Способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате

 

Изобретение может использоваться в химической, нефтяной, пищевой, фармацевтической, топливоэнергетической и других отраслях промышленности. Обработку жидкотекучих сред ведут акустическим полем вращающихся в одну сторону двух роторов, которые совершают веерные колебания различной формы, частоты, амплитуды и интенсивности. Угловые скорости роторов могут быть разными, изменяемыми. Частоты колебаний роторов могут быть разными, резонансными, изменяемыми. Технический результат состоит в интенсификации обработки жидкотекучих сред, содержащих легколетучие растворители или микроорганизмы, разрушение которых в процессе обработки недопустимо. 10 з.п.ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к способам обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате и может быть использовано в химической, нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, лакокрасочной, парфюмерной, фармацевтической, пищевой, кормовой, микробиологической, топливо-энергетической, химико-фотографической промышленностях и, в частности, для обработки легколетучих, пожаро- и взрывоопасных сред.

Известен способ обработки жидкотекучих сред [1] (авторское свидетельство СССР N 649451, кл. B 01 F 7/16, 28.02.79 г., Бюл. 8), например, гомогенизация молока и молочных продуктов, в роторно-пульсационном аппарате, заключающийся в том, что обработку ведут в аппарате в зазоре между вращающимся ротором и неподвижным статором и в их проточных каналах за счет градиентов скорости в зазорах, пульсаций давления в каналах.

Основной эффект такой обработки наблюдается именно в зазорах между ротором и статором. Благодаря этому такой способ дает хорошие результаты в процессах растворения, перемешивания, гомогенизации. Недостатком этого способа является то, что в зазорах между вращающимся ротором и неподвижным статором возникают высокие градиенты скорости порядка 8000-8000000 мм/с мм и выше. Это в свою очередь приводит к тому, что в зазорах между ротором и статором значительно повышается температура за счет трения в жидкотекучей среде, причем чем выше вязкость среды, тем выше скорость повышения температуры. Это повышение температуры приводит к тому, что в среде, содержащей легколетучие растворители, например бензол, происходит их испарение, что в свою очередь повышает вязкость среды, тем самым еще больше приводя к повышению температуры, что может привести к пожару или взрыву при обработке пожаро-взрывоопасных сред.

Известен способ обработки [2] (патент РФ N 1830278, кл. В 01 F 7/28, 1991 г.) жидкотекучих сред в роторно-пульсационном аппарате, заключающийся в том, что обработку ведут в аппарате, где помимо вышеуказанного воздействия на среду оказывается акустическое воздействие со стороны статора. Этот способ позволяет значительно повысить эффективность обработки и получать в результате ее тонкие ультратонкие эмульсии со средним диаметром частиц порядка 0,09-0,1 мкм, например, дисперсий гидрофобных цветообразующих компонент. Этот способ можно также использовать для пастеризации молока при температурах ниже температур пастеризации. Это все возможно за счет акустического воздействия со стороны статора на обрабатываемую среду. Недостатком такого способа является то, что, как и в предыдущем случае, происходит обработка среды в зазорах между ротором и статором, что приводит к повышению температуры в этом зазоре. При этом, как правило, частоты вращения ротора по этому способу выше чем по предыдущему, а зазоры между ротором и статором - меньше. Таким образом, в этом способе имеет место еще большее повышение температуры в обрабатываемой среде, что затрудняет применение пожаро- и взрывоопасных сред.

