СМЕСИТЕЛЬ-РЕАКТОР ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ РАЗНОРОДНЫХ ПО ВЯЗКОСТИ КОМПОНЕНТОВ ЖИДКИХ СРЕД
MIXER-REACTOR FOR MIXING DIFFERENT-VISCOSITY COMPONENTS OF LIQUID MEDIA

Настоящее изобретение относится к технологии получения различного рода жидких многокомпонентных смесей, суспензий и коллоидных растворов, а именно к смесителям-реакторам, предназначенным для смешивания разнородных по вязкости жидкостей и суспензий с целью получения однородных по физико-химическому составу жидких сред и наиболее эффективного прохождения химического и физического реагирования составных элементов жидкостей по всему их рабочему объему.
Известен статический смеситель с профильными слоями, расположенными в кольцевом пространстве и содержащими взаимно пресекающиеся каналы, наклоненные относительно центральной оси, по которым проходит текучая смесь в осевом направлении при смешивании, причем каждый слой расположен вдоль поверхности, которая образует по существу замкнутую окружность, расположенную поперек центральной оси, и каждый слой содержит подобные каналы, которые расположены на внутренней или наружной стороне слоя на приблизительно одинаковом расстоянии от первого до второго поперечного сечения кольцевого пространства так, что каждый канал накладывает азимутальный скоростной компонент на жидкую смесь, проходящую по нему, который имеет по существу одинаковое значение для всех подобных каналов, при этом каждый участок поверхности слоя, расположенный между наружным и внутренним сгибом гофры и имеющий форму, приближенную к параллелограмму, выполнен по диагональной линии [1]·
Этот смеситель предназначен для работы с большими объемами жидкостей и обеспечивает только механическую однородность фазовых компонентов текучей смеси, что является явно недостаточным при применении его, например, в медицине, когда требуется обеспечить однородность биологических жидкостей и суспензий по их физико-химическому составу и физико-химическое реагирование компонентов жидких сред по всему рабочему объему смесителя в течение заданного времени, или в технике при синтезе электро- или магнитореологических жидких сред для использования в различного рода технических устройствах (демпферах, гасителях колебаний, стабилизаторах и пр.).
Известен статический смеситель для полимерных материалов, содержащий последовательно расположенные смесительные элементы, включающие входной и выходной разделительные диски, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности смешивания, каждый смесительный элемент снабжен переходным разделительным диском, установленным между входным и выходным разделительными дисками и выполненными с каналами по торцовым поверхностям и с продольными каналами для их соединения между собой, при этом входной разделительный диск выполнен с рассекателем, а каждый из его продольных каналов соединен, по меньшей мере, с двумя каналами на торцевой поверхности переходного разделительного диска, при этом выходной разделительный диск выполнен с продольными каналами, каждый из которых соединен по крайней мере с двумя каналами на торцевой поверхности переходного разделительного диска. Этот смеситель предназначен для непрерывного смешения полимер-полимерных композиций, полимеров с различными пигментами, а также высокодисперсными минеральными наполнителями в линиях для окрашивания, грануляции, получения и переработки полимерных материалов.
Этот смеситель предназначен для работы с большими объемами расплавленных пластических масс и также как вышеуказанный смеситель обеспечивает только механическую однородность фазовых компонентов смеси. Данный смеситель не является реактором - устройством, обеспечивающим физико-химическое реагирование компонентов жидких сред по всему рабочему объему смесителя в течение заданного времени, что важно, например, в медицинских процедурах подготовки сорбентов для методов эфферентной терапии.
Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному является смеситель-реактор для смешивания разнородных по составу жидких сред, содержащий корпус цилиндрической формы, размещенный внутри корпуса цилиндрический вкладыш и торцевые пробки-заглушки, закрывающие корпус с двух сторон [3].
Смешивание жидких сред в этом смесителе происходит в объеме, ограниченном корпусом и вкладышем. Поэтому для обеспечения физико-химического реагирования компонент жидкостей необходимо либо увеличивать габариты смесителя-реактора, либо уменьшать скорость потока. Это не всегда приемлемо для медико-биологических целей, поскольку имеются ограничения по объемам обрабатываемых биологических сред (крови, лимфы, плазмы и др.) и по скорости потоков. То есть данный смеситель-реактор в ряде случаев не может обеспечить получение суспензий приемлемой однородности и/или требуемого времени реагирования компонент смешиваемых жидкостей, особенно крови, лимфы, плазмы с жидкими сорбентами с целью извлечения токсинов из организма, что крайне важно в медицинской практике лечения больных.
