Роторно-пульсационный аппарат Советский патент 1993 года по МПК B01F7/00 

Изобретение относится к области смесительной техники и может быть использовано в химической, фармацевтической и пищевой промышленности для проведения процессов смешения, растворения, измельчения, диспергирования, гомогенизации в жидкотекучих средах и, в частности, при производстве кинофотоматериалов.

Известно устройство, которое содержит ротор, установленный на валу, выполненный в виде диска с размещенными на его торце коаксиальными цилиндрами с проточными каналами и радиальными лопатками. Ротор установлен в статоре, и вместе они размещены в корпусе аппарата. На статоре установлены коаксиальные цилиндры с проточными каналами. Корпус аппарата имеет входные и выходные патрубки. Устройство работает следующим образом. Через входной патрубок обрабатываемая

жидкотекучая среда поступает в корпус устройства. За счет центробежных сил, создаваемых вращающимся ротором, жидкость движется в радиальном направлении. Проходя последовательно через ступени ротор- статор жидкая композиция подвергается механическому воздействию со стороны элементов конструкции аппарата: лопаток ротора, зубьев ротора и статора, образованных боковыми поверхностями и прорезями коаксиальных цилиндров ротора и статора, боковыми поверхностями коаксиальных цилиндров ротора и статора. Эти воздействия приводят к перемешиванию, растворению, измельчению, диспергирование, гомогенизации. Недостатком устройства является низкая эффективность протекания процесса перемешивания, измельчения, диспергирования, растворения в гладких проточных каналах ротора и статора, предXI

Ю О

о чэ о

ставляющих собой прорези в соответствующих коаксиальных цилиндрах ротора и статора. Это приводит к тому, что жидкотекучая среда двигаясь вдоль этих каналов, не подвергается со стороны стенок этих каналов интенсивным воздействием, такие гладкие каналы снижают эффективность устройства в целом в части перемешивания, растворения,диспергирования,гомогенизации.

Известно устройство, которое содержит ротор, установленный на валу, выполненный в виде диска с размещенными на его торце коаксиальными цилиндрами с проточными каналами и радиальными лопатками и статор с установленным в нем коаксиальными цилиндрами с проточными каналами и лопатками, установленными в статоре посредством двух выступов. Лопатки имеют волнистую, поверхность в поперечном направлении проточных каналов, образованных этими лопатками. Статор с ротором установлены в корпусе, который имеет входные и выходные отверстия для подвода и отвода обрабатываемой жидкотекучей среды.

Устройство работает следующим образом.

Через входное отверстие в аппарат поступает жидкотекучая среда. Под действием центробежных сил, создаваемых вращающимся ротором жидкость движется в аппа- рате.врадиальном,направлении. На жидкую среду воздействуют вышеуказанные элементы конструкции аппарата. В результате этого воздействия в жидкотекучей среде происходят процессы смешения, растворения, измельчения, диспергирования, гомогенизации. Двигаясь в проточных каналах, образованных лопатками статора, которые имеют волнистую поверхность, жидкотекучая среда, огибая их плавный контур, турбу- лизируется. Это интенсифицирует процессы перемешивания, растворения и т. д. В сравнении с вышеуказанными устройствами это устройство имеет преймуицест- во, которое заключается в том|; что волнистые стенки проточных каналов увеличивают степень турбулентности поток жиД- кости, движущейся в них, благодаря увеличивается длина смешения, что- положительно сказывается на интенсификации процессов смешения (перемешивания), диспергирования, измельчения, растворения, гомогенизации в жидкотекучей среде. Недостатком этого устройства является то, что волнистая поверхность образует плавный обвод проточных каналов. Это не позволяет получить на плавных обводах ярковыраженные отрывные течения, которые являются генератором акустических,

вихревых процессов в жидкой среде. Таким образом, в данном устройстве не в полной мере удается использовать энергию движущейся жидкотекучей среды для интенсификации процессов перемешивания, растворения, диспергирования, измельчения, гомогенизации, протекающих в проточных каналах аппарата.

