Аппарат с комбинированным перемешиванием для интенсивной обработки суспензий

 

Изобретение относится к аппаратам с комбинированным перемешиванием для интенсивной обработки суспензий и позволяет интенсифицировать перемешивание суспензий, а также снизить энергозатраты и металлоемкость. Аппарат содержит корпус , в котором расположено вертикальное лопастное тихоходное перемешивающее устройство и боковое быстроходное перемешивающее устройство в виде дискового активатора. Лопасть снабжена размещенными на ее свободном конце двумя лопастными элементами, расположенными в той же плоскости и симметричными относительно ее оси. 3 ил. сл С

cu: .; г-Оп n:ких (,Ol il lA ";С l l."l×l- СКИХ

РГ СГМ., ИК (sl)s В 01 F 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

/iß fE L;IfkS

ПЯ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1) 4798774/2 6 (22) 30.01.90 (46) 15.11,92. Бюл. ¹ 42 (71) Союзное проектно-монтажное бюро машиностроения "Малахит" и Ленинградский научно-исследовательский институт химического машиностроения (72) В.Д, Медведев. В.Л. Садовский, В.Н. Поляков, B,С, Живилов, l0,Н. Яковлев, Е.М, Михеев и Г, Н. Жиганов (56) Журнал ПНР "Zesz. nauk, Pozn. Chem. i

inz. chem" 1986, N. 17, с. 271-282.

Журнал Ф Р Г "Chemic-Anlag enVerfahren", N. 7, 1988, с. 85.

Патент Великобритании N 2143147, кл, В 1 С, 1984.

Авторское свидетельство СССР

N 1200967, кл. В 01 J 19/00, 1984, Авторское свидетельство ЧССР № 250393, кл. В 01 F 7/00, 1987.

Изобретение относится к химическому реакторному оборудованию для проведения различных химико-технологических процессов в жидких средах. содержащих частицы твердого продукта.

Наиболее эффективное применение оно найдет для проведения процессов прсмывки (отмывки) частиц целлюлозы (хлопкоВой, древесной и др, марок), полимеров (полиэтилена, полистирола и других) и,различных катализаторов в жидких средах (вода, метанол, бензин и др,).

Известно техническое решение по эффективному перемешиванию суспензий с твердыми частицами мешалкой, направление вращения которой циклически изменяется т.е, обрабатываемая среда то разгоняется, то тормозится. Изменение на„„. Ж „„1775148 А1 (54) АППАРАТ С КОМБИНИРОВАННЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ ДЛЯ ИНТЕНСИВНОЙ

ОБРАБОТКИ СУСПЕНЗИЙ (57) Изобретение относится к аппаратам с комбинированным перемешиванием для интенсивной обработки суспензий и позволяет интенсифицировать перемешивание суспензий, а также снизить энергозатраты и металлоемкость. Аппарат содержит корпус, в котором расположено вертикальное лопастное тихоходное перемешивающее устройство и боковое быстроходное перемешивающее устройство в виде дискового активатора. Лопасть снабжена размещенными на ее свободном конце двумя лопастными элементами, расположенными в той же плоскости и симметричными относительно ее оси. 3 ил. правления мешалки, скорости ее вращения в диапазоне до 0,03 Гц интенсифицирует коэффициент массопереноса и индекс эффективности перемешивания.

Недостатком этого решения является большая сложность осуществления этого решения в крупногабаритных аппаратах, когда надо затормозить (или ускорить) скорость вращения большой массы вала с перемешивающим устройством, а инерционные силы их очень велики. Поэтому торможение и ускорение вращения привода с валом и перемешивающим устройством промышленных реакторов будет происходить замедленно во избежание разрушения деталей вала и перемешивающих устройств, а зто значительно снизит эффективность перемешивания.

1775148

15

Известны технические решения àïïàратов с соосно установленными валами (вал в валу), один из которых выполнен быстроходным, а другой — тихоходным, причем направление их вращений может быть противоположным. Так в решении фирмы

"Шварц" ФРГ реактор имеет комбинированное перемешивание — внешнее тихоходное (скребково-лопастное) и внутреннее быстроходное лопастное.

