СПОСОБ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД И СТАТИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MIXING FLUIDS AND GASES AND STATIC MIXER TO THIS END

Изобретение относится к химической, легкой и другим отраслям промышленности и может использоваться для перемешивания различных смол, лаков, красок, а также газообразных сред.
Известен способ перемешивания жидких и газообразных сред при поступательном движении перемешиваемой среды вдоль оси аппарата для смешения. По известному способу перемешиваемая среда поочередно закручивается то по часовой, то против часовой стрелки, что обеспечивает турбулизацию и перемешивание обрабатываемой среды.
Смеситель-реактор для осуществления этого способа содержит корпус с форсункой и поперечные перегородки с отверстиями, между которыми размещены втулки, завихритель потока. Для интенсификации процессов перемешивания и теплообмена корпус снабжен дополнительными завихрителями, размещенными между перегородками, отверстия в одних перегородках размещены в центре, а в установленных поочередно с ними - на периферии, при этом отверстия на периферии выполнены с наклоном к плоскости перегородки в сторону, противоположную направлению закрутки дополнительных завихрителей (А.С. №1156721, МКИ: В01F 5/00, 1983).
Этот способ не эффективен при малых расходах перемешиваемых сред и при перемешивании вязких жидкостей, т.к. он осуществляется в смесителе-реакторе, который имеет большое гидравлическое сопротивление.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ, по которому компоненты обрабатываемой среды подают в статический смеситель через патрубки ввода и после их совмещения обрабатываемая среда проходит через завихритель со сквозными отверстиями, разделяясь на струи. Струи обрабатываемой среды разбиваются и завихряются при ударе о завихритель без сквозных отверстий, размещенный за завихрителем со сквозными отверстиями. Далее обрабатываемая среда проходит через канал сверхзвукового профиля, образованный завихрителем без сквозных отверстий и внутренними стенками цилиндрического корпуса статического смесителя, и попадает на следующий завихритель со сквозными отверстиями. Процесс повторяется несколько раз, после чего обрабатываемая среда выводится из статического смесителя через патрубок вывода.
Способ осуществляется в статическом смесителе, содержащем цилиндрический корпус с патрубками ввода и вывода обрабатываемой среды, в полости которого последовательно размещены завихрители, часть завихрителей выполнена со сквозными отверстиями, при этом завихрители без сквозных отверстий размещены за завихрителями со сквозными отверстиями и образуют с внутренними стенками цилиндрического корпуса канал сверхзвукового профиля (патент РФ №2079350, МПК В01F 5/00, 1994).
Недостатком прототипа является то, что способ не обеспечивает качественного перемешивания жидкостей, а также то, что смеситель имеет большое гидравлическое сопротивление, работает только при высоких скоростях подачи обрабатываемой среды и непригоден для смешения вязких жидкостей, тем более при их небольшом расходе, а также имеет довольно сложную конструкцию.
Задачей изобретения является обеспечение возможности качественного смешения жидкостей и вязких связующих, а также газообразных сред в широком диапазоне их расхода и упрощение конструкции смесителя.
Поставленная задача решается тем, что предложенный способ, включающий подачу обрабатываемой среды в статический смеситель и вывод из него через соответствующие патрубки, разделение обрабатываемой среды на струи при прохождении ее через завихрители со сквозными отверстиями и завихрение струй обрабатываемой среды на завихрителях без сквозных отверстий, отличается тем, что завихрение струй обрабатываемой среды проводят дополнительно путем их встречного соударения друг с другом в отсеках интенсивного перемешивания статического смесителя.
Поставленная задача решается также тем, что статический смеситель, содержащий цилиндрический корпус с патрубками ввода и вывода обрабатываемой среды, в полости которого последовательно размещены завихрители, часть которых выполнена со сквозными отверстиями, при этом завихрители без сквозных отверстий размещены за завихрителями со сквозными отверстиями, отличается тем, что один из патрубков ввода обрабатываемой среды образует со стенкой цилиндрического корпуса равномерный зазор и имеет по периферии распределительные отверстия, торец этого патрубка закрыт заглушкой, на которой закреплен цилиндрический кожух с отверстиями, на внешней поверхности которого расположены запорные кольца, имеющие внешний диаметр, равный внутреннему диаметру цилиндрического корпуса, и в совокупности с его стенками и стенками цилиндрического кожуха образующие отсеки тангенциального смешения обрабатываемой среды, между запорными кольцами внутри цилиндрического кожуха перпендикулярно его оси установлены запорные диски, диаметр которых равен внутреннему диаметру цилиндрического кожуха, образующие в совокупности с его стенками отсеки интенсивного перемешивания обрабатываемой среды.
В статическом смесителе отверстия цилиндрического кожуха могут быть выполнены в виде щелей или пазов и расположены параллельными рядами в шахматном порядке.
