Высокоэффективные машины роторного типа с развитой кавитацией

УДК 66.021.1

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ МАШИНЫ РОТОРНОГО ТИПА С РАЗВИТОЙ КАВИТАЦИЕЙ

Д.В. Калинин, М.А. Чернов, И.В. Постникова

Ивановский государственный химико-технологический университет

В статье представлены примеры высокоэффективных машин, использующих кавитацию для обработки многокомпонентных жидких сред. Эти машины могут быть разделены на две большие группы по принципу создания кавитации. Рассматриваются как методы создания кавитации в машинах этих двух групп, так и возможности использования подобных машин в различных технологических процессах.

Ключевые слова: энергосберегающие технологии, кавитация, механоактивация, обработка жидких сред.

Интенсификация химико-технологических процессов и повышение эффективности технологического оборудования является одной из приоритетных задач развития науки и техники. Основой повышения качества продукции, увеличения производительности и снижения энергозатрат на проведение химико-технологических процессов является разработка высокоэффективных машин и аппаратов с высокой удельной производительностью, оптимальной удельной энергоёмкостью и материалоёмкостью, высокой степенью воздействия на обрабатываемые вещества. В качестве такого оборудования все чаще выступают аппараты и машины, совмещающие в одном технологическом объеме несколько параллельно протекающих процессов, которые ускоряют и интенсифицируют друг друга.

К такому классу оборудования, несомненно, относятся роторные высокоскоростные машины с развитой кавитацией (кавитаторы) для обработки жидких сред. Интенсификация химико-технологических процессов в них обусловлена многофакторным воздействием на обрабатываемую жидкую гетерогенную среду, заключающемся в пульсациях давления и скорости потока жидкости, развитой турбулентности, интенсивной кавитации, пульсациях давления в локальных

объемах при пульсациях и схлопывании кавитационных пузырьков, жестком кумулятивном воздействии, высоких сдвиговых и срезывающих усилиях, активации жидкости. Машины роторного типа с развитой кавитацией зарекомендовали себя как достаточно эффективные устройства для проведения и интенсификации гидромеханических и массообмен-ных процессов в различных отраслях промышленности: в химической промышленности они используются для приготовления различных дисперсий и эмульсий, интенсификации массообмен-ных процессов, в фармацевтической и косметической - для экстрагирования лекарственных веществ из растительного сырья, приготовления витаминных препаратов, кремов, мазей и т.п., в металлургической и горнодобывающей промышленности для проведения процессов выщелачивания, в топливо - энергетической промышленности - для приготовления водотопливных эмульсий, в машиностроении - для приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей, а также во многих других отраслях промышленности, список которых можно продолжить с указанием примеров конкретного практического их использования, например:

- гидродинамическая обработка вакуумного газойля для повышения эффективности каталитического крекинга [1];

- обработка расплава серы для получения высокомолекулярного продукта [2] и т.д.

Представленные на рисунках 1а-1н запатентованные конструкции роторных аппаратов [3-7] по принципу создания кавитации можно разделить на 2 группы.

5 2

К 1-ой группе относятся машины, в которых жидкая среда (суспензия, эмульсия) движется по узкому кольцевому зазору переменного сечения. Ко 2-ой группе относятся роторно-пульсационные аппараты, так называемые гидродинамические сирены.

6 3

2 9 10 1 7 6 4

в)

6

г)

На рисунках 1а-1н показаны схемы активаторов для системы жидкость -твердое вещество, жидкость - жидкость, газ - жидкость:

а) конусная коллоидная мельница активатор (1 - вал; 2 - ротор; 3 - ребра; 4 - корпус; 5 - статор; 6 - вход суспензии);

б) коллоидная мельница активатор с перфорированным ротором (1 - ротор; 2 - отбойники; 3 - корпус; 4 - вход суспензии; 5 - перфорации; 6 - зона выгрузки суспензии; 7 - рубашка; 8 -выход суспензии);

в) кавитационно-коллоидная мельница активатор (А.с. №651841опубл.15.03.79 г.Б.И. №10) (1 - ротор; 2 - ударное устройство; 3 - вал; 4 - статор; 5 -контрударники; 6 - корпус; 7 - канавки; 8 - вход суспензии; 9 - выход суспензии; 10 - рубашка охлаждения);

г) коллоидный активатор с двумя вращающимися роторами и сепарацией активированной твердой фазы (1 -вращающийся ротор с полым валом; 2 -вращающийся ротор; 3 - полый вал; 4 -вал; 5 - сепаратор; 6 - выход грубых частиц; 7 - выход тонких частиц);

