СМЕСИТЕЛЬ

Предлагаемая конструкция лопастной мешалки относится к механическому перемешивающему устройству структурированных, неньютоновских жидкостей: растворов и расплавов, суспензий и эмульсий и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической, строительный, горно-перерабатывающей, металлургической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки сточных вод и нефтешламов.
Известны мешалки лопастного типа, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном или наклонном валу.
Для увеличения осевого потока жидкости лопасти мешалки устанавливают под углом 30-45° к оси вала, а для увеличения турбулентности среды при перемешивании лопастными мешалками в аппаратах с большим отношением высоты к диаметру используют многорядные двухлопастные мешалки с установкой на валу нескольких рядов мешалок, повернутых относительно друг друга на 90°. [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Издание восьмое, переработанное. - М.: Химия, 1991, с. 267].
К причинам, препятствующим достижению задания технического результата, относится низкая эффективность перемешивания особенно структурированных, неньютоновских жидкостей из-за отсутствия микросмешивания.
Известны секционные аппараты с установленными на валу мешалками - перфорированными дисками, снабженные несколькими последовательно расположенными секциями, отделенными друг от друга и вращающимися горизонтально вместе с валом, при этом в каждой секции на стенках аппарата закреплены отражательные перегородки. [Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешивания жидких сред. Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, 1972, с. 26-27].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность перемешивания структурированных неньютоновских жидкостей из-за того, что перемешивание лопастными мешалками в каждой секции осуществляется в основном на макроуровне, то есть слоев жидкости, а не на микроуровне, то есть не на уровне молекул.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленным объекту и принятому за прототип является:
Смеситель, содержащий вертикальный корпус, внутри которого на вращающемся вертикальном валу рядами по его высоте размещены наклонные лопасти, расположенные между наклонными отражателями, жестко закрепленными рядами на внутренней поверхности корпуса, при этом угол наклона лопасти и отражатели каждого ряда увеличивается сверху вниз.
Причем угол наклона лопастей увеличивается от 30 до 45°, а угол наклона отражателей - от 45 до 55°, при этом площадь отражателей больше площади лопасти в 3 раза.
Причем угол наклона лопастей и отражателей увеличивается через 5°.
Причем лопасти в каждом ряду установлены с угловым смещением относительно лопастей соседнего ряда.
Причем лопасти выполнены с вогнутой рабочей поверхностью [описание изобретения к авт. св. СССР №1653815, B01F/18, 1991].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность перемешивания структурированных неньютоновских жидкостей на микроуровне, так как лопастные мешалки обеспечивают перемешивание в основном на уровне слоев жидкости, то есть на макроуровне, не разрушают структуру и не снижает эффективную вязкость внутри слоев жидкости.
Техническим результатом предлагаемой конструкции смесителя является увеличение эффективности перемешивания структурированных неньютоновских жидкостей на микроуровне за счет разрушения структуры и уменьшения эффективности вязкости внутри слоев этих жидкостей.
Поставленный технический результат достигается тем, что в смесителе, содержащем вертикальный корпус, внутри которого на вращающемся вертикальном валу рядами по его высоте размещены наклонные лопасти, расположенные между наклонными отражателями, жестко закрепленными рядами на внутренней поверхности корпуса, причем угол наклона лопастей и отражателей каждого ряда увеличивается сверху вниз, а лопасти в каждом ряду установлены со смещением относительно лопастей соседнего ряда, при этом каждая лопасть выполнена в виде рамки, внутри которой натянуты струны с силой, определяемой по выражению
где F - сила натяжения каждой струны внутри рамки лопасти;
π - число Архимеда;
3
ρ - плотность материала струны, кг/м;
ω - скорость вращения вала, об/с;
l - длина каждой струны, м;
d - диаметр каждой струны;
n - число отражателей в каждом ряду.
