МИКРОВИХРЕВОЙ ДЕЗИНТЕГРАТОР

Область техники, к которой относится изобретение.
Предлагаемый дезинтегратор применяется в качестве измельчающего устройства для создания микрочастиц с характерным размером групп молекул, молекул или частей молекул в пищевой и химической промышленности, при создании искусственных строительных материалов, бетонов на основе водной суспензии твердых частиц, измельченных до характерных размеров молекул. Применяется в качестве устройства для активизации эффектов поверхностного взаимодействия во взаимно не смешиваемых и нерастворимых веществах, с образованием устойчивых во времени коллоидных систем (структурированных эмульсий и пастообразных систем); устройства для активизации эффектов поверхностного взаимодействия в растворах и коллоидных суспензиях с образованием пенообразных, гелеобразных и желеобразных коллоидных суспензий и коллоидных систем; устройства для получения микрочастиц, новых веществ и материалов. Применяется в качестве устройства для измельчения твердых веществ, разрушения межмолекулярных связей, расщепления молекул с образованием активных, в химическом понимании, ионов и устройства для расщепления молекул с образованием стабильных в химическом понимании молекул, а также устройства для синтеза новых веществ из измельченных частиц и ионов разрушенных молекул. Применяется в качестве гомогенизатора, динамического нагревателя, пастеризатора, стерилизатора, устройства для интенсификации массопереноса и процессов адгезионного взаимодействия поверхностей тел из различных материалов. Применяется в качестве устройства для разрушения межмолекулярных и внутримолекулярных связей.
Уровень техники.
Известен способ микровихревого измельчения и реструктуризации в вязкой среде. Патент №2343003 RU.
Известен способ создания строительных материалов из известняка, песка и воды. Патент №2378216 RU.
Известна поверхность твердого тела, обтекаемая вязкой средой. Патент №2333402 RU.
Известны коллоидные мельницы мокрого помола, измельчающие твердые частицы суспензии, находящиеся между перемещающимися относительно друг друга коническими поверхностями. А.Г.Касаткин «Основные процессы и аппараты химических технологий» Государственное научно-техническое издательство химической литературы, Москва 1961 г.(стр.796-797). Принцип работы коллоидных мельниц основан на разрушении частиц при воздействии на нее тангенциального напряжения со стороны соседних частиц или стенки мельницы при соударении,
Известны роторные излучатели, состоящие из двух или более коаксиальных цилиндров или конусов, со щелевыми отверстиями. Цилиндры торцевой поверхностью закреплены на взаимно вращающихся дисках Г.А.Аксельруд, А.Д.Молчанов «Растворение твердых веществ», М., Химия, 1977, (стр.230-232). Работа роторных излучателей основана на возникновении кавитационных эффектов.
Известны конусные коллоидные мельницы, рабочие поверхности которых имеют конусообразную форму с рифлеными поверхностями, как ротора, так и статора. Известны бильные коллоидные мельницы, рабочими частями которых являются биллы и контрударники. Известны коллоидные мельницы с конусным решетчатым ротором, на внутренней поверхности статора имеются продольные борозды. Известны виброкавитационные коллоидные мельницы, статор и ротор которых имеет на рабочих поверхностях направленные вдоль оси канавки. Известны коллоидные мельницы типа «Реактрон», рабочими частями которых являются ряды пальцев, расположенные в виде коаксиальных кругов одни подвижные, другие неподвижные. П.М.Сиденко «Измельчение в химической промышленности», М., Химия, 1977, (стр.238-243).
Известны Универсальные дезинтеграторы-активаторы И. Хинта, рабочими частями которых являются ряды пальцев, расположенные в виде коаксиальных кругов одни подвижные, другие неподвижные. Хинт И. «УДА-технология: проблемы и перспективы» Таллин: Валгус, 1981.
Во всех перечисленных устройствах измельчение происходит за счет того, что рабочие поверхности, перемещаясь относительно друг Друга, имеют разнонаправленные канавки, дискретные конструктивные элементы в виде билл или пальцев, от соударения о которые частицы испытывают как ударное, так и истирающее воздействие, при этом во многих коллоидных мельницах генерируется кавитационный процесс, который приводит к дополнительному измельчению твердых частиц в двух
фазной среде.
