Устройство для смешивания жидких сред

Полезная модель относится к области различных технологических процессов, а именно - к области смешивания, растворения, эмульгирования, диспергирования, суспендирования, может быть использовано для смешивания, растворения, эмульгирования, диспергирования, суспендирования в резервуарах смеси веществ, находящейся в жидком состоянии с различными реологическими характеристиками.
Известны лопастные мешалки, к которым относится якорная мешалка (далее ЯМ - якорная мешалка) [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. - 784 с. - Перепеч. с изд. 1973 г. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753 с.] [1].
Сущностью известного технического решения является якорная мешалка, представляющая собой жестко закрепленную на определенном расстоянии к вращающемуся вертикальному валу плоскую пластину, имеющую U-образную форму напоминающую якорь.
Основные достоинства якорных мешалок - простота устройства и невысокая стоимость изготовления.
3
2
К недостаткам мешалок этого типа следует отнести низкое насосное действие мешалки (слабый осевой поток), не обеспечивающее достаточно полного перемешивания во всем объеме аппарата. Вследствие незначительности осевого потока якорные мешалки перемешивают только те слои жидкости, которые находятся в непосредственной близости от лопастей мешалки. Развитие турбулентности в объеме перемешиваемой жидкости происходит медленно, циркуляция жидкости невелика. Поэтому якорные мешалки применяют для перемешивания жидкостей, вязкость которых не превышает 10 мн×сек/м. Эти мешалки непригодны для перемешивания в протоке, например в аппаратах непрерывного действия [1, с. 254].
Известно устройство для смешивания жидкостей, в частности, пастообразных сред и способ его работы по патенту US 5037209 [2].
Сущностью известного устройства, позволяющего перемешивать жидкости, включая жидкости с высокой вязкостью, содержащиеся в сосуде, является использование вращательного движения, конструктивно реализуемое с помощью:
а) вращения вертикального вала;
б) по меньшей мере, двух мешалок, каждая из которых представляет собой полый усеченный конус, у которого отношение отверстия большего поперечного сечения конуса к отверстию меньшего поперечного сечения конуса находится в интервале от 1,4 до 3,0;
в) отверстия большего поперечного сечения усеченного конуса, имеющего цилиндрическое впускное кольцо;
г) механизма вращения мешалки вокруг вала по круговой траектории со скоростью движения в пределах от 0,64 до 3,0 м/сек;
д) осей крепления мешалок, которые одним концом прикреплены радиально к валу вращения, а другим концом к мешалке таким образом, что продольная ось каждой мешалки является касательной к круговой траектории вращения мешалки и находится под углом от 10 градусов до 20 градусов по отношению к горизонтальной плоскости, в которой находится круговая траектория вращения мешалки, причем отверстие большего поперечного сечения усеченного конуса направлено вниз относительно горизонтальной плоскости, а отверстие меньшего поперечного сечения конуса направлено вверх относительно горизонтальной плоскости.
Таким образом, краткая сущность известного технического решения заключается в том, что устройство для смешивания по известному техническому решению представляет собой вал, установленный в резервуаре с жидкой средой с возможностью вращения вокруг продольной (вертикальной) оси, при этом к нижней части вала жестко под прямым углом прикреплено по меньшей мере две штанги, на концах штанг жестко установлены смесительные элементы, имеющие форму усеченного конуса с большим отверстием у основания и с малым отверстием в месте сечения конуса, смесительные элементы установлены под углом 10-20 градусов к круговой траектории вращения конусов, причем отверстие большего поперечного сечения усеченного конуса направлено вниз относительно горизонтальной плоскости, а отверстие меньшего поперечного сечения конуса направлено вверх относительно горизонтальной плоскости.
Недостатком известного технического решения [2] является то, что при скорости движения жидкости через смесительный элемент менее 1,3 м/сек в жидкости преобладают ламинарные потоки, что значительно снижает эффективность использования устройства по назначению, т.к. при низких скоростях вращения вала в известном устройстве не возникает турбулентных потоков.
Известно устройство - фланец мешалка по патенту US 2011249529 [3].
Сущность известного устройства для смешивания заключается в том, что по меньшей мере один перемешивающий элемент представляет собой жестко закрепленную на определенном расстоянии к вращающемуся вертикальному валу плоскую пластину круглой, овальной или квадратной формы с отверстием по центру. Отношение площади плоского элемента к площади поперечного сечения отверстия составляет от 0,5:1 до 1:х>1.
