Комбинированный статический смеситель-активатор

Изобретение относится к статическому смесителю-активатору для многофазных систем и может использоваться для механического воздействия на структуру указанных систем или отдельно взятой жидкой среды. Смеситель содержит три последовательно установленных смесителя различного принципа действия. Первый смеситель осуществляет кинематическое действие, второй кавитационное действие, третий смеситель разделяет общий поток жидкости на малые пересекающиеся струи. В совокупности указанные смесители выполняют как функцию активного смешения, так и структурирующую функцию за счет нарушения исходного межмолекулярного взаимодействия. Технический результат состоит в повышении степени гомогенности жидкофазной системы. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к статическим смесительным устройствам, содержащим несколько последовательно расположенных смесителей различного способа действия и относится к области смешения жидкофазных систем, в том числе являющихся дисперсионной средой и дисперсной фазой, а также к области направленной активации свойств и рекомбинации указанных систем.

Цель - повышение эффективности смешения и структурирования, в результате которого молекулы и молекулярные цепи приобретают такую пространственную конфигурацию, которая обеспечивает более полное окисление кислородом.

Как правило, достижение указанной цели посредством одного какого-либо типа статического смесителя требует доводки его конструктивных и технологических параметров применительно к конкретным смешиваемым или активируемым жидкофазным системам, что часто является длительным и трудоемким процессом.

Поэтому последовательное применение нескольких статических смесителей различных конструкций, расположенных в одном прямоточном корпусе, позволяет получить универсальный статический смеситель-активатор.

Существует несколько наиболее распространенных типов статических смесителей.

К ним, прежде всего, относятся смесители с винтовыми элементами, которые изготавливаются из плоской тонкой пластины посредством скручивания в левом или правом направлениях (например: патенты США №3286992 и №3643927; патент Великобритании №1413825; авт. свид. СССР №504549 и №804464). Винтовые элементы могут располагаться на поверхности трубки, вала или стержня (например, патенты США №4049241 и №3794300).

Другими широко распространенными являются статические смесители с промежуточными камерами. Перемешивание в них осуществляется за счет создания резкого расширения и сужения пространства внутри цилиндрического корпуса, вызывающих изменение скорости потока и возникновение усиленного вихреобразования, связанного с отрывом потока от стенок (например: патенты США №3404869 и №352391; авт. свид. ЧССР №214380; авт. свид. СССР №103903).

Простым по конструкции, но не менее эффективным является статический смеситель, в котором промежуточные камеры разделены дисками с несколькими сквозными каналами (патент США №3582048).

Также широкое распространение получили статические смесители, в которых элементы из взаимно перпендикулярных пластин, ориентированных вдоль цилиндрического корпуса и составляющих пространственную решетку, обеспечивают разделение жидкостей на отдельные струи и их движение по сложным каналам, где они многократно дробятся (например: патент США №3620106).

Помимо прямого назначения, некоторые типы смесителей могут применяться для активации жидкостей и растворов. Как правило, в конструкцию такого смесителя-активатора встраивается магнит или электромагнит, создающие магнитное поле (например, патенты РФ: №2085277; №2275956; №2224586; №2325223). Существуют активаторы с магнитными элементами, осуществляющие одновременно магнитно-механическую обработку отдельно взятой жидкой среды.

Кроме указанных смесителей, распространение получили смесители с гофрированными элементами, трубчатые смесители, вихревые смесители с каплевидными элементами, с турбулизирующими вставками (инжекционные и эжекционные).

К малораспространенным принципам действия смесителей относятся:

- акустический резонанс (например, патент СССР №909430 и №775514);

- лазерный луч (например, патент РФ №173210);

- кавитация (например, патент РФ №2202406);

- пропускание электрического тока (например, патент СССР №1780822, РФ №2205681, РФ №2094106);

- смешение с помощью трубки Вентури (например, патент РФ №2093257);

- смешение с помощью пористой вставки (например, патент РФ №2132724).

Стремление увеличить эффективность малообъемных смесителей за счет усложнения их конструкций привело к появлению многих разновидностей смесительных элементов. Но такое решение указанной проблемы требует высокоточной и сложной технологии изготовления этих элементов и особенно минимизации имеющихся зазоров. Примерами служат патенты РФ №2323771, №2261755, №2080164, №2325221.

Поставленная в изобретении техническая задача - используя механическое воздействие на жидкофазные системы, получить высокую степень гомогенности при смешении дисперсионной среды и дисперсной фазы, а для отдельно обрабатываемой жидкой среды активацию и рекомбинацию, приводящие к разрыву, как межмолекулярных связей, обусловленных Ван-дер-Ваальсовыми силами, так и П-связей.

Для решения указанной технической задачи следует осуществить механическое воздействие с высокой удельной энергоемкостью и создать высокоразвитую межфазную поверхность.

