УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ СРЕД

Полезная модель относится к конструкции емкостных аппаратов, применяемым в химическом машиностроении для создания и усовершенствования устройств, предназначенных для реагентной обработки (эмульгирования, диспергирования, получения смесей твердых веществ с жидкостями, перемешивания), и проведения массообменных и/или химических процессов, особенно в среде многокомпонентных смесей различных по своей химической природе, и может быть использована в нефтеперерабатывающей или химической промышленности.
Интенсивная реагентная обработка жидких сред, в частности, перемешивание реагентов различной химической природы, необходима для успешного проведения многих химических процессов. Оптимальные условия работы устройств для обработки жидких сред определяют исходя из выбора основных конструктивных элементов, особенности которых произведены по заданным условиям технологического процесса с учетом параметров рабочей среды (в частности, вязкости компонентов жидких сред), времени осуществления процесса, степени заполнения устройства, особых технологических условий (необходимых степени гомогенизации, размеров частиц дисперсии).
Известен пульсационный аппарат для проведения массообменных процессов в гетерогенных системах жидкость - твердые частицы и жидкость-жидкость (патент изобретение RU №2695189, опубл. 22.07.2019 года). Заявляемое устройство содержит вертикальный корпус с размещенной в нем пульсационной трубой с образованием зазора между плоским днищем, сильфонную камеру, которая является источником пневматических пульсаций.
Изобретение позволяет повысить эффективность работы аппарата, улучшить условия перемешивания и ускорить процессы растворения, в том числе, больших объемов жидких сред.
Известен аппарат-смеситель с мешалкой для обработки жидкофазных сред, а именно, перемешивания и гомогенизации, в том числе, нерастворимых (патент на изобретение RU 2135272, опубл. 27.08.1999 г.). Известный аппарат-смеситель содержит корпус с патрубками для загрузки исходных компонентов и выгрузки готового продукта, на нижней части корпуса установлена мешалка в виде горизонтального диска с плоской верхней поверхностью и зубцами-лопастями на нижней поверхности, при этом входные кромки зубцов-лопастей располагаются на разных радиусах своего вращения.
Общим существенным недостатком вышеуказанных устройств является их технологическая громоздкость, а также отсутствие возможности качественной обработки многокомпонентных систем различной химической природы, в частности, с различными плотностями.
Известны устройства вертикального типа для перемешивания жидких сред Э.А. Васильцов и др. «Аппараты для перемешивания жидких сред». Справочное пособие Машиностроение, Ленинградское отделение, опубл. 1979 г. Конструкционными особенностями известного аппарата являются, в частности, наличие приварного плоского днища и открытой турбинной мешалки. Существенным недостатком известного типового устройства вертикального типа является отсутствие конкретного решения по расположению в корпусе открытой турбинной мешалки и ее технологических параметров при обработке жидких сред различной химической природы, что затрудняет получение готового продукта высокого качества.
Известны аппараты с перемешивающими устройствами, в которых фиксируется соотношение величины зазора между днищем корпуса h и диаметром ротора турбинной мешалки D, при этом вышеуказанная величина составляет 1 (Ф. Холланд, Ф. Чапман «Химические реакторы и смесители для жидко-фазных процессов». Москва, «Химия», 1974 г., стр. 28; Р. Войнович и др. «О возможности использования различных моделей турбулентности для расчета гидродинамических и энергетических характеристик аппаратов с турбинными мешалками», ТОХТ. 2014 г. т. 48,4, стр. 387), т. е. D/h=1.
Серьезным недостатком известных технических решений является недостаточная скорость сдвига  при численном значении показателя D/h=1, препятствующая достижению обозначенного ниже технического результата.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является аппарат с перемешивающим устройством по ГОСТ 20680-2002 «Аппараты с механическими перемешивающими устройствами», опубл. 01.07.2003 г. В соответствии с техническим решением прототипа известный аппарат с перемешивающим устройством предназначен для проведения различных технологических процессов в жидких средах с плотностью до 2000 кг/м и динамической вязкостью не более 20 Па⋅с. Известный аппарат включает корпус вертикального типа, включающий цилиндрическую обечайку с плоским днищем и турбинную открытую мешалку, при этом в конструкции соблюдается заданное соотношение внутреннего диаметра корпуса и его высоты. Причиной, препятствующей достижению заявленного технического результата, является отсутствие конкретного конструкционного исполнения расположения открытой турбинной мешалки относительно корпуса вертикального типа и его плоского днища и ее технологических характеристик.
Суть полезной модели заключается в следующем.
Технической задачей, на решение которой было направлено данное техническое решение, являлась разработка конструкции устройства обработки жидких сред вертикального типа, предназначенного для постадийного введения и обработки (в частности, перемешивания) жидких сред различной химической природы и различных плотностей в различных количествах в соответствии с требованиями технологии получения многокомпонентных систем периодическим способом.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении данной полезной модели, является повышение качества обработки жидких сред, имеющих различную химическую природу.