Заявитель ставил перед собой практическую задачу создания смесителя-реактора ячеистого типа, характеризующегося высокими техническими характеристиками, позволяющими получить однородные по физико-химическому составу жидкие среды и максимально достичь эффективного прохождения химического и физического реагирования составных элементов жидкостей по всему рабочему объему смесителя-реактора. Вышеотмеченный положительный технический результат был получен Заявителем в предложенном смесителе-реакторе переменной длины за счет новой совокупности его существенных конструктивных признаков, представленной в нижеизложенной формуле изобретения: «смеситель-реактор переменной длины для смешивания разнородных по составу и вязкости компонентов жидких сред, содержащий корпус цилиндрической формы, размещенный внутри корпуса цилиндрический вкладыш и пробки, закрывающие корпус с двух торцов; цилиндрический вкладыш составлен из набора выполненных в виде сегментов ячеек с каналами различной конфигурации, основой которой является отторцованный круговой цилиндр, и повернутых вокруг продольной оси цилиндрического корпуса относительно друг друга таким образом, чтобы продольные оси соответствующих каналов ячеек составляли одну непрерывную линию для достижения за установленный отрезок времени свободного протекания, смешивания и химического реагирования компонент смеси разнородных по свойствам жидкостей; при этом ячейки выполнены с выступами и отвечающими им углублениями, координирующими взаимную угловую ориентацию ячеек и облегчающими сборку вкладыша, или со сквозными отверстиями для продевания стягивающего ячейки в единое изделие приспособления, вкладыш, составленный из набора ячеек, расположен внутри цилиндрического корпуса без зазора или с незначительным натягом и жестко зафиксирован с торцов пробками, пересечение каналов ячеек вкладыша осуществляется под прямым углом или под углами, отличными от прямого угла, или с наличием пространств в них, образующих, по меньшей мере, две петли каналов многопетлевого вкладыша, причем он снабжен камерой предварительного смешивания - свободного пространства внутри цилиндрического корпуса между начальной торцевой пробкой и началом цилиндрического вкладыша для обеспечения начального смешивания жидкостей, поступающих в камеру, по меньшей мере, по одному каналу; каналы в ячейках вкладыша выполнены сверлением или фрезерованием или электроэрозионным способом или литьем; каналы в ячейках вкладыша выполнены фрезерованием с получением сечения канала в виде половины круга с таким расчетом, что при соединении с соседними ячейками торцевые каналы восстанавливают каналы с круговым сечением; стягивающее ячейки вкладыша в единое изделие приспособление выполнено в виде шпилек или спиц, имеющих на конце резьбу для навинчивания крепежных элементов; пробки соединены с цилиндрическим корпусом посредством резьбового соединения или посредством плотной посадки; одна из пробок изготовлена вместе с корпусом в виде единой детали; при изготовлении корпуса, вкладыша, пробок и других деталей смесителя использованы металлы или керамика или пластмассы или композитные материалы; пробки выполнены с патрубками, расположенными по продольной оси цилиндрического корпуса и предназначенными для соединения с трубопроводом, при этом, по меньшей мере, по одному входному патрубку подаются смешиваемые жидкости, а по выпускному патрубку, расположенному на другом конце корпуса, однородная смесь этих жидкостей выводится; входные патрубки выполнены отдельно для каждой смешиваемой жидкости».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - конструктивная схема смесителя-реактора переменной длины, выполненного согласно настоящему изобретению; на фиг. 2 - то же, что на фиг. 1 - общий вид конструкции смесителя-реактора переменной длины с вырезанной четвертой частью (темные области - сечения вкладышей и торцевых пробок с патрубками); на фиг. 3 - схема движения жидкости по каналам ячеек вкладыша; на фиг. 4 - способы угловой ориентации ячеек относительно друг друга при сборке вкладыша внутри цилиндрического корпуса (трубки) смесителя-реактора; на фиг. 5 - варианты а) и б) выполнения ячеек смесителя-реактора на фиг. 1 или 2; на фиг. 6 - вид ячейки по схеме варианта а) на фиг. 5; на фиг. 7 - схема «двухпетлевой» ячейки смесителя-реактора на фиг. 1 или 2; на фиг. 8 - общий вид ячейки «двухпетлевой» ячейки смесителя-реактора на фиг. 1 или 2; на фиг. 9 - вид ячейки «трехпетлевой» ячейки; на фиг. 10 - область пересечения двух цилиндров под прямым углом; на фиг. 11 - схематические эскизы, поясняющие методику вычисления объема ячейки смесителя-реактора на фиг. 1 или 2.