Недостатком известного технического решения [3] являются низкая эффективность применения по назначению вследствие более низкой эффективности смешивания жидкостей по сравнению с заявленным техническим решением, при сопоставимых энергетических затратах на перемешивание, особенно в случае перемешивания высоковязких жидкостей.
Наиболее близким по наибольшему количеству совпадающих признаков и достигаемому техническому результату к заявленному техническому решению, выбранному заявителем в качестве прототипа, является устройство для смешивания жидкостей и/или твердых веществ с жидкостями по патенту US 8876369 [4], (далее СЭП - смесительный элемент по прототипу).
Сущность прототипа заключается в том, что смесительное устройство содержит вал, на котором закреплена одним концом, по меньшей мере, одна ось, а на другом конце оси закреплен смешивающий элемент, имеющий в форму усеченного конуса, с большим отверстием на одном его конце и малым отверстием на противоположном конце, соединенным через выходную секцию с секцией диффузора, имеющего внутренний диаметр больший, чем выходная секция и множество вырезов, разнесенных относительно друг друга. Продольная ось смесительных элементов относительно горизонтальной плоскости вращения имеет угол от 0° до 35°.
Недостатками прототипа является:
- недостаточно эффективное смешивание веществ, находящихся в жидком состоянии, связанное с низкой эффективностью создаваемых турбулентных завихрений, т.к. смесительные элементы прототипа, в силу конструктивных особенностей, не обеспечивают эффективное создание турбулентных потоков, особенно при малых скоростях вращения вала и при высоких показателях вязкости перемешиваемых жидких сред, что приводит к увеличению времени перемешивания до достижения необходимой степени смешивания, растворения, эмульгирования, диспергирования, суспендирования;
- высокие энергетические затраты из-за длительного времени перемешивания.
Целью заявленного технического решения является устранение недостатков прототипа, а именно: разработка устройства для эффективного смешивания жидких сред различной вязкости путем повышения объема и эффективности создания турбулентных завихрений в резервуаре за счет изменения конструкции смесительных элементов, что, по мнению заявителя, приведет к снижению времени и энергетических затрат перемешивания до достижения необходимой степени смешивания, растворения, эмульгирования, диспергирования, суспендирования и удалению застойных зон в объеме резервуара смешения.
Техническим результатом является повышение эффективности процесса смешивания, растворения, эмульгирования, диспергирования, суспендирования в резервуаре различных жидких сред за счет увеличение объема турбулентных завихрений в объеме перемешивания. Вышеуказанное достигают с помощью изменения конструкции смесительных элементов путем оснащения их завихрителями, выполненными в виде право- или левозакрученной в спираль пластины, что дает возможность придания жидкой среде вращательного движения, вовлекающего в процесс движения дополнительные объемы жидкой среды и создающего дополнительные турбулентные потоки.
Поставленную цель и заявленный технический результат достигают созданием устройства для смешивания жидких сред различной вязкости, состоящее из одного и более смесительных элементов, каждый из которых состоит из конфузора, прямого участка и диффузора с вырезами, характеризующееся тем, что смесительные элементы имеют завихрители, выполненные в виде правозакрученной или левозакрученной вдоль продольной оси пластины с возможностью создания дополнительных турбулентных потоков.
Все вышеизложенное повышает эффективность перемешивания, связанное с уменьшением времени и снижением энергозатрат перемешивания и приводящее к удалению застойных зон в объеме резервуара смешения.
В результате вышеописанного:
- снижается время перемешивания до достижения необходимой степени смешивания, растворения, эмульгирования, диспергирования, суспендирования;
- снижаются энергетические затраты;
- удаляются застойные зоны в объеме резервуара смешения.
Заявленное устройство иллюстрируется Фиг. 1 - Фиг. 5.
На Фиг. 1 изображен общий вид заявленного устройства в резервуаре, где:
1 - смесительный элемент с завихрителем в виде правозакрученной в спираль пластины;
3 - вал;
4 - штанга крепления смесительного элемента;
5 - электродвигатель;
6 - емкость для смешивания;
11 - крестовина;
а) угол продольной оси смесительного элемента относительно горизонтальной плоскости его вращения составляет от 0° до 35°.
На Фиг. 2 изображен общий вид смесительного элемента, где:
1 - смесительный элемент с завихрителем в виде правозакрученной в спираль пластины;
1А - завихритель в виде правозакрученной в спираль пластины;
2 - смесительный элемент с завихрителем в виде левозакрученной в спираль пластины;
2А - завихритель в виде левозакрученной в спираль пластины;
3 - вал;
4 - штанга крепления смесительного элемента;
7 - диффузор;
8 - прямой участок смесительного элемента;
9 - конфузор;
10 - вырез диффузора;
11 - крестовина
На Фиг. 3 представлена Таблица 1, в которой приведены данные по определению времени полного растворения в воде хлорида калия KCl по удельной электрической проводимости раствора с использованием якорной мешалки (ЯМ), смесительных элементов по прототипу (СЭП), заявленных смесительных элементов (СЭЗ).