Выполнение каждой лопасти в виде рамки позволяет закрепить внутри нее концы струн, колебания которых при вращении вала создают вибрацию в потоках перемешиваемой жидкости, разрушая при этом структуру структурированных жидкостей и уменьшая эффективную вязкость неньютоновских жидкостей, тем самым обеспечивая микроперемешивание и увеличивая общую эффективность смешения.
Натяжение каждой струны в рамке с силой F, определяемой выражением (1), позволяет перевести режим колебания струн при вращении вала в режим резонансных колебаний с большей амплитудой, что в большей степени разрушает структуру структурированных жидкостей и уменьшает эффективную вязкость неньютоновских жидкостей и позволяет помимо макроперемешивания потоков жидкости на уровне слоев осуществлять одновременно микросмешение на молекулярном уровне внутри этих слоев. Это значительно повышает общую эффективность перемешивания вышеназванных жидкостей.
Как известно, собственная частота колебаний струны определяется по уравнению
где F - сила натяжения каждой струны внутри рамки лопасти;
π - число Архимеда;
3
ρ - плотность материала струны, кг/м;
l - длина каждой струны, м;
d - диаметр каждой струны.
[Элементарный учебник физики. Учебное пособие. Т3. Колебания и волны. Оптика. Атомная физика / Под редакцией Г.С. Лансберга - 10-е издание. - М.: Наука, фитматиз, 1986, с. 29].
Частота гидроударов рамок лопастей со струнами при прохождении ими зазора между лопастями и отражателями определяется уравнением
где ω - скорость вращения вала, об/с;
n - число отражателей в каждом ряду.
Приравнивая правые части уравнений (2) и (3), получаем после алгебраических преобразований выражение (1).
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой конструкции смесителя, продольный разрез, на фиг. 2 - поперечный разрез А-А фиг. 1, на фиг. 3 - вид Б с углом наклона лопастей и отражателей, на фиг. 4 - общий вид рамки со струнами.
Смеситель состоит из цилиндрического корпуса 1, внутри которого расположен вертикальный вал 2 с укрепленными на нем по высоте рядами наклонными лопастями 3, расположенными между наклонными отражателями 4, жестко закрепленными рядами на внутренней поверхности корпуса 1.
1
3
2
1
3
2
Причем угол наклона лопастей 3 увеличивается от β=30 до β=45° (β=40°), а угол наклона отражателей 4 от α=45 до α=55° (α=50°).
Угол наклона лопастей 3 и отражателей 4 каждого ряда увеличивается сверху вниз через 5°, при этом лопасти 3 в каждом ряду установлены с угловым смещением γ относительно лопастей 3 соседнего ряда для разрыва макропотоков жидкости в осевом течении, что способствует эффективности перемешивания на макроуровне.
Вал 2 соединен с приводом 5. Сверху на цилиндрическом корпусе 1 установлен патрубок 6 для подачи жидкости в корпус 1, а снизу - патрубок 7 для отвода перемешанной жидкости из цилиндрического корпуса 1.
Каждая лопасть 3 со стороны вала 2 снабжена косынкой 8 для соединения крепежными элементами со ступицей 9, надетой на вал 2 и прикрепленной к нему.
Каждая лопасть 3 выполнена в виде рамки 10 с внутренним размером b, внутри которой натянуты на расстоянии δ друг от друга струны 11 длиной l с силой, определяемой по выражению (1).
Натяжение струн 11 в каждой рамке 10 лопасти 3 может обеспечиваться следующим образом.
Рамку 10 устанавливают вертикально на подставку. Внутри поперечных верхней и нижней сторон рамки 10 равномерно по их ширине высверливают отверстия, в которые продевают концы струн 11. Каждую струну 11 сверху жестко закрепляют в верхней части рамки 10 (запаивают или заклеивают).
К свободно висящему нижнему концу струны 11 подвешивают груз, вес которого равен силе натяжения F струны 11, определяемой по выражению (1). Запаивают или заклеивают нижний конец струны 11 в отверстии нижней части рамки 10. Поочередно так натягивают все струны 11 в рамке 10.
