RU1790990C - Роторно-пульсационный аппарат - Google Patents

Abstract

Использование: производство кинофотоматериалов при проведении процессов перемешивани , диспергировани , гомогенизации , растворени  в жидкотекучих средах . Сущность изобретени : устройство содержит корпус с коаксиальными цилиндрами статора и ротора в виде набора цилиндрических элементов. При этом каждый элемент снабжен проточными каналами, образующими в наборе каналы ступенчатого профил . Кроме того, стенки проточных каналов одного или нескольких цилиндрических элементов с одной или с двух сторон могут быть выполнены с уступами. 4 з. п. ф-лы, 11 ил.

Description

Изобретение относитс  к области смесительной техники и может быть использовано в химической, фармацевтической и пищевой промышленности дл  проведени  процессов смешени , растворени , измельчени , диспергировани , гомогенизации в жидкотекучих средах и, в частности, при производстве кинофотоматериалов.

Известно устройство, которое содержит ротор, установленный на валу, выполненный в виде диска с размещенными на его торце коаксиальными цилиндрами с проточными каналами и радиальными лопатками . Ротор установлен в статоре, и вместе они размещены в корпусе аппарата. На статоре установлены коаксиальные цилиндры с проточными каналами. Корпус аппарата имеет входные и выходные патрубки. Устройство работает следующим образом. Через входной патрубок обрабатываема 

жидкотекуча  среда поступает в корпус устройства . За счет центробежных сил, создаваемых вращающимс  ротором, жидкость движетс  в радиальном направлении. Проход  последовательно через ступени ротор- статор жидка  композици  подвергаетс  механическому воздействию со стороны элементов конструкции аппарата: лопаток ротора, зубьев ротора и статора, образованных боковыми поверхност ми и прорез ми коаксиальных цилиндров ротора и статора, боковыми поверхност ми коаксиальных цилиндров ротора и статора. Эти воздействи  привод т к перемешиванию, растворению, измельчению, диспергирование, гомогенизации . Недостатком устройства  вл етс  низка  эффективность протекани  процесса перемешивани , измельчени , диспергировани , растворени  в гладких проточных каналах ротора и статора, предXI

Ю О

о чэ о

ставл ющих собой прорези в соответствующих коаксиальных цилиндрах ротора и статора . Это приводит к тому, что жидкотекуча  среда двига сь вдоль этих каналов, не подвергаетс  со стороны стенок этих каналов интенсивным воздействием, такие гладкие каналы снижают эффективность устройства в целом в части перемешивани , растворени ,диспергировани ,гомогенизации.

Известно устройство, которое содержит ротор, установленный на валу, выполненный в виде диска с размещенными на его торце коаксиальными цилиндрами с проточными каналами и радиальными лопатками и статор с установленным в нем коаксиальными цилиндрами с проточными каналами и лопатками, установленными в статоре посредством двух выступов. Лопатки имеют волнистую, поверхность в поперечном направлении проточных каналов, образованных этими лопатками. Статор с ротором установлены в корпусе, который имеет входные и выходные отверсти  дл  подвода и отвода обрабатываемой жидкотекучей среды.

Устройство работает следующим образом .

Через входное отверстие в аппарат поступает жидкотекуча  среда. Под действием центробежных сил, создаваемых вращающимс  ротором жидкость движетс  в аппа- рате.врадиальном,направлении. На жидкую среду воздействуют вышеуказанные элементы конструкции аппарата. В результате этого воздействи  в жидкотекучей среде происход т процессы смешени , растворени , измельчени , диспергировани , гомогенизации . Двига сь в проточных каналах, образованных лопатками статора, которые имеют волнистую поверхность, жидкотекуча  среда, огиба  их плавный контур, турбу- лизируетс . Это интенсифицирует процессы перемешивани , растворени  и т. д. В сравнении с вышеуказанными устройствами это устройство имеет преймуицест- во, которое заключаетс  в том|; что волнистые стенки проточных каналов увеличивают степень турбулентности поток жиД- кости, движущейс  в них, благодар  увеличиваетс  длина смешени , что- положительно сказываетс  на интенсификации процессов смешени  (перемешивани ), диспергировани , измельчени , растворени , гомогенизации в жидкотекучей среде. Недостатком этого устройства  вл етс  то, что волниста  поверхность образует плавный обвод проточных каналов. Это не позвол ет получить на плавных обводах  рковыраженные отрывные течени , которые  вл ютс  генератором акустических,

вихревых процессов в жидкой среде. Таким образом, в данном устройстве не в полной мере удаетс  использовать энергию движущейс  жидкотекучей среды дл  интенсификации процессов перемешивани , растворени , диспергировани , измельчени , гомогенизации, протекающих в проточных каналах аппарата.

