Вибрационный смеситель

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)я B 01 F 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4858454/26 (22) 10.08.90 (46) 15.08.92. Бюл. ¹ 30 (71) Научно-производственное объединение

"Агрохолодп ром" (72) C.Б,Гутнин, Ю.К.Древаль, А.Н. Ковальчук, В. Д, Лакиза и М. Н. Сыровец (56) Авторское свидетельство СССР

N 655419, кл, В 01 F 11/00, 1977.

Авторское свидетельство СССР

N 856525, кл. В 01 F 11/00, 1979, (54) ВИБРАЦИОННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к перемешиванию и может применяться в химической, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности. Цель — повышение эффективности процесса перемешивания жидких фаз и суспензий и надежности устройства. Вибрационный смеситель содерИзобретение относится к перемешиванию и касается конструкции вибрационного устройства для смешения жидких фаз и суспензий, в частности смешения высоковязких и взаимно нерастворимых жидкостей, и может найти применение в химйческой, медицинской, пищевой и других отраслях промышленности.

Известен вибрационный смеситель, содержащий вибратор и корпус со штуцерами входа и выхода обрабатываемой среды, внутри которого установлен.ы перемешивающие элементы, закрепленные на вертикальном штоке, связанном с вибратором, причем перемешивающие элементы выполнены в виде обратных конусообразных перфорированных тарелок, а на концах штока установлены упругие креСтовины, концы которых жестко закреплены на корпусе, „„5U „„1754196 А1 жит вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого размещены перемешивающие элементы, установленные на вертикаль- ъ ном штоке, соединенном с вйбратором.

Перемешивающие элементы (ПЭ) выполнены в виде подпружиненных йнерциойных тел, размещенных на штоке с возможностью скольжения. Смеситель снабжен упруги м газон а пол ненн ым элементом (УГЭ), размещенным между днищем корпуса и нижним перемешивающим элементом, При включении вибратора шток совершает возвратно-поступательное движение в жидкости и передает колебания ПЭ также динамическое давление газу; заключенному в УГЭ, вызывая его пульсацию, что позволяет осуществлять эффективное перемешива. ние высоковязких жидкостей и суспензий. 3 ил.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность перемешивания при ббльшом расходе энергии, обусловленном высоким гидросопротивлением тарелок.

Наиболее близким к предложенному смесителю является вибрационный смеситель, содержащий вибратор и корпус со штуцерами входа и выхода обрабатываемой среды, внутри которого установлены за-! крепленные на вертикальном штоке пере1 мешивающие элементь!, выполненные в виде полых цилиндров с сетчатыми днищами, заполненных шарами. При этом цилиндры заполнены шарами на 10 — 357ь своего объема и разделены вертикальными перегородками на секций, что обеспечивает равномерное распределение насадки (шаров) по всей площади днища цилиндров.

1754196

При работе известного устройства перемешиваемые компоненты, поступающие

" под напбрдм вкорпус; проходят последовательно через полые цилиндры с шарами, совершающие возвратно-поступательные движения (вибрации), Вибрация цилиндров приводит к образованию в них псевдоожиженного слоя шаров, что способствует улучшению условий перемешивания проходящих через этот слой смешиваемых компонентов.

Однако данное устройство характеризуется невысокой надежностью, Т,К, при его работе днища перемешивающих элементов подвергаются постоянному ударному воздействию шаров; имеющйх значительную массу, Выполнение же днищ цилиндров сетчатыми не позволяет обеспечить их достаточную прочность и ведет к быстрому выходу сеток из строя.

В данном устройстве эффектйвность процесса перемешивания зависит от интенсивности движения шаров внутрй тарельчатых цилиндров, Которая зависит от амплитуды вибрации цилиндров, Однако при увеличении амплитуды вибрации резко усиливается ударное воздейстЪие шаров на днища цилиндров; что-накладывает сущест-венные ограничения на возможность интенсификации процесса перемешивания, не позволяет обеспечить высокую степень диспергирования смешиваемых фаз, Ввиду этого известное устройство малоэффективно при перемешивайии rinoxo или несмешиваемых жидкостей, Кроме того, перемешивающие элементы в виде тарельчатых цилиндров с сетчатыми днищами, заполненных шарами, создают большое гидросопротивление при последовательном прохождении через них потока перемешиваемой жидкой среды, Это связано с г1овышенными затратамй энергии, особенно в случае перемешивания вязких жидкостей. В вьгсоковязких же жидкостях, таких, как, например, смолы или высококонцентрированные суспензии, сахаросодержащие растворы, известное устройство малоэффективно ввиду невозможности образования псевдосжиженного соя шаров. поскольку инерция движения шаров не может преодолеть силу

ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ.

