпус аппарата разделен на две секции перегородками, в которых имеются отверстия различного диаметра, при этом одна из перегородок насаживается на вал к основанию ротора и крепится к нему шпонкой, а вторая расположена в средней части корпуса и нижней стороной опирается на втулку, надетую на вал, а верхней стороной закреплена гайкой.

Известное устройство позволяет повысить эффективность процессов гомогенизации, эмульгирования, диспергирования гетерогенных систем и улучшить качество получаемой смеси. Проходя последовательно через радиальный зазор между ротором и статором, жидкая среда подвергается механическому воздействию со стороны элементов конструкции аппарата: за счет удара частиц об зубья ротора и статора, разделительных перегородок, установленных на валу, а также сдвиговых напряжений, возникающих в зазоре. Эти воздействия приводят к гомогенизации, растворению, измельчению, диспергированию в жидких многокомпонентных системах. В процессе вращения ротора происходит периодическое перекрывание прорезей, вследствие чего возникает гидравлический удар и генерирование низкочастотных колебаний. Таким образом, на обрабатываемую среду происходит наложение упругих колебаний.

Недостатками известного устройства являются: во-первых, высокий уровень турбулентности, генерируемой вращающимся ротором и его зубьями; это ведет к повышению энергозатрат и вызывает необходимость постоянного охлаждения аппарата; во-вторых, высокий уровень удельной диссипации энергии в единице объема известного устройства оказывается чрезмерно высоким для целого ряда процессов, что приводит, с одной стороны, к нарушению структуры обрабатываемых веществ (разрушению частиц растительного или животного происхождения, нежелательному дроблению твердых частиц при экстрагировании, приводящему к вскрытию пор с побочными веществами, попадающими в раствор), что, к тому же, затрудняет последующее разделение фаз, с другой - к нерациональному расходованию энергии. В результате нерационального преобразования энергии в известном устройстве процессы гомогенизации, эмульгирования, диспергирования гетерогенных систем протекают недостаточно интенсивно.

Наиболее близким к заявляемому является смеситель с мешалками винтового (пропеллерного) типа, трехлопастной и шестилопастной мешалками с углом наклона лопастей до 30-45° (Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета. - Л.: Химия, 1984. - С.15; С.30). Мешалки всех трех типов позволяют создавать меридиональное (осевое) циркуляционное течение. За счет этого в аппарате достигаются значительные скорости жидкости, что позволяет суспендировать (распределять в объеме жидкости) твердые частицы, а также проводить ряд массообменных процессов в системах жидкость-жидкость и жидкость-газ. Недостатками известного аппарата является то, что вводимая в него при помощи мешалок энергия затрачивается не только на совершение полезной работы по суспендированию и растворению твердых частиц, диспергированию капель и пузырей, но и - в значительной степени - на создание крупномасштабной турбулентности в объеме всего аппарата, которая практически полностью переходит в тепловую форму энергии, т.е. рассеивается. Это приводит к снижению эффективности использования вводимой в аппарат энергии.

Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности пульсационно-центробежного смесителя за счет увеличения эффективности использования вводимой в аппарат энергии путем частичного (максимально возможного) преобразования вращательного движения мешалок в пульсации давления и скорости в гетерогенной среде, уменьшения рассеяния энергии путем сокращения уровня крупномасштабной турбулентности в объеме аппарата, повышения степени диспергирования капель и пузырей и качества перемешивания внутри них (особенно капель), а также повышения кинетических коэффициентов (коэффициентов тепло- и массопередачи) за счет локализованного преимущественно вблизи мешалки направленного ввода энергии и снижения осевых усилий на валу смесителя.

Поставленная задача решается тем, что в пульсационно-центробежном смесителе, включающем корпус с установленными в нем отражательными устройствами, один или более приводных валов, на каждом из которых закреплены одна или две мешалки, содержащие ступицу и лопасти, согласно изобретению, каждая из лопастей выполнена в виде криволинейной поверхности, полученной вращением образующей, являющейся отрезком прямой линии, вокруг оси мешалки так, чтобы ближний к оси конец отрезка перемещался по цилиндрической поверхности ступицы, а удаленный от оси конец отрезка перемещался по траектории, лежащей на воображаемой цилиндрической поверхности, соосной валу таким образом, чтобы вертикальное смещение конца отрезка от срединной плоскости мешалки соответствовало расчетной формуле

