КОМБИНИРОВАННЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ-АКТИВАТОР
COMBINED STATIC MIXER-ACTIVATOR

Изобретение относится к статическому смесителю-активатору для многофазных систем и может быть использовано для механических воздействий разной физической природы на структуру жидких систем или отдельно взятой жидкой среды, и предназначенному для смешения, гомогенизации и направленной активации свойств и рекомбинации жидкостей.
Статические смесители имеют преимущество, например, перед роторно-пульсационным аппаратом в виде относительной простоты конструкции и отсутствия подвижных частей, однако их применение ограничено недостаточной степенью гомогенизации смешиваемых сред (Туболкин А.Е. Получение и модифицирование низковязких полимерных композиций в роторно-пульсационных аппаратах в режиме автоколебаний: дисс.… канд. техн. наук: 05.17.06 / Туболкин А.Е. - СПб., 2006. - 134 с.).
Известно несколько наиболее часто применяющихся статических смесителей, используемых отдельно либо в совокупности в различных конструкциях устройств (Богданов В.В. и др. Эффективные малообъемные смесители. / В.В. Богданов, Е.И. Христофоров, Б.А. Клоцунг. - Л.: Химия, 1989. - 224 с.: ил.).
Наиболее близким из известных устройств к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство, описанное в патенте RU №2411074 С1, от 01.07.2009 г., МПК B01F 13/10 (2006.01), в соответствии с которым смешение осуществляют в аппарате с последовательно расположенными секциями, в первой секции осуществляется кинематическое действие (вихревая часть), приводящее к квазиударному воздействию, во второй секции осуществляется кавитационное воздействие, третья секция выполнена с возможностью турбулизации потока и разделения его на малые пересекающиеся струи.
Тем не менее, комбинированный смеситель-активатор имеет недостатки: отсутствие вихреобразователей, недостаточное кавитационное воздействие и эффективное дробление на струи и капли.
Техническая задача настоящего изобретения - устранить указанные недостатки за счет увеличения эффективности статичных смесителей-активаторов путем повышения степени гомогенизации жидкофазных систем и уменьшения размера капель результирующей среды.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в комбинированном статическом смесителе, содержащем три последовательно соединенных смесителя в цилиндрическом корпусе, зазоры между узлами которых и корпусом настолько малы, что возможен сдвиг между молекулярными слоями, и заканчивающемся торцевой крышкой, которая имеет конусообразную выемку для формирования потока на выходе, в первом смесителе установлены внутри два винтовых элемента с противоположной навивкой и внутренний винтовой элемент установлен внутри внешнего винтового элемента, также во внутреннем винтовом элементе проходит цилиндрический стержень, выполненный заодно с цилиндрической вставкой, в которой есть сквозные каналы, направляющие поток жидкости в промежуточную камеру второго смесителя, центры входных отверстий каналов располагаются в зазоре между витками винтовых элементов, третий смеситель содержит смесительный элемент, составленный из перекрещивающихся решеток, состоящих из гребенок с отогнутыми в противоположных направлениях на некоторый угол зубьями и собранных таким образом, что в совокупности указанные элементы образуют объемную решетку со смещенными на ширину зубьев прорезями, согласно изобретению в первом смесителе выполнен вход для жидкости в виде сопла с тангенциальным вводом, во втором смесителе установлена плита со скругленными в сторону выхода краями, в третьем смесителе установлены два кольцевых магнита, при этом цилиндрический корпус выполнен из немагнитного материала.
Использование смесителя-активатора, содержащего три последовательно соединенных статических смесителя в корпусе, позволяет осуществлять различные принципы воздействия на обрабатываемую среду. Первый смеситель осуществляет кинематическое действие, которое реализовано посредством подачи жидкости в сопловый вход с тангенциальным вводом и винтовыми элементами, второй смеситель оказывает кавитационное воздействие, третий смеситель разделяет общий поток обрабатываемой жидкости на малые пересекающиеся струи и оказывает магнитное воздействие для интенсификации процессов активации и структуризации. Использование многофакторного импульсного воздействия способствует активному смешению многофазных систем и приводит к их структуризации благодаря нарушению межмолекулярного взаимодействия среды, поступающей на вход в смеситель-активатор, а для отдельно обрабатываемой жидкой среды активация и рекомбинация приводят к разрыву межмолекулярных связей.
Подача жидкости в первый смеситель в предлагаемой конструкции осуществляется в отличие от прототипа с помощью соплового входа с тангенциальным вводом среды, что приводит к начальному завихрению обрабатываемой среды, поступающей на винтовые элементы, и интенсификации процесса вихреобразования и смешения в первом смесителе.
Во втором смесителе осуществляется процесс кавитации за счет того, что жидкая среда продавливается через выполненные в цилиндрической вставке каналы, затем ударяется о плиту (чем достигается дополнительная кавитация по отношению к конструкции прототипа) и попадает в камеру с перепадом давления, где происходит дополнительная кавитация и турбулизация.
