Устройство для физико-химической обработки жидкой среды

Изобретение относится к устройствам для создания акустических колебаний в проточной жидкости и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системах «жидкость-жидкость» и «твердое-жидкость». Устройство содержит корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор, с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод. Во входном патрубке установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения насадок, в котором по одной или нескольким концентричным окружностям выполнены наклонные или параллельные оси насадка сужающиеся-расширяющиеся или цилиндрические каналы. Их входные и выходные отверстия находятся по окружности одного диаметра, а выход канала смещен по дуге окружности навстречу направлению вращения ротора. На внутренней торцевой поверхности ротора напротив выхода каждого канала насадка находится цилиндрический стержень. Площадь его торца полностью перекрывает площадь выходного отверстия канала насадка. Технический результат состоит в расширении номенклатуры обрабатываемых сред со значительно различающейся вязкостью и интенсификации физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов. 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к устройствам для создания акустических колебаний в проточной жидкости и может быть использовано для проведения и интенсификации различных физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов в системах «жидкость-жидкость» и «твердое-жидкость».

Известен роторно-пульсационный аппарат, содержащий корпус с ротором и статором, крыльчатками, входной и выходной патрубки, дополнительными патрубками, установленными на роторе, внутри которого установлены крыльчатки, ножи-перемычки, винтовая спираль (SU 1526795 А1, МКИ B01F 7/28, БИ 45, 1989).

Обрабатываемая среда раскручивается крыльчаткой и под действием центробежных сил отбрасывается на рабочее кольцо статора и гомогенизируется. Недостатком конструкции является недостаточное акустическое воздействие на жидкость в полости ротора, а также низкая турбулентность среды. Механическое диспергирование крыльчаткой менее эффективно, чем акустическое.

Наиболее близким к изобретению является роторно-пульсационный аппарат, содержащий корпус со штуцерами ввода и вывода компонентов, коаксиально установленные ротор в виде закрепленного на валу диска с перфорированными цилиндрами и статор в виде стакана с перфорированным дном, на валу ротора под статором смонтирован дополнительный перфорированный диск с отверстиями, совпадающими с отверстиями в данной части статора, при этом количество этих отверстий равно или кратно целому числу (SU 988322, B01F 7/28, БИ 2, 1983). Обрабатываемая среда, проходя через отверстия вращающегося перфорированного диска и отверстия в дне статора, подвергается предварительному диспергированию и окончательно диспергируется проходя через отверстия в цилиндрических стенках ротора и статора. Поскольку число отверстий в перфорированном диске и в дне статора, соответственно, равно или кратно целому числу отверстий в роторе или статоре, то при этом возникают колебания одинаковой частоты. Амплитуды колебаний складываются и интенсифицируют тепломассообменные процессы. Отношение n₁/n₂ меняется от 0,5 до 2,0.

Недостатком данной конструкции является невозможность регулировать осевой зазор между перфорированным диском и дном статора. Это не позволяет эффективно обрабатывать среды со значительно различающейся вязкостью, при этом невозможно установить оптимальный осевой зазор, при котором возникает интенсивная акустическая кавитация, а диссипируемая мощность в осевом зазоре величина, которая обратно пропорциональна его величине и прямо пропорциональна вязкости среды, будет приемлемой для конкретного привода. Акустическая кавитация является одним из основных факторов, интенсифицирующих различные химико-технологические процессы. Кроме того, в полости ротора недостаточная турбулизация среды, что снижает эффективность проведения процессов массопереноса, диспергирования и т.п., на предварительной стадии обработки.

Техническая задача изобретения - расширение номенклатуры обрабатываемых сред со значительно различающейся вязкостью и интенсификация физико-химических, гидромеханических и тепломассообменных процессов.

