Аппарат с комбинированным перемешиванием для интенсивной обработки суспензий Советский патент 1992 года по МПК B01F7/00 

Изобретение относится к химическому реакторному оборудованию для проведения различных химико-технологических процессов в жидких средах содержащих частицы твердого продукта.

Наиболее эффективное применение оно найдет для проведения процессов прс- мывки (отмывки) частиц целлюлозы (хлопковой, древесной и др. марок), полимеров (полиэтилена, полистирола и других) и различных катализаторов в жидких средах (вода, метанол, бензин и др.).

Известно техническое решение по эффективному перемешиванию суспензий с твердыми частицами мешалкой, направление вращения которой циклически изменяется т.е. обрабатываемая среда то разгоняется, то тормозится. Изменение направления мешалки, скорости ее вращения в диапазоне до 0,03 Гц интенсифицирует коэффициент массопереноса и индекс эффективности перемешивания.

Недостатком этого решения является большая сложность осуществления этого решения в крупногабаритных аппаратах, когда надо затормозить (или ускорить) скорость вращения большой массы вала с перемешивающим устройством, а инерционные силы их очень велики. Поэтому торможение и ускорение вращения привода с валом и перемешивающим устройством промышленных реакторов будет происходить замедленно во избежание разрушения деталей вала и перемешивающих устройств а это значительно снизит эффективность перемешивания.

VI

VJ сл

Ј

00

Известны технические решения аппаратов с соосно установленными валами (вал в валу), один из которых выполнен быстроходным, а другой - тихоходным, причем направление их вращений может быть противоположным. Так в решении фирмы Шварц ФРГ реактор имеет комбинированное перемешивание - внешнее тихоходное (скребково-лопастное) и внутреннее быстроходное лопастное.

В другом аналогичном известном решении аппарата также тихоходное перемешивающее устройство выполнено внешним в виде продольных штанг, соединенных поперечными ребрами, а быстроходное внутреннее в виде импеллера для тонкого измельчения и диспергирования твердых частиц.

Эти технические решения позволяют оптимизировать технологические процессы обработки различных продуктов в жидких средах в химии, фармацевтике, пищевой и косметической отраслях промышленности. Однако одним из серьезных недостатков таких аппаратов является их конструктивная сложность (вал в валу, подшипниковые и уплотнительные узлы внутреннего вала, вертикальные и горизонтальные встроенные электроприводы с червячными конически-зубчатыми и другими типами передач и др.), трудоемкость в изготовлении, большая стоимость и ненадежность работы со взрывоопасными средами и со средами, содержащими твердую фазу в виде волокон, укрупненных частиц и комков, которая будет забиваться в зазор между соосными валами.

Известно техническое решение реактора с вращающимся валом и кавитатором, перед которым соосно с противоположной стороны на валу установлена втулка с вращающимися лопастями Такое конструктивное решение усиливает кавитационный эффект и повышает производительность реактора, так как установленные под определенным углом вращающиеся лопасти подготавливают обрабатываемый материал перед его входом в кавитатор, то есть уже образовывают пузырьки кавитации. Основным недостатком этого решения является то, что использование эффективного кавитационного эффекта требует высоких скоростей вращения кавитатора (2000- 3000 об/мин) и выше. Поэтому при таких высоких скоростях вращения твердые частицы таких продуктов, как хлопковая целлюлоза1, полимеры, катализаторы особенно типа мягких - платиновых, нанесенных на графит, будут измельчаться, что потребует установки после реактора специальны

фильтров для их улавливания, а также возможны и структурные изменения частиц, что снизит качество продукта.

В качестве прототипа выбрано техническое решение аппарата с комбинированным перемешиванием, которое имеет не соосно установленные вал в валу, а отдельные самостоятельные валы и приводы быстроходного и тихоходного лопастных перемеши0 вающих устройств с их противоположным направлением вращений Основную особенность этого известного решения авторы видят в том, что на тихоходном вертикальном валу лопастные мешалки установлены в

5 этажноупорядоченном положении и их количество может доходить до 8 шт., а на быстроходном валу установлена только одна такая же лопастная мешалка, причем все мешалки расположены под одинаковыми уг0 лами к плоскостям, перпендикулярным к осям их валов. Установка бокового перемешивающего устройства s дополнение к вертикальному улучшает процесс перемешивания и гомогенизации обрабатываемой

5 среды. Однако, это решение имеет следующие основные недостатки:

быстроходная лопастная мешалка значительно удалена от тихоходной, по формуле изобретения не привязана никакими

0 размерами и соотношениями (кроме углов лопастей), поэтому встречные потоки от мешалок в месте их столкновения и взаимодействия ослаблены, имеют размытый характер, их скорости значительно сниже5 ны, что не позволяет достигнуть желаемого успеха;

несимметричное взаиморасположение быстроходной и тихоходной мешалок, да еще и многоэтажные их расположение при

0 консольном выполнении обоих валов вызовет динамически неустойчивую их работу, появление нежелательных колебаний и вибраций, снижение надежности в работе. Целью изобретения является интенси5 фикация перемешивания суспензий и снижение энергозатрат и металлоемкости.

