МЕХАНИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ С ПОДВИЖНЫМ ЗЕРНИСТЫМ СЛОЕМ

Предлагаемая конструкция относится к устройствам непрерывного принципа действия для механического перемешивания жидких сред с целью получения устойчивых тонкодисперсных эмульсий и истинных растворов и может быть использована в химической, нефтехимической, пищевой, и других отраслях промышленности.
Известна конструкция аппарата для механического перемешивания жидких сред, содержащая вертикальный цилиндрический корпус с плоским или выпуклым днищем, несколько отражающих перегородок и одну или несколько быстроходных мешалок, закрепленных на валу привода, и имеющих центральное, косое, эксцентричное или боковое расположение относительно оси аппарата (Ф. Стренк, Перемешивание и аппараты с мешалками. Л.: Химия, 1975. Стр. 45-47).
Известна конструкция мешалки, содержащая ротор, оснащенный спицами и лопастями разного диаметра, на концах которых закреплены конфузоры, большим сечением обращенные в сторону вращения ротора. Внутри каждого конфузора смонтированы турбулизаторы для создания эффекта кавитации жидкости, имеющие гиперболическую форму, выпуклая часть которых обращена в сторону вращения ротора. А внутри каждого турбулизатора расположено щелевое пространство для протекания жидкой среды между стенкой конфузора и ветвью турбулизатора (патент РФ №2277964, MПК B01F 7/16, 20.06.2006 г.).
Известна конструкция мешалки, имеющая вертикальный цилиндрический корпус и привод с возможностью передачи вращения на центральный вал, на котором вверху прикреплены наклоненные к вертикали лопасти, окруженные ориентированным соосно валу неподвижным кольцом, а внизу установлены вертикальные лопатки. При этом отношение высоты неподвижного кольца к ее диаметру равно 0,25÷0,30, а лопатки имеют отношение ширины к высоте 0,2÷0,4 (патент РФ №2492920, МПК B01F 7/18, 20.09.2013 г.).
Общим недостатком данных конструкций является то, что в силу их невысоких эффективности и интенсивности перемешивания они практически не используются в качестве устройств непрерывного принципа действия. Это обстоятельство обусловлено, во-первых, снижением степени перемешивания друг с другом элементарных слоев жидкости по мере удаления объема, в котором они находятся, в направлении от мешалки к стенке корпуса аппарата или его днищу, а, во-вторых, неодинаково высокими интенсивностями тангенциального (окружного), радиального и осевого потоков перемешиваемой на макроуровне жидкости. В свою очередь, это приводит к значительному увеличению времени перемешивания (времени пребывания в аппарате перемешиваемой жидкой среды), что сильно ограничивает использование данных конструкций в качестве поточных устройств, т.е. устройств непрерывного принципа действия.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является механический смеситель с подвижным зернистым слоем, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с выпуклым днищем, с установленными в нем от 2 до 6 отражающих перегородок и с расположенными внутри закрепленными на валу привода быстроходными мешалками, при этом внутри корпуса расположен зернистый слой, состоящий из полидисперсных частиц, имеющих плотность, определяемую отношением
Ч
3
где ρ - плотность частиц зернистого слоя, кг/м,
3
ρ - плотность перемешиваемой среды, кг/м (патент РФ №155460, МПК B01F 7/16, B01F 7/18, 10.10.2015 г.).
Недостатком конструкции механического смесителя с подвижным зернистым слоем является то, что ее практическое использование в качестве устройства непрерывного принципа действия сильно ограничено из-за недостаточно высоких эффективности и интенсивности перемешивания. Это обстоятельство объясняется следующим образом. Для работы смесителя в качестве поточного устройства (т.е. устройства непрерывного принципа действия) необходимо, чтобы время пребывания в нем перемешиваемой жидкой среды было не меньше времени ее перемешивания до достижения заданного технологического эффекта (степени однородности полученной эмульсии или истинного раствора). Соблюдение этого условия во многих случаях требует значительного увеличения объема аппарата, т.е. увеличения высоты его цилиндрического корпуса. При этом количество закрепленных на валу привода быстроходных мешалок также увеличится, так как зависит от соотношения диаметра и высоты цилиндрического корпуса аппарата и определяется рекомендацией из расчета одной мешалки, приходящейся на высоту корпуса, равную его диаметру. Однако при этом число быстроходных мешалок не должно превышать трех, т.е. длина цилиндрического корпуса смесителя не должна превышать его диаметр более чем в три раза, так как это обстоятельство будет способствовать увеличению интенсивности осевого потока и уменьшению интенсивности тангенциального (окружного) и радиального потоков перемешиваемой жидкой среды, что приведет к снижению эффективности и интенсивности перемешивания в целом.
Задача, на которую направлено данное техническое решение - разработка эффективного механического смесителя.
Техническим результатом предлагаемой конструкции является увеличение эффективности и интенсивности процесса перемешивания.
Технический результат достигается тем, что механический смеситель с подвижным зернистым слоем содержит вертикальный цилиндрический корпус с выпуклыми днищем и крышкой, снабженными штуцерами, с расположенными внутри корпуса и закрепленными на валу привода быстроходными мешалками, зернистый слой, состоящий из полидисперсных частиц, имеющих плотность, определяемую отношением
Ч
3
где ρ - плотность частиц зернистого слоя, кг/м,
3
ρ - плотность перемешиваемой среды, кг/м,
при этом внутри корпуса установлены поперечные сетки, разделяющие его рабочий объем на секции, каждая из которых содержит одну быстроходную мешалку и загрузочный люк, а частицы зернистого слоя равномерно распределенного между всеми секциями корпуса.
