ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
MIXING DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к перемешивающему устройству, предназначенному для перемешивания, растворения, кристаллизации, осуществления реакций и т.п.
Уровень техники
Имеется немало ситуаций, когда небольшие лопасти, например лопасти турбины, лопасти мешалки и лопасти гребного винта, располагаются на многих уровнях, что используется и в перемешивающей лопасти перемешивающего устройства. Соответственно в перемешивающем устройстве, использующем эти лопасти, количество жидкости, нагнетаемой в радиальном направлении от лопастей, увеличивается посредством увеличения скорости вращения лопасти, причем жидкость сталкивается со стенкой резервуара и затем поворачивает вверх и вниз, создавая тем самым циркулирующий поток, возвращаемый снова к лопасти и, таким образом, перемешивает содержимое резервуара.
Вместе с тем, небольшие лопасти не создают приемлемый вертикальный циркулирующий поток по всей внутренней области резервуара, как показано на Фиг.14 и тем самым создают множественные изолированные зоны в вертикальном направлении так, что характеристики перемешивания не могут быть улучшены до требуемого уровня. Кроме того, эти лопасти часто имеют сложные формы, что увеличивает стоимость производства и затрудняет их промывку.
В противоположность этому плоская, пластинчатого типа лопасть, рассмотренная, например, в Патентном Документе 1, имеет упрощенную форму лопасти и, таким образом, имеет преимущество в более низкой стоимости производства и допускает легкую промывку, а также преимущество в получении хороших характеристик перемешивания вследствие большого количества жидкости, нагнетаемой в радиальном направлении от лопасти по внутреннему объему резервуара так, что он оказывается пригодным для перемешивания очень вязкой жидкости, а также жидкости, содержащей твердые материалы, легко выпадающие в осадок на дно резервуара.
Патентный Документ l: Публикация Японской Нерассмотренной Патентной Заявки No. Hei-10-174857
Сущность изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
Тем не менее, даже с плоской лопастью, описанной в Патентном Документе 1, или целиком плоской формы без отверстия количество жидкости, нагнетаемой в радиальном направлении от верхней половины лопасти, равняется таковому для нижней половины, и поток, нагнетаемый от верхней половины лопасти по направлению к нижней стороне, встречается с потоком, нагнетаемым от нижней половины лопасти к верхней стороне. Таким образом, неизбежно создаются изолированные зоны в вертикальном направлении и характеристики перемешивания ухудшаются.
Соответственно задача настоящего изобретения заключается в создании перемешивающего устройства, обеспечивающего приемлемый вертикальный циркулирующий поток по всей внутренней области резервуара и имеющего подходящие характеристики перемешивания.
Средства для решения проблем
В соответствии с настоящим изобретением создано перемешивающее устройство, содержащее перемешивающий резервуар 1, перемешивающий вал 2, расположенный в пределах перемешивающего резервуара 1 вдоль его оси таким образом, что он приводится во вращение вне перемешивающего резервуара, и подобную плоской пластине перемешивающую лопасть 3 прямоугольной формы, установленную на перемешивающем валу 2, характеризующееся тем, что перемешивающая лопасть 3 имеет множество отверстий 4…, удовлетворяющих следующим условиям: (i) отношение площади отверстий 4 в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 к полной площади верхней половины U перемешивающей лопасти 3 (указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3) составляет от 45 до 80%; (ii) отношение площади отверстий 4 в нижней половине D перемешивающей лопасти 3 к полной площади нижней половины D перемешивающей лопасти 3 (указанный коэффициент открытия в нижней половине D перемешивающей лопасти 3) составляет от 18 до 50%; и (iii) отношение указанного коэффициента открытия в нижней половине D перемешивающей лопасти 3 к указанному коэффициенту открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 составляет от 31 до 71%.