Известно устройство, вз тое за прото0 тип. Оно содержит ротор, установленный на валу и выполненный в виде диска с установленными на его торцах радиальными лопатками , коаксиальными цилиндрами с проточными каналами и статор с размещен5 ными в нем коаксиальными цилиндрами с проточными каналами. Ротор расположен в статоре, а вместе они наход тс  в корпусе в котором выполнены входные и выходные окна, Устройство работает следующим об0 разом. При вращении ротора во входные окна засасываетс  обрабатываема  жидко- текуча  среда, котора  под действием центробежных сил, создаваемых ротором, движетс  в радиальном направлении. На

5 обрабатываемую среду действуют вышеуказанные элементы конструкции аппарата. В результате этого действи  в жидкотекучей среде протекают процессы перемешивани , растворени , измельчени ,

0 диспергировани  и гомогенизации. Недостатком этого устройства, как и устройства 1,  вл етс  то, что Двига сь в проточных каналах коаксиальных цилиндров жидкотекуча  среда не в полной мере использует

5 свою кинетическую энергию дл  интенсивного проведени  процессов перемешивани , растворени , измельчени , диспергировани , гомогенизации. Низка  эффективность проточных каналов ротора и

0 статора объ сн етс  тем, что их стенки выполнены гладкими и оказывают очень незначительное вли ние на турбулизацию потока, и как следствие этого, на обработку жидкотекучей среды в этих каналах.

5 Целью изобретени   вл етс  интенсификаци  процессов перемешивани , растворени , измельчени , диспергировани , гомогенизации в жидкотекучих средах. Эта цель достигаетс  за счет выполнени  коак0 спальных цилиндров в виде набора цилиндрических элементов, примыкающих друг к другу, при этом в каждом цилиндрическом элементе выполнены проточные каналы, образующие в наборе, за счет смещени  эле5 ментов относительно друг друга, каналы различного ступенчатого профил . Стенки проточных каналов одного из цилиндрических элементов с одной стороны могут быть выполнены по высоте с уступами. Кроме то- то, стенки проточных каналов нескольких

цилиндрических.элементов с одной стороны могут быть выполнены по высоте с уступами , смещенными друг относительно друга. Стенки пробочных каналов нескольких отсто щих друг от друга цилиндриче- 5 ских элементов за счет этих же промежуточных цилиндрических элементов , в которых уступы отсутствуют с одной стороны, могут быть выполнены с уступами по высоте, смещенными друг относительно 10 друга. Проточные каналы в каждом из цилиндрических элементов могут быть выполнены с уступами по высоте. Уступы на стенках каналов могут быть выполнены с двух сторон, 15

Выполнение коаксиальных цилиндров в виде набора цилиндрических элементов, примыкающих друг к другу, приводит к то- му, что, во-первых, каждый из этих цилиндрических элементов может быть выполнен 20 из различных материалов, поверхности которых могут быть обработаны различными способами (наготовка, наклеп, нормализа- ци  и т. д.), что.дает возможность в одном цилиндре иметь несколько цилиндрических 25 элементов, обладающих различными модулем упругости, различной жесткостью. Это, в свою очередь, приводит к тому, что каждый цилиндрический элемент обладает своей собственной резонансной частотой 30 вибраций. А так как часть этих цилиндрических элементов, близко расположенна  к прорез м, выполненным в них. образует канал ступенчатого профил , то в проточном канале создаетс  акустическое поле с широ- 35 ким спектром излучаемых в него частот. Цилиндрические элементы располагаютс  друг относительно друга так, что возможны их не зависимые друг от друга колебани  (условно не учитываетс  возможность пере- 40 дачи вибрации через обрабатываемую жид- отекучую среду) или так, что при колебани х один цилиндрический элемент соприкасаетс  с двум  соседними цилиндрическим элементами, Так происходит в первом слу- 45 чае, во втором же случае при соударении цилиндрических элементов обрабатываема  жидкотекуча  среда находитс  в области гидравлических ударов и подвергаетс  их воздействию, что, в свою очередь, интен- 50 сифицирует процессы диспергировани , измельчени , перемешивани , растворени , гомогенизации. Во-вторых, выполнение коаксиальных цилиндров в виде набора цилиндрических элементов позвол ет 55 выбрать любое сочетание профил  ступен- ; чатого канала, подобрать в процессе эксплуатации оптимальное взаимное расположение уступов, выполненных в проточных ступенчатых каналах, подобрать их

