Способ подогрева и перемешивания вязких сред и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2327513:
ГОУ ВПО Иркутский государственный технический университет (RU)
Изобретение относится к области очистки сточных вод и обработки осадков, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, также может быть использовано при производстве бытовой техники. Способ подогрева и перемешивания вязких сред в рабочем объеме включает обработку вязкой среды в зоне перемешивания потоками острого пара в непрерывном режиме посредством пропускания вязкой среды и пара через пароструйное перемешивающее устройство и подачу в рабочий объем в струйном режиме, обеспечивающем перемешивание среды и самостоятельное вращение устройства. Пароструйное перемешивающее устройство, содержащее корпус, установленный с возможностью вращения, с двумя впускными и выпускным патрубками, дополнительно содержит, по меньшей мере, три выпускных патрубка, при этом патрубки снабжены изогнутыми выпускными насадками. Патрубок для подачи пара установлен концентрично патрубку для подачи вязкой среды и сообщен с дополнительными патрубками, выпускные отверстия которых соосны впускным отверстиям выпускных насадок корпуса, при этом отношение диаметра выпускного отверстия дополнительного патрубка к ширине зазора между дополнительным патрубком и впускным отверстием выпускной насадки равно 1:5-1:10. Изобретение направлено на равномерное перемешивание и одновременный подогрев вязких сред во всем рабочем объеме и на более полное распределение и использование энергии пара при обработке среды. 2 н.з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области очистки сточных вод и обработки осадков, нефтеперерабатывающей промышленности, пищевой промышленности, также может быть использовано при производстве бытовой техники.
Известен способ обработки осадков сточных вод и устройство для его осуществления, который включает постадийное обеззараживание при периодическом перемешивании и последующим нагреве среды до температуры не менее 55°С с помощью плоских электронагревательных элементов, расположенных на наружной стороне корпуса (патент RU №95115590/26, кл. С02F 11/12, опубл. 27.04.1997 г.).
Недостатком указанного способа является то, что процессы перемешивания и подогрева сред разнесены во времени и являются периодичными, что приводит к неравномерности перемешивания и подогрева сред.
Известен способ обработки осадков, включающий уплотнение исходных осадков и тепловое обеззараживание при температуре 55-75°С с последующим их охлаждением, аэробной стабилизацией и обезвоживанием путем уплотнения обработанного осадка (авторское свидетельство СССР №1060576, кл. С02F 11/00, 1983 г.).
Недостатками известного способа являются его многостадийность и невысокая эффективность, так как проведение процесса дегельминтизации сопровождается образованием поверхностной корки, что заметно замедляет процесс обработки, а обезвоживание и стабилизация осадка требуют значительного расхода реагентов, необходимых для подготовки осадка к обезвоживанию и проведения процесса стабилизации, например хлорного железа, оксида кальция, воздуха. Кроме того, охлаждение предварительно прогретого осадка требует дополнительных энергозатрат.
Известен усовершенствованный паровой инжектор для подогрева сред паром. Распределение пара в паровом инжекторе происходит за счет повышения давления среды на 0,5-5 бар в корпусе непосредственно перед выпуском среды. Пар подается в корпус вместе со средой. В корпусе имеются также отдельное входное отверстие для пара и выходное отверстие для среды (заявка RU №2005129704/13, кл. A23L 3/24, опубл. 20.03.2006 г.).
Недостатком данного устройства является затруднение циркуляции более вязких сред, чем вода, через выходное отверстие и, следовательно, прогрева и перемешивания больших объемов продукта в короткое время.
Известен пароводяной струйный аппарат, предназначенный для подогрева и перекачки жидких сред при помощи водяного пара. Устройство содержит паровое сопло с входным сужающимся и выходным расширяющимся участками, приемную камеру для подвода жидкой среды и камеру смешения. Выходной участок парового сопла образует с входным участком камеры смешения сужающееся по ходу движения жидкой среды сопло для ее подвода в камеру смешения, входной участок камеры смешения выполнен сужающимся и образован конической поверхностью, а выходной участок камеры смешения выполнен цилиндрическим (патент №004392, кл. B1 F04F 5/24, Европейское Патентное Ведомство, опубл. 29.04.2004 г.).
Недостатком указанного устройства является невозможность перемешивания сред прямо в сооружении по обработке продукта и отсутствие направленного вихревого движения потока обрабатываемой среды (по окружности) во всем рабочем объеме.
Известно устройство для тепловой обработки суспензии, содержащее цилиндрический корпус с патрубками входа и выхода суспензии, узел перемещения суспензии, размещенный на валу с приводом и выполненный в виде закрепленной на валу продольной плоской перегородки, и нагревательные элементы, при этом под патрубком входа суспензии размещена приемная кольцевая камера в виде прикрепленных к валу двух поперечных перегородок с отверстиями и сквозными трубопроводами (авторское свидетельство СССР N 791655, кл. С02F 11/12, 1980 г.).