На Фиг. 4 представлена Таблица 2, в которой приведены данные по определению времени получения суспензии кварцевого песка в воде с использованием ЯМ, СЭП, СЭЗ.
На Фиг. 5 представлена Таблица 3, в которой приведены данные по определению среднего диаметра жировых частиц в эмульсионной системе «масло в воде» с использованием ЯМ, СЭП, СЭЗ.
Заявленное устройство представляет собой вал, установленный в резервуаре с жидкой средой, с возможностью вращения вокруг продольной (вертикальной) оси посредством, например, электродвигателя, установленного в верхней части вала, при этом к нижней части вала жестко под прямым углом к продольной оси вала радиально закрепляют с помощью крестовины, одну и более штанги. На штангах жестко, эквидистантно или на разных расстояниях, устанавливают смесительные элементы, состоящие из конфузора, прямого участка и диффузора с вырезами. Смесительные элементы устанавливают на штангах разнонаправленно под углом от 0° до 35° к круговой траектории вращения смесительных элементов в горизонтальной плоскости. Внутри смесительных элементов устанавливают завихрители в виде право- или левозакрученной в спираль пластины (Фиг. 1, 2) с целью повышения эффективности турбулизации потоков в перемешиваемой жидкости.
Конфузор является входом для перемешиваемой жидкости, а диффузор - выходом для перемешанной жидкости. Отношение диаметра входного отверстия конфузора к диаметру выходного отверстия диффузора находится, например, в интервале от 1,5 до 5,0.
Устройство вращения вертикального вала (электродвигатель) позволяет вращать смесительные элементы по круговой траектории с линейной скоростью вращения, например, от 0,1 до 4,5 м/сек.
Вал со смесительными элементами может быть расположен в любой части резервуара.
Устройство работает следующим образом.
Жидкая среда проходит через конфузор смесительного элемента, затем переходит на прямой участок смесительного элемента. Во время перехода жидкая среда приходит в состояние увеличивающейся турбулентности, как описано в прототипе. Далее жидкость проходит через прямой участок, а затем через диффузор с вырезами, диффузор также имеет определенный угол перехода с прямого участка, в результате чего в жидкости возникают обширные вихревые зоны, как описано в прототипе.
В заявленном устройстве, в отличие от прототипа, в смесительные элементы дополнительно устанавливают завихрители в виде право- или левозакрученной в спираль пластины, придающие дополнительное вращательное движение слоям жидкой среды и, таким образом, увеличивающие набор пульсаций векторов скоростей и давлений в различных слоях жидкой среды. В результате увеличивается турбулентность потоков слоев жидкой среды, что приводит к повышению эффективности процессов смешивания, растворения, эмульгирования, диспергирования, суспендирования.
Ниже приведены примеры конкретного выполнения заявленного технического решения.
Смешивание компонентов проводят в одной и той же прозрачной емкости кубической формы объемом 27 литров, размером 0,3 метра ×0,3 метра ×0,3 метра.
В качестве смесительных элементов используют соответственно:
- якорную мешалку (ЯМ);
- 2 смесительных элемента по прототипу - патент US 8876369 (СЭП);
- 2 заявленных смесительных элемента с завихрителями (СЭЗ), из них один смесительный элемент с завихрителем в виде правозакрученной в спираль пластины, второй смесительный элемент с завихрителем в виде левозакрученной в спираль пластины.
Число оборотов в минуту смесительных элементов - 44 об./мин.
Линейная скорость вращения - 0,7 м/сек.
Мощность двигателя вращающего вал со смесительными элементами - 250 Вт.
Температура раствора - плюс 25±1,5°С.
Полученный технический результат представлен в следующих примерах конкретного выполнения с использованием соответственно ЯМ, СЭП, СЭЗ.
Пример 1. Определение времени полного растворения в воде хлорида калия KCl по удельной электрической проводимости раствора с использованием ЯМ, СЭП, СЭЗ.