Цель изобретения — повышение эффективности процесса перемешивания и надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что вибрационный смеситель, содержащий вибратор, корпус со штуцерами входа и выхода обрабатываемой среды, переМеШивающие элементы, установленные на вертикальном штоке, снабжен упругим газонаполненным элементом, размещенным в нижней части корпуса с зазором между его днищем и нижним перемешивающим элементом, а перемешивающие элементы выполнены в виде подпружиненных инерционных тел, установленных с возможностью скольжения на штоке, На фиг. 1 изображен общий вид вибрационного смесителя в заполненном состоянии; на фиг. 2 — разрез А — А на фиг. 1; на фиг, 3 — разрез Б — Б на фиг. 1.

Смеситель содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с герметично под10 стыковываемой крышкой 2 и штуцерами 3 и

4 входа и выхода обрабатываемой жидкой среды, Внутри корпуса 1 установлен вертикальный шток 5, соединенный с вибратором (на чертеже не показан), На штоке 5 закреп15

20 лены перемешивающие элементы, выполненные в виде инерционных тел 6 цилиндрической формы и помещенных по их торцам пружин 7 и 8. Инерционные тела

6 установлены на штоке 5 с возможностью свободного скольжения, для чего в них выполнены центральные отверстия 9 большие диаметры штока. Между соседними перемешивающими элементами установлены разделители 10, закрепленные жестко на

25 полненный в форме тора и размещенный с зазором между днищем 12 корпуса и нижней частью нижнего перемешивающего элемента, ограниченйой крестовиной 13, приваренной к штоку 5. Упругий элемент 11 выполнен в виде герметичной торовой оболочки из эластичной упругой, например, ре35 эиновой пленки 14, заполненной воздухом,: в центральное отверстие которой с зазором введен нижний конец штока 5, При заполнении корпуса 1 жидкостью упругий элемент 11 всплывает и прижимает40 ся к крестовине 13, закрепленной на штоке

5. На наружной поверхности инерционных тел 6 закреплены активаторы перемешивания жидкости, выполненные, например, в виде радиальных лопастей 15, Пружины 7 и

50 8 могут быть закреплены на штоке у разделителей 10, а могут быть свободно размещены на штоке по обе стороны инерционных тел 6. 8 центральной части крышки установлен сильфон 16, обеспечивающий герметизацию места ввода штока 5 в корпус 1.

Предлагаемый вибрационный смеситель работает следующим образом, Через штуцер 3 корпус 1 заполняется смешиваемыми компонентами до уровня, составляющего 0,8 — 0,9 от его высоты (уро30 штоке 5.

В нижней части корпуса 1 установлен упругий газонаполненный элемент 11, вы1754196 заключенному в ней газу, вызывая пульсацию его объема, и происходит динамизме- 2 ское взаимодействие жидкости и газа— элементов колебательной системы "жидкость-газ", т,е. возбуждаются колебания этой системы, При этом происходят пульсации объема газонаполненного элемента, а 3 жидкость турбулизируется, Собственная частота f> образованной в аппарате колебательной системы "жидкость-газ" находится в низкочастотном зву-" ковом диапазоне 30-65 Гц. Она зависит от 3 геометричеСких размеров газонаполненно-го элемента, глубины его погружения, плотности жидкости и может быть легко установлена экспериментально.

Закрепленные на штоке 5 перемешива- 4 ющие элементы, каждый из которых включает подвижное инерционное тело 6 (груз) и установленные по его торцам пружины 7 и

8 (упругие элементы), представляют собой механическую колебательную систему. Виб- 4 рации штока 5 вызывают колебания этой механической системы, при которых груз 6 совершает возвратно-поступательные движения в жидкости, скользя по штоку. Собственная частота колебаний "12" этой системы 5 зависит от массы груза и жесткости пряжи>й:

Соответствующим подбором груза и пружин путем предварительной тэрировки, например, с помощью вибростенда типа

ВЭДС, устанавливают (подбирают) собст- 5 венную частоту перемешивающих элемен=" тов равной частоте системы "жидкость-газ", т,е. 1г=1ь

При осуществлении процесса йервмешивания устанавливают частоту вибратора, вень заполнения зависит от плотности компонентов — чем она выше, тем больше уровень заполнения аппарата). При этом упругий газонаполненный торообразный элемент 11, свободно размещенный на днище 12 корпуса, всплывает и прижимается к крестовине 13. При этом заполняющая корпус 1 жидкость и размещенный в ней газ, заполняющий упругий элемент 11, образуют колебательную систему "жидкость-газ", в которой газ играет роль упругого элемента, а столб жидкости на нем — инерционйого элемента системы. Крестовина 13, ограничивая уровень размещения газонаполнейного тора 11 в жидкости, в то же время не мешает динамическому контакту жидкости и газа.