Использование в предлагаемой конструкции смесителя поперечных сеток, разделяющих рабочий объем его цилиндрического корпуса на секции, каждая из которых содержит одну быстроходную мешалку и часть зернистого материала, равномерно распределенного между всеми секциями, позволяет создать внутри смесителя такую гидродинамическую обстановку, при которой интенсивности тангенциального (окружного), радиального и осевого потоков перемешиваемой жидкой среды в каждой секции будут одинаково высокими. Это обусловлено тем, что каждая отдельная секция содержит только одну быстроходную мешалку, стало быть ее высота будет ограничена вышеназванной, берущей свое начало в практическом опыте эксплуатации реальных технологических аппаратов, рекомендацией из расчета одной мешалки, приходящейся на высоту секции, равную ее диаметру. Кроме того, равномерное распределение зернистого материала между всеми секциями позволяет в каждой из них поддерживать одинаково высокие эффективность и интенсивность по отношению к конкретной перемешиваемой жидкой среде в данных условиях.
Количество секций, т.е. высота цилиндрического корпуса аппарата, определяется из условия пребывания в нем перемешиваемой жидкой среды по времени не меньшем времени ее перемешивания до достижения заданного технологического эффекта (степени однородности полученной эмульсии или истинного раствора). Для загрузки и выгрузки зернистого материала каждая секция снабжена загрузочным люком.
Зернистый слой, загружаемый в механический смеситель, может состоять из материала различной природы, в качестве которого могут использоваться стеклянные или керамические шарики, песок, пластиковые гранулы и т.п. При этом необходимо только, чтобы этот материал был химически неактивным (инертным) по отношению к перемешиваемой жидкой среде. Количество зернистого материала, загружаемого в секции механического смесителя, может быть различным и зависит от вязкости (маловязкая, средней вязкости, высоковязкая) и типа (ньютоновская или неньютоновская) перемешиваемой жидкой среды.
Для исключения прохождения зернистого материала сквозь поперечные сетки, установленные внутри цилиндрического корпуса смесителя, размер их ячеек должен быть меньше размера его частиц.
Наличие в конструкции смесителя выпуклых днища со штуцерами подвода перемешиваемых жидких сред и крышки со штуцером отвода полученной эмульсии или (истинного) раствора позволяет использовать ее в качестве устройства непрерывного принципа действия.
На фиг. 1 показан общий вид механического смесителя с подвижным зернистым слоем, состоящего из трех секций. На фиг. 2 показан разрез смесителя по А-А, на котором представлена разборная двухсегментная поперечная сетка.
Механический смеситель с подвижным зернистым слоем состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с выпуклыми днищем 2 со штуцерами 3 подвода перемешиваемых жидких сред и крышкой 4 со штуцером 5 отвода полученной эмульсии или (истинного) раствора, поперечных сеток 6, разделяющих рабочий объем корпуса на секции и установленных на опорах 7. Каждая секция содержит по одной быстроходной мешалке 8, закрепленной на центральном валу 9 привода (условно не показан), и по одному загрузочному люку 10 для равномерно распределенных между секциями полидисперсных по размеру и плотности частиц 11 зернистого слоя, плотность которых определяется отношением (1). Для удобства монтажа при сборке аппарата каждая из поперечных сеток 6 выполнена разборной, состоящей из двух сегментов.
Механический смеситель с подвижным зернистым слоем работает следующим образом. В каждую секцию цилиндрического корпуса 1 через люки 10 загружается необходимое количество зернистого материала, состоящего из полидисперсных по размеру и плотности частиц 11, плотность которых определяется отношением (1). Затем через штуцеры 3 подаются перемешиваемые жидкие среды, которые начинают постепенно заполнять внутреннее пространство аппарата. Одновременно с этим приводится во вращение центральный вал 9 с закрепленными на нем быстроходными мешалками 8, которые создают внутри объема жидкой среды в каждой секции вертикального цилиндрического корпуса 1 одинаково высокие интенсивные тангенциальный (окружной), радиальный, осевой потоки и их комбинации в различных вариантах (в зависимости от типа конструкции быстроходных мешалок). Частицы И зернистого материала двигаются вместе с создаваемыми мешалками 8 потоками перемешиваемой жидкой среды, при этом более плотные частицы отстают, а менее плотные - опережают основные потоки, создавая за счет этого вокруг себя локальные микровихри, которые на микроуровне обеспечивают разрывы близлежащих элементарных слоев жидкости и их взаимное смешение друг с другом, позволяя за достаточно короткое время достигнуть необходимой степени перемешивания. А за счет того, что плотность частиц 11 зернистого материала определяется отношением (1), образование таких микровихрей осуществляется по всему объему аппарата в каждой отдельной секции корпуса 1, обеспечивая тем самым заданный технологический эффект перемешивания жидкой среды, т.е. необходимую степень однородности полученной эмульсии или истинного раствора. Кроме того, выполнение отношения (1) обеспечивает равномерное в объеме каждой секции распределение частиц 11 зернистого слоя, для которых переход из секции в секцию, а также вывод из аппарата полностью исключен в силу того, что их размер превышает размеры ячеек поперечных сеток 6. Готовая эмульсия или истинный раствор отводится из аппарата через штуцер 5. Подача в смеситель исходных жидких сред и отвод готовой эмульсии или истинного раствора осуществляется непрерывно.
Таким образом, предлагаемая конструкция механического смесителя с подвижным зернистым слоем позволяет увеличить эффективность и интенсивность процесса перемешивания.