Модульный статический смеситель-активатор
MODULAR STATIC MIXER-ACTIVATOR

Изобретение относится к статическим смесительным устройствам, содержащим несколько последовательно расположенных модулей-смесителей различного способа действия и может быть использовано для механических воздействий разной физической природы на структуру жидкой среды, и предназначено для смешения, гомогенизации и направленной активации свойств указанных жидких сред.
Известно устройство, описанное в патенте RU №2411074 С1 от 01.07.2009 г., МПК B01F 13/10 (2006.01), в соответствии с которым смешение осуществляется в аппарате с последовательно расположенными секциями, в первой секции осуществляется кинематическое действие, приводящее к квазиударному воздействию, во второй секции осуществляется кавитационное воздействие, третья секция выполнена с возможностью турбулизации потока и разделения его на малые пересекающиеся струи.
Недостатками данного устройства являются отсутствие вихреобразова-ния, недостаточное кавитационное воздействие и эффективное дробление на струи и капли.
Наиболее близкой к заявляемому устройству является комбинированный статический смеситель-активатор [Патент РФ, RU 2592801 С1 от 23.06.2015 г]. Устройство содержит три последовательно установленных смесителя различного принципа действия. Первый смеситель осуществляет кинематическое воздействие, второй кавитационное воздействие, третий разделяет общий поток жидкости на малые пересекающееся струи и оказывает магнитное воздействие для интенсификации процессов активации и структуризации жидкости. Технический результат состоит в повышении степени гомогенизации жидкофазных систем и уменьшении капель результирующей среды.
Недостатками данного устройства являются: искажение магнитного поля устройства электромагнитными полями внешней среды в результате чего изначально достаточно слабое магнитное воздействие будет оказывать еще меньший эффект; отсутствие возможности внесения изменений в конструкцию устройства без глубоких преобразований конструкции; недостаточное кавитационное воздействие и эффектное дробление на капли и струи, слабая турбулизация потока.
Техническая задача настоящего изобретения состоит в устранении указанных недостатков, повышении эффективности смешения и гомогенизации, структурирования и активации жидких сред путем совершенствования конструкции использованием быстро заменяемых базовых модулей и ультразвукового излучателя, обеспечивающих направленное изменение состава и свойств обрабатываемой жидкой среды.
Решение поставленной задачи достигается тем, что жидкая среда проходит в модульном статическом смесителе-активаторе прямоточного типа, предназначенном для смешения и активации жидкой среды через последовательно соединенные модули-смесители, сочлененные между собой резьбовым соединением, составляющие корпус устройства, ввод жидкой среды осуществляется через вводную крышку с тремя тангенциальными входами; первый модуль-смеситель имеет два винтовых элемента с противоположной навивкой и внутренний винтовой элемент установлен внутри внешнего винтового элемента, после винтовых элементов установлена перегородка в корпусе, имеющая каналы, за ней промежуточная камера между первым и третьим модуль-смесителями, также перегородка имеет резьбовое соединение с цилиндрическим стержнем, с помощью чего регулируется зазор между корпусом первого модуль-смесителя и конусной частью стержня, направляющий поток жидкой среды в следующий модуль-смеситель, где происходит вихреобразование и кавитация; второй модуль-смеситель представляет из себя промежуточную камеру; третий модуль-смеситель начинается с заборной части с конусообразной вставкой, для лучшего забора жидкой среды, переходящую в прямоугольное сопло, через нее направленным потоком подается на резонансный колебательный элемент - пластину из высоколегированной стали, имеющую заостренные края, под действием потока пластина совершает колебательные движения с высокой частотой, с образованием кавитационных облаков; корпус третьего модуля-смесителя имеет паз для крепления резонансного колебательного элемента в четвертом модуле-смесителе содержится смесительный элемент, составленный из однотипных перекрещивающихся решеток маленького сечения, имеющих три паза под углом 120° и прижимной пружиной и заканчивающейся торцевой крышкой, которая имеет конусообразную выемку для формирования потока на выходе.
Использование модульного смесителя-активатора, содержащего основные последовательно соединенных статических модуля-смесителя, позволяет получить активированную, высоко гомогенизированную и структурированную жидкую среду. Ввод жидкой среды производится через крышку с тремя тангенциальными входами, что позволяет эффективно совершать перемешивание потоков жидкой среды на входе в модульный смеситель. Первый модуль-смеситель осуществляет кинематическое, кавитационное и вихревое действия, которое реализовано посредством винтовых элементов, промежуточной камеры и цилиндрического стержня с конусообразной вставкой. Второй модуль-смеситель, оказывает кавитационное и вихревое воздействие, третий модуль-смеситель оказывает ультразвуковое и кавитационное воздействие, четвертый модуль-смеситель осуществляет дробление потока на мини-струи и капли, чем достигается высокая степень гомогенизации.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показан общий вид модульного статического смесителя-активатора.
