Роторный смеситель для жидких сред

 

Изобретение относится к устройствам для перемешивания различных жидких сред, диспергирования и гомогенизации жидкостей в виде суспензий и эмульсий, для экстрагирования целевого компонента из носителя в виде твердых частиц или для осуществления процесса экстракции из жидкости. Изобретение решает задачу значительного увеличения эффективности смешивания, суспензирования и эмульгирования путем организации крупных периодических вихревых структур с интенсивной радиально-осевой циркуляцией смешиваемой среды, преодоления эффектов радиальной сепарации и осаждения вниз тяжелых компонентов смеси. Роторный смеситель состоит из удлиненного корпуса с установленным внутри ротором, привод которого во вращение осуществляется двигателем с помощью вала. Поверхность ротора и внутренняя поверхность корпуса имеют осесимметричные и периодические по оси вращения (z) (волнообразные) формы. Жидкая среда приводится в движение за счет касательных напряжений, возникающих на поверхности вращающегося ротора, и ее смешивание осуществляется в периодической вдоль оси вращения (z) системе ячеек, образованной волнообразными поверхностями ротора R₁(z) и корпуса R₂(z) и содержащей вихревые структуры с интенсивной радиально-осевой циркуляцией. Новым в устройстве является то, что вихревые структуры движения смешиваемой среды вызываются формами поверхностей ротора и корпуса, период структур λ определяется периодом изменения радиусов поверхностей R₁(z) и R₂(z), а требуемый поток смешиваемой среды в осевом направлении может быть создан без дополнительных устройств при несимметричной относительно середины ячейки форме внутреннего объема между поверхностями ротора и корпуса. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к устройствам для перемешивания различных жидких сред, диспергирования и гомогенизации жидкостей в виде суспензий и эмульсий, для экстрагирования целевого компонента из носителя в виде твердых частиц или для осуществления процесса экстракции из жидкости. Оно может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей, лакокрасочной, пищевой, микробиологической отраслях промышленности, а также в ядерной энергетике при проведении экстракции остатков урана и плутония из отработанного ядерного топлива.

Известно перемешивающее устройство Максимова [авторское свидетельство СССР, 850193, кл. В 01 F 7/16, 1981], содержащее корпус с размещенным в нем цилиндрическим диффузором, внутри которого установлен вал с закрепленными на нем верхним и нижним всасывающими винтами. В середине диффузора имеется кольцевая щель, напротив которой на валу установлен отражатель.

Недостатками подобного рода устройств являются: разделение диффузором восходящего и нисходящего потоков, препятствующее их эффективному смешиванию, разделение отражателем объема смесителя на верхнюю и нижнюю части со слабым массообменом и наличием устойчивой стратификации смеси по плотности, отсутствие интенсивных поперечных токов в зазоре между корпусом и диффузором, ослабляющее и даже полностью устраняющее турбулентный обмен массой, импульсом и энергией. Как правило, на дне смесителя образуется осадок из тяжелых компонентов смеси.

Известен также роторный смеситель-диспергатор, состоящий из конических статора и ротора, причем последний имеет в качестве рабочих элементов винтовые ребра такие, что в продольной плоскости сечения ротора образуются П-образные ячейки (каналы в окружном направлении) [авторское свидетельство СССР, 1011219, кл. В 01 F 7/00, 1983]. Смеситель работает в непрерывном режиме с подачей компонентов смеси на входе и выдачей готовой продукции на выходе.

К недостаткам этого смесителя следует отнести образование изолированных зон течения внутри П-образных ячеек ротора со слабым взаимным массообменом, обеднение ячеек тяжелыми компонентами смеси, которые центробежными силами сепарируются к стенке корпуса статора.

