ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Техническое решение относится к конструкции механических мешалок для одновременного макро- и микроперемешивания высоковязких, неньютоновских и структурированных жидкостей, суспензий и эмульсий и может найти применение в химической, нефтехимической, лакокрасочной, фармокологической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известна конструкция турбинных и пропеллерных мешалок, в которых перемешивающее устройство, закрепленное на приводном валу, вращается внутри неподвижного направляющего аппарата или диффузора, установленного внутри корпуса (Ю.Н. Шаповалов, B.C. Шеин. Машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие. - Воронеж. Издательство Воронежского университета. 1981, с. 86; А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. Издание восьмое, перераб. - М.: Химия, 1971, с. 269-270).
К причинам, препятствующим достижение заданного технического результата, относится недостаточная эффективность смешения, особенно при перемешивании высоковязких, неньютоновских и структурированных жидкостей, суспензий и эмульсий из-за отсутствия микросмешения на уровне молекул, так как турбинная и пропеллерная мешалки обеспечивают макросмешение перемешиваемой среды.
Известен аппарат AP2-4, состоящий из емкости с перемешивающим устройством (тихоходной мешалки) и эллиптическим днищем, рубашки для охлаждения или обогрева обрабатываемого продукта, роторного перемешивающего устройства типа ГАРТ гидроакустический смеситель роторного типа и электродвигателя. Роторная головка имеет вихревую камеру, образованную вращающимся ротором и неподвижным статором. При вращении ротора жидкость с большой скоростью проходит между зубьями ротора и статора. При этом происходит эффективное перемешивание, диспергирование, гомогенизация частиц, обрабатываемых твердых и жидким материалов с одновременным перемешиванием тихоходной мешалкой (А.С.Тимонин. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник. Издание 2-ое, переработанное и дополненное. Т. 2 - Калуга: издательство Н. Бочкаревой, 2002, с. 906-907).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность перемешивания, из-за того что макроперемешивание жидкости тихоходной мешалкой и микроперемешивание в роторном перемешивающем устройстве происходит в разных местах объема емкости, что уменьшает скорость смешения, особенно при перемешивании высоковязких, неньютоновских и структурированных жидкостей, так как структура разрушается и снижается эффективная вязкость в центральной зоне, где расположена тихоходная мешалка, а в периферийной зоне работы роторного перемешивающего устройства структура жидкости и высокая неньютоновская эффективная вязкость сохраняется, что препятствует микросмешению.
Известна конструкция роторного аппарата гидроударного действия, содержащего корпус, внутри которого концентрически установлены статор и ротор со щелями, выполненными на боковых стенках в виде каналов по форме дозвуковых сопл с сужением, примыкающим к расширяющимся полостям, имеющим вогнутые поверхности, при этом ротор разделен на две части: внешнюю и внутреннюю кольцеобразным углублением, в котором размещен статор, при этом щели в форму дозвуковых сопл выполнены в статоре, а щели в форме расширяющих полостей на внешней части ротора, причем на внутренней части ротора размещены лопатки, создающие центробежные силы в обрабатываемом потоке (описание изобретения к патенту №2114689 B01F 7/12, 1998).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность особенно при перемешивании высоковязких неньютоновских и структурированных жидкостей, суспензий и эмульсий из-за малого объема обрабатываемой среды в корпусе.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип относится перемешивающее устройство, включающее аппаратат с крышкой, перфорированный диффузор и размещенную в нем пропеллерную мешалку с закрепленным на концах пропеллера перфорированного цилиндра (описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №413972, B01F 7/22, 1974.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная интенсивность процесса перемешивания при обработке структурированных, высоковязких неньютоновских жидкостей, суспензий и эмульсий, имеющих склонность к налипанию на поверхности, что приводит к закупориванию отверстий в перфорированных диффузоре и цилиндре.
Техническим результатом предлагаемой конструкции перемешивающего устройства является увеличение интенсивности перемешивания.
Поставленный технический результат достигается тем, что перемешивающее устройство для смесителя включает перфорированный диффузор и размещенную в нем пропеллерную мешалку с закрепленным на концах пропеллера перфорированным цилиндром, причем перфорированный диффузор снабжен вертикальными стержнями, верхние концы которых соединены с крышкой смесителя посредством цилиндрических пружин, упругость которых определяется выражением:
где K - упругость пружины, Н/м;
Z - число отверстий в перфорированном диффузоре;
ω - скорость вращения пропеллерной мешалки, об/с;
M - масса перфорированного диффузора со стержнями, кг;
n - число стержней.
Снабжение перфорированного диффузора вертикальными стержнями и соединение их верхних концов с крышкой смесителя посредством цилиндрических пружин позволяет перфорированному диффузору совершать продольные колебания, предотвращающие налипание перемешиваемых сред на стенки диффузора и закупоривание отверстий в нем, что интенсифицирует процесс перемешивания.
Соединение верхних свободных концов стержней с крышкой смесителя посредством цилиндрических пружин, упругость которых определяется выражением (1), позволяет обеспечить резонансный режим осевых колебаний перфорированного диффузора с частотой струй перемешиваемой среды, протекающих сквозь отверстия перфорированного диффузора под действием центробежной силы вращающейся пропеллерной мешалки.