Модульный смеситель-активатор состоит из четырех модулей- смесителей, образующих корпус устройства. Слева располагается вводная крышка модуля-смесителя 1 с тангенциальными вводами 10. Крышка 1 наворачивается на корпус 2 первого модуля-смесителя. Внутри корпуса 2 расположен внешний винтовой элемент 12, имеющий противоположную навивку относительно внутреннего винтового элемента 11. Внутри винтового элемента 11 с малым зазором проходит цилиндрический стержень 13 с резьбовым соединением, служащим, для регулировки зазора, между корпусом 2 и конусной части стержня 14. После винтовых элементов установлена перегородка 3 в корпусе, имеющая каналы 4, центры входных отверстий которых располагаются в зазоре между витками винтовых элементов 11 и 12, направляющие жидкость в промежуточную камеру 5. В корпус 2 первого модуля-смесителя вкручивается корпус 6 второго - промежуточного модуля. В корпус 6 второго - промежуточного модуля-смесителя вкручивается корпус 7 третьего ультразвукового модуля-смесителя. Вход в третий модуль-смеситель осуществляется через конусообразную выемку 15, переходящую в прямоугольное сопло 16, направляющее поток жидкой среды на резонансный колебательный элемент - пластину 17. Пластина 17 входит в паз 18 в корпусе 7 и прижимается вкручивающимся в корпус 7 третьего модуля-смесителя корпусом 8 четвертого модуля-смесителя. Внутри корпуса 8 расположены однотипные решетки 19, имеющие три паза под углом 120°. Решетки прижимаются пружиной 20, фиксирующейся торцевой крышкой 9, имеющей конусообразную выемку для формирования выходного потока.
Модульный смеситель-активатор работает следующим образом. Насосом, который не показан на рисунке, жидкая среда подается в сопловый вход с тангенциальным вводом 10, поток завихрятся и приобретает кинематическую энергию, далее он произвольно распределяется по внешнему и внутреннему винтовым элементам 11 и 12 - это небольшие металлические спиральные ленты, изготовленные скручиванием плоской пластины вдоль продольной оси. Право- или левоизогнутый винтовой элемент 12 прилегает без зазоров между боковыми гранями винтового элемента и цилиндрической поверхности корпуса 2. Внутри элемента 12 находится винтовой элемент 11 и имеет навивку левостороннюю или правостороннюю. Между витками винтовых элементов 11 и 12 имеется малый зазор.
В первом модуле-смесителе жидкая среда 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 жидкой среды. В конце первого модуля-смесителя перед цилиндрической вставкой 3, содержащей каналы 4 образуется вихревая зона, формирующая псевдокипящий слой.
При переходе из первого модуля-смесителя во второй происходит кавитационное действие на жидкую среду. В каналах 4 повышается внутреннее давление, сжимающее образующиеся капли, которые ударяются о плиту корпуса 2, попадают в зазор между корпусом 2 и конусной частью 14 цилиндрической вставки, что приводит к повторному сжатию капель, которые выстреливают в промежуточный модуль-смеситель 6. Вследствие резкого перепада давления и ударения потока о корпус 6 второго модуля-смесителя возникает кавитация, причем возникает, акустическая гидродинамическая кавитация, обусловленная интенсивным турбулентным движением жидкой среды, происходит дробление крупных капель на капли меньшего диаметра. Скругленные по радиусу края корпусов 2 и 7 предназначены для направления движения образующихся потоков, что позволяет ликвидировать застойную зону.
На выходе из модуля-смесителя 2 имеется конусообразная выемка 15 для формирования потока, которая переходит в прямоугольное сопло 16, направляющее поток жидкой среды на резонансный колебательный элемент - пластину 17. Поток воздействует на грань пластины, вследствие чего она совершает колебательные движения высокой частоты. При пересечении пластины струей жидкой среды возникает кавитационная область отличающаяся от предыдущей характеристиками в зоне срывного течения за пластиной. Кавитация носит акустический гидродинамический характер, обусловленная интенсивным срывом жидкой среды с поверхности пластины в ходе движения жидкой среды. 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.
В четвертом модуле-смесителе происходит многократное разделение и рекомбинация смешиваемых компонентов статическим методом с помощью своеобразной пространственной решетки, состоящей из решеток 19. Происходит разделение жидкой среды на отдельные потоки и их направленное движение по сложным каналам, где они многократно разделяются и воссоединяются друг с другом в пересекающихся направлениях, совершая при этом активный массообмен, вновь дробятся до высокой степени гомогенизации. В корпус 8 вворачивается торцевая крышка 9, имеющая конусообразную выемку для формирования выходного потока.
Основные преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом: наличие модульной структуры, позволяющей при необходимости точечно вносить изменение в конструкцию, добиваясь показателей, при которых будет наблюдаться максимальная рекомбинация и преобразование структуры жидкой среды. Конструкция перехода из первого модуля-смесителя во второй позволяет усилить кавитационное воздействие на обрабатываемую жидкую среду. Кроме того в устройстве используется генератор ультразвуковых волн на базе резонансного колебательного элемента, работающего в потоке жидкости, благодаря чему ультразвук воздействует на весь слой обрабатываемой жидкой среды, причем ультразвуковое воздействие отличается по характеристикам во втором и третьем модуле-смесителя Конструкция содержит несколько тангенциальных входов в отличие от прототипа, позволяющих более эффективно совершать перемешивание жидких сред на входе в модульный статический смеситель-активатор.
Таким образом, в модульном статическом смесителе-активаторе помимо смешивания жидких сред создаются условия для дробления и рекомбинации длинных углеводородных цепей, изменения структуры и свойств обрабатываемых жидких сред.