Смеситель

Полезная модель  относится к конструкции мешалок для одновременного перемешивания ньютоновских и структурированных однородных жидкостей и эмульсий на макро- и микроуровнях и может найти применение в химической, нефтехимической, фармакологической, пищевой и в экологических процессах смешения жидких и газожидких отходов при их вторичной переработке.
Известен аппарат для перемешивания эмульсий - экстрактор Менсинга, состоящий из корпуса наружного цилиндра, осесимметрично закрепленного на корпусе, и внутреннего цилиндра, закрепленного на рубках, подводящих вторичный растворитель и исходный продукт к лопастям быстроходной мешалки, закрепленной на валу привода, закрепленного на крышке корпуса [Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. - М. Химия, 1975, с. 322].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная производительность из-за перемешивания только на макроуровне, что уменьшает поверхность массопередачи при экстракции и число капель.
Известен аппарат для улучшения больших объемов жидкости и организации направленного ее течения (при большом отношении высоты к диаметру аппарата), состоящий из корпуса, вала, пропеллера и диффузора. Диффузор представляет собой короткий цилиндрический или конический стакан, внутри которого помещают мешалку (Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии, Издание 8-е, переработанное. - М.: Химия, 1971, с. 209).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится жесткое крепление диффузора к стенкам корпуса, что приводит к возникновению застойных зон у боковых стенок и днища корпуса, снижает интенсивность и эффективность перемешивания вблизи неподвижных стенок и днища корпуса, а также снаружи самого неподвижного диффузора, особенно при перемешивании структурированных высоковязких и неньютоновских жидкостей, а работа мешалки способствует перемешиванию в основном на макроуровне, что уменьшает скорость тепломассообменных процессов и приводит к уменьшению производительности.
Известна конструкция смесителя, выбранная за прототип, содержащая корпус, центральную быстроходную мешалку, закрепленную на валу привода, тихоходную мешалку, снабженную поплавком, выполненным в виде тора, жестко закрепленным в верхней ее части, и установленную соосно корпусу, и гидромуфту, ведомая полумуфта которой закреплена на лопастях тихоходной мешалки, выполнена в виде цилиндрического патрубка и установлена осесимметрично с валом, и ведущей полумуфтой, имеющей форму цилиндра, жестко закрепленного на валу (патент на полезную модель РФ №109010, B01F 7/16, 2011).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится перемешивание в основном на макроуровне, что уменьшает число капель и их поверхность, а значит, снижает интенсивность образования однородной гомогенизированной жидкой фазы, число и поверхность микрокапель и, как следствие, приводит к низкой производительности.
Техническим результатом предлагаемой конструкции смесителя является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в смесителе, содержащем корпус, центральную быстроходную мешалку, закрепленную на валу привода, тихоходную мешалку и гидромуфту с ведомой полумуфтой в виде цилиндрического патрубка, закрепленной на лопастях тихоходной мешалки, причем цилиндрический патрубок в верхней и нижней частях соединен с валом привода посредством подшипников качения.
Соединение цилиндрического патрубка в верхней и нижней частях с валом привода подшипниками качения обеспечивает потоки жидких фаз эмульсии или газожидких фаз гетерогенных систем, циркулирующих внутри цилиндрического патрубка, за счет насосного эффекта, дополнительно интенсивно перемешивается на микроуровне в сепараторах подшипников качения при их вращении. Это уменьшает размер гетерогенной фазы (капель или пузырьков газа), увеличивает их число и поверхность тепло- и массопередачи, что способствует росту производительности.
На фиг. 1 представлена предлагаемая схема конструкции смесителя в разрезе.
Смеситель включает в себя корпус 1 с крышкой 2 (электродвигатель на чертеже не показан), соединенный с валом 3, на котором установлена пропеллерная быстроходная мешалка 4, выполняющая функцию ведущей полумуфты. Осесимметрично с пропеллерной мешалкой 4 установлена поперечная лопасть 5 рамной (например, якорной) мешалки 6, к которой прикреплен цилиндрический патрубок 7. Поперечная лопасть 5 рамной мешалки соединяется с рамной тихоходной мешалкой 6, а цилиндрический патрубок 7, выполняющий роль ведомой полумуфты, в верхней и нижней частях соединен с валом 3 подшипниками качения 8.В крышке 2 установлен патрубок 9 для ввода перемешиваемых жидкостей, а в корпусе 1 в его нижнее части установлен патрубок 10 для отвода перемешенных на макро- и микроуровнях жидкостей из корпуса 1.
