RU2414286C2

RU2414286C2 - Axial mixer

Info

Publication number: RU2414286C2
Application number: RU2009107443/05A
Authority: RU
Inventors: Евгений Анатольевич Николаев (RU); Евгений Анатольевич Николаев; Николай Сергеевич Шулаев (RU); Николай Сергеевич Шулаев; Евгений Владимирович Боев (RU); Евгений Владимирович Боев; Сергей Петрович Иванов (RU); Сергей Петрович Иванов; Виталий Геннадьевич Афанасенко (RU); Виталий Геннадьевич Афанасенко
Original assignee: ГОУ ВПО "Уфимский государственный нефтяной технический университет"
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2011-03-20
Also published as: RU2009107443A

Abstract

FIELD: process engineering. ^ SUBSTANCE: invention relates to axial mixers intended for grinding and mixing heterogeneous systems "fluid-solid particles" and may be used in chemical and food industries, etc. Axial mixer comprises housing with feed and discharge branch pipes that accommodates perforated disks of rotor and stator. Perforated holes are arranged radially, hole sizes and location are governed by certain set of equations. ^ EFFECT: higher efficiency of grinding and mixing. ^ 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и измельчения гетерогенных систем «жидкость-твердые частицы» и может быть использовано в химической, пищевой и других отраслях промышленности.The invention relates to devices for mixing and grinding heterogeneous systems of "liquid-solid particles" and can be used in chemical, food and other industries.

Известно устройство для обработки высоковязких материалов, содержащее выполненный в виде полуцилиндров корпус с загрузочным и разгрузочным отверстиями и параллельные вращающиеся валы с поперечными дисками, установленные на расстоянии, меньшем диаметра дисков в радиальном направлении, валы снабжены продольными лопастями, укрепленными по периферии дисков вблизи внутренней поверхности корпуса, и в дисках выполнены радиальные прорези для прохода продольных лопастей смежного вала. На плоских поверхностях дисков выполнены выступы, а валы выполнены полыми для подвода теплоносителя. [А.с. СССР №458115, кл. B01F 7/10, Устройство для обработки высоковязких материалов / Исао Хайаси, Кенитиро Кондо; Заявлено 26.04.71. Опубликовано 25.01.75].A device for processing highly viscous materials is known, comprising a housing made in the form of half cylinders with loading and unloading holes and parallel rotating shafts with transverse disks installed at a distance smaller than the diameter of the disks in the radial direction, the shafts are provided with longitudinal blades mounted along the periphery of the disks near the inner surface of the housing , and radial slots are made in the disks for the passage of the longitudinal blades of an adjacent shaft. The projections are made on the flat surfaces of the disks, and the shafts are made hollow for supplying a coolant. [A.S. USSR No. 458115, class B01F 7/10, Device for processing highly viscous materials / Isao Hayashi, Kenitiro Kondo; Stated April 26, 71. Published 01/25/75].

Недостатком данного устройства для обработки высоковязких материалов является повышенное потребление энергии на обработку сред, ввиду наличия двух валов, а также сложность изготовления дисков.The disadvantage of this device for processing highly viscous materials is the increased energy consumption for processing media, due to the presence of two shafts, as well as the complexity of manufacturing disks.