В другом аналогичном известном реше нии аппарата также тихоходное перемешивающее устройство выполнено внешним в виде продольных штанг, соединенных поперечными ребрами, а быстроходное внутреннее в виде импеллера для тонкого измельчения и диспергирования твердых частиц.

Эти технические решения позволяют оптимизировать технологические процессы обработки различных продуктов в жидких средах в химии, фармацевтике, пищевой и косметической отраслях промышленности, Однако одним из серьезных недостатков таких аппаратов является их конструктивная сложность (san в валу, подшипниковые и уплотнительные узлы внутреннего вала, вертикальные и горизонтальные встроенные электроприводы с червячными конически-зубчатыми и другими типами передач и др.), трудоемкость в изготовлении, большая стоимость и ненадежность работы со взрывоопасными средами и со средами, содержащими твердую фазу в виде волокон, укрупненных частиц и комков, которая будет забиваться в зазор между соосными валами.

Известно техническое решение реактора с вращающимся валом и кавитаторэм, перед которым соосно с противоположной стороны на валу установлена втулка с вращающимися лопастями. Такое конструктивное решение усиливает кавитационный эффект и повышает производительность реактора, так как установленные под определенным углом вращающиеся лопасти

"подготавливают" обрабатываемый материал перед его входом в кавитатор, то есть уже образовывают пузырьки кавитации. Основным недостатком этого решения является то, что использование эффективного кавитационного эффекта требует высоких скоростей вращения кавитатора (2000—

3000 об/мин) и выше. Поэтому при таких высоких скоростях вращения твердые частицы таких продуктов, как хлопковая целлюлоза, полимеры, катализаторы особенно типа "мягких" — платиновых, нанесенных на графит, будут измельчатьоя, что потребует установки после реактора специальных

55 фильтров для их улавливания, а также возможны и структурные изменения частиц, что снизит качество продукта.

В качестве прототипа выбрано техническое решение аппарата с комбинированным перемешиванием, которое имеет не соосно установленные вал в валу, а отдельные самостоятельные валы и приводы быстроходного и тихоходного лопастных перемешивающих устройств с их противоположным направлением вращений, Основную особенность этого известного решения авторы видят в том, что на тихоходном вертикальном валу лопастные мешалки установлены в этажноупорядоченном положении и их количество может доходить до 8 шт„а на быстроходном валу установлена только одна такая же лопастная мешалка, причем все мешалки расположены под одинаковыми углами к плоскостям, перпендикулярным к осям их валов. Установка бокового перемешивающего устройства в дополнение к вертикальному улучшает процесс перемешивания. и гомогенизации обрабатываемой среды. Однако, это решение имеет следующие основные недостатки: быстроходная лопастная мешалка значительно удалена от тихоходной, по формуле изобретения не привязана никакими размерами и соотношениями (кроме углов лопастей), поэтому встречные потоки от мешалок в месте их столкновения и взаимодействия ослаблены, имеют размытый характер, их скорости значительно снижены, что не позволяет достигнуть желаемого успеха; несимметричное взаиморасположение быстроходной и тихоходной мешалок, да еще и многоэтажные их расположение при консольном выполнении обоих валов вызовет динамически неустойчивую их работу, появление нежелательных колебаний и вибраций, снижение надежности в работе.

Целью изобретения является интенсификация перемешивания суспенэий и снижение энергозатрат и металлоемкости.

На фиг. 1 изображен продольный разрез реактора; на фиг, 2 — сечение по А — А фиг.

1; на фиг. 3 — сечение по Б-Б фиг, 2, Аппарат состоит из корпуса 1, который может иметь цилиндрическую или квадратную форму. При необходимости. корпус 1 может иметь теплообменную рубашку (на фиг. 1 не показана). На крышке 2 по вертикальной оси реактора установлен привод 3 для вращения вала 4, на котором установлены лопастные перемешивающие устройства верхнее 5 и нижнее 6. Верхние лопасти

5 на периферийных частях снабжены двумя лопастными элементами 7, расположенны1775148

25

35

45

50 ми в той же плоскости и симметричными относительно ее оси.

На боковых поверхностях корпуса 1 взаимно диаметрально противоположно установлены перемешивающие устройства в виде дисковых активаторов 8. Они приводятся во вращение от электродвигателей 9, посредством клиноременной передачи 10 и подшипниковой станции 11, в которой вращается вал 12 активаторов 8 {электродвигатель 9, клиноременная передача 10 и подшипниковая станция i i для правого активатора 8 (на фиг, 1 HB показаны).