Наиболее близким к предлагаемой в настоящем изобретении конструкции смесителя является устройство, использующее способ смешивания в системе периодических по оси вращения тороидальных вихрей (вихрей Тейлора), самопроизвольно образующихся в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами, когда внутренний вращается. Например, в докладе Atkhen К., Fontaine J., Wesfreid J. -E. "Highly turbulent Couette-Taylor patterns in nuclear engineering" [10 Международная конференция по течениям Куэтта-Тейлора. Франция, Париж, 1997] для проведения процесса экстракции остатков урана и плутония из отработанного ядерного топлива предложен смеситель, состоящий из корпуса, ротора, установленного внутри корпуса, входных патрубков для ввода смешиваемых компонентов на одном конце смесителя и выходного патрубка для вывода готовой смеси на другом конце. Ротор имеет цилиндрическую форму с радиусом поверхности R₁, а внутренняя поверхность корпуса имеет цилиндрическую форму с радиусом R₂. При вращении ротора в зазоре a = R₂-R₁ возникает система периодических по оси вращения (z) вихрей Тейлора, в которых и происходит смешивание. Смеситель работает в непрерывном режиме с принудительным вводом смешиваемых компонентов.

Главным недостатком такого рода смесителей является сильный эффект радиальной сепарации компонент смеси, имеющих разную плотность, причем этот эффект не может быть устранен или существенно уменьшен за счет увеличения скорости вращения ротора. Из-за этого в конструкции смесителя приходится использовать небольшой радиальный зазор a ≤ 0,2R₂, что приводит к существенному уменьшению рабочего объема смесителя, большому моменту сопротивления вращению ротора и высоким энергозатратам на единицу объема смешиваемой среды. Кроме того, период вихревых структур λ становится очень небольшим (λ ≈ 2а), что затрудняет обмен массой, импульсом и энергией между разными частями рабочего объема смесителя.

Задачей настоящего изобретения является значительное увеличение эффективности смешивания, суспензирования и эмульгирования, преодоление эффектов радиальной сепарации и осаждения вниз тяжелых компонент смеси.

Техническими результатами изобретения являются: существенное (в 2-4 раза) уменьшение затрат энергии на приготовление единицы объема смеси с заданной степенью однородности и способность устройства создавать осевой поток смешиваемой среды, определяющий производительность смесителя.

Поставленная задача и технические результаты достигаются тем, что в роторном смесителе, состоящем из корпуса, ротора, установленного внутри корпуса, входных патрубков для ввода смешиваемых компонентов на одном конце смесителя и выходного патрубка для вывода готовой смеси на другом конце, поверхность ротора и внутренняя поверхность корпуса выполнены по форме волнообразными - осесимметричными и периодическими по оси вращения (z) с периодом (λ), заключенным в пределах 0,5R < λ < 3R (где R - максимальный радиус внутренней поверхности корпуса), причем изменения радиусов поверхностей по оси z заданы непрерывными и периодическими функциями (ротор - R₁(z), корпус - R₂(z)), с ограниченными производными в сечении смесителя, где расположены входные патрубки, ротор имеет минимальный радиус, а в сечении, где расположен выходной патрубок - максимальный радиус, волны внутренней поверхности корпуса (минимумы функции R₂(z)) смещены относительно волн поверхности ротора (максимумов функции R₁(z)) на величину Δ(0≤Δ<λ). Наиболее предпочтительные формы поверхностей ротора и корпуса могут быть определены из следующих аналитических выражений где R₁(z) - текущий радиус ротора от оси вращения, z - текущая координата вдоль оси вращения, определяемая из выражения где переменная |ψ|≤π, параметры А₀, А₁, А₂, α,δ₁ выбираются из следующих диапазонов: 0,1<А<0,95, 0<А<0,45, 0≤А₂<0,9, 0,5<α<5, 0,5<δ₁<π;

где R₂(z) - текущий радиус внутренней поверхности корпуса от оси вращения, z - текущая координата вдоль оси вращения, определяемая из выражения

где переменная |ϕ|≤π, параметры B₁, B₂, β, δ₂, Δ₁, Δ₂ выбираются из следующих диапазонов:
0≤В₁<0,45, 0≤В₂<0,7, 0,5<β<5, 0,5<δ₂<π, 0≤Δ₁≤π, 0≤Δ₂≤π;
функции R₁(z) и R₂(z) периодически продолжены на целое число n>2 периодов λ вдоль оси z по закону R₁(z)= R₁(z+λn), R₂(z)= R₂(z+λn).