Известен диспергатор, содержащий цилиндрический корпус с входной камерой, имеющей нагнетатель и распределитель, и с выходной камерой, подвижные и неподвижные диски, поочередно закрепленные соответственно на валу и на внутренней поверхности корпуса, при этом подвижные диски выполнены с ножевыми выступами, а неподвижные - с сегментными отверстиями, подвижные диски выполнены с сегментными отверстиями, расположенными около оси корпуса, неподвижные диски - с сегментными отверстиями на их периферии, а ножевые выступы - с заостренной передней кромкой, при этом все диски установлены с одинаковыми зазорами между ними. [А.с. СССР № 1560287, кл. B01F 7/10, Диспергатор / Рассолов О.П., Батуров В.И., Бакшеев И.П., Браверманн П.Ф., Журавский В.Г., Фингер Г.Г.; Заявлено 19.03.87; Опубликовано 30.04.90].Known dispersant containing a cylindrical housing with an inlet chamber having a supercharger and a distributor, and with an exit chamber, movable and fixed disks, alternately mounted respectively on the shaft and on the inner surface of the housing, while the movable disks are made with knife protrusions, and the fixed disks are segmented holes, the movable discs are made with segmented holes located near the axis of the housing, the fixed discs are with segmented holes on their periphery, and the knife protrusions are with a pointed front edge, while all discs are installed with the same gaps between them. [A.S. USSR No. 1560287, class B01F 7/10, Dispersant / Rassolov O.P., Baturov V.I., Baksheev I.P., Bravermann P.F., Zhuravsky V.G., Finger G.G .; Stated March 19, 87; Published on April 30, 90].

Недостатком данного диспергатора является сложность конструкции и низкая производительность устройства вследствие малой зоны обработки среды.The disadvantage of this dispersant is the design complexity and low productivity of the device due to the small processing zone of the medium.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению (прототипом) является гомогенизатор, содержащий корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, в котором соосно установлены диски ротора и статора с отверстиями, отверстия на дисках ротора и статора расположены по противоположно направленным спиралям или спиралям Архимеда с шагом 1,1-1,3 диаметра отверстий. [А.с. СССР № 1494956, кл. B01F 7/10, Гомогенизатор / Шкарупа В.Ю., Стороженко В.Я., Панин Ю.Г., Парамонов В.И., Лыков В.Н.; Заявлено 11.05.87; Опубликовано 23.07.89].The closest technical solution to the proposed invention (prototype) is a homogenizer, comprising a housing with loading and unloading nozzles, in which the rotor and stator disks with holes are coaxially mounted, the holes on the rotor and stator disks are located along oppositely directed spirals or Archimedes spirals with step 1, 1-1.3 hole diameters. [A.S. USSR No. 1494956, class B01F 7/10, Homogenizer / Shkarupa V.Yu., Storozhenko V.Ya., Panin Yu.G., Paramonov V.I., Lykov V.N .; Stated 05/11/87; Published on July 23, 89].

При работе данного гомогенизатора отсутствуют моменты полного перекрытия каналов движения обрабатываемой среды через аппарат, при которых возникают значительные величины градиентов скорости и давления, интенсифицирующих процессы перемешивания и измельчения. Кроме того, в гомогенизаторе диаметры отверстий на дисках одинаковы, что не позволяет эффективно обрабатывать среды с широким диапазоном размеров твердых частиц. В связи с этим недостатком данного гомогенизатора является относительно невысокая эффективность измельчения и перемешивания гетерогенных систем «жидкость-твердые частицы».During the operation of this homogenizer, there are no moments of complete overlapping of the channels of movement of the medium being processed through the apparatus, at which significant gradients of speed and pressure arise, intensifying the processes of mixing and grinding. In addition, in the homogenizer, the diameters of the holes on the disks are the same, which does not allow efficient processing of media with a wide range of sizes of solid particles. In connection with this drawback of this homogenizer is the relatively low efficiency of grinding and mixing heterogeneous liquid-solid particle systems.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения эффективности измельчения и перемешивания гетерогенных систем «жидкость-твердые частицы».The present invention solves the problem of increasing the efficiency of grinding and mixing heterogeneous liquid-solid systems.