Электрическую проводимость раствора определяют с помощью кондуктометра-трансмиттера с контактным датчиком АЖК-3110. В дистиллированную воду с температурой 25°С вводят определенное количество хлорида калия KCl, включают двигатель, вращающий смесительные элементы в емкости с линейной скоростью вращения 0,7 м/сек, и затем измеряют удельную электрическую проводимость в двух максимально удаленных друг от друга точках объема емкости. В качестве времени полного растворения хлорида калия KCl принимают время, после которого исчезают колебания значений удельной электрической проводимости в двух точках измерения с точностью ±2%. Результаты эксперимента представлены в Таблице 1 на Фиг. 3.
Как видно из представленных в Таблице 1 результатов, при использовании якорной мешалки (ЯМ) время полного растворения в воде хлорида калия KCl при максимальной концентрации KCl 0,2 моль/л составляет 100 (±1) сек.
У смесительного элемента по прототипу (СЭП) время полного растворения составляет 55±1 сек. То есть в 1,8 раз меньше, чем у ЯМ.
У заявленного смесительного элемента оснащенного завихрителем в виде право- или левозакрученной в спираль пластины (СЭЗ) время полного растворения составило 26±1 сек., что в среднем в 3,8 раза меньше, чем у ЯМ и в 2,1 раза меньше, чем у СЭП.
Основываясь на изложенном, принимая во внимание равные крутящие моменты на валу двигателя, энергетические затраты при использовании заявленного технического решения в среднем снижены на 3,8 раза по сравнению с ЯМ и в 2,1 раза по сравнению с прототипом (СЭП).
Таким образом, эффективность заявленного смесительного элемента с завихрителями в виде право- или левозакрученной в спираль пластины как отношение полученного эффекта (полное растворение в воде хлорида калия) к затратам с точки зрения затраченной энергии будет в 2,1 раза выше, чем у смесительного элемента по прототипу.
Пример 2. Определение времени получения суспензии кварцевого песка в воде с использованием ЯМ, СЭП, СЭЗ.
Смешивание компонентов проводят в одной и той же прозрачной емкости кубической формы объемом 27 литров, число оборотов в минуту смесительных элементов - 44 об./мин., мощность двигателя вращающего вал со смесительными элементами - 250 Вт.
В дистиллированную воду вводят промытый кварцевые песок (фракция 0,8-4,0 мм) в объеме, составляющем 1/5-1/3 от объема 27 литровой прозрачной емкости кубической формы, затем включают двигатель, вращающий смесительные элементы в емкости, и затем измеряют время, за которое полностью исчезает осадок кварцевого песка на дне емкости. Эксперимент проводят с использованием ЯМ, СЭП, СЭЗ соответственно.
Результаты эксперимента представлены в Таблице 2 на Фиг. 4.
Как видно из представленных в Таблице 2 результатов, использование якорной мешалки (ЯМ) не позволяет полностью смешать кварцевый песок с водой при заданных условиях.
Смесительный элемент по прототипу (СЭП) при объеме кварцевого песка выше определенного значения также не в состоянии полностью смешать кварцевый песок с водой, т.к. наблюдался осадок песка в углах емкости кубической формы.
Заявленный смесительный элемент с завихрителем в виде право- или левозакрученной в спираль пластины обеспечивает полное перемешивание кварцевого песка (в указанных объемах от 1/3 до 1/5 объема емкости) с водой. При этом при объемах 1/3 емкости полное перемешивание наблюдают за 180 сек.
Таким образом, заявленный смесительный элемент с завихрителем в виде право- или левозакрученной в спираль пластины обеспечивает более эффективное смешивание при создании суспензий по сравнению со смесительным элементом по прототипу, поскольку достигнуто более эффективное удаление застойных зон в объеме резервуара смешения, независимо от его формы и размеров, указанный результат получен благодаря введению в конструкцию смесительного элемента лево или право закрученной пластины.
Пример 3. Исследование дисперсности водо-жировой эмульсионной системы с использованием ЯМ, СЭП, СЭЗ.
Смешивание компонентов проводят в одной и той же прозрачной емкости кубической формы объемом 27 литров, число оборотов в минуту смесительных элементов - 44 об./мин., мощность двигателя вращающего вал со смесительными элементами - 250 Вт.
Время работы смесительных элементов - 5 минут.
Эмульсионная система состоит из дистиллированной воды - 95% и рафинированного растительного масла - 5%.
На аппаратно-программном комплексе «ДиаМорф» анализируют изменение среднего диаметра жировых частиц в эмульсионной системе «масло в воде» при использовании смесительных элементов ЯМ, СЭП и СЭЗ соответственно.
Результаты эксперимента представлены в Таблице 3 на Фиг. 5.
Как видно из данных, приведенных в Таблице 3, в результате перемешивания якорной мешалкой (ЯМ) средний диаметр жировых частиц в эмульсионной системе «масло в воде» равен 6,3 мкм.
