ДИСПЕРГАТОР
DISPERSER

Изобретение относится к устройствам для перемешивания гетерогенных и гомогенных систем «жидкость-твердые частицы», «жидкость-жидкость» и может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известно устройство для обработки высоковязких материалов, содержащее выполненный в виде полуцилиндров корпус с загрузочным и разгрузочным отверстиями и параллельные вращающиеся валы с поперечными дисками, установленные на расстоянии, меньшем диаметра дисков в радиальном направлении, валы снабжены продольными лопастями, укрепленными по периферии дисков вблизи внутренней поверхности корпуса, и в дисках выполнены радиальные прорези для прохода продольных лопастей смежного вала. На плоских поверхностях дисков выполнены выступы, а валы выполнены полыми для подвода теплоносителя. [А.с. СССР №458115, кл. B01F 7/10. Устройство для обработки высоковязких материалов / Исао Хайаси, Кенитиро Кондо. Заявлено 26.04.71. Опубликовано 25.01.75.]
Недостатком данного устройства для обработки высоковязких материалов является повышенное потребление энергии на обработку сред ввиду наличия двух валов, а также сложность изготовления дисков.
Известен диспергатор, содержащий цилиндрический корпус с входной камерой, имеющей нагнетатель и распределитель, и с выходной камерой, подвижные и неподвижные диски, поочередно закрепленные соответственно на валу и на внутренней поверхности корпуса, при этом подвижные диски выполнены с ножевыми выступами, а неподвижные - с сегментными отверстиями, подвижные диски выполнены с сегментными отверстиями, расположенными около оси корпуса, неподвижные диски - с сегментными отверстиями на их периферии, а ножевые выступы - с заостренной передней кромкой, при этом все диски установлены с одинаковыми зазорами между ними. [А.с. СССР №1560287, кл. B01F 7/10. Диспергатор / Рассолов О.П., Батуров В.И., Бакшеев И.П., Браверманн П.Ф., Журавский В.Г., Фингер Г.Г. Заявлено 19.03.87. Опубликовано 30.04.90.]
Недостатками данного диспергатора являются сложность конструкции и низкая производительность устройства вследствие малой зоны обработки среды.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению (прототипом) является гомогенизатор, содержащий корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, в котором соосно установлены диски ротора и статора с отверстиями, отверстия на дисках ротора и статора расположены по противоположно направленным спиралям или спиралям Архимеда с шагом 1,1-1,3 диаметра отверстий. [А.с. СССР №1494956, кл. B01F 7/10. Гомогенизатор / Шкарупа В.Ю., Стороженко В.Я., Панин Ю.Г., Парамонов В.И., Лыков В.Н. Заявлено 11.05.87. Опубликовано 23.07.89.]
При работе данного гомогенизатора отсутствуют моменты полного перекрытия каналов движения обрабатываемой среды через аппарат, при которых возникают значительные величины градиентов скорости и давления, интенсифицирующих процессы перемешивания. Также неравномерность открытия отверстий, через которые проходит обрабатываемый материал, приводит к неравномерному распределению смеси между дисками в аппарате. В связи с этим недостатком данного гомогенизатора является относительно невысокая эффективность перемешивания гетерогенных и гомогенных систем «жидкость-твердые частицы», «жидкость-жидкость».
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения эффективности перемешивания гетерогенных и гомогенных систем «жидкость-твердые частицы», «жидкость-жидкость».
Указанная задача решается за счет того, что диспергатор содержит корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, в котором соосно установлены диски ротора и статора с отверстиями и согласно изобретению каждое отверстие дисков ротора и статора выполнено в виде сегмента диска, усеченного двумя концентрическими окружностями, причем площадь отверстий на дисках ротора и статора и их расположение подчиняются системе уравнений:
,
n
n+1
n+2
2
где S, S, S … - площади отверстий дисков ротора и статора, м (согласно фиг.2);
φ - образующий угол усеченных сегментов отверстий дисков ротора и статора, рад (согласно фиг.2);
n
n+1
n+2
R, R, R … - образующие радиусы концентрических окружностей усеченных сегментов отверстий дисков ротора и статора, м (согласно фиг.2);
n - положительное целое число (1, 2, 3 …);
k - положительное четное число (2, 4, 6 …);
π=3,14159.
