Кавитационный смеситель Советский патент 1985 года по МПК B01F7/04 

1 Изобретение относится к устройст вам для непрерьтного перемешивания, эмульгирования и диспергирования в системах жидкость - жидкость, жидкость - газ, жидкость - твердое тело и может быть использовано для проведения технологических процессо в химической, нефте-перерабатьшающей пищевой промышленностях, промьппленности строительных материалов и в других отраслях. Целью изобретения является интен сификация процесса смешения по всем объему корпуса за счет создания кас т ёльных срезающих напряжений и сниж ние удельных затрат энергии. На чертеже схематически изображе аппарат, общий вид Кавитационный смеситель содержит корпус 1, патрубки 2-4 подачи обрабатьшаемого материала, реагента и отвода полученной смеси, кольцево обтекатель 5, снабженный кавитатора ми 6„ На внепшей и внутренней повер ности обтекателя 5 закреплены крыль чатки 7 и 8 с лопастями кавитирующего профиля 9, имеющие противоположное направление Патрубок 3 соединен с коллектором 10 подачи реагента и имеет на своей выходной части две концентрично установленны по оси корпуса 1 трубы, образующие два выхода 11 и 12 из патрубка 3 подачи реагента. Выход 11 по ходу движения основного потока жидкости выполнен в виде конфузора с образующей по форме кривой синуса и соединяет патрубок 3 подачи реагента с патрубком подачи основного материала. Выход 12 против движения основного потока жидкости образует вместе с обтекателем 5 кольцевую камеру 13 и соединяет патрубок 3 подачи реагента с этой камерой. Обтекатель 5 подпружинен при помощи пружины 14 и установлен с возможностью осевого перемещения посредством шариковой муфты 15 на выходе 12 таким образом, чтобы кавитаторы которыми снабжен обтекатель 5, нах дились в широкой части конфузора и не перекрывали выход 11. Устройство работает следующим образом. Поток жидкости через патрубок 2 подачи обрабатываемого материала поступает в корпус 1 смесителя, на текает со скоростью 8-10 м/с на 3 2 неподвижные крыльчатки 7 и 8 и закручивается ими в противоположные стороны, что создает большие касательные срезьшающие напряжения, способствующие интенсивному макроперемешиванию жидкости по всему объему. При этом за лопастями кавитирующего профиля 9 крыльчаток 7 и 8 образ потся кавитационные суперкаверны, охватьшающие лопасти и выход 11J и замыкающиеся на некотором расстоянии за ним с образованием полей кавитационных микропузырьков„ При схлопьшании кавитационных пузырьков образуются кумулятивные микроструйки ( со скоростями движения порядка 1000 м/с, с давлением в точках схлопывания до 1000 кг/см ), которые оказьшают диспергирующее, размальшающее, фибрирующее и микроперемешивающее воздействие на поток смешиваемых компонентов. В области за крыльчатками, занятой суперкавернами, образуется зона пониженного давления, величина которого зависит от физико-механических свойств перемешиваемых компонентов, скорости потока, температуры, гидродинамических характеристик профилей. За счет пониженного давления в суперкавернах подмешиваемый реагент подсасьшается из коллектора 10 и поступает через патрубок 3 и выход 11. выполненный в виде конфузора, в поток обрабатьшаемого материала. Степень диспергирования подмешиваемого вещества регулируется соотношением зазора между кавитаторами 6 и конфузором выхода 1 1 .За кавитатррами б также образуются каверны с полями кавитационных пузырьков, что создает условия для интенсивного перемешивания пoд leшивaeмoгo реагента, Подмешиваемые реагенты, поступая через конфузор выхода 11 в суперкаверны, попадают в их хвостовую часть в зону интенсивного завихрения и кавитационно-кумулятивного воздействия, вследствие чего интенсивно перемешиваются с обрабатываемым материалом. Для интенсификации процесса перемешивания дополнительно создаются кавитационные автоколебания в ос- новном потоке и потоке реагентов за счет подвижного соединения подпружиненной системы состоящей из крыльчаток 7 и 8-и обтекателя 5, снабженного кавитатором 6 с патрубком 3, и при помощи шариковой муфты 15. Гидродинамическое сопротивление крьшьчаток 7 и 8 и обтекателя 5 с кавитаторами 6 при нормальном дав лении (например, 0,1 МПа внутри ег кольцевой камеры 13, равном давлени в патрубке 3 и коллекторе 