Во всех этих машинах, устройствах для измельчения реализуется принцип ударного разрушения и/или истирания и/или кавитационного износа под воздействием кумулятивных струй.
5
-6
Указанные машины и механизмы имеют один существенный недостаток. Они не в состоянии с высокой производительностью раздробить твердые вещества до размеров меньше 1×10…1×10 метра.
Раскрытие изобретения.
Мною предлагается конструкция устройства, в дальнейшем именуемое «дезинтегратор», генерирующего микровихревые структуры в жидкой вязкой среде с инородными включениями твердыми, жидкими или газообразными, в дальнейшем именуемой «вязкой средой». Дезинтегратор генерирует микровихревые структуры в дальнейшем именуемых «микровихри», под воздействием которых происходит дезинтеграция, разрушение материи на более мелкие части, с получением гомогенных систем. В предлагаемом дезинтеграторе микровихри генерируются в пограничном слое, возникающем всегда при обтекании твердого тела вязкой средой. Под воздействием генерированных дезинтегратором микровихрей разрушаются межмолекулярные и внутри молекулярные связи, образуются устойчивые во времени эмульсии и другие гомогенные смеси веществ, находящихся в том числе в различных фазовых состояниях.
К образованию микровихрей и их интенсификации приводит:
- относительное перемещение твердой поверхности и вязкой среды Фиг.1.;
- относительное перемещение вязкой среды между твердыми поверхностями Фиг.2.;
A
B
A
B
На Фиг.1 представлена эпюра скоростей 11 коллоидной суспензии, состоящей из вязкой среды 1 и инородных частиц 6, перемещающаяся относительно твердой поверхности 3. Инородная частица 6 вблизи твердой поверхности 3 (в пограничном слое) будет обтекаться вязкой суспензией 1 в различных точках пространства по-разному. В точке «А» скорость обтекания будет V, а в точке «В» соответственно V, при этом V>V, что проиллюстрировано на Фиг.1. Находясь под различным воздействием суспензии 1 с разных сторон, инородная частица 6 вовлекается в круговое движение в направлении «С». Как только инородная частица 6 начинает совершать вращательное движение, она увлекает за собой соприкасающиеся части вязкой среды, что приводит к образованию вихревого движения вязкой суспензии 1 вокруг инородной частицы 6.
Под инородным включением (инородной частицей 6) понимается пространственная зона внутри вязкой среды, отличающаяся от вязкой среды плотностью, фазовым состоянием, химическим составом и/или другими физико-химическими свойствами.
1
2
0
На Фиг.2. представлена картина вихреобразования, происходящая в вязкой среде 1, находящейся между двумя твердыми поверхностями 3, расположенными на расстоянии h друг от друга и движущимися соответственно со скоростями V и V в разные стороны. Вязкая среда 1 увлекается твердыми поверхностями 3, что приводит к возникновению кругового (вихревого) движения в вязкой среде, т.е. к образованию вихря 2. При этом вязкая среда имеет температуру t°, вязкость µ, а абсолютное давление в вязкой среде за пределами микровихря равно Р.
Сущность изобретения как технического решения выражается в предлагаемом конструкторском решении устройств, для создания и активации микровихрей минимальных размеров и с максимально возможными скоростями движения вязкой среды, из которой сформирован вихрь. Дезинтегратор, выполненный на основе предлагаемых конструкторских решений, генерирует и интенсифицирует микровихри в пограничном слое вязкой среды, обтекающей твердую поверхность.
Отличительные признаки устройства:
В предлагаемом дезинтеграторе осуществляется относительное перемещение твердых поверхностей и вязкой среды. Предлагаемый дезинтегратор, схема которого показана на Фиг.3, состоит из корпуса 10, вращающегося ротора, образованного двумя поверхностями вращения, в дальнейшем именуемой «ротор» 9, неподвижного статора, рабочая поверхность которого является поверхностью вращения, в дальнейшем «статор» 12, входного 15 и выходного 14 устройств и узла уплотнения 19. Ротор и статор перемещаются относительно друг друга. Вязкая среда 1 перемещается относительно рабочей поверхности ротора 17 и относительно рабочей поверхности статора 18. Рабочей зоной дезинтегратора 16 является пространство между рабочими поверхностями ротора 17 и статора 18. Уплотнение 19 необходимо для предотвращения выхода вязкой среды из корпуса дезинтегратора иначе, чем через выходное устройство 14.