Указанная задача решается за счет того, что осевой смеситель содержит корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками, в котором соосно установлены диски ротора и статора с отверстиями и согласно изобретению отверстия на дисках ротора и статора расположены по концентрическим окружностям, причем размеры отверстий и их расположение подчиняются системе уравнений:This problem is solved due to the fact that the axial mixer contains a housing with loading and unloading nozzles, in which the rotor and stator disks with holes are coaxially mounted, and according to the invention, the holes on the rotor and stator disks are arranged in concentric circles, and the size of the holes and their location are subject to the system equations:

где R₁, R₂, R₃, R₄ - радиусы концентрических окружностей, на которых расположены центры отверстий дисков, м (согласно фиг.2);where R ₁ , R ₂ , R ₃ , R ₄ are the radii of concentric circles on which the centers of the holes of the disks are located, m (according to figure 2);

R₀₁, R₀₂, R₀₃, R₀₄ - радиусы отверстий дисков, м (согласно фиг.2);R ₀₁ , R ₀₂ , R ₀₃ , R ₀₄ - the radii of the holes of the disks, m (according to figure 2);

φ - образующий угол сегмента диска с отверстиями, град (согласно фиг.2);φ - forming the angle of the segment of the disk with holes, degrees (according to figure 2);

n - положительное целое число.n is a positive integer.

На фиг.1 показан осевой смеситель.1 shows an axial mixer.

На фиг.2 показан фрагмент диска ротора и статора.Figure 2 shows a fragment of the rotor disk and the stator.

Осевой смеситель содержит корпус 1 с загрузочным 2 и разгрузочным 3 патрубками, в котором соосно установлены диски ротора и статора 4 с отверстиями 5, причем отверстия на дисках ротора и статора расположены по концентрическим окружностям, а размеры отверстий и их расположение подчиняются системе уравнений:The axial mixer contains a housing 1 with loading 2 and discharge 3 nozzles, in which the rotor and stator disks 4 with holes 5 are coaxially mounted, and the holes on the rotor and stator disks are arranged in concentric circles, and the size of the holes and their location obey the system of equations:

n - положительное целое число.n is a positive integer.

Осевой смеситель работает следующим образом.The axial mixer operates as follows.

Под действием массовых сил или искусственно создаваемого избыточного давления обрабатываемая гетерогенная среда перемещается от загрузочного патрубка 2 к разгрузочному патрубку 3. При движении через отверстия дисков ротора и статора гетерогенная среда подвергается интенсивному механическому и гидродинамическому воздействию, при этом компоненты среды эффективно перемешиваются и измельчаются.Under the influence of mass forces or artificially created excess pressure, the heterogeneous medium being processed moves from the loading pipe 2 to the discharge pipe 3. When moving through the openings of the rotor and stator disks, the heterogeneous medium is subjected to intense mechanical and hydrodynamic effects, while the components of the medium are effectively mixed and crushed.

Отверстия в роторе и статоре, создавая осевой поток, непрерывно ориентируют элементы объема среды перпендикулярно направлению сдвигового воздействия, а также дробят потоки на малые объемы, способствуя значительному увеличению площади поверхности раздела и равномерному распределению элементов объема обрабатываемой смеси в аппарате.The holes in the rotor and stator, creating an axial flow, continuously orient the elements of the medium volume perpendicular to the direction of shear, and also split the flows into small volumes, contributing to a significant increase in the interface surface area and uniform distribution of the volume elements of the processed mixture in the apparatus.

Интенсивность механического и гидродинамического воздействия достигается относительно высокой частотой вращения ротора с возникновением турбулентного движения среды, а также за счет принудительного полного перекрытия каналов движения обрабатываемой среды через аппарат с появлением значительных величин градиентов скорости и давления.The intensity of mechanical and hydrodynamic effects is achieved by a relatively high rotor speed with the emergence of turbulent motion of the medium, as well as due to the forced complete blocking of the channels of movement of the processed medium through the apparatus with the emergence of significant values of velocity and pressure gradients.

Для того чтобы выполнялось условие, при котором существуют моменты полного перекрытия каналов движения обрабатываемой среды через аппарат, необходимо выполнение условий вышеприведенной системы уравнений.In order to fulfill the condition under which there are moments of complete overlap of the channels of movement of the medium being processed through the apparatus, it is necessary to fulfill the conditions of the above system of equations.