Технические результаты достигаются также тем, что ротор может иметь на своей поверхности малые надстройки (высотой ≤0,02R) в виде риблет, гребней и т. п.

На фиг.1 изображен продольный разрез (вертикальная плоскость) роторного смесителя, на фиг.2 - поперечный, разрез (сечение А-А), а на фиг.3 показан фрагмент поперечного сечения ротора с риблетами, установленными на его поверхности. На фиг.4 дан график зависимости потока смешиваемой среды вдоль оси 2 от величины смещения волн внутренней поверхности корпуса относительно волн поверхности ротора. На фиг.5 представлены формы поверхностей R₁(z), R₂(z) и поле вектора скорости в плоскости (г,z), соответствующие параметрам варианта 1 смесителя. На фиг.6 приведены графики эволюции по времени максимума отклонения концентрации примеси от средней для существующего (OLD) и предлагаемого (NЕW) смесителей. На фиг.7 представлены формы поверхностей R₁(z), R₂(z) и поле вектора скорости в плоскости (г,z), соответствующие параметрам варианта 2 смесителя. На фиг.8 для этого варианта в сравнении с прототипом (OLD), приведены графики эволюции по времени максимума отклонения концентрации примеси от средней.

В роторном смесителе жидкая смешиваемая среда движется между ротором 1 и корпусом 2 (фиг.1 и 2) (линии тока снабжены стрелками). Роторный смеситель состоит из корпуса 2 с установленным внутри ротором 1, причем в сечении смесителя, где расположены входные патрубки, ротор имеет минимальный радиус, а в сечении, где расположен выходной патрубок, - максимальный радиус (фиг.1). Ось вращения ротора z, являющаяся осью симметрии для ротора и корпуса, ориентирована горизонтально или под небольшим углом к горизонту. Возможно и вертикальное расположение оси z, если смесь не характеризуется быстрым осаждением тяжелых компонент. Рабочий объем смесителя ограничен поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса и целиком заполнен смешиваемой средой. Поверхность ротора и внутренняя поверхность корпуса выполнены по форме волнообразными - осесимметричными и периодическими по оси вращения z с периодом λ, заключенным в пределах 0,5R<λ<3R, причем изменения радиусов поверхностей по оси z заданы непрерывными и периодическими функциями (ротор - R₁(z), корпус - R₂(z)), с ограниченными производными

Волны внутренней поверхности корпуса (минимумы функции R₂(z)) смещены относительно волн поверхности ротора (максимумов функции R₁(z)) на величину Δ(0≤Δ<λ). Длина L рабочего объема в несколько раз превышает период λ волнообразных поверхностей ротора и корпуса (фиг.1). Привод ротора осуществляется двигателем (на фиг. 1 и 2 не показан) с помощью введенного внутрь вала. Смеситель работает в непрерывном режиме при вводе смешиваемых компонентов (А, В) через входные патрубки и выводе готовой смеси (А+В) через выходной патрубок (фиг.1).