1
На Фиг.3 показана конструктивная схема дезинтегратора с эквидистантным расположением рабочих поверхностей ротора 17 и статора 18. Расстояние между поверхностями 17 и 18 по мере удаления от оси вращения ротора 8 не изменяется и составляет размер d, как показано на Фиг.3.
Ротор 9 и статор 12 перемещаются относительно друг друга в диапазоне скоростей от 0,001 м/с до 700 м/с. Такой диапазон скоростей продиктован различными физико-химическими свойствами вязкой среды 1, различными физико-химическими свойствами инородных частиц 6 и различными задачами, поставленными перед конкретным технологическим процессом.
Элементы рабочих поверхностей 17 и 18 удалены от оси вращения 8 на расстояние «L», при этом выполняется неравенство: 1,0 мм≤L≤3500 мм. Такой диапазон размеров предполагает возможность варьировать как скоростью вращения, так и производительностью дезинтегратора в достаточно большом диапазоне.
Расстояние между рабочими поверхностями ротора и статора измеренное по направлению нормали проведенной от любой точки рабочей поверхности ротора к рабочей поверхности статора составляет от 0,0005 мм до 10 мм. Такой диапазон расстояний между рабочими поверхностями ротора 9 и статора 12 зависит от физико-химических свойств вязкой среды 1, физико-химических свойств инородных частиц 6 и технологическими задачами, стоящими перед конкретным техпроцессом.
Для реализации заявленных эффектов от применения дезинтегратора, в рабочей зоне 16 создается и поддерживается давление от 0,5 атм до 10000 атм и температура в вязкой среде от -270°С до +3000°С. Столь большой диапазон температур и давлений, заявленный в патенте RU2343003, так же зависит от физико-химических свойств вязкой среды 1, физико-химических свойств инородных частиц 6 и технологических задач, стоящих перед конкретным техпроцессом.
Из соображений безопасности, для удобства работы и для предотвращения выхода вязкой среды из корпуса дезинтегратора в местах отличных от выходных устройств 14, корпус 10, в котором ротор 9 и статор 12 перемещаются друг относительно друга, выполняется герметичным, а на валу дезинтегратора 26 ставится уплотнение 19, что проиллюстрировано на Фиг.3.
В некоторых частных случаях корпус 10 может не быть герметичным, например при условиях, когда дезинтегратор целиком погружен в вязкую среду.
Под воздействием микровихрей в вязкой среде 1 в рабочей зоне дезинтегратора 16 разрываются внутри молекулярные и межмолекулярные связи, что приводит к высвобождению энергии связи и нагреванию вязкой среды. Для предотвращения негативных явлений, связанных с перегревом вязкой среды, статор дезинтегратора может принудительно охлаждаться, а детали ротора и статора изготавливаются из термостойких материалов.
Во время дробления твердых частиц рабочие поверхности ротора и статора дезинтегратора подвергаются ударному воздействию, что приводит к износу рабочих поверхностей, что может привести к изменению формы рабочих поверхностей ротора и статора. Для увеличения ресурса работы дезинтегратора ротор и статор дезинтегратора изготавливаются из износостойких материалов и/или покрываются износостойкими покрытиями.
1
2
1
2
На Фиг.4. показана конструктивная схема дезинтегратора расстояние между ротором 9 и статором 12 плавно изменяется от d до d·(d>d). В конкретной конструктивной схеме дезинтегратора расстояние между рабочими поверхностями ротора 17 и статора 18 уменьшается по ходу перемещении вязкой среды от центра вращения к периферии. Такая конструктивная схема может использоваться для диспергирования относительно мало прочных материалов, например гуматов при изготовлении мелкодисперсных гуминовых препаратов или для приготовления устойчивых во времени эмульсий.
На Фиг.5. показана конструктивная схема дезинтегратора, в которой в целях повышения производительности и снижения материалоемкости конструкции, дезинтегратор состоит больше чем из одной пары ротор - статор, как это показано на конструктивной схеме Фиг.5. При этом в генерации микровихрей принимает участие обе поверхности 17 роторов 9.
