СТАТИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ

Полезная модель относится к технике перемешивания жидкостей и газов в трубопроводах и может быть использована в химической, нефтехимической, пищевой, микробиологической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Простейшим способом перемешивания жидкостей и газов (далее - сред) в трубопроводах является перемешивание за счет процессов, свойственных потоку при существующем режиме течения в трубопроводе: в случае турбулентных течений - за счет молекулярной диффузии и турбулентных пульсаций, в случае ламинарных течений - только за счет молекулярной диффузии. Таким способом перемешивания пользуются, если трубопровод имеет длину, достаточную для обеспечения необходимого времени пребывания движущейся среды в трубопроводе. При недостаточной длине трубопровода перемешивание интенсифицируют - чаще всего с помощью статических смесителей, основными частями которых являются цилиндрический, корпус и размещаемый в нем смесительный элемент.
Смесительные элементы, имея сложную конфигурацию, обеспечивают разделение потока на отдельные струи, создают большие градиенты скоростей, дополнительную турбулентность (в случае турбулентных потоков), высокие локальные касательные напряжения, за счет которых происходит перемешивание среды [1, стр.323], [2]. В случае ламинарных потоков перемешивание может быть интенсифицировано только за счет разделения потока на отдельные струи.
Процесс перемешивания может быть условно подразделен на процессы макроперемешивания (переноса по объему трубопровода сравнительно больших объемов среды) и микроперемешивания (переноса более мелких, вплоть до размеров молекул, объемов среды по макрообъемам). Макроперемешивание производится за счет принудительного разделения потока на отдельные струи и крупномасштабных турбулентных пульсаций, микроперемешивание - за счет более мелких турбулентных пульсаций и молекулярной диффузии.
Траектории струй, образуемых с помощью смесительных элементов аналогов, весьма сложны, малопредсказуемы и не гарантируют качества макроперемешивания и, следовательно, качества перемешивания в целом.
Большие касательные напряжения могут привести:
- в случае диэлектрических сред - к накоплению статического электричества;
- в случае микробиологических жидкостей - к разрушению или повреждению клеток микроорганизмов;
- в случае водных растворов полимеров - к деструкции материала. В качестве прототипа выбран смесительный элемент, описанный в статье [3]. Прототип представляет собой одну или несколько гофрированных полос, участки которых расположены под углом друг к другу. Если гофрированных полос несколько, то на их боковых сторонах выполняют пазы для сцепления друг с другом. Прототип имеет все недостатки, указанные выше для аналогов.
Задачей технического решения является гарантированное равномерное распределение макрообъемов текучих сред по объему трубопровода при их турбулентном и ламинарном движении, а также исключение больших локальных касательных напряжений. Поставленная цель достигается благодаря тому, что в статическом смесителе, содержащем цилиндрический корпус и смесительный элемент, предусмотрены следующие отличия: смесительный элемент содержит входную и выходную решетки с размеченными равновеликими зонами, в которых расположены отверстия, причем число отверстий в каждой зоне равно числу зон, а каждое отверстие каждой из зон входной решетки сообщается посредством трубки с одним отверстием каждой из зон выходной решетки.
Конструкция предлагаемого статического смесителя представлена на фиг.1. На фиг.2 представлен вид входной решетки со стороны входа потока, на фиг.3-вид выходной решетки со стороны выхода потока.
Смеситель содержит цилиндрический корпус 3, приваренные к нему фланцы 2 и 5 и смесительный элемент. Смесительный элемент на входе содержит входную решетку 1, на выходе - выходную решетку 6, причем число отверстий в размеченных равновеликих зонах 7 и 8 решеток 1 и 6 равно числу выделенных на их поверхности зон, а каждое из отверстий одной зоны входной решетки 1 сообщается посредством трубок 4 (на фиг.1 обозначены осевыми линиями) с одним отверстием каждой из зон выходной решетки 6. Трубки 4 изготовлены из металла и обладают способностью принимать остаточные и упругие деформации, достаточные для обеспечения возможности монтажа смесителя. Они закреплены в решетках 1 и 6 с помощью развальцовки. Смесительный элемент скреплен с корпусом 3 посредством сварки решеток 1 и 6 с корпусом 3. На фиг.2 серым цветом выделены все отверстия одной из зон входной решетки 1, на фиг.3 - отверстия выходной решетки 6, с которыми сообщаются посредством трубок 4 отверстия входной решетки 1, выделенные на фиг.2.
Поток смешиваемых сред поступает в отверстия входной решетки 1, проходит по трубкам 4 и выходит через отверстия выходной решетки 6. Объем среды, поступающей в отверстия какой - либо зоны входной решетки 1 распределяется по всем зонам выходной решетки 6 с помощью трубок 4 (см. фиг.2 и фиг.3). Если, например, в отверстия двух зон входной решетки 1 втекает жидкость А, а в отверстия пяти других зон - жидкость Б, то в каждой зоне выходной решетки 6 через два отверстия вытекает жидкость А, через пять других - жидкость Б. После качественного перемешивания макрообъемов сред микроперемешивание за счет процессов, свойственных потоку при существующем режиме течения в трубопроводе, завершается значительно быстрее. Если, тем не менее, имеющейся длины трубопровода недостаточно для обеспечения микроперемешивания, можно использовать дополнительный статический смеситель с небольшим гидравлическим сопротивлением. Возможность появления недопустимо высоких касательных напряжений исключают при проектировании смесителя путем ограничения скорости среды в трубках 4.
Кроме способа крепления с помощью приваренных к корпусу фланцев (см. фиг.1), смесители могут крепиться к трубопроводу с помощью свободных фланцев, резьбовых соединений, сварки.
При опасности возникновения вибрации трубок пространство между трубками и цилиндрическим корпусом заливают компаундом.
В качестве трубок могут быть использованы шланги в металлической оплетке, армированные шланги, пластиковые трубки и др.
Уменьшение количества отверстий на поверхности решеток упрощает монтаж смесительного элемента, но приводит к снижению качества макроперемешивания. Уменьшение диаметра трубок упрощает монтаж смесительного элемента, но приводит к возрастанию гидравлического сопротивления смесителя.
Возможно использование смесителя с большим, по сравнению с трубопроводом, на котором он устанавливается, диаметром цилиндрического корпуса, со стыковкой смесителя с трубопроводом с помощью конических переходников. Увеличение диаметра смесителя целесообразно при необходимости:
- увеличения диаметра трубок с целью снижения скорости потока в трубках и гидравлического сопротивления смесителя;
- увеличения числа отверстий в решетках и трубок с целью повышения качества перемешивания;
- увеличения пространства около трубок с целью упрощения монтажа смесительного элемента;
- крепления трубок с помощью разъемных соединений (требующих большего пространства по сравнению с неразъемными соединениями) при необходимости их периодической замены;
- унификации смесителя в некотором диапазоне диаметров трубопроводов.
Кроме перемешивания сред разного компонентного состава смесители могут быть использованы для выравнивания температур и поля скоростей потока.
1. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета. - Л.: Химия, 1984.
2. Сайт компании Sulzer Chemtech: 118_static_mixers_ru.pdf «Статические смесители. Технологическое смешение и реакционные технологии»
3. Чаусов Ф.Ф. Отечественные статические смесители для непрерывного смешивания жидкости. - Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2009, №3.