Для перемешивающего устройства вышеуказанной конструкции указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 больше, тогда как указанный коэффициент открытия в нижней половине D меньше, для того чтобы расход потока из перемешиваемого объема (перемешиваемый объект), нагнетаемый в радиальном направлении от нижней половины D, был выше расхода потока из перемешиваемого объема, нагнетаемого в радиальном направлении от верхней половины U. Таким образом, осуществляется вертикальная циркуляция потока от области сильного нагнетания в область слабого нагнетания, то есть может быть создан вертикальный циркулирующий поток от нижней стороны к верхней стороне перемешивающего резервуара 1. В результате изолированные зоны не образуются и перемешиваемый объект может быть полностью перемешан.
Достоинства изобретения
Перемешивающее устройство настоящего изобретения позволяет обеспечить подходящий вертикальный циркулирующий поток по всему объему резервуара и реализовать соответствующие характеристики перемешивания посредством увеличения указанного коэффициента открытия в верхней половине перемешивающей лопасти и уменьшения указанного коэффициента открытия в нижней половине, оптимизируя эти указанные коэффициенты открытия.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг.2 - концептуальная схема для пояснения характеристик перемешивания варианта реализации перемешивающего устройства.
Фиг.3 - таблица данных характеристик перемешивания (характеристик смешивания), основанных на соотношении между указанными коэффициентами открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти.
Фиг.4 - график, показывающий качество характеристик перемешивания (характеристик смешивания), основанных на соотношении между указанными коэффициентами открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти.
Фиг.5 - таблица данных соотношения между отношением указанных коэффициентов открытия нижней половины относительно указанных коэффициентов открытия в верхней половине перемешивающей лопасти, и отношением времени перемешивания.
Фиг.6 - график, показывающий соотношение между отношением указанного коэффициента открытия нижней половины относительно указанного коэффициента открытия в верхней половине перемешивающей лопасти и отношением времени перемешивания.
Фиг.7 - таблица данных аппроксимирующей кривой на Фиг.6.
Фиг.8 - вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с другим (1-м) вариантом реализации изобретения.
Фиг.9 - вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с другим (2-м) вариантом реализации изобретения.
Фиг.10 - вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с другим (3-м) вариантом реализации изобретения.
Фиг.11 - вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с другим (4-м) вариантом реализации изобретения.
Фиг.12 - вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с другим (5-м) вариантом реализации изобретения.
Фиг.13 - вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с другим (6-м) вариантом реализации изобретения.
Фиг.14 - схема для пояснения характеристик перемешивания перемешивающего устройства, имеющего стандартные небольшие лопасти.
Фиг.15 - схема для пояснения характеристик перемешивания перемешивающего устройства, имеющего стандартную большую лопасть.
Описание цифровых обозначений
1 - перемешивающий резервуар, 2 - перемешивающий вал, 3 - перемешивающая лопасть, 4 - отверстие, 5 - отражательная пластина, R1, R2 - вертикальные циркулирующие потоки, Q1, Q2 - нагнетаемый поток жидкости.
Наилучший вариант осуществления изобретения
Ниже приводится описание перемешивающего устройства в варианте реализации настоящего изобретения по Фиг.1.
Цифровое обозначение 1 соответствует цилиндрическому резервуару для мешалки с перемешивающим валом 2, расположенным в пределах резервуара 1 вдоль его оси. Перемешивающий вал 2 имеет нижний конец, поддерживаемый подшипником (не показан), расположенным на дне резервуара, и верхний конец, связанный через соответствующее соединение (не показано) с приводным устройством (не показано) на верхней части резервуара.
Цифровое обозначение 3 соответствует перемешивающей лопасти в виде плоской пластины прямоугольной формы, имеющей множественные отверстия 4 и смонтированной на перемешивающем валу 2 вдоль осевой линии перемешивающей лопасти 3. Количество отверстий 4, расположенных в верхней половине U, больше количества отверстий 4, расположенных в нижней половине D, так, чтобы указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 (отношение общей открытой площади к общей площади (включая общую открытую площадь отверстий 4 в верхней половине U) верхней половины U перемешивающей лопасти 3) был бы больше указанного коэффициента открытия в нижней половине D перемешивающей лопасти 3 (отношение общей открытой площади к общей площади (включая общую открытую площадь отверстий 4 в нижней половине D) нижней половины D перемешивающей лопасти 3). В этом варианте реализации четыре отверстия 4 располагаются на заданном расстоянии друг от друга в верхней половине U перемешивающей лопасти 3, и три отверстия 4 располагаются на заданном расстоянии друг друга на нижней половине D перемешивающей лопасти 3, причем каждое отверстие 4 имеет одну и ту же открытую площадь.