На Фиг.6 показана конструктивная схема дезинтегратора, в котором подвод вязкой среды с перерабатываемым материалом осуществляется через корпус с двух сторон ротора. К такой конструкции прибегают в том случае, когда корпус дезинтегратора 10 свободен со всех сторон и нет необходимости в усложнении конструкции ротора 9.
На Фиг.7 показана конструктивная схема дезинтегратора, в котором ротор 9 выполнен с не менее чем одним отверстием 23 у оси вращения ротора. Это отверстие предназначено для облегчения массы ротора 9 и для перепуска диспергируемой вязкой среды ко второй стороне ротора 9, которая находится дальше от входного устройства 15. Таким конструктивным решением достигаются две цели: во-первых уменьшается масса вращающегося ротора и во вторых вязкая среда подводится ко второй стороне ротора 9, чем обеспечивается удвоение производительности дезинтегратора.
На Фиг.8. показана конструктивная схема многоступенчатого дезинтегратора, в котором подвод вязкой среды осуществляется через каналы 27 в корпусе одновременно к двум сторонам ротора, что увеличивает производительность, при этом вязкая среда с измельчаемым материалом передается от одной ступени (пары ротор - статор) к другой по каналам в корпусе дезинтегратора. В зависимости от диспергируемого материала и вязкой среды 1 расстояние между рабочими поверхностями ротора 17 и статора 18 могут изменяться от ступени к ступени. В частном случае уменьшаться, от ступени к ступени для интенсификации дробления инородных частиц 6 в вязкой среде 1. Такая конструктивная схема выбирается в том случае, когда диспергируемый материал в вязкой среде 1 полностью не измельчается за один проход через рабочую зону 16, а производственная необходимость требует высокой производительности процесса дезинтеграции. Указанная на Фиг.8 конструктивная схема может быть заменена каскадом дезинтеграторов, но это ведет к увеличению металлоемкости всего технологического комплекса и снижению его надежности.
На Фиг.9 показана конструктивная схема дезинтегратора, в которой на одном валу с ротором 9 устанавливается насос (преднасос) 21, обеспечивающий подачу вязкой жидкости через входное устройство 15 в рабочую зону дезинтегратора 16. Такая конструктивная схема используется, когда вязкая жидкость должна доставляться в рабочую зону дезинтегратора, преодолевая сопротивление, например силу гравитации. При этом входное устройство 15 обеспечивает доставку вязкой жидкой среды из внешней емкости 25 в рабочую зону дезинтегратора 16. В том случае, если выходное устройство 14 сбрасывает вязкую жидкую среду обратно в емкость 25, то входное устройство и преднасос обеспечивают перемешивание вязкой жидкой среды. Преднасос 21 создает дополнительное избыточное давление на входе в дезинтегратор для обеспечения технологического давления в рабочей зоне дезинтегратора 16.
На Фиг.10 показана конструктивная схема дезинтегратора, в которой преднасос 22 выполнен как единое целое с ротором дезинтегратора. Такая конструктивная схема применяется когда на входе в дезинтегратор необходимо создать избыточное давление, но нет необходимости в преодолении сопротивления перемещению вязкой среды.
В зависимости от потребной величины избыточного давления, в конструктивных схемах, показанных на Фиг.9 и Фиг.10, могут быть использованы многоступенчатые насосы.
На Фиг.11 показана конструктивная схема дезинтегратора, в которой рабочие поверхности ротора и статора, являясь фигурами вращения, выполнены с утолщениями и углублениями, которые на сечении вдоль оси вращения ротора имеют вид гребенки, состоящей, например, из коаксиальных ребер 24 на роторе и 20 на статоре. Пространство между двумя соседними ребрами образует коаксиальную впадину. Ребра статора входят во впадины ротора и наоборот, ребра ротора входят во впадины статора, рабочая зона дезинтегратора 16 формируется рабочими поверхностями ротора 17 и статора 18, при этом ротор и статор не соприкасаются.
По мере перемещения вязкой среды 1 с инородными частицами 6 от оси дезинтегратора к периферии, инородные частицы дробятся, габариты их уменьшаются, и расстояние между рабочими поверхностями ротора 17 и статора 18 может также быть уменьшено. Расстояние h между рабочей поверхностью ротора 17 и статора 18 на разных участках, показанных на Фиг.11, имеет следующую закономерность:
1
2
3
4
5
(n-1)
n
h≤h≤h≤h≤h≤……≤h≤h
При этом расстояние между рабочей поверхностью ротора 17 и рабочей поверхностью статора 18 на дискретных участках может быть эквидистантным.
