ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ
HYDRODYNAMIC MIXER

Изобретение относится к устройствам для перемешивания, эмульгирования, гомогенизации жидких сред и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, тепломассообменных процессов в системах "жидкость-жидкость" и "жидкость-газ".
Известен газожидкостный смеситель (RU 2336940 МПК B01F 5/06, опубл. 27.10.2008), содержащий корпус с поперечными диафрагмами, трубопровод для подачи газа с соплом, причем диафрагмы выполнены с возможностью продольного перемещения и снабжены центральным щелевым отверстием. Каждое отверстие последующей диафрагмы смещено на незначительный угол. Интенсификация процесса смешивания осуществляется за счет турбулизации потока обрабатываемой среды.
Недостатками смесителя является отсутствие акустических колебаний и кавитации, что снижает качество получаемой газожидкостной эмульсии и интенсивность перемешивания.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является смеситель кавитационного типа (RU 2158627 МПК B01F 5/08, опубл. 10.11.2000), содержащий цилиндрическую рабочую камеру с соосным подводящим в виде диффузора патрубком, смесительные элементы и патрубок подачи добавочного компонента смеси, причем смесительные элементы выполнены в виде многоструйного сопла. Смешивание осуществляется за счет гидродинамической кавитации.
Недостатком смесителя является отсутствие акустических колебаний значительной амплитуды в обрабатываемой среде определенной частоты, т.к. акустическое излучение, вызываемое захлопыванием и пульсацией кавитационных пузырьков, незначительно и имеет сплошной спектр от сотен Гц до десятков тысяч Гц. (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Галямина. - М.: Советская энциклопедия. 1979, с.161).
Техническая задача изобретения - интенсификация гидродинамических, физико-химических и тепломассообменных процессов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в гидродинамическом смесителе, содержащем цилиндрический корпус с осевым и радиальным патрубками ввода компонентов, смесительные элементы, осевой входной патрубок имеет возможность возвратно-поступательного перемещения и выполнен в виде конусно-цилиндрического сопла, а смесительный элемент представляет собой коническую вставку, на поверхности которой выполнено не менее двух кольцевых проточек, и закрепленную в корпусе смесительного элемента, имеющего внутреннюю коническую поверхность, на торце большего основания конической вставки напротив выхода конусно-цилиндрического сопла находится вогнутый отражатель в виде лунки; при этом в торцовой перегородке корпуса смесительного элемента, где закреплена коническая вставка, выполнены сквозные каналы, расположенные по концентричным окружностям, а на торцовой поверхности большего основания конической вставки смесительного элемента находятся каналы, расположенные по концентричным окружностям, соединенные с кольцевыми проточками.
Количество смесительных элементов не менее двух.
Суммарная площадь каналов, выполненных на торцовой поверхности большего основания конической вставки смесительного элемента, составляет (5…20)% от площади поперечного сечения кольцевого радиального зазора на входе в смесительный элемент.
цi
Диаметры концентричных окружностей D, на которых расположены центры каналов, выполненных на торцовой поверхности большего основания конической вставки смесительного элемента, определяются из выражения
впi
где D - диаметр впадин кольцевой проточки;
высi
D - наименьший диаметр выступа кольцевой проточки;
i=1, 2, 3…n - номер по порядку проточки;
n - количество кольцевых проточек на конической вставке смесительного элемента.
На фиг 1. схематически изображен гидродинамический смеситель, продольный разрез. На фиг 2. изображено сечение А-А на фиг 1. Ha фиг 3. изображен вид Б на фиг 1.
Гидродинамический смеситель содержит корпус 1 с радиальным патрубком входа дополнительного компонента 2, крышку 3 с патрубком осевого входа основного компонента 4, распорные втулки 5, не менее двух смесительных элементов 6, каждый состоит из корпуса 7 с внутренней конической поверхностью и сквозными каналами 8, закрепленной в нем конической вставкой 9 с кольцевыми проточками 10 и кольцевыми выступами 11, со сквозными каналами 12, первой смесительной камерой 13, образованной крышкой 3, распорной втулкой 5 и торцом конической вставки 9 первого смесительного элемента; отражатель 14, кольцевой радиальный зазор 15, образованный конической наружной поверхностью кольцевых выступов 11 и внутренней конической поверхностью корпуса смесительного элемента 7, второй смесительной камеры 16, расположенной в корпусе смесительного элемента 7, третьей смесительной камерой 17, образованной торцом корпуса первого смесительного элемента, торцом конической вставки второго смесительного элемента и распорной втулкой 5, камеру 18, образованную торцом предыдущего смесительного элемента 6, распорной втулкой 5, крышкой 19, выходной патрубок 20.