Заявляемый смеситель-реактор переменной длины состоит из трех основных частей: двух торцевых пробок 1, корпуса цилиндрической формы 2 и цилиндрического вкладыша 3, составленного из набора одинаковых ячеек (сегментов) 4. Также в состав конструкции смесителя-реактора входит камера предварительного смешивания 5, представляющая собой свободное пространство внутри корпуса 2 между входной торцевой пробкой 1 и торцом вкладыша 3.
При сборке вкладыша 3 ячейки 4 последовательно вставляются внутрь цилиндрического корпуса 2 последовательно одна за другой, обеспечивая плотный контакт торцевых поверхностей ячеек 4. При этом при сборке вкладыша каждая ячейка поворачивается вокруг продольной оси цилиндрического корпуса 2 так, чтобы обеспечить соосность каналов соответствующих ячеек для обеспечения свободного протекания жидкости. Например, для схемы а) на фиг. 5 оси каналов 6 и 7 рассматриваемой ячейки должны совпадать с осями каналов 8 и 9 соседней ячейки; для схемы б) на фиг. 5 оси каналов 10 и 11 рассматриваемой ячейки должны совпадать с осями каналов 12 и 13 соседней ячейки и т.д.
Для удобства сборки вкладыша 3 каждая ячейка 4 может иметь на одной торцевой поверхности выступы, например, в виде полусферы 14, на другой соответствующее углубление 15, отвечающее выступу 14 по форме и расположению. Тогда соседние ячейки должны иметь на своих торцевых поверхностях соответствующие углубление 15 и выступ 14, расположенных так, чтобы обеспечить плотный контакт торцовых поверхностей ячеек. Это координирует взаимную угловую ориентацию ячеек 4 и облегчает сборку вкладыша 3.
Для облегчения сборки вкладыша 3 ячейки 4 могут также иметь сквозные отверстия для продевания шпилек или спиц 16, которые могут иметь по концам резьбу для навинчивания крепежных изделий и стягивания ячеек 4 в единое целое.
Вкладыш 3, составленный из набора ячеек 4, вставляется внутрь цилиндрического корпуса 2 без зазора или с незначительным натягом и фиксируется с торцов торцевыми пробками 1. Торцевые пробки 1 могут соединяться с корпусом 2, например, с помощью резьбового соединения или плотной посадки. Одна из пробок может быть изготовлена вместе с корпусом 2 в виде единой детали. Торцевые пробки 1 имеют патрубки 17, предназначенные для соединения с трубопроводом или магистралью (не показаны). По одному патрубку 17 внутрь смесителя-реактора подаются смешиваемые жидкости (входных патрубков может быть несколько - отдельно для каждой смешиваемой жидкости; по патрубку 17 на противоположном конце смесителя-реактора однородная смесь этих жидкостей выводится).
Вкладыш 3 может зажиматься внутри корпуса 2 пробками 1 или фиксироваться плотной посадкой непосредственно в корпусе 2 смесителя-реактора с контактом или без контакта с пробками 1.
При изготовлении деталей смесителя-реактора могут быть использованы различные материалы: металлы, керамика, пластмассы, резины или другие материалы в зависимости от функциональных и эксплуатационных условий использования смесителя-реактора.
Движение жидкости вдоль каналов 6-13 и каналов 18-21 вкладыша 3 происходит по схеме, представленной на фиг. 3. В местах пересечения каналов происходит столкновение потоков жидкости с сильной турбулизацией течения, что способствует перемешиванию жидкостей, разрушению агломератов и сгустков. Число ячеек выбирается из условия полного физико-химического реагирования компонентов смешиваемых жидких сред.
Исходным полуфабрикатом при изготовлении ячейки 4 является отторцованный круговой цилиндр (фиг. 5, 6). Каналы в ячейке 4 могут изготавливаться сверлением, фрезерованием, электроэрозионным способом и другими методами. Ячейка 4 с каналами также может быть изготовлена с использованием технологий литья. Конфигурация каналов в ячейке 4 может быть различной в зависимости от технологичности и стоимости производства. Вкладыш 3 может изготавливаться также как единое целое.
Два наиболее технологичных варианта ячейки 4 - варианты а) и б) представлены на фиг. 5 и 6. В варианте а) каналы 18, 19 могут быть получены сверлением. Каналы 6-9 могут быть получены, например, фрезерованием с получением сечения канала в виде половины круга. При соединении с соседними ячейками 4 торцевые каналы восстанавливают каналы с круговым сечением.
В варианте б) все каналы получаются сверлением: каналы 13, 21 и 18, 19 - сверлением торцевых поверхностей, каналы 20, 21 - цилиндрической поверхности. Однако в этом случае следует заделать отверстия на цилиндрической поверхности, которые образуются при сверлении каналов 20, 21. При плотной посадке вкладыша 3 в цилиндрическом корпусе 2 эту операцию можно не выполнять. Вид ячейки 4 по схеме варианта а) отдельно показан на фиг. 6.