где Z - амплитуда вертикального смещения z, м;

р - число, выбираемое из диапазона чисел 3, 4, 6 или 8;

φ - полярный угол, отсчитываемый в срединной плоскости мешалки относительно оси вращения мешалки, рад;

ψ - начальная фаза, рад,

причем диаметр мешалки d выбран из диапазона, определяемого по расчетной формуле

где D - диаметр корпуса смесителя, м;

а амплитуда вертикального смещения Z выбрана из диапазона, определяемого в соответствии с расчетной формулой

при этом у одной из мешалок, установленных на одном валу, начальная фаза ψ, входящая в расчетную формулу (1), задана равной нулю, а у второй мешалки, установленной на том же валу, начальная фаза ψ задана равной π рад.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что в пульсационно-центробежном смесителе, согласно изобретению количество мешалок на всех приводных валах одинаково, отражательные устройства содержат вертикальные стойки, расположенные вдоль стенок корпуса и присоединенные к ним кольцевидные профилированные элементы, форма которых полностью повторяет форму мешалки, определяемую расчетными формулами (1), (3), при этом диаметр центрального отверстия в профилированных элементах выполнен в соответствии с расчетной формулой

причем количество кольцевидных профилированных элементов на один больше, чем количество мешалок на каждом из приводных валов.

Корпус и валы мешалок могут быть горизонтальными, вертикальными и наклонными. Оси валов могут совпадать с осью корпуса (в случае единственного вала в корпусе), либо могут быть параллельными оси корпуса (при расположении одного или нескольких валов по окружности в аппарате большого диаметра), кроме того, оси валов могут пересекаться с осью корпуса аппарата либо перекрещиваться с ней (например, при горизонтальной оси корпуса большой протяженности и при вертикальном расположении валов в один или более рядов). Отражательные перегородки могут быть выполнены жестко закрепленными на вертикальные стойках, а также могут быть выполнены поворотными с фиксацией в рабочем положении; кроме того, они могут монтироваться последовательно с мешалками со стороны свободного конца вала.

Предлагаемое изобретение позволяет за счет частичного преобразования вращательного движения мешалок в пульсации гетерогенной среды увеличить эффективность использования вводимой в аппарат энергии, за счет сокращения уровня крупномасштабной турбулентности в объеме аппарата снизить непродуктивное рассеяние энергии, повысить степень диспергирования капель и пузырей, а за счет локализованного преимущественно вблизи мешалки направленного ввода энергии с частотой пульсаций, близкой к оптимальной, увеличить кинетические коэффициенты (коэффициенты тепло- и массопередачи). Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет снизить осевые усилия на валу смесителя.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

На фиг.1 дана схема к пояснению расчетной формулы (1), на фиг.2 представлен пример реализации пульсационно-центробежного смесителя по предлагаемому изобретению, на фиг.3 и 4 показаны примеры исполнения кольцевидных профилированных элементов.

Пульсационно-центробежный смеситель оборудован приводом, необходимыми фланцами, уплотнениями, патрубками, штуцерами, крепежом и другими типовыми элементами технологического оборудования (на фиг.3 условно не показаны).

Пульсационно-центробежный смеситель (фиг.2) содержит корпус 1 с валом 2, на котором закреплены две мешалки 3. Каждая из мешалок 3 (верхняя 3' и нижняя 3") состоит из ступицы 4 и лопастей 5. Начальные фазы ψ у мешалок 3' и 3" заданы отличающимися на величину π рад (ψ'-ψ”=-π/2-π/2=-π рад=π рад), что позволяет резко сократить осевую нагрузку на вал (в его части, находящейся выше верхней ступицы 4).

В корпусе 1 по окружности установлено шесть узких отражательных перегородок 6 (способных также выполнять роль стоек для присоединения к ним кольцевидных профилированных элементов), жестко закрепленных на внутренней поверхности корпуса, либо шесть широких поворотных отражательных перегородок 7 с фиксацией в рабочем положении, при этом широкие рабочие поверхности 8 отражательных перегородок частично располагаются между мешалками. При монтаже вала 2 с мешалками 3 поворотные отражательные перегородки 7 поворачивают в петлях 9 к стенке корпуса 1, а затем возвращают в рабочее положение (нормально к стенке корпуса 1) и фиксируют при помощи кронштейнов, скоб, прорезей и штифтов и т.п. общеизвестных конструктивных элементов (на фиг.2 условно не показаны), препятствующих самопроизвольному повороту отражательных перегородок 7 в петлях 9. Для обеспечения возможности сборки и разборки аппарата кольцевидные профилированные элементы 10, 11, 12, показанные на фиг.3 и 4, могут быть выполнены состоящими из нескольких сегментов (съемных, поворотных либо откидных).