Достигается это за счет того, что диски ротора и статора делятся на сектора с углом в вершине равным φ. Сектор с углом в вершине равным φ делится пополам и образуются два смежных сектора с углом в вершинах равным φ/2. В один из смежных секторов вписываются окружности, как показано на фиг.2, радиус которых R₀₁, R₀₂, R₀₃, R₀₄ определяется по теореме косинусов, исходя из расположения центров отверстий дисков по радиусам концентрических окружностей R₁, R₂, R₃, R₄ и углу φ/4 (первые четыре выражения системы уравнений). При таком расположении отверстий будет существовать момент полного закрытия, т.е. несовпадения отверстий на роторе и статоре. Этот момент возникнет при нахождении отверстий ротора в одном из смежных секторов с углом в вершине φ/2, а отверстия статора в другом.This is achieved due to the fact that the disks of the rotor and stator are divided into sectors with an angle at the vertex equal to φ. A sector with an angle at the vertex equal to φ is divided in half and two adjacent sectors with an angle at the vertices equal to φ / 2 are formed. Circles are entered into one of the adjacent sectors, as shown in Fig. 2, the radius of which R ₀₁ , R ₀₂ , R ₀₃ , R ₀₄ is determined by the cosine theorem, based on the location of the centers of the disk holes along the radii of the concentric circles R ₁ , R ₂ , R ₃ , R ₄ and angle φ / 4 (the first four expressions of the system of equations). With this arrangement of holes, there will be a moment of complete closure, i.e. mismatch of holes on the rotor and stator. This moment will occur when the rotor holes are in one of the adjacent sectors with an angle at the apex φ / 2, and the stator holes are in the other.

Количество одинаковых секторов на роторе и статоре, определяемое углом φ, должно быть положительным целым числом, т.е.

The number of identical sectors on the rotor and stator, determined by the angle φ, must be a positive integer, i.e.

При работе осевого смесителя под действием центробежных сил более крупные твердые включения среды стремятся к периферии дисков, поэтому диски, в свою очередь, выполнены с увеличением диаметров отверстий от центра к периферии. Это позволяет эффективно обрабатывать среды с широким диапазоном размеров твердых частиц. Отверстия, вписанные в угол φ/2, не должны иметь точку касания между собой, т.к. это способствует быстрому износу отверстий, что приводит к изменению их формы, т.е.When the axial mixer operates under the action of centrifugal forces, larger solid inclusions of the medium tend to the periphery of the disks; therefore, the disks, in turn, are made with an increase in the diameters of the holes from the center to the periphery. This allows you to efficiently process media with a wide range of particle sizes. The holes inscribed in the angle φ / 2 should not have a point of contact with each other, because this contributes to the rapid wear of the holes, which leads to a change in their shape, i.e.

R₁+R₀₁<R₂-R₀₂; R₂+R₀₂<R₃-R₀₃; R₃+R₀₃<R₄-R₀₄ R ₁ + R ₀₁ <R ₂ -R ₀₂ ; R ₂ + R ₀₂ <R ₃ -R ₀₃ ; R ₃ + R ₀₃ <R ₄ -R ₀₄

Основное преимущество предлагаемого осевого смесителя - повышение эффективности измельчения и перемешивания гетерогенных систем «жидкость-твердые частицы».The main advantage of the proposed axial mixer is an increase in the efficiency of grinding and mixing heterogeneous liquid-solid particle systems.

Claims

An axial mixer, comprising a housing with loading and unloading nozzles, in which rotor and stator disks with holes are coaxially mounted, characterized in that the holes on the rotor and stator disks are arranged in concentric circles, and the size of the holes and their location obey the system of equations:

where R ₁ , R ₂ , R ₃ , R ₄ are the radii of concentric circles on which the centers of the holes of the disks are located, m (according to figure 2);
R ₀₁ , R ₀₂ ; R ₀₃ , R ₀₄ - the radii of the holes of the disks, m (according to figure 2);
φ - forming the angle of the segment of the disk with holes, degrees (according to figure 2);
n is a positive integer.