ОСЕВОЙ СМЕСИТЕЛЬ
AXIAL MIXER

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и измельчения гетерогенных систем «жидкость-твердые частицы» и может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известно устройство для обработки высоковязких материалов, содержащее выполненный в виде полуцилиндров корпус с загрузочным и разгрузочным отверстиями и параллельные вращающиеся валы с поперечными дисками, установленные на расстоянии, меньшем диаметра дисков в радиальном направлении, валы снабжены продольными лопастями, укрепленными по периферии дисков вблизи внутренней поверхности корпуса, и в дисках выполнены радиальные прорези для прохода продольных лопастей смежного вала. На плоских поверхностях дисков выполнены выступы, а валы выполнены полыми для подвода теплоносителя. [А.с. СССР №458115, кл. B01F 7/10, Устройство для обработки высоковязких материалов / Исао Хайаси, Кенитиро Кондо; Заявлено 26.04.71. Опубликовано 25.01.75].
Недостатком данного устройства для обработки высоковязких материалов является повышенное потребление энергии на обработку сред, ввиду наличия двух валов, а также сложность изготовления дисков.
Известен диспергатор, содержащий цилиндрический корпус с входной камерой, имеющей нагнетатель и распределитель, и с выходной камерой, подвижные и неподвижные диски, поочередно закрепленные соответственно на валу и на внутренней поверхности корпуса, при этом подвижные диски выполнены с ножевыми выступами, а неподвижные - с сегментными отверстиями, подвижные диски выполнены с сегментными отверстиями, расположенными около оси корпуса, неподвижные диски - с сегментными отверстиями на их периферии, а ножевые выступы - с заостренной передней кромкой, при этом все диски установлены с одинаковыми зазорами между ними. [А.с. СССР № 1560287, кл. B01F 7/10, Диспергатор / Рассолов О.П., Батуров В.И., Бакшеев И.П., Браверманн П.Ф., Журавский В.Г., Фингер Г.Г.; Заявлено 19.03.87; Опубликовано 30.04.90].
Недостатком данного диспергатора является сложность конструкции и низкая производительность устройства вследствие малой зоны обработки среды.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению (прототипом) является гомогенизатор, содержащий корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, в котором соосно установлены диски ротора и статора с отверстиями, отверстия на дисках ротора и статора расположены по противоположно направленным спиралям или спиралям Архимеда с шагом 1,1-1,3 диаметра отверстий. [А.с. СССР № 1494956, кл. B01F 7/10, Гомогенизатор / Шкарупа В.Ю., Стороженко В.Я., Панин Ю.Г., Парамонов В.И., Лыков В.Н.; Заявлено 11.05.87; Опубликовано 23.07.89].
При работе данного гомогенизатора отсутствуют моменты полного перекрытия каналов движения обрабатываемой среды через аппарат, при которых возникают значительные величины градиентов скорости и давления, интенсифицирующих процессы перемешивания и измельчения. Кроме того, в гомогенизаторе диаметры отверстий на дисках одинаковы, что не позволяет эффективно обрабатывать среды с широким диапазоном размеров твердых частиц. В связи с этим недостатком данного гомогенизатора является относительно невысокая эффективность измельчения и перемешивания гетерогенных систем «жидкость-твердые частицы».
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения эффективности измельчения и перемешивания гетерогенных систем «жидкость-твердые частицы».
Указанная задача решается за счет того, что осевой смеситель содержит корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, в котором соосно установлены диски ротора и статора с отверстиями и согласно изобретению отверстия на дисках ротора и статора расположены по концентрическим окружностям, причем размеры отверстий и их расположение подчиняются системе уравнений:
1
2
3
4
где R, R, R, R - радиусы концентрических окружностей, на которых расположены центры отверстий дисков, м (согласно фиг.2);
01
02
03
04
R, R, R, R - радиусы отверстий дисков, м (согласно фиг.2);
φ - образующий угол сегмента диска с отверстиями, град (согласно фиг.2);
n - положительное целое число.
На фиг.1 показан осевой смеситель.
На фиг.2 показан фрагмент диска ротора и статора.
Осевой смеситель содержит корпус 1 с загрузочным 2 и разгрузочным 3 патрубками, в котором соосно установлены диски ротора и статора 4 с отверстиями 5, причем отверстия на дисках ротора и статора расположены по концентрическим окружностям, а размеры отверстий и их расположение подчиняются системе уравнений:
1
2
3
4
где R, R, R, R - радиусы концентрических окружностей, на которых расположены центры отверстий дисков, м (согласно фиг.2);
01
02
03
04
R, R, R, R - радиусы отверстий дисков, м (согласно фиг.2);
φ - образующий угол сегмента диска с отверстиями, град (согласно фиг.2);
n - положительное целое число.
Осевой смеситель работает следующим образом.
Под действием массовых сил или искусственно создаваемого избыточного давления обрабатываемая гетерогенная среда перемещается от загрузочного патрубка 2 к разгрузочному патрубку 3. При движении через отверстия дисков ротора и статора гетерогенная среда подвергается интенсивному механическому и гидродинамическому воздействию, при этом компоненты среды эффективно перемешиваются и измельчаются.
Отверстия в роторе и статоре, создавая осевой поток, непрерывно ориентируют элементы объема среды перпендикулярно направлению сдвигового воздействия, а также дробят потоки на малые объемы, способствуя значительному увеличению площади поверхности раздела и равномерному распределению элементов объема обрабатываемой смеси в аппарате.
Интенсивность механического и гидродинамического воздействия достигается относительно высокой частотой вращения ротора с возникновением турбулентного движения среды, а также за счет принудительного полного перекрытия каналов движения обрабатываемой среды через аппарат с появлением значительных величин градиентов скорости и давления.
Для того чтобы выполнялось условие, при котором существуют моменты полного перекрытия каналов движения обрабатываемой среды через аппарат, необходимо выполнение условий вышеприведенной системы уравнений.
01
02
03
04
1
2
3
4
Достигается это за счет того, что диски ротора и статора делятся на сектора с углом в вершине равным φ. Сектор с углом в вершине равным φ делится пополам и образуются два смежных сектора с углом в вершинах равным φ/2. В один из смежных секторов вписываются окружности, как показано на фиг.2, радиус которых R, R, R, R определяется по теореме косинусов, исходя из расположения центров отверстий дисков по радиусам концентрических окружностей R, R, R, R и углу φ/4 (первые четыре выражения системы уравнений). При таком расположении отверстий будет существовать момент полного закрытия, т.е. несовпадения отверстий на роторе и статоре. Этот момент возникнет при нахождении отверстий ротора в одном из смежных секторов с углом в вершине φ/2, а отверстия статора в другом.
Количество одинаковых секторов на роторе и статоре, определяемое углом φ, должно быть положительным целым числом, т.е.
При работе осевого смесителя под действием центробежных сил более крупные твердые включения среды стремятся к периферии дисков, поэтому диски, в свою очередь, выполнены с увеличением диаметров отверстий от центра к периферии. Это позволяет эффективно обрабатывать среды с широким диапазоном размеров твердых частиц. Отверстия, вписанные в угол φ/2, не должны иметь точку касания между собой, т.к. это способствует быстрому износу отверстий, что приводит к изменению их формы, т.е.
1
01
2
02
2
02
3
03
3
03
4
04
R+R<R-R; R+R<R-R; R+R<R-R
Основное преимущество предлагаемого осевого смесителя - повышение эффективности измельчения и перемешивания гетерогенных систем «жидкость-твердые частицы».