АППАРАТ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для перемешивания гомогенных и гетерогенных высоковязких, структурированных неньютоновских жидкостей одновременно на макро- и микроуровне и может найти применение в химической, нефтехимической, горноперерабатывающей, строительной, дорожной, энергетической, атомной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах нейтрализации и очистки сточных вод и шламовых жидкостей отстойников.
Известны конструкции аппаратов с механическими перемешивающими устройствами, состоящие из корпуса со съемной крышкой и рубашкой, и перемешивающего устройства с приводом. На аппаратах установлены лопастные, якорные или ленточные перемешивающие устройства [А.С. Тимонин. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник, Том 2, издание 2-е, переработанное и дополненное. - Калуга.: Издательство Н. Бочкаревой, 2002, с. 972].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится образование воронки на поверхности перемешиваемой жидкости что ухудшает качество перемешивания на макро- и микроуровнях, особенно при перемешивании высоковязких, структурированных неньютоновских жидкостей.
Известны конструкции вертикальных цилиндрических аппаратов для механического перемешивания жидких сред, в которых помимо корпуса со съемной крышкой и рубашкой, перемешивающего устройства с приводом, внутри корпуса установлены, как правило, четыре отражательные перегородки, позволяющие ликвидировать воронку и преобразовать вращательное движение жидкости в осевое [Э.А. Васильцов, В.Г. Ушаков. Аппараты для перемешивания жидких сред. Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, 1979, с. 26].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится слабое перемешивание на микроуровне, особенно высоковязких структурированных и неньютоновских жидкостей у стенок корпуса вблизи отражательных перегородок, что приводит к ухудшению качества перемешивания этих жидкостей.
Известна конструкция мешалки, содержащая ротор, оснащенный спицами и лопастями разного диаметра, на концах которых закреплены конфузоры, большим сечением обращенные в сторону вращения ротора. Внутри каждого конфузора смонтированы турбулизаторы для создания эффекта кавитации жидкости, имеющие гиперболическую форму, выпуклая часть которых обращена в сторону вращения ротора. Внутри каждого турбулизатора расположено щелевое пространство для протекания жидкой среды между стенкой конфузора и ветвью турбулизатора [патент РФ №2277964, МПК B01F 7/16, 20.06.2006 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся незначительные радиальные и осевые потоки перемешиваемой жидкости у стенок аппарата, особенно при перемешивании высоковязких и структурированных неньютоновских жидкостей, что снижает качество перемешивания. Кроме того, создаваемый кавитационный эффект, вызывающий самопроизвольное вскипание небольших объемов перемешиваемой жидкости, может оказывать негативное влияние на протекающие химические реакции в процессе перемешивания внутри химических реакторов.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип по совокупности признаков к заявляемого объекту, является аппарат для механического перемешивания жидкостей, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с плоским или выпуклым днищем, несколько отражающих перегородок и одну или несколько быстроходных мешалок, закрепленных на валу привода и имеющих центральное, косое эксцентричное или боковое расположение относительно оси аппарата [Ф. Стренк. Перемешивание и аппараты с мешалками. - Л.: Химия, 1975. - стр. 45-47].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится снижение степени перемешивания друг с другом элементарных слоев жидкости в направлении от мешалки к стенке корпуса аппарата. В свою очередь, снижение степени перемешивания элементарных слоев жидкости приводит к уменьшению качества перемешивания в целом, особенно при перемешивании высоковязких, структурированных, неньютоновских жидкостей вблизи стенок аппарата, где установлены отражательные перегородки.
Техническим результатом предлагаемой конструкции аппарата для перемешивания жидких сред является увеличение качества смешения высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей у стенок аппарата в зоне установки отражательных перегородок при колебаниях их поверхности, обеспечивающих ликвидацию застойных зон за счет микроперемешивания и снижения эффективной вязкости жидкости при вибрации.