На фиг.1 показаны лопасти мешалок с образующей в форме отрезка прямой линии, и поверхность лопасти задана расчетным выражением

где Y - уровень лопасти над срединной плоскостью мешалки, м;

z(φ) - вертикальное смещение внешнего конца отрезка образующей, отсчитываемое от срединной плоскости мешалки в соответствии с формулой (1), м;

у(r) - функция, описывающая форму отрезка образующей (согласно предлагаемому изобретению - линейная функция).

При построении лопастей на фиг.1 приняты расчетные параметры: Z=0.05 м, р=3, ψ'=π рад (для верхней мешалки) и ψ"=0 рад (для нижней мешалки). Радиус мешалки принят равным R=0.25 м, а радиус ступицы R₀=0.05 м.

На фиг.3 представлен вариант исполнения аппарата с двумя кольцевидными профилированными элементами 10 и 11, расположенными соответственно над верхней мешалкой 3' и под нижней мешалкой 3". Изображенный на фиг.4 вариант исполнения аппарата содержит три кольцевидных профилированных элемента 10, 11, 12, причем третий кольцевидный элемент 12 установлен посередине между мешалками 3' и 3"; в этом варианте исполнения количество кольцевидных профилированных элементов (три) на один больше, чем количество мешалок на приводном валу (два).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Смеситель может работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах. Рассмотрим для определенности работу в периодическом режиме. После заполнения корпуса 1 смесителя (см. фиг.1) исходными компонентами включают привод вращательного движения (на фиг.1 условно не показан), соединенный с валом 2. При вращении мешалок 3 происходит передача импульса от лопастей 5 к обрабатываемой среде. При этом одна часть лопастей 5 создает импульс, осевая компонента которого направлена вниз, что обуславливает движение среды вниз. Другая часть лопастей создает импульс, осевая компонента которого направлена вверх, что обуславливает движение среды вверх. Таким образом в обрабатываемой среде генерируются пульсации давления, скорости, ускорения и перемещения. Вращательное движение среды вблизи стенок аппарата в значительной степени тормозится отражательными перегородками 6 и 7, препятствуя проскальзыванию жидкости относительно стенок аппарата, причем отражательные перегородки 7 обладают более высокой эффективностью, так как их рабочие поверхности 8 располагаются частично между мешалками. Таким образом порождается в обрабатываемой среде центробежное поле. В конечном итоге обрабатываемая среда испытывает на себе совокупное действие пульсаций и центробежного поля.

При работе мешалок 3 в смесителе возникает циркуляционное движение, обусловленное частичным преобразованием радиального движения среды в осевое движение в пространстве между отражательными перегородками 6 или 7. Эта циркуляция улучшает равномерность распределения концентраций веществ в объеме аппарата.

Следовательно, в любом фиксированном объеме смесителя, ограниченном двумя соседними отражательными перегородками 6 или 7 по угловой координате и лопастями 5 двух соседних мешалок 3 - по осевой, происходит чередование импульсов, генерируемых мешалками. При возникновении импульса со стороны мешалки 3', направленного вниз, со стороны мешалки 3" возникает импульс, направленный вверх; при этом рассматриваемый объем среды испытывает двусторонний удар (импульс сжатия) со стороны мешалок. Через некоторое время за счет вращения мешалок 3 углы наклона лопастей 5 меняются на противоположные, и рассматриваемый объем среды испытывает двусторонний импульс расширения. За один оборот мешалки импульсы сжатия и расширения в рассматриваемом объеме чередуются р раз (три раза для мешалок, показанных на фиг.1, 3 и 4). Аналогичная картина возникает в граничных объемах, расположенных вблизи дна смесителя (сверху ограничены мешалкой 3", снизу - дном аппарата, от которого происходит отражение импульсов), а также у поверхности среды (снизу ограничены мешалкой 3', сверху - поверхностью среды). Колебания между нижней мешалкой 3" и дном корпуса 1 способствуют суспендированию частиц твердой фазы и поддержанию их во взвешенном состоянии.