Цифровое обозначение 5 соответствует отражательным пластинам, смонтированным на боковой стенке перемешивающего резервуара и расположенным на заданном расстоянии друг от друга вдоль периметра (на чертежах показана только одна отражательная пластина). Каждая их этих отражательных пластин 5 вытянута от нижней стороны к верхней стороне боковой стенки перемешивающего резервуара 1 вдоль ее оси так, что они обеспечивают движение перемешиваемого объекта, нагнетаемого от перемешивающей лопасти 3, наверх к верхней стороне перемешивающего резервуара 1.
Перемешивающее устройство этого варианта реализации имеет, таким образом, вышеуказанную конструкцию. Далее рассматриваются характеристики перемешивания перемешивающего устройства этого варианта реализации в связи с Фиг.2.
В общем случае известно, что расход потока перемешиваемого объекта нагнетаемого в радиальном направлении от перемешивающей лопасти, пропорционален произведению площади на единицу ширины перемешивающей лопасти 3 в осевом направлении перемешивающей лопасти 3 и третьей степени диаметра лопасти упомянутой площади на единицу ширины. Аналогично и для перемешивающей лопасти 3 этого варианта реализации изобретения - в случае, когда указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 больше и указанный коэффициент открытия в нижней половине D перемешивающей лопасти 3 меньше, нагнетаемый поток жидкости Q1 перемешиваемого объекта в нижней половине D больше, чем нагнетаемый поток жидкости Q2 перемешиваемого объекта в верхней половине U.
Из-за различия в количестве жидкости, нагнетаемой между верхней половиной U и нижней половиной D перемешивающей лопасти 3, то есть из-за различия в силе нагнетания между ними, образуется вертикальный циркулирующий поток R1 из области с большой силой нагнетания в область со слабой силой нагнетания, то есть устанавливается вертикальный циркулирующий поток R1 от нижней стороны до верхней стороны перемешивающего резервуара 1. В результате изолированные зоны не образуются и перемешиваемый объект может быть полностью перемешан. Таким образом, можно получить улучшенные характеристики перемешивания.
Как только вертикальный циркулирующий поток R1 достигает верхнего участка, он смещается по направлению к центру от боковой стенки перемешивающего резервуара 1 и, поворачивая, переходит в вертикальный циркулирующий поток R2, который двигается вниз вдоль перемешивающего вала 2 и перемешивающей лопасти 3, а затем возвращается на нижний участок резервуара. Поскольку в перемешивающей лопасти 3 сформировано множество отверстий 4, перемешиваемый объект при своем движении вниз разрезается этими отверстиями 4 на участки, сегментированный перемешиваемый объект свертывается в маленькие вихри, образуемые на нижней по потоку стороне, относительно направления вращения перемешивающей лопасти 3 и, таким образом, перемешиваются в малые участки.
На Фиг.2, для лучшего понимания, нагнетаемые потоки жидкости (нагнетаемые потоки) Q1, Q2 и вертикальные циркулирующие потоки R1, R2 показаны только с одной стороны. Естественно, что подобные потоки жидкости образуются повсюду вдоль периметра перемешивающего резервуара 1.
Изобретатели выполнили в данном случае различные эксперименты для нахождения оптимального указанного коэффициента открытия перемешивающей лопасти 3.
В результате последующих экспериментов были получены данные (Фиг.3), представленные на Фиг.4, где показаны граничные линии.
