УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕХАНОАКТИВАЦИИ КОЛЛОИДНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к устройствам для механоактивации систем жидкость-твердое тело и может быть использована в легкой, медицинской, строительной, химической, пищевой и в других отраслях промышленности, где необходимо получать коллоиды и эмульсии.
Известно устройство для приготовления поризованной смеси, содержащее клиновидные лопасти, изготовленью из полых конусов с соплами в виде диффузоров, при этом сопла размещены в основаниях полых конусов. Снаружи конусов в головной их части коаксиально установлены цилиндрические направляющие, выполненные диаметром меньшим диаметра оснований конусов. Внутренние полости конусов соединены с источником газа с помощью полых радиальных кронштейнов и полого вертикального вала. [Устройство для приготовления поризованной смеси: пат. 2626202 Рос. Федерация. N 2016126003; заявл. 28.06.2016; опубл. 24.07.17, Бюл. N 21. 6 с.]
Основным недостатком данного устройства является необходимость подвода сжатого воздуха, что снижает эффективность перемешивания, повышает затраты на приготовление поризованной смеси и усложняет конструкцию.
Известна мешалка, содержащая рабочий орган, установленный на вертикальном валу, в виде ротора со спицами, на конце которых закреплены элементы, входными расширяющимися отверстиями обращенные в сторону вращения. Элементы выполнены в виде диффузора-конфузора и в виде дугообразных элементов и установлены на спицах разной длины, причем внутри корпуса установлен цилиндрический стакан с буртиком, на внутренней стенке которого закреплены неподвижные плоские турбулизаторы. [Мешалка: пат. 2396108 Рос. Федерация. N 2009113919/15; заявл. 13.04.2009; опубл. 10.08.2010, Бюл. N 22. 5 с.]
Недостатком данного устройства является его применение только для аппаратов непрерывного действия.
Наиболее близким по технической сущности изобретением является мешалка, содержащая вертикальный вал, на котором смонтирован горизонтальный ротор со спицами и лопастями, на конце которых установлены конфузоры, расширяющими сторонами обращенные в сторону вращения ротора.
Внутри каждого конфузора установлены турбулизаторы гиперболической формы, обращенные вершиной в сторону вращения конфузора, причем каждый турбулизатор у своего основания образует пространство между внутренней стенкой конфузора и турбулизатора. [Мешалка: пат. 2227764 Рос. Федерация. N 2004124680/15; заявл. 12.08.2004; опубл. 20.06.2006, Бюл. N 17. 6 с.]
Недостатком данной мешалки является невозможность применения для гибких и быстропереналаживаемых производств. Внутренние устройства гиперболической формы создают направленное движение жидкости, но не создают завихрения потока жидкости во всем объеме аппарата.
Техническим результатом изобретения является повышение энергетической активности и турбулентности.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для механоактивации коллоидных дисперсных систем, содержащем емкость для компонентов коллоидной дисперсной системы, горизонтальный ротор со спицами и турбулизаторами, согласно полезной модели в качестве турбулизаторов используют усеченные призмы, на малых сечениях усеченных призм имеются пластины, направленные под острым углом к основанию внутрь нее, а внутри призмы по центру разделены продольными перегородками, при этом площадь входного отверстия призмы относится к площади выходного отверстия как 3÷4:1.
В результате вращения ротора усеченные призмы захватывают дисперсную композицию и ускоряют ее вследствие различия размеров входного и выходного отверстий, что приводит к возникновению турбулентных кольцеобразных фрактальных потоков коллоидной системы и вихрей Ренкина, вызывающих модификацию структурно-физических состояний компонентов эмульсии. Вышеприведенные процессы в дисперсной системе создают высокие напряжения сдвига, приводящие к изменению морфологии твердых и жидких компонентов композиции, равномерности распределения твердой фазы и увеличению суммарной площади контакта фаз, что приводит к созданию высокоэнергетичной микрогетерогенной системы с размерами находящихся в ней частиц от 1 мкм до 100 мкм. При этом одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в объеме которой распределены частицы дисперсной фазы, утратившие в результате механоактивации способность к электростатической коагуляции.
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства (горизонтальная проекция); на фиг. 2 общий вид заявляемого устройства (фронтальная проекция); на фиг. 3 показан поперечный разрез призмы; на фиг. 4 - график зависимости времени половинного расслоения эмульсии от соотношения площадей входного и выходного отверстия призмы.
Устройство для механоактивации коллоидных дисперсных систем содержит (фиг. 1, фиг. 2) корпус аппарата 1, вертикальный вал 2, на котором закреплен горизонтальный ротор 3 со спицами 4, на конце которых установлены усеченные призмы 5 и 6, расширенными сторонами, обращенные в сторону вращения ротора 3. Призмы внутри разделены продольной перегородкой 7. На меньшем основании каждая усеченная призма оснащена пластинами 8, (фиг. 3) направленными под острым углом к основанию и изогнутыми внутрь призмы, образуя зону 9.
вх
вых
вх
вых
Площадь входного отверстия призмы относится к площади выходного отверстия как S/S=3÷4:1. Как видно из графика (фиг. 4) при соотношении S/S=3÷4:1 достигается наибольшее время расслоения, что говорит о наилучшем результате.
вх
вых
Если усеченные призмы имеют соотношение площадей входного и выходного отверстия меньшим диапазона S/S=3÷4:1, то образующиеся турбулентные фрактальные кольцеобразные вихри избыточно интенсивны и не способны к модификации структурно-физических состояний компонентов коллоидной системы, равномерности распределения твердой фазы и увеличению суммарной площади контакта фаз, что существенно снижает энергетическую активность эмульсионной системы. При соотношении большим указанного, то турбулентность потоков снижается, что не способствует изменению морфологии твердых и жидких составляющих композиции, что также снижает энергетические характеристики и реакционную способность.
Устройство работает следующим образом.
При вращении ротора 3, установленного на валу 2 в корпусе 1, усеченные призмы 5 и 6 подхватывают жидкость и ускорят ее продвижение вследствие различия размеров входного и выходного отверстий. Жидкость при выходе из малых отверстий призм меняют направление своего движения за счет удлиненной перегородки 7 и пластин 8. Удлиненные перегородки 7 и пластины 8 образуют зону 9 ударного взаимодействия струи за счет возврата потока, что приводит к интенсивному диспергированию компонентов. Фрактальные кольцевые вихри, возникающие вследствие разности размеров сечения усеченных призм 5 и 6 и наличия у них пластин 8, изогнутых во внутреннюю сторону призмы, взаимодействуют с плотностью фрактальных вихревых трубок, возникающих в объеме корпуса аппарата и способствуют созданию турбулентных потоков и вихрей Ренкина, обладающих синергическим эффектом воздействия на модификацию структурно-физического состояния компонентов коллоидной системы.
вх
вых
При соотношении S/S=3÷4:1 достигается наибольшее время расслоения, что говорит о наилучшем результате.
В результате, вследствие возникновения высоких напряжений сдвига, изменения морфологии компонентов композиции достигается равномерность распределения твердой фазы по всему объему рабочей емкости, создается обширная суммарная площадь контакта фаз и высокая устойчивость эмульсии к электростатической коагуляции.
Весь комплекс описанных явлений приводит к существенному изменению реакционной способности микрогетерогенной системы с размерами находящимися в ней частиц от 1 мкм до 100 мкм при ее последующей эксплуатации в различных технологических процессах.