Диспергатор для маловязких эмульсий и суспензий

Изобретение относится к диспергированию эмульсий и суспензий и может использоваться при водоподготовке во флотационных установках для аэрации грунтовых вод, в химической технологии, строительстве, для интенсификации растворения химических реагентов. Диспергатор содержит корпус с подающим соплом и отводящий патрубок. Внутри корпуса перпендикулярно оси сопла установлена преграда в виде цилиндра, в боковой поверхности которого имеются сквозные продольные пазы. Основание цилиндра, обращенное к подающему соплу, совмещено с основаниями клинообразных элементов, рабочие грани которых формируют ребра, обращенные к оси корпуса диспергатора, причем их третьи грани отстоят от корпуса на расстояние, равное высоте сквозных продольных пазов, и выполнены скошенными так, что ребра, ограничивающие третью грань клинообразного элемента, короче ребра, обращенного к оси корпуса диспергатора. К другому основанию цилиндра примыкает своим основанием конус с вершиной, направленной в сторону отводящего патрубка. Диаметр основания конуса равен расстоянию между противоположно расположенными сквозными продольными пазами. Технический результат состоит в повышении качества диспергирования. 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. Е21В 21/06, В01F 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 известного диспергатора заключается в низкой эффективности диспергирования и проскоке включений, не подвергшихся дроблению. Указанные недостатки обусловлены однократным соударением потоков. Твердые включения, избежавшие соударения при встречном движении, пузырьки газа и капли другой жидкости, не попавшие в область интенсивного турбулентного движения, не подвергаются дроблению, так как объем обрабатываемой смеси выносится из стакана через его открытый конец. Вытеснение этого объема смеси 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 не подвергшихся дроблению включений.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является диспергатор по патенту РФ №2074117, кл. С02F 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 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 ценообразования 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. Широкий спектр размеров пузырьков на выходе из известного диспергатора обусловлен различным значением градиента скорости потока в рабочем объеме, образованном диффузором с соплом и преградой. 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 диффузора. Их направление зависит от содержания воздуха в воде и скорости истечения смеси из сопла. Часть из отраженных струй ударяется о внутреннюю поверхность диффузора под прямым углом и после удара движется в направлении, близком к обратному. При этом создается высокий градиент скорости, что благоприятно сказывается на процессе дробления пузырьков. Но основная масса струй встречается с поверхностью диффузора под углом, значительно отличающимся от прямого. После удара о поверхность диффузора такие струи движутся вдоль стенок диффузора и корпуса, а затем направляются через продольные пазы венчика к отводящему патрубку. Такие струи не оказывают существенного влияния на повышение градиента скорости в рабочем объеме диспергатора и соответственно на измельчение включений, содержащихся в этих струях. В результате на выходе из диспергатора наряду с мелкими пузырьками появляются довольно крупные пузыри. Отсутствие областей с встречным движением струй для всего объема обрабатываемой смеси, слабая изолированность рабочего объема диспергатора от 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 обрабатываемой смеси 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. Основание цилиндра, обращенное к подающему соплу, совмещено с основаниями клинообразных элементов, рабочие грани которых формируют ребра, обращенные к оси корпуса диспергатора. Третьи грани клинообразных элементов отстоят от корпуса на расстоянии, равном высоте сквозных продольных пазов, и выполнены скошенными так, что ребра, ограничивающие третью грань клинообразного элемента, короче ребра, обращенного к оси корпуса диспергатора. К другому основанию цилиндра примыкает своим основанием конус с вершиной, направленной в сторону отводящего патрубка. Диаметр основания конуса равен расстоянию между противоположно расположенными сквозными продольными пазами.

Выполнение преграды в виде цилиндра, в боковой поверхности которого имеются сквозные продольные пазы, совмещение основания цилиндра, обращенного к подающему соплу, с основаниями клинообразных элементов, рабочие грани которых формируют ребра, обращенные к оси корпуса диспергатора, а третьи их грани отстоят от корпуса на расстоянии, равном высоте сквозных продольных пазов, и выполнение их скошенными так, что ребра, ограничивающие третью грань клинообразного элемента, короче ребра, обращенного к оси корпуса диспергатора, позволяет интенсифицировать процесс диспергации включений за счет прохождения смеси через ряд областей с высоким градиентом скорости. Высокое значение градиента скорости в области вершин клинообразных элементов 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 клинообразные элементы формируют несколько - по числу клинообразных элементов - отдельных потоков смеси, направленных в сторону внутренней цилиндрической поверхности корпуса и диффузора. После удара потоков о внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса, каждый из них делится на два потока, которые после удара движутся вдоль внутренней цилиндрической поверхности корпуса в направлении сквозных продольных пазов. В результате у основания каждого клинообразного элемента формируются два встречных потока. Встречное столкновение потоков с последующим резким изменением направления движения на входе в сквозные продольные пазы создает высокий градиент скорости в объеме, образованном основаниями клинообразных элементов и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса диспергатора. Значительное изменение скорости на расстоянии, равном размеру включений газа или жидкости, создает необходимый перепад динамических давлений струй на различные участки поверхности каждого включения диспергируемой фазы. Обусловленная динамическим давлением струй сила имеет величину, достаточную для их разрушения. В свою очередь твердые включения подвергаются неоднократному удару о твердую поверхность и встречному соударению между собой. Предложенное техническое решение позволяет получить узкий диапазон размеров тонко измельченного материала на выходе из него благодаря многократному и одинаковому силовому воздействию на включения в различных точках объема диспергатора. 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 с диаметром основания, равным расстоянию между третьими гранями противоположно установленных клинообразных элементов, 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 сквозных продольных пазов, не создает дополнительного сопротивления потоку смеси.

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 со стороны клинообразных элементов в аксонометрии.

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 клинообразные элементы 8. Ребра, сформированные рабочими гранями клинообразных элементов 8, обращены к оси корпуса 1 диспергатора, а третьи грани 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 клинообразных элементов 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 клинообразные элементы 8 формируют потоки водовоздушной смеси, движущиеся в сторону внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 и диффузора 2. Встречное движение отраженных струй за клинообразными элементами 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, последовательных 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 третьих граней клинообразных элементов 8 водовоздушная смесь 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 конфузор 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 основание цилиндра, обращенное к подающему соплу, совмещено с основаниями клинообразных элементов, рабочие грани которых формируют ребра, обращенные к оси корпуса диспергатора, причем их третьи грани отстоят от корпуса на расстояние, равное высоте сквозных продольных пазов, и выполнены скошенными так, что ребра, ограничивающие третью грань клинообразного элемента, короче ребра, обращенного к оси корпуса диспергатора, при этом к другому основанию цилиндра примыкает своим основанием конус с вершиной, направленной в сторону отводящего патрубка, причем диаметр основания конуса равен расстоянию между противоположно расположенными сквозными продольными пазами.