Поставленный технический результат достигается тем, что в аппарате для перемешивания жидких сред содержится вертикальный цилиндрический корпус с днищем, несколько отражающих перегородок и мешалку, осесимметрично закрепленную на валу привода относительно корпуса, каждая отражательная перегородка выполнена в виде ленты из эластичного материала, концы которой закреплены на катушках, радиально прикрепленных к боковой стенке корпуса, причем катушки, на которых закреплены концы одной ленты, расположены друг от друга на расстоянии, подчиняющемся соотношению:
где Н - расстояние между катушками, на которых закреплены концы одной ленты, м;
- длина ленты из эластичного материала в нерастянутом состоянии, м;
3
ρ - плотность эластичного материала ленты, кг/м;
2
Е - модуль растяжения эластичного материала, Н/м;
n - число лопастей мешалки;
-1
ω - угловая скорость вращения вала, с.
Выполнение каждой отражающей перегородки в виде ленты из эластичного материала позволяет ее поверхности совершать поперечные колебания под действием окруженных потоков жидкости, образующихся при вращении мешалки, что разрушает застойные зоны у стенок аппарата, создает вибрацию, обеспечивающую уменьшение эффективной вязкости высоковязких, структурированных, неньютоновских жидкостей и микроперемешивание, что повышает качество смешения компонентов этих жидкостей.
Закрепление концов ленты из эластичного материала на катушках, радиально прикрепленных к боковой стенке корпуса в местах установки отражательных перегородок, позволяет закрепить ленты из эластичного материала так, что они располагаются вертикально и с зазором относительно самой стенки, то есть без контакта со стенкой корпуса, что предотвращает образование застойных зон у поверхности ленты, а также обеспечивает ее свободные колебания под действием окружных потоков жидкости, что снижает эффективную вязкость высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей, интенсифицирует микросмешение у стенок аппарата и повышает качество перемешивания жидкостей.
Закрепление катушек радиально к боковой стенке корпуса позволяет заменить все обычные жесткие отражающие перегородки на перегородки из эластичного материала и обеспечить вибрацию этих перегородок по всей высоте перемешиваемой жидкости, что предотвращает образование застойных зон вблизи отражающих перегородок, а колебания поверхности лент из эластичного материала образуют микровихри, обеспечивающие микроперемешивание жидкости у стенок корпуса и снижающие эффективную вязкость высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей, что повышает качество перемешивания.
Выполнение отношения размеров высоты отражающей перегородки, равной расстоянию между катушками, на которых закреплены концы одной ленты, к длине ленты из эластичного материала в нерастянутом состоянии, подчиняющему выражению (1), позволяет вести колебания поверхности ленты в резонансном режиме, когда собственная частота колебаний ленты из эластичного материала совпадает с частотой вынужденных колебаний, вызванных гидроударом окружного потока жидкости, образованного прохождением лопасти мешалки вблизи отражающей перегородки.
Известно, что собственная частота колебаний эластичной ленты описывается уравнением:
2
где σ - напряжение натяжения, Н/м [Р.В. Поль. Механика, акустика, учение о теплоте. Перевод с 16-го немецкого издания. Под редакцией Н.П. Суворова. - М.: Наука, 1971, с. 253].
Частота гидроударов на отражательную перегородку потока жидкости при прохождении вблизи ее лопасти мешалки определяется выражением:
-1
где n - число лопастей мешалки; ω - скорость вращения вала мешалки, с.
Так как напряжение натяжения эластичной ленты определяется по закону Гука:
2
где Е - модуль Гука для эластичных материалов, Н/м;
ε - относительное удлинение,
а относительное удлинение:
то из совместного решения уравнений (4) и (5) получаем:
м
Подставляя значение σ из последнего уравнения в уравнение (2) и приравнивая частоту колебаний эластичной ленты ν из уравнения (2) с частотой гидроударов ν из уравнения (3), после алгебраических преобразований получаем выражение (1).
На чертеже показана схема общего вида в разрезе предлагаемой конструкции аппарата для перемешивания жидкостей.
Аппарат для перемешивания жидких сред состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с днищем 2, нескольких отражательных перегородок, выполненных в виде лент 3 из эластичного материала, равномерно расположенных по окружности корпуса 1, длина которых в нерастянутом состоянии равна , мешалки 4, осессиметрично закрепленной на валу 5 привода 6, а сам привод 6 установлен на крышке 7 корпуса 1. Ленты 3 закреплены на катушках 8, прикрепленных радиально к боковой стенке корпуса 1. Катушки 8, на которых закреплены концы одной ленты 3, расположены друг от друга на расстоянии Н, отвечающем условию (1). Каждая катушка 8 представляет собой горизонтальный цилиндр шириной, равной ширине ленты 3 из эластичного материала, с ребордами по торцам, предотвращающими смещение ленты 3 к стенке корпуса или самопроизвольному демонтажу с горизонтального цилиндра под действием колебаний внутрь корпуса 1.