Предложенный способ перемешивания, осуществляемый в предлагаемом статическом смесителе, позволяет уменьшить гидравлическое сопротивления за счет частичного отсутствия стационарно установленных завихрителей, уменьшить энергозатраты и, при необходимости, уменьшить скорость подачи компонентов обрабатываемой среды, так как при встречном соударении струй обрабатываемой среды друг с другом удваивается сила их удара и степень завихрения, что позволяет более качественно смешивать вязкие жидкости.
В устройстве статического смесителя равномерный зазор между патрубком ввода одного из компонентов обрабатываемой среды и стенкой цилиндрического корпуса в статическом смесителе обеспечивает одинаковую скорость и толщину потока другого компонента по всей длине окружности равномерного зазора. Наличие заглушки на торце этого патрубка препятствует сквозному проходу через него первого компонента и в совокупности с распределительными отверстиями или другими средствами распределения, расположенными по периферии патрубка, позволяет равномерно распределять и совмещать компоненты по большой площади соприкосновения в единицу времени (S=П×D×V, где D - диаметр патрубка, V - скорость потока). Цилиндрический кожух с отверстиями, закрепленный на заглушке, играет роль диафрагмы, при этом, поскольку диафрагма расположена параллельно основному направлению движения обрабатываемой среды вдоль оси статического смесителя, она не оказывает движению обрабатываемой среды значительного сопротивления, так как суммарная площадь отверстий может даже превышать площадь поперечного сечения самого статического смесителя. Запорные кольца на цилиндрическом кожухе служат для центрации системы смешения внутри цилиндрического корпуса статического смесителя за счет равенства их внешнего диаметра и внутреннего диаметра цилиндрического корпуса. Кроме того, запорные кольца играют роль отбойников-завихрителей обрабатываемой среды и в совокупности с цилиндрическим кожухом и цилиндрическим корпусом образуют отсеки тангенциального смешения, так как расположение отверстий цилиндрического кожуха, выполненных в виде щелей или пазов параллельными рядами в шахматном порядке, вносит поперечные составляющие основному движению обрабатываемой среды вдоль оси статического смесителя, направленные по образующим поверхностей цилиндрического корпуса и цилиндрического кожуха. Стенки цилиндрического корпуса и запорные кольца на входе в отсек тангенциального смешения являются отбойниками-завихрителями струй обрабатываемой среды, выходящей из отверстий цилиндрического кожуха, и направляют ее от отверстий в промежутки между ними навстречу друг другу и к выходу из отсека тангенциального смешения. Запорное кольцо, расположенное на выходе из отсека тангенциального смешения, также играет роль отбойника-завихрителя и направляет обрабатываемую среду через соседствующие с ним отверстия в цилиндрическом кожухе внутрь цилиндрического кожуха. Запорные диски, расположенные внутри цилиндрического кожуха перпендикулярно его оси, также играют роль отбойников и в совокупности со стенками цилиндрического кожуха образуют отсеки интенсивного перемешивания обрабатываемой среды.
На фиг.1 изображен общий вид статического смесителя, продольный разрез.
На фиг.2 изображен разрез А-А фиг.1.
На фиг.3 изображен разрез Б-Б фиг.1.
Статический смеситель представляет собой цилиндрический корпус 1 с патрубками 2 и 3 ввода компонентов обрабатываемой среды и патрубком 4 для вывода обрабатываемой среды. Патрубок 2 имеет по периферии распределительные отверстия 5 и образует со стенкой цилиндрического корпуса 1 равномерный зазор 6. Торец патрубка 2 закрыт заглушкой 7, на которой закреплен цилиндрический кожух 8, на внешней поверхности которого расположены запорные кольца 9, имеющие внешний диаметр, равный внутреннему диаметру цилиндрического корпуса 1. Запорные кольца 9 в совокупности со стенками цилиндрического корпуса 1 и цилиндрического кожуха 8 образуют отсеки тангенциального смешения 10 обрабатываемой среды. Между запорными кольцами 9 внутри цилиндрического кожуха 8 перпендикулярно его оси установлены запорные диски 11, диаметр которых равен внутреннему диаметру цилиндрического кожуха 8, образующие в совокупности со стенками цилиндрического кожуха 8 отсеки интенсивного перемешивания 12 обрабатываемой среды. Цилиндрический кожух 8 имеет отверстия 13 для ввода обрабатываемой среды из отсеков тангенциального смешения 10 обрабатываемой среды в следующие за ними отсеки интенсивного перемешивания 12 обрабатываемой среды и отверстия 14 для вывода обрабатываемой среды из отсеков интенсивного перемешивания 12 в следующие за ними отсеки тангенциального смешения 10 обрабатываемой среды. Отверстия 13 и 14 цилиндрического кожуха 8 выполнены в виде щелей или пазов и расположены параллельными рядами в шахматном порядке.