Условия экспериментов
Внутренний диаметр D резервуара (внутренний диаметр корпуса перемешивающего резервуара 1): 310 мм
Диаметр d лопасти (ширина перемешивающей лопасти 3): 165 мм
Высота В лопасти (высота от самого нижнего положения дна резервуара до самого верхнего края перемешивающей лопасти 3): 295 мм
Глубина L жидкости (высота от самого нижнего положения дна резервуара до поверхности жидкости): 357 мм
Форма дна резервуара: полуовальная
Отражательная пластина: имеется
Объем жидкости: 25 л
Вязкость жидкости 1 cp (вода)
3
Мощность перемешивания: 0,2 кВт/м
Методика экспериментов
Режим протекания жидкости наблюдался с использованием способа обесцвечивания при титровании с йодом. Конкретно, жидкость в пределах перемешивающего резервуара 1 окрашивалась жженной сиеной с йодом, обесцвечивающий реактив вводился внутрь и во время перемешивания наблюдались (записывалось на видео) процесс обесцвечивания жидкости внутри резервуара, а также наличие и отсутствие изолированных зон. Этот метод является известным и рассмотрен, например, в "Mixing (1975) Shinji NAGATA, John Wiley & Sons, P187, 4.3.1 Method of Measuring Mixer Performance" и "Handbook of Industrial Mixing, JohnWilly & Sons, P167, 4-4.3 Approximate Mixing Time Measurement with Colorimetric methods". При оценках символ "O" отображает то, что перетекающая жидкость, нагнетаемая от нижней стороны перемешивающего резервуара 1, плавно достигает верхней стороны и далее, протекая по вертикали, образует единственный вертикальный циркулирующий поток; символ "Δ" отображает то, что перетекающая жидкость, нагнетаемая от нижней стороны перемешивающего резервуара 1, по большей части достигает верхней стороны, но перед этим часть ее отклонилась по направлению к центральному участку; и символ "x" отображает то, что вертикальный циркулирующий поток, очевидно, был рассечен на участки.
Были проведены те же эксперименты при тех же условиях, в которых жидкость в резервуаре была перемешана, и было измерено время до полного ее обесцвечивания. На Фиг.6 приведены результаты эксперимента (Фиг.5) и нанесена аппроксимирующая кривая. Отношение времени перемешивания означает отношение каждого времени перемешивания при оптимальном значении времени перемешивания (3,1 с в эксперименте), обозначенном как 100%, и отношение указанных коэффициентов открытия верхней и нижней половин означает отношение указанного коэффициента открытия в нижней половине D перемешивающей лопасти 3 относительно указанного коэффициента открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3. Оптимальное значение (среднее значение) времени перемешивания означает величину, полученную усреднением десяти временных данных перемешивания в той области, в которой время перемешивания сокращено. Таким образом, среди показателей от 5-го (3,1 с) до 14-го (4,0 с), если считать сверху на Фиг.5, 13-ый показатель (4,0 с) исключен как значимая точка, а оставшиеся 9 показателей усреднены. На Фиг.7 приведены данные аппроксимирующей кривой.
Из Фиг.3 и 4 можно видеть, что до тех пор пока указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 составляет от 45 до 80%, указанный коэффициент открытия в нижней половине D составляет от 18 до 50% и отношение указанных коэффициентов открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти 3 составляет от 31 до 71% (область, находящаяся между y=0,31x и y=0,71x, где у соответствует вертикальной оси и x соответствует горизонтальной оси), режим перетекания жидкости (характеристики перемешивания) можно считать хорошим; и до тех пор пока отношение указанных коэффициентов открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти 3 ограничено значениями от 37 до 65% (область, находящаяся между y=0,37x и y=0,65x), режим перетекания жидкости (характеристики перемешивания) может стать лучше.
Из Фиг.6 и 7 можно видеть, что отношение времени перемешивания падает в пределах 110% или ниже, если отношение указанных коэффициентов открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти 3 составляет от 37 до 65%; и отношение времени перемешивания падает в пределах 120% или ниже, если отношение указанных коэффициентов открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти 3 составляет от 31 до 71%. Этот факт в соответствии с вышеуказанным следует из Фиг.3 и 4.