Известно устройство, взятое за прото0 тип. Оно содержит ротор, установленный на валу и выполненный в виде диска с установленными на его торцах радиальными лопатками, коаксиальными цилиндрами с проточными каналами и статор с размещен5 ными в нем коаксиальными цилиндрами с проточными каналами. Ротор расположен в статоре, а вместе они находятся в корпусе в котором выполнены входные и выходные окна, Устройство работает следующим об0 разом. При вращении ротора во входные окна засасывается обрабатываемая жидко- текучая среда, которая под действием центробежных сил, создаваемых ротором, движется в радиальном направлении. На

5 обрабатываемую среду действуют вышеуказанные элементы конструкции аппарата. В результате этого действия в жидкотекучей среде протекают процессы перемешивания, растворения, измельчения,

0 диспергирования и гомогенизации. Недостатком этого устройства, как и устройства 1, является то, что Двигаясь в проточных каналах коаксиальных цилиндров жидкотекучая среда не в полной мере использует

5 свою кинетическую энергию для интенсивного проведения процессов перемешивания, растворения, измельчения, диспергирования, гомогенизации. Низкая эффективность проточных каналов ротора и

0 статора объясняется тем, что их стенки выполнены гладкими и оказывают очень незначительное влияние на турбулизацию потока, и как следствие этого, на обработку жидкотекучей среды в этих каналах.

5 Целью изобретения является интенсификация процессов перемешивания, растворения, измельчения, диспергирования, гомогенизации в жидкотекучих средах. Эта цель достигается за счет выполнения коак0 спальных цилиндров в виде набора цилиндрических элементов, примыкающих друг к другу, при этом в каждом цилиндрическом элементе выполнены проточные каналы, образующие в наборе, за счет смещения эле5 ментов относительно друг друга, каналы различного ступенчатого профиля. Стенки проточных каналов одного из цилиндрических элементов с одной стороны могут быть выполнены по высоте с уступами. Кроме то- то, стенки проточных каналов нескольких

цилиндрических.элементов с одной стороны могут быть выполнены по высоте с уступами, смещенными друг относительно друга. Стенки пробочных каналов нескольких отстоящих друг от друга цилиндриче- 5 ских элементов за счет этих же промежуточных цилиндрических элементов, в которых уступы отсутствуют с одной стороны, могут быть выполнены с уступами по высоте, смещенными друг относительно 10 друга. Проточные каналы в каждом из цилиндрических элементов могут быть выполнены с уступами по высоте. Уступы на стенках каналов могут быть выполнены с двух сторон, 15

Выполнение коаксиальных цилиндров в виде набора цилиндрических элементов, примыкающих друг к другу, приводит к то- му, что, во-первых, каждый из этих цилиндрических элементов может быть выполнен 20 из различных материалов, поверхности которых могут быть обработаны различными способами (наготовка, наклеп, нормализа- ция и т. д.), что.дает возможность в одном цилиндре иметь несколько цилиндрических 25 элементов, обладающих различными модулем упругости, различной жесткостью. Это, в свою очередь, приводит к тому, что каждый цилиндрический элемент обладает своей собственной резонансной частотой 30 вибраций. А так как часть этих цилиндрических элементов, близко расположенная к прорезям, выполненным в них. образует канал ступенчатого профиля, то в проточном канале создается акустическое поле с широ- 35 ким спектром излучаемых в него частот. Цилиндрические элементы располагаются друг относительно друга так, что возможны их не зависимые друг от друга колебания (условно не учитывается возможность пере- 40 дачи вибрации через обрабатываемую жид- отекучую среду) или так, что при колебаниях один цилиндрический элемент соприкасается с двумя соседними цилиндрическим элементами, Так происходит в первом слу- 45 чае, во втором же случае при соударении цилиндрических элементов обрабатываемая жидкотекучая среда находится в области гидравлических ударов и подвергается их воздействию, что, в свою очередь, интен- 50 сифицирует процессы диспергирования, измельчения, перемешивания, растворения, гомогенизации. Во-вторых, выполнение коаксиальных цилиндров в виде набора цилиндрических элементов позволяет 55 выбрать любое сочетание профиля ступен- ; чатого канала, подобрать в процессе эксплуатации оптимальное взаимное расположение уступов, выполненных в проточных ступенчатых каналах, подобрать их