Рассмотрим организацию течения жидкости и процесса смешивания внутри смесителя. Основным механизмом создания окружного движения жидкости являются касательные напряжения, возникающие на поверхности ротора при его вращении (ω - угловая скорость вращения ротора). Для увеличения турбулентных касательных напряжений ротор может иметь на своей поверхности малые надстройки (риблеты, гребни и т. п.) высотой h≤0,02R. Пример установки риблет 3 на поверхности ротора показан на фиг.3. Доминирующей компонентой скорости течения жидкости является окружная компонента W (фиг.2), но осевая U и радиальная V компоненты (фиг.1) тоже достаточно велики (порядка 0,2-0,5W). Распределение окружной компоненты скорости W по оси z неоднородно. Это обеспечивается периодическим изменением радиуса ротора R₁(z). Неоднородность распределения W необходима для создания интенсивного радиально-осевого движения жидкости (компоненты скорости U, V на фиг.1). Для этой же цели внутренняя поверхность корпуса имеет гладкую осесимметричную и волнообразную форму с периодически повторяющимися минимумами функции R₂(z), в окрестности которых происходит интенсивное торможение окружного движения смешиваемой среды. Второй функцией этих волн является отклонение потока от периферии к оси установки, что позволяет преодолеть эффект радиальной сепарации тяжелых компонент смеси.

Для обеспечения заданной производительности смесителя и эффективного переноса массы, импульса и тепла, вдоль оси z существует поток Q (проходящий в итоге через выходной патрубок, фиг.1), средняя скорость которого много меньше скорости окружного потока. Причем требуемый поток Q может быть создан без дополнительных устройств, благодаря несимметричной (относительно любой плоскости поперечного сечения) форме рабочего объема смесителя. Такая форма поверхностей R₁(z) и R₂(z) приводит к несимметричному распределению давления по корпусу и появлению результирующей силы, направленной вдоль оси z, что и вызывает поток Q. В качестве примера на фиг.4 дан график зависимости потока Q (обезразмеренного по величине ) от величины Δ₂/π - смещения волн внутренней поверхности корпуса относительно волн поверхности ротора. Отметим, что экспоненциальные слагаемые в приведенных выше аналитических выражениях (1), (2) нужны для создания асимметричной формы рабочего объема и увеличения интенсивности радиально-осевого движения среды. Созданию потока вдоль оси z способствует и то, что во входном сечении смесителя располагается минимум радиуса ротора, а в выходном - максимум (фиг.1).

Формы поверхностей ротора R₁(z) и корпуса R₂(z), при которых реализуется наиболее эффективное смешивание, в общем случае, зависят от гидродинамических характеристик смешиваемой среды, особенностей конкретного процесса смешивания, других требований полного технологического процесса, в котором смешивание представляет один из этапов. Однако, как показывают расчеты, не являются оптимальными ни чисто цилиндрическая форма R₁=соnst, R₂=соnst, ни формы с участками поверхностей, перпендикулярными к оси вращения (например, П-образные ячейки).

В типичном случае сред с умеренной и небольшой эффективной вязкостью μ, когда число Рейнольдса (Rе), рассчитанное по формуле (где ρ - плотность среды, ω - угловая скорость вращения ротора), цикл исследований, выполненных с помощью численного интегрирования уравнений Навье - Стокса для течения жидкости и численного интегрирования уравнения диффузии и переноса пассивной примеси внутри смесителя, позволил определить значения параметров в выражениях (1), (2). обеспечивающие оптимальное смешивание.

Вариант 1 соответствует оптимизации по затратам энергии на единицу объема смешиваемой среды: А₀=0,5, А₁=0,2, А₂=0, В₁=0,05, В₂=0,2, β =4, δ₂ =2,5, λ =2,4, Δ₁ =1,257, Δ₂ =0,785.

Формы поверхностей R₁(z), R₂(z) и поле вектора скорости в плоскости (r, z) (где r - текущий радиус от оси z), соответствующие этим параметрам, представлены на фиг.5.

Для проведения количественного сравнения с прототипом были выполнены расчеты смесителя с цилиндрической формой ротора ₁=0,64R и корпуса R₂=R (смешивание в вихрях Тейлора). На фиг.6 приведены графики эволюции по времени t максимума отклонения концентрации примеси Сm от средней Са для существующего (OLD) и предлагаемого (NЕW) смесителей. При меньших затратах мощности привода предлагаемый смеситель почти в 2 раза быстрее обеспечил заданный уровень однородности смеси. В итоге полные затраты энергии на единицу объема смешиваемой среды оказались в 3 раза меньше. Кроме того, в отличие от прототипа в новом смесителе продольный поток создавался без применения дополнительных устройств, а только благодаря асимметричной форме рабочего объема.