Предлагаемый вариант конструкции ячеистого смесителя-реактора предполагает пересечение каналов 6, 7 и 8, 9 или 20, 21 вкладыша 3 под прямым углом. Возможны также варианты пересечения каналов под углами, отличными от прямого, как показано на фиг. 7, 8.
Возможно также использование ячеек с двумя петлями каналов, а также с более чем двумя петлями каналов. Схема поперечного сечения ячейки «двухпетлевого» вкладыша показана на рис. 7. По каналам с маркером «I» жидкость поступает в ячейку. В месте пересечения торцевых каналов обозначенном маркером «М», потоки сталкиваются и интенсивно перемешиваются. По каналам с маркером «О» жидкость выводится из ячейки и переходит в следующую (соседнюю) ячейку. Общий вид такой ячейки показан на рис. 8. Как пример, на рис. 9 показана ячейка «трехпетлевого» вкладыша.
Ячеистая структура вкладыша позволяет варьировать длиной смесителя-реактора, подбирая ее опытным путем или путем математических расчетов для получения суспензий приемлемой однородности и (или) для обеспечения требуемого времени реагирования компонент смешиваемых жидкостей. Например, это имеет значение при смешивании крови, лимфы, плазмы с жидкими сорбентами с целью извлечения токсинов из биосреды. Регулярная структура каналов вкладыша смесителя-реактора позволяет дать оценки объемным и скоростным параметрам смесителя-реактора.
⊗
3
Рассмотрим, например, вариант ячейки, показанный на фиг. 5б), при пересечении цилиндрических каналов с одинаковым радиусом r под прямым углом. Каналы в месте пересечения отдельно показаны на фиг. 10а). Область пересечения двух каналов цилиндрической формы имеет вид «подушки» и показана на фиг. 10б). Объем «подушки» равен V=16 r/3. Эту формулу можно получить, используя, например, принцип Кавальери. Из рисунка на фиг. 11 видно, что объем одной ячейки:
Объем вкладыша, состоящего из n ячеек, равен:
где L=nl - суммарная длина вкладыша.
3
Пусть нам задан объемный расход W жидкости, согласованный по размерности со скоростью ν движения жидкости по каналам смесителя-реактора. Единицами измерения W, например, могут быть [мл/мин], [мм/с] и другие единицы измерения.
2
Объем жидкости, который протекает за единицу времени через сечение двух каналов ячейки, равен 2ν·πr=W, откуда вычисляем среднюю скорость потока жидкости по каналам смесителя-реактора
сорб.
Пусть нам известно минимально допустимое время сорбции t. Тогда формулы (1), (2) позволяют вычислить требуемую длину вкладыша смесителя-реактора или число ячеек для обеспечения требуемого времени реагирования ингредиентов жидкости.
l
l
h
h
1
l
h
Скорость жидкости по продольным и диаметральным каналам соответственно равны ν=l/t, ν=h/t. Общее время движения по каналам одной ячейки t=t+t=(l+h)/ν.
Σ
2
Суммарное время движения по каналам вкладыша t=n(l+h)/ν=n·2πr(l+h)/W.
Σ
сорб.
Число ячеек n выбирается из условия t≥t при заданном расходе W протекания жидкости через ячеистый смеситель-реактор.
Источники информации
[1] Описание изобретения к патенту РФ «Статический смеситель с профильными слоями» №2221631, кл. B01F 5/00, заявлено 04.05.2001 г., опубликовано 20.01.2004 г., бюллетень №2.
[2] Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР «Статический смеситель для полимерных материалов» №1214441, кл. В29В 7/32, заявлено 06.02.1984, опубликовано 28.02.1986, бюллетень №8.
[3] Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР «Лабиринтный смеситель» №451454, кл. B01F 5/00, заявлено 07.06.1971 г., опубликовано 30.11.1974 г., бюллетень №44.
[4] Описание изобретения к патенту РФ «Лабиринтный спиральный смеситель-реактор» №2356612, кл. B01F 5/06, заявлено 26.10.2007 г., опубликовано 27.05.2009 г.
[5] Патент США №3675903 А, класс B01F 5/06, опубликован 11.07.1972 г.
[6] Патент США №5437784 А, класс B01F 5/06, опубликован 01.08.1995 г.
[7] Европейский патент №1710012 А2, класс B01F 5/06, опубликован 11.10.2006 г.
[8] Патент США №4603813 А, класс B01F 5/06, опубликован 05.08.1986 г.
[9] Патент Японии №2005046652 А, класс B01F 5/06, опубликован 24.02.2005 г.