д) роторная гидравлическая мельница (1 - корпус; 2 - входной патрубок; 3 -

патрубок выхода среды; 4 -неподвижный диск; 5 - подвижный диск; 6 - рабочее колесо; 7 - вал; 10 - муфта; 11 - привод; 12, 13 - впадины; 14, 15 -выступы);

е) роторный аппарат (1 - корпус; 2 -патрубок выхода среды; 3 - крышка; 4 -патрубок входа; 5 - статор; 6 - каналы статора; 7 - ротор; 8 - каналы ротора; 9 -камера озвучивания; 10 - стержни);

ж) канал статора с вертикальным расположением стержней;

з) канал статора с горизонтальным расположением стержней;

и) канал статора с чередующимися вертикальными и горизонтальными стержнями;

к) канал статора с вертикально расположенными 3-мя стержнями; л) роторно-пульсационный аппарат (1 - цилиндрическая рабочая камера, 2 -крышка, 3 - устройство для ввода контактирующих фаз, 4 - центральный патрубок, 5 - канал, 6 - соплом, 7 - ротор вращение которого производится от привода (не показан), 8 - коаксиальные цилиндры ротора, 9 - цилиндры статора, 10 - тангенциальный патрубок); м) кавитационный диспергатор (4 -корпуса; 5 - входной патрубок; 6 -

выходной патрубок; 7 - лопасти центробежного насоса; 8 - цилиндрическим кольцом; 9 - щели в виде дозвуковых сопл сужающиеся с сторону статора; 10 -статор; 11 - щели расширяющиеся в сторону корпуса и имеющие вогнутые поверхности; 12 - рабочая камера; 13 -резонаторы (в виде пластин, стержней, отражателей); 14 - обойма); н) роторный аппарат гидроударного действия "Сампо" (1 - корпус; 2 - статор; 3 - прорези статора; 4 - ротор; 5 - вал; 6 - длинные лопасти; 7 - короткие лопасти; 8 - прорези; 9 - основания лопастей ротора; 10 - резонаторы ротора; 11 - резонаторы статора; 12 - выходной патрубок).

Принцип создания кавитации в 1 -ой группе машин (а, б, в, г, д) заключается в следующем: суспензия подаётся в аппарат и попадает в узкий кольцевой зазор между ротором и статором, на которых имеются канавки и выступы различного конструктивного оформления. За счёт перемены статического и гидродинамического напора в жидкости возникает разряжение давления, и, как следствие существенных пульсаций давления, возникает кавитация [8].

Зазоры между ротором и статором в таких машинах стремятся выполнять как можно меньше (0,05-1мм), что позволяет получать в суспензии высокие касательные напряжения сдвига (тса).

В кавитационных машинах роторного типа скорость нагружения частиц увеличивается при прохождении суспензии вследствие постепенного увеличения диаметра ротора.

Во второй группе машин (е, л, м, н) принцип создания кавитации несколько иной: при вращении ротора его каналы периодически совпадают со сквозными каналами статора [8]. В период времени, когда каналы ротора перекрыты стенкой статора, в полости ротора давление возрастает, а при совмещении канала ротора с каналом статора давление за короткий

промежуток времени сбрасывается. В результате этого в канал статора распространяется импульс давления, вслед за ним возникает кратковременный импульс пониженного (отрицательного) давления, так как совмещение каналов ротора и статора завершилось, и подача жидкости в канал статора происходит только за счёт транзитного течения из радиального зазора между ротором и статором. Объём жидкости, вошедший в канал статора, стремится к выходу из канала, и инерционные силы создают растягивающие напряжения в жидкости, что вызывает кавитацию.

Известно, что число кавитацион-ных пузырьков в кавитационных машинах зависит от чередования зон пониженного и повышенного давления, т.е. от линейных окружных скоростей ротора и контруктивного оформления канавок на роторах и статорах. Частоту кавитацион-ных пульсаций (микровзрывов) можно связать с угловой скоростью вращения ротора кавитационно-коллоидной мельницы следующим соотношением

а \2 + z )

г _ р \ р ст!

^ кав г\ ,

ш

где юр— угловая скорость ротора; zр - число канавок по диаметру ротора; zст- число канавок по диаметру статора.

Машины роторного типа с развитой кавитацией используются для обработки таких систем, как «жидкость-жидкость», «жидкость-твердое тело» и «газ-жидкость» [10]. Для каждого конкретного технологического процесса существуют определенные предпочтения в типе конструктивного и технологического оформления.