Элементы 7 выполнены так, что расстояние между ними по их продольным осям по высоте реактора примерно равно диаметру активатора "D" (см, фиг. 2), а ширина "Ь" каждого элемента 7 равна половине ширины

"В" лопасти 5, Это обеспечивает наиболее оптимальное взаимодействие отбрасываемого потока обрабатываемой среды от активатора на вращающиеся элементы 7, которые в момент прохода вблизи активатора тормозят эти пото",è, их разбивают, изменяют направления I о гаков и увеличивают общую турбуленптность среды.

В радиальном направлении между кромками элементов 7 и нару;,»ой поверхностью дисковых актива, орое 8 еыдерживается зазор "S" равный 0,1 наружного диаметра "0" активатора. Это также является наиболее оптимальным значением зазора "S", при котором перемешивающее устройство дискового типа работает в оптимальном режиме, т,е. в близлежащем пространстве большие напряжения сдвига, необходимые для разрушения волокнистых частей и их отмывки. Физическая модель этого соотношения S=0,1D заключается в том, что с увеличением диа гетра активатора, что также увеличивае. . окружную скорость его вращения, зазор "8" также увеличивается, что благоприятно сказывается на затратах мощности полулопастями

7, Активатор 8 представляет собой диск круглой формы диаметром "О", слегка конусообразный к периферии, на внешней поверхности которого выполнены ребра 13 с тщательно закругленными краями для предотвращения повышенного измельчения обрабатываемых твердых частиц материала.

Нижние лопасти 6 имеют наклонное расположение и при своем вращении не позволяют оседать укрупненным твердым частицам на днище реактора.

Исходные компоненты подаются в аппарат через патрубки 14 и 15. а готовый продукт выгружается через патрубок 16 с запорным вентилем 17. Жирот1одобные à грязнения (продукт отмывки ьильтровальных лепешек из хлопковой целлюлозы), имеющие тенденцию K всплыванию оТВодятся через фильтровальные перфорированные решетки 18 и патрубки 19 для дальнейшей очистки и регенерации.

Аппарат работает следующим образом.

Через патрубки 14 и 15 периодически или непрерывно загружаются исходные компоненты, например, загрязненные фильтровальные лепешки диаметром 400500 мм, толщиной 40-60 мм из хлопковои целлюлозы, горячая вода и другие моющие добавки, Включается привод 3, электродвигатель 9 и валы 4 и 12 с перемешивающими устройствами 5, 6, 7 и 8 приводятся во вращательное движение. Получаются два основных потока — циркуляции обрабаты ваемой среды — поперечное радиально-окружное от лопастей 5 и 6 и элементов 7 и продольное осевое — закрученное от активаторов 8. Такое получение разнонаправленных, поперечных потоков и их динамическое взаимодействие уже повышает эффективность обработки исходных продуктов. Но еще более значительный эффект отмывки твердых частиц продукта получается за счет раздвоения лопастей 5 на радиально-симметричные элементы 7 и расположения их продольных осей по высоте реактора на расстоянии "D" равном диаметру дисковых активаторов 8, установленных соосно, то есть на одной оси и расположенных диаметрально противоположно. Такое симметричное выполнение и расположение элементов и активаторов необходимо для получения симметрично равных нагрузок на элементы и активаторы, их валы, подшипники для избежания нежелательных изгибных напряжений, вызывающих прогибы, колебания и вибрации аппара1ов, По этой же причине количество соосно устанавливаемых активаторов 8, а также лопастей 5 и элементов 7 должно быть четным 2, 4, 6, 8 и т.д, Ширина "Ь" каждого элемента 7 в сумме равна ширине "B" самой основной лопасти.

Это соотношение является наиболее оптимальным с точки зрения баланса затрачиваемой мощности самими лопастями и элементами.

