RU2186615C1 - Rotor mixer for liquid media - Google Patents

Rotor mixer for liquid media Download PDF

Info

Publication number
RU2186615C1
RU2186615C1 RU2001120445A RU2001120445A RU2186615C1 RU 2186615 C1 RU2186615 C1 RU 2186615C1 RU 2001120445 A RU2001120445 A RU 2001120445A RU 2001120445 A RU2001120445 A RU 2001120445A RU 2186615 C1 RU2186615 C1 RU 2186615C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rotor
housing
axis
mixer
rotation
Prior art date
Application number
RU2001120445A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
С.М. Дроздов
Original Assignee
Государственное унитарное предприятие Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е.Жуковского
Дроздов Сергей Михайлович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное унитарное предприятие Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е.Жуковского, Дроздов Сергей Михайлович filed Critical Государственное унитарное предприятие Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е.Жуковского
Priority to RU2001120445A priority Critical patent/RU2186615C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2186615C1 publication Critical patent/RU2186615C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)

Abstract

FIELD: mixing equipment. SUBSTANCE: rotor mixer has elongated housing, rotor mounted inside housing and rotated through engine by shaft. Rotor and housing inner surfaces have axially symmetric and periodic wavy shape in axis z of rotation. Liquid medium is driven by tangential stresses created on surface of rotating rotor and mixing thereof is effected in periodic cell system along axis z of rotation defined by wavy surfaces of rotor R1(z) and housing R2(z) and containing eddy structures with intensive radial-axial circulation. Medium motion eddy structures are induced by rotor and housing surface shape. Period λ of structures is determined by period of changing radii of surfaces R1(z) and R2(z). Such construction allows required axial flow of medium to be created without additional devices, when internal cavity between rotor and housing surfaces has shape asymmetrical relative to cell middle portion. Apparatus may be used for mixing different liquid media, dispersion and homogenization of liquids in suspended and emulsified state, as well as for extracting base component from carrier in the form of solid particles or for extraction processes. EFFECT: increased efficiency by creating periodic eddy structures with intensified radial-axial circulation of mixed media and overcoming radial separation effects and by settling down heavy mixture components. 3 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для перемешивания различных жидких сред, диспергирования и гомогенизации жидкостей в виде суспензий и эмульсий, для экстрагирования целевого компонента из носителя в виде твердых частиц или для осуществления процесса экстракции из жидкости. Оно может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей, лакокрасочной, пищевой, микробиологической отраслях промышленности, а также в ядерной энергетике при проведении экстракции остатков урана и плутония из отработанного ядерного топлива. The invention relates to devices for mixing various liquid media, dispersing and homogenizing liquids in the form of suspensions and emulsions, for extracting a target component from a carrier in the form of solid particles, or for carrying out an extraction process from a liquid. It can be used in the chemical, oil refining, paint and varnish, food, microbiological industries, as well as in nuclear energy during the extraction of uranium and plutonium residues from spent nuclear fuel.

Известно перемешивающее устройство Максимова [авторское свидетельство СССР, 850193, кл. В 01 F 7/16, 1981], содержащее корпус с размещенным в нем цилиндрическим диффузором, внутри которого установлен вал с закрепленными на нем верхним и нижним всасывающими винтами. В середине диффузора имеется кольцевая щель, напротив которой на валу установлен отражатель. Known mixing device Maksimov [USSR copyright certificate, 850193, class. In 01 F 7/16, 1981], comprising a housing with a cylindrical diffuser housed therein, inside which a shaft is mounted with upper and lower suction screws fixed to it. In the middle of the diffuser there is an annular gap, opposite which a reflector is mounted on the shaft.

Недостатками подобного рода устройств являются: разделение диффузором восходящего и нисходящего потоков, препятствующее их эффективному смешиванию, разделение отражателем объема смесителя на верхнюю и нижнюю части со слабым массообменом и наличием устойчивой стратификации смеси по плотности, отсутствие интенсивных поперечных токов в зазоре между корпусом и диффузором, ослабляющее и даже полностью устраняющее турбулентный обмен массой, импульсом и энергией. Как правило, на дне смесителя образуется осадок из тяжелых компонентов смеси. The disadvantages of such devices are: separation by the diffuser of upward and downward flows, which prevents their effective mixing, separation of the mixer volume reflector into the upper and lower parts with weak mass transfer and the presence of a stable stratification of the mixture by density, the absence of intense transverse currents in the gap between the body and the diffuser, weakening and even completely eliminating the turbulent exchange of mass, momentum and energy. As a rule, a precipitate is formed at the bottom of the mixer from the heavy components of the mixture.

Известен также роторный смеситель-диспергатор, состоящий из конических статора и ротора, причем последний имеет в качестве рабочих элементов винтовые ребра такие, что в продольной плоскости сечения ротора образуются П-образные ячейки (каналы в окружном направлении) [авторское свидетельство СССР, 1011219, кл. В 01 F 7/00, 1983]. Смеситель работает в непрерывном режиме с подачей компонентов смеси на входе и выдачей готовой продукции на выходе. Also known is a rotary mixer-dispersant, consisting of a conical stator and a rotor, the latter having screw ribs as working elements such that U-shaped cells (channels in the circumferential direction) are formed in the longitudinal plane of the rotor section [USSR copyright certificate 1011219, class . B 01 F 7/00, 1983]. The mixer operates in continuous mode with the supply of the components of the mixture at the inlet and the delivery of finished products at the outlet.

К недостаткам этого смесителя следует отнести образование изолированных зон течения внутри П-образных ячеек ротора со слабым взаимным массообменом, обеднение ячеек тяжелыми компонентами смеси, которые центробежными силами сепарируются к стенке корпуса статора. The disadvantages of this mixer include the formation of isolated flow zones inside the U-shaped cells of the rotor with weak mutual mass transfer, depletion of the cells by the heavy components of the mixture, which are separated by centrifugal forces to the wall of the stator housing.

Наиболее близким к предлагаемой в настоящем изобретении конструкции смесителя является устройство, использующее способ смешивания в системе периодических по оси вращения тороидальных вихрей (вихрей Тейлора), самопроизвольно образующихся в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрами, когда внутренний вращается. Например, в докладе Atkhen К., Fontaine J., Wesfreid J. -E. "Highly turbulent Couette-Taylor patterns in nuclear engineering" [10 Международная конференция по течениям Куэтта-Тейлора. Франция, Париж, 1997] для проведения процесса экстракции остатков урана и плутония из отработанного ядерного топлива предложен смеситель, состоящий из корпуса, ротора, установленного внутри корпуса, входных патрубков для ввода смешиваемых компонентов на одном конце смесителя и выходного патрубка для вывода готовой смеси на другом конце. Ротор имеет цилиндрическую форму с радиусом поверхности R1, а внутренняя поверхность корпуса имеет цилиндрическую форму с радиусом R2. При вращении ротора в зазоре a = R2-R1 возникает система периодических по оси вращения (z) вихрей Тейлора, в которых и происходит смешивание. Смеситель работает в непрерывном режиме с принудительным вводом смешиваемых компонентов.The closest to the design of the mixer proposed in the present invention is a device using a method of mixing in a system of periodically rotational toroidal vortices (Taylor vortices) that spontaneously form in the gap between two coaxial cylinders when the inner one rotates. For example, in a report by Atkhen K., Fontaine J., Wesfreid J. -E. "Highly turbulent Couette-Taylor patterns in nuclear engineering" [10th International Conference on Couette-Taylor Currents. France, Paris, 1997] for the process of extraction of uranium and plutonium residues from spent nuclear fuel, a mixer is proposed consisting of a housing, a rotor installed inside the housing, inlet pipes for introducing the components to be mixed at one end of the mixer and an outlet pipe for outputting the finished mixture to the other the end. The rotor has a cylindrical shape with a surface radius R 1 , and the inner surface of the housing has a cylindrical shape with a radius R 2 . When the rotor rotates in the gap a = R 2 -R 1 , a system of Taylor vortices periodic in the axis of rotation (z) arises, in which mixing occurs. The mixer operates in continuous mode with the forced input of the mixed components.

Главным недостатком такого рода смесителей является сильный эффект радиальной сепарации компонент смеси, имеющих разную плотность, причем этот эффект не может быть устранен или существенно уменьшен за счет увеличения скорости вращения ротора. Из-за этого в конструкции смесителя приходится использовать небольшой радиальный зазор a ≤ 0,2R2, что приводит к существенному уменьшению рабочего объема смесителя, большому моменту сопротивления вращению ротора и высоким энергозатратам на единицу объема смешиваемой среды. Кроме того, период вихревых структур λ становится очень небольшим (λ ≈ 2а), что затрудняет обмен массой, импульсом и энергией между разными частями рабочего объема смесителя.The main disadvantage of this type of mixer is the strong effect of radial separation of the components of the mixture having different densities, and this effect cannot be eliminated or significantly reduced due to an increase in the rotor speed. Because of this, it is necessary to use a small radial clearance a ≤ 0.2R 2 in the design of the mixer, which leads to a significant decrease in the working volume of the mixer, a large moment of resistance to rotor rotation, and high energy consumption per unit volume of the mixed medium. In addition, the period of vortex structures λ becomes very small (λ ≈ 2a), which complicates the exchange of mass, momentum, and energy between different parts of the working volume of the mixer.

Задачей настоящего изобретения является значительное увеличение эффективности смешивания, суспензирования и эмульгирования, преодоление эффектов радиальной сепарации и осаждения вниз тяжелых компонент смеси. The present invention is a significant increase in the efficiency of mixing, suspension and emulsification, overcoming the effects of radial separation and sedimentation of the heavy components of the mixture.

Техническими результатами изобретения являются: существенное (в 2-4 раза) уменьшение затрат энергии на приготовление единицы объема смеси с заданной степенью однородности и способность устройства создавать осевой поток смешиваемой среды, определяющий производительность смесителя. The technical results of the invention are: a significant (2-4 times) reduction in energy costs for preparing a unit volume of the mixture with a given degree of homogeneity and the ability of the device to create an axial flow of the mixed medium, which determines the performance of the mixer.

Поставленная задача и технические результаты достигаются тем, что в роторном смесителе, состоящем из корпуса, ротора, установленного внутри корпуса, входных патрубков для ввода смешиваемых компонентов на одном конце смесителя и выходного патрубка для вывода готовой смеси на другом конце, поверхность ротора и внутренняя поверхность корпуса выполнены по форме волнообразными - осесимметричными и периодическими по оси вращения (z) с периодом (λ), заключенным в пределах 0,5R < λ < 3R (где R - максимальный радиус внутренней поверхности корпуса), причем изменения радиусов поверхностей по оси z заданы непрерывными и периодическими функциями (ротор - R1(z), корпус - R2(z)), с ограниченными производными

Figure 00000002

в сечении смесителя, где расположены входные патрубки, ротор имеет минимальный радиус, а в сечении, где расположен выходной патрубок - максимальный радиус, волны внутренней поверхности корпуса (минимумы функции R2(z)) смещены относительно волн поверхности ротора (максимумов функции R1(z)) на величину Δ(0≤Δ<λ).
Наиболее предпочтительные формы поверхностей ротора и корпуса могут быть определены из следующих аналитических выражений
Figure 00000003

где R1(z) - текущий радиус ротора от оси вращения,
z - текущая координата вдоль оси вращения, определяемая из выражения
Figure 00000004

где переменная |ψ|≤π, параметры А0, А1, А2, α,δ1 выбираются из следующих диапазонов:
0,1<А0<0,95, 0<А1<0,45, 0≤А2<0,9, 0,5<α<5, 0,5<δ1<π;
Figure 00000005

где R2(z) - текущий радиус внутренней поверхности корпуса от оси вращения, z - текущая координата вдоль оси вращения, определяемая из выражения
Figure 00000006

где переменная |φ|≤π, параметры B1, B2, β, δ2, Δ1, Δ2 выбираются из следующих диапазонов:
0≤В1<0,45, 0≤В2<0,7, 0,5<β<5, 0,5<δ2<π, 0≤Δ1≤π, 0≤Δ2≤π;
функции R1(z) и R2(z) периодически продолжены на целое число n>2 периодов λ вдоль оси z по закону R1(z)= R1(z+λn), R2(z)= R2(z+λn).The task and technical results are achieved by the fact that in a rotary mixer, consisting of a housing, a rotor installed inside the housing, inlet pipes for introducing the mixed components at one end of the mixer and an outlet pipe for outputting the finished mixture at the other end, the rotor surface and the inner surface of the housing made in the form of wave-like - axisymmetric and periodic along the axis of rotation (z) with a period (λ) enclosed within 0.5R <λ <3R (where R is the maximum radius of the inner surface of the body), m changes radii surfaces of z-axis defines a continuous and periodic functions (rotor - R 1 (z), the housing - R 2 (z)), with reduced derivatives
Figure 00000002

in the section of the mixer where the inlet pipes are located, the rotor has a minimum radius, and in the section where the outlet pipe is located - the maximum radius, the waves of the inner surface of the casing (minima of the function R 2 (z)) are shifted relative to the waves of the rotor surface (maxima of the function R 1 ( z)) by Δ (0≤Δ <λ).
The most preferred surface shapes of the rotor and housing can be determined from the following analytical expressions
Figure 00000003

where R 1 (z) is the current radius of the rotor from the axis of rotation,
z is the current coordinate along the axis of rotation, determined from the expression
Figure 00000004

where the variable | ψ | ≤π, parameters A 0 , A 1 , A 2 , α, δ 1 are selected from the following ranges:
0.1 <A 0 <0.95, 0 <A 1 <0.45, 0≤A 2 <0.9, 0.5 <α <5, 0.5 <δ 1 <π;
Figure 00000005

where R 2 (z) is the current radius of the inner surface of the housing from the axis of rotation, z is the current coordinate along the axis of rotation, determined from the expression
Figure 00000006

where the variable | φ | ≤π, the parameters B 1 , B 2 , β, δ 2 , Δ 1 , Δ 2 are selected from the following ranges:
0≤B 1 <0.45, 0≤B 2 <0.7, 0.5 <β <5, 0.5 <δ 2 <π, 0≤Δ 1 ≤π, 0≤Δ 2 ≤π;
the functions R 1 (z) and R 2 (z) are periodically extended by an integer n> 2 periods λ along the z axis according to the law R 1 (z) = R 1 (z + λn), R 2 (z) = R 2 ( z + λn).

Технические результаты достигаются также тем, что ротор может иметь на своей поверхности малые надстройки (высотой h≤0,02R) в виде риблет, гребней и т. п. Technical results are also achieved by the fact that the rotor can have on its surface small superstructures (height h≤0,02R) in the form of riblets, ridges, etc.

На фиг.1 изображен продольный разрез (вертикальная плоскость) роторного смесителя, на фиг.2 - поперечный, разрез (сечение А-А), а на фиг.3 показан фрагмент поперечного сечения ротора с риблетами, установленными на его поверхности. На фиг.4 дан график зависимости потока смешиваемой среды вдоль оси 2 от величины смещения волн внутренней поверхности корпуса относительно волн поверхности ротора. На фиг.5 представлены формы поверхностей R1(z), R2(z) и поле вектора скорости в плоскости (г,z), соответствующие параметрам варианта 1 смесителя. На фиг.6 приведены графики эволюции по времени максимума отклонения концентрации примеси от средней для существующего (OLD) и предлагаемого (NЕW) смесителей. На фиг.7 представлены формы поверхностей R1(z), R2(z) и поле вектора скорости в плоскости (г,z), соответствующие параметрам варианта 2 смесителя. На фиг.8 для этого варианта в сравнении с прототипом (OLD), приведены графики эволюции по времени максимума отклонения концентрации примеси от средней.Figure 1 shows a longitudinal section (vertical plane) of the rotary mixer, figure 2 is a transverse section (section aa), and figure 3 shows a fragment of the cross section of the rotor with riblets mounted on its surface. Figure 4 shows a graph of the flow of the mixed medium along axis 2 on the magnitude of the displacement of the waves of the inner surface of the housing relative to the waves of the rotor surface. Figure 5 presents the surface shapes R 1 (z), R 2 (z) and the field of the velocity vector in the plane (g, z), corresponding to the parameters of option 1 of the mixer. Figure 6 shows graphs of the time evolution of the maximum deviation of the impurity concentration from the average for the existing (OLD) and proposed (NEW) mixers. Figure 7 shows the surface shapes R 1 (z), R 2 (z) and the field of the velocity vector in the plane (g, z) corresponding to the parameters of option 2 of the mixer. On Fig for this option in comparison with the prototype (OLD), there are graphs of the evolution over time of the maximum deviation of the impurity concentration from the average.

В роторном смесителе жидкая смешиваемая среда движется между ротором 1 и корпусом 2 (фиг.1 и 2) (линии тока снабжены стрелками). Роторный смеситель состоит из корпуса 2 с установленным внутри ротором 1, причем в сечении смесителя, где расположены входные патрубки, ротор имеет минимальный радиус, а в сечении, где расположен выходной патрубок, - максимальный радиус (фиг.1). Ось вращения ротора z, являющаяся осью симметрии для ротора и корпуса, ориентирована горизонтально или под небольшим углом к горизонту. Возможно и вертикальное расположение оси z, если смесь не характеризуется быстрым осаждением тяжелых компонент. Рабочий объем смесителя ограничен поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса и целиком заполнен смешиваемой средой. Поверхность ротора и внутренняя поверхность корпуса выполнены по форме волнообразными - осесимметричными и периодическими по оси вращения z с периодом λ, заключенным в пределах 0,5R<λ<3R, причем изменения радиусов поверхностей по оси z заданы непрерывными и периодическими функциями (ротор - R1(z), корпус - R2(z)), с ограниченными производными

Figure 00000007

Волны внутренней поверхности корпуса (минимумы функции R2(z)) смещены относительно волн поверхности ротора (максимумов функции R1(z)) на величину Δ(0≤Δ<λ). Длина L рабочего объема в несколько раз превышает период λ волнообразных поверхностей ротора и корпуса (фиг.1). Привод ротора осуществляется двигателем (на фиг. 1 и 2 не показан) с помощью введенного внутрь вала. Смеситель работает в непрерывном режиме при вводе смешиваемых компонентов (А, В) через входные патрубки и выводе готовой смеси (А+В) через выходной патрубок (фиг.1).In a rotary mixer, a liquid mixed medium moves between the rotor 1 and the housing 2 (Figs. 1 and 2) (streamlines are provided with arrows). The rotary mixer consists of a housing 2 with the rotor 1 installed inside, and in the cross section of the mixer where the inlet nozzles are located, the rotor has a minimum radius, and in the section where the outlet nozzle is located, the maximum radius (Fig. 1). The axis of rotation of the rotor z, which is the axis of symmetry for the rotor and the housing, is oriented horizontally or at a small angle to the horizontal. A vertical arrangement of the z axis is also possible if the mixture is not characterized by rapid deposition of heavy components. The working volume of the mixer is limited by the surface of the rotor and the inner surface of the housing and is completely filled with the mixed medium. The surface of the rotor and the inner surface of the housing are wave-shaped - axisymmetric and periodic along the rotation axis z with a period λ enclosed within 0.5R <λ <3R, and changes in the radii of the surfaces along the z axis are determined by continuous and periodic functions (rotor - R 1 (z), enclosure - R 2 (z)), with limited derivatives
Figure 00000007

The waves of the inner surface of the casing (minima of the function R 2 (z)) are shifted relative to the waves of the surface of the rotor (maxima of the function R 1 (z)) by Δ (0≤Δ <λ). The length L of the working volume is several times longer than the period λ of the undulating surfaces of the rotor and the housing (Fig. 1). The rotor is driven by an engine (not shown in FIGS. 1 and 2) using a shaft inserted inside. The mixer operates in a continuous mode when introducing the mixed components (A, B) through the inlet pipes and outputting the finished mixture (A + B) through the outlet pipe (Fig. 1).

Рассмотрим организацию течения жидкости и процесса смешивания внутри смесителя. Основным механизмом создания окружного движения жидкости являются касательные напряжения, возникающие на поверхности ротора при его вращении (ω - угловая скорость вращения ротора). Для увеличения турбулентных касательных напряжений ротор может иметь на своей поверхности малые надстройки (риблеты, гребни и т. п.) высотой h≤0,02R. Пример установки риблет 3 на поверхности ротора показан на фиг.3. Доминирующей компонентой скорости течения жидкости является окружная компонента W (фиг.2), но осевая U и радиальная V компоненты (фиг.1) тоже достаточно велики (порядка 0,2-0,5W). Распределение окружной компоненты скорости W по оси z неоднородно. Это обеспечивается периодическим изменением радиуса ротора R1(z). Неоднородность распределения W необходима для создания интенсивного радиально-осевого движения жидкости (компоненты скорости U, V на фиг.1). Для этой же цели внутренняя поверхность корпуса имеет гладкую осесимметричную и волнообразную форму с периодически повторяющимися минимумами функции R2(z), в окрестности которых происходит интенсивное торможение окружного движения смешиваемой среды. Второй функцией этих волн является отклонение потока от периферии к оси установки, что позволяет преодолеть эффект радиальной сепарации тяжелых компонент смеси.Consider the organization of the fluid flow and the mixing process inside the mixer. The main mechanism for creating a circular fluid motion is the tangential stresses that occur on the surface of the rotor during its rotation (ω is the angular velocity of rotation of the rotor). To increase the turbulent tangential stresses, the rotor may have small superstructures (riblets, ridges, etc.) with a height h≤0,02R on its surface. An example of installing riblet 3 on the surface of the rotor is shown in Fig.3. The dominant component of the fluid velocity is the circumferential component W (FIG. 2), but the axial U and radial V components (FIG. 1) are also quite large (of the order of 0.2-0.5W). The distribution of the peripheral velocity component W along the z axis is not uniform. This is ensured by a periodic change in the radius of the rotor R 1 (z). The heterogeneity of the distribution of W is necessary to create intense radial-axial motion of the fluid (velocity components U, V in FIG. 1). For the same purpose, the inner surface of the housing has a smooth axisymmetric and wave-like shape with periodically repeating minima of the function R 2 (z), in the vicinity of which there is intense braking of the circumferential motion of the mixed medium. The second function of these waves is the deviation of the flow from the periphery to the axis of the installation, which overcomes the effect of radial separation of the heavy components of the mixture.

Для обеспечения заданной производительности смесителя и эффективного переноса массы, импульса и тепла, вдоль оси z существует поток Q (проходящий в итоге через выходной патрубок, фиг.1), средняя скорость которого много меньше скорости окружного потока. Причем требуемый поток Q может быть создан без дополнительных устройств, благодаря несимметричной (относительно любой плоскости поперечного сечения) форме рабочего объема смесителя. Такая форма поверхностей R1(z) и R2(z) приводит к несимметричному распределению давления по корпусу и появлению результирующей силы, направленной вдоль оси z, что и вызывает поток Q. В качестве примера на фиг.4 дан график зависимости потока Q (обезразмеренного по величине

Figure 00000008
) от величины Δ2/π - смещения волн внутренней поверхности корпуса относительно волн поверхности ротора. Отметим, что экспоненциальные слагаемые в приведенных выше аналитических выражениях (1), (2) нужны для создания асимметричной формы рабочего объема и увеличения интенсивности радиально-осевого движения среды. Созданию потока вдоль оси z способствует и то, что во входном сечении смесителя располагается минимум радиуса ротора, а в выходном - максимум (фиг.1).To ensure a given mixer performance and effective transfer of mass, momentum and heat, along the z axis there is a flow Q (passing through the outlet pipe, figure 1), the average speed of which is much less than the speed of the circumferential stream. Moreover, the required flow Q can be created without additional devices, due to the asymmetric (relative to any plane of the cross section) shape of the working volume of the mixer. This shape of the surfaces R 1 (z) and R 2 (z) leads to an asymmetric distribution of pressure over the housing and the appearance of a resultant force directed along the z axis, which causes the flow Q. As an example, Fig. 4 gives a graph of the flow Q ( dimensionless in size
Figure 00000008
) from the value Δ 2 / π - the displacement of the waves of the inner surface of the housing relative to the waves of the surface of the rotor. Note that the exponential terms in the above analytical expressions (1), (2) are needed to create an asymmetric form of the working volume and increase the intensity of the radial-axial motion of the medium. The creation of a stream along the z axis is also facilitated by the fact that in the inlet section of the mixer there is a minimum of the radius of the rotor, and in the outlet - a maximum (Fig. 1).

Формы поверхностей ротора R1(z) и корпуса R2(z), при которых реализуется наиболее эффективное смешивание, в общем случае, зависят от гидродинамических характеристик смешиваемой среды, особенностей конкретного процесса смешивания, других требований полного технологического процесса, в котором смешивание представляет один из этапов. Однако, как показывают расчеты, не являются оптимальными ни чисто цилиндрическая форма R1=соnst, R2=соnst, ни формы с участками поверхностей, перпендикулярными к оси вращения (например, П-образные ячейки).The shapes of the surfaces of the rotor R 1 (z) and the housing R 2 (z), at which the most efficient mixing is realized, in general, depend on the hydrodynamic characteristics of the medium being mixed, the features of a particular mixing process, and other requirements of a complete technological process in which mixing represents one from the stages. However, as calculations show, neither the purely cylindrical shape of R 1 = const, R 2 = const, nor the shape with surface areas perpendicular to the axis of rotation (for example, U-shaped cells) are optimal.

В типичном случае сред с умеренной и небольшой эффективной вязкостью μ, когда число Рейнольдса (Rе), рассчитанное по формуле

Figure 00000009
(где ρ - плотность среды, ω - угловая скорость вращения ротора), цикл исследований, выполненных с помощью численного интегрирования уравнений Навье - Стокса для течения жидкости и численного интегрирования уравнения диффузии и переноса пассивной примеси внутри смесителя, позволил определить значения параметров в выражениях (1), (2). обеспечивающие оптимальное смешивание.In a typical case of media with moderate and low effective viscosity μ, when the Reynolds number (Re), calculated by the formula
Figure 00000009
(where ρ is the density of the medium, ω is the angular velocity of rotation of the rotor), a series of studies performed by numerically integrating the Navier - Stokes equations for the fluid flow and numerically integrating the diffusion and transport equations of the passive impurity inside the mixer, allowed us to determine the parameter values in expressions (1 ), (2). providing optimum mixing.

Вариант 1 соответствует оптимизации по затратам энергии на единицу объема смешиваемой среды: А0=0,5, А1=0,2, А2=0, В1=0,05, В2=0,2, β =4, δ2 =2,5, λ =2,4, Δ1 =1,257, Δ2 =0,785.Option 1 corresponds to the optimization of energy costs per unit volume of the mixed medium: A 0 = 0.5, A 1 = 0.2, A 2 = 0, B 1 = 0.05, B 2 = 0.2, β = 4, δ 2 = 2.5, λ = 2.4, Δ 1 = 1.257, Δ 2 = 0.785.

Формы поверхностей R1(z), R2(z) и поле вектора скорости в плоскости (r, z) (где r - текущий радиус от оси z), соответствующие этим параметрам, представлены на фиг.5.The shapes of the surfaces R 1 (z), R 2 (z) and the field of the velocity vector in the (r, z) plane (where r is the current radius from the z axis) corresponding to these parameters are presented in FIG. 5.

Для проведения количественного сравнения с прототипом были выполнены расчеты смесителя с цилиндрической формой ротора R1=0,64R и корпуса R2=R (смешивание в вихрях Тейлора). На фиг.6 приведены графики эволюции по времени t максимума отклонения концентрации примеси Сm от средней Са для существующего (OLD) и предлагаемого (NЕW) смесителей. При меньших затратах мощности привода предлагаемый смеситель почти в 2 раза быстрее обеспечил заданный уровень однородности смеси. В итоге полные затраты энергии на единицу объема смешиваемой среды оказались в 3 раза меньше. Кроме того, в отличие от прототипа в новом смесителе продольный поток создавался без применения дополнительных устройств, а только благодаря асимметричной форме рабочего объема.To conduct a quantitative comparison with the prototype, calculations were made for a mixer with a cylindrical shape of the rotor R 1 = 0.64R and a housing R 2 = R (mixing in Taylor vortices). Figure 6 shows the graphs of the evolution over time t of the maximum deviation of the concentration of the impurity Cm from the average Ca for the existing (OLD) and proposed (NEW) mixers. With less drive power, the proposed mixer almost 2 times faster provided a given level of mixture uniformity. As a result, the total energy consumption per unit volume of the mixed medium turned out to be 3 times less. In addition, unlike the prototype, in the new mixer, the longitudinal flow was created without the use of additional devices, but only due to the asymmetric shape of the working volume.

