ЛАБИРИНТНЫЙ СПИРАЛЬНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ-РЕАКТОР
LABYRINTH SPIRAL MIXER-REACTOR

Изобретение относится к устройствам для смешивания и физико-химического реагирования разнородных по вязкости жидкостей и суспензий, а именно к лабиринтным спиральным смесителям-реакторам, используемым, например, в медицинской технике для получения однородных по физико-химическому составу компонентов жидких сред (жидкостей, суспензий, или жидкостей и суспензий) и обеспечения эффективного взаимодействия их компонентов.
Известен статический смеситель с профильными слоями, расположенными в кольцевом пространстве и содержащими взаимно пересекающиеся 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 со сгибом по диагональной линии [1].
Данный смеситель с кольцевым пространством наиболее подходит для установки в нефтяных и газовых скважинах, где требуется в основном обеспечить лишь механическую однородность фазовых компонентов текучей смеси, поэтому такой смеситель будет неэффективен при использовании, например, в медицине, когда необходимо добиться однородности жидких сред (в частности, биологических жидкостей и суспензий) по их физико-химическому составу, обеспечивая реагирование компонентов жидкостей сред по всему рабочему объему смесителя.
Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному техническому решению является лабиринтный спиральный смеситель-реактор для смешивания разнородных по вязкости жидкостей или суспензий, содержащий корпус цилиндрической формы, на внутренней поверхности которого вдоль продольной оси выполнены спиральные каналы, размещенный внутри корпуса цилиндрический вкладыш со спиральными каналами на его поверхности, навитыми под углом к спиральным каналам корпуса, и крышки, закрывающие с торцов корпус с цилиндрическим вкладышем [2].
Этот смеситель также не позволяет получить однородные по физико-химическому составу жидкие среды при смешивании различающихся по вязкости жидкостей и суспензий, а также достичь максимального взаимодействия (реагирования) составных компонентов жидкостей и суспензий, поскольку в нем не обеспечивается оптимальность расчетных конструктивных и физических характеристик, таких как длина смесителя, количество и углы наклона спиральных каналов, время реагирования компонентов смеси, объемный расход жидкости и т.п., существенно влияющих на достижение вышеуказанного технического результата.
Заявитель ставил перед собой задачу разработать новый лабиринтный спиральный смеситель-реактор, лишенный существенных недостатков, присущих известным техническим решениям аналогичного назначения, и обеспечивающий положительный технический результат, заключающийся в получении однородных по физико-химическому составу жидких сред при смешивании разнородных по вязкости жидкостей и суспензий, а также в достижении эффективного взаимодействия составных элементов жидкостей и суспензий по всему рабочему объему смесителя-реактора.
Указанный положительный технический результат достигается за счет совокупности существенных конструктивных признаков в представленной нижеследующей формуле изобретения: «лабиринтный спиральный смеситель-реактор для смешивания разнородных по вязкости компонентов жидких сред, содержащий корпус цилиндрической формы, на внутренней поверхности которого вдоль продольной оси выполнены спиральные каналы, размещенный внутри корпуса цилиндрический вкладыш со спиральными каналами на его поверхности, навитыми под углом к спиральным каналам корпуса, и крышки, закрывающие с торцов корпус с цилиндрическим вкладышем, причем спиральные каналы корпуса и цилиндрического вкладыша в поперечном сечении имеют форму гладкой кривой, а эффективность взаимодействия компонентов смешиваемых жидких сред зависит от выбираемой длины смесителя, рассчитываемой по следующему соотношению:
смес.
