Устройство для растворения, эмульгирования и диспергирования различных материалов

 

Изобретение относится к устройствам для растворения, эмульгирования и диспергирования различных материалов, комбинированным системам нагрева жидкостей и может быть использовано для тонкого измельчения твердых материалов в различных отраслях промышленности, смешивания или диспергирования различных жидкостей, ускорения массообменных и физико-химических процессов, а также для подогрева воды в системах горячего водоснабжения и отопления. Изобретение решает задачу увеличения эффективности работы устройства с достижением технического результата в виде повышения количества пульсаций давления путем последовательного прохождения в одном аппарате нескольких зон прерывания потока с возникновением гидравлического удара и последующего расширения потока, сопровождаемого зоной кавитационного воздействия. Устройство содержит корпус с патрубками входа и выхода обрабатываемого материала и концентрично установленные в нем статор и ротор. Статор и ротор имеют форму усеченного конуса, а их боковые поверхности снабжены, по меньшей мере, двумя кольцевыми выступами с радиальными пазами в вершинах, которые образуют, по меньшей мере, две последовательные зоны прерывания потока. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к устройствам для растворения, эмульгирования и диспергирования различных материалов, комбинированным системам нагрева жидкостей и может быть использовано для тонкого измельчения твердых материалов в различных отраслях промышленности, смешивания или диспергирования различных жидкостей, ускорения массообменных и физико-химических процессов, а также для подогрева воды в системах горячего водоснабжения и отопления.

Известны роторные аппараты гидроударного действия (1, 2, 3, 4), содержащие корпус с входным и выходным патрубками и установленные в корпусе ротор и статор, выполненные в виде тел вращения и соприкасающиеся друг с другом боковыми стенками, в которых выполнены радиальные каналы.

Указанные аппараты имеют в общем случае принципиальную единую схему и конструктивно незначительно отличаются друг от друга. Все они обеспечивают удовлетворительные технические показатели, указанных выше технологических процессов, однако возможности их модернизации исчерпаны не в полной мере.

Наиболее близким аналогом заявленному изобретению по технической сущности является центробежный диспергатор (5), содержащий корпус с патрубками входа и выхода обрабатываемых материалов и установленные в нем концентрично друг другу ротор и статор, сопрягаемые боковыми поверхностями, выполненными в виде усеченных конусов.

Данная конструкция обеспечивает хорошие технико-экономические показатели работы при обработке многих материалов, однако в некоторых случаях однократного пропуска обрабатываемого материала через аппарат оказывается недостаточно для получения заданных параметров диспергирования или эмульгирования. Возможен вариант последовательной установки нескольких аппаратов, но это связано с увеличением металлоемкости процесса, снижением надежности работы технологической линии, а в некоторых случаях, особенно в пищевой промышленности, для сохранения определенных свойств продуктов, требуется получение заданных параметров диспергирования или эмульгирования при однократном пропуске через аппарат.

Исходя из сказанного, перед данным изобретением стоит задача увеличения эффективности процессов растворения, эмульгирования и диспергирования. Указанная задача может быть решена несколькими путями: увеличением величины пульсаций давления за счет увеличения длины каналов ротора (значительно возрастают габариты аппарата); увеличением частоты пульсаций за счет увеличения числа оборотов ротора (определенные ограничения по двигателям); увеличением числа каналов ротора (значительного увеличения ожидать скорее всего не следует, т. к. главный резерв увеличения эффективности состоит в увеличении числа пульсаций, воздействующих на обрабатываемый материал).

Технический результат, возникающий при использовании изобретения, состоит в возможности увеличения числа пульсаций давления и ударного воздействия струи обрабатываемой суспензии путем последовательного прохождения в одном аппарате нескольких зон прерывания потока с возникновением гидроудара и последующего расширения потока, сопровождаемого зоной кавитационного воздействия.