Вариант 2 соответствует оптимизации по затратам энергии на единицу объема смешиваемой среды при больших величинах касательных напряжений в рабочем объеме: А0=0,65, А1=0,25, А2=0, В1=0,15, В2=0, λ = 1, Δ2 = 0.
Формы поверхностей R1(z) и R2(z), соответствующие этим параметрам, представлены на фиг.7. Вариант 2 ориентирован на приготовление эмульсий или осуществление экстракции. Расчеты эволюции по времени максимума отклонения концентрации примеси Сm от средней Са для существующего (R1=0,875R, R2=R, обозначен - OLD) и предлагаемого (NЕW) смесителей приведены на фиг.8. Затраты энергии, необходимой для приготовления единицы объема смеси с заданной степенью однородности концентрации, в новом смесителе оказались почти в 4 раза меньше.Option 2 corresponds to the optimization of energy costs per unit volume of the mixed medium at high values of shear stresses in the working volume: A 0 = 0.65, A 1 = 0.25, A 2 = 0, B 1 = 0.15, B 2 = 0, λ = 1, Δ 2 = 0.
The surface shapes R 1 (z) and R 2 (z) corresponding to these parameters are shown in FIG. 7. Option 2 focuses on the preparation of emulsions or the implementation of extraction. Calculations of the time evolution of the maximum deviation of the impurity concentration Сm from the average Ca for the existing (R 1 = 0.875R, R 2 = R, denoted by OLD) and the proposed (NEW) mixers are shown in Fig. 8. The energy required to prepare a unit volume of the mixture with a given degree of concentration uniformity in the new mixer was almost 4 times less.

Предполагается, что основное применение роторный смеситель получит при турбулентном или переходных от ламинарного к турбулентному режимах течений среды со значительной разницей плотностей смешиваемых компонент и высокой интенсивностью осаждения тяжелой фазы. It is assumed that the main application of the rotary mixer will be in turbulent or transitional from laminar to turbulent modes of medium flows with a significant difference in the densities of the mixed components and a high deposition rate of the heavy phase.

Claims (2)

1. Роторный смеситель для жидких сред, состоящий из корпуса, ротора, установленного внутри корпуса, входных патрубков для ввода смешиваемых компонентов на одном конце смесителя и выходного патрубка для вывода готовой смеси на другом конце, отличающийся тем, что поверхность ротора и внутренняя поверхность корпуса выполнены по форме волнообразными - осесимметричными и периодическими по оси вращения (z) с периодом (λ), заключенным в пределах 0,5R<λ<3R (где R - максимальный радиус внутренней поверхности корпуса), причем изменения радиусов поверхностей по оси z заданы непрерывными и периодическими функциями (ротор - R1(z), корпус - R2(z)), с ограниченными производными
Figure 00000010
в сечении смесителя, где расположены входные патрубки, ротор имеет минимальный радиус, а в сечении, где расположен выходной патрубок, - максимальный радиус, волны внутренней поверхности корпуса (минимумы функции R2(z)) смещены относительно волн поверхности ротора (максимумов функции R1(z)) на величину Δ(0≤Δ<λ).
2. Роторный смеситель по п.1, отличающийся тем, что форма поверхности ротора определяется из выражения
Figure 00000011

где R1(z) - текущий радиус ротора от оси вращения;
z - текущая координата вдоль оси вращения, определяемая из выражения
Figure 00000012
где переменная |ψ|≤π;
параметры А0, А1, А2, α,δ1 выбираются из следующих диапазонов: 0,1<A0<0,95, 0<A1<0,45, 0≤A2<0,9, 0,5<α<5, 0,5<δ1<π;
форма внутренней поверхности корпуса определяется из выражения
Figure 00000013

где R2(z) - текущий радиус внутренней поверхности корпуса от оси вращения;
z - текущая координата вдоль оси вращения, определяемая из выражения
Figure 00000014
где переменная |φ|≤π;
параметры В1, В2, β, δ2, Δ1, Δ2 выбираются из следующих диапазонов: 0≤В1<0,45, 0≤В2<0,7, 0,5<β<5, 0,5<δ2<π, 0≤Δ1≤π, 0≤Δ2≤π; ;
функции R1(z) и R2(z) периодически продолжены на целое число n > 2 периодов λ вдоль оси z по закону R1(z)=R1(z+λn), R2(z)=R2(z+λn).1. A rotary mixer for liquid media, consisting of a housing, a rotor installed inside the housing, inlet pipes for introducing the mixed components at one end of the mixer and an outlet pipe for outputting the finished mixture at the other end, characterized in that the rotor surface and the inner surface of the housing wavy in shape - axisymmetric and periodic along the rotation axis (z) with a period (λ) enclosed within 0.5R <λ <3R (where R is the maximum radius of the inner surface of the casing), and changes in the surface radii The z axis are defined by continuous and periodic functions (rotor - R 1 (z), housing - R 2 (z)), with limited derivatives
Figure 00000010
in the section of the mixer where the inlet pipes are located, the rotor has a minimum radius, and in the section where the outlet pipe is located, the maximum radius, the waves of the inner surface of the casing (minima of the function R 2 (z)) are displaced relative to the waves of the rotor surface (maxima of the function R 1 (z)) by Δ (0≤Δ <λ).
2. The rotary mixer according to claim 1, characterized in that the surface shape of the rotor is determined from the expression
Figure 00000011

