Диспергатор для маловязких эмульсий и суспензий

Изобретение относится к устройствам для диспергирования в потоке движущейся маловязкой жидкости пузырьков газа или жидкости, порошкообразных или гранулированных материалов и может использоваться в областях водоподготовки, химической технологии, строительства. Диспергатор содержит корпус с подающим соплом, отводящим патрубком и преградой, установленной перпендикулярно оси подающего сопла. Преграда выполнена в виде цилиндра, в боковой поверхности которого имеются сквозные продольные пазы. На основании цилиндра, обращенном к подающему соплу, расположены пирамиды. Их вершины направлены к центру основания цилиндра, а основания отстоят от корпуса на расстоянии, равном высоте сквозных продольных пазов. К другому основанию цилиндра примыкает своим основанием конус с вершиной, направленной в сторону отводящего патрубка. Диаметр основания конуса равен расстоянию между основаниями противоположно направленных пирамид. Технический результат состоит в повышении качества диспергирования за счет создания высокого и одинакового по объему силового воздействия на диспергируемые включения. 2 ил.

 

Техническое решение относится к областям водоподготовки, химической технологии, строительства, а именно к устройствам для диспергирования в потоке движущейся маловязкой жидкости пузырьков газа или жидкости, порошкообразных и гранулированных материалов. Устройство может быть использовано для образования газожидкостных смесей во флотационных установках, аэрации грунтовых вод в процессах водоподготовки, интенсификации растворения химических реагентов, диспергирования гранулированных материалов.

Известен гидродиспергатор (патент РФ № 2156855, кл. Е 21 В 21/06, В 01 F 5/00, опубл. в БИ № 27, 2000 г.), включающий полый, выполненный ступенчатым корпус с присоединительными резьбами на концах и насадки. Корпус снабжен стаканом с присоединительной резьбой, размещенным концентрично и с зазором в большей ступени корпуса. Стакан донной частью обращен к выходному отверстию меньшей ступени, а открытым концом прикреплен к большей ступени. Одна из насадок установлена в отверстии дна стакана, ось которого совмещена с центральной осью корпуса. Две другие насадки установлены в боковых отверстиях стакана, выполненных в диаметрально противоположных направлениях, оси которых перпендикулярны центральной оси корпуса. Расстояние от сечения выходного отверстия первой насадки до точки встречи с осями двух других насадок выбрано из следующего соотношения: L=(5÷6)D_н, где L - оптимальное расстояние от сечения выходного отверстия первой насадки до точки встречи с осями двух других насадок, мм, D_н - диаметр сечения выходного отверстия первой насадки, мм.

Основной недостаток диспергатора заключается в низкой эффективности диспергирования и проскоке включений, не подвергшихся дроблению. Указанные недостатки обусловлены диспергированием только за счет однократного соударения потоков. Далее диспергируемый объем выносится из стакана через его открытый конец. Вытеснение диспергируемого объема происходит под давлением струи, вытекающей из сопла, расположенного в донной части стакана. Однократное соударение и кратковременность пребывания обрабатываемой смеси в стакане приводят к частому проскоку нераздробленных включений.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является диспергатор по патенту РФ № 2074117, кл. С 02 F 1/24, опубл. в БИ № 6, 1997 г., содержащий корпус с подающим соплом и отводящим патрубком. Внутри корпуса перпендикулярно оси сопла установлена преграда. Корпус выполнен в виде последовательно расположенных конфузора, цилиндра и диффузора. Преграда имеет цилиндроконическую форму и снабжена венчиком, расположенным на ее цилиндрической части и имеющим продольные пазы. Подающее сопло размещено с возможностью осевого перемещения в конфузоре корпуса, преграда - в цилиндре, а отводящий патрубок - в диффузоре.