Поставленная задача изобретения достигается тем, что в устройстве для физико-химической обработки жидкой среды, содержащем корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор, с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод, во входном патрубке установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения насадок, в котором по одной или нескольким концентричным окружностям выполнены цилиндрические или сужающиеся - расширяющиеся каналы типа трубы Вентури, ось которых параллельна оси насадка или наклонена таким образом, что их входные и выходные отверстия находятся по окружности одного диаметра, при этом выход канала смещен по дуге окружности, навстречу направлению вращения ротора, относительно проекции входа канала на противоположный торец насадка не более чем на ¹/₄ длины окружности соответствующего диаметра и угол α между осью канала и линией, параллельной оси насадка, определяется из выражения ,

где h - длина насадка, м; а - расстояние между центром выхода канала и проекцией центра входа канала на противоположный торец насадка, м; на внутренней торцовой поверхности ротора, напротив выхода каждого канала насадка, находится цилиндрический стержень, при этом площадь его торца полностью перекрывает площадь выходного отверстия канала насадка; поперечное сечение стержней может иметь любую форму; количество каналов в роторе больше количества каналов в насадке не менее чем на порядок; осевой зазор δ[мм] регулируется в пределах 0,01≤δ≤3.

На фиг.1 изображено устройство для физико-химической обработки жидкой среды, продольный разрез; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - вид Б на фиг.2; на фиг.4 - насадок с наклонными типа трубы Вентури и с цилиндрическими каналами; на фиг.5 - насадок с каналами, оси которых параллельны оси насадка, типа трубы Вентури и цилиндрическими; на фиг.6 - сечение А-А на фиг.1, различные виды поперечного сечения стержней.

Устройство для физико-химической обработки жидкой среды содержит корпус 1 с патрубком выхода среды 2, крышку 3 с патрубком входа 4, в котором установлен цилиндрический насадок 5 с цилиндрическими или выполненными в виде трубы Вентури с наклонными осями или осями, параллельными оси насадка, каналами 6, крепящийся к входному патрубку 4 крепежными элементами 7, находящимися в продольных пазах 8, ротор 9 с каналами 10 в боковых стенках, осевой зазор 11, образованный торцевыми поверхностями насадка 5 и стержней 12, расположенных на внутренней торцовой поверхности ротора 9, статора 13 с каналами 14 в боковых стенках, камеру озвучивания 15, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 13.

Устройство работает следующим образом: обрабатываемая жидкая среда поступает под давлением в патрубок 4 и через каналы 6 насадка 5, осевой зазор 11, когда отверстия насадка совпадают с торцом стержней 12, или непосредственно в полость ротора 9, когда отверстия каналов насадка не совпадают с торцом стержней 12, затем через каналы 10 ротора 9 и каналы 14 статора 13 проходит в камеру озвучивания 15, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 13, и выводится из устройства через патрубок 2. Величина осевого зазора 11 регулируется возвратно-поступательным перемещением насадка 5 и фиксируется крепежными элементами 7, находящимися в пазах 8 входного патрубка 4.

Интенсификация технологических процессов в заявляемом устройстве обеспечивается двухстадийной обработкой среды в одном корпусе. Предварительная обработка осуществляется в паре торец насадка - торцы стержней, установленных на внутренней поверхности ротора, образующей модулятор аксиального роторного аппарата. При перекрывании выходных отверстий каналов насадка торцами стержней генерируются колебания, частота которых пропорциональна угловой скорости вращения ротора и числом каналов насадка. На определенных технологических режимах, определяемых расходом среды, угловой скоростью ротора, осевым зазором между торцами насадка и стержней, статическим давлением и т.д., а также свойствами среды, особенно вязкостью, возникает акустическая импульсная кавитация. Кавитация способствует значительной интенсификации химико-технологических процессов.

В промежуток времени, когда отверстия каналов насадка не перекрываются торцами стержней, стержни исполняют роль турбулизаторов среды в полости ротора, а также осуществляют механическое воздействие на жидкость.

Выполнение каналов насадка наклонными позволяет сообщать среде вращательное движение в полости ротора. Если вращение ротора и, соответственно, стержней, расположенных на его торцевой поверхности, направлено навстречу закрученному потоку, то это приводит к возрастанию турбулизирующего и ударного воздействия стержней на обрабатываемую среду. При смещении выхода канала относительно его входа по дуге окружности более чем на ¹/₄ ее длины среда не получает достаточно выраженного вращательного движения, что снижает эффективность обработки среды на предварительной стадии.