вылет в проточные каналы, т. е. имеетс  возможность подбора и изменени  сечени  (профил ) выступа установленного в ступенчатом канале. Реальные процессы, протекающие в роторно-пульсационных аппаратах, представл ют соВой Очень сложные, неоднозначно св занные между собой  влени , не поддающиес  даже очень приближенным методам расчета, поэтому рассчитать заранее форму и профиль ступенчатых каналов в насто щее врем  невозможно, т. к. кроме самого устройства существенное вли ние на его работу оказывает и обрабатываема  среда, котора  мен ет свои свойства в процессе ее обработки, В этой св зи окончательна  настройка устройства, благодар  наличию в нем цилиндрических элементов, производитс  путем перемещени  (поворота ) этих элементов друг относительно друга, что позвол ет максимально интенсифицировать процесс диспергировани , измельчени , растворени , гомогенизации обрабатываемой жидкотекучей среды в предлагаемом устройстве. Смещение про-. точных каналов относительно друг друга так, что проточные каналы в коаксиальных цилиндрах приобретают ступенчатый профиль с острыми кромками приводит к тому, что жидкотекуча  среда двига сь вдоль стенок этих каналов подвергаетс  интенсивному воздействию, благодар  резкому возрастанию турбулентности, возникновению открывных вихревых течений на ос- трых кромках уступов. В ней интенсивно протекают процессы смешени , растворени  и т. д. Острые кромки ступенчатых стенок канала генерируют в движущейс  жидкости акустические процессы различной частоты и интенсивности, кроме того, в жидкости из-за обтекани  острых кромок возникают вихревые течени , способствующие более интенсивному перемеигиванию, растворению, измельчение, диспергировани , гомогенизации. Эти возмущени , вызванные ступенчатым профилем стенки канала, увеличива  поперечный градиент скорости, привод т к увеличению длины смешени , к интенсификации как макро-, так и микросмешенм  в жидкотекучей среде. Интенсификаци  происход щих в. проточных каналах процессов за счет более полного использовани  дл  этой цели кинетической энергии потока движущейс  жидкости позвол ет увеличить степень (интенсивность ) обработки жидкости в аппарате .

Выполнение стенок проточных каналов одного из цилиндрических элементов с од- . ной или с двух сторон с уступами по высоте позвол ет еще в большей степени турбулизировать поток жидкости движущейс  в проточных каналах коаксиальных цилиндров . Повышение турбулентности потока приводит к интенсификации процессов протекающих в жидкой среде. Кроме того, усту- пы как введенные в поток жидкости, движущейс  с большей скоростью, из-за неустановившихс  отрывных течений за ними совершают колебательные движени , так же генериру  в жидкости акустические процессы . Это, в свою очередь, приводит к ещё большей интенсификации перемешивани , растворени , измельчени , диспергирова- ни , гомогенизации в гетерогенных системах типа эмульсий;; суспензии, трудно растворимых друг в друге жидкост х.

Выполнение нескольких стенок прорезей цилиндрических элементов с уступами выполненнЬ1ми по высоте с одной или с двух сторон, а также выполнение уступов в прр- рез х цилиндрических элементов, отсто щих друг от друга за счет этих же промежуточных цилиндрических элементов , в которых уступы отсутствуют, с одной или двух сторон прорезей позвол ет интенсифицировать процессы, происход щие в гетерогенных жйдкртекучих средах, обрабатываемых в аппарате, за счет еще большей турбулизации потока, создани  отрывных. течений, акустических  влений, высокоградиентных вихревых течений во всем объеме обрабатываемой среды. Формирование каналов с различным расположением уступов позвол ет получать различное обтекание в различных по высоте местах проточных каналов с различной интерференцией процессов , что в определенном сочетании дает положительные результаты при проведений обработки различных жидк отекучих сред в аппарате, ... ,...... . . ....

Сравнительный анализ предлагаемого изобретени  с известными позвол ет сделать вывод 0 новизне и существенных отличи х предлагаемого решени . .