Кавитаторы роторного типа различных видов и модификаций нашли применение в гидромеханических и теп-лообменных процессах за счет широкого спектра факторов воздействия: • механическое воздействие на частицы гетерогенной среды,

заключающееся в ударных, срезывающих

и истирающих нагрузках и контактах рабочими частями машины;

• гидродинамическое воздействие, выражающееся в больших сдвиговых напряжениях жидкости, развитой турбулентности, пульсациях давления и скорости потока жидкости;

• гидроакустическое воздействие на жидкость осуществляется за счет мелкомасштабных пульсаций давления, интенсивной кавитации, ударных волн и вторичных нелинейных акустических эффектов.

На кафедре МАХП ИГХТУ разработана и изготовлена кавитационная машина (кавитатор) для создания и увеличения высоких сдвиговых усилий и касательных напряжений. Кавитатор проходит испытания по обработке и механической активации торфосодержащей суспензии с одновременной экстракцией гумусовых кислот, и по получению устойчивых тонкодисперсных гетерогенных эмульсий с минимальным содержанием ПАВ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов С.В., Воробьев С.И., Торховский В.Н., Герзелиев И.М. Применение гидродинамической кавитации для повышения эффективности каталитического крекинга вакуумного газойля // Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова. - 2013. - Т.8. - №3. - С. 67-69.

2. Набиев Р.Р., Терещенко К.А., Улитин Н.В. Интенсифицирующее воздействие кавитационной области на полимеризацию серы // Вестник Казанского технологического университета. -2002. - №1. - С. 17-21.

3. Патент РФ № 2019281, «Роторный аппарат гидроударного действия "сампо"» / Э.М. Богушевский , А.Ю. Губарь, А.В. Канцель, А.М. Масс, С.Е. Селиванов. - класс патента B01F7/00, -заявл. 10.11.1992, опубл. 15.09.1994.

4. Патент РФ № 2203738, «Способ измельчения труднообогатимых руд и кавитационный диспергатор для его осуществления» / Анушенков А.Н., Бочкарев Г.Р., Леконцев Ю.М., Фрейдин А.М., Шалауров В.А., -класс патента B02C19/00, заявл. 26.07.2001, опубл. 10.05.2003.

5. Патент РФ № 2299091, «Роторно-пульсационный аппарат для получения преимущественно систем "жидкость - жидкость"» /Сакович Г.В., Василишин М.С., Кухленко А.А., Сысолятин С.В., Карпов А.Г., - класс патента B01F3/07, B01F7/28, заявл.16.11.2005, опубл. 20.05.2007.

6. Патент РФ № 2309793, «Роторный аппарат» / Воробьев Ю.В., Тетерюков В.Б., -класс патента B01F7/28, заявл.22.12.2005, опубл. 10.11.2007.

7. Патент РФ № 2081701, «Роторная гидравлическая мельница» / Хрусталев М.И., Лукашева Т.Т., Панин В.Ф., Коваленко Г.П., Кузнецов А.М., - класс патента B02C7/00, B02C19/18, B29B17/02, номер заявки 94033535/25, заявл. 13.09.1994, опубл. 20.06.1997.

8. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа. Теория и практика. М.: Машиностроение, 2001. - 247 с.

9. Блиничев В. Н. Разработка оборудования и методов его расчета для интенсификации процессов тонкого измельчения материалов и химической реакции в твердых телах. - дисс. на соиск. уч. ст. доктора техн. наук. Иваново, 1975. -318 с.

10. Баранов Д.А., Блиничев В.Н. и др. Процессы и аппараты химической технологии. Явление переноса, макрокинетика, подобие, моделирование, проектирование: В 5т. Т. 2. Механические и гидромеханические процессы (под ред. А.М. Кутепова). М.: Логос, 2002. - 600 с.

Рукопись поступила в редакцию 16.04.2014. HIGH-PERFORMANCE MACHINES OF ROTOR-TYPE WITH FULL-FLEDGED CAVITATION

D. Kalinin, M. Chernov, I. Postnikova

In the article the examples of high- performance machines using cavitation for processing of multicompo-nent liquid mediums are presented. These machines can be divided into two large groups by the principle of cavitation creation. Both these group machines cavitation creation methods and possibilities of similar machines' use in different technological processes are examined.

Key words: energy saving technologies, cavitation, mechanic activation, liquid medium, treatment.