вылет в проточные каналы, т. е. имеется возможность подбора и изменения сечения (профиля) выступа установленного в ступенчатом канале. Реальные процессы, протекающие в роторно-пульсационных аппаратах, представляют соВой Очень сложные, неоднозначно связанные между собой явления, не поддающиеся даже очень приближенным методам расчета, поэтому рассчитать заранее форму и профиль ступенчатых каналов в настоящее время невозможно, т. к. кроме самого устройства существенное влияние на его работу оказывает и обрабатываемая среда, которая меняет свои свойства в процессе ее обработки, В этой связи окончательная настройка устройства, благодаря наличию в нем цилиндрических элементов, производится путем перемещения (поворота) этих элементов друг относительно друга, что позволяет максимально интенсифицировать процесс диспергирования, измельчения, растворения, гомогенизации обрабатываемой жидкотекучей среды в предлагаемом устройстве. Смещение про-. точных каналов относительно друг друга так, что проточные каналы в коаксиальных цилиндрах приобретают ступенчатый профиль с острыми кромками приводит к тому, что жидкотекучая среда двигаясь вдоль стенок этих каналов подвергается интенсивному воздействию, благодаря резкому возрастанию турбулентности, возникновению открывных вихревых течений на ос- трых кромках уступов. В ней интенсивно протекают процессы смешения, растворения и т. д. Острые кромки ступенчатых стенок канала генерируют в движущейся жидкости акустические процессы различной частоты и интенсивности, кроме того, в жидкости из-за обтекания острых кромок возникают вихревые течения, способствующие более интенсивному перемеигиванию, растворению, измельчение, диспергирования, гомогенизации. Эти возмущения, вызванные ступенчатым профилем стенки канала, увеличивая поперечный градиент скорости, приводят к увеличению длины смешения, к интенсификации как макро-, так и микросмешенмя в жидкотекучей среде. Интенсификация происходящих в. проточных каналах процессов за счет более полного использования для этой цели кинетической энергии потока движущейся жидкости позволяет увеличить степень (интенсивность) обработки жидкости в аппарате.

Выполнение стенок проточных каналов одного из цилиндрических элементов с од- . ной или с двух сторон с уступами по высоте позволяет еще в большей степени турбулизировать поток жидкости движущейся в проточных каналах коаксиальных цилиндров. Повышение турбулентности потока приводит к интенсификации процессов протекающих в жидкой среде. Кроме того, усту- пы как введенные в поток жидкости, движущейся с большей скоростью, из-за неустановившихся отрывных течений за ними совершают колебательные движения, так же генерируя в жидкости акустические процессы. Это, в свою очередь, приводит к ещё большей интенсификации перемешивания, растворения, измельчения, диспергирова- ния, гомогенизации в гетерогенных системах типа эмульсий;; суспензии, трудно растворимых друг в друге жидкостях.

Выполнение нескольких стенок прорезей цилиндрических элементов с уступами выполненнЬ1ми по высоте с одной или с двух сторон, а также выполнение уступов в прр- резях цилиндрических элементов, отстоящих друг от друга за счет этих же промежуточных цилиндрических элементов, в которых уступы отсутствуют, с одной или двух сторон прорезей позволяет интенсифицировать процессы, происходящие в гетерогенных жйдкртекучих средах, обрабатываемых в аппарате, за счет еще большей турбулизации потока, создания отрывных. течений, акустических явлений, высокоградиентных вихревых течений во всем объеме обрабатываемой среды. Формирование каналов с различным расположением уступов позволяет получать различное обтекание в различных по высоте местах проточных каналов с различной интерференцией процессов, что в определенном сочетании дает положительные результаты при проведений обработки различных жидк отекучих сред в аппарате, ... ,...... . . ....

Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с известными позволяет сделать вывод 0 новизне и существенных отличиях предлагаемого решения. .

Эти суще стйённые отличия позволяют получить в качестве технического преимущества предлагаемого аппарата по .сравнению с известными устройствами - повышение интенсивности обработки гетерогенных жидкотекучих сред за счет увеличения степени турбулентности, создания вихревых течений за счет акустических явлений в жидкости при ее движений в ступенчатых проточных каналах коаксиальных цилиндров,

На фиг, 1 изображен аппарат в продольном разрезе; на фиг. 2 -- сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - узел I на фиг. 2 в увеличенном масштабе, наклон ступенчатого канала в сторону, противоположную

вращению ротора; на фиг. 4 - то же, что на фиг. 3, но ступенчатый канал имеет наклон в сторону вращения ротора; на фиг. 5 - узел II статора в увеличенном масштабе, на стенках прорезей выполнены уступы; на фиг. 6- сечение Б-Б на фиг. 5; на фиг. 7 - сечение В-В на фиг, 5; на фиг. 8 - сечение Г-Г на фиг. 5; на фиг. 9 - сечение Д-Д на фиг. 5; на фиг.