Эти суще стйённые отличи  позвол ют получить в качестве технического преимущества предлагаемого аппарата по .сравнению с известными устройствами - повышение интенсивности обработки гетерогенных жидкотекучих сред за счет увеличени  степени турбулентности, создани  вихревых течений за счет акустических  влений в жидкости при ее движений в ступенчатых проточных каналах коаксиальных цилиндров,

На фиг, 1 изображен аппарат в продольном разрезе; на фиг. 2 -- сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - узел I на фиг. 2 в увеличенном масштабе, наклон ступенчатого канала в сторону, противоположную

вращению ротора; на фиг. 4 - то же, что на фиг. 3, но ступенчатый канал имеет наклон в сторону вращени  ротора; на фиг. 5 - узел II статора в увеличенном масштабе, на стенках прорезей выполнены уступы; на фиг. 6- сечение Б-Б на фиг. 5; на фиг. 7 - сечение В-В на фиг, 5; на фиг. 8 - сечение Г-Г на фиг. 5; на фиг. 9 - сечение Д-Д на фиг. 5; на фиг.

10 - сечение Е-Е на фиг. 5; на фиг. 11 сечение Е-Е с двухсторонним расположением уступов в прорези. .

На фигурах стрелкой и литерой у обозначено направление вращени  ротора, стрелкой и литерой W показан вектор абсолютной скорости потока жидкотекучей обрабатываемой среды при входе в ступёнтчатый канал, литерой д обозначены зоны отрывных течений в ступенчатых каналах , литерой b обозначены острые кромки

ступенчатого канала.

Устройство содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, g корпусе 1 размещен статор 4, в котором установлены коаксиальные цилиндры 5, выполненные а виде набора цилиндрических элементов 6, в каждом из кртбрых выполнены проточные каналы 7 Цилиндрические элементы б образуют одно целое. Проточные каналы 7 в цилиндрйческих элементах 6 смещены друг относительно друга и образуют проточные каналы 8 ступенчатого профил . Проточные каналы 8 могут быть как радиальные, так и

наклонные к радиусу как в сторону вращени  ротбра, так и в сторону противоположную вращени  ротора (фиг. 3 и 4). В проточных каналах 8 с одной или с двух сторон выполнены уступы 9. Эти уступы могут быть выпблнёны как на одном цйлиндрическом элементе, с одной стороны, так и на нескольких элементах с одной или с двух сторон. Между двум  половинами статора расположен ротор 10, состо щий из диска 11, на торцах которого установлены радиальные лопатки 12 и коаксиальные цилиндры 13, состо щие из цилиндрических элементов 14, в каждом из которых выполнены проточные каналы 15, Проточные каналы 15 каждого из элементов 14 смещены

друг относительно друга и образуют проточные каналы 16 коаксиальных цилиндров 13 со ступенчатыми стенками. Кроме того, в каналах 16 на различных цилиндрических элементах 14 выполнены уступы 17, как и на

статор в различных вариантах (фиг. 6-11). Ротор 10 установлен на валу 20 привода (на фиг. 1 не показан). В статоре 4 выполнен коаксиальный цилиндр 18 с гладкими прорез ми 10.

Устройство работает следующим образом .

Привод приводит во вращение вал 1.8 с установленными на нем диском 11 ротора 10. Радиальные лопатки 12 создают центробежные силы, благодар  которым жидкотекуча  среда поступает в корпус 1 аппарата через входной патрубок 2. В аппарате жидка  композици  движетс  в радиальном направлении; проход  последовательно через проточные каналы 8 и16 статора 4 и ротора 10. Жидкотекуча  среда, наход ща с  между коаксиальными цилиндрами 5 статора 4 и коаксиальными цилиндрами 13 ротора 10, подвергаетс  интенсивным сдвиговым усили м , которые вызывают в ней напр жени ,

привод щие к измельчению гетерогенной системы. Рассмотрим более подробно движение гетерогенной жидкотекучей среды в проточных каналах 8 и 16. Поскольку стенки этих каналов образованы проточными каналами (прорез ми) 7 цилиндрических элементов 6 статора 4 и проточными каналами (прорез ми) 15, выполненными в цилиндрических элементах 14 коаксиальных цилиндров 13 ротора 10, смещенными друг