Известен способ обработки жидкотекучих сред [3] (патент Швейцарии N 372537, кл. 50 с, 18/01, 1963), наиболее близкий к предлагаемому изобретению, взятый нами за прототип, заключающийся в том, что обработку ведут двумя вращающимися в противоположные стороны (навстречу друг другу) роторами. Этот способ используется для решения задач интенсивного перемешивания, растворения, гомогенизации в средах, не содержащих легколетучих, пожаро-взрывоопасных жидкостей, таких как бензол, бензин и т. д. Градиенты скорости в зазорах между двумя роторами по этому способу достигают значений 16·10³ - 16·10⁶ мм/с мм. Это приводит к еще более быстрому повышению температуры среды в зазорах между роторами. Этот способ не пригоден для обработки, например, красок, куда входят растворители - смесь бутилового спирта с ксилолом, т. к. в процессе диспергирования красок даже в течение 1-2 минут более 50% растворителя испаряется, резко повышая вязкость краски, что затрудняет, а иногда делает невозможным получение качественных красок с размерами частиц менее 3 мкм.

Техническим эффектом изобретения является повышение эффективности процесса обработки как легколетучих, пожаро-взрывоопасных жидкостей и сред их содержащих за счет снижения нагрева обрабатываемой среды в зазорах между роторами и повышения интенсивности акустического воздействия на среду.

Сущность изобретения характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, обеспечивающих достижение указанного эффекта тем, что обработку ведут в роторно-пульсационном акустическом аппарате акустическим полем, согласно изобретению акустическое поле создают вращающимися в одну и ту же сторону роторами, совершающими веерные колебания различной формы, частоты, амплитуды, интенсивности.

Кроме того, обработку ведут при различных угловых скоростях вращения ротора.

Обработку ведут при вращении одного ротора с постоянной угловой скоростью, а другого - с изменяемой угловой скоростью.

Обработку ведут при изменении угловых скоростей вращения обоих роторов.

Обработку ведут роторами с одинаковыми собственными частотами колебаний.

Обработку ведут роторами с различными собственными частотами колебаний.

Обработку ведут в условиях резонансных колебаний одного из роторов.

Обработку ведут в условиях резонансных колебаний обоих роторов.

Обработку ведут в условиях различных частотных резонансных колебаний роторов.

Обработку ведут в условиях не превышения критической скорости сдвига в обрабатываемой среде в зазорах между роторами.

Обработку ведут роторами, снабженными чередующимися между собой коаксиально установленными лопатками, образующими проточные каналы, обращенными друг к другу.

Ведение обработки легколетучих, пожаро-взрывоопасных сред акустическим полем, создаваемым вращающимися в одну и ту же сторону, например, двумя роторами, совершающими веерные колебания различной формы, частоты, амплитуды и интенсивности, приводит к тому, что, во-первых, например, когда угловые скорости вращения роторов одинаковы, исключается нагрев обрабатываемой среды в зазорах между роторами, т.к. градиент скорости в них отсутствует, т.е. отсутствует испарение обрабатываемой среды, вызванное нагревом среды в зазорах, а во-вторых, за счет акустических веерных колебаний плоскостей дисков роторов получать, например, краски с высокой степенью дисперсности без значительного испарения растворителей. Формы веерных колебаний, их частоты приведены в графическом материале на фиг. 8 - 13. Амплитуда и интенсивность веерных колебаний, а также их частота меняются за счет изменения частоты вращения роторов, мощности, затрачиваемой на их вращение. Так, при диаметре роторов 200 и 210 мм затрачиваемая мощность на их вращение находится в пределах 10 - 140 кВт при частотах вращения 800 - 9500 об/мин и соответственно интенсивности акустического излучения 40 - 350 Вт/см кв., при этом частотный диапазон, излучаемый роторами, находится в пределах от 100 Гц до 64 кГц. При этом размеры частиц краски составляют 3 мкм и меньше, испарение (унос) растворителя при этом составил 0,2% от первоначального его количества. Таким образом, решается задача эффективной обработки жидкотекучих сред, содержащих легколетучие растворители, без их испарения, с одновременным значительным улучшением качества краски (уменьшение размера частиц краски). Краска, получаемая в краскотерках, бисерных мельницах имеет размеры частиц порядка 10 - 30 мкм. Чем меньше размер частиц, тем лучше свойства краски.

