Аппарат для перемешивания
Владельцы патента RU 2508936:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный технологический университет" (СибГТУ) (RU)
Изобретение относится к технологическим процессам, а именно к аппаратам для перемешивания, смешивания, хранения различных жидких сред с помощью механических перемешивающих устройств в неподвижных резервуарах, и может быть использовано в пищевой, химической, биологической, микробиологической (при глубинном культивировании микроорганизмов в суспензионных культурах), медицинской и других отраслях промышленности, а также в исследовательской практике. Аппарат вращения включает ротор геликоидального типа, полученный путем вращения кривой линии вокруг неподвижной вертикальной оси. Кривая представляет собой ветвь параболы, описываемая уравнением вида y=ax2+bx-c. На ротор навиваются лопасти, построенные как поверхности косого геликоида с переменным шагом и расположенные относительно друг друга со смещением на один и тот же радиальный угол γ, формируя таким образом межлопастной канал. Лопасти выполнены в виде диффузорных желобов, расширяющихся сверху вниз и закрученных на угол θ от 90 до 270 градусов. Кроме того, лопасть загнута в сторону рабочей области межлопастного канала от исходного положения, определяемая как перпендикуляр в плоскости сечения ротора геликоидального типа, проведенного к касательной в точке пересечения образующей ротора и кривой линии закрутки лопасти до угла α, равного 45 градусам. Изобретение позволяет увеличить массоперенос в меридиональной плоскости вдоль оси вращения ротора геликоидального типа и повысить интенсификацию процесса перемешивания. Обеспечивается более равномерное распределение перемешиваемой фазы в рабочем объеме аппарата, повышение качества готовой продукции и снижение затрат электроэнергии на единицу выпускаемой продукции. 1 табл., 8 ил.
Изобретение относится к технологическим процессам, а именно к аппаратам для перемешивания, смешивания, хранения различных жидких сред с помощью механических перемешивающих устройств в неподвижных резервуарах, и может быть использовано в пищевой, химической, биологической, микробиологической (при культивировании микроорганизмов), медицинской и других отраслях промышленности, а также в исследовательской практике.
Известен аппарат для культивирования микроорганизмов (SU 17422316, МПК С12М 1/02, опубл. 30.06.1992), в котором устройство для перемешивания среды выполнено в виде упругих цилиндрических сильфонов, соответствующих высоте циркуляционной обечайки, а их гофрированная поверхность выполнена по винтовой линии.
Данный рабочий орган несмотря на сравнительно сложную конструкцию все же не позволяет получить достаточную гомогенность твердой и газообразной фаз в основной жидкой среде в процессе эксплуатации аппарата, так как отсутствует полное перемешивание из-за наличия застойных зон. Кроме этого представленная конструкция аппарата с перемешивающим органом в процессе работы приводит к созданию условий, способствующих, ввиду наличия многоконтактных областей суспензии и элементов конструкции, разрушению с умерщвлением мицелия, что является закономерным результатом отсутствия «щадящего» технологического режима культивирования микроорганизмов.
Известен аппарат для культивирования клеток животного или растительного происхождения (SU 1025726, МПК С13М 3/00, опубл. 30.06.1983), в котором в качестве рабочего устройства для перемешивания культуральной суспензионной жидкости используется устройство в виде неподвижно установленного днищем вверх стакана с вертикальными прорезями в боковой стенке и конусообразными отверстиям в днище.
Конструкция данного устройства для культивирования клеток животного или растительного происхождения призвана обеспечить эффективность течения процесса фильтрации посредством предотвращения забивания клетками фильтрующих стенок камеры для отвода отработанной культуральной жидкости.
Что же касается непосредственно течения самого биологического процесса культивирования клеток животного или растительного происхождения, то представленная конструкция перемешивающего устройства не может быть эффективно использована для выращивания мицелиальных форм микроорганизмов.