Указанный технический результат получают за счет того, что в известном устройстве, содержащем корпус с патрубками входа и выхода обрабатываемых материалов и установленные в нем концентрично друг другу и сопрягаемые боковыми поверхностями, выполненными в виде усеченных конусов, статор и ротор с радиальными каналами, на внутренней боковой поверхности статора и наружной боковой поверхности ротора выполнены, по меньшей мере, по две кольцевые проточки треугольного сечения, образующие на боковых поверхностях статора и ротора кольцевые треугольные выступы различного диаметра, при этом в вершинах выступов статора, обращенных к его оси, и в вершинах выступов ротора, обращенных в сторону, противоположную его оси, выполнены радиальные пазы с выходом на торцевые поверхности кольцевых треугольных выступов, сопряжение статора и ротора выполнено по поверхностям треугольных выступов, согласным оси статора и ротора и имеющим различные диаметры, а радиальные каналы выполнены в сопрягаемой поверхности кольцевого выступа меньшего диаметра ротора и в сопрягаемой поверхности кольцевого выступа большего диаметра статора. Отношение числа каналов или пазов статора к числу каналов или пазов ротора в каждой ступени сопряжения статора и ротора равно 0,8-0,85.

Выполнение внутренней боковой поверхности статора и наружной боковой поверхности ротора по форме усеченных конусов, на которых выполнены кольцевые проточки треугольного сечения, образующие на боковых поверхностях статора и ротора несколько кольцевых выступов с радиальными пазами, позволяет получить в одном устройстве несколько ступеней воздействия на обрабатываемый материал, а следовательно, повысить его эффективность, при этом заданная степень эмульгирования или диспергирования обеспечивается за один пропуск материала через аппарат. Таким образом заявляемая совокупность существенных признаков устройства обеспечит выполнение поставленной задачи и получение указанного выше технического результата.

Принципиальная схема устройства для растворения, эмульгирования и диспергирования различных материалов представлена на чертежах. На фиг. 1 представлен общий вид устройства в разрезе; на фиг. 2 - статор устройства; на фиг. 3 - ротор устройства; на фиг. 4 - сечение А - А фиг. 1; на фиг. 5 - сечение Б - Б фиг. 1; на фиг. 6 - сечение В - В фиг. 1.

Устройство включает корпус 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 обрабатываемых материалов. По оси корпуса 1 на валу 4 установлен с возможностью вращения от привода (на чертеже не показан) ротор 5, наружная боковая поверхность 6 которого имеет форму усеченного конуса. Концентрично ротору 5 в корпусе 1 установлен статор 7, внутренняя боковая поверхность 8 которого также имеет форму усеченного конуса. Ротор 5 имеет внутреннюю полость 9 и лопатки 10. На внутренней боковой поверхности 8 статора 7 и наружной боковой поверхности 6 ротора 5 выполнено, по меньшей мере, по две кольцевые проточки трехугольного сечения. В варианте, изображенном на чертежах, выполнено по три кольцевых проточки 11 как на поверхности статора, так и ротора. Эти проточки образуют на боковой поверхности ротора кольцевые трехугольные выступы 12 различного диаметра, а на боковой поверхности статора - кольцевые трехугольные выступы 13 различного диаметра. Указанные выступы 12 и 13 имеют торцевые поверхности, соответственно, 14 и 15, и боковые - 16 и 17. Сопряжение статора и ротора выполнено по боковым поверхностям 16 и 17 трехугольных выступов 12 и 13. В вершинах выступов 13 статора 7, обращенных к его оси, и в вершинах выступов 12 ротора 5, обращенных в сторону, противоположную его оси, выполнены, соответственно, радиальные пазы 18 и 19. В боковой сопрягаемой поверхности меньшего диаметра 16 ротора 5 и в боковой сопрягаемой поверхности большего диаметра 17 статора 7 выполнены радиальные каналы 20. Для получения наибольшей частоты следования импульсов давления и получения "мягкого" режима работы устройства, отношение числа каналов или пазов статора к числу каналов или пазов ротора в каждой ступени сопряжения ротора и статора равно 0,8 - 0,85. Например, в экспериментальной конструкции устройства, выполненной согласно заявляемому изобретению, это число составило: в первой ступени сопряжения ротор имеет 24 радиальных канала - статор 20 радиальных пазов; во второй ступени - ротор имеет 36 радиальных пазов, статор - 30; в третьей ступени ротор имеет 48 радиальных пазов, статор - 40 радиальных каналов.