Применительно к статическим смесителям решение можно получить пропусканием потоков смешиваемых жидкофазных систем или отдельно взятой жидкой среды через смесители с различными способами воздействия, воспроизводящими сложное движение элементарных объемов, сопровождающееся распределением сталкивающихся молекул по относительным энергиям.

Подобный подход содержится в патенте РФ 2266776, относящемуся к производству водоустойчивых взрывчатых веществ и принятому в качестве прототипа.

Смешение осуществляют в аппарате с последовательно расположенными зонами смешения, названными статической, кинематической и динамической. Последнюю осуществляют в роторно-пульсационном аппарате, который не относится к статическим смесителям. В соответствии с этим смеситель имеет три секции. В первой секции поток встречает статическое препятствие, например, в виде наклонных под другим углом перегородок. Во второй секции усиливается вращательная составляющая движения потока посредством лопастей, установленных на валу роторно-пульсационного аппарата и подающих поток смеси в зазор вращающегося ротора относительно статора.

Основными недостатками такого решения являются:

- наличие внешнего источника энергии в качестве привода роторно-пульсационного аппарата;

- сложность конструкции;

- увеличение габаритов по сравнению с малообъемными статическими смесителями.

Эти недостатки исключены в предлагаемом комбинированном статическом смесителе-активаторе.

Принципы смешения и активации, заложенные в предлагаемом смесителе-активаторе, заключаются в следующем. В первой секции происходит сложное движение потока, реализующее нормальную, тангенциальную, относительную и кориолисову составляющие ускорения, а вместе с тем соответствующие силы инерции (кинематическая зона). Во второй секции происходит вихреобразование и кавитация. В третьей секции осуществляется окончательное дробление потока на мини-струи и капли, диаметр которых составляет 5 микрон и менее, чем достигается высокая степень гомогенизации.

Схема комбинированного статического смесителя-активатора представлена на фиг.1.

В цилиндрическом корпусе 1, имеющем ступенчатую внутреннюю поверхность, расположены секции I, II, III.

Секция I расположена на входе в смеситель-активатор. В ней находится смеситель, состоящий из двух винтовых элементов 2 и 3. Винтовой элемент 2 прилегает к цилиндрической поверхности корпуса 1 и имеет навивку правостороннюю или левостороннюю. Внутри винтового элемента 2 находится винтовой элемент 3, имеющий соответственно левостороннюю или правостороннюю навивку. Между витками винтовых элементов 2 и 3 имеется по возможности малый зазор. Внутри винтового элемента 3 также с малым зазором проходит цилиндрический стержень 4, выполненный заодно с цилиндрической вставкой 5, имеющей со стороны, противоположной стержню 4, конус 6.

В цилиндрической вставке 5 выполнены каналы 7, центры входных отверстий которых располагаются в зазоре между витками винтовых элементов 2 и 3. Каналы 7 могут располагаться вдоль оси корпуса 1 или под углом к этой оси.

Цилиндрическая вставка 5 относится к секции II, включающей также промежуточную камеру 8.

После промежуточной камеры 8 следует секция III, внутри которой установлен смесительный элемент 9, составленный из перекрещивающихся решеток 10, образующих пространственную систему каналов, осуществляющую разделение и воссоединение потоков, в результате чего происходит эффективное смешение дисперсионной среды и дисперсной фазы с многоточечным массообменном на молекулярном уровне. Пример перекрещивающейся решетки 10 показан на схеме 2а, б. Характерной особенностью решетки 10 является наличие зубьев, отогнутых в разные стороны так, чтобы между зубьями были щели и ширина щелей между зубьями, отогнутыми в одну сторону, была бы равна ширине зубьев, отогнутых в другую сторону, и наоборот.

Существенным является также, чтобы все зазоры между узлами смесителей и корпусом 1 были настолько малыми, чтобы осуществлялись сдвиги между молекулярными слоями.

Смеситель-активатор действует следующим образом.

Насосом, который на фиг.1 не показан, смешиваемые жидкофазные системы подаются на вход секции I и далее произвольно распределяются по внешнему и внутреннему винтовым элементам соответственно 2 и 3. Дальнейшее движение распределенных указанным образом жидкофазных систем осуществляется в противофазе, что приводит к множественным локальным квазиударным процессам, приводящим к дроблению и смешению указанных систем. В конце секции I перед цилиндрической вставкой 5 образуется вихревая зона, формирующая псевдокипящий слой.

Далее смешиваемые жидкофазные системы поступают в каналы 7, в которых повышается внутреннее давление, сжимающее образующиеся капли. При попадании капель в промежуточную камеру 8 секции II возникает кавитация вследствие резкого перепада давления и дробление крупных капель на капли меньшего диаметра. Конус 6 предназначен для направленного движения образующихся потоков и ликвидирует застойную зону. В секции III вновь происходит разделение каплесодержащих потоков на мелкие струи, которые движутся по ломанным щелевидным каналам, образующим пространственную решетку.