Недостатком известного устройства является крайне низкое качество диспергирования воздуха в воде. Указанный недостаток проявляется в получении на выходе из диспергатора пузырьков широкого спектра размеров и в пропуске достаточно крупных пузырьков, нарушающих процесс пенообразования во флотационных аппаратах. Для получения более однородной по размерам пузырьков эмульсии водовоздушную смесь необходимо пропускать через диспергатор несколько раз или использовать последовательный набор таких диспергаторов. Крайне низкое качество диспергирования в известном диспергаторе объясняется следующими причинами. Пузырек разрушается силой, обусловленной динамическим напором воды. Величина указанной силы равна произведению динамического напора струй на величину площади поверхности пузырька, на которую оказывает влияние напор. Силы, действующие на отдельные участки поверхности пузырька, различны, что приводит к отклонению формы пузырька от сферической. Высокий градиент скорости, то есть изменение скорости струй на расстоянии, равном или меньшем размера пузырька, приводит к различию сил, действующих на разные участки поверхности пузырька, и при определенной величине динамического напора - к искажению его формы с последующим разрушением. Широкий спектр размеров пузырьков на выходе из диспергатора известной конструкции обусловлен различным значением градиента скорости в рабочем объеме диспергатора, образованном конфузором корпуса и преградой, и, следовательно, широким диапазоном значений динамического напора струй по указанному объему диспергатора. Неоднородность градиента скорости в рабочем объеме диспергатора вызывается тем, что после удара водовоздушной струи о преграду отраженные струи движутся в сторону поверхности корпуса: цилиндрической и конической конфузора. Их направление зависит от содержания воздуха в воде и скорости вытекания смеси из сопла. Часть из отраженных струй ударяется о внутреннюю поверхность конфузора под прямым углом и после удара движется в направлении, близком к обратному. Встречное движение струй в данной области объема диспергатора создает высокий градиент скорости и благоприятно сказывается на процессе дробления. Но основная масса струй встречается с поверхностью конфузора под углом, значительно отличающимся от прямого. После удара о поверхность конфузора такие струи движутся вдоль стенок и затем направляются через продольные пазы к отводящему патрубку. Такие струи не оказывают существенного влияния на повышение градиента скорости в рабочем объеме диспергатора. Изменение скорости на расстоянии, равном размеру пузырька, в этой части объема диспергатора небольшое и разница динамических давлений струй у различных участков поверхности пузырька сопоставима с избыточным давлением воздуха внутри пузырька. Малые изменения давления на расстоянии, равном размеру пузырька, приводят лишь к незначительному отклонению его формы от сферической, но не к разрушению пузырька. В этой части рабочего объема диспергатора возможно существование довольно крупных пузырей. В результате на выходе из диспергатора наряду с мелкими пузырьками появляются довольно крупные пузыри. Отсутствие областей с встречным движением струй для всего обрабатываемого объема смеси, слабая изолированность от рабочего объема диспергатора объема продольных пазов и конического канала, находящегося за венчиком преграды, - основные и существенные недостатки известной конструкции, снижающие качество диспергирования.

Задачей технического решения является повышение качества диспергирования пузырьков газа, жидкости, порошкообразных и гранулированных материалов за счет создания высокого и одинакового по объему силового воздействия на указанные включения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в диспергаторе для маловязких эмульсий и суспензий, содержащем корпус с подающим соплом, отводящим патрубком и установленной внутри, перпендикулярно оси подающего сопла преградой, согласно техническому решению преграда выполнена в виде цилиндра, в боковой поверхности которого имеются сквозные продольные пазы. На основании цилиндра, обращенном к подающему соплу, расположены пирамиды, вершины которых направлены к центру основания цилиндра, а основания отстоят от корпуса на расстоянии, равном высоте сквозных продольных пазов. К другому основанию цилиндра примыкает своим основанием конус с вершиной, направленной в сторону отводящего патрубка. Диаметр основания конуса равен расстоянию между основаниями противоположно направленных пирамид.

Выполнение преграды в виде цилиндра, в боковой поверхности которого имеются сквозные продольные пазы, на основании, обращенном к подающему соплу, расположены пирамиды с вершинами, направленными к центру основания цилиндра, и основаниями, отстоящими от корпуса на расстоянии, равном высоте сквозных продольных пазов, позволяет интенсифицировать процесс диспергации включений за счет прохождения смеси через ряд областей с высоким градиентом скорости. Высокое значение градиента скорости в области вершин пирамид способствует первичному дроблению включений. Высокое значение градиента скорости обусловлено резким изменением направления движения смеси в результате удара струи о преграду. После удара о поверхность основания цилиндра преграды струя меняет направление и движется в сторону цилиндрической части корпуса и в направлении диффузора. Расположенные на основании цилиндра преграды пирамиды формируют несколько - по числу пирамид - отдельных потоков смеси, направленных в сторону внутренней цилиндрической поверхности корпуса. После удара потоков о внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса каждый из них делится на два потока, которые меняют направление и движутся по внутренней цилиндрической поверхности корпуса. В результате у каждого основания пирамиды формируются два встречных потока. Встречное столкновение струй, отраженных от внутренней цилиндрической поверхности корпуса диспергатора, последующее резкое изменение направления движения на входе в сквозные продольные пазы создают высокий градиент скорости в рабочем объеме, образованном основаниями пирамид и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса диспергатора, благоприятно сказываются на процессе дробления включений. Благодаря значительному изменению скорости на расстоянии, равном размеру включений, разница динамических давлений струй у различных участков поверхности каждого включения диспергируемой фазы возрастает. Обусловленная динамическим давлением струй сила имеет величину, достаточную для их разрушения. Поэтому предложенное техническое решение приводит к многократному и одинаковому силовому воздействию на включения в различных точках объема диспергатора и получению узкого диапазона размеров тонко измельченного материала на выходе из него. Качество диспергирования пузырьков газа, жидкости, порошкообразных материалов возрастает.