1
2
1
2
1
Способ перемешивания осуществляется в статическом смесителе следующим образом. Через патрубок 3 в цилиндрический корпус 1 подается один из компонентов обрабатываемой среды, распределяется по объему входной части цилиндрического корпуса 1 и поступает в равномерный зазор 6 между стенкой цилиндрического корпуса 1 и патрубком 2. Другой компонент смеси подается в патрубок 2 и, так как его сквозному проходу через патрубок 2 препятствует заглушка 7, то он через распределительные отверстия 5 равномерно по периферии патрубка 2 вводится в первый компонент в зоне равномерного зазора 6. Далее обрабатываемая среда проходит между стенками цилиндрического корпуса 1 и цилиндрического кожуха 8 и отбивается запорным кольцом 9 в отверстия 13 цилиндрического кожуха 8. При этом в основное направление движения обрабатываемой среды вдоль оси статического смесителя вводятся перпендикулярные ему тангенциальные составляющие, направленные по образующим поверхностей цилиндрического корпуса 1 и цилиндрического кожуха 8 от промежутков между отверстиями 13 к соседним отверстиям 13. Отверстия 13 разделяют поток обрабатываемой среды на отдельные струи и направляют их от периферии к центру статического смесителя в отсек интенсивного перемешивания 12 навстречу друг другу. При этом происходит интенсивное перемешивание компонентов обрабатываемой среды, так как встречные струи являются друг для друга и отбойниками, и турбулизаторами, и завихрителями. Интенсивность процессов турбулизации, завихрения и взаимопроникновения элементов струй во встречные струи и вероятность переброса элементов струй сквозь отсек интенсивного перемешивания 12 в сторону, противоположную входу, определяется суммой скоростей встречных струй. Скорости струй в свою очередь зависят от суммарной площади отверстий 13. Наилучшее перемешивание достигается при условии S<S, где S - суммарная площадь отверстий 13, a S - суммарная площадь отверстий 14. При уменьшении суммарной площади отверстий Sинтенсивность соударения струй возрастает в геометрической прогрессии с коэффициентом 2. Поскольку отсек интенсивного перемешивания 12 ограничен заглушкой 7, цилиндрическим кожухом 8 и запорным диском 11, разбитые струи потока, ударившись о запорный диск 11, поступают через выходной ряд отверстий 14 в отсеки тангенциального смешения 10, расположенные за запорными кольцами 9. При этом струи потока обрабатываемой среды, входящие в отсек интенсивного перемешивания 12 через отверстия 13, и поток, выходящий из него через отверстия 14, соприкасаясь, завихряются, а промежутки между отверстиями 14, играя роль отбойников обрабатываемой среды и направляя струи обратно в отсек интенсивного перемешивания 12, вызывают дополнительные завихрения.
При входе струй обрабатываемой среды через отверстия 14 в отсек тангенциального смешения 10, промежутки между отверстиями 14 являются завихрителями, цилиндрический корпус 1 - отбойником струй обрабатываемой среды. В результате в основное направление движения смеси вдоль оси смесителя вносятся тангенциальные составляющие, направленные по образующей поверхности цилиндрического кожуха 8 от краев отверстий 14 к промежуткам между ними, а при вхождении обрабатываемой смеси в отверстия 13 - в направлении от промежутков между отверстиями 13 к соседним отверстиям 13, что также способствует перемешиванию. После вхождения потока через отверстие 13 в следующий отсек интенсивного перемешивания 12 процесс повторяется.
При прохождении через отсек интенсивного перемешивания 12 вязких компонентов происходит перераспределение слоев потока по скоростям движения. Так слои, движущиеся вблизи цилиндрического кожуха 8, проходят кратчайшие расстояния между отверстиями 13 и 14, а следовательно, имеют наибольшее (удельное) давление на единицу расстояния и большую скорость. Слои, движущиеся по оси отсека интенсивного перемешивания 12, имеют путь в несколько раз больше, а следовательно, меньшее (удельное) давление на единицу расстояния и меньшую скорость. В этом случае происходит межслоевое смещение. Расположение отверстий 13 и 14 цилиндрического кожуха 8 в шахматном порядке способствует лучшему перемешиванию обрабатываемой среды, внося в направление ее движения тангенциальные составляющие. Аналогичный процесс происходит и в отсеке тангенциального смешения 10. При этом слои потока меняются скоростями. По окончании перемешивания смесь выходит через патрубок 4.
Предлагаемый способ осуществляется в статическом смесителе, который несложен в изготовлении и эксплуатации, не оказывает значительного гидравлического сопротивления прохождению обрабатываемой среды и может работать в широком скоростном диапазоне, так как в отсеках интенсивного перемешивания скорость потока удваивается без увеличения гидравлического сопротивления, что в свою очередь обеспечивает возможность качественного смешения жидкостей и вязких связующих.