Вариант 2 соответствует оптимизации по затратам энергии на единицу объема смешиваемой среды при больших величинах касательных напряжений в рабочем объеме: А₀=0,65, А₁=0,25, А₂=0, В₁=0,15, В₂=0, λ = 1, Δ₂ = 0.
Формы поверхностей R₁(z) и R₂(z), соответствующие этим параметрам, представлены на фиг.7. Вариант 2 ориентирован на приготовление эмульсий или осуществление экстракции. Расчеты эволюции по времени максимума отклонения концентрации примеси Сm от средней Са для существующего (R₁=0,875R, R₂=R, обозначен - OLD) и предлагаемого (NЕW) смесителей приведены на фиг.8. Затраты энергии, необходимой для приготовления единицы объема смеси с заданной степенью однородности концентрации, в новом смесителе оказались почти в 4 раза меньше.

Предполагается, что основное применение роторный смеситель получит при турбулентном или переходных от ламинарного к турбулентному режимах течений среды со значительной разницей плотностей смешиваемых компонент и высокой интенсивностью осаждения тяжелой фазы.

Формула изобретения

1. Роторный смеситель для жидких сред, состоящий из корпуса, ротора, установленного внутри корпуса, входных патрубков для ввода смешиваемых компонентов на одном конце смесителя и выходного патрубка для вывода готовой смеси на другом конце, отличающийся тем, что поверхность ротора и внутренняя поверхность корпуса выполнены по форме волнообразными - осесимметричными и периодическими по оси вращения (z) с периодом (λ), заключенным в пределах 0,5R<λ<3R (где R - максимальный радиус внутренней поверхности корпуса), причем изменения радиусов поверхностей по оси z заданы непрерывными и периодическими функциями (ротор - R₁(z), корпус - R₂(z)), с ограниченными производными в сечении смесителя, где расположены входные патрубки, ротор имеет минимальный радиус, а в сечении, где расположен выходной патрубок, - максимальный радиус, волны внутренней поверхности корпуса (минимумы функции R₂(z)) смещены относительно волн поверхности ротора (максимумов функции R₁(z)) на величину Δ(0≤Δ<λ).
2. Роторный смеситель по п.1, отличающийся тем, что форма поверхности ротора определяется из выражения

где R₁(z) - текущий радиус ротора от оси вращения;
z - текущая координата вдоль оси вращения, определяемая из выражения где переменная |ψ|≤π;
параметры А₀, А₁, А₂, α,δ₁ выбираются из следующих диапазонов: 0,1<A<0,95, 0<A<0,45, 0≤A₂<0,9, 0,5<α<5, 0,5<δ₁<π;
форма внутренней поверхности корпуса определяется из выражения

где R₂(z) - текущий радиус внутренней поверхности корпуса от оси вращения;
z - текущая координата вдоль оси вращения, определяемая из выражения где переменная |ϕ|≤π;
параметры В₁, В₂, β, δ₂, Δ₁, Δ₂ выбираются из следующих диапазонов: 0≤В₁<0,45, 0≤В₂<0,7, 0,5<β<5, 0,5<δ₂<π, 0≤Δ₁≤π, 0≤Δ₂≤π; ;
функции R₁(z) и R₂(z) периодически продолжены на целое число n > 2 периодов λ вдоль оси z по закону R₁(z)=R₁(z+λn), R₂(z)=R₂(z+λn).

3. Роторный смеситель по п.1, отличающийся тем, что ротор имеет на своей поверхности малые надстройки (высотой h ≤ 0,02R) в виде риблет, гребней и т. п.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8