Таким образом, в обрабатываемой среде возникают интенсивные осевые колебания давления с частотой, в р раз превышающей частоту ω вращения вала 2. При необходимости частота импульсов рω может быть задана близкой к оптимальной частоте ведения процесса, что позволит еще больше увеличить эффективность использования вводимой в аппарат энергии.

После окончания всех технологических операций (смешения, диспергирования, эмульгирования, пропитки, экстрагирования, растворения и т.п.), готовые продукты выводят из аппарата.

Особенность работы аппаратов с кольцевидными профилированными элементами 10-12, представленными на фиг.3 и 4, заключается в том, что благодаря форме этих элементов, полностью повторяющей форму мешалки, определяемую расчетными соотношениями (1), (3), в пространстве между вращающимися мешалками и кольцевидными профилированными элементами 10-12 интенсивность пульсаций давления, скорости и других гидродинамических параметров существенно возрастает.

В обрабатываемой среде возникают не только мощные колебания осевых импульсов расширения-сжатия, но и довольно значительные колебания радиальных импульсов. Импульсы отражаются от стенки корпуса 1 смесителя и от кольцевидных профилированных элементов 10-12 и могут усиливаться, достигая резонанса. Это способствует дополнительному усилению воздействия на обрабатываемую среду и ведет к сокращению энергетических затрат.

Генерируемые мешалками пульсации способствуют ускорению целого ряда процессов в гетерогенных средах жидкость-твердые частицы, жидкость-жидкость, жидкость-газ и жидкость-газ-твердые частицы, таких как суспендирование и растворение твердых частиц (в том числе с химической реакцией), абсорбция, газожидкостные реакции, эмульгирование, жидкостная экстракция, выщелачивание, репульпация, пропитка и т.п. (Абиев Р.Ш., Аксенова Е.Г., Островский Г.М. Новые разработки пульсационной резоансной аппаратуры для жидкофазных систем // Хим.пром., 1994, №11, С.764-766; Островский Г.М., Абиев Р.Ш. Пульсационная резонансная аппаратура для процессов в жидкофазных средах // Хим.пром., 1998, №8, С.468-478; Абиев Р.Ш. Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения в химической технологии. - СПб.: Изд-во ВВМ, 2006. - 188 с.).

При этом за счет непосредственного генерирования пульсаций в обрабатываемой гетерогенной среде сокращается уровень крупномасштабной турбулентности в объеме аппарата, а вводимая в аппарат энергия в основном рассеивается в непосредственной близости от поверхности лопастей мешалок, т.е. ввод энергии осуществляется, во-первых, локально, преимущественно вблизи мешалки, во-вторых, направленно, затрачиваясь непосредственно на совершение полезной работы по проведению данного технологического процесса (диспергирования, дробления капель, пузырей, обновления пограничного слоя на поверхности частиц и т.д.).

Частицы твердой фазы, капли и пузыри, попадая в эту локальную зону, испытывают воздействие пульсаций с угловой частотой ω_пул, определяемой, во-первых, угловой частотой (угловой скоростью) ω вращения вала, и, во-вторых, кратностью р периода изменения угла наклона по длине окружности мешалки, согласно соотношению

Если угловая частота генерируемых пульсаций ω_пул находится в диапазоне

где ω_опт - оптимальная для данного технологического процесса угловая частота колебаний обрабатываемой среды, с^-1,

то этот технологический процесс протекает наиболее эффективно, в резонансном режиме, т.е. при равных энергетических затратах повышается степень диспергирования капель и пузырей, а также кинетические коэффициенты (коэффициенты тепло- и массопередачи). Затраты вводимой в аппарат энергии на крупномасштабную турбулентность с последующим "рассеянием" энергии (переходом в тепловую форму) становятся при этом значительно меньше.

Величину оптимальной для данного технологического процесса угловой частоты колебаний ω_опт определяют как частоту собственных колебаний колебательной системы, присущей данному процессу (Абиев Р.Ш. Исследование процесса пропитки тупиковых капилляров при гармоническом изменении давления в жидкости //Журн. прикл. химии, 2000, Т.73, №7, С.1141-1144; Абиев Р.Ш. Исследование процесса экстрагирования из капиллярно-пористой частицы с бидисперсной структурой// Журн. прикл. химии, 2001, Т.74, №5, С.754-761).