Ведение обработки жидкотекучих сред в том случае, когда это позволяют компоненты их составляющие в части легколетучести, пожаро-взрывоопасности, при различных угловых скоростях вращения роторов, позволяет интенсифицировать процесс перемешивания в средах, что в свою очередь интенсифицирует процесс диспергирования, т.е. это повышает эффективность способа обработки.

Для упрощения процесса ведения обработки сред ее проводят при вращении одного из роторов с постоянной угловой скоростью, а другого - с изменяемой угловой скоростью. Это позволяет получать те же результаты, что и в предыдущем случае, но упрощает процесс управления приводами роторов, т.к. необходимо регулировать частоту вращения только одного ротора. К тому же это упрощает конструкцию устройства, т.к. в этом случае один из роторов связан, например, с электродвигателем постоянного числа оборотов, а второй - с электродвигателем с регулируемым числом оборотов.

Для придания процессу большей универсальности обработку ведут в условиях изменения угловых частот вращения обоих роторов. Это предоставляет значительные технологические возможности при обработке различных жидкотекучих сред, имеющих различную природу, состав, свойства исходного сырья, требуемые свойства конечного продукта. Такую обработку можно вести во всем диапазоне частот вращения, например, электродвигателей, применяемых, как правило, для привода роторно-пульсационных акустических аппаратов от 0 до 15000 об/мин. При этом частотный диапазон их вращения может меняться в процессе обработки в указанном интервале. Это делает способ универсальным во многих отношениях.

Ведение обработки роторами, у которых собственные частоты колебаний одинаковы, позволяет проводить акустическую обработку жидкотекучих сред со стороны роторов при одинаковых угловых скоростях их вращения одинаковыми частотами. Это усиливает акустическое воздействие на среду, т.к. на нее с двух сторон воздействует одна и та же частота, т.е. в этом случае увеличивается амплитуда колебаний среды, находящейся между роторами, в два раза.

Ведение обработки роторами, имеющими различные собственные частоты колебаний, позволяет за счет этого расширить спектр частот, действующих одновременно на обрабатываемую среду, а так как в некоторых случаях, например, при диспергировании гидрофобных защищаемых компонент цветного проявления, среда представляет собой особенно на начальной стадии среду, содержащую широкий спектр по диаметру частиц фазы, то это позволяет одновременно эффективно диспергировать эти частицы, повышая эффективность обработки.

Ведение обработки в условиях резонансных колебаний одного из роторов позволяет повысить эффективность проведения процесса, т. к. в этом случае амплитуда колебаний одного из роторов имеет большее значение, чем амплитуда колебаний другого ротора. Это увеличивает энергию акустического воздействия со стороны резонансного ротора на среду, что также повышает эффективность этого способа обработки.

Ведение обработки в условиях резонансных колебаний обоих роторов увеличивает эффективность ее акустического воздействия по сравнению с предыдущим случаем, т.к. амплитуда колебаний обоих роторов будет максимальной, а следовательно, и интенсивность акустического воздействия на обрабатываемую среду в данном случае будет наибольшей по сравнению с предыдущим случаем, что повышает эффективность акустической обработки по предлагаемому способу.

Ведение обработки в условиях различных частотных резонансных колебаний роторов приводит к тому, что по сравнению с предыдущим случаем расширяется частотный спектр акустического воздействия на обрабатываемую среду, что увеличивает эффективность обработки сред, в составе которых находятся частицы различных размеров, например, как уже указывалось выше, защищаемые гидрофобные компоненты цветного проявления.

Ведение обработки в условиях не превышения критической скорости сдвига в обрабатываемой среде в зазорах между роторами, когда начинается интенсивное испарение компонент, содержащихся в жидкости, приводит к тому, что в таких условиях можно обрабатывать легколетучие, пожаро-взрывоопасные жидкости, избегая опасных или критических ситуаций, при которых могут возникнуть пожары, взрывы и т.д.

