СПОСОБ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ
METHOD OF MIXING HIGH-VISCOSITY FLUIDS

Изобретение относится к перемешиванию жидкостей и может использоваться для приготовления растворов, суспензий, эмульсий и паст в технологиях химической, фармацевтической, пищевой и других отраслей промышленности.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ приготовления фотографических эмульсий [1]. Согласно этому способу, жидкости непрерывно подают в емкость, образованную зазором постоянного или переменного размера между стенками сосудов (цилиндры, сферы, плоскости, конуса и т.д.). а полученную смесь непрерывно удаляют из емкости. Сосуды приводят во вращение, в том числе и навстречу друг другу, внешним приводом до величин скоростей, в том числе и непостоянных во времени, соответствующих появлению турбулентности; процесс перемешивания происходит для тонкой пленки жидкости, движущейся с ненулевой скоростью к месту удаления готовой смеси из емкости.
Недостатком такого способа являются очень низкая эффективность перемешивания высоковязких жидкостей.
Изобретение направлено на повышение эффективности смешения и обеспечение возможности перемешивания высоковязких жидкостей.
out
out
Указанный результат достигается тем, что жидкости подают в емкость, образованную зазором постоянного размера между стенками коаксиальных сосудов одинаковой формы, цилиндрической или сферической, до полного ее заполнения, сосуды приводят во вращение навстречу друг другу внешним приводом со скоростью, соответствующей появлению турбулентности, жидкости перемешивают, и затем удаляют готовую смесь, причем соотношение радиусов внутреннего и внешнего сосудов составляет 0.44-0.67, а частоту вращения внешнего сосуда f модулируют во времени по синусоидальной зависимости с частотой, не более 3% от f с сохранением постоянных ненулевых значений своих осредненных величин.
Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:
- подача жидкое гей в емкость до полного заполнения ее объема;
- перемешивание жидкостей турбулентным течением, формирующимся встречным вращением сосудов;
- последующее за перемешиванием удаление готовой смеси;
- определенное отношение радиусов внутреннего и внешнего сосудов;
- величина отношения радиусов сосудов составляет от 0.44 до 0-67;
- синусоидальная модуляция частоты вращения внешнего сосуда;
- значение частоты модуляции составляет не более 3% от частоты вращения внешнего сосуда;
- сохранение постоянного ненулевого значения для осредненной величины частоты вращения внешнего сосуда.
Все указанные выше отличительные признаки заявляемого изобретения являются необходимыми для его реализации и способствуют использованию кинетической энергии турбулентного течения для перемешивания жидкостей.
Подача жидкостей в емкость до полного заполнения ее объема способствует сохранению циркуляции в меридиональной плоскости, проходящей через ось вращения сосудов, что предотвращает появление не перемешанных областей.
Перемешивание жидкостей происходит интенсивнее в присутствии их турбулентного течения, и угловые скорости вращения сосудов, необходимые для формирования турбулентности, существенно ниже в случае встречного вращения сосудов.
Последующее за перемешиванием удаление готовой смеси позволяет увеличивать степень перемешивания за счет возрастания времени процесса, без увеличения угловой скорости вращения сосудов.
Как интенсивность, так и порог формирования турбулентности, необходимой для интенсивного перемешивания жидкостей, зависят от отношения радиусов внутреннего и внешнего сосудов.
Соотношение радиусов внутреннего и внешнего сосудов в диапазоне 0.44-0.67 позволяет обеспечить интенсивную турбулентность гари существенно меньших угловых скоростях вращения сосудов, чем в других случаях.
Изменение скорости вращения внешнего сосуда по синусоидальной зависимости от времени позволяет обеспечить выравнивание степени перемешивания по всему зазору за счет перемещения по этому зазору максимума турбулентных пульсаций скорости.
В том случае, если частота модуляции составляет не более 3% от частоты вращения внешнего сосуда, интенсивная турбулентность может обеспечиваться при меньших скоростях сосудов, чем в случае их равномерного вращения.
Сохранение условия встречного вращения сосудов при модуляции частоты вращения внешнего сосуда обеспечивается постоянным ненулевым значением для осредненной величины его частоты вращения.
Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.
-6
2
Заявляемый способ предназначен для перемешивания жидкостей, диапазон изменения величины вязкости которых составляет от 1 до 200 10 м/с. Интенсивность перемешивания жидкостей определяется коэффициентом диффузии, который существенно выше для турбулентных течений |2]. При встречном вращении сосудов силы трения на поверхности стенок обеспечивают встречное в азимутальном направлении движение жидкостей, и с увеличением скоростей вращения сосудов течение жидкостей в зазоре становится турбулентным. Таким образом, интенсивное перемешивание жидкостей обеспечивается встречным вращением сосудов под действием привода.
