МЕШАЛКА
MIXER

Изобретение предназначено для гомогенизации больших объемов суспензии. Мешалка может найти применение на предприятиях химической и металлургической промышленности.
В различных сферах человеческой деятельности используется большое разнообразие мешалок. Значительную долю из них составляют мешалки с вертикальным вращающимся валом, на котором закреплены рабочие органы - лопасти, лопатки, гребенки и др. [1]. Конструкции таких мешалок во многом определяются характером перемешиваемых сред. Основной проблемой при перемешивании суспензий является оседание твердых частиц на стенках и днище. Для предотвращения данного процесса применяют различные способы создания турбулентности, охватывающей весь перемешиваемый объем. Однако при этом резко возрастает расход энергии. Кроме того, известно, что лопастные и особенно пропеллерные мешалки при вращении образуют, в основном, осевой ток жидкости. При этом следует отметить, что часть жидкости, стекающей с лопастей, образует радиальный поток жидкости, который, двигаясь по направлению к стенкам аппарата, взаимодействует с поднимающимся от нижней части мешалки потоком жидкости и препятствует его дальнейшему продвижению вверх к поверхности перемешиваемой жидкости. Образующиеся два контура циркуляции жидкости от нижнего и верхнего рабочих перемешивающих элементов мешалки препятствуют полной гомогенизации жидкости в объеме аппарата.
Известен турбулентный смеситель [2], в котором главную перемешивающую функцию выполняют вертикальные лопатки, установленные в нижней части вертикального вала. Для создания турбулентности предназначены размещенные выше наклонные лопасти с закрепленными на их концах поперечными пластинами, которые должны препятствовать центробежному движению струи, направляя ее вниз. Однако такая конструкция недостаточно эффективна, поскольку пластины тоже вращаются и в силу небольших размеров не могут перекрыть внешнюю поверхность потока. В результате, использование известного устройства для перемешивания оказывается слишком затратным.
3
3
Известно устройство для перемешивания, содержащее вертикальную цилиндрическую емкость с днищем, установленную внутри емкости мешалку, содержащую вертикальный вал и смонтированную на нем турбину. Турбина выполнена в виде диска, к которому прикреплены по окружности с зазором плоские лопатки. Отношение высоты и длины каждой лопатки турбины к диаметру последней составляет от 0,2 до 2,0 и от 0,01 до 0,2 соответственно [3]. Известно [1], что турбинные мешалки являются высокоскоростными перемешивающими устройствами, скорость вращения которых составляет от 100 до 500 об/мин, и используются для локального перемешивания особо вязких жидкостей в реакторах небольшого объема до 450 м. Для обеспечения гомогенизации жидкостей и суспензий в аппаратах большого объема (≈5000 м) использование турбинных мешалок нецелесообразно в виду значительных удельных затрат мощности на перемешивание.
Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототипом) является устройство для перемешивания [4]. Устройство содержит цилиндрический корпус с технологическими патрубками, привод и центральный вал с закрепленным на нем перемешивающим узлом, выполненным с турбинной мешалкой и пропеллерной мешалкой, охваченной цилиндрическим диффузором (кольцом). Корпус снабжен нагревательной рубашкой, связанной с термостатом и патрубками. Размеры элементов реактора, в частности внутренний диаметр корпуса, диаметр турбинной мешалки, диаметр пропеллерной мешалки, высота турбинной мешалки над днищем корпуса, высота пропеллерной мешалки над днищем корпуса, должны быть связаны между собой- определенными соотношениями для достижения эффективного перемешивания всей реакционной массы.
Установка вокруг лопастной мешалки диффузора (кольца) ограничивает распространение радиального потока жидкости к стенкам аппарата. Однако приведенные соотношения параметров мешалки не позволяют увеличить эффективность перемешивания и снизить расход энергии.
Задачей настоящего изобретения является существенное снижение расхода энергии при увеличении эффективности перемешивания.
Технический результат заключается в разработке конструкции мешалки, в которой радиальный поток жидкости полностью преобразуется в осевой и повышается скорость и общая циркуляция жидкости в аппарате, что и приводит к увеличению эффективности перемешивания.
Технический результат достигается тем, что в мешалке, имеющей вертикальный цилиндрический корпус и привод с возможностью передачи вращения на центральный вал, на котором вверху прикреплены наклоненные к вертикали лопасти, окруженные ориентированным соосно валу неподвижным кольцом, а внизу - вертикальные лопатки, согласно заявляемому изобретению, лопасти окружены неподвижным кольцом с отношением высоты к диаметру 0,25-0,30, а лопатки имеют отношение ширины к высоте 0,2-0,4.
Для оценки эффективности работы различных перемешивающих устройств существует зависимость степени гомогенизации жидкости в объеме аппарата от затрат мощности на перемешивание. При этом гидродинамические параметры работы аппарата, такие как распределение скорости жидкости в аппарате, насосный эффект мешалки, скорость циркуляции суспензии и др. являются определяющими при оптимизации процесса перемешивания.
В целом, процесс перемешивания характеризуется понятиями окружной и радиально - осевой циркуляции жидкости. При этом, последняя, имеет наибольшее значение для процесса гомогенизации, так как при ее отсутствии вообще не может идти речи о конвективном перемешивании жидкости. В промышленной практике перемешивания в аппаратах больших объемов для увеличения радиально-осевой составляющей скорости используют отражательные перегородки. Однако последние приводят к увеличению потребляемой мощности и снижению эффективности перемешивания [1, стр.134].