Угол наклона оси канала определяется согласно фиг.4 из соотношения

где h - длина насадка, м.

а - расстояние между центром выхода канала и проекцией центра входа канала на противоположный торец насадка, м,

В случае, когда эффективность заявляемой конструкции достаточна для получения требуемого результата, с целью снижения затрат на изготовление, каналы можно выполнять цилиндрическими наклонными или с осями, параллельными оси насадка.

Для усиления ударного и турбулизирующего воздействия на обрабатываемую среду стержни могут иметь любую форму поперечного сечения, отличную от круглой, например треугольную, квадратную, шестигранную и т.д. При этом основным условием является то, что торец стержня должен полностью перекрывать отверстие выхода канала насадка. Не выполнение этого условия приводит к снижению мощности генерируемых звуковых колебаний, так как резко уменьшается коэффициент модуляции расхода и объема среды (A.M.Балабышко, В.Ф.Юдаев. Роторные аппараты с модуляцией потока и их применение в промышленности. - М.: Недра, 1992. - 176 с.). При этом акустическая импульсная кавитация не возникнет.

Соотношение количества каналов в роторе и насадке определяется из следующих соображений. С целью повышения эффективности обработки жидких сред используется ряд последовательно соединенных гидродинамических диспергаторов, при этом первый имеет диапазон частот 0,5-15 кГц, а второй 15-365 кГц. При этом повышается эффективность эмульгирования и гомогенизации (RU 2223815, МКИ B01F 11/00, 2004 г.). Воздействие двух звуковых колебаний с частотой, отличающейся не менее чем на порядок, на объем среды приводит к возникновению интенсивной кавитации и способствует интенсификации процессов эмульгирования, диспергирования и других технологических процессов (RU 1674942, МКИ B01F 7/28, 1991 г.). Таким образом, если количество каналов в роторе на порядок больше количества каналов в насадке, то в данном устройстве одновременно реализуются эти способы.

На первой стадии обработки среда подвергается звуковому воздействию с меньшей частотой, чем на окончательной, проходящей в перекрывающихся каналах ротора и статора. При этом среда, находящаяся в полости ротора, подвергается одновременному воздействию звуковых колебаний, отличающихся по частоте не менее чем на порядок.

Дополнительным способом, увеличивающим эффективность эмульгирования, смешивания, гомогенизации и других химико-технологических процессов, является выполнение сужающихся-расширяющихся каналов в насадке в виде трубы Вентури. При определенной скорости течения среды в суженной части канала давление в жидкости понижается до значения, при котором начинают рост всегда имеющиеся в среде зародыши кавитации. Они выносятся в расширяющуюся часть, где повышается давление, и охлопываются, т.е. в каналах возникает гидродинамическая кавитация. При достижении критической скорости потока среды кавитационная область может занимать весь объем расширяющейся части канала. Возникающая гидродинамическая кавитация способствует интенсификации обработки на предварительной стадии.

Большое значение для процесса возникновения и развития акустической кавитации имеет величина зазора между торцами насадка и стержней, установленных в полости ротора. Однако изменение величины зазора оказывает двоякое действие. При уменьшении зазора интенсивность кавитации резко возрастает и, следовательно, возрастает эффективность проводимых процессов. С другой стороны, при этом также возрастают потери мощности в зазоре, которые ему обратно пропорциональны, т.е. растет энергопотребление устройством. Это не существенно при низких вязкостях обрабатываемой среды, например, когда в процессе эмульгирования дисперсионной средой является вода. При обработке сред с высокой вязкостью потери мощности в зазоре могут достигать высоких значений, поэтому необходимо увеличивать осевой зазор.

В предлагаемом устройстве изменение величины зазора легко осуществляется возвратно-поступательным перемещением насадка, расположенным во входном патрубке. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет обрабатывать среды с коэффициентом динамической вязкости (10^-6…10^-4) м²/с. Для обрабатываемой среды с малой вязкостью, например, спиртобензиновой смеси, рекомендуется зазор в интервале 0,01…0,05 мм, в зависимости от точности, достигаемой при изготовлении устройства. В случае использования жидкостей с высокой вязкостью могут использоваться зазоры δ, достигающие величины 3 мм. В этом случае модулятор предварительной обработки практически перестает генерировать звуковые колебания, а ротор со стержнями работает как классический дезинтегратор. Но и в этом случае предлагаемая конструкция повышает эффективность обработки на предварительной стадии.