where R 1 (z) is the current radius of the rotor from the axis of rotation;
z is the current coordinate along the axis of rotation, determined from the expression
Figure 00000012
where the variable | ψ | ≤π;
the parameters A 0 , A 1 , A 2 , α, δ 1 are selected from the following ranges: 0.1 <A 0 <0.95, 0 <A 1 <0.45, 0≤A 2 <0.9, 0, 5 <α <5, 0.5 <δ 1 <π;
the shape of the inner surface of the housing is determined from the expression
Figure 00000013

where R 2 (z) is the current radius of the inner surface of the housing from the axis of rotation;
z is the current coordinate along the axis of rotation, determined from the expression
Figure 00000014
where the variable | φ | ≤π;
the parameters B 1 , B 2 , β, δ 2 , Δ 1 , Δ 2 are selected from the following ranges: 0≤B 1 <0.45, 0≤B 2 <0.7, 0.5 <β <5, 0, 5 <δ 2 <π, 0≤Δ 1 ≤π, 0≤Δ 2 ≤π; ;
the functions R 1 (z) and R 2 (z) are periodically extended by an integer n> 2 periods λ along the z axis according to the law R 1 (z) = R 1 (z + λn), R 2 (z) = R 2 ( z + λn). 3. Роторный смеситель по п.1, отличающийся тем, что ротор имеет на своей поверхности малые надстройки (высотой h ≤ 0,02R) в виде риблет, гребней и т. п. 3. The rotary mixer according to claim 1, characterized in that the rotor has on its surface small superstructures (height h ≤ 0.02R) in the form of riblets, ridges, etc.
RU2001120445A 2001-07-24 2001-07-24 Rotor mixer for liquid media RU2186615C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001120445A RU2186615C1 (en) 2001-07-24 2001-07-24 Rotor mixer for liquid media

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001120445A RU2186615C1 (en) 2001-07-24 2001-07-24 Rotor mixer for liquid media

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2186615C1 true RU2186615C1 (en) 2002-08-10

Family

ID=20251958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001120445A RU2186615C1 (en) 2001-07-24 2001-07-24 Rotor mixer for liquid media

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2186615C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7507370B2 (en) 2002-10-24 2009-03-24 Georgia Tech Research Corporation Systems and methods for disinfection
RU2460578C1 (en) * 2011-01-12 2012-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный технический университет" Rotary mixer disperser

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7507370B2 (en) 2002-10-24 2009-03-24 Georgia Tech Research Corporation Systems and methods for disinfection
RU2460578C1 (en) * 2011-01-12 2012-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный технический университет" Rotary mixer disperser

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6935770B2 (en) Cavitation mixer
JP4562737B2 (en) Treatment method and reactor by agglomeration
RU2264250C2 (en) Device for mixing
Özcan-Taşkin et al. The effect of impeller-to-tank diameter ratio on draw down of solids
CA2168063C (en) Continuous dynamic mixing system and methods for operating such system
US20090197977A1 (en) Device and Method for Producing a Mixture of Two Phases that are Insoluble in Each Other
WO2008038763A1 (en) Swirling flow producing apparatus, method of producing swirling flow, vapor phase generating apparatus, microbubble generating apparatus, fluid mixer and fluid injection nozzle
CA1248328A (en) Way for dispersing two phases in liquid-liquid extraction and circulation dispersion contactor for accomplishing the way
CN109569346A (en) It is a kind of towards the big high energy efficiency dispersion-mixed method and its application for comparing system
US11344853B2 (en) Multifunctional hydrodynamic vortex reactor and method for intensifying cavitation
Jenish et al. CFD Analysis of modified rushton turbine impeller
US20160339400A1 (en) Cavitation Device
Laponov et al. Modeling emulsification processes in rotary-disk mixers
RU2186615C1 (en) Rotor mixer for liquid media
WO2014189479A1 (en) Hydropercussion cavitation reactor
JPH08281089A (en) Vertical type stirring machine
Shulaev et al. Energy consumption of small-since mixers in emulsification processes
KR100913875B1 (en) Dispersing pump
CA2937398C (en) Cavitation device
WO2020091640A1 (en) Mixer for mixing chemicals into pulp
RU171985U1 (en) FLOW INJECT MIXER
RU2080168C1 (en) Apparatus for washing away precipitate, suspending and agitating liquid (versions)
RU2492920C2 (en) Mixer
RU2166359C2 (en) Suspension mixing apparatus
RU2817546C1 (en) Rotary pulse apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110725