Гидродинамический смеситель
HYDRODYNAMIC MIXER

Изобретение относится к устройствам для перемешивания, эмульгирования, гомогенизации жидких сред и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, тепломассообменных процессов в системах "жидкость - жидкость".
Известен смеситель кавитационного типа (RU 21586627, МПК B01F 5/08, опубл. 10.11.2000), содержащий цилиндрическую рабочую камеру с соосным подводящим в виде диффузора патрубком, смесительные элементы и патрубок подачи добавочного компонента смеси, причем смесительные элементы выполнены в виде многоструйного сопла. Смешивание осуществляется за счет гидродинамической кавитации.
Недостатком смесителя является отсутствие акустических колебаний в обрабатываемой среде определенной частоты, т.к. акустическое излучение, вызываемое захлопыванием и пульсацией кавитационных пузырьков, незначительно и имеет сплошной спектр от сотен Гц до десятков тысяч Гц.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является гидродинамический смеситель (RU 2553861, МПК B01F 3/04, 3/08, 5/06, опубл. 20.06.2015), содержащий корпус с осевым и радиальным патрубками ввода компонентов, осевой входной патрубок имеет возможность возвратно-поступательного перемещения и выполнен в виде конусно-цилиндрического сопла, смесительный элемент состоит из вставки и корпуса, коническая часть вставки находится в корпусе смесительного элемента, отражатель в виде лунки, находящейся на торце большего основания вставки, корпус смесительного элемента имеет сквозные каналы, расположенные по концентрическим окружностям, кольцевые проточки, выполненные на поверхности вставки, соединены каналами с первой смесительной камерой.
Интенсификация процессов достигается за счет интенсивной акустической и гидродинамической кавитации, сдвиговых усилий, интенсивной турбулентности в смесительных камерах. Акустические колебания генерируются пульсирующей кавитационной полостью, которая образуется между выходами сопла и отражателя. Экономически наиболее выгодна вогнутая форма отражателя в виде лунки. (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Гл. ред И.П. Галямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979 с. 80.)
Недостатком смесителя является недостаточная интенсивность акустических колебаний и, как следствие, недостаточная эффективность проводимых в устройстве технологических процессов.
Поставленная задача изобретения - интенсификация гидродинамических, физико-химических и тепломассообменных процессов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в гидродинамическом смесителе, содержащем корпус с осевым и радиальным патрубками ввода компонентов, осевой входной патрубок имеет возможность возвратно-поступательного перемещения и выполнен в виде конусно-цилиндрического сопла, смесительный элемент, состоящий из вставки и корпуса, коническая часть вставки находится в корпусе смесительного, элемента, отражатель в виде лунки, корпус смесительного элемента имеет сквозные каналы, расположенные по концентрическим окружностям, выходной патрубок, согласно изобретению на конической части вставки в несколько рядов выполнены углубления в виде лунок произвольного поперечного сечения, а большее основание конической части вставки переходит в цилиндр, на поверхности которого выполнены наклонные прямолинейные каналы произвольного поперечного сечения, частично выходящие на коническую часть, причем лунка выполнена по центру торцовой поверхности цилиндра, вокруг которой по окружности консольно установлены резонирующие стержни, при этом внутренняя поверхность корпуса смесителя выполнена в виде двух цилиндров разного диаметра, а образующийся при этом уступ фиксирует в осевом направлении положение корпуса смесительного элемента.
На фиг. 1 схематически изображен гидродинамический смеситель, продольный разрез. На фиг. 2 изображен вид А на фиг. 1 На фиг. 3 изображено сечение Б-Б на фиг. 1
Гидродинамический смеситель содержит: корпус 1 с патрубком входа дополнительного компонента 2, крышку 3 с патрубком осевого входа основного компонента 4, уступ корпуса смесителя 5, который фиксирует положение в корпусе смесителя смесительного элемента 6, состоящего из корпуса 7 с внутренней конической поверхностью и сквозными каналами 8, закрепленной в нем коническо-цилиндрической вставкой 9, на конической поверхности, которой выполнены углубления в виде лунок 10, на цилиндрической поверхности 11 выполнены наклонные прямолинейные каналы 12, на торцовой поверхности цилиндрической части 13 находятся резонирующие стержни 14 и отражатель в виде лунки 15, первую смесительную камеру 16, образованную крышкой 3, корпусом 1 и торцом коническо-цилиндрической вставки 13, кольцевой радиальный зазор 17, образованный коническими поверхностями корпуса смесительного элемента 7 и вставки 9, вторую смесительную камеру 18, расположенную в корпусе смесительного элемента 7, третью смесительную камеру 19, образованную торцом корпуса смесительного элемента 7, распорной втулкой 20 и крышкой 21, выходной патрубок 22.