Следует отметить, что согласно закону Ньютона для внутреннего трения, сила трения пропорциональна площади контакта. Площадь контакта в заявляемой конструкции значительно меньше, чем в классическом аксиальном аппарате, т.е. сумма площадей торцев стержней меньше площади торца насадка (без площади отверстий). Таким образом, в нашем случае потери на трение в осевом зазоре всегда меньше, чем в классическом аксиальном роторном аппарате, состоящем из неподвижных и вращающихся дисков с отверстиями.

Для подтверждения эффективности предлагаемого устройства при обработке жидкой среды проведены экспериментальные исследования по диспергированию минерального масла в водопроводной воде для получения 5% эмульсии. Пробы отбирались после четырехкратного прохождения среды через устройство. Эффективность процесса характеризовалась среднеарифметическим (d_ср) и максимальным (d_max) диаметрами частиц масла. Приведены некоторые результаты.

1. В первой серии экспериментов количество каналов в роторе 40, в насадке 4 (оси каналов параллельны оси насадка)

№ п/п	δ, мм	dcр, мкм	dmах, мкм
базовый	предлагаемый	базовый	предлагаемый
1	0,07	1	1,4	3,5	4,1
2	0,1	1,9	2,4	4	4,6
3	0,15	3	3,5	4,2	4,9
4	0,2	3,3	3.8	4,4	5,2
5	0,5	4	4,7	5,2	6,1

2. Во второй серии экспериментов количество каналов в роторе 10, в насадке 4 (оси каналов параллельны оси насадка)

№ п/п	δ, мм	dср, мкм	dmах, мкм
базовый	предлагаемый	базовый	предлагаемый
1	0,07	1,4	1,8	3,7	4,2
2	0,1	3	3,6	4,2	4,9
3	0,15	3,5	4,1	4,5	5,1
4	0,2	3,8	4,6	4,8	5.8
5	0,5	4,7	5,5	5,4	6,7

Полученные результаты показывают, что предложенное конструктивное решение повышает эффективность работы аппарата. Качество эмульсии повышается на (15…30%).

В аппарате осуществляется комплексное воздействие на обрабатываемую среду: кавитационное в каналах насадка, акустическое и механическое ударное в осевом зазоре - на предварительной стадии обработки; кавитационное, акустическое и гидромеханическое в радиальном зазоре, каналах ротора, статора и камере озвучивания - на окончательной стадии обработки.

1. Устройство для физико-химической обработки жидкой среды, содержащее корпус с патрубками входа и выхода среды, концентрично установленные в нем ротор и статор, с каналами в боковых стенках цилиндров, камеру озвучивания, привод, отличающееся тем, что во входном патрубке установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения насадок, в котором по одной или нескольким концентричным окружностям выполнены цилиндрические или сужающиеся-расширяющиеся каналы типа трубы Вентури, ось которых параллельна оси насадка или наклонена таким образом, что их входные и выходные отверстия находятся по окружности одного диаметра, при этом выход канала смещен по дуге окружности навстречу направлению вращения ротора относительно проекции входа канала на противоположный торец насадка не более чем на 1/4 длины окружности соответствующего диаметра и угол α между осью канала и линией, параллельной оси насадка, определяется из выражения

где h - длина насадка, м;
а - расстояние между центром выхода канала и проекцией центра входа канала на противоположный торец насадка, м, а на внутренней торцовой поверхности ротора напротив выхода каждого канала насадка находится цилиндрический стержень, при этом площадь его торца полностью перекрывает площадь выходного отверстия канала насадка.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечное сечение стержней может иметь любую форму.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество каналов в роторе больше количества каналов в насадке не менее чем на порядок.

4. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что осевой зазор δ мм регулируется в пределах 0,01≤δ≤3.