При включении вибратора шток 5 начинает совершать возвратно-поступательные движения в жидкости, возбуждая в ней динамическое (переменное) давление, Периодические колебания давления жидкости через эластичную оболочку 14 передаются равной собственной частоте " ft", что достигается предвэрительнбй настройкой или подстройкой вибратора. При этом возбуждается резонансный режим колебаний сис5 темы "жидкость-газ", образованной в полости корпуса аппарата, и перемешйвающих устройств, установленных на штоке .

При резонансных колебаниях механической колебательной сйстемы резко

10 возрастает интенсивность возвратно-посту.: пательных движений йнерцйонных тел 6, со- вершаемых с максймальйой амплйтудой; значительно большей амплитуды вибраций штока, определяемой расстоянием между

15 соседними разделителями 10 — режим автоколебаний. Это движения инерЦионных тел

6 с лопастями 15 турбулизируют обьем заполняющей корпус 1 жидкой среды, способствуя перемешивайию между собой

20 исходных компонентов. При этом турбулизируется свободная поверхность жидкости, которая захватывает свободный газ из верхней части корпуса 1.

В То же время в резонанойом режиме

5 колебаний системы "жидкость-газ" в несколько раз (4 — 5) повышается динамическое давление в жидкости и"за сКет этогО резко возрастает действующая вниз "вибрационная" сила, перемещающая захвачейный на

0 поверхности газ вглубь жидкости, В результате свободный газ мгновенно переходит в жидкость и; находясь"в дис>персном состоянии, насыщает ее объем. Рабочая среда в

annaрате переходит в состо>яние гйдрозоля, 5 когда жидкость насыщейэ мелкодисперсными пузырьками газа, совершающими интенсивные хаотические движения в условиях резких знакопеременных йзменений давления и турбулентных пульсаций жидкости, 0 Наличие в жидкости дйсперсного газа делает ее сжимаемой, что повышает интенсивность резонансных пульсаций и стейень гидродинамичесйого возмущения газожидкостной системы, 5 Кроме того, в условиях резонанса в отрицательные полупериоды колебаний в жидкости создается разряжение ниже значения упругости ее насыщающих паров, что приводит к образовэни ю массы кавитацион0 ных пузырьков, которые, схлопываясь, существенно интенсифицируют процесс массообмена между перемешиваемыми компонентами, При этом свободно размещенный у дни5 щэ корпуса газонаполненный тор 11 совер : -шает "интенсивные объемные пульсации и осциллирующие движения, дополнительно турбулирующие жидкость в нижней части корпуса, Расстояние между крестовиной 13 и днищем корпуса выбирается таким, чтобы

1754196

30 возвратно-поступательные движения инерционных тел с активаторами при резонансе механйчеСкой колебательной системы обесйечивак т перемешивание компонентов по всей высоте аппарата.

При этом возвратно-поступательные движения установленных на штоке инерционных тел обеспечивают грубое перемешивание исходных компонентов . тогда как более тонкое перемешивание происходит при резонансных колебаниях" системы

"жидкость-taa". То есть процесс перемешиаания идет одновременно на"двух уровнях, что обуславливает его высокую эффективность, особенно в случаях смешивания пло45 хосмешиваемых или практически насмешйваемых жидкостей. выполнейие перемешивающих элементов в виде свободно установленных на штоке пОдпружиненных йнерционных тел с лопастями, не перекрывающих сечение корпуса, дает возможность свободной циркуляции жидкой среды внутри корпуса, исклЮчая образование в нем застойных

50 зон. Гидросопротйвление внутренней поло- 55 сти данндго смесителя во много раз меньше, чем в прототипе, что позволяет осуществлять эффективное перемешивание высоковязких жидкостей или высококонцентрированных суспензий, а также при крайнем нижнем положении штока 5 оно превышало (на 5 — 20 мм) максимальный размер тора 11 при пульсациях его объема.