В предполагаемом изобретении задача увеличения радиально - осевой составляющей скорости решена путем изменения условий обтекания лопаток набегающим потоком жидкости. В общем случае, при движении лопаток в жидкости происходит их обтекание потоком по вертикальным и горизонтальным кромкам. При этом часть набегающего потока движется вдоль поверхности лопатки в радиальном направлении под действием центробежных сил. Следует отметить, что именно транспортируемый в радиальном направлении поток обеспечивает циркуляцию жидкости в аппарате, а обтекающий лопатку поток локально турбулизирует жидкость.
Соотношение обтекающего лопатку потока жидкости и транспортируемого вдоль нее напрямую зависит от отношения длин горизонтальных и вертикальных кромок лопатки. Набегающий на лопатки поток жидкости за счет центробежных сил сносится к периферийной вертикальной кромке лопатки. По мере движения потока жидкости, часть его стекает через верхнюю и нижнюю горизонтальные кромки. При одном и том же периметре лопатки увеличение длины вертикальных кромок и уменьшение горизонтальных ведет к увеличению доли транспортируемого потока жидкости и снижению доли обтекающего лопатку по горизонтальным кромкам. Это повышает радиально-осевую составляющую скорости и увеличивает степень циркуляции жидкости в аппарате.
При этом, как показали лабораторные исследования на модели аппарата с плоским днищем объемом 100 л, и отношением высоты к диаметру 2,5, уменьшение соотношения ширины лопатки к ее высоте меньше 0,2 приводит к увеличению потребляемой мощности на перемешивание для достижения одной и той же степени гомогенизации суспензии гидроксида алюминия, т.к. доля транспортируемого потока незначительна и лопатка в основном обтекается жидкостью. При увеличении указанного отношения выше 0,4 потребляемая мощность постепенно начинает расти, поскольку доля обтекающего горизонтальные кромки потока превалирует над транспортируемым, только при соотношении 0,2-0,4 затраты мощности становятся минимальными.
Выполнение кольца с заявляемым соотношением высоты к диаметру обеспечивает снижение расхода энергии при увеличении эффективности перемешивания. Заявляемая высота кольца полностью обеспечивает преобразование радиального потока жидкости в осевой поток. При отношении высоты к диаметру менее 0,25, т.е. при недостаточной высоте кольца часть радиального потока жидкости будет огибать его, снижая общую циркуляцию жидкости в аппарате. Отношение высоты к диаметру более 0,30, т.е., чрезмерная высота кольца приведет к повышению металлоемкости конструкции, не оказывая влияния на эффективность перемешивания.
Заявляемая конструкция поясняется рисунками, где на фиг.1 приведено расположение конструктивных узлов мешалки, на фиг.2 - контуры циркуляции жидкости от нижнего и верхнего рабочих перемешивающих элементов заявляемого устройства, на фиг.3 - контуры циркуляции жидкости от нижнего и верхнего рабочих перемешивающих элементов по прототипу [3], на фиг.4 - контуры циркуляции жидкости от нижнего и верхнего рабочих перемешивающих элементов по аналогу [2], на фиг.5 - зависимость затрат мощности от отношения ширины лопаток L к высоте Н, на фиг.6 - зависимость затрат мощности от соотношения высоты к диаметру кольца.
Над цилиндрическим баком 1 установлен привод 2, вращающий центральный вертикальный вал 3. Имеются два яруса перемешивающих элементов. Верхний ярус содержит неподвижное кольцо 4, внутри которого расположены прикрепленные к валу 3 лопасти 5, плоскости которых наклонены к вертикальному направлению. Нижний ярус перемешивающего элемента выполнен в форме лопаток 6, закрепленных на валу 3 с помощью траверс. Объем бака 1 заполнен перемешиваемой пульпой 7.
Мешалка работает следующим образом. При вращении вала 3 лопасти 5 гонят поток суспензии вниз к лопаткам 6, которые преобразуют вертикальный поток в радиальный. Достигнув стенок бака 1, суспензия поднимается в верхнюю часть объема, где снова попадает на лопасти верхнего яруса. Тем самым обеспечивается турбулентность во всем объеме бака 1. Кольцо 4, выполненное по заявляемому соотношению предотвращает центробежный вынос суспензии, существенно увеличивая эффективность работы лопастей 5. В результате, происходит интенсивное перемешивание всей массы суспензии без наличия застойных зон.
Для оценки эффективности работы изобретения была исследована зависимость расслоения суспензии в относительных единицах от затрат мощности на перемешивание (фиг.6). Опытным путем найдено, что минимальный расход энергии наблюдается при отношении высоты кольца к диаметру в диапазоне 0,25-0,30. При отношении высоты кольца к диаметру менее 0,25 требуемая мощность возрастает примерно в 1,5 раза.
Также была изучена зависимость затрат мощности от отношения ширины лопаток L к высоте Н для одинакового расслоения пульпы (фиг.5). Из приведенного графика видно, что оптимальная величина этого отношения приходится на диапазон 0.2-0.4.
Таким образом, по сравнению с прототипом имеет место увеличение эффективности перемешивания при одновременном снижении расхода энергии.
Источники информации
1. З. Штербачек, П. Тауск. Перемешивание в химической промышленности. Пер. с чешского под ред. И.С. Павлушенко, Л.: ГХИ, 1963.
2. Авторское свидетельство РФ №948684, кл. В28С 5/16, 07.08.1982.
3. Патент РФ №784795, кл. С12М 1/02, 30.11.1980.
4. Патент РФ №2128182, кл. B01F 7/16, 27.03.1999.