КОМБИНИРОВАННЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ-АКТИВАТОР
COMBINED STATIC MIXER-ACTIVATOR

Изобретение относится к статическим смесительным устройствам, содержащим несколько последовательно расположенных смесителей различного способа действия и относится к области смешения жидкофазных систем, в том числе являющихся дисперсионной средой и дисперсной фазой, а также к области направленной активации свойств и рекомбинации указанных систем.
Цель - повышение эффективности смешения и структурирования, в результате которого молекулы и молекулярные цепи приобретают такую пространственную конфигурацию, которая обеспечивает более полное окисление кислородом.
Как правило, достижение указанной цели посредством одного какого-либо типа статического смесителя требует доводки его конструктивных и технологических параметров применительно к конкретным смешиваемым или активируемым жидкофазным системам, что часто является длительным и трудоемким процессом.
Поэтому последовательное применение нескольких статических смесителей различных конструкций, расположенных в одном прямоточном корпусе, позволяет получить универсальный статический смеситель-активатор.
Существует несколько наиболее распространенных типов статических смесителей.
К ним, прежде всего, относятся смесители с винтовыми элементами, которые изготавливаются из плоской тонкой пластины посредством скручивания в левом или правом направлениях (например: патенты США №3286992 и №3643927; патент Великобритании №1413825; авт. свид. СССР №504549 и №804464). Винтовые элементы могут располагаться на поверхности трубки, вала или стержня (например, патенты США №4049241 и №3794300).
Другими широко распространенными являются статические смесители с промежуточными камерами. Перемешивание в них осуществляется за счет создания резкого расширения и сужения пространства внутри цилиндрического корпуса, вызывающих изменение скорости потока и возникновение усиленного вихреобразования, связанного с отрывом потока от стенок (например: патенты США №3404869 и №352391; авт. свид. ЧССР №214380; авт. свид. СССР №103903).
Простым по конструкции, но не менее эффективным является статический смеситель, в котором промежуточные камеры разделены дисками с несколькими сквозными каналами (патент США №3582048).
Также широкое распространение получили статические смесители, в которых элементы из взаимно перпендикулярных пластин, ориентированных вдоль цилиндрического корпуса и составляющих пространственную решетку, обеспечивают разделение жидкостей на отдельные струи и их движение по сложным каналам, где они многократно дробятся (например: патент США №3620106).
Помимо прямого назначения, некоторые типы смесителей могут применяться для активации жидкостей и растворов. Как правило, в конструкцию такого смесителя-активатора встраивается магнит или электромагнит, создающие магнитное поле (например, патенты РФ: №2085277; №2275956; №2224586; №2325223). Существуют активаторы с магнитными элементами, осуществляющие одновременно магнитно-механическую обработку отдельно взятой жидкой среды.
Кроме указанных смесителей, распространение получили смесители с гофрированными элементами, трубчатые смесители, вихревые смесители с каплевидными элементами, с турбулизирующими вставками (инжекционные и эжекционные).
К малораспространенным принципам действия смесителей относятся:
- акустический резонанс (например, патент СССР №909430 и №775514);
- лазерный луч (например, патент РФ №173210);
- кавитация (например, патент РФ №2202406);
- пропускание электрического тока (например, патент СССР №1780822, РФ №2205681, РФ №2094106);
- смешение с помощью трубки Вентури (например, патент РФ №2093257);
- смешение с помощью пористой вставки (например, патент РФ №2132724).
Стремление увеличить эффективность малообъемных смесителей за счет усложнения их конструкций привело к появлению многих разновидностей смесительных элементов. Но такое решение указанной проблемы требует высокоточной и сложной технологии изготовления этих элементов и особенно минимизации имеющихся зазоров. Примерами служат патенты РФ №2323771, №2261755, №2080164, №2325221.
Поставленная в изобретении техническая задача - используя механическое воздействие на жидкофазные системы, получить высокую степень гомогенности при смешении дисперсионной среды и дисперсной фазы, а для отдельно обрабатываемой жидкой среды активацию и рекомбинацию, приводящие к разрыву, как межмолекулярных связей, обусловленных Ван-дер-Ваальсовыми силами, так и П-связей.
Для решения указанной технической задачи следует осуществить механическое воздействие с высокой удельной энергоемкостью и создать высокоразвитую межфазную поверхность.
Применительно к статическим смесителям решение можно получить пропусканием потоков смешиваемых жидкофазных систем или отдельно взятой жидкой среды через смесители с различными способами воздействия, воспроизводящими сложное движение элементарных объемов, сопровождающееся распределением сталкивающихся молекул по относительным энергиям.
Подобный подход содержится в патенте РФ 2266776, относящемуся к производству водоустойчивых взрывчатых веществ и принятому в качестве прототипа.
Смешение осуществляют в аппарате с последовательно расположенными зонами смешения, названными статической, кинематической и динамической. Последнюю осуществляют в роторно-пульсационном аппарате, который не относится к статическим смесителям. В соответствии с этим смеситель имеет три секции. В первой секции поток встречает статическое препятствие, например, в виде наклонных под другим углом перегородок. Во второй секции усиливается вращательная составляющая движения потока посредством лопастей, установленных на валу роторно-пульсационного аппарата и подающих поток смеси в зазор вращающегося ротора относительно статора.
Основными недостатками такого решения являются:
- наличие внешнего источника энергии в качестве привода роторно-пульсационного аппарата;
- сложность конструкции;
- увеличение габаритов по сравнению с малообъемными статическими смесителями.