10 - сечение Е-Е на фиг. 5; на фиг. 11 сечение Е-Е с двухсторонним расположением уступов в прорези. .

На фигурах стрелкой и литерой у обозначено направление вращения ротора, стрелкой и литерой W показан вектор абсолютной скорости потока жидкотекучей обрабатываемой среды при входе в ступёнтчатый канал, литерой д обозначены зоны отрывных течений в ступенчатых каналах, литерой b обозначены острые кромки

ступенчатого канала.

Устройство содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, g корпусе 1 размещен статор 4, в котором установлены коаксиальные цилиндры 5, выполненные а виде набора цилиндрических элементов 6, в каждом из кртбрых выполнены проточные каналы 7 Цилиндрические элементы б образуют одно целое. Проточные каналы 7 в цилиндрйческих элементах 6 смещены друг относительно друга и образуют проточные каналы 8 ступенчатого профиля. Проточные каналы 8 могут быть как радиальные, так и

наклонные к радиусу как в сторону вращения ротбра, так и в сторону противоположную вращения ротора (фиг. 3 и 4). В проточных каналах 8 с одной или с двух сторон выполнены уступы 9. Эти уступы могут быть выпблнёны как на одном цйлиндрическом элементе, с одной стороны, так и на нескольких элементах с одной или с двух сторон. Между двумя половинами статора расположен ротор 10, состоящий из диска 11, на торцах которого установлены радиальные лопатки 12 и коаксиальные цилиндры 13, состоящие из цилиндрических элементов 14, в каждом из которых выполнены проточные каналы 15, Проточные каналы 15 каждого из элементов 14 смещены

друг относительно друга и образуют проточные каналы 16 коаксиальных цилиндров 13 со ступенчатыми стенками. Кроме того, в каналах 16 на различных цилиндрических элементах 14 выполнены уступы 17, как и на

статор в различных вариантах (фиг. 6-11). Ротор 10 установлен на валу 20 привода (на фиг. 1 не показан). В статоре 4 выполнен коаксиальный цилиндр 18 с гладкими прорезями 10.

Устройство работает следующим образом.

Привод приводит во вращение вал 1.8 с установленными на нем диском 11 ротора 10. Радиальные лопатки 12 создают центробежные силы, благодаря которым жидкотекучая среда поступает в корпус 1 аппарата через входной патрубок 2. В аппарате жидкая композиция движется в радиальном направлении; проходя последовательно через проточные каналы 8 и16 статора 4 и ротора 10. Жидкотекучая среда, находящаяся между коаксиальными цилиндрами 5 статора 4 и коаксиальными цилиндрами 13 ротора 10, подвергается интенсивным сдвиговым усилиям, которые вызывают в ней напряжения,

приводящие к измельчению гетерогенной системы. Рассмотрим более подробно движение гетерогенной жидкотекучей среды в проточных каналах 8 и 16. Поскольку стенки этих каналов образованы проточными каналами (прорезями) 7 цилиндрических элементов 6 статора 4 и проточными каналами (прорезями) 15, выполненными в цилиндрических элементах 14 коаксиальных цилиндров 13 ротора 10, смещенными друг

относительно друга, то жидкость движется вдоль стенок, представляющих собой стенки ступенчатого профиля. При этом за счет обтекания острых кромок каналов 15 и 7, в жидкости имеют место отрывные теч ения 6 с образованием множества вихревых течений. Поскольку эти течения представляют собой не установившиеся во времени и в пространстве случайные процессы, то они способствуют интенсивному перемешиванию в гетерогенных жидкотекучих системах. Кроме того, вихревые отрывные течения генерируют в жидкотекучей среде акустические колебания различной частоты и интенсивности (мощности). Акустические процессы, протекающие в жидкости, положительно сказываются на измельчение, перемешивание,дисПергированйе. Различные интенсивность и частоты этих процессов создают наиболее благоприятные условия для воздействия на различные по величине, твердости и другим параметрам частицы, содержащиеся в гетерогенной среде. На крупные частицы острые кромки b проточных каналов оказывают непосредственное воздействие, производят их разрушение. Выполнение ступенчатых каналов 8 статора 4, например, с наклоном в сторону противоположную вращению ротора 10 (фиг. 3) усиливает измельчающее действие крупных твердых частиц гетерогенной жидкости об острые кромки Ь стенки, на которую набегает поток этой жидкости. Выполнение этих каналов в сторону вращения ротора (фиг. 4) приводит к тому, что вектор скорости жидкотекучей среды W истекающей из каналов ротора совпадает с направлением каналов 8 статора 4, и в этом 5 случае обе ступенчатые стенки этих каналов работают одинаково, создавая отрывные течения в областях д , генерируя акустические колебания в жидкотекучей среде. Такие каналы наиболее эффективны при

0 обработке эмульсий, когда жидкотекучая среда представляет собой наиболее гомогенную систему с большей однородностью жидких частиц фазы в жидкой среде и дробление частиц фазы происходит в каналах 8

5 благодаря воздействию двух ступенчатых стенок, образованных смещенными проточнымиканалами 7..Жидкотекучая среда, обтекая уступы 9, установленные в каналах 8 статора 4, и ус0 тупы 17, установленные в каналах 16 ротора 10, в различных местах по высоте (фиг. 6 - 11) с. двух или с одной стороны этих проточных каналов, приводит эти уступы в колебательное движение. За уступами имеют

5 место отрывные течения с развитой кавитацией, вихревыми потоками. Колеблющиеся уступы 9 и 17 оказывают воздействие на обтекающую их жидкотекучую среду. Это .воздействие способствует процессу дис0 пергирования, измельчения, перемешивания в гетерогенной жидкотекучей среде. Размещение выступов в различных местах проточных каналов создает равные условия по интенсивности, факторам воздействия

5 на жидкотекучую среду в различных местах проточных каналов.

Техническим преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с известными является увеличение степени

0 гомогенности жидкотекучих систем, сокращение времени растворения труднорастворимых компонент друг в друге, уменьшение размеров частиц дисперсной фазы обрабатываемых с помощью этого устройства

5 эмульсий.

Экономический эффект от использования предлагаемого изобретения заключается в сокращении времени обработки жидкотекучих гетерогенных систем на 50 10%, уменьшении размера частиц на 5% по диаметру дисперсной фазы эмульсий и суспензий, в увеличении степени растворимости труднорастворимых,компонент друг в друге на 2-4%.

5 Формула изобретения

1. Роторно-пульсационный аппарат для обработки жидкотекучих систем, содержащий ротор, выполненный в виде диска с установленными на нем радиальными лопатками, коаксиальными цилиндрами с проточными канайамй стйтор с размещёнными в нем («оаксйдяшыми цилиндрами с проточными каналами; о т я и ч а ю щ и и с я тем,что, с целью интенсификации процессов диспергированйя, измельчения,растворения, перемешивания и гомогенизаций в жидкотекучих средах за счет турбулйзации потока, вихревых течений, акустических воздействий, коаксиальные цилиндры вы- полнены V в виде набора примыкающих друг к др/гу цилиндрических элементов с проточными каналами, образующими в наборе каналы ступенчатого профиля.

2, Аппарат по п. 1, 6 т л и ч а ю 1ц и и - с я тем, что стенки прото чйых каналов Одного из цилиндрических элементов с одной стороны по высоте выполнены с уступами.

5

3. Аппарат по п. 1, отличающий- с я тем, что стенки проточных каналов нескольких цилиндрических элементов с одной стороны по высоте выполнены с уступами смещенными относительно друг Друга:. ;-; .д: ; . .::..;-. . . . .--..-,

4. Аппарат по п. 3, о т л и ч а ю щ и и - ii я тем, то Стенки проточных каналов нескольких отстоящих друг от друга цилиндрических элементов с одной стороны выпблйейы по высоте с уступами, смещенными относительно друг друга,

5.. Аппарат по пп. 2-4, о т л и ч а ю щ и- й с я тем, что стенки проточных каналов элементов выполнены с двух сторон по высоте с уступами.

Фи г. 2

Использование: производство кинофотоматериалов при проведении процессов перемешивания, диспергирования, гомогенизации, растворения в жидкотекучих средах. Сущность изобретения: устройство содержит корпус с коаксиальными цилиндрами статора и ротора в виде набора цилиндрических элементов. При этом каждый элемент снабжен проточными каналами, образующими в наборе каналы ступенчатого профиля. Кроме того, стенки проточных каналов одного или нескольких цилиндрических элементов с одной или с двух сторон могут быть выполнены с уступами. 4 з. п. ф-лы, 11 ил.

Фиг.З

-f f