МНОГОСТУПЕНЧАТОЕ ГИДРОУДАРНО-КАВИТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к химической, нефтяной, горнодобывающей и другим отраслям промышленности и предназначено для активации материалов в процессе их смешивания, измельчения и гомогенизации.
Известен гидроударно-кавитационный диспергатор для приготовления углерод-углеродных композиций [RU 2317849, С2 B01F 7/26, 2006, опубликовано 27.02.2008], содержащий корпус с входными и выходными патрубками, внутренний ротор с лопастями центробежного насоса и цилиндрическим кольцом, по периметру которого выполнены щели. Статор концентрически охватывает внутренний ротор и имеет щели по периметру цилиндрического кольца.
К основным недостаткам данного устройства относится цикличность процесса измельчения, активации и гомогенизации, которая обеспечивается многократными проходами суспензии через устройство. Вследствие чего увеличивается громоздкость самой рабочей схемы и ее энергоемкость.
Известно близкое по технической сущности гидродинамическое многосекционное кавитационное устройство гомогенизации водотопливной эмульсии [RU 2202406, С2 D01F 3/08, 2001, опубликовано 20.04.2003]. Устройство содержит корпус с входным и выходным патрубками, образованный торцевыми крышками и соединенными друг с другом стяжными элементами и ступенями корпуса установки, содержащих рабочие пары «статор-ротор», в которых вращающейся на валу ротор каждой ступени имеет по окружности щели и размещен внутри статора, который тоже имеет по окружности щели, причем число щелей в роторе равно числу щелей статора.
К основным недостаткам данного устройства относятся невысокая производительность и низкая эффективность активации и гомогенизации, невозможность мелкодисперсного доизмельчения твердой фазы в процессе активации и гомогенизации смешиваемой суспензии в проточном режиме.
Задачей изобретения является повышение эффективности устройства, позволяющего проводить последовательное мелкодисперсное измельчение, смешение и активирование гетерогенных и гомогенных систем «жидкость-жидкость», «жидкость - твердые частицы» в проточном режиме.
Поставленная задача решается путем применения многоступенчатого гидроударно-кавитационного устройства для мелкодисперсного измельчения, гомогенизации и активации материалов в процессе их смешивания в проточном режиме, состоящего из рабочих камер, ступеней корпуса, внутри которых установлены рабочие пары «статор-ротор» со щелями в боковых стенках, сужающихся в сторону статора, щелями статора, расширяющимися в сторону ротора и имеющими различную форму, при этом количество щелей в роторе и статоре каждой ступени постоянно, но возрастает кратно в каждой из последующей ступеней от входного патрубка к выходному при неизменной пропускной способности каждой ступени. Конструкции статоров и роторов направлены на создание импульсных воздействий различных частот, вызываемых возмущениями давлений при периодическом прерывании потока, вследствие перекрывании отверстий ротора и статора.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в мелкодисперсном измельчении в рабочих камерах каждой из ступеней, смешение и активирование гетерогенных и гомогенных систем «жидкость - жидкость», «жидкость - твердые частицы» в проточном режиме, это обеспечивается новой совокупностью признаков:
Последовательная однонаправленность ступеней устройства, обеспечит при движении потока приращение давления и частот, близких к ультразвуку, от входного патрубка к выходному, что позволит получить на выходе каждой из последующих ступеней более высокую степень смешения, активации и гомогенизации обрабатываемого материала.
Одинаковое соотношение количества щелей в статоре и роторе одной ступени и кратное возрастание щелей в каждой последующей ступени при постоянной пропускной способности ступеней обеспечит реализацию локального гидроудара для эффективного разрушения, как на сжатие, так и на разрушение поступившей частицы в смеси.
Различная форма щелей в статоре и роторе первоначальных ступеней и заключительной позволяет увеличить эффективность кавитационной обработки жидких сред в ступенях устройства, что способствует положительному эффекту разрушения обрабатываемой частицы, возникающего вследствие воздействия на растяжение.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображена схема установки;
на фиг.2 изображен разрез многоступенчатого гидроударно-кавитационного устройства; на фиг.3 изображена прямоугольная форма щелей статора и ротора;
на фиг.4 изображена треугольная форма и взаимное расположение щелей статора и ротора.