Такое комбинированное взаимное расположение быстровращающихся активаторов 8 (скорость вращения 500-800 об/мин) и тихоходных лопастей и элементов 5, 6, 7 (скорость вращения 50 — 80 об/мин). помимо общих потоков — циркуляции среды, создает также многочисленные очаги интенсивной пульсационной микромасштабной турбулентности при значительных сдвиговых де1775148 формациях в небольших элементах объема обрабатываемой среды, причем эти пульсационные движения сталкиваются друг с другом и накладываются друг на друга, а их направление и скорость переменны как во времени, так и в объеме обрабатываемой среды.

Это достигается за счет того, что периферийные кромки элементов 7, проходя при своем вращении вблизи от вращающихся активаторов 8 (см, фиг, 2) верхним элементом 7, который дви,кется навстречу срывающемуся с активатора потоку среды, резко тормозит и дробит этот поток своей лобовой поверхностью, а нижний элемент 7 тормозит и дробит срывающийся поток своей кормовой поверхностью, когда уже пройдет вертикальную ось активатора, Именно разница в окружных скоростях диска активатора и кромок элементов обеспечивает, в основном, ту высокую эффективность обработки среды, содержащей твердые частицы продукта.

Эта разница в окружных скоростях, например. для среднего реактора объемом 10 м и диаметра диска активатора Ра=500 мм, скорости его вращения n,=-600 об/мин и диаметра кромок элементов 7 0м=1800 мм и их скорости вращения n> = 60 об/мин. составит, - а «Ъ K ì AM

60 ) 60 ,14 0,5 600),14 1,8.60 — 6O ) 60

= 10,1 м/с

При установке в аппарате минимально возможного числа активаторов 2 шт. и минимального числа раздвоенных лопастей 4 шт., при их скорости вращения 60обlмин, частота динамического пульсационного воздействия комбинации "активатор-лопастные элементы" на обрабатываемую среду составит 8 герц. Это значит, что 8 раз в секунду срывающейся с активаторов поток сред«, содержащий твердь«е частицы продукта со скоростью 10 1 м/сек ударяется о лобовую и кормовую поверхности вращающихся лопастных элементов, что и обеспечивает интенсивный массоперенос между жидкой средой и твердыми частицами продукта, который ускоряет разрушение фильтровальных лепешек и разрыв волокон, их

25 сти аппарата.

35 щи и с я тем, что. с целью интенсификации

45

5

10 отмывку и удаление загрязненных веществ с поверхности твердой фазы.

По мере отмывки продукта, загрязненная жи*кая фаза через фильтровальные, перфорированные решетки 18, с которых. торцовой поверхностью активаторов 8, смываются твердые частицы обратно в объем реактора, сливается через патрубки 19 на дальнейшую обработку. Отвод загрязненной жидкости компенсируется подачей чистой жидкости через патрубок 15.

После отмывки продукта, чистая хлопковая целлюлоза в виде водной суспензии через патрубок 16 передается на дальнейшую обработку.

Получение экономического эффекта от нового реактора с комбинированным перемешиванием на примере его использования для промывки хлопковой целлюлозы в производстве желатина мощностью 20 тыс.т/год слагается из следующих статей; экономия электроэнергии; экономия металла, повышение удельной производительноФормула изобретения

Аппарат с комбинированным перемешиванием для интенсивной обработки суспензий. содержащий корпус с патрубками для ввода готового продукта, вертикальное лопастное тихоходное перемешиваю-. щее устройство и боковое быстроходное перемешивающее устройство, о т л и ч а юперемешивания суспензий и снижения энергозатрат и металлоемкости, каждая лопасть снабжена размещенными на ее свободном конце двумя лопастными элементами, расположенными в той же плоскости и симметричными относительно ее оси, имеющими суммарную ширину, равную ширине самой лопасти, а боковое перемешивающее устройство выполнено в виде дисковых активаторов, установленных соосно и диаметрально противоположна на боковых стенках корпуса, при этом расстояние между продольными осями лопастных эле- . ментов по высоте равно примерно наружному диаметру 0 дисковых активаторов, а радиальный зазор между периферийными кромками лопастных элементов и поверхностью дискового активатора составляет примерно 0,1D.

1775148 (,6

Фиг. t

1 17r>148 слюбленис

I !þî Áë å í

Рк Г 2

Составитель В..Медведев

Техре4 M.Ìîðãåíòàë Корректор H. Ревская

Редактор

Заказ 4006 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент". r. Ужгород, ул,Гагарина, 101