В этом аппарате многократное воздействие перемешивающего устройства, выполненного в виде неподвижно установленного днищем вверх стакана с вертикальными прорезями в боковой стенке и конусообразными отверстиями в днище, является причиной, с одной стороны, порождения прогрессирующего процесса разрушения мицелия, а с другой - резкого падения эффективности процесса перемешивания культуральной жидкости и, как следствие, изменения производительности в сторону ее уменьшения.
Известен аппарат для глубинного культивирования микроорганизмов, применяемый в микробиологических производствах (RU №2018528 С1, МПК С12М 1/02, опубл. 30.08.1994). Данный аппарат содержит емкость с рубашкой обогрева, кольцевой барботер, приводную мешалку и группы отбойников. В качестве приводного перемешивающего устройства используют турбинные мешалки открытого типа.
Конструкция данного аппарата для глубинного культивирования обладает упрощенной технологией сборки и возможностью регулировки интенсивности массообменных процессов в субстрате. Что же касается использования такого перемешивающего устройства для «мягкого» культивирования микроорганизмов, то данный рабочий орган не обеспечивает значительный выход живого целевого продукта, в силу разрушения мицелиальных форм.
Известен аппарат для химических и тех отраслей промышленности, где по условиям производства необходима интенсивная гомогенизация суспензии (RU №2166359 С2, МПК B01F 7/16, опубл. 10.05.2001). Устройство состоит из цилиндрического корпуса, вала с приводом, импеллеров, расположенных на валу, вогнутых коробов с входными и выходными отверстиями, расположенных на концах лопастей импеллеров, и выпуклых коробов, установленных на концах лопастей нижнего импеллера, выходные отверстия которых ориентированы вниз.
Заявляемая конструкция обеспечивает уменьшение энергетических и эксплуатационных затрат за счет использования энергии затопленных струй, формируемых перемешивающими устройствами, однако такая конструкция не дает возможность регулировки интенсивности массообменных процессов за счет отсутствия управления потоком суспензионной жидкости. Данная конструкция не создает направленной струи в осевом направлении и поэтому не может использоваться для эффективного перемешивания.
Известно перемешивающее устройство, которое относится к устройствам для смешивания различных сред, в частности к вращающимся в неподвижных резервуарах рабочим органам смесителей трехфазных смесей (RU №2339439 С1, МПК B01F 7/18, опубл. 27.11.2008). Рабочий орган содержит втулку с установленными на равном расстоянии от ее торцов и закрепленными на ней двумя жесткими дисками, входящими в прорези крестообразно расположенных несущих фигурных лопаток и служащими для фиксации их в вертикальной плоскости. Для повышения жесткости наружные торцы несущих фигурных лопаток соединены между собой наружными бандажными кольцами, при этом несущие фигурные лопатки неподвижно закреплены на втулке и имеют симметрично расположенные посадочные площадки, на которых закреплены внутренние бандажные кольца. В месте расположения среднего наружного бандажного кольца несущие фигурные лопатки соединены неподвижно бандажными дугами, между внутренними и наружными бандажными кольцами и бандажными дугами закреплены радиальные лопатки прямоугольной формы.
Данное перемешивающее устройство призвано обеспечить интенсификацию процесса перемешивания, однако такая конструкция не применима в многофункциональных процессах с целью получения продуктов различного назначения, к тому же в этом аппарате возникают застойные зоны в силу отсутствия регулируемого гидродинамического замыкания в меридиональной плоскости циркуляционной петли движения потока жидкости. Вследствие этого значительно снижается производительность перемешивающего устройства.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является аппарат для выращивания мицелиальных форм микроорганизмов непрерывного действия для перемешивания (RU №2453589 С1, МПК С12М 1/06, опубл. 20.06.2012), включающий перемешивающее устройство в виде ротора шнекового типа с приводом, корпус, выполненный из двух частей, причем нижняя часть представляет параболоид вращения вида х2=2Ру, сопрягаемый с дугообразной верхней частью корпуса, крышку, технологические патрубки для загрузки исходных компонентов и отвода готового продукта, направляющие планки, имеющие возможность изменять свою профилирующую форму путем их изгиба по длине в вертикальной плоскости и направляющий аппарат в верхней части с лопатками, расположенными диаметрально противоположно под углом от 15 до 20 градусов к вертикальной плоскости и под углом от 70 до 75 градусов к горизонтальной плоскости.