В итоге создаются условия для дробления длинных молекулярных цепей на более короткие, а тяжелые молекулярные цепи разделяются на более легкие. В итоге, кроме смешивания, происходит активация жидкофазных систем, выражающаяся, в том числе, в равномерном распределении тяжелых и легких молекулярных цепей на выходе из секции III.

Прохождение смешиваемых жидкофазных систем через смесители, установленные в секциях I и III, воспроизводит динамический режим, при котором происходит превращение отдельных молекул или комплексов сталкивающихся молекул из начального i-го квантового состояния во все конечные f состояния. Они могут быть как незначительными, так и существенными, приводящими к заметным изменениям качества продукта. Существенным является так же то, что при прохождении потоков через указанные смесители может возникнуть неустойчивое стационарное состояние, приводящее к автоколебаниям. Этому также способствует пульсирующая работа подающих насосов.

Винтовые элементы 2 и 3 могут быть выполнены в виде пружин с левой и правой навивкой. В зависимости от плотности и вязкости смешиваемых сред целесообразно менять шаг навивки. В рассматриваемом смесителе-активаторе регулирование осуществляется с помощью торцевой крышки 11, расположенной на входе в смеситель-активатор, которая имеет резьбу, и посредством соответствующей резьбы в корпусе 1 может перемещаться в осевом направлении. Вторая торцевая крышка 12, расположенная на выходе обработанной среды из смесителя-активатора может быть глухой или также установленной на резьбе. Кроме того, указанная крышка 12 имеет нейтральную конусообразную выемку для формирования потока на выходе.

Узел смесителя, установленного в секции III, может быть сборным из элементов, изображенным на фиг.2а, б или исполненным по известным патентам.

1. Комбинированный смеситель-активатор прямоточного типа для полярных и неполярных жидких сред, осуществляющий механическое воздействие на структуру указанных жидких сред или отдельно взятую среду и состоящий из трех видов последовательно расположенных смесителей, отличающийся тем, что первый смеситель выполнен с возможностью осуществления кинематического действия, приводящего к квазиударному воздействию, второй смеситель выполнен с возможностью осуществления кавитационного воздействия, третий смеситель расположен с возможностью разделения общего потока жидкости на малые пересекающиеся струи и в совокупности указанные три вида смесителей выполняют как функцию активного смешения, так и структурирующую функцию за счет нарушения исходного межмолекулярного взаимодействия, обусловленного Ван-дер-Ваальсовыми силами.

2. Смеситель-активатор по п.1, отличающийся тем, что первый смеситель реализует кинематику и динамику сложного движения, создающую квазиударное воздействие на жидкую среду, и состоит из первой и второй цилиндрических спиралей, имеющих взаимно противоположное направление навивки, и первая спираль находится во второй спирали, внутри первой спирали установлен с малым зазором направляющий стержень, имеющий кольцевой выступ, на который опираются одной торцевой стороной первая и вторая спирали, и вторая спираль, являющаяся внешней по отношению к первой спирали, вставлена в цилиндрический корпус с возможно малым зазором.

3. Смеситель-активатор по п.1, отличающийся тем, что второй смеситель состоит из указанного направляющего стержня и промежуточной камеры и указанный направляющий стержень имеет ступенчато-конусную конфигурацию и одна ступень является цилиндрической направляющей с диаметром, несколько меньшим внутреннего диаметра указанной первой спирали, вторая ступень имеет диаметр, несколько меньший внутреннего диаметра указанного корпуса, и третья ступень имеет форму конуса с диаметром основания, меньшим диаметра второй ступени, и во второй ступени, частично выходящей за пределы первой ступени, по окружности, являющейся границей между указанными первой и второй спиралями, выполнены отверстия, предназначенные для создания перепада давления при перетекании жидкой среды из первого смесителя в промежуточную камеру.

4. Смеситель-активатор по п.1, отличающийся тем, что третий смеситель пластинчатого типа состоит из элементов в виде гребенок с отогнутыми в противоположных направлениях на некоторый угол зубьями и собранных таким образом, что в совокупности указанные элементы образуют объемную решетку со смещенными на ширину зубьев прорезями.

5. Смеситель-активатор по п.1, отличающийся тем, что корпус имеет герметично закрепленные торцевые крышки с штуцерами, и внутренняя полость корпуса разделена на два цилиндрических участка, реализующих возможность постановки первого и третьего смесителей с разными внешними диаметрами, и имеет кольцевые выступы, служащие упорами для указанного направляющего стержня второго смесителя, и крышка со стороны первого смесителя при установке имеет возможность поступательного перемещения с последующим закреплением одним из способов.