Заявляемое многоступенчатое гидроударно-кавитационное устройство (фиг.2) содержит входной патрубок 1 и выходной патрубок 2, корпус 3, внутри которого установлены роторы 4, 5, 6, 7 и статоры 8, 9, 10, 11, торцевые крышки 12, вал 13. Роторы и статоры представляют собой рабочие пары «статор-ротор» со щелями в боковых стенках и рабочими камерами 14.
Многоступенчатое гидроударно-кавитационное устройство работает следующим образом.
Из рециркуляционной емкости 1 (фиг.1) предварительно подготовленный материал с измельченными частицами через входной патрубок 1 поступает в многоступенчатое гидроударно-кавитационное устройство 2 (фиг.1). В процессе функционирования обрабатываемая смесь, находящаяся в рабочей камере 14, разгоняется в направлении щелей ротора 4, 5, 6, 7. В момент перекрытия кольцом статора 8, 9, 10, 11 щелей ротора скорость движения потока резко снижается и прерывается, происходит гидравлический удар, сжимающие усилия через жидкость передаются на частицы твердых веществ, деформируя их. При совмещения щелей ротора и статора нагрузка с частицы снимается, и она испытывает деформацию растяжения.
При выходе из отверстия ротора в отверстие статора материал попадает в поле кавитационных импульсов, образованных расширением канала потока в рабочей камере. Под воздействием схлопывающихся пузырьков жидкости разрушаемая частица получает дополнительное разрушение от знакопеременных нагрузок. Большая суммарная поверхность кавитационных пузырьков обеспечивает интенсивный диффузионный обмен между жидкой и газовой фазами, в результате чего происходит ускорение активирующих реакций. Далее через выходной патрубок 2 готовый продукт поступает в накопительную емкость 3 (фиг.1) в непрерывном проточном режиме.
Последовательно расположенные и однонаправленные на осевом валу 13 ступени устройства при движении потока создают приращение давления и импульсных частот, близких к ультразвуку, от входного патрубка 1 к выходному 2. Это позволяет получить на выходе каждой из последующих ступеней более высокую степень смешения, активации и гомогенизации обрабатываемого материала. При переходе потока из одной ступени в другую кратно повышается давление, которое способствует увеличению частоты гидро-кавитационных импульсов. Изменение частоты определяется конструкцией рабочих пар, формой и количеством щелей статора и ротора. Увеличение импульсной частоты способствует мелкодисперсному измельчению твердых частиц в непрерывном потоке. Дисперсность частиц увеличивается от ступени к ступени в соответствии с увеличением резонансной частоты измельчения.
Благодаря равному количеству щелей в статоре и роторе одной ступени и кратному увеличению щелей в каждой последующей ступени от входного патрубка к выходному при постоянной пропускной способности ступеней обеспечивается эффективный локальный гидроудар для качественного разрушения на сжатие поступившей частицы в смеси. Форма щелей в статоре 8 и роторе 4 первоначальных ступеней от входного патрубка к выходному имеют трапециевидную, близкую к прямоугольной, форму (фиг.3). Для увеличения эффективности кавитационной обработки жидких сред в устройстве щели ротора 7 и статора 11 последней ступени выполнены с одинаковым сечением, близким по форме к треугольной (фиг.4). При вращении острие треугольной формы щели ротора двигается навстречу острию треугольной формы щели статора. В этом случае скорость изменения площади проходного сечения в момент закрывания прерывателя максимальна, максимальна и глубина импульса, возбуждающего кавитацию, а расход снижается - поэтому на единицу массы обрабатываемой среды приходится большее энергетическое воздействие.
В зависимости от требуемого гранулометрического состава, дисперсности материала, степени активации и гомогенизации подбирается число ступеней устройства и частотные характеристики каждой из них.