Смеситель работает следующим образом. По патрубку 9 в корпусе 1 подается исходная жидкость для перемешивания, а перемешанная отводится из корпуса 1 через патрубок 10. Включается привод, начинает вращаться вал 3 с пропеллерной быстроходной мешалкой 4, создающий зону перемешивания в центральной части корпуса 1. Крутящий момент, передающийся от вала 3 к рамной (якорной) тихоходной мешалки 6 через цилиндрический патрубок 7 и поперечную лопасть 5, создает зону перемешивания в переферийных (боковой и нижней) частей корпуса 1, то есть рамная (якорная) тихоходная мешалка 6 создает перемешивание на макроуровне, а пропеллерная быстроходная мешалка 4 создает перемешивание на макро- и частично микроуровне как в прототипе. Для интенсификации микроуровня смешения служат подшипники качения 8. Они работают следующим образом. Пропеллерная быстроходная мешалка 4 создает при вращении насосный эффект образующий потоки перемешиваемой жидкости в цилиндрическом патрубке 7, направленные снизу вверх (показаны на рисунке стрелками). Эти макропотоки жидкости, попадая во вращающиеся сепараторы подшипников качения дробятся ими на мелкие капли (пузырьки газа), образуя микродисперсную фазу с большой поверхностью тепло- и массопередачи, приводящую к интенсификации этих процессов, а значит росту производительности.
Пример. Сравнение эффективности микроперемешивания в смесителе предлагаемой конструкции и в прототипе [Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. - М. Химия, 1975, с. 322].
Дано: Число оборотов вала быстроходной мешалки: п=100 об/мин.
Тогда угловая скорость вращения:
в
в
Внутренний диаметр вращающейся обоймы шарикоподшипника (роликоподшипниковый) d=200 мм, а диаметр внутренней дорожки, в которой вращаются шарики (ролики) D=216 мм (δ=8 мм) при диаметре шариков (роликов) d=16 мм, то линейные скорости вращения шариков (роликов) [Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя: в 3-х т. - 9-е изд., перераб. и доп ./ под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2006. - 928 с.]:
При зазоре между шариками (роликами), разделенными сепараторами, равном:
z=6 мм=0,006 м.
Средний градиент скорости:
Первый сомножитель, равный 2, учитывает противоположность направления векторов υ смежных шариков (роликов).
Сравним полученный средний градиент скорости между шариками (роликами) подшипника вращения со средним градиентом скорости аппарате с пропеллерной мешалкой и диффузором (гильзой цилиндра), то есть с градиентом скорости в прототипе.
Внутренний диаметр диффузора, в котором крепится внешняя обойма подшипника:
н
в
d= D+d+2⋅δ = 0,216+16+2 ⋅ 8 = 0,248 м.
a
м
a
При диаметре аппарата D=0,6u и размахе лопастей пропеллерной мешалки d=0,2 ⋅ D=0,2 ⋅ 0,6=0,12 м.
-1
В зазоре между стенкой цилиндрического патрубка и краем лопасти пропеллерной быстроходной мешалки, вращающейся с угловой скоростью ω=10,46 с, линейная скорость лопастей мешалки
Тогда средний градиент скорости в прототипе:
где
Таким образом, средний градиент скорости в сепараторе между шариками (роликами) в предлагаемой конструкции больше чем средний градиент скорости в прототипе:
Соответственно микроперемешивание макропотоков перемешиваемой жидкости в сепараторе между шариками (роликами) подшипника качения происходит в 32,3 раза интенсивнее, чем в кольцевом зазоре между стенкой цилиндрического патрубка и лопастями пропеллерной мешалки в патенте, выбранном за прототип.
Для неньютоновских жидкостей увеличения градиента скорости приводит к снижению эффективной вязкости, а значит, способствует еще большему разжижению и микросмешению.
Таким образом, соединение цилиндрического патрубка 7 в его верхней и нижней частях с подшипниками качения 8 с валом привода 3 обеспечивает микросмешение перемешиваемых жидкостей во вращающихся сепараторах этих подшипников качения 8 при фильтрации перемешиваемой жидкости через сепараторы, прокачиваемой внутри цилиндрического патрубка 7 снизу вверх за счет насосного эффекта быстроходной пропеллерной мешалки 4.
Это приводит к увеличению объема перемешивания на микроуровне, интенсификации самого процесса микроперемешивания и способствует в целом росту производительности.