Смеситель работает следующим образом: основной жидкий компонент под давлением подается через входной осевой патрубок 4, в смесительную камеру 16 и попадает на отражатель в виде лунки 15, отражаясь от него на резонансные стержни 14. Одновременно в камеру 16 подается под давлением через радиальный патрубок 2 второй компонент. Затем, предварительно смешанные компоненты через наклонные каналы 12, радиальный зазор 17 поступают во вторую смесительную камеру 18 и через каналы 8 проходят в последнюю смесительную камеру 19, а затем выводятся через выходной осевой патрубок 22.
Основной жидкий компонент, проходя через конусно-цилиндрическое сопло осевого патрубка, увеличивает скорость движения и, попадая на отражатель, образует пульсирующую с определенной частотой и интенсивностью кавитационную полость. Для повышения интенсивности и монохроматичности колебаний вокруг сопла установлены по окружности консольно закрепленные стержни (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Гл. ред. И.П. Галямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. С. 80-81.) Пульсации кавитационной области создают переменные поля скоростей и давлений, которые возбуждают в стержнях 14 изгибные колебания на их собственной частоте. Следовательно, в смесительной камере возникают более интенсивные колебания и кавитация по сравнению с прототипом. Это приводит к большей эффективности технологического процесса в первой смесительной камере. Окончательная обработка продукта осуществляется в смесительном элементе.
Предварительно обработанная среда, проходя через наклонные каналы, расположенные на поверхности цилиндрической и в начале конической поверхности смесительного элемента, закручивается по направлению движения в радиальном зазоре между коническими поверхностями корпуса смесительного элемента и вставки. Это увеличивает время пребывания среды в активной зоне обработки, где она подвергается значительным сдвиговым усилиям. Кроме того, уменьшается поперечное сечение радиального зазора, ввиду конической формы образующих его поверхностей, скорость движения среды возрастает и, как следствие, также возрастают сдвиговые напряжения и интенсивность турбулизации потока среды.
На конической поверхности вставки выполнены в несколько рядов углубления в виде лунок. Любое сечение, проходящее через лунку, показывает, что радиальный зазор в этом сечении имеет форму резкого расширения. Таким образом, наличие многочисленных участков резких расширений, в которых возникают процессы вихреобразования, значительно интенсифицирует процессы смешивания, гомогенизации и т.д.
Пройдя радиальный зазор, жидкость попадает в зону резкого расширения, т.е. во вторую смесительную камеру, где подвергается дополнительному воздействию возникающих в ней вихревых потоков.
Затем, струи среды, выходящие из сквозных каналов 8, на некотором расстоянии от выхода начинают веерообразно расходиться, и при этом происходит интенсивное столкновение струй. Это позволяет провести окончательную обработку жидкого продукта.
В предлагаемой конструкции вследствие воздействия на среду интенсивных звуковых колебаний, кавитации, сдвиговых напряжений, ударного воздействия значительно интенсифицируются технологические процессы в системе "жидкость - жидкость".
Для подтверждения эффективности работы предлагаемого устройства по сравнению с прототипом были проведены эксперименты по диспергированию несмешивающихся жидкостей. В качестве дисперсионной фазы использовалось масло, качестве дисперсионной среды - вода. Качество получаемой эмульсии оценивалось по времени расслаивания. Эмульсия получалась за один проход среды через гидродинамический смеситель. Установлено, что время расслаивания эмульсии, полученной в предлагаемой конструкции, увеличилась при наилучшем режиме работы смесителя примерно на 35%. Однако при этом несколько возросло гидравлическое сопротивление смесителя.
Достоинством предлагаемой конструкции является наличие сменного смесительного элемента, что позволяет проводить дальнейшее совершенствование конструкции.