К недостаткам известного устройства следует отнести пригорание осадка к поверхности теплообменника, т.к. процесс обработки ведут при температуре 160-180°С.
За прототип принято пароструйное перемешивающее устройство, содержащее корпус с двумя впускными и выпускными патрубками, которое раскрыто в патенте WO 8910184 A1, B01F 5/04, 02.11.1989, предназначенном для перемешивания в вязких средах.
Общими признаками прототипа с заявляемым устройством является наличие корпуса с двумя впускными и выпускными патрубками.
Недостатком данного устройства является то, что оно не может перемешивать вязкие среды по всем направлениям.
Изобретение направлено на равномерное перемешивание и одновременный подогрев вязких сред во всем рабочем объеме и на наиболее полное распределение и использование энергии пара при обработке среды.
Поставленная задача в способе достигается тем, что вязкую среду в зоне перемешивания согласно изобретению подвергают обработке потоками острого пара в непрерывном режиме посредством пропускания через пароструйное перемешивающее устройство и выпускают в рабочий объем в струйном режиме, обеспечивающим перемешивание среды и самостоятельное вращение корпуса устройства.
Технический результат достигается тем, что пароструйное перемешивающее устройство, содержащее корпус с двумя впускными и выпускным патрубками согласно изобретению дополнительно содержит, по меньшей мере, три выпускных патрубка, при этом патрубки снабжены изогнутыми выпускными насадками, корпус установлен с возможностью вращения, патрубок для подачи пара установлен концентрично патрубку для подачи вязкой среды, патрубок для подачи пара сообщен с дополнительными патрубками, выпускные отверстия которых соосны впускным отверстиям выпускных насадок корпуса, при этом отношение диаметра выпускного отверстия дополнительного патрубка к ширине зазора между дополнительным патрубком и впускным отверстием выпускной насадки равно 1:5-1:10.
Вращение корпуса устройства достигается за счет использования энергии пара для перемешивания вязких сред (понижения давления в зоне выпуска вязкой среды в рабочий объем), а также благодаря закругленной форме выпускных насадок.
Способ обработки осадка и устройство для его осуществления связаны между собой единым изобретательским смыслом.
Отличием от прототипа является то, что заявляемое устройство дополнительно содержит, по меньшей мере, три выпускных патрубка, при этом патрубки снабжены изогнутыми выпускными насадками, корпус установлен с возможностью вращения, патрубок для подачи пара установлен концентрично патрубку для подачи вязкой среды, патрубок для подачи пара сообщен с дополнительными патрубками, выпускные отверстия которых соосны впускным отверстиям выпускных насадок корпуса, при этом отношение диаметра выпускного отверстия дополнительного патрубка к ширине зазора между дополнительным патрубком и впускным отверстием выпускной насадки равно 1:5-1:10 (4:20-4:40).
Вращение корпуса достигается за счет использования энергии пара для перемешивания вязких сред (понижения давления в зоне выпуска вязкой среды в рабочий объем), а также благодаря закругленной форме выпускных насадок.
Снабжение корпуса, связанного с патрубком для подачи пара и сообщенными с ним дополнительными патрубками, выпускные отверстия которых соосны впускным отверстиям выпускных насадок корпуса, позволит потоку пара, за счет понижения давления внутри корпуса, подсасывать среду и выпускать ее подогретую в рабочий объем в струйном режиме.
В процессе работы отверстия выпускных насадок менее подвержены «засорению» вязкой средой за счет того, что вместе с паром может подаваться жидкость, которая обладает не только хорошими отталкивающими свойствами, но и достаточной прочищающей (промывающей) способностью.
Оптимизация конструктивных размеров пароструйного перемешивающего устройства достигается выполнением отношения диаметра выпускного отверстия дополнительного патрубка к ширине зазора между дополнительным патрубком и впускным отверстием выпускной насадки от 1:5 до 1:10, что позволит дополнительно увеличить или уменьшить расход вязкой среды для сохранения оптимальной температуры вязкой среды в рабочем объеме.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемых способа подогрева и перемешивания вязких сред устройства для его осуществления критерию «новизна».
Анализ патентной и научно-технической информации не позволил выявить источники, содержащие сведения об известности отличительных признаков заявляемого изобретения, что свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез А-А, на фиг.2 - поперечный разрез Б-Б.
Устройство включает установленный с возможностью вращения корпус 1, соединенный с корпусом 1 через подшипник 2 патрубок 3 для подачи вязкой среды и установленный в последнем концентрично ему патрубок 4 для подачи пара. Устройство снабжено жестко соединенными с дном корпуса 1 и связанными через дополнительный подшипник 5 с патрубком 4 для подачи пара и сообщенными с ним дополнительными патрубками 6, выпускные отверстия 7 которых соосны впускным отверстиям 8 изогнутых выпускных насадок 9 корпуса, при этом отношение диаметра выпускного отверстия 7 дополнительного патрубка 6 к ширине зазора Н между дополнительным патрубком 6 и впускным отверстием 8 выпускной насадки 9 равно от 1:5 до 1:10. Подшипники 2 и 5 выполнены в виде подшипников скольжения. Такая оптимизация конструктивных параметров устройства позволяет дополнительно увеличить или уменьшить расход среды для сохранения оптимальной для дальнейшей ее обработки температуры.