Смеситель работает следующим образом: основной жидкий компонент под давлением поступает через входной осевой патрубок 4 в первую смесительную камеру 13 и попадает на отражатель 14, одновременно в камеру 13 подается под давлением через радиальный патрубок 2 второй компонент, затем предварительно смешанные компоненты через кольцевой радиальный зазор 15, кольцевые проточки 10 поступают во вторую смесительную камеру 16, при этом часть обрабатываемой среды из камеры 13 проходит непосредственно через каналы 12, расположенные в конической вставке 9, в кольцевые проточки 10. Затем обрабатываемая среда через каналы 8 проходит в следующую смесительную камеру 17. Процесс движения в следующих смесительных элементах протекает так же как в первом смесительном элементе, за исключением того, что кавитационный отражатель 14 не генерирует колебания, после выхода из последнего смесительного элемента среда поступает в камеру 18 и выводится из выходного патрубка 20.
Основной компонент обрабатываемой среды, проходя центральный патрубок входа, выполненный в виде конфузорно-цилиндрического сопла, значительно увеличивает скорость движения и, попадая на отражатель, расположенный на торцовой поверхности конической вставки смесительного элемента, образует кавитационную полость между выходом сопла и отражателем. Кавитационная полость пульсирует с определенной частотой и интенсивностью, определяемыми соотношениями между диаметром сопла и диаметром отражателя при определенной форме отражателя. Наиболее экономически выгодна вогнутая форма отражателя в виде лунки. (Ультразвук. Маленькая Энциклопедия. Гл. ред И.П. Галямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979 с.80). Таким образом в первой смесительной камере возникает интенсивная кавитация и колебания среды. Интенсивность кавитации регулируется изменениями расстояния между выходом сопла и отражателем с помощью осевого перемещения центрального патрубка. Одновременно в смесительную камеру подается второй компонент среды через радиальный патрубок. Таким образом, в смесительной камере за счет возникающих интенсивных колебаний и кавитации осуществляется предварительное смешивание компонентов. Дальнейшее смешивание осуществляется в смесительных элементах.
Обрабатываемая среда, проходя через кольцевой радиальный зазор, образованный коническими поверхностями, внутренней - корпуса смесительного элемента и наружной - кольцевых выступов, подвергается значительным сдвиговым напряжениям. Кольцевой радиальный зазор в продольном сечении представляет собой ряд последовательных сужений и расширений, вызывающих интенсивное вихреобразование в расширениях, в нашем случае в кольцевых проточках. При внезапном расширении потери энергии расходуются в основном на вихреобразование, т.е. на поддержание вращательного движения жидкости и постоянный их обмен. При внезапном сужении вихреобразование меньше и кольцевое пространство вокруг суженной части потока заполняется малоподвижной завихренной жидкостью (В.В. Богданов, Е.И. Христоворов, Б.А. Клоцунг. Эффективные малообъемные смесители. Л.: Химия, 1989, с.47-48). Для устранения застоя завихренной жидкости в кольцевых проточках предусмотрены каналы 12, соединяющие смесительную камеру 13 и полости кольцевых проточек. При этом эмпирически установлено, что суммарная площадь каналов, соединяющих смесительную камеру и полости кольцевых проточек в зависимости от расхода жидкой среды и геометрических размеров смесителя должна составлять (5…20)% от площади поперечного сечения кольцевого радиального зазора на входе в смесительный элемент. Таким образом, существует оптимальное соотношение площадей. При отношении менее оптимального расход обрабатываемой среды через каналы 12 не позволяет ликвидировать застой в полостях кольцевых проточек. При отношении больше оптимального значительная часть потока поступает в полости кольцевых проточек, не подвергаясь обработке в радиальном зазоре между коническими поверхностями: внутренней - корпуса смесительного элемента и наружной - выступов конической вставки. Кроме того, при больших отношениях площадей и, соответственно, расходов, в полостях проточек может не возникнуть вихревое движение. Следовательно, в этих случаях снижается эффективность работы смесительного элемента.