Недостатком данной конструкции является невозможность управлять гидродинамической картиной в рабочей полости аппарата и оказывать влияние на интенсивность перемешивания, что приводит к недостаточной гомогенности приготовляемой продукции в полости аппарата.
В основу изобретения положена задача улучшения качества готового продукта, повышения степени перемешивания многофазных систем, обеспечения диспергирования крупных фракций, эмульгирования разнородных жидкостей, гомогенизации смесей и снижения затрат электроэнергии путем создания аппарата с перемешивающим устройством в виде ротора геликоидального типа, способным значительно снизить непроизводительные энергетические потери, благодаря уменьшению сил трения за счет исключения или существенного снижения эффекта отрывности потока с перемешивающего устройства и корпуса аппарата.
Технический результат заключается в повышении качества готового продукта при минимальной частоте вращения ротора и в повышении КПД за счет снижения затрат электроэнергии на единицу выпускаемой продукции. Это связано с тем, что происходит безотрывное течение жидкости, обеспечивая «мягкое», тонкое перемешивание суспензии как в области ротора, так и за ротором, позволяющего получать продукт с большим процентным выходом.
С помощью ротора геликоидального типа в аппарате создается управляемая гидродинамическая картина движения потоков жидкости, тем самым появляется возможность регулировки интенсивности массообменных процессов. Увеличивается массоперенос в меридиональной плоскости вдоль оси вращения ротора геликоидального типа и повышается интенсификация процесса перемешивания. Образуется горообразный вихревой поток за счет увеличения доли осевой составляющей в меридианной плоскости и плавного перехода меридианной составляющей скорости при входе к ее величине при выходе, что повышает транспортирующую способность рабочей поверхности ротора геликоидального типа и обеспечивает более равномерное распределение перемешиваемой фазы в рабочем объеме аппарата.
При этом конструкция аппарата позволяет повысить степень перемешивания многофазных систем за счет мультиперемешивания при минимальной частоте вращения ротора, обеспечить диспергирование крупных фракций, эмульгирование разнородных жидкостей, улучшить гомогенизацию смесей и сократить время изготовления растворов, что в целом обеспечивает улучшение качества готового продукта и снижает затраты электроэнергии на его получение.
Указанный технический результат достигается тем, что аппарат для перемешивания, включающий корпус, выполненный из двух частей, причем нижняя часть представляет параболоид вращения вида х2=2Ру, сопрягаемый с дугообразной верхней частью корпуса, технологические патрубки для загрузки исходных компонентов и отвода готового продукта, направляющие планки, установленные с возможностью изменения профилирующей формы путем их изгиба по длине в вертикальной плоскости, направляющий аппарат в верхней части и перемешивающее устройство в виде ротора, согласно изобретению в качестве перемешивающего устройства используется ротор геликоидального типа, полученный путем вращения кривой, описываемой уравнением y=ax2+bx-c, вокруг неподвижной вертикальной оси, на него навиты лопасти, смещенные относительно друг друга на один и тот же радиальный угол γ с образованием межлопастных каналов, при этом угол закрутки лопасти равен 90-270 градусов, а сама лопасть загнута в сторону рабочей области межлопастного канала от исходного положения, определяемая как перпендикуляр в плоскости сечения ротора геликоидального типа, проведенного к касательной в точке пересечения образующей ротора и кривой линии закрутки лопасти до угла α, равного 45 градусам.