Прикрепляют косынки 8 каждой лопасти 3 с натянутыми в рамках 10 струнами 11 к ступице 9, надевают и закрепляют ее на вертикальном валу 2, закрепляют осесимметрично вал 2 в цилиндрическом корпусе 1, соединяют нижний конец вала 2 с приводом 5, а свободный верхний конец вала 2 закрепляют в подшипнике патрубка 6.
Смеситель работает следующим образом. Исходные компоненты жидкостей, предназначенные для перемешивания, подводят через патрубок 6 внутрь цилиндрического корпуса 1 и включают привод 5, который передает вращение валу 2 с лопастями 3 мешалки со скоростью вращения ω.
Перемешиваемая жидкость, опускаясь под действием силы тяжести вниз, попадает на лопасти 3 мешалки каждого ряда и вовлекается ими во вращение, обеспечивая макроперемешивание ее потоков.
Так как частота гидроударов лопастей 3 каждой мешалки, возникающих в зазоре между лопастью 3 и наклонной перегородкой 4, описывается уравнением (3) и равна собственной частоте колебаний каждой струны 11, описываемой уравнением (2), а струны 11 натянуты в рамке 10 с силой F, описываемой выражением (1), то колебания струн 11 в рамках 10 носят резонирующий характер, то есть происходят с большой амплитудой.
Эти вибрации струн 11 разрушают структуру структурированных жидкостей и уменьшают эффективную вязкость неньютоновских жидкости, которые перемешивают в цилиндрическом корпусе 1, что приводит к эффективному их перемешиванию на микроуровне и возрастанию общей эффективности смешения на макро- и микроуровнях.
л
л
Пример. Диаметр вертикального корпуса 1 аппарата D=2 м, в него устанавливают лопастную мешалку. Диаметр лопастной мешалки D=0,6⋅D=1,2 м =1,2 м. Ширина рамки 10, внутри которой устанавливают струны 11, b=0,10⋅D=120 мм.
3
Диаметр каждой струны 11 d=1 мм, которая выполнена из стали с плотностью ρ=8000 кг/м [Ф. Стрэнк. Перемешивание и аппараты с мешалками. - Л.: Химия, 1975, с. 61]. Длина каждой струны 11 l=1 м.
Число струн струны 11, установленных с шагом δ=8 мм внутри рамки 10, m=15. Число отражательных перегородок 4 в каждом ряду n=4. Скорость вращения вала 2 с мешалками 3 ω=2 об/с.
Тогда сила натяжения каждой струны 11 согласно выражению (1) должна быть
3
-3
2
F=3,14⋅8⋅10(2⋅1⋅10⋅4)=1,62H.
Таким образом, в рамке 10 лопасти 3 каждую из 15-ти струн 11 надо натянуть с силой F=1,62H, то есть в вертикальном положении (фиг. 3) на каждую струну 11 повесить груз массой 160 г и закрепить нижний конец струны 11 (запаять или заварить) в нижней стороне рамки 10. Общая сила натяжения всех 15 струн 11 в рамке 10 составляет
об
F=15⋅F=24,3Н.
Частота гидроударов по струнам 11 потока перемешиваемой жидкости согласно уравнению (3) составит
υ=4⋅2=8 Гц
и будет равна частоте собственных колебаний каждой струны 11 в рамке 10, которая согласно уравнению (2) составит
что обеспечивает резонансный режим колебаний струн 11 в рамке 10 с высокой амплитудой.
Выполнение каждой лопасти в виде рамки позволяет закрепить внутри нее концы струн, колебания которых при вращении вала создают вибрацию в потоках перемешиваемой жидкости, разрушая при этом структуру структурированных жидкостей и уменьшая эффективную вязкость неньютоновских жидкостей, тем самым обеспечивая микроперемешивание и увеличивая общую эффективность смешения. Таким образом, происходит увеличение эффективности перемешивания структурированных неньютоновских жидкости на микроуровне за счет разрушения структуры и уменьшения эффективности вязкости внутри слоев этих жидкостей.