Эти недостатки исключены в предлагаемом комбинированном статическом смесителе-активаторе.
Принципы смешения и активации, заложенные в предлагаемом смесителе-активаторе, заключаются в следующем. В первой секции происходит сложное движение потока, реализующее нормальную, тангенциальную, относительную и кориолисову составляющие ускорения, а вместе с тем соответствующие силы инерции (кинематическая зона). Во второй секции происходит вихреобразование и кавитация. В третьей секции осуществляется окончательное дробление потока на мини-струи и капли, диаметр которых составляет 5 микрон и менее, чем достигается высокая степень гомогенизации.
Схема комбинированного статического смесителя-активатора представлена на фиг.1.
В цилиндрическом корпусе 1, имеющем ступенчатую внутреннюю поверхность, расположены секции I, II, III.
Секция I расположена на входе в смеситель-активатор. В ней находится смеситель, состоящий из двух винтовых элементов 2 и 3. Винтовой элемент 2 прилегает к цилиндрической поверхности корпуса 1 и имеет навивку правостороннюю или левостороннюю. Внутри винтового элемента 2 находится винтовой элемент 3, имеющий соответственно левостороннюю или правостороннюю навивку. Между витками винтовых элементов 2 и 3 имеется по возможности малый зазор. Внутри винтового элемента 3 также с малым зазором проходит цилиндрический стержень 4, выполненный заодно с цилиндрической вставкой 5, имеющей со стороны, противоположной стержню 4, конус 6.
В цилиндрической вставке 5 выполнены каналы 7, центры входных отверстий которых располагаются в зазоре между витками винтовых элементов 2 и 3. Каналы 7 могут располагаться вдоль оси корпуса 1 или под углом к этой оси.
Цилиндрическая вставка 5 относится к секции II, включающей также промежуточную камеру 8.
После промежуточной камеры 8 следует секция III, внутри которой установлен смесительный элемент 9, составленный из перекрещивающихся решеток 10, образующих пространственную систему каналов, осуществляющую разделение и воссоединение потоков, в результате чего происходит эффективное смешение дисперсионной среды и дисперсной фазы с многоточечным массообменном на молекулярном уровне. Пример перекрещивающейся решетки 10 показан на схеме 2а, б. Характерной особенностью решетки 10 является наличие зубьев, отогнутых в разные стороны так, чтобы между зубьями были щели и ширина щелей между зубьями, отогнутыми в одну сторону, была бы равна ширине зубьев, отогнутых в другую сторону, и наоборот.
Существенным является также, чтобы все зазоры между узлами смесителей и корпусом 1 были настолько малыми, чтобы осуществлялись сдвиги между молекулярными слоями.
Смеситель-активатор действует следующим образом.
Насосом, который на фиг.1 не показан, смешиваемые жидкофазные системы подаются на вход секции I и далее произвольно распределяются по внешнему и внутреннему винтовым элементам соответственно 2 и 3. Дальнейшее движение распределенных указанным образом жидкофазных систем осуществляется в противофазе, что приводит к множественным локальным квазиударным процессам, приводящим к дроблению и смешению указанных систем. В конце секции I перед цилиндрической вставкой 5 образуется вихревая зона, формирующая псевдокипящий слой.
Далее смешиваемые жидкофазные системы поступают в каналы 7, в которых повышается внутреннее давление, сжимающее образующиеся капли. При попадании капель в промежуточную камеру 8 секции II возникает кавитация вследствие резкого перепада давления и дробление крупных капель на капли меньшего диаметра. Конус 6 предназначен для направленного движения образующихся потоков и ликвидирует застойную зону. В секции III вновь происходит разделение каплесодержащих потоков на мелкие струи, которые движутся по ломанным щелевидным каналам, образующим пространственную решетку.
В итоге создаются условия для дробления длинных молекулярных цепей на более короткие, а тяжелые молекулярные цепи разделяются на более легкие. В итоге, кроме смешивания, происходит активация жидкофазных систем, выражающаяся, в том числе, в равномерном распределении тяжелых и легких молекулярных цепей на выходе из секции III.
Прохождение смешиваемых жидкофазных систем через смесители, установленные в секциях I и III, воспроизводит динамический режим, при котором происходит превращение отдельных молекул или комплексов сталкивающихся молекул из начального i-го квантового состояния во все конечные f состояния. Они могут быть как незначительными, так и существенными, приводящими к заметным изменениям качества продукта. Существенным является так же то, что при прохождении потоков через указанные смесители может возникнуть неустойчивое стационарное состояние, приводящее к автоколебаниям. Этому также способствует пульсирующая работа подающих насосов.
Винтовые элементы 2 и 3 могут быть выполнены в виде пружин с левой и правой навивкой. В зависимости от плотности и вязкости смешиваемых сред целесообразно менять шаг навивки. В рассматриваемом смесителе-активаторе регулирование осуществляется с помощью торцевой крышки 11, расположенной на входе в смеситель-активатор, которая имеет резьбу, и посредством соответствующей резьбы в корпусе 1 может перемещаться в осевом направлении. Вторая торцевая крышка 12, расположенная на выходе обработанной среды из смесителя-активатора может быть глухой или также установленной на резьбе. Кроме того, указанная крышка 12 имеет нейтральную конусообразную выемку для формирования потока на выходе.
Узел смесителя, установленного в секции III, может быть сборным из элементов, изображенным на фиг.2а, б или исполненным по известным патентам.