На фиг.1 изображен аппарат для перемешивания с перемешивающим устройством в виде ротора геликоидального типа; на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1; на фиг.3 - фронтальный вид ротора геликоидального типа с тремя лопастями; на фиг.4 - изометрия ротора геликоидального типа (фото); на фиг.5, фиг.6, фиг.7 - роторы геликоидального типа с углом закрутки лопастей, равным 90, 180 и 270 градусов соответственно; на фиг.8 - построение линии закрутки трехлопастного ротора геликоидального типа.
Аппарат для перемешивания имеет корпус 1, в котором в нижней его части по оси установлен ротор геликоидального типа 2. Ротор 2 крепится на вертикальном валу 3, который с помощью ременной передачи через шкив 4 приводится в движение от электродвигателя постоянного тока (на чертеже не указано). Крепление вертикального вала 3 выполнено в подшипниковом узле 5.
Для отвода полученной в аппарате суспензии имеется патрубок 6. Сверху корпус снабжен крышкой 7 для загрузки исходных компонентов, на которой установлены технологические патрубки 8 (подача жидкости, кислорода, питательной среды).
Корпус аппарата 1 в нижней части представляет параболоид вращения вида x2=2Pу, сопрягаемый с дугообразной верхней частью корпуса. Внутри к рабочей поверхности аппарата прикреплены направляющие планки 9, имеющие возможность изменять свою профилирующую форму путем их изгиба по длине в вертикальной плоскости. В верхней части корпуса находится направляющий аппарат 10, состоящий из диаметрально противоположно расположенных направляющих лопаток. Лопасти 11 ротора геликоидального типа 2 выполнены в виде диффузорных желобов, расширяющихся сверху вниз и закрученных на угол θ от 90 до 270 градусов (фиг.5, фиг.6, фиг.7).
Ротор 2 получен путем вращения кривой линии вокруг неподвижной вертикальной оси. Кривая представляет собой ветвь параболы, описываемая уравнением вида y=ax2+bx-c. На ротор 2 навиваются лопасти 11, построенные как поверхности косого геликоида с переменным шагом. Лопасти 11 расположены относительно друг друга со смещением на один и тот же радиальный угол γ, формируя таким образом межлопастной канал 12 (фиг.5, фиг.6, фиг.7). Если на роторе установлено три лопасти 9, тогда угол γ равен 120 градусам, если четыре лопасти - то 90 градусов; если шесть лопастей - то 60 градусов.
Лопасть 11 загнута в сторону рабочей области межлопастного канала 12 от исходного положения, определяемая как перпендикуляр в плоскости сечения ротора геликоидального типа 2, проведенного к касательной в точке пересечения образующей ротора 2 и кривой линии закрутки лопасти 13 до угла α, равного 45 градусам (фиг.8).
Построение ротора геликоидального типа должно быть осуществлено так, чтобы создать более благоприятные условия для безотрывного обтекания контура лопасти потоком.
Аппарат для перемешивания работает следующим образом.
В корпус аппарата 1 через предварительно открытую крышку 7 или технологические патрубки 8 подаются исходные компоненты. Затем производится включение электродвигателя постоянного тока и посредством ременной передачи через шкив 4 приводится во вращение вертикальный вал 3 с ротором геликоидального типа 2.
Поток суспензии за счет создаваемого вращением рабочим органом засасывающего эффекта поступает на ротор геликоидального типа 2, распределяясь по межлопастным каналам 12. При движении в зоне лопасти 11 образуется горообразный вихревой поток жидкости, влияющий на появление микротурбулентностей в потоке, что сказывается на интенсивности перемешивания.
Форма лопасти 11 строится таким образом, что позволяет сориентировать в пространстве поток жидкости и сообщить потоку энергию для увеличения скорости движения на величину AW, необходимую для преодоления сопротивления по траектории движения потока.