Технический результат заявляемой полезной модели достигается за счет включения в конструкцию устройства для обработки жидких сред вертикального типа корпуса, состоящего из цилиндрической обечайки и плоского днища, сообщенных с внутренней полостью корпуса патрубков подвода и отвода жидких сред, открытой турбинной мешалки, при этом открытая турбинная мешалка расположена в донной части корпуса и выполнена с возможностью создания скорости сдвига  где π - число π, равное 3,14; N - частота вращения открытой турбинной мешалки, D -диаметр ротора, h - величина расстояния от плоского днища до открытой турбинной мешалки, при этом соотношение D/h составляет 5,0-15,0.
Дополнительные исследования, проведенные заявителем, показали, что расположение открытой турбинной мешалки устройства для обработки жидких сред вертикального типа на минимально возможном расстоянии от плоского днища корпуса, определяемое диаметром ротора, зависящее от частоты вращения открытой турбинной мешалки, создает необходимые скорости сдвига, ликвидирует застойные зоны при обработке, перемешивании и гомогенизации жидких сред, особенно сложных многокомпонентных жидких сред. Создание определенных оптимальных скоростей сдвига при обработке жидких сред позволяет осуществлять режим обработки на микроуровне, улучшая ее технологичность в целом и качество получаемого продукта в частности.
На фигуре представлен эскиз заявляемого устройства для обработки жидких сред, где
1 - корпус устройства,
2 - плоское днище устройства,
3 - патрубок подвода жидкой среды,
4 - открытая турбинная мешалка,
5 - патрубок отвода жидкой среды.
Заявляемое устройство для обработки жидких сред работает следующим образом.
Компоненты получаемой жидкой среды постадийно подают в корпус устройства 1, включающим плоское днище 2, через патрубок подвода жидкой среды 3 и осуществляют обработку жидкой среды при заданной частоте вращения открытой турбинной мешалки 4. По истечении продолжительности обработки открывают патрубок отвода жидкой среды 5 и осуществляют выгрузку получаемого продукта.
-1
Наиболее оптимальными скоростями сдвига  при обработке жидких сред являются показатели в интервале от 100 до 400 с.
Конкретная реализация заявляемого устройства может быть проиллюстрирована следующими примерами. Пример получения продукта Глитал.
Глитал - композиция природных жирных кислот и полиалкиленгликолей, предназначенной для использования в качестве смазочной добавки к буровым растворам.
-1
В соответствии с заданной рецептурой и известным способом получения в заявляемом устройстве с объемом 10 м производили обработку легкого талового масла, полиалкиленгликолей Лапрол 503 и Лапрол 2102, концентрированного водного раствора гидроксида натрия и продукта Гликойл (применяемого в качестве пылеподавителя) в различных массовых соотношениях при следующих параметрах устройства: D - диаметр открытой роторной мешалки = 0,65 м; h - расстояние от плоского днища корпуса до турбинной мешалки = 0, 05 м; N - частота вращения открытой турбинной мешалки = 6 об/с. Таким образом, достигаемая скорость сдвига  составляет 245 с, D/h=13.
В результате использования конструкции заявляемого устройства для обработки жидких сред и скоростей сдвига при ее обработке происходит частичное омыление легкого талового масла в среде полиалкиленгликолей (реагентная обработка), дальнейшее перемешивание и гомогенизация получаемого продукта.
В результате обработки вышеуказанных жидких сред в заявляемом устройстве получали устойчивый к расслоению продукт, предназначенный для длительного хранения и транспортирования в различных климатических условиях, что особенно актуально в технологии использования буровых растворов при нефте-и газодобыче.
Пример получения продукта Политал.
Политал - реагент комплексного действия, представляющий собой композицию природных высших жирных кислот и алкиленгликолей; предназначен для обработки буровых растворов, используемых при вскрытии продуктивных пластов.
-1
Геометрические характеристики устройства для обработки жидких сред и частота вращения ротора аналогичны примеру при получении продукта Глитал, при h=0,12M;D/h=5,4;  с.
В результате обработки жидких сред получили устойчивый к расслоению продукт.
Пример получения дисперсии целлюлозы в воде (роспуск листовой целлюлозы при получении ее производных).
-1
Производили роспуск листовой целлюлозы в воде в заявляемом устройстве для обработки жидких сред с объемом 20 м при следующих параметрах устройства: D - диаметр открытой роторной мешалки = 0,73 м; h - расстояние от днища корпуса до турбинной мешалки = 0, 05 м; N - частота вращения открытой турбинной мешалки = 8,3 об/с. Таким образом, достигаемая скорость сдвига  составляет 380 с D/h=14,6.
В результате обработки вышеуказанной среды в заявляемом устройстве получали водную суспензию целлюлозы с частицами размером в диапазоне 0,05-0,8 мм.
Пример получения дисперсии целлюлозы в воде.
-1
Геометрические характеристики устройства для обработки жидких сред и частота вращения ротора аналогичны примеру, представленному выше при h=0,12M; D/h=6,1;  с.
В результате обработки вышеуказанной смеси получали водную дисперсию целлюлозы с частицами размером в диапазоне 0,07÷0,10 мм.