Устройство работает следующим образом. Для диспергирования твердых материалов, например, измельчения руды готовится смесь руды с водой при соотношении жидкого к твердому 1: 1 и более жидкости. При вращении ротора 5 от привода (на чертеже не показан) через вал 4 суспензия обрабатываемого материала поступает через входной патрубок 2 корпуса 1 во внутреннюю полость 9 ротора 5, где взаимодействуя с лопатками 10, получает вращательное движение. Под действием центробежных сил поток суспензии получает значительное приращение радиальной скорости, зависящее от частоты вращения ротора и его диаметра. Скорость суспензии обрабатываемого материала на выходе из полости 10 и входе в радиальные каналы 20 первой ступени сопряжения ротора 5 значительно превышает скорость потока суспензии во входном патрубке 2. В момент перекрытия радиальных каналов 20 сопрягаемой поверхностью 17 статора 7, происходит резкое торможение потока суспензии, сопровождаемое явлением гидравлического удара с возникновением в радиальных каналах 20 ротора 5 импульса давления, воздействующего на обрабатываемый материал. В момент совмещения радиальных каналов 20 первой ступени сопряжения ротора 5 с радиальными пазами 18 статора 7 происходит резкий сброс давления в радиальных каналах 20 ротора 5, сопровождаемый возникновением зоны кавитации и интенсивным ударом струй о поверхность радиальных пазов 18 статора 7. Далее поток суспензии поступает в радиальные пазы 19 ротора 5 и в момент перекрытая их сопрягаемой поверхностью 17 второй ступени статора 7, подвергается повторному резкому торможению, также сопровождаемому гидравлическим ударом. При совмещении радиальных пазов 19 ротора 5 и радиальных пазов 18 второй ступени статора 7, вновь происходит сброс давления в радиальных пазах 19 ротора 5 и вновь образуется зона кавитации и интенсивное ударное взаимодействие потока суспензии о стенки радиальных пазов 18 второй ступени сопряжения статора 7. При дальнейшем радиальном движении потока суспензии он входит в третью ступень сопряжения ротора и статора и в третий раз подвергается интенсивному воздействию импульса давления при возникновении гидравлического удара и кавитационному воздействию при выходе из третьей ступени в полость корпуса 1 через радиальные каналы 20 последней ступени сопряжения ротора и статора. Обработанный трехкратным воздействием материал через выходной патрубок 3 корпуса 1 поступает на другие стадии технологической линии. Заданное соотношение числа каналов или пазов статора и ротора в каждой ступени сопряжения обеспечивает "мягкую" работу аппарата, т. к. в любой момент времени в каждой ступени сопряжения совмещается равное количество пазов или каналов ротора и статора. Заявляемое устройство обеспечит получение заданных свойств обрабатываемого материала при однократной его обработке в одном аппарате.

Следует отметить, что заявляемая конструкция может работать и в режиме теплового генератора. При этом режиме через аппарат пропускают воду, которая нагревается и может быть использована в системах горячего водоснабжения и отопления помещений.

Источники информации, принятые во внимание 1. Авторское свидетельство СССР N 1586759, B 01 F 7/12, заявлено 06.05.88.

2. Патент РФ N 2064822, B 01 F 7/00, заявлено 16.12.92.

3. Патент РФ N 2050959, B 01 F 7/00, заявлено 06.05.93.

4. Патент РФ N 2067022, B 01 F 7/00, заявлено 08.02.94.

5. Авторское свидетельство СССР N 1681934, заявлено 17.02.89 (прототип).

Формула изобретения

1. Устройство для растворения, эмульгирования и диспергирования различных материалов, содержащее корпус с патрубками входа и выхода обрабатываемых материалов и установленные в нем концентрично друг другу и сопрягаемые боковыми поверхностями, выполненными в виде усеченных конусов, статор и ротор с радиальными каналами, отличающееся тем, что на внутренней боковой поверхности статора и на наружной боковой поверхности ротора выполнены, по меньшей мере, по две кольцевые проточки треугольного сечения, образующие на боковых поверхностях статора и ротора кольцевые треугольные выступы различного диаметра, при этом в вершинах выступов статора, обращенных к его оси, и в вершинах выступов ротора, обращенных в сторону, противоположную его оси, выполнены радиальные пазы с выходом на торцевые поверхности кольцевых треугольных выступов, сопряжение статора и ротора выполнено по поверхностям треугольных выступов согласным оси статора и ротора и имеющим различные диаметры, а радиальные каналы выполнены в сопрягаемой поверхности кольцевого выступа меньшего диаметра ротора и в сопрягаемой поверхности кольцевого выступа большего диаметра статора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отношение числа каналов или пазов статора к числу каналов или пазов ротора в каждой ступени сопряжения статора и ротора равно 0,8-0,85.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6