Снижение осевых усилий на валу смесителя в предлагаемом устройстве происходит благодаря тому, что в силу периодичности синусоидальной функции осевые компоненты силы воздействия обрабатываемой среды на различные части лопасти мешалки, наклоненные в разные стороны на одинаковый по абсолютной величине угол, равны по величине и противоположны по направлению. Поэтому суммарная осевая нагрузка на каждую из мешалок становится практически равной нулю.

В формуле (2) меньшие значения диаметра мешалки d соответствуют большим частотам вращения и глубоко профилированным мешалкам (т.е. когда Z велико), когда необходимо интенсивное воздействие на обрабатываемую среду. Большие значения диаметра мешалки d соответствуют низким частотам вращения, когда необходимости в интенсивном воздействии на обрабатываемую среду нет (интенсификация теплообмена, суспендирование легких частиц, крупнодисперсное эмульгирование и т.п.).

В формуле (3) большие значения Z соответствуют глубоко профилированным мешалкам, используемым в процессах, предполагающих интенсивное воздействие на обрабатываемую среду (гомогенизация, тонкодисперсное эмульгирование, перемешивание, растворение, суспендирование тяжелых и крупных частиц и т.п.), меньшие значения Z соответствуют процессам, в которых необходимости в интенсивном воздействии на обрабатываемую среду нет.

В формуле (4) меньшие значения диаметра центрального отверстия d₀ целесообразно использовать в профилированных элементах в процессах, предполагающих интенсивное воздействие на обрабатываемую среду, а большие значения диаметра центрального отверстия d₀ целесообразно использовать в случаях, когда необходимо поддерживать высокий уровень циркуляции в аппарате, а интенсивность воздействия на обрабатываемую среду не столь важна.

Выбор значения р из диапазона чисел 3, 4, 6 или 8 производится исходя из формул (6) и (7), т.е. для данного процесса находят оптимальную частоту пульсаций, по формуле (7) определяют допустимый диапазон пульсаций, и подбирают пару значений р и ω, удовлетворяющую соотношению (6). Указанный диапазон значений чисел р (3, 4, 6 или 8) достаточен для подбора серийно выпускаемого привода, обеспечивающего необходимую угловую частоту ω вращения вала 2 (фиг.2).

Пример конкретного выполнения 1. Пульсационно-центробежный смеситель для растворения твердых частиц с химической реакцией выполнен по схеме, представленной на фиг.2. В смеситель загружена суспензия: сплошная среда - вода (плотность ρ₁=1000 кг/м³, вязкость µ=10^-3 Па·с), дисперсная - твердые шарообразные частицы диаметром 5=0.5 мм и плотностью р₂=2500 кг/м³. Диаметр корпуса 1 равен D=400 мм.

Форма мешалок выполнена в соответствии с расчетными формулами (1)-(3), а именно: диаметр мешалки в соответствии с формулой (2) выбран из диапазона d=D/1.3÷D/4=100÷300 мм. Поскольку частицы обладают средней крупностью и сравнительно высокой плотностью, диаметр мешалок 3' и 3" принят равным d=100 мм. По рекомендациям (Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Пер. с польск. под ред. Щупляка И.А. - Л.: Химия, 1975. - 384 с. - с.189) расстояние между мешалками должно быть не менее 1.5 d=150 мм, принимаем 250 мм. В соответствии с формулой (3) выбираем амплитуду вертикального смещения Z из диапазона Z=(0.1÷0.5)d=10÷50 мм. С учетом сравнительно высокой скорости осаждения твердых частиц, принимаем Z=30 мм.

В случае внешнего обтекания твердых частиц (при взвешивании, растворении, экстрагировании, кристаллизации) интенсивность взаимодействия сплошной фазы с дисперсными включениями определяется инерционными силами, пропорциональными массе самих включений и присоединенной к ним массе жидкости, т.е. кубу диаметра частиц. Сила сопротивления частиц пропорциональна квадрату их диаметра. При нестационарном процессе время разгона частицы от состояния покоя до предельной скорости, определяемой скоростью потока, определяется как время релаксации. Для ламинарного режима обтекания время релаксации может быть рассчитано по формуле (Островский Г.М. Прикладная механика неоднородных сред. - СПб.: Наука, 2000. - С.178)

где t_p - время релаксации, с;

d_ч - диаметр частицы, м;

ρ₁ - плотность сплошной фазы (жидкости), кг/м³;

ρ₂ - плотность материала твердой частицы, кг/м³;

µ - динамическая вязкость жидкости, Па·с.