Такая конструкция позволяет увеличить площадь рабочей поверхности одной пары ротор - статор и как следствие повысить эффективность всей ступени дезинтегратора. К тому же указанная конструкция позволяет снизить материалоемкость всей конструкции дезинтегратора.
На Фиг.12 показана конструктивная схема дезинтегратора, в котором перед выходным устройством из дезинтегратора 14 устанавливается дроссельная заслонка 28, через которую проходит вязкая среда с измельчаемым материалом после выхода из рабочей зоны 16 между рабочими поверхностями ротора 17 и статора 18. Такая дроссельная заслонка может быть использована для поддержания повышенного давления вязкой среды в рабочей зоне 16, в частности для предотвращения возникновения кавитационных явлений.
На Фиг.13 показан микрорельеф, которым могут быть покрыты рабочие поверхности ротора 17 и статора 18. Микрорельеф представляет из себя локальные углубления 4 в поверхности 3, при этом соотношение глубины «В» локальных углублений 4 и расстояния h между рабочими поверхностями ротора 17 и статора 18 находятся в пределах от B=0,01h до B=10h. Поверхность 5 локального углубления 4 является усеченной фигурой вращения, ось вращения которой составляет угол α от 0° до 70° с обтекаемой вязкой средой рабочей поверхностью 3 в плоскости, образованной точкой пересечения оси вращения поверхности 5 микрорельефа с поверхностью 3 и нормалью, опущенной с этой оси на рабочую поверхность 3. Кроме этого проекции на плоскость 3 направления движения вязкой среды и ось вращения поверхность локального углубления составляет угол β в диапазоне от 0° до 90°.
При обтекании вязкой средой локальных углублений 4 образуются саморегулируемые вихревые течения, которые стягивают пограничный слой с обтекаемой твердой поверхности и выбрасывают его в поток, тем самым интенсифицируя тепло и массоперенос.
Такой микрорельеф способствует интенсификации процесса вихреобразования, что повышает эффективность процессов деструкции с одной стороны, а с другой стороны интенсифицирует тепло и массообмен, что способствует передаче избыточного тепла от вязкой среды стенкам дезинтегратора, охлаждая при этом вязкую среду. Снижение температуры вязкой среды снижает порог наступления кавитационных явлений, что крайне важно для нормальной работы дезинтегратора.
На Фиг.14 показана конструктивная схема дезинтегратора, состоящего как минимум из двух роторов 9 на одной оси вращения 8, вращающихся в разные стороны. Подача вязкой среды осуществляется через входное устройство 15 в корпусе 10 и отверстия в роторах 23, при этом для предотвращения перетекания вязкой среды от входного устройства к выходному устройству минуя рабочую зону дезинтегратора, между корпусом 10 и роторами 9 устанавливаются уплотнения 19, в частном случае торцевое. Рабочая зона 16 находится между коаксиальными ребрами роторов. Такая схема реализуется в тех случаях, когда есть необходимость увеличить скорость относительного перемещения вязкой среды и твердой поверхности, обтекаемой вязкой средой.
На Фиг.15 показана конструктивная схема дезинтегратора, состоящего как минимум из двух роторов 9 на одной оси вращения 8, вращающихся в разные стороны, при этом подача вязкой жидкости 1 осуществляется в рабочую зону дезинтегратора 16 через полые валы 26. Такая схема применяется в том случае, когда валы роторов не слишком сильно нагружены и возможно их исполнение в виде полых, трубчатых конструкций, что упрощает конструкцию узлов уплотнений.
Для поддержания постоянства выдаваемых технологических параметров предлагаемый дезинтегратор оборудуется устройством для контроля и регулирования расстояния между рабочими поверхностями ротора и статора, а также регулирование оборотов вращения ротора. Это необходимо для поддержания интенсивности процесса образования микровихрей в пограничном слое рабочих поверхностей ротора и статора. Регулирование оборотов вращения ротора необходимо для изменения скорости перемещения ротора и статора, что так же влияет на интенсивность вихреобразования.
Для поддержания постоянства выдаваемых технологических параметров предлагаемый дезинтегратор так же оборудуется системой контроля и регулирования температуры и давления вязкой среды. Это необходимо для поддержания стабильности технологических процессов. При повышении температуры и снижении давления понижается порог возникновения кавитации, которая крайне отрицательно влияет на процесс вихревого гидродинамического измельчения и реструктуризации в вязкой среде.
Краткое описание иллюстраций.
Фиг.1 - схема с эпюрой скоростей в пограничном слое коллоидной системы, поясняющая образование микровихрей.
Фиг.2. - схема иллюстрирующая возникновение микровихрей между двумя движущимися поверхностями.
Фиг.3. - конструктивная схема одноступенчатого дезинтегратора с эквидистантным расположением рабочих поверхностей ротора и статора.
Фиг.4. - конструктивная схема одноступенчатого дезинтегратора с плавно изменяемым расстоянием между ротором и статором по мере удаления от оси вращения ротора.
Фиг.5. - конструктивная схема многоступенчатого дезинтегратора.
Фиг.6. - конструктивная схема одноступенчатого дезинтегратора с подводом вязкой среды с двух сторон к ротору через входные устройства в корпусе.
Фиг.7. - конструктивная схема многоступенчатого дезинтегратора с подводом вязкой среды с двух сторон к ротору через отверстия в роторе.
Фиг.8. - конструктивная схема многоступенчатого дезинтегратора в котором вязкая среда подается к рабочей зоне дезинтегратора по каналам внутри корпуса дезинтегратора.
Фиг.9. - конструктивная схема одноступенчатого дезинтегратора с преднасосом.
Фиг.10. - конструктивная схема одноступенчатого дезинтегратора с преднасосом, выполненным заодно с ротором дезинтегратора.
Фиг.11. - конструктивная схема одноступенчатого дезинтегратора с развитой рабочей поверхностью.
Фиг.12. - конструктивная схема одноступенчатого дезинтегратора с дроссельной заслонкой на выходе.
Фиг.13. - Принципиальная схема микрорельефа, наносимого на рабочие поверхности дезинтегратора.
Фиг.14. - конструктивная схема дезинтегратора с двумя роторами, вращающимися в разные стороны.
Фиг.15. - конструктивная схема дезинтегратора с подводом вязкой среды к рабочей зоне дезинтегратора через полую ось вала.
На фигурах цифрами показаны следующие объекты:
1. Жидкая вязкая среда с инородными включениями твердыми, жидкими или газообразными.
2. Вихрь, образующийся в жидкой вязкой среде.
3. Твердая поверхность, относительно которой перемещается жидкая вязкая среда (рабочая поверхность).
4. Элемент микрорельефа в виде локального углубления в рабочую поверхность.
5. Поверхность локального углубления микрорельефа.
6. Инородная частица, отличающаяся от жидкой вязкой среды своим физико-химическими свойствами.
7. Проекция направления движения вязкой среды на обтекаемую поверхность.
8. Ось вращения подвижной части дезинтегратора.
9. Подвижная часть дезинтегратора «ротор».
10 Корпус дезинтегратора.
11. Эпюра скоростей вязкой жидкой среды с инородными включениями, обтекающей инородную, например твердую, поверхность.
12. Неподвижная часть дезинтегратора «статор»
14. Выходное устройство, через которое жидкая вязкая среда с инородными включениями покидает дезинтегратор.
15. Входное устройство, через которое жидкая вязкая среда с инородными включениями поступает в рабочую зону дезинтегратора.
16. Рабочая зона дезинтегратора.
17. Рабочая поверхность ротора.
18. Рабочая поверхность статора.
19. Уплотнение.
20. Утолщения на рабочей поверхности статора в виде ребер, образующих гребенку на статоре,
21. Преднасос, размещенный на одной оси с ротором дезинтегратора и не составляющий с ним единое целое.
22. Преднасос, выполненный заодно с ротором дезинтегратора и составляющий с ним единое целое.
23. Перепускное отверстие в роторе
24. Утолщения на рабочей поверхности ротора в виде ребер, образующих гребенку на роторе.
25. Емкость с вязкой жидкой средой.
26. Вал дезинтегратора.
27. Каналы в корпусе дезинтегратора, по которым вязкая среда подается в рабочую зону дезинтегратора.
28. Кран, дроссельная заслонка.
29. Корпус входного устройства