На фиг. 1 изображен продольный разрез реактора; на фиг. 2 - сечение по А-А фиг. 1; на фиг. 3 - сечение по Б-Б фиг. 2,

0 Аппарат состоит из корпуса 1, который может иметь цилиндрическую или квадратную форму. При необходимости корпус 1 может иметь теплообменную рубашку (на фиг. 1 не показана). На крышке 2 по верти5 кальной оси реактора установлен привод 3 для вращения вала 4, на котором установлены лопастные перемешивающие устройства верхнее 5 и нижнее 6. Верхние лопасти 5 на периферийных частях снабжены двумя лопастными элементами 7, расположенными в той же плоскости и симметричными относительно ее оси.

На боковых поверхностях корпуса 1 взаимно диаметрально противоположно установлены перемешивающие устройства в виде дисковых активаторов 8. Они приводятся во вращение от электродвигателей 9, посредством клиноременной передачи 10 и подшипниковой станции 11, в которой вращается вал 12 активаторов 8 (электродвигатель 9, клиноремеиная передача 10 и подшипниковая станция i i для правого активатора 8 (на фиг. 1 не показаны).

Элементы 7 выполнены так, что расстояние между ними по их продольным осям по высоте реактора примерно равно диаметру активатора D (см. фиг. 2), а ширина Ь каждого элемента 7 равна половине ширины В лопасти 5. Это обеспечивает наиболее оптимальное взаимодействие отбрасываемого потока обрабатываемой среды от активатора на вращающиеся элементы 7, которые в момент прохода вблизи активатора тормозят эти потоки, их разбивают, изменяют направлена i пгокоа и увеличивают общую турбулен i ность среды.

В радиальном наппяэя.ении между кромками элементов 7 и наружной поверхностью дисковых акгиозторое 8 выдерживается зазор S равный 0,1 наружного диаметра О активатора. Это также является наиболее оптимальным значением зазора S, при котором перемешивающее устройство дискового типа работает в оптимальном режиме, т.е. в близлежащем пространстве большие напряжения сдвига, необходимые для разрушения волокнистых частей и их отмывки. Физическая модель этого соотношения 1D заключается в том. что с увеличением дпзметэз активатора, что также увеличивав-1 : о ружную скорость его вращения, зазор S также увеличивается, что благоприятно сказывается на затратах мощности полулопастями 7.

Активатор 8 представляет собой диск круглой формы диаметром D, слегка конусообразный к периферии, на внешней поверхности которого выполнены ребра 13 с тщательно закругленными краями для предотвращения повышенного измельчения обрабатываемых твердых частиц материала.

Нижние лопасти б имеют наклонное расположение и при своем вращении не позволяют оседать укрупненным твердым частицам на днище реактора.

Исходные компоненты подаются в аппарат через патрубки 14 и 15, а готовый продукт выгружается через патрубок 16 с

запорным вентилем 17. Жироподобные па грязнения (продукт отмывки ; ильтровяль- ных лепешек из хлопковой целлюлозы), имеющие тенденцию к всплыванию отво- 5 дятся через фильтровальные перфорированные решетки 18 и патрубки 19 для дальнейшей очистки и регенерации.

Аппарат работает следующим образом. Через патрубки 14 и 15 периодически

0 или непрерывно загружаются исходные компоненты, например, загрязненные фильтровальные лепешки диаметром 400- 500 мм, толщиной 40-60 мм из хлопковой целлюпозы, горячая вода и ;,пугие моющие

5 добавки. Включается привод 3, электродвигатель 9 и валы 4 и 12 с перемешивающими устройствами 5,6, 7 и 8 приводятся во вращательное движение. Получаются два основных потока - циркуляции обрабатыва0 емой среды - поперечное рэдиально-окруж- ное от лопастей 5 и 6 и элементов 7 и продольное осевое - закрученное от активаторов 8. Такое получение разнонаправленных, поперечных потоков и их динамическое

5 взаимодействие уже повышает эффективность обработки исходных продуктов. Но еще более значительный эффект отмывки твердых частиц продукта получается за счет раздвоения лопастей 5 на радиально-сим0 метричные элементы 7 и расположения их продольных осей по высоте реактора на расстоянии D равном диаметру дисковых активаторов 8, установленных соосно, то есть на одной оси и расположенных диаметраль5 но противоположно. Такое симметричное выполнение и расположение элементов и активаторов необходимо для получения симметрично равных нагрузок на элементы и активаторы, их валы, подшипники для из0 бежания нежелательных изгибных напряжений, вызывающих прогибы, колебания и вибрации аппаратов. По этой же причине количество соосно устанавливаемых активаторов 8, а также лопастей 5 и элементов 7

5 должно быть четным 2, 4, 6, 8 и т.д.

Ширина Ь каждого элемента 7 в сумме равна ширине В самой основной лопасти. Это соотношение является наиболее оптимальным с точки зрения баланса затрачива0 емой мощности самими лопастями и элементами.