В третьем смесителе поток жидкости дробится на струи благодаря следованию через пространственную решетку и подвергается воздействию магнитного поля, способствующего дополнительному расщеплению струй и интенсификации массообменных процессов потока жидкости, проходящего в зазорах решетки, что также выделяет предлагаемую конструкции по отношению к прототипу. Получаемые при этом капли имеют диаметр порядка 1-3 микрона.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид смесителя-активатора, а на фиг. 2 - разрез А-А входа в смеситель-активатор перпендикулярно цилиндрической оси.
Комбинированный смеситель-активатор состоит из цилиндрического корпуса 1, где расположены три смесителя, внешний винтовой элемент 2 в первом смесителе содержит внутренний винтовой элемент 3, имеющий противоположную навивку относительно внешнего винтового элемента 2, внутри винтового элемента 3 с малым зазором проходит цилиндрический стержень 4, выполненный заодно с цилиндрической вставкой 5, имеющей со стороны, противоположной стержню 4, плиту 6 со скругленными по радиусу краями. Цилиндрическая вставка 5 содержит каналы 7, центры входных отверстий которых располагаются в зазоре между витками винтовых элементов 2 и 3, направляющие поток жидкости в промежуточную камеру 8, а оттуда в третий смеситель, содержащий пространственную решетку 9, которая состоит из гребенок с отогнутыми в противоположных направлениях на некоторый угол зубьями и собранных таким образом, что в совокупности указанные элементы образуют объемную решетку со смещенными на ширину зубьев прорезями, ориентированных вдоль цилиндрического корпуса 1, и установленные два кольцевых постоянных магнита 10 (например, Nd-Fe-B). Вход в смеситель-активатор представлен в виде сопла с тангенциальным вводом 11, разрез которого представлен на фиг. 2, а выход - в виде торцевой крышки 12, имеющей конусообразную выемку для формирования потока на выходе.
Комбинированный смеситель-активатор работает следующим образом. Насосом, который не показан на фиг. 1, подаются смешиваемые жидкости в сопловый вход с тангенциальным вводом 11, поток завихряется и приобретает кинетическую энергию, далее произвольно распределяется по внешнему и внутреннему винтовым элементам 2 и 3 - это небольшие металлические спиральные ленты, изготовленные скручиванием плоской пластины на некоторый угол вдоль продольной оси. Право- или левоизогнутый винтовой элемент 2 прилегает без зазоров между боковыми гранями винтового элемента и цилиндрической поверхности корпуса 1. Внутри элемента 2 находится винтовой элемент 3 и имеет навивку левостороннюю или правостороннюю. Между витками винтовых элементов 2 и 3 имеется малый зазор.
В первом смесителе жидкость расслаивается при переходе от одного элемента к другому, а в пределах одного винтового элемента течет по двум полукруглым винтовым каналам, в противофазе, это приводит к множественным локальным квазиударным процессам, которые способствуют дроблению и смешению жидкостей. В конце первого смесителя перед цилиндрической вставкой 5, содержащей каналы 7, образуется вихревая зона, формирующая псевдокипящий слой.
Во втором смесителе происходит кавитационное действие на жидкую среду. В каналах 7 повышается внутреннее давление, сжимающее образующиеся капли, которые ударяются о плиту 6, попадают в промежуточную камеру 8. Возникает кавитация вследствие резкого перепада давления и ударения потока о плиту 6, причем возникает как акустическая кавитация, так и гидродинамическая, обусловленная интенсивным вихревым движением жидкости, происходит дробление крупных капель на капли меньшего диаметра. Следует отметить, что акустическая и гидродинамическая кавитации возникают одновременно в одном потоке и дополняют друг друга. Само по себе схлопывание пузырьков служит источником выделения звуковой энергии. Скругленные по радиусу края плиты 6 предназначены для направления движения образующихся потоков, что позволяет ликвидировать застойную зону. Эффект кавитации сопровождается микровзрывами, ультразвуком, соударениями, что дает возможность делить диспергируемые вещества на мельчайшие микрочастицы, кавитация влияет на изменение структурной вязкости - на разрыв связей Ван-дер-Ваальса.
В третьем смесителе происходит многократное разделение и рекомбинация смешиваемых компонентов статическим способом с помощью своеобразной пространственной решетки 9. Происходит разделение жидкостей на отдельные потоки и их направленное движение по сложным каналам, где они многократно разделяются и воссоединяются в пересекающихся направлениях друг с другом, совершая при этом активный массообмен, вновь дробятся до высокой степени гомогенизации. При прохождении жидкости через пространственную решетку происходит магнитная обработка жидкой системы. В активаторе применены два кольцевых постоянных магнита 10, которые наклонены по отношению к продольной оси корпуса, что позволяет повысить эффективность активизации проходящего топлива. Искривление магнитного поля и создание попеременного (волнообразного) воздействия магнитного поля сначала полем одной полярности первого магнита, затем полем обратной полярности этого же кольцевого магнита и точно также последовательно двумя полями полярности второго магнита способствует расщеплению и интенсификации массообменных процессов потока жидкости, проходящего в зазорах решетки 9.
Таким образом, использование комбинированного статического смесителя-активатора позволить повысить степень гомогенизации жидкофазных систем и уменьшить размер капель результирующей среды.