Если период колебаний τ связан с временем релаксации приближенным соотношением

а оптимальная угловая частота колебаний, соответственно

то частицы с диаметром d успевают полностью разогнаться за четверть периода колебаний τ, который связан с диаметром частиц d соотношениями (8)-(9), а за другую четверть периода колебаний τ они успевают затормозиться. При этом частицы за половину периода τ успевают разогнаться до скорости потока, в то же время скорость относительного движения фаз непрерывно меняется, не достигая нулевых значений. Кроме того, перестройка пограничного слоя, осуществляющаяся дважды за период, также способствует полному изменению концентрационного поля вблизи поверхности частицы, т.е. вводимая в аппарат энергия используется рационально.

Для рассматриваемого примера из формул (8) и (9) получена оптимальная угловая частота колебаний ω_опт=37.7 с^-1. При использовании мешалок с числом р=3 (имеющим смысл кратности периода лопастей) из соотношений (6) и (7) находим угловую скорость вращения вала

ω=(0.9÷1.1)·ω_опт/р=(0.9÷1.1)·37.7/3=(11.3÷13.8) с^-1.

обеспечивающую оптимальное проведение процесса с минимальными затратами энергии.

Пример конкретного выполнения 2. Пульсационно-центробежный смеситель, предназначенный для тех же целей, что и в примере 1, выполнен по схеме, представленной на фиг.2, при этом отражательные устройства содержат вертикальные стойки 6, расположенные вдоль стенок корпуса и присоединенные к ним кольцевидные профилированные элементы 10-12, показанные на фиг.4, форма которых полностью повторяет форму мешалки, определяемую расчетными соотношениями (1), (3). Диаметр центрального отверстия в профилированных элементах выполнен в соответствии с расчетной формулой (4), т.е. выбран из диапазона d_O=(0.2÷0.8)d=20÷80 мм. Поскольку при растворении твердых частиц необходимо поддерживать сравнительно высокий уровень циркуляции в аппарате, а интенсивность воздействия на обрабатываемую среду также играет существенную роль, принимаем среднее значение из диапазона d₀=50 мм.

При работе устройства между мешалками 3 и кольцевидными профилированными элементами 10-12 возникают пульсации давления и скорости с частотой, близкой к оптимальной (ω_опт=37.7 с^-1). Это приводит к существенному ускорению массопереноса от частиц в жидкость. Интенсификации массопереноса сопутствует также умеренная циркуляция в аппарате, обусловленная центробежным полем, возникающим близи мешалок.

Благодаря форме кольцевидных профилированных элементов 10-12 существенно возрастает глубина пульсаций, т.е. амплитуда возникающих при этом колебаний давления, скорости и других гидродинамических параметров. Это приводит к дополнительной интенсификации процессов диспергирования, тепло- и массопередачи.

Пример конкретного выполнения 3. Пульсационно-центробежный смеситель, предназначенный для тех же целей, что и в примере 1, выполнен по схеме, представленной на фиг.2, но при этом число р=4.

В примере 1 из формул (8) и (9) получена оптимальная угловая частота колебаний ω_опт=37.7 с^-1. Из соотношений (6) и (7) находим оптимальную угловую скорость вращения вала

ω=(0.9÷1.1)·ω_опт/р=(0.9÷1.1)·37.7/4=(8.48÷10.4)с^-1.

Пример конкретного выполнения 4. Пульсационно-центробежный смеситель, предназначенный для тех же целей, что и в примере 1, выполнен по схеме, представленной на фиг.2, но при этом число р=6.

В примере 1 из формул (8) и (9) получена оптимальная угловая частота колебаний ω_опт=37.7 с^-1. Из соотношений (6) и (7) находим оптимальную угловую скорость вращения вала

ω=(0.9÷1.1)·ω_опт/р=(0.9÷1.1)·37.7/6=(5.65÷6.91) с^-1.

Пример конкретного выполнения 5. Пульсационно-центробежный смеситель, предназначенный для тех же целей, что и в примере 1, выполнен по схеме, представленной на фиг.2, но при этом число р=8.