относительно друга, то жидкость движетс  вдоль стенок, представл ющих собой стенки ступенчатого профил . При этом за счет обтекани  острых кромок каналов 15 и 7, в жидкости имеют место отрывные теч ени  6 с образованием множества вихревых течений . Поскольку эти течени  представл ют собой не установившиес  во времени и в пространстве случайные процессы, то они способствуют интенсивному перемешиванию в гетерогенных жидкотекучих системах . Кроме того, вихревые отрывные течени  генерируют в жидкотекучей среде акустические колебани  различной частоты и интенсивности (мощности). Акустические процессы, протекающие в жидкости, положительно сказываютс  на измельчение, перемешивание ,дисПергированйе. Различные интенсивность и частоты этих процессов создают наиболее благопри тные услови  дл  воздействи  на различные по величине, твердости и другим параметрам частицы, содержащиес  в гетерогенной среде. На крупные частицы острые кромки b проточных каналов оказывают непосредственное воздействие, производ т их разрушение . Выполнение ступенчатых каналов 8 статора 4, например, с наклоном в сторону противоположную вращению ротора 10 (фиг. 3) усиливает измельчающее действие крупных твердых частиц гетерогенной жидкости об острые кромки Ь стенки, на которую набегает поток этой жидкости. Выполнение этих каналов в сторону вращени  ротора (фиг. 4) приводит к тому, что вектор скорости жидкотекучей среды W истекающей из каналов ротора совпадает с направлением каналов 8 статора 4, и в этом 5 случае обе ступенчатые стенки этих каналов работают одинаково, создава  отрывные течени  в област х д , генериру  акустические колебани  в жидкотекучей среде. Такие каналы наиболее эффективны при

0 обработке эмульсий, когда жидкотекуча  среда представл ет собой наиболее гомогенную систему с большей однородностью жидких частиц фазы в жидкой среде и дробление частиц фазы происходит в каналах 8

5 благодар  воздействию двух ступенчатых стенок, образованных смещенными проточнымиканалами 7..Жидкотекуча  среда, обтека  уступы 9, установленные в каналах 8 статора 4, и ус0 тупы 17, установленные в каналах 16 ротора 10, в различных местах по высоте (фиг. 6 - 11) с. двух или с одной стороны этих проточных каналов, приводит эти уступы в колебательное движение. За уступами имеют

5 место отрывные течени  с развитой кавитацией , вихревыми потоками. Колеблющиес  уступы 9 и 17 оказывают воздействие на обтекающую их жидкотекучую среду. Это .воздействие способствует процессу дис0 пергировани , измельчени , перемешивани  в гетерогенной жидкотекучей среде. Размещение выступов в различных местах проточных каналов создает равные услови  по интенсивности, факторам воздействи 

5 на жидкотекучую среду в различных местах проточных каналов.

Техническим преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с известными  вл етс  увеличение степени

0 гомогенности жидкотекучих систем, сокращение времени растворени  труднорастворимых компонент друг в друге, уменьшение размеров частиц дисперсной фазы обрабатываемых с помощью этого устройства

5 эмульсий.

Экономический эффект от использовани  предлагаемого изобретени  заключаетс  в сокращении времени обработки жидкотекучих гетерогенных систем на 50 10%, уменьшении размера частиц на 5% по диаметру дисперсной фазы эмульсий и суспензий , в увеличении степени растворимости труднорастворимых,компонент друг в друге на 2-4%.

Claims (5)

1. Роторно-пульсационный аппарат дл  обработки жидкотекучих систем, содержащий ротор, выполненный в виде диска с установленными на нем радиальными лопатками , коаксиальными цилиндрами с проточными канайамй стйтор с размещёнными в нем («оаксйд шыми цилиндрами с проточными каналами; о т   и ч а ю щ и и с   тем,что, с целью интенсификации процессов диспергированй , измельчени ,растворени , перемешивани  и гомогенизаций в жидкотекучих средах за счет турбулйзации потока, вихревых течений, акустических воздействий, коаксиальные цилиндры вы- полнены V в виде набора примыкающих друг к др/гу цилиндрических элементов с проточными каналами, образующими в наборе каналы ступенчатого профил .

2, Аппарат по п. 1, 6 т л и ч а ю 1ц и и - с   тем, что стенки прото чйых каналов Одного из цилиндрических элементов с одной стороны по высоте выполнены с уступами.

5

3. Аппарат по п. 1, отличающий- с   тем, что стенки проточных каналов нескольких цилиндрических элементов с одной стороны по высоте выполнены с уступами смещенными относительно друг Друга:. ;-; .д: ; . .::..;-. . . . .--..-,

4. Аппарат по п. 3, о т л и ч а ю щ и и - ii   тем, то Стенки проточных каналов нескольких отсто щих друг от друга цилиндрических элементов с одной стороны выпблйейы по высоте с уступами, смещенными относительно друг друга,

5.. Аппарат по пп. 2-4, о т л и ч а ю щ и- й с   тем, что стенки проточных каналов элементов выполнены с двух сторон по высоте с уступами.

Фи г. 2

Фиг.З

-f f