Ведение обработки роторами, снабженными чередующимися между собой коаксиально установленными лопатками, образующими проточные каналы, обращенные друг к другу, приводит к тому, что при этом интенсифицируется процесс перемешивания, смешения, растворения, гомогенизации благодаря этим лопаткам, которые являются эффективными турбулизаторами потока обрабатываемой жидкости. Кроме того, эти лопатки создают насосный эффект в аппарате, за счет чего и происходит движение среды от центра к периферии, т.е. радиальное ее движение.

Существенными отличительными признаками изобретения являются ведение обработки акустическим полем, создаваемым вращающимися в одну и ту же сторону двумя роторами, совершающими веерные колебания различной формы, частоты и интенсивности, обработку ведут при различных угловых скоростях вращения роторов, при вращении одного ротора с постоянной угловой скоростью, а другого - с изменяемой угловой скоростью, при изменении угловых скоростей вращения обоих роторов, обработку ведут роторами с одинаковыми или различными собственными их частотами колебаний, обработку ведут в условиях резонансных колебаний одного или обоих роторов, обработку ведут в условиях различных частотных резонансных колебаний роторов, обработку ведут в условиях не превышения критической скорости сдвига в обрабатываемой среде в зазорах между роторами, обработку ведут роторами, снабженными чередующимися между собой коаксиально установленными лопатками, образующими проточные каналы обращенными друг к другу.

Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с известными техническими решениями позволяет сделать вывод о новизне и соответствии условию изобретательского уровня предлагаемого технического решения.

На фиг. 1 изображен пример выполнения роторно-пульсационного акустического аппарата для осуществления предлагаемого способа, его продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1; на фиг. 3 - 7 изображены элементы коаксиальных цилиндров роторов (коаксиально установленных лопаток) при различных их угловых скоростях ω₁ = ω₂; ω₁ ≠ ω₂; ω₁ = const, ω₂ = var; ω₁ = var, ω₂ = var; ω₁ ≠ 0, ω₂ = 0; на фиг. 8 - 13 представлены галограммы акустических веерных колебаний обоих дисков роторов различной формы, частоты, амплитуды (концентрация черных полос на дисках, степень их черноты). Индекс ω - угловая скорость вращения ротора, цифры 1 и 2 относятся к первому и второму роторам, const - постоянная величина, war - переменная величина, индекс П - пучность колебаний на поверхности диска ротора (максимальная амплитуда колебаний, темные линии), индекс У - узлы колебаний диска ротора, амплитуда колебаний равна нулю, белые линии.

Устройство для осуществления способа состоит из корпуса 1, внутри которого на валах 2 и 3, вращающихся с угловыми скоростями ω₁ и ω₂ в одну и ту же сторону, установлены роторы 4 и 5, соответственно закрепленные на валах 2 и 3 с помощью упругих лопаток 6 и 7. На торцах роторов 4 и 5, обращенных друг к другу, установлены коаксиальные цилиндры 8 и 9 с проточными каналами 10 и 11 соответственно, образующие коаксиально установленные лопатки. Устройство снабжено входным 12, выходным 13 патрубками для подвода и отвода обрабатываемой среды в аппарат и из него. Диски роторов 4 и 5 выполнены из титановых сплавов с показателем акустической добротности их материалов 16000 - 20000 в зависимости от марки титанового сплава. Акустическая добротность - это количественная характеристика резонансных свойств материала, указывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частотах много ниже резонансной при одинаковой амплитуде вынуждающей силы.