Резонансный режим осевых колебаний перфорированного диффузора приводит к возрастанию амплитуды колебаний, сбрасывающих налипающую перемешиваемую жидкость на стенки перфорированного диффузора и предотвращающих закупоривание его отверстий, что интенсифицирует процесс перемешивания, особенно неньютоновских, высоковязких и структурированных сред, склонных к налипанию на поверхности.
На фиг. 1 изображен общий вид смесителя с предлагаемым перемешивающим устройством. На фиг. 2 - вид сверху с их частичным разрезом на пропеллерную мешалку с перфорированными цилиндром и диффузором.
Смеситель 1 снабжен крышкой 2 и валом 3, приводимым во вращение от привода 4. На валу 3 закреплена пропеллерная мешалка 5, на концах лопастей которой закреплен перфорированный цилиндр 6. Перфорация выполнена в виде продольных пазов, равномерно расположенных на боковой стенке перфорированного цилиндра 6. Осесиметрично с валом 3 и перфорированным цилиндром 6 закреплен перфорированный диффузор 7, причем его перфорация имеет такие же размеры и формы, как и на перфорированном цилиндре 6 и равномерно распределена по его боковой поверхности.
Перфорированный диффузор 7 снабжен вертикальными стержнями 8, верхние концы которых соединены с крышкой 2 посредством цилиндрических пружин 9, упругость которых определяется выражением (1).
Перемешивающее устройство для смесителя работает следующим образом.
В смеситель 1, снабженный предлагаемым устройством, подают перемешивающую среду. При вращении вала 3 от привода 4 с угловой скоростью со вращается пропеллерная мешалка 5 и перфорированный цилиндр 6. Перемешиваемая среда циркулирует как через перфорированный диффузор 7 в осевом направлении, так и в радиальном направлении через отверстия перфораций в перфорированных цилиндре 6 и диффузоре 7, что способствует интенсивности перемешивания. Так как в отверстиях перфораций цилиндра 6 и диффузоре 7 струи жидкости рвутся с частотой, равной [Элементарный учебник физики. Том 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. Изд. 10-е, перераб. / Под редакцией Г. С.Ландсберга. - М: Наука, 1986, с. 50]:
d
где v - частота колебаний, Гц;
Z - число отверстий в перфорированном диффузоре 7;
ω - скорость вращения вала 3 с пропеллерной мешалкой 5 и перфорированным цилиндром 6, об/с.
Тогда под действием этой вибрации неньютоновские, структурированные жидкости уменьшают свою эффективную вязкость, что увеличивает скорость их перемешивания и также способствует росту интенсивности этого процесса.
Так как перфорированный диффузор (7) со стержнями 8 соединены с крышкой 2 цилиндрическими пружинами 9, имеющими упругость К, определяемой из выражения (1), а частота собственных колебаний пружинного маятника
n
где v - собственная частота колебаний пружинного маятника, Гц;
K - упругость пружины, Н/м;
M - масса груза, подвешенного на пружину, кг.
[С.П. Мясников, Т.Н. Осанова. Пособие по физике. Издание пятое, испр. и перераб. - М.: Высшая школа, 1988, с. 339], то частота собственных колебаний пружинного маятника совпадает с частотой струй перемешиваемой среды (2)
n
d
v=v
Это вызывает резкое увеличение амплитуды осевых колебаний перфорированного диффузора 7 за счет эффекта резонанса, что приводит к еще большему разжижению перемешиваемой среды за счет снижения ее эффективной вязкости и разрушения структуры неньютоновских, структурированных жидкостей, предотвращению налипания их на стенки перфорированного диффузора 7 и закупоривания его отверстий, что еще в большей степени интенсифицирует процесс перемешивания.
Пример. Диаметр перфорированного диффузора 7 D=300 мм, число щелевых отверстий Z в его боковой стенке при шаге между отверстиями 6 мм составляет
Число оборотов пропеллерной мешалки 5;
ω=5 об/с.
Масса перфорированного диффузора 7 со стержнями M=1,5 кг. Число стержней n=4. Тогда упругость каждой из четырех цилиндрических пружин 9 должна составлять по выражению (1)
2
6
K=(6,28-157-5)-1,5/4=9,0-10 Н/м
Собственная частота колебаний каждой из четырех цилиндрических пружин 9
Частота колебаний струй жидкости в перфорированном диффузоре 7
n
v=ω·Z=5·157=785 Гц
6
то есть при упругости цилиндрической пружины 9 K=9-10 Н/м собственная частота колебаний будет равна частоте колебаний струй перемешиваемой среды, проходящих через отверстие перфорированного диффузора 7.
Таким образом, снабжение перфорированного диффузора 7 вертикальными стержнями 8 и соединение их верхних концов с крышкой 2 корпуса 1 посредством цилиндрических пружин 9, упругость которых определяется выражением (1), заставляет совершать осевые колебания перфорированный диффузор 7 в резонансном режиме с большой амплитудой, что приводит к тиксотропному разжижению высоковязких неньютоновских структурированных перемешиваемых сред и предотвращению налипания и закупоривания отверстий перфорированного диффузора 7для таких сред, склонных к налипанию на поверхности. Это в целом способствует интенсификации процесса перемешивания, а значит, уменьшению времени энергозатрат.