RU2759628C1 - Статический смеситель для дробления пузырьков газа в газожидкостной смеси - Google Patents
Статический смеситель для дробления пузырьков газа в газожидкостной смеси Download PDFInfo
- Publication number
- RU2759628C1 RU2759628C1 RU2020139442A RU2020139442A RU2759628C1 RU 2759628 C1 RU2759628 C1 RU 2759628C1 RU 2020139442 A RU2020139442 A RU 2020139442A RU 2020139442 A RU2020139442 A RU 2020139442A RU 2759628 C1 RU2759628 C1 RU 2759628C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixer
- sleeve
- blades
- bubbles
- axis
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
- B01F23/20—Mixing gases with liquids
- B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
- B01F23/232—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles
- B01F23/2323—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles by circulating the flow in guiding constructions or conduits
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/40—Static mixers
- B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
- B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
- B01F25/431—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/40—Static mixers
- B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
- B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
- B01F25/431—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor
- B01F25/4315—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor the baffles being deformed flat pieces of material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/40—Static mixers
- B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
- B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
- B01F25/431—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor
- B01F25/43197—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor characterised by the mounting of the baffles or obstructions
- B01F25/431972—Mounted on an axial support member, e.g. a rod or bar
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
- B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
- B01F2215/0409—Relationships between different variables defining features or parameters of the apparatus or process
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)
Abstract
Изобретение относится к оборудованию для перемешивания многофазных сред и может быть использовано в пищевой и химической промышленности. Статический смеситель выполнен с возможностью встраивания в трубопровод и включает цилиндрический корпус, внутри которого коаксиально установлена цилиндрическая втулка. Между цилиндрическими поверхностями втулки и корпуса неподвижно закреплены лопасти в виде криволинейных пластин. При этом входные кромки лопастей выполнены прямолинейными и ориентированы радиально к оси втулки, а выходные кромки выполнены в форме зигзага. Технический результат заключается в обеспечении при использовании смесителя дробления пузырьков газожидкостной смеси до 1-1,2 мм при снижении давления газожидкостного потока не более чем на 2-2,5 кПа. 5 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Заявляемое изобретение относится к установкам перемешивания многофазных сред, и может быть использовано в пищевой, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности, где смесители заявляемого типа могут быть применены для проведения процессов турбулизации, гомогенизации, эмульгирования, диспергирования, а также проведения отдельных химических реакций. В частности, изобретение может быть использовано для перемешивания газожидкостного потока с целью дробления пузырьков газа в жидкой среде при реализации цикла культивирования микроорганизмов, в том числе, метилотрофных и метанотрофных бактерий, в петлевых биореакторах. Заявляемый смеситель позволит повысить качество. диспергирования газа в жидкости и интенсифицировать перемешивание газожидкостной смеси.
Уровень техники
Статический миксер (смеситель, мешалка) представляет собой высокоточное устройство для непрерывного смешