Кавитационный смеситель Советский патент 1992 года по МПК B01F5/00 

Изобретение относится к устройствам для смешивания, диспергирования жидкости с жидкостью, жидкости с газом и может быть использовано в химической, пищевой, микробиологической и в других отраслях промышленности. Например микробиологическом синтезе в качестве аэрирующего устройства, в аэротенках, для проведения реакций между жидкостью и газом, для очистки и обеззараживания природных и сточных вод с использованием кислорода, озона, хлора, химических реагентов и т.д.

Известно устройство для смешивания жидкости с газом, содержащее смеситель, выполненный в виде корпуса-статора, на наружной поверхности которого размещены газораспределительные коллекторы с кольцевыми щелями для ввода газа Внутри корпуса размещено перемешивающее устройство в виде полого ротора с патрубком для входа газа и с щелевыми отверстиями на периферии для подачи газа, на наружной поверхности ротора размещены

изогнутые в сторону вращения лопасти для подачи (прокачки) жидкости.

Недостатком этого устройства является низкая степень диспергирования газа в жидкости и низкое качество смеси, так как при этом не возникают в потоке большие силы, перемешивающие газ в жидкости. Кроме того, в этом устройстве использован довольно сложный ротор, выполняющий роль как насоса, так и устройства для подачи газа. Следовательно, недостатком устройства является также сложность конструкции. Все это снижает как интенсивность процесса перемешивания, так и качество получаемой смеси жидкости с газом, увеличивает энергозатраты на смесеобразование.

Известен также кавитационный смеситель, содержащий цилиндоический корпус с торцовыми отверстиями для подвода и отвода среды, ряды конических обтекателей, размещенных радиально и закрепленных большими основаниями пб гТеримбтру корпуса во втулке, а меньшим основанием - по периметру полого центрального обтекателя.

Ё

VI

сл

Ю

В корпус под давлением подаются смешиваемые компоненты и при обтекании конических обтекателей со скоростью выше критической создаются зоны кавитации за каждым рядом обтекателей, перемешивающие, диспергирующие обрабатываемую

среду.

Данный смеситель имеет тот недостаток, что для подачи компонента смеси, составляющего меньшую часть перед первым рядом обтекателей, необходимо иметь дополнительный источник энергии, например насос, компрессор, что снижает экономичность процесса смешения. Кроме того, в данном смесителе не обеспечивается равномерное распределение во всем объеме протекающей среды компоненты, составляющего меньшую часть и, тем самым, не обеспечивается высокая степень диспергирования и высокое качество смеси.

Наиболее близким к предлагаемому является кавитационный реактор, содержащий корпус прямоугольного сечения, в котором перпендикулярно потоку установлены цилиндрические обтекатели-возбудители кавитации, за которыми в корпусе выполнены отверстия для подачи компонента смеси, составляющего меньшую часть.

При обтекании цилиндрических обтекателей со скоростью выше критической за ними образуется зона кавитации, куда через отверстия, расположенные за обтекателями, подается компонента смеси л перемешивается с основным потоком. Этот реактор имеет тот недостаток, что в нем не происходит равномерного качественного перемешивания компонент смеси, как подача компоненты осуществляется не в начало зоны кавитации, равномерно по всему объему в сечении между обтекателями, между крайними обтекателями и боковыми стенками, а лишь за обтекателями снаружи потока. Поэтому получается невысокое качество смеси в этом реакторе.

Цель изобретения - интенсификация процесса перемешивания и повышения качества смеси за счет увеличения степени диспергирования и равномерной подачи компонента в зону кавитации.

Поставленная цель достигается тем, что в каждом цилиндрическом обтекателе выполнены осевые отверстия, сообщающиеся с радиальными отверстиями меньшего диаметра, выполненными равномерно по боковой поверхности обтекателя за сечением, перпендикулярным оси корпуса и отстоящим от оси обтекателей вверх по потоку на расстояние (0,01-0,174)R, где R - радиус цилиндрического обтекателя, а начиная с периметра этого сечения вниз по потоку в

корпусе в шахматном порядке выполнены отверстия меньшего диаметра.

В предлагаемом смесителе смешение, диспергирование жидкости с жидкостью

или газом осуществляется за счет гидродинамической кавитации, возникающей при обтекании цилиндрических обтекателей- возбудителей кавитации, установленных поперек потока. Зона кавитации представ0 ляет собой область с глубоким вакуумом и с огромным количеством пузырьков (каверн), заполненных газом и паром жидкости. При кавитации в микрообъемах жидкости происходит схлопывание огромного количества

5 пузырьков с образованием местных гидравлических ударов, пульсаций давления (давления при этом достигают 10 МПа), кумулятивные струйки с огромной скоростью (200-400 м/с) дробят каверны на мел0 кие части, создается сильная турбулизация потока, происходят термодинамические, электрохимические и другие процессы. Все это оказывает перемешивающее, диспергирующее действие на обрабатываемую сре5 ду. Таким образом, мощные силы более тонко и качественно перемешивают, диспергируют частицы среды, Газ или другая компонента подводится через малые радиальные отверстия в цилиндрических возбу0 дителях и в корпусе равномерно по всему объему протекающего потока в начало зоны кавитации. За зоной кавитации (ниже по течению) в области повышенного давления поток приобретает сплошность, а поступив5 ший газ или компонента оказывается равно- мерно в токодисперснном виде распределенной в потоке - основном компоненте смеси.

Равномерное поступление компоненты

0 смеси в зону кавитации осуществляется через малые радиальные отверстия в цилиндрических обтекателях, в корпусе между обтекателями, между крайними обтекателями и боковыми стенками и в боковых стен5 ках. Радиальные отверстия расположены равномерно по боковой поверхности обтекателя за сечением, перпендикулярным скорости набегающего потока и отстоящим от оси обтекателей вверх по потоку на рассто0 яние (0,01 -0,174)R, где R - рйдиус цилиндрического обтекателя, Малые отверстия в корпусе располагаются в шахматном порядке, начиная с периметра этого сечения вниз по потоку, что позволяет более равномерно

5 распределять компоненту смеси в основном потоке, Такое расположение малых отверстий в обтекателях и корпусе, как показывают проведенные нами опыты, объясняется тем, что в этой зоне образуется глубокий вакуум, который подсасывает компоненту

смеси, составляющую меньшую часть. При расположении этих отверстий выше сечения, перпендикулярного скорости набегающего потока и отстоящего вверх по потоку на расстояние больше 0,174R, т.е. в лобовых частях цилиндрических обтекателей-возбудителей кавитации и в сечении корпуса, создается избыточное давление, где нет вакуума. Малые отверстия, равномерно охватывающие потоки по периметру, позволяют мелкими струйками равномерно со всех сторон подводить компоненту, составляющую малую часть (газ), в основной поток в начало кавитации и, тем самым, качественно перемешивать, диспергировать компоненты смеси. За счет того, что при кавитации образуется глубокий вакуум в сжатом сечении, поступление компоненты в эту область осуществляется самовсасыванием. При этом не требуется дополнительного оборудования - насоса, компрессора для подачи компоненты смеси, - что уменьшает энергозатраты на смешивание.

На фиг. 1 изображен кавитационный смеситель, разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Смеситель содержит корпус 1 прямоугольного сечения, цилиндрические обтекатели 2 - возбудители гидродинамической кавитации. В обтекателях имеются осевые отверстия 3, сообщающиеся с малыми радиальными отверстиями 4 на их поверхностях, размещенных за сечением, перпендикулярным скорости набегающего потока и отстоящим от оси обтекателей вверх по потоку на расстояние (0,01-0.174)R, где R - радиус цилиндрического обтекателя. Имеются дополнительные отверстия 5 меньшего диаметра в корпусе, выполненные, начиная с периметра этого сечения вниз по потоку, в шахматном порядке между обтекателями, между крайними обтекателями и боковыми стенками и в боковых стенках, отверстий 6 для подвода компоненты, составляющей меньшую часть в осевое отверстия в обтекателях.

Отношение высоты обтекателя к его диаметру составляет 0,8-1,2, отношение расстояния между обтекателями между крайним обтекателем и боковой стенкой к его диаметру составляет 0,4-1,1. Например, при цилиндрических обтекателях диаметром 10 мм их высота равна 8-12 мм, а расстояние между ними, между крайним обтекателем и боковой стенкой 4-11 мм.

Смеситель работает следующим образом.

Компонента смеси, составляющая большую часть, подается под давлением на вход смесителя. При обтекании цилиндрических

обтекателей 2 со скоростью выше критической (8 м/с) за ними образуются зоны кавитации, где, создается глубокий вакуум (-0,97 кг/см2 - 97 кПа). Компонента смеси,

составляющая меньшую часть, за счет вакуума подсасывается в зоны кавитации через отверстия б в корпусе, осевые отверстия 3 в обтекателях, через малые отверстия 4 в обтекателях и через отверстия 5 в корпусе в

0 начале зоны кавитации и перемешивается с компонентой, составляющей большую часть. 8 зоне кавитации жидкость переводится в газообразное состояние. Поэтому площадь контакта ср&Д ув еличТ/1ваёТся вты5 сячи раз, что способствует тонкодисперсному, качественному перемешиванию смеси. Пульсация давления (давление повышается до 103 МПа) от огромного количества схло- пыв ающихся пузырьков, микроструйки, де0 лящие частицы на части, сильная турбулизация потока в зоне кавитации способствует смесеобразованию высокого качества. За зоной кавитации поток приобретает сплошность, т.е. пузырьки ка5 витационные, заполненные паром компонент смеси, уже сконденсировались, т.е. захлопнулись.

С целью максимального использования энергии потока и регулирования длины зо0 ны кавитации за первым рядом обтекателей нужно устанавливать второй ряд обтекателей с эллиптическими сечениями, имеющими возможность поворачиваться вокруг своих вертикальных осей и отстоящих от

5 первого ряда на расстоянии 10-15 радиусов цилиндрического обтекателя. При этом эллиптические возбудители будут выполнять двоякую роль - сами являться возбудителя-. ми вторичной кавитации и регуляторами

0 длины зоны кавитации за первым рядом возбудителей. При увеличении свободного сечения между эллиптическими возбудителями длина зоны кавитации за первым рядом увеличивается, а при уменьшении этого

5 сечения, наоборот, уменьшается из-за увеличения противодавления (подпора).

Расположение радиальных отверстий равномерно на поверхности цилиндрических обтекателей за сечением, перпендику0 лярным скорости набегающего потока и отстоящим от оси обтекателей вверх по потоку на расстояние (0,01-0,174)R, где R - радиус цилиндрического обтекателя и в корпусе, начиная с периметра этого сечения,

5 между обтекателями, между крайними обте кателями и боковыми стенками и в боковых стенках установлены на основании проведенных исследований. В режиме кавитаци- онного обтекания при различных расходах воды определялось распределение давления по поверхности цилиндрического обтекателя. Отбор давления производился через радиальное отверстие диаметром 1 мм и в осевое отверстие в обтекателе к образцовому вакуумметру и манометру.

В таблице в качестве примера приводится распределение давления по поверхности цилиндрического обтекателя диаметром 10 мм, обтекаемого в кавитаци- онном режиме со скоростью в сжатом сече- нии 36,35 м/с и относительной длине зоны кавитации Л 3 (отношение Длины зоны кавитации к диаметру обтекателя).

Из приведенных экспериментальных данных видно, что зона глубокого вакуума образуется ниже сечения, отстоящего от оси обтекателя вверх по потоку на расстояние 0.174R. В кормовой части обтекателя также образуется глубокий вакуум, а в лобовой точке - избыточное давление.

Таким образом, предлагаемый кавита- ционный смеситель облада т п|юстой конструкцией, имеет малые габариты и его можно изготовить в любой мастерской практически на любой расход. С помощью пред- лагаемого смесителя за счет мощных сил, возникающих при кавитации, можно осуществлять процессы смешения на высоком уровне и просто регулировать интенсивность процесса смешивания за счет измене- ния интенсивности кавитации путем изменения длины зоны кавитации.

Предлагаемый смеситель может успешно заменить громоздкие малоэффективные механические мешалки, имеющие в своем состаЕе электродвигатели, редукторы, резервуары и т.д.

Формула изобретения Кавитационный смеситель, содержащий проточный корпус прямоугольного сечения с отверстиями в боковой стенке для подвода подмешиваемого компонента, цилиндрические обтекатели, установленные перпендикулярно оси корпуса, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса перемешивания и повышения качества смеси за счет увеличения степени диспергирования и равномерной подачи компонента в зоне кавитации, каждый обтекатель имеет осевое отверстие, сообщенное с отверстием в боковой стенке для подвода подмешиваемого компонента, и радиальные отверстия меньшего диаметра, выполненные равномерно по боковой поверхности обтекателя за сечением, перпендикулярным продольной оси корпуса и отстоящим от оси обтекателей вверх по потоку на расстояние (0,,174)R, где R - радиус цилиндрического обтекателя, а начиная с этого сечения вниз по потоку в боковой поверхности корпуса по его периметру в шахматном порядке выполнены дополнительные отверстия меньшего диаметра.

Сущность изобретения: смеситель содержит корпус прямоугольного сечения с установленными внутри него цилиндрическими обтекателями-возбудителями кавитации. В каждом цилиндрическом обтекателе выполнены осевые отверстия, сообщающиеся с радиальными отверстиями меньшего диаметра. Последние выполнены равномерно по поверхности обтекателя за сечением, перпендикулярным скорости набегающего потока и отстоящим от оси обтекателей вверх по потоку на расстояние (0,01- 0,174)R, где R - радиус цилиндрического обтекателя В корпусе, начиная с периметра этого сечения, вниз по потоку в шахматном порядке выполнены отверстия меньшего диаметра 2 ил , 1 табл

фиг.1

А-А

(o,ot-arr4)K

/////S///// /////. фиг. 2