Такое комбинированное взаимное расположение быстровращающихся активаторов 8 (скорость вращения 500-800 об/мин)

5 и тихоходных лопастей и элементов 5, 6, 7 (скорость вращения 50-80 об/мин), помимо общих потоков - циркуляции среды, создает также многочисленные очаги интенсивной пульсационной микромасштабной турбулентности при значительных сдвиговых деформациях в небольших элементах объема обрабатываемой среды, причем эти пульса- ционные движения сталкиваются друг с другом и накладываются друг на друга, а их направление и скорость переменны как во времени, так и в объеме обрабатываемой среды.

Это достигается за счет того, что периферийные кромки элементов 7, проходя при своем вращении вблизи от вращающихся активаторов 8 (см. фиг. 2) верхним элементом 7, который движется навстречу срывающемуся с активатора потоку среды, резко тормозит и дробит этот поток своей лобовой поверхностью, а нижний элемент 7 тормозит и дробит срывающийся поток своей кормовой поверхностью, когда уже пройдет вертикальную ось активатора. Именно разница в окружных скоростях диска активатора и кромок элементов обеспечивает, в основном, ту высокую эффективность обработки среды, содержащей твердые частицы продукта.

Эта разница в окружных скоростях, например, для среднего реактора объемом 10 м и диаметра диска активатора мм, скорости его вращения об/мин и диаметра кромок элементов 7 Ом 1800мми их скорости вращения пм 60 об/мин, составит:

AV

ЛГ-Оз-Па /ЛГ-Ом-Пм

, /3.14-0.5-600) Ш4-1,8-60 I 60 )60

10,1 м/с

При установке в аппарате минимально возможного числа активаторов 2 шт. и минимального числа раздвоенных лопастей 4 шт., при их скорости вращения 60об/мин, частота динамического пульсационного воздействия комбинации активатор-лопастные элементы на обрабатываемую среду составит 8 герц. Это значит, что 8 раз в секунду срывающейся с активаторов поток среды, содержащий твердые частицы продукта со скоростью 10,1 м/сек ударяется о лобовую и кормовую поверхности вращающихся лопастных элементов, что и обеспечивает интенсивный массоперенос между жидкой средой и твердыми частицами продукта, который ускоряет разрушение фильтровальных лепешек и разрыв волокон, их

отмывку и удаление загрязненных веществ с поверхности твердой фазы.

По мере отмывки продукта, загрязненная жидкая фаза через фильтровальные, перфорированные решетки 18, с которых, торцовой поверхностью активаторов 8, смываются твердые частицы обратно в объем реактора, сливается через патрубки 19 на дальнейшую обработку. Отвод загрязнен- ной жидкости компенсируется п.одачей чистой жидкости через патрубок 15.

После отмывки продукта, чистая хлопковая целлюлоза в виде водной суспензии через патрубок 16 передается на дальнейшую обработку.

Получение экономического эффекта от нового реактора с комбинированным перемешиванием на примере его использования для промывки хлопковой целлюлозы в про- изводстве желатина мощностью 20 тыс.т/год слагается из следующих статей:

экономия электроэнергии;

экономия металла

повышение удельной производительно- сти аппарата.

Формула изобретения Аппарат с комбинированным перемешиванием для интенсивной обработки суспензий, содержащий корпус с патрубками для ввода готового продукта, вертикальное лопастное тихоходное перемешивающее устройство и боковое быстроходное перемешивающее устройство, отличающ и и с я тем, что. с целью интенсификации перемешивания суспензий и снижения энергозатрат и металлоемкости, каждая лопасть снабжена размещенными на ее свободном конце двумя лопастными

элементами, расположенными в той же плоскости и симметричными относительно ее оси, имеющими суммарную ширину, равную ширине самой лопасти, а боковое перемешивающее устройство выполнено в виде дисковых активаторов, установленных соосно и диаметрально противоположно на боковых стенках корпуса, при этом расстояние между продольными осями лопастных элементов по высоте равно примерно наружному диаметру D дисковых активаторов, а радиальный зазор между периферийными. кромками лопастных элементов и поверхно - стью дискового активатора составляет примерно 0,1 D,

Фиг.1

А-А

Изобретение относится к аппаратам с комбинированным перемешиванием для интенсивной обработки суспензий и позволяет интенсифицировать перемешивание суспензий, а также снизить энергозатраты и металлоемкость. Аппарат содержит корпус, в котором расположено вертикальное лопастное тихоходное перемешивающее устройство и боковое быстроходное перемешивающее устройство в виде дискового активатора. Лопасть снабжена размещенными на ее свободном конце двумя лопастными элементами, расположенными в той же плоскости и симметричными относительно ее оси. 3 ил. сл С

1 1п р6лени бращения

--- - --- --- .1 . ...-. - ..||L

аьтиЬйтора

ur. 2

5-5

Нспрвблениъ

-. . ., L |||,

ОРащенил