Устройство для подогрева и перемешивания вязких сред работает следующим образом.
Пар под давлением 1,5-2 МПа подается в патрубок 4, на выходе из которого поток пара проникает в вязкую среду, поступающую из патрубка 3. За счет энергии пара и понижения давления вязкая среда, обработанная паром, поступает в изогнутую выпускную насадку 9, а затем подогретая среда выпускается в рабочий объем. Под действием истекающих из выпускных насадок 9 струй подогретой среды корпус 1 вращается вокруг своей оси за счет реактивной тяги выходящей струи подогретой вязкой среды по принципу Сегнерова колеса, способствуя перемешиванию пара и среды в корпусе 1.
Определение отношения диаметра патрубка 4 для подачи пара к диаметру выпускной насадки 9 d и величина зазора Н между диаметром дополнительного патрубка 6 для подачи пара и выпускной насадкой 9 определены экспериментально.
Сначала определялось соотношение диаметра патрубка для подачи пара 4 к диаметру d выпускной насадки 9, а затем при фиксированном выбранном соотношении определялась величина зазора Н между дополнительным патрубком 6 для подачи пара и выпускной насадкой 9.
Оптимизация параметров узлов устройства для подогрева и перемешивания вязких сред введение дополнительного патрубка для подачи пара позволило обеспечить равномерность процессов подогрева и перемешивания вязких сред.
Приводим примеры, доказывающие возможность получения технического результата в заявляемых интервалах количественных признаков, приведенных в формуле изобретения.
Для экспериментального испытания заявляемого устройства были выполнены различные патрубки для подачи пара с соотношениями диаметра выпускного отверстия дополнительного патрубка к ширине зазора между дополнительным патрубком и впускным отверстием выпускной насадки, равные 1:2, 1:5, 1:6, 1:8, 1:9, 1:10, 1:20, при этом отношение диаметра выпускного отверстия дополнительного патрубка (D), к диаметру впускного отверстия (d) выбиралось исходя из габаритов устройства.
Данные соотношения были подтверждены экспериментально. Результаты приведены в таблице.
| Таблица | |||
| № п/п | Параметры устройства (отношение диаметров) | V, об/мин; t, °C | Технический результат |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1 | D:H=1:2, | V=0,085...0,1 | Перегрев смеси, образование корки. |
| T=56-57 | |||
| D:H=1:2, | V=0,1 | Недостаточное перемешивание, частичное образование корки. | |
| T=53 | |||
| 2 | D:H=1:5 | V=0,130* | Оптимальные параметры. Реализация струйного режима перемешивания. Равномерный прогрев всего объема смеси и перемешивание при наиболее полном использовании энергии пара. |
| T=53 | |||
| D:H=1:6 | V-0,132 | ||
| T=53,50 | |||
| D:H=1:8 | V=0,135 | ||
| T=53,65 | |||
| D:H=1:9 | V=0,137 | ||
| T=53,75 | |||
| D:H=1:10 | V=0,140* | ||
| T=54 | |||
| 3 | D:H=1:20 | V=0,160...0,170 | Недостаточный прогрев смеси, закручивание смеси |
| T=45-48 | |||
| * - 0,13- 0,014 об/мин, соответствует скорости 3 об/сут. |
Выводы: Анализируя данные таблицы, можно прийти к выводу, что заявляемые технические интервалы количественных признаков устройства являются оптимальными.
1. Способ подогрева и перемешивания вязких сред в рабочем объеме путем обработки острым паром, отличающийся тем, что вязкую среду в зоне перемешивания подвергают обработке потоками острого пара в непрерывном режиме посредством пропускания вязкой среды и пара через пароструйное перемешивающее устройство и выпускают в рабочий объем в струйном режиме, обеспечивающем перемешивание среды и самостоятельное вращение устройства.
2. Пароструйное перемешивающее устройство, содержащее корпус с двумя впускными и выпускным патрубками, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит, по меньшей мере, три выпускных патрубка, при этом патрубки снабжены изогнутыми выпускными насадками, корпус установлен с возможностью вращения, патрубок для подачи пара установлен концентрично патрубку для подачи вязкой среды, патрубок для подачи пара сообщен с дополнительными патрубками, выпускные отверстия которых соосны с впускными отверстиями выпускных насадок корпуса, при этом отношение диаметра выпускного отверстия дополнительного патрубка к ширине зазора между дополнительным патрубком и впускным отверстием выпускной насадки равно 1:5-1:10.