Площадь поперечного сечения кольцевого ступенчатого радиального зазора по направлению движения обрабатываемой среды уменьшается, при этом возрастает скорость течения, следовательно, возрастает эффективность процессов смешивания, диспергирования и т.д.
Особую роль в интенсификации процессов, протекающих в смесительном элементе, играет наложение на поток колебаний, генерируемых кавитационной областью в первой смесительной камере и первом смесительном элементе. Известно, что наложение колебаний на обрабатываемые среды интенсифицирует различные гидромеханические, тепломассообменные и физико-химические процессы.
Дальнейшее воздействие на обрабатываемую среду оказывается во второй смесительной камере 16, в которой при резком расширении возникают вихревые процессы, способствующие дополнительному повышению качества смеси. Затем из смесительной камеры 16 среда через каналы 8 попадает в следующую смесительную камеру, образованную торцами смесительных элементов 6 и распорными втулками 5. Попадая в смесительную камеру, струи обрабатываемой среды на некотором расстоянии от сопла начинают веерообразно расходиться, при этом происходит активное столкновение струй, что способствует дополнительному повышению эффективности процессов смешивания, диспергирования и т.д. Очевидно, что во втором и других, последовательно установленных смесительных элементах, отсутствуют звуковые колебания, которые излучает пульсирующая кавитационная полость. Они устанавливаются, в случае если один смесительный элемент не обеспечивает требуемого качества смеси или другого результата, например требуемой дисперсности эмульсии.
Следует отметить, что при определенных расходах среды в смесительных элементах при срыве потока при внезапном расширении радиального зазора в области кольцевых проточек возникает интенсивная гидродинамическая кавитация.
В предлагаемой конструкции вследствие воздействия на среду кавитации, турбулентных пульсаций, сдвигающих напряжений, ударного воздействия особенно эффективно происходит диспергирование несмешиваемых сред, например, если дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой масло. Таким образом, в устройстве одновременно происходят процессы смешивания и диспергирования, что необходимо для получения, например, тонкодисперсных эмульсий с большим временем расслоения получаемого продукта.
Предлагаемая конструкция смесителя может использоваться для получения газожидкостной эмульсии. В этом случае следует подавать газ в радиальный патрубок 2, выполненный, например, в виде форсунок или другого устройства для равномерного распределения и дробления газового потока.
3
Для подтверждения эффективности работы предлагаемого устройства были проведены предварительные эксперименты по получению смазочно-охлаждающей жидкости с 10% содержанием эмульсола. Эффективность смесителя оценивалась по времени достижения расслаивания эмульсии, т.е. достижения определенной толщины слоя масляной пленки. Проводились серии экспериментов при изменении расходов воды в диапазоне (0,05…1) м/ч, давлениях подачи основного компонента воды (0,2…0,4) МПа, температура исходной смеси изменялась незначительно (22…25)°C. В первой серии входной патрубок заменялся на цилиндрический. Во второй - устанавливался коническо-цилиндрический. В первой и второй серии использовалась два смесительных элемента. В третьей серии - патрубок цилиндрический. В четвертой серии - патрубок коническо-цилиндрический. В третьей и четвертой использовался один смесительный элемент. Предварительные результаты показали, что наиболее эффективна предлагаемая конструкция, используемая во второй серии. Время расслаивания в первой серии уменьшилось на 41%, в третьей - на 56%, в четвертой - на 12%. При этом обнаружено, что использование подвижного коническо-цилиндрического патрубка позволяет определить его оптимальное положение с точки зрения наиболее развитой кавитации. Отметим, что во второй и четвертой сериях в камере 13 наблюдались звуковые колебания с повышенной амплитудой на определенной частоте. На испытанной конструкции основная частота составляла примерно 2,5 кГц, при этом наблюдались гармоники вплоть до 50 кГц. Интенсивность колебаний и кавитации определялись с помощью гидрофона из титаната бария с диаметром головки ≈3,5 мм.
Таким образом, предварительные эксперименты подтвердили высокую эффективность предлагаемой конструкции смесителя.