В примере 1 из формул (8) и (9) получена оптимальная угловая частота колебаний ω_опт=37.7 с^-1. Из соотношений (6) и (7) находим угловую скорость вращения вала

ω=(0.9÷1.1)·ω_опт/р=(0.9÷1.1)·37.7/8=(4.24÷5.18) с^-1,

обеспечивающую оптимальное проведение процесса с минимальными затратами энергии.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить эффективность использования вводимой в аппарат энергии за счет частичного преобразования вращательного движения мешалок в пульсации гетерогенной среды, уменьшить рассеяние энергии за счет сокращения уровня крупномасштабной турбулентности в объеме аппарата, повысить степень диспергирования капель и пузырей, а также повысить кинетические коэффициенты (коэффициенты тепло- и массопередачи) за счет локализованного преимущественно вблизи мешалки направленного ввода энергии, а также снизить осевые усилия на валу смесителя.

Изобретение относится к устройствам смешения гетерогенных сред при помощи мешалок, генерирующих совокупность двух полей - пульсационного и центробежного, и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности для обработки гетерогенных сред жидкость-твердые частицы, жидкость-жидкость, жидкость-газ и жидкость-газ-твердые частицы. Смеситель содержит корпус 1, по окружности которого установлено шесть узких отражательных перегородок 6, жестко закрепленных на внутренней поверхности корпуса, либо шесть широких поворотных отражательных перегородок 7 с фиксацией в рабочем положении, при этом широкие рабочие поверхности 8 отражательных перегородок частично располагаются между мешалками. Мешалки содержат ступицу и лопасти. Каждая из лопастей выполнена в виде криволинейной поверхности, полученной вращением образующей, являющейся отрезком прямой линии, вокруг оси мешалки так, чтобы ближний к оси конец отрезка перемещался по цилиндрической поверхности ступицы, а удаленный от оси конец отрезка перемещался по траектории, лежащей на воображаемой цилиндрической поверхности, соосной валу таким образом, чтобы вертикальное смещение конца отрезка от срединной плоскости мешалки соответствовало расчетной формуле. Изобретение позволяет повысить эффективность пульсационно-центробежного смесителя за счет увеличения эффективности использования вводимой в аппарат энергии путем частичного (максимально возможного) преобразования вращательного движения мешалок в пульсации давления и скорости в гетерогенной среде. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пульсационно-центробежный смеситель, включающий корпус с установленными в нем отражательными устройствами, один или более приводных валов, на каждом из которых закреплены одна или две мешалки, содержащие ступицу и лопасти, отличающийся тем, что каждая из лопастей выполнена в виде криволинейной поверхности, полученной вращением образующей, являющейся отрезком прямой линии, вокруг оси мешалки так, чтобы ближний к оси конец отрезка перемещался по цилиндрической поверхности ступицы, а удаленный от оси конец отрезка перемещался по траектории, лежащей на воображаемой цилиндрической поверхности, соосной валу таким образом, чтобы вертикальное смещение конца отрезка от срединной плоскости мешалки соответствовало расчетной формуле

где Z - амплитуда вертикального смещения z, м;
p - число, выбираемое из диапазона чисел 3, 4, 6 или 8;
φ - полярный угол, отсчитываемый в срединной плоскости мешалки относительно оси вращения мешалки, рад;
ψ - начальная фаза, рад,
причем диаметр мешалки d выбран из диапазона, определяемого по расчетной формуле

где D - диаметр корпуса смесителя, м,
а амплитуда вертикального смещения Z выбрана из диапазона, определяемого в соответствии с расчетной формулой

при этом у одной из мешалок, установленных на одном валу, начальная фаза ψ, входящая в расчетную формулу (1), задана равной нулю, а у второй мешалки установленной на том же валу, начальная фаза ψ задана равной π рад.

2. Пульсационно-центробежный смеситель по п.1, отличающийся тем, что количество мешалок на всех приводных валах одинаково, отражательные устройства содержат вертикальные стойки, расположенные вдоль стенок корпуса и присоединенные к ним кольцевидные профилированные элементы, форма которых полностью повторяет форму мешалки, определяемую расчетными формулами (1), (3), при этом диаметр центрального отверстия в профилированных элементах выполнен в соответствии с расчетной формулой

причем количество кольцевидных профилированных элементов на один больше, чем количество мешалок на каждом из приводных валов.