Из вышеуказанного следует, что указанный коэффициент открытия перемешивающей лопасти 3 предпочтительно устанавливается так, что (l) указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 составляет от 45 до 80%, тогда как указанный коэффициент открытия в нижней половине D составляет от 18 до 50% и отношение указанного коэффициента открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти 3 составляет от 33 до 71%, и, кроме того, предпочтительно устанавливается так, что (2) указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 составляет от 45 до 80%, тогда как указанный коэффициент открытия в нижней половине D составляет от 18 до 50% и отношение указанного коэффициента открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти 3 составляет от 37 до 65%.
Перемешивающее устройство в соответствии с настоящим изобретением не обязательно ограничивается вышеуказанной реализацией, но может варьироваться в пределах области применения настоящего изобретения.
Например, в вышеуказанном варианте реализации отношение указанного коэффициента открытия в верхней и нижней половинах составляет 31% или выше, более предпочтительно в пределах от 37% до 71% и еще более предпочтительно в пределах от 37% до 65%. Если рассматривать случай, когда отношение времени перемешивания падает в пределах 100% или ниже, то еще более предпочтительно, чтобы вышеуказанный коэффициент был в пределах от 46% до 56%, а если рассматривать случай, когда отношение времени перемешивания падает в пределах значения меньше 99%, то еще более предпочтительно в пределах от 48% до 54%.
В вышеуказанном варианте реализации изобретения указанный коэффициент открытия в верхней половине U составляет 45% или выше, но не выше 80%. Однако если рассматривать только то, что оценивается как "O", то указанный коэффициент открытия в верхней половине U предпочтительно составляет 50% или выше, но не выше 76%.
В вышеуказанном варианте реализации каждое из отверстий 4 представляет собой длинное горизонтальное отверстие прямоугольной формы, и размещены эти отверстия вровень друг с другом. Вместе с тем, нет необходимости ограничивать варианты отверстий 4 определенной формой, их числом или размещением, пока указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 больше указанного коэффициента открытия в нижней половине D, как показано на Фиг.8, на которой все отверстия 4 имеют форму длинной вертикальной щели, выровнены по бокам (на которой отверстия 4 имеют различные длины для получения различия в указанном коэффициенте открытия между верхней половиной и нижней половиной), на Фиг.9, на которой отверстия 4 имеют взаимно различающиеся размеры и соответствующим образом размещены, на Фиг.10, на которой отверстия 4 располагаются асимметрично вокруг перемешивающего вала 2, на Фиг.11, на которой отверстия 4 с левой стороны не выровнены с отверстиями 4 с правой стороны относительно перемешивающего вала 2, расположенного между ними, и вдоль длины вала, на Фиг.12, на которой отверстия 4 размещены зигзагообразно вдоль длины вала, и на Фиг.13, на которой отверстия 4 размещены в шахматном порядке.
В вышеуказанном варианте реализации отверстия сформированы растачиванием листового материала; вместе с тем, возможно, например, объединить конструктивные элементы вместе, тем самым формируя плоскую пластину и, следовательно, прямоугольную перемешивающую лопасть с зазорами между конструктивными элементами, сформированными как отверстия.
В вышеуказанном варианте реализации изобретения нижний край перемешивающего вала 2 поддерживается на дне резервуара; вместе с тем, применима конструкция с более низким окончанием, расположенным за дном резервуара и не поддерживаемым им.
В вышеуказанном варианте реализации ведущее приводное устройство располагается сверху резервуара для вращения перемешивающего вала 2 извне резервуара; вместе с тем, приводное устройство может быть расположено со стороны дна резервуара.
В вышеуказанном варианте реализации изобретения расположены отражательные пластины 5; вместе с тем, эти отражательные пластины 5 не являются существенными элементами для настоящего изобретения.
Нет необходимости в ограничении внутреннего диаметра D резервуара, диаметра d лопасти, высоты В лопасти и глубины L текучей среды до определенных значений; вместе с тем, они могут быть заданы в общем случае в виде отношения диаметра d/D лопасти (диаметр лопасти d к внутреннему диаметру D резервуара) от 40 до 75%, отношения высоты B/D лопасти (высота лопасти B к внутреннему диаметру резервуара D) от 50 до 100% и отношения глубины L/D текучей среды (глубина жидкости L к внутреннему диаметру D резервуара) от 10 до 150%.