Предлагаемый способ в устройстве осуществляется следующим образом. Через входной патрубок 12 в корпус 1 поступает обрабатываемая жидкотекучая среда, например, краска, керосин, бензин, битум, нефть, молоко, защищаемые гидрофобные компоненты цветного проявления и т. д. Здесь под действием создаваемого вращающимися в одну и ту же сторону с угловыми скоростями ω₁ и ω₂ роторами 4 и 5, их упругими лопатками 6 и 7, стенками проточных каналов 10 и 11 насосного эффекта она движется в радиальном направлении. В зависимости от обрабатываемой среды роторы могут вращаться в различных сочетаниях (см. фиг. 3 - 7). В случае, когда обрабатываемая среда содержит пожаро-взрывоопасные компоненты ω₁ = ω₂, или разница в угловых скоростях их вращения незначительна в целях избежания пожара или взрыва. При этом в зазорах между роторами имеем нулевые или близкие к нему значения градиентов скорости (градиент скорости - отношение разности скоростей на стенках роторов в зазоре между ними к величине этого зазора). В этом случае нет относительного движения одного ротора относительно другого, а следовательно, нет сдвиговых напряжений в зазоре, т.е. скорость сдвига равна нулю, а следовательно, не будет повышаться температура обрабатываемой среды. В том случае, когда обрабатываемые среды допускают сдвиговые напряжения в них, обработку ведут в условиях, когда ω₁ ≠ ω₂, не превышая при этом критических значений скорости сдвига, вызывающих интенсивное испарение компонент среды, что может привести к пожару или взрыву в процессе обработки. При решении различных технологических задач в различных отраслях промышленности возможны все те варианты, которые описаны выше. В качестве одного из вариантов возможно использование для осуществления предлагаемого способа устройства с одним регулируемым по частоте вращения и потребляемой мощности приводом в то время, как второй вал, например, вал 2 выполнен свободным, т.е. он не имеет привода. В этом случае способ осуществляется следующим образом. Вал 3 получает крутящий момент, например, от электродвигателя с регулируемым числом оборотов и регулируемой мощностью. Он приводит во вращение ротор 5 с его упругими лопатками 7, коаксиальными цилиндрами 9, проточными каналами 11. Это приводит к радиальному и тангенциальному движению обрабатываемой среды за счет насосного эффекта. Движущаяся в тангенциальном направлении обрабатываемая среда приводит во вращательное движение ротор 4 с его упругими лопатками 6, коаксиальными цилиндрами 8, проточными каналами 10. При этом угловая скорость его вращения будет несколько ниже угловой скорости ротора 5 из-за гидравлических потерь между ротором 4 и 5.

Во всех приведенных выше случаях при вращении дисков роторов 4 и 5 они будут совершать веерные колебания различной формы, частоты, амплитуды, интенсивности, как показано на фиг. 8 - 13. Эти данные получены с помощью голографической интерферометрии. Из приведенных данных видно, что формы колебаний при различных частотах вращения роторов различны, амплитуды и интенсивности их также различны (чем выше амплитуда колебаний участка диска, тем чернее этот участок получается на голограмме и, соответственно, на ее фотографии). Эти веерные колебания с частотами, значения которых указаны на фиг. 8 - 13, позволяют получать дисперсии гидрофобных защищаемых компонент цветного проявления со средним диаметром частиц порядка 0,04 - 0,1 мкм, стерилизовать молоко и молочные продукты, получать краски с высокой степенью однородности и дисперсности.

Пример 1. Пример получения краски в бисерной мельнице.

Готовились пигментные пасты следующего состава: - пленкообразователь - алкидно-карбамидный лак МЧ-52 (МРТУ-6-10-767-68), представляющий собой 50%-ный раствор мочевино-формальдегидной и алкидной смол в смеси бутилового спирта с ксилолом. Массовое соотношение смолы и растворителя 1:1; - растворитель: смесь бутилового спирта с ксилолом в соотношении 1: 4. Температура кипения бутилового спирта 118^oC, ксилола - 140^oC; - пигмент - технический углерод марки К-354 (СЭВ-38.66-82).

В обогреваемый реактор (емкость), снабженный мешалкой, загружалось 16,2 кг лака МЧ-6,2 кг растворителя (смесь бутилового спирта с ксилолом 1: 4). Полученную смесь нагревали до 40 - 50^oC и в него при постоянном перемешивании небольшими порциями непрерывно вводилось 2,6 кг технического углерода марки К-356. После перемешивания в течение 30 минут смесь подавалась в бисерную мельницу, где подвергалась обработке в течение 5 часов. В результате этого была получена краска с размером частиц порядка 25 - 30 мкм. Количество испарившегося растворителя при этом составило 3-5% от первоначального его количества.

Пример 2. Пример приготовления краски в роторно-пульсационном аппарате по аналогу [2].

Вышеуказанные компоненты в том же составе и соотношении после их смешения в реакторе по примеру 1 подавались в РПА, где в течение 5 минут подвергались обработке при частоте вращения ротора 3600 об/мин ротором диаметром 180 мм с частотой акустического воздействия 18 кГц. По замкнутому циклу. В результате этого была получена краска со средним размером частиц порядка 3 - 8 мкм, испарение растворителя при этом составило 20 - 30%.

Приготовление краски по прототипу не получилось из-за невозможности ее приготовления по этому способу из-за быстрого испарения растворителя, резкого увеличения вязкости смеси и, как следствие, разрыва сплошности потока обрабатываемой среды, что и сделало невозможным ее обработку.

Пример 3. Пример приготовления краски по предлагаемому способу.

Вышеуказанные компоненты в тех же соотношениях после предварительного перемешивания в реакторе подавались в роторно-пульсационный акустический аппарат, где они подвергались акустическому воздействию со стороны двух вращавшихся с разными угловыми скоростями (разность составляла от 5 до 20%) веерными колебаниями с частотой от 1 до 63 кГц в течение 5 минут. Частота вращения роторов была в диапазоне от 800 до 6500 об /мин, мощность, затрачиваемая на вращение каждого из роторов, - от 40 до 110 кВт. В результате такой обработки была получена краска с размерами частиц порядка 3 - 6 мкм, испарение растворителя составило 0,5 - 1,5%.

Таким образом, имеет место техническое преимущество предлагаемого способа обработки по сравнению с известными способами. Проводить работы со взрывоопасными и пожароопасными веществами заявители и авторы не имеют возможности из-за отсутствия специальных помещений.

Эффект от использования предлагаемого способа достигается за счет получения, например, красок с меньшим размером частиц, за меньшее время, с меньшим уносом растворителя, т. е. за счет повышения качества получаемого продукта по способу и сокращения времени обработки жидкотекучих сред.

Литература 1. Авторское свидетельство СССР 649451, кл. В 01 F 7/16, 28.02.79, Бюл 8.

2. Патент Российской Федерации 1830278, кл. В 01 F 7/28, 1991 г.

3. Патент Швейцарии 372537, кл. 50 с, 18/01, 1963 г. - прототип.

Формула изобретения

1. Способ обработки жидкотекучих сред в роторно-пульсационном акустическом аппарате акустическим полем двух вращающихся роторов, отличающийся тем, что роторы вращаются в одну и ту же сторону и совершают веерные колебания различной формы, частоты, амплитуды и интенсивности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку ведут при различных угловых скоростях вращения роторов.

3. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что обработку ведут при вращении одного ротора с постоянной угловой скоростью, а другого - с изменяемой угловой скоростью вращения.

4. Способ по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что обработку ведут при изменении угловых скоростей вращения обоих роторов.

5. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что обработку ведут роторами с одинаковыми собственными частотами колебаний.

6. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что обработку ведут роторами с разными собственными частотами колебаний.

7. Способ по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что обработку ведут в условиях резонансных колебаний одного из роторов.

8. Способ по одному из пп.1 - 7, отличающийся тем, что обработку ведут в условиях резонансных колебаний обоих роторов.

9. Способ по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что обработку ведут в условиях различных частотных резонансных колебаний роторов.

10. Способ по одному из пп.1 - 9, отличающийся тем, что обработку ведут в условиях непревышения критической скорости сдвига в обрабатываемой среде в зазорах между роторами.

11. Способ по одному из пп.1 - 10, отличающийся тем, что обработку ведут роторами, снабженными чередующимися между собой коаксиально установленными лопатками, образующими проточные каналы, обращенными друг к другу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13