СМЕСИТЕЛЬ
MIXER

Изобретение относится к области химического машиностроения, в частности устройствам для смешения и диспергирования жидких гетерогенных систем, лакокрасочных материалов, приготовления различных суспензий и эмульсий.
Известна якорная мешалка (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971. - 784 с.), содержащая емкость с износостойким покрытием и штуцерами, вертикальный вал с мешалкой, имеющей форму, соответствующую внутренней форме аппарата. Основным недостатком данной якорной мешалки является то, что она не обеспечивает достаточные осевые потоки перемешиваемой среды с мелющими телами.
Известен струйный аппарат (Авторское свидетельство СССР №386651, 1973), содержащий емкость, изготовленную в виде тора, и штуцера для подвода и отвода материалов, подлежащих переработке. Основным недостатком данного аппарата является то, что он малоэффективен для производства высококачественных суспензий, например лакокрасочных материалов, при приготовлении которых требуется обеспечить не только качественное перемешивание материалов, но и дезагрегацию твердых частиц. Это можно достигнуть только с применением мелющих тел.
Известен рабочий цилиндр бисерной мельницы (Патент РФ №2021018, 1994), содержащий емкость с износостойким покрытием, штуцеры, фильтры, вертикальный вал с мешалкой и отбойными элементами, между последними размещены мелющие тела. К основным недостаткам бисерных мельниц следует отнести их низкие производительность и интенсивность перемешивания.
Наиболее близким по конструктивному исполнению к предлагаемому изобретению является смеситель (Патент РФ №1788910, 1993), прототип, содержащий емкость с износостойким покрытием и штуцерами, снабженными фильтрами, вертикальный вал с мешалкой и отбойным элементом, свободно размещенные на дне емкости мелющие тела. К основным недостаткам смесителя применительно к перемешиванию и диспергированию жидких гетерогенных систем следует отнести сложность конструкции смесителя и значительные энергетические затраты для обеспечения необходимой осевой циркуляции подлежащих переработке материалов вместе с мелющими телами. Это обусловлено тем, что циркуляция смеси осуществляется за счет использования пропеллерной мешалки с диффузором и отбойным элементом. При этом восходящие и нисходящие потоки перерабатываемых материалов практически мало взаимодействуют друг с другом.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, повышение эффективности процессов перемешивания и диспергирования жидких материалов в осесимметричных емкостях с использованием мелющих тел.
Решение указанной задачи достигается тем, что емкость изготовлена в виде тора, лопасти мешалки закреплены радиально на вертикальном валу с помощью цилиндрических шарниров, лопасти выполнены криволинейными конгруэнтными к образующей тора.
На фиг. 1 изображен общий вид смесителя; на фиг. 2 - разрез смесителя по А-А.
Смеситель содержит емкость 1 с крышкой 2, штуцеры 3, снабженные фильтрами, вертикальный вал 4 с мешалкой 5, отбойный элемент 6, свободно размещенные на дне емкости мелющие тела 7. Емкость 1 изготовлена в виде тора и снабжена рубашкой (на фиг. не показана).
Э
«Рабочие поверхности емкости 1 изнутри имеют износостойкое покрытие, которое может быть выполнено из корунда, или гранита, или керамики, либо могут быть изготовлены из закаленной стали ШХ15СГ твердостью HRC 62…65, или нержавеющей стали 03Х17Н14М2».
Лопасти мешалки 5 закреплены радиально на вертикальном валу с помощью цилиндрических шарниров 8. Лопасти выполнены криволинейными конгруэнтными к образующей тора. Мешалка имеет герметичный привод вращательного движения 9 и установлена с возможностью осевого перемещения вверх и вниз.
Смеситель работает следующим образом.
Заполнение емкости 1 мелющими телами и подлежащими переработке материалами производится через отверстие, образованное между емкостью 1 и крышкой 2, путем поднятия вала 4, отбойного элемента 6 и привода вращательного движения 9 (вверх). После заполнения емкости 1 производят опускание привода вращательного движения 9 (вниз), с помощью крышки 2 герметизируют емкость 1 и приводят во вращательное движение лопасти мешалки 5. Загруженные в емкость мелющие тела (бисер) и перерабатываемые материалы посредством вращающихся лопастей мешалки 5 совершают интенсивное сложное циркуляционное движение. При этом за счет высокой турбулизации смеси достигается ее качественное перемешивание и диспергирование (дезагрегация).
2
В предлагаемом смесителе циркуляционное движение мелющих тел и среды осуществляется также посредством мешалки, но принципиально другим способом. При вращении лопастей мешалки мелющие тела начинают участвовать в сложном движении. В случае небольших скоростей вращения мешалки, мелющие тела, находящиеся в верхних слоях, движутся (скользят или катятся) по нижележащим неподвижным слоям мелющих тел, по расширяющимся траекториям. С увеличением частоты вращения мешалки (n) многократно возрастают центробежные силы инерции (пропорционально n), действием которых лопатки прижимаются к внутренней поверхности емкости и в движение вовлекаются последовательно все слои мелющих тел, которые начинают совершать движение (качение, скольжение) по всей внутренней поверхности емкости (по так называемым циркуляционным петлям). При этом движущиеся мелющие тела вовлекают в движение жидкую среду, скорость движения которой, что очень важно для диспергирования, всегда меньше скорости движения мелющих тел. Таким образом, диспергирование твердой фазы в жидкой в предлагаемом смесителе осуществляется практически, на всем протяжении циркуляционных петель: а) на дне емкости посредством активного взаимодействия мелющих тел с лопастями мешалки и дном емкости; б) при качении мелющих тел по внутренней торообразной поверхности емкости; в) при спутном движении мелющих тел и жидкости с разными скоростями внутри емкости без контакта с ее рабочими поверхностями; г) при ударных взаимодействиях восходящих и нисходящих потоков смеси по поверхности их раздела вблизи центральной части образующей емкость окружности (примерно, так как это происходит в барабанных машинах без внутренних устройств).
Следует отметить, что предлагаемый смеситель может эффективно обеспечить перемешивание и диспергирование гетерогенных систем с мелющими телами из материала любой плотности, в том числе и «тяжелыми» мелющими телами, причем с последними эффективность диспергирования будет выше, чем с «легкими», что в прототипе вообще невозможно организовать.