Потоки суспензии, выходящие с ротора геликоидального типа 2, формируются в нижней части корпуса 1, выполненной по параболической кривой. Дальнейшее движение суспензии определяется воздействием дугообразной верхней части корпуса 1. Организованный таким образом поток жидкости динамически корректируется по направлению и скорости с помощью изменения профилирующей формы направляющих планок 9 в рабочей части, направляющего аппарата 10, расположенного в верхней части корпуса, изменения частоты вращения и конструкции ротора геликоидального типа 2.
В зависимости от гидродинамической картины движения потока жидкости устанавливается качество получаемого продукта. Готовый продукт отводят через патрубок 6.
Как известно (Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками [Текст] / Ф.Стренк; пер. с польск. под ред. И.А.Щупляка. - Л.: Химия, 1975. - 384 с.), на качество перемешивания важное влияние оказывает соотношение окружных и радиально-осевых скоростей. Так, например, при преобладании окружной составляющей абсолютной скорости качество перемешивания снижается из-за уменьшения степени циркуляции потока жидкости в рабочей полости аппарата. При преобладании же радиально-осевой составляющей, наоборот, качество перемешивания улучшается с повышением степени циркуляции.
Для определения эффективности работы ротора геликоидального типа было проведено сравнение с лопастной мешалкой на основе результатов гидродинамических исследований движения жидкости в рабочей полости перемешивающего аппарата. В качестве примера исследования проводились с ротором геликоидального типа с углом закрутки линии лопасти, равным 90 градусам (см. Таблицу 1).
| Таблица 1 | ||
| Значения окружных и радиально-осевых составляющих абсолютной скорости движения потоков жидкости | ||
| Окружная скорость, м/с | ||
| Частота вращения перемешивающего органа, об/мин | Лопастная мешалка | Ротор геликоидального типа |
| 100 | 0,471 | 0,538 |
| 300 | 0,716 | 0,605 |
| 500 | 1,066 | 0,375 |
| Радиально-осевая скорость, м/с | ||
| 100 | 0,324 | 0,566 |
| 300 | 0,384 | 0,906 |
| 500 | 0,494 | 1,002 |
Анализ таблицы позволяет судить о том, что применение ротора геликоидального типа в перемешивающих аппаратах обладает преимуществом по сравнению с лопастной мешалкой, так как создает интенсивное перемешивание жидкости за счет преобладания радиально-осевой составляющей над окружной составляющей абсолютной скорости.
При использовании роторов с углом закрутки линии лопасти меньше 90 градусов происходит снижение интенсивности перемешивания вследствие расширения межлопастного пространства, что приводит к срыву потока с лопастей ротора геликоидального типа. При применении же ротора с углом закрутки больше 270 градусов межлопастной канал становится меньше, и при засасывании жидкости ротором происходит его «захлебывание», сопротивление повышается, КПД ротора падает и, как следствие, производительность перемешивающего аппарата снижается.
Аппарат для перемешивания, включающий корпус, выполненный из двух частей, причем нижняя часть представляет параболоид вращения вида х2=2Ру, сопрягаемый с дугообразной верхней частью корпуса, технологические патрубки для загрузки исходных компонентов и отвода готового продукта, направляющие планки, установленные с возможностью изменения профилирующей формы путем их изгиба по длине в вертикальной плоскости, направляющий аппарат в верхней части и перемешивающее устройство в виде ротора, отличающийся тем, что ротор выполнен геликоидального типа, полученный путем вращения кривой, описываемой уравнением y=ax2+bx-c, вокруг неподвижной вертикальной оси, на него навиты лопасти, смещенные относительно друг друга на один и тот же радиальный угол γ с образованием межлопастных каналов, при этом угол закрутки лопасти равен 90-270 градусов, а сама лопасть загнута в сторону рабочей области межлопастного канала от исходного положения, определяемая как перпендикуляр в плоскости сечения ротора геликоидального типа, проведенного к касательной в точке пересечения образующей ротора и кривой линии закрутки лопасти до угла α, равного 45 градусам.