Выполнение преграды в виде цилиндра, к другому основанию которого примыкает своим основанием конус с вершиной, направленной в сторону отводящего патрубка, и диаметром основания, равным расстоянию между основаниями противоположно направленных пирамид, позволяет отводить измельченный материал к отводящему патрубку без образования за преградой вентилируемых каверн, предотвращает коалесценцию газовых и жидких включений. Качество продуктов диспергирования (эмульсий, суспензий) сохраняется на выходе из диспергатора. В то же время основание конуса не перекрывает площадь сечения пазов.

Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами фиг.1, 2, где на фиг.1 показан продольный разрез диспергатора, а на фиг.2 - вид преграды на фиг.1 в аксонометрии со стороны пирамид.

Диспергатор содержит корпус 1 (фиг.1), внутренняя поверхность которого представляет собой последовательно расположенные поверхности диффузора 2, цилиндра 3 и конфузора 4. Подающее сопло 5 установлено на входе в переднюю часть корпуса 1. Внутри корпуса 1 размещена преграда 6 (фиг.2), выполненная в виде цилиндра, в боковой поверхности которого имеются сквозные продольные пазы 7. На основании цилиндра преграды 6, обращенном к подающему соплу 5, расположены пирамиды 8, вершины которых направлены к центру основания цилиндра преграды 6, а основания отстоят от корпуса 1 на расстоянии, равном высоте сквозных продольных пазов 7. К другому основанию цилиндра преграды 6 примыкает своим основанием конус 9 с вершиной, направленной в сторону отводящего патрубка 10, при этом диаметр основания конуса 9 равен расстоянию между основаниями противоположно направленных пирамид 8. Корпус 1 выполнен из двух половин, что облегчает изготовление и сборку диспергатора.

Работает диспергатор следующим образом. Исходная вода, например, с воздухом поступает под давлением в подающее сопло 5, где происходит ускорение водовоздушной смеси до заданной скорости. Скорость движения смеси на выходе из подающего сопла 5 выбирается из условия получения оптимального и достаточно узкого спектра размеров пузырьков для флотации конкретного вида материала. В результате удара струи водовоздушной смеси об основание преграды 6 образуются отраженные струи, направления которых в продольном сечении диспергатора имеет форму веера. В зависимости от скорости удара струи о преграду 6 и содержания воздуха в воде угол отражения струй может изменяться. Расположенные на основании преграды 6 пирамиды 8 формируют потоки водовоздушной смеси, движущиеся в сторону внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 и диффузора 2. Встречное движение отраженных струй за пирамидами 8, резкое изменение направления потока на входе в сквозные продольные пазы 7 способствуют образованию однородного поля скоростей с высоким градиентом в этой области корпуса 1. В результате действия сил, обусловленных динамическим давлением струй на различные участки поверхности пузырьков, происходит их деформация и разрушение. Это позволяет получать на выходе из диспергатора достаточно узкий спектр размеров пузырьков. Проскоки крупных пузырей исключаются за счет многократных ударов водовоздушных струй о поверхность преграды 6, корпуса 1 и встречного соударения струй.

После удара струи о поверхность преграды 6, отраженных струй о поверхность цилиндра 3 корпуса 1 и соударения струй в области оснований пирамид 8 вода с пузырьками воздуха выводится из рабочего объема корпуса 1 через сквозные продольные пазы 7 преграды 6. Резкое гашение турбулентности в пазах 7 снижает интенсивность коалесценции пузырьков. На выходе из сквозных продольных пазов 7 водовоздушная смесь с однородными по размеру пузырьками воздуха попадает в диффузор 4. Затем, обтекая конус 9 преграды 6, плавно поступает в отводящий патрубок 10 и выводится из диспергатора.

Диспергатор позволяет получать смеси с требуемой крупностью частиц, капель или пузырьков газа достаточно узкого спектра.

Диспергатор для маловязких эмульсий и суспензий, содержащий корпус с подающим соплом, отводящим патрубком и установленной внутри перпендикулярно оси подающего сопла преградой, отличающийся тем, что преграда выполнена в виде цилиндра, в боковой поверхности которого имеются сквозные продольные пазы, при этом на основании цилиндра, обращенном к подающему соплу, расположены пирамиды, вершины которых направлены к центру основания цилиндра, а основания отстоят от корпуса на расстоянии, равном высоте сквозных продольных пазов, причем к другому основанию цилиндра примыкает своим основанием конус с вершиной, направленной в сторону отводящего патрубка, при этом диаметр основания конуса равен расстоянию между основаниями противоположно направленных пирамид.