При этом происходят также "интен*сивные соударения тора с крестовиной и днищем 5 корпуса, возбуждающие кавитацию и усиливающие турбулизацию в этой части аппарата.

Таким образом, в предложейной конст рукции смесйтеля-достигается очень высо- 10 кая интенсивность процесса массообмена между компонентами; обусловленная совместным воздействием следующих факторов: в резонансном режиме колебаний системы "жидкость-газ" внутри корпуса воэ- 15 буждаются мощйые пульсирующие турбулентные потоки при высокой амплитуде волн динамического давления в жидкой среде, что обеспечйвает интенсивное перемешивание компонентов по всему объему 20 аппарата наличие в жидкости дисперсного газа в виде динамически активных пузырьков, распределенных в обьеме жидкости, улучшает процесс перемешйвания комйонентов; периодическое образоваййе и схло- 25 пывание кавитационных пузырьков в жидкости усиливает турбулизацию жидкости и степень диспергирования перемешиваеМйх "компонейтов; вйсокоамйлитудные снизить энергозатраты при перемешивании.

Отсутствие соударяющихся тел в пере- мешивающих элеМентах исключает механическое разрушение частиц твердой фазы и деструкцию молекул флокулянта. При этом обеспечивается высокая надежность работы смесителя, поскольку в нем не содержится элементов, подвергающихся жестким ударам или повышенным механическим нагрузкам, а пружины 7 и 8 полностью демпфируют удары инерционных тел 6 об элементы 10 и 13 штока 5.

Предложение позволяет также упростить конструкцию вибрационного смесителя. Кроме того, в прототипе смешиваемйе компоненты подаются в аппарат под избыточным давлением; в предложенный смеситель компоненты поступают при нормальном давлении, а в рабочем процессе перемешивания в,аппарате создается повышенное динамическое давление, величина которого в положительные полупериоды резойансных колебаний системй

"жидкость-газ" составляет 1,5-1,8 кПа или

1,5-1,8 ати;

По окончании процесса перемешивания выключают вибратор, прекращаются вибрации штока и возвратно-поступательHbfe движения инерционных тел. В жидкости исчезает динамическое давление, . резонансные пульсации гидрозоля в корпусе прекращаются, избыточный газ выходит из жидкости в верхнюю часть аппарата, а полученная смесь отводится через штуцер

Пример. Проводят смешивание компонентов полиольных смесей, йспользуемых для получения пенополиуретанов: смесь смоляйых и жирных кислот

А6ТЗ(Т) — компонент "1"; фторированные третичйые амины МД46 или МДЗФ вЂ” компонент "2"; Весовое соотношение компонентов — 2,5-1.

Компонент "1" представлял собой очень вязкую смолообразную жидкость. плотностью 1,1 г/см, компонент "2" — прозрачная очень летучая жидкость плотностью 1,7 г/см .

Смешивание проводилось в сосуде из оргстекла емкостью 1500 мл высотой

230 мм. В качестве вибропривода использовался вибратор электродинамического стенда ВЭДС-100. После залива компонентов высота газовой полости в сосуде составляла 30 мм

При экспериментах резонансный режим "жидкость-газ" получен при частоте вибратора 42-45 Гц (резонансный диапазон) и виброускорении 15g, 1754196

Перемешиванием в течение 10 —.15 мин на этом режиме было достигнуто полное перемешивание исходных компонентов— получена однородная жидкая масса по всей высоте сосуда, После отстаивания в течение

3-х месяцев полученная смесь не расслоилась, из нее изготовлены образцы пенопласта, Формула изобретения

Вибрационный смеситель, содержащий вибратор, корпус со штуцерами входа и выхода обрабатываемой среды, перемешивающие элементы, установленные на вертикальном штоке внутри корпуса, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса перемешивания и.

5 надежности, он снабжен упругим газонаполненным элементом, размещенным в нижней части корпуса с зазором между его днищем и нижним перемешивающим эле. ментом, а перемешивающие элементы вы10 полнены в виде подпружиненных инерционных тел, установленных с возможностью скольжения на штоке, 1754196

Составитель С. Гутник

Техред М,Моргентал

Редактор М. Бокарева

Корректор А, Ворович

Производственно-издательский комби эт "Патент", г, Ужгород. ул.Гагарина, 101

Заказ .2841 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5