На фиг.1 показан диспергатор.
На фиг.2 показан фрагмент диска ротора и статора.
Диспергатор содержит корпус 1 с загрузочным 2 и разгрузочным 3 патрубками, в котором соосно установлены диски ротора 4 и статора 5 с отверстиями 6, причем каждое отверстие дисков ротора и статора выполнено в виде сегмента диска, усеченного двумя концентрическими окружностями, а площадь отверстий на дисках ротора и статора и их расположение подчиняются системе уравнений:
,
n
n+1
n+2
2
где S, S, S … - площади отверстий дисков ротора и статора, м (согласно фиг.2);
φ - образующий угол усеченных сегментов отверстий дисков ротора и статора, рад (согласно фиг.2);
n
n+1
n+2
R, R, R … - образующие радиусы концентрических окружностей усеченных сегментов отверстий дисков ротора и статора, м (согласно фиг.2);
n - положительное целое число (1, 2, 3 …);
k - положительное четное число (2, 4, 6 …);
π=3,14159.
Диспергатор работает следующим образом.
Под действием массовых сил или искусственно создаваемого избыточного давления обрабатываемая гетерогенная и гомогенная среда перемещается от загрузочного патрубка 2 к разгрузочному патрубку 3. При движении через отверстия 6 дисков ротора 4 и статора 5 среда подвергается интенсивному механическому и гидродинамическому воздействию, при этом компоненты среды эффективно перемешиваются и измельчаются.
Отверстия в роторе и статоре, создавая осевой поток, непрерывно ориентируют элементы объема среды перпендикулярно направлению сдвигового воздействия, а также дробят потоки на малые объемы, способствуя значительному увеличению площади поверхности раздела и равномерному распределению элементов объема обрабатываемой смеси в аппарате.
Интенсивность механического и гидродинамического воздействия достигается относительно высокой частотой вращения ротора с возникновением турбулентного движения среды, равномерного открытия отверстий, а также за счет принудительного полного перекрытия каналов движения обрабатываемой среды через аппарат с появлением значительных величин градиентов скорости и давления.
Для того чтобы выполнялось условие, при котором существуют моменты полного перекрытия каналов движения обрабатываемой среды через аппарат и равномерное открытие отверстий, необходимо выполнение условий вышеприведенной системы уравнений.
n
n+1
n+2
n
n+1
n+2
n
Достигается это за счет того, что диски ротора и статора делятся на сектора с углом в вершине, равным φ. На диске ротора и статора, как показано на фиг.2, в каждом из двух смежных секторов концентрическими окружностями радиуса R, R, R … и углом φ образуются отверстия с площадью S, S, S … Площадь каждого отверстия ротора и статора определяется исходя из известной зависимости для расчета площади сектора окружности по радиусу и углу и равна , таким образом, после математических преобразований в системе уравнений записано уравнение для расчета S. Т.к. размеры отверстий и их расположение относительно оси вращения одинаковы для дисков ротора и статора, то при таком расположении отверстий будет существовать момент полного их закрытия, т.е. несовпадения отверстий на роторе и статоре. Этот момент возникнет при нахождении одинаковых отверстий ротора и статора в смежных секторах с углом в вершине φ.
S
S
S
S
n
n+2
n+1
n+3
Для того чтобы происходило равномерное открытие отверстий ротора и статора, необходимо, чтобы в каждом из двух смежных секторов площадь совпадения отверстий ротора и статора была одинакова. Это значит, что площади отверстий ротора и статора в смежных секторах равны, т.е. +=+.
Количество секторов на роторе и статоре, определяемое углом φ, должно быть четным ввиду наличия смежных секторов, т.е. .
n+1
n
Отверстия дисков ротора и статора образуются концентрическими окружностями, радиусы которых увеличиваются от центра к периферии, т.е. R>R.
Основное преимущество предлагаемого диспергатора - повышение эффективности перемешивания гетерогенных и гомогенных систем «жидкость-твердые частицы», «жидкость-жидкость».