В результате перемешивания смесительным элементом по прототипу (СЭП) средний диаметр жировых частиц в эмульсионной системе «масло в воде» равен 4,2 мкм.
В результате перемешивания заявленным смесительным элементом (СЭЗ) с завихрителем в виде право- или левозакрученной в спираль пластины средний диаметр жировых частиц в эмульсионной системе «масло в воде» равен 1,8 мкм.
Таким образом, средний диаметр жировых частиц в эмульсионной системе «масло в воде» в результате перемешивания заявленным смесительным элементом (СЭЗ) в 3,5 раза меньше, чем у якорной мешалки (ЯМ) и, соответственно, в 2,3 раза меньше, чем у смесительного элемента по прототипу (СЭП), что свидетельствует о более высокой эффективности процесса диспергирования с использованием заявленного технического решения. Соответственно, энергетические затраты будут иметь аналогичные пропорции.
Таким образом, эффективность заявленного смесительного элемента с завихрителем в виде право- или левозакрученной в спираль пластины, как отношение полученного эффекта к затратам, с точки зрения затраченной энергии, будет в 2,3 раза выше, чем у смесительного элемента по прототипу.
Из приведенных примеров конкретного выполнения видно, что:
- снижено время перемешивания до достижения необходимой степени гомогенизации в 2,1 раза по сравнению с прототипом;
- увеличена эффективность процесса суспедирования, т.к. при объемах 1/3 наполнения емкости кварцевым песком наблюдалось полное перемешивание за 180 сек., а у прототипа полное перемешивание не наблюдалось;
- достигнуто более чем в 2-х кратное раза снижение энергетических затрат при осуществлении процессов смешивания, растворения, эмульгирования, диспергирования, суспендирования;
- достигнуто более эффективное удаление застойных зон в объеме резервуара смешения, независимо от его формы и размеров.
В результате можно сделать общий вывод, что заявителем достигнуты все поставленные цели, а именно:
- повышена эффективность процесса смешивания, растворения, эмульгирования, диспергирования, суспендирования в резервуаре различных жидких сред за счет использования в конструкции смесителей с завихрителями выполненными в виде в виде право- или левозакрученной в спираль пластины, что приводит к увеличению объема турбулентных завихрений в объеме перемешивания. Вышеуказанное достигнуто с помощью изменения конструкции смесительных элементов путем оснащения их завихрителями в виде Право- или левозакрученной в спираль пластины, что дает возможность придания жидкой среде вращательного движения, вовлекающего в процесс движения дополнительные объемы жидкой среды и создающего дополнительные турбулентные потоки, повышающие эффективность перемешивания и приводящее к удалению застойных зон в объеме резервуара смешения.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат и, таким образом, достигнута поставленная цель - разработано устройство для эффективного смешивания жидких сред различной вязкости путем повышения объема и эффективности создания турбулентных завихрений в резервуаре за счет изменения конструкции смесительных элементов, что, по мнению заявителя, приведет к снижению времени и энергетических затрат перемешивания до достижения необходимой степени смешивания, растворения, эмульгирования, диспергирования, суспендирования и удалению застойных зон в объеме резервуара смешения.
Заявленное устройство состоит из одного и более смесительных элементов, каждый из которых состоит из конфузора, прямого участка и диффузора с вырезами, и характеризуется тем, что смесительные элементы дополнительно оснащены размещенными внутри завихрителями, выполненными в виде право- или левозакрученной в спираль пластины.
Заявленное устройство соответствует критерию «новизна», предъявляемому к полезным моделям, так как при определении уровня техники не обнаружено устройство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле полезной модели, включая характеристику назначения.
Заявленное устройство соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к полезным моделям, поскольку может быть использовано В нефтегазохимической, фармацевтической, пищевой отрасли и в других отраслях, там, где требуется достичь определенной степени смешивания, растворения, эмульгирования, диспергирования, суспендирования жидких смесей различных веществ в резервуарах различной формы.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. - 784 с. - Перепеч. с изд. 1973 г. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753 с.
2. Патент US 5037209 (А), МПК B01F 15/00; B01F 7/00. Приоритет от 08.02.1988. Опубликован 06.08.1991. Описание патента.
3. Патент US 2011249529 (А1), МПК B01F 7/00. Приоритет от 30.12.2008. Опубликован 13.10.2011. Описание патента.
4. Патент US 8876369 (В1), МПК B01F 7/00; B01F 7/20. Приоритет от 24.03.2014. Опубликован 04.11.2014. Описание патента.