max
p
2
где L [мм] - эффективная длина смесителя, n - число заходов спиральных каналов корпуса и цилиндрического вкладыша, W [мл/мин] - максимально допустимый объемный расход жидкой среды, протекающей через сечение лабиринтного спирального смесителя-реактора, F [мм] - площадь поперечного сечения одного спирального канала, t [сек] - минимально допустимое время физико-химического реагирования компонентов жидкости и суспензии, α - угол наклона спиральных каналов, геометрически определяемый как угол между воображаемой осью спирального канала и поперечным сечением смесителя, абсолютная величина которого выбирается из интервала 20÷50°;
на внутренней поверхности корпуса и соответственно цилиндрическом вкладыше выполнено четыре одинаковых спиральных канала с углом α каждого спирального канала между его осью и поперечным сечением смесителя, равным 30°; для обеспечения слабоинтенсивного смешивания жидкостей и суспензий при минимальных значениях числа Рейнольдса абсолютные значения углов навивки спиральных каналов корпуса отличаются от абсолютных значений углов навивки спиральных каналов цилиндрического вкладыша при их совпадающем направлении; контуры поперечных сечений спиральных каналов корпуса и цилиндрического вкладыша имеют форму дуги окружности; контуры поперечных сечений спиральных каналов корпуса и цилиндрического вкладыша имеют форму дуги овала; одна из крышек выполнена заодно с корпусом в виде единой детали; крышки соединены с корпусом плотной посадкой, обеспечивающей гарантированное жесткое закрепление их друг с другом; крышки соединены с корпусом посредством резьбового соединения; цилиндрический вкладыш закреплен в корпусе посредством крышек; цилиндрический вкладыш закреплен плотной посадкой непосредственно в корпусе с зазорами между крышками; цилиндрический вкладыш закреплен плотной посадкой непосредственно в корпусе без зазоров между крышками».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид в сборке лабиринтного спирального смесителя-реактора, выполненного согласно настоящему изобретению; на фиг.2 - цилиндрический вкладыш смесителя на фиг.1; на фиг.3 - корпус смесителя на фиг.1; на фиг.4 - крышки смесителя на фиг.1.
Заявляемый лабиринтный спиральный смеситель-реактор состоит из корпуса 1 цилиндрической формы, вставляемого внутрь корпуса 1 цилиндрического вкладыша 2, фиксируемого с торцов 3, 4 крышками 5, 6. Крышки 5, 6 скрепляются с корпусом 1 посредством резьбового соединения или по типу плотной посадки. Для упрощения технологии производства смесителя одна из крышек 5, 6 может быть изготовлена вместе с корпусом 1 в виде единой детали. Цилиндрический вкладыш 2 может зажиматься внутри корпуса 1 крышками 5, 6 или фиксироваться плотной посадкой непосредственно в корпусе 1 с контактом или без контакта с крышками 5, 6. Между поверхностями торцов 3, 4 цилиндрического вкладыша 2 и внутренними поверхностями 7 крышек 5, 6 имеются зазоры 8 для обеспечения свободного прохождения жидкостей.
На внутренней поверхности 9 корпуса 1 по всей длине вдоль его продольной оси 10 выполняются спиральные каналы 11, а на поверхности цилиндрического вкладыша 2 вдоль его продольной оси 12 выполняются соответственно спиральные каналы 13. Направление угла навивки спиральных каналов 11 корпуса 1 и направление угла навивки спиральных каналов 13 цилиндрического вкладыша 2 могут быть как противоположными, так и совпадающими. Противоположные направления навивки спиральных каналов 11, 13 используются для интенсивного смешивания жидкостей и суспензий. Однонаправленные спиральные каналы 11, 13 корпуса 1 и цилиндрического вкладыша 2 используются для слабоинтенсивного смешивания жидкостей и суспензий, когда существуют ограничения на число Рейнольдса, характеризующего степень турбулизации смешивания потоков жидких сред. Однако при совпадающем направлении углов навивки спиральных каналов 11, 13 корпуса 1 и цилиндрического вкладыша 2 углы навивки спиральных каналов 11 корпуса 1 должны отличаться по абсолютным значениям от углов навивки спиральных каналов 13 цилиндрического вкладыша 2. Абсолютные значения углов навивки спиральных каналов 11, 13 подбираются в зависимости от постановки конкретной задачи. Поперечные сечения спиральных каналов 11, 13 имеют форму гладких кривых, например дуг окружностей, овалов. Крышки 5, 6 по своим торцам 14, 15 выполнены с патрубками 16, 17, расположенными по продольной оси смесителя и предназначенными для соединения с магистралями (не показаны). По патрубку 16 внутрь смесителя подаются смешиваемые жидкости, а по патрубку 17 на противоположном конце смесителя однородная смесь этих жидкостей выводится.