10, уравновешивается пружиной 14 и этим дав лением. На расчетном режиме работы смесителя длина каверн за крьшьчатками 7 и 8 такова, что они замыкают ся за выходом 11, поэтому в кольцевой,камере 13 обтекателя 5, связанной через выход 11 с основным потоком, давление понижается и становится ниже нормального ( например, 0,05 МПа). При этом подмешивае мый реагент за счет разности давлений в коллекторе 10 (равном 0,1 МПа) и кольцевой камере 13 обтекателя 5 (равном 0,05 МПа) поступает из коллектора 10 через патрубок 3 и йыход 12 в кольцевую камеру 13 и затем за счет еще более низкого давления в кавернах (например, 0,01 -МПа ) выбрасьшается, ускоряясь в конфузоре, через выход 11 тонким слоем в основной поток и в зону наибольших касательных напр жений „ При понижении давления в кольцевой камере 13 сила, уравновешиваю щая гидродинамическое сопротивление подвижной системы, состоящей из кры чаток 7 и 8 и обтекателя 5, уменьшае ся (пружина 14 сжимается и подвижная система смещается по потоку ), при этом связанные с обтекателем 5 кавитаторы 6 частично или полностью перекрывают выход 11. За счет перекрытия выхода 11 давление в кольцевой камере 13 увеличивается и становится равным давлению в коллекторе 10 о Крьшьчатки 7 и В вместе с , ;Обтекателем 5 и кавитаторами 6 воз- вра1; аются в исходное положение, и весь процесс повторяется сначала. 334 При таких колебаниях крьшьчаток 7 и 8 и кавитаторов 6 происходят колебания объема гелиоидальньк каверн за крыльчатками 7 и 8, за счет изменения относительной скорости потока и углов атари, и каверн за кавитаторами 6 - за счет изменения зазора между кавитаторами 6 и конфузором выхода 11. Амплитуда колебаний регулируется первоначальной величиной этого зазора при установке кавитаторов в конфузоре выхода 1I, а частота колебаний - жесткостью и первоначальной затяжкой пружины 14. Высокочастотные автоколебания всей системы интенсифицируют процесс смешения за счет дополнительного образования большого количества кавитационных пузырьков и интенсивных турбулентных макро- и микропульсаций потоков обрабатьшаемого материала и подмешиваемых реагентов. Для каверн, заполненных в своей хвостовой части кавитационными пузырьками, в обычном режиме работы без автоколебаний характерны колебания с собственной частотой. Если частота автоколебаний, регулируемая затяжкой пружины 14, совпадает с собственной частотой колебаний каверн, удельные затраты энергии на создание каверн снижаются в два - три раза с увеличением объема каверн. Одновременно с увеличением объема каверн при тех же затратах энергии увеличивается количество кавитационных пузырьков в их хвостовой части. Закручивание основного потока в разные стороны сопровождается созданием больших касательных срезающих напряжений, подача подмешиваемых реагентов тонким слоем в зону вы- соких срезающих напряжений, создание при помощи автоколебаний интенсивных режимов кавитации позволяют не только интенсифицировать процесс смешения, но и снизить удельные энергетические затраты на смешение о

12

t

f- -fv-f .

..I. 1. V . X.Д.

z

Y /

иКАВИТАЦЙОННЬМ CMECHTEJb, содержащий корпус с патрубками подачи обрабатьшаемого материала и реагента отрода полученной смеси,крыльчатки с лопастями кавитирующего профиля,установленные в корпусе с возможностью их осевого перемещения,о т л и ч а rant и и с я тем, что, с целью интенсификации процесса смешения по всему объему корпуса за счет создания касательных срезающих напряжений и снижения удельных затрат энергии, он имеет снабженный кавитаторами кольцевой обтекатель., на внешней и внутренней поверхности которого закреплены лопасти крыльчатокj при этом последние имеют взаимно противоположное направление, патрубок подачи реагента имтеет на выходной части его две установленные концентрично по оси корпуса трубы, образующие два выхода для реагента на материал, причем выход по ходу движения материала выполнен в виде конфузора, обтекатель подпружинен и установлен с возможностью осевого (О перемещения при помощи шариковой (Л муфты на направленном против движения материала выходе с образованием кольцевой камеры, а кавитаторы расположены в конфузоре. 2. Смеситель по п.1, о т л и чающийся тем, что конфузор выполнен с образующей по форме кри05 вой синуса. СО СО со