Отличительные признаки заявляемого изобретения основаны на следующих эффектах.
Первый - в случае встречного вращения границ скорости вращения сосудов, необходимые для обеспечения перехода к турбулентному режиму течения, минимальны для соотношения радиусов внутреннего и внешнего сосудов 0.44-0.67.
Второй эффект - интенсивность турбулентных пульсаций для течений вязкой жидкости, образующихся при встречном вращении границ, максимальна на поверхности, где осредненная величина азимутальной скорости течения равна нулю. Третий эффект - снижение не менее чем на 8% скорости вращения внутреннего сосуда, необходимой для перехода к турбулентному течению, при модулировании частоты вращения внешнего сосуда частотой; не превышающей 3% от его частоты вращения.
Для достижения интенсификации перемешивания с учетом этих эффектов, как показали результаты экспериментов и численных расчетов, необходим выбор скоростей вращения стенок сосудов таким образом, чтобы, во-первых, обеспечить турбулентный режим течения в зазоре, во-вторых, непрерывно изменять положение поверхности нулевой азимутальной скорости течения. Положение этой поверхности определяется соотношением мгновенных величин скоростей вращения сосудов. Поэтому изменение ее положения достигается за счет модулирования колебаниями синусоидальной формы средней ненулевой скорости вращения внешнего сосуда таким образом, чтобы поверхность нулевой азимутальной скорости течения непрерывно перемещалась между границами зазора.
Пример осуществления технического решения.
-6
2
Прозрачная жидкость с вязкостью 50 10 м/с заполняла зазор толщиной 0.075 м, образованный двумя прозрачными сферическими поверхностями. Измерение величин пульсаций скорости в жидкости при вращении сферических поверхностей проводилось лазерным доплеровским анемометром, измерения проводились на разных расстояниях от границ зазора. Возникновение турбулентных режимов течения определялось по виду спектра пульсаций скорости. Визуализация течений а зазоре между двумя прозрачными сферическими поверхностями проводилась добавлением небольшого количества алюминиевой пудры таким образом, чтобы жидкость оставалась оптически прозрачной, и наружным освещением течения в зазоре. В случае встречного вращения сферических поверхностей поверхность нулевой азимутальной скорости хорошо просматривалась визуально, и было установлено, что ее местоположение изменяется в зависимости от отношения скоростей вращения границ зазора.
1
2
i
out
Эксперименты проводились при встречном вращении границ зазора, как в случае невозмущенной частоты вращения внешней сферы, так и в случае вращения с модуляцией этой частоты. Установлено, что в первом случае величина скорости внутренней сферы, необходимая для достижения турбулентных режимов течения, более чем на 10% выше, чем во втором случае. Известно также, что в слое с отношением радиусов внутренней и внешней сфер r/r=0,5 переход к турбулентному режиму течения происходит при величинах скорости внутренней сферы меньших в 270 раз по сравнению с аналогичным отношением, равным 0.9. Некоторые результаты приведены в таблицах 1 и 2, в которых представлены минимальные значения угловой скорости внутреннего сосуда Ω при фиксированной скорости внешнего Ω, необходимые для возникновения турбулентности в течении.
Таблица 1.
Угловые скорости вращения коаксиальных сосудов, соответствующие переходу к турбулентному течению в различных сферических зазорах
Угловая скорость вращения
r<sub>1</sub>/r<sub>2</sub>=0.5
r<sub>1</sub>/r<sub>2</sub>=0.9
Ω<sub>i</sub>, 1/с
4
1097
Ω<sub>out</sub>, 1/с
2
2
Таблица 2.
Угловые скорости вращения внутреннего сосуда, соответствующие переходу к турбулентному течению при модуляции скорости внешнего сосуда
Угловая скорость вращения
Без модуляции
с модуляцией частотой 0.01 Гц
Ω<sub>i</sub> 1/с
4
3.66
Ω<sub>out</sub>, 1/с
2
2
Указанные выше результаты подтверждают достоверность отличительных признаков, на которых основано заявляемое изобретение. Использование предлагаемого изобретения позволяет с высокой эксплуатационной надежностью и технологичностью интенсифицировать процессы перемешивания высоковязких жидкостей.
Источники
1. Continuous method of preparing silver halide emulsion / Патент US 3801326 А, кл. B01F 3/08, 02.04.1974 (прототип).
2. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. T1. M.: Наука, 1965.