Подготовка аппарата к работе осуществляется следующим образом. При открытой крышке 7 концы каждой ленты 3 из эластичного материала, выполняющие роль отражательных перегородок и имеющие длину  в нерастянутом состоянии, соответствующую выражению (1), закрепляют вертикально на смежных по высоте катушках 8. Так как длина  ленты 3 меньше расстояния Н, на котором расположены катушки 8, на которых закреплены концы одной ленты 3, то каждая лента 3 растягивается и находится в растянутом состоянии, при этом ширина ленты 3 совпадает с шириной горизонтального цилиндра катушки 8, а ее реборды предотвращают смещение ленты 3 при вибрации.
После установки всех лент 3 из эластичного материала на катушки 8 крышку 7 закрывают, заполняют корпус 1 жидкостью, предназначенной для перемешивания, включают привод 6, который передает вращение от вала 5 к лопастной мешалке 4 с угловой скоростью вращения ω. Лопастная мешалка 4 создает окружной поток перемешиваемой жидкости, при этом в момент прохождения каждой лопастью вблизи отражательной перегородки происходит гидроудар жидкости по поверхности отражательной перегородки, выполненной в виде ленты 3 из эластичного материала, заставляющий вибрировать эту поверхность с частотой, равной произведению числа лопастей n лопастной мешалки 4, и окружной скоростью вращения ω, создавая вынужденную частоту колебаний отражательной перегородки, описываемой уравнением (3).
м
Эта частота колебаний ν при выполнении соотношения (1) совпадает с собственной частотой колебаний, рассчитываемой по уравнению (2), то есть в этом случае каждая лента 3 из эластичного материала, выполняющая роль отражающей перегородки, совершает поперечные колебания в резонансном режиме с вращающейся лопастной мешалкой 4 с высокой амплитудой, вызывающей снижение эффективной вязкости высоковязкой, структурированной и неньютоновской жидкости, что предотвращает образование застойных зон у стенок корпуса 1, создает микровихри, вызывающие микроперемешивание жидкостей, и в конечном счете, повышающие качество смешения жидкостей.
Пример расчета.
Диаметр аппарата D=1,2 м; число оборотов двухлопастной мешалки ω=72 об/с.
Выбираем ширину отражательных перегородок: [Ф. Стренк. Перемешивание и аппараты с мешалками. Л. - Химия, 1975, с. 46]
b=0,1·D=0,12 м,
зазор между боковой стенкой аппарата и торцом отражательной перегородки: [Ф. Стренк. Перемешивание и аппараты с мешалками. Л. - Химия, 1975, с. 47]
δ=0,20·b=0,024 м,
а высоту отражательной перегородки:
H=D=1,2 м,
2
3
ленту 3 делаем из эластичного полиуретана ПУ [А.Ф. Николаев. Технология пластических масс. - Л.: Химия, 1977, с. 312], модуль эластичности которых Е=5 кг/см с толщиной Δ=0,003 м, плотностью ρ=1100 кг/м.
Согласно уравнению (1):
Тогда длина ленты 3 эластичного материала их которого выполняется отражательная перегородка:
Таким образом, лента 3 длиной  растягивается до длины H=1,2 м и закрепляется на катушках 8.
Растягивающие напряжения в ленте 3 при растяжении ее длины с  до Н=1,2 м составит по закону Гука:
а сила растяжения при этом составит:
F=σ·b·Δ=1·1,2·0,3=3,6 кг
Определяем собственную частоту колебаний эластичной ленты 3 по формуле (2):
Таким образом, предлагаемая конструкция аппарата для перемешивания жидких сред позволяет перевести работу в режиме резонансных колебаний с высокой амплитудой отражательных перегородок, выполненных в виде лент 3 из эластичного материала, что предотвращает образование застойных зон у стенок корпуса 1, приводит к снижению эффективной вязкости высоковязких, структурированных и неньютоновских жидкостей, образованию микровихрей и способствует перемешиванию самой жидкости, что в целом увеличивает качество перемешивания.