Эффективность работы данного лабиринтного спирального смесителя-реактора достигается за счет оптимизации его конструктивных характеристик и зависит, прежде всего, от расчетной длины смесителя, которая определяется по такому соотношению:
смес.
max
p
2
где L [мм] - эффективная длина смесителя, n - число заходов спиральных каналов корпуса и цилиндрического вкладыша, W [мл/мин] - максимально допустимый объемный расход жидкой среды, протекающей через сечение лабиринтного спирального смесителя-реактора, F [мм] - площадь поперечного сечения одного спирального канала, t [с] - минимально допустимое время физико-химического реагирования компонентов жидких сред, α - угол наклона спиральных каналов, геометрически определяемый как угол наклона между продольной осью 18 спирального канала 11, 13 и поперечным сечением 19 смесителя, причем абсолютная величина этого угла выбирается в пределах 20÷50°. Нижний предел (20°) угла навивки а спиральных каналов 11, 13 выбран по конструктивным ограничениям (габариты, прочность конструкции, технологичность изготовления и т.п.), а выбор угла α больше верхнего предела (50°) может потребовать чрезмерно большой длины лабиринтного спирального смесителя-реактора для оптимального смешивания жидких сред.
Смеситель-реактор работает следующим образом.
В начальный момент неоднородная смесь жидкостей или жидкостей и суспензий подается под некоторым давлением или самотеком в патрубок 16 крышки 5, заполняя объем между крышкой 5 и цилиндрическим вкладышем 2. В этом объеме жидкости начинают смешиваться и после его заполнения продолжают движение по спиральным каналам 11, 13, равномерно распределяя общий объем поступающих жидкостей между спиральными каналами 11, 13 корпуса 1 и цилиндрического вкладыша 2. В местах пересечения спиральных каналов 11, 13 корпуса 1 и цилиндрического вкладыша 2 потоки, движущиеся относительно друг друга под разными углами, начинают между собой взаимодействовать, скорости частиц жидкостей меняются, поэтому, согласно теореме Бернулли, меняются давления в потоках жидкостей и суспензий, что способствует турбулизации потоков в местах их пересечения и, следовательно, эффективному смешиванию на уровне физико-химических реакций компонентов жидких сред.
Предлагаемый лабиринтный спиральный смеситель-реактор позволяет получать однородные по физико-химическому составу жидкие среды при смешивании разнородных по вязкости компонентов жидких сред (жидкостей, суспензий или жидкостей и суспензий) и рассчитан, прежде всего, на широкое применение в медицине для работы с биологическими жидкостями, в том числе с кровью. Заявляемый смеситель обеспечивает смешивание биологической жидкости с суспензиями при оптимальных предельных уровнях их расхода и достижении эффективного взаимодействия составных элементов биологической жидкости и суспензии вплоть до необходимой степени адсорбции.
Приводим пример конкретного пригодного для практического использования лабиринтного спирального смесителя-реактора, разработанного по настоящему изобретению.
max
p
Пусть вкладыш имеет внешний диаметр 20 мм и четыре захода одинаковых спиральных каналов с углом наклона относительно поперечного сечения смесителя α=30°. Соответственно, корпус смесителя имеет аналогичные каналы с четырьмя заходами спиралей под тем же углом. Принимается, что поперечное сечение произвольного канала представляет собой половину круга диаметром d=8 мм. Принимается также, что W=200 мл/мин и t=20 с.
Тогда n=4,
смес.
L=Lsin α=332·0.5≈166 мм
Суммарный объем жидкости в каналах смесителя
В качестве жидкости далее будем рассматривать кровь.
max
Пусть имеется ограничение на скорость движения жидкости по каналу смесителя. Это ограничение будем задавать в виде максимально допустимого значения числа Рейнольдса Re. Число Рейнольдса Re, как известно, связывает линейную скорость течения жидкости υ, плотность текущей жидкости ρ, диаметр условно круглого сечения канала d и динамическую вязкость протекающей жидкой среды η формулой
max
Для крови предельное значение числа Рейнольдса составляет 900-1200. Для определенности будем считать, что Re=1200.
max
При Re=Re из последней формулы имеем выражение для максимально допустимой скорости потока
Тогда суммарный максимально допустимый расход определяется по формуле
Как известно, плотность и вязкость крови
Диаметр условно круглого сечения определим по формуле
Тогда
max
что существенно превышает назначенный предельный расход W=200 мл/мин.
Источники информации, принятые во внимание
1. Описание изобретения «Статический смеситель с профильными слоями» к патенту Российской Федерации №2221631, кл. B01F 5/00, заявлено 04.05.2001 г., опубликовано 20.01.2004 г., Бюллетень №2.
2. Описание изобретения «Лабиринтный смеситель» к авторскому свидетельству СССР №451454, кл. B01F 5/00, заявлено 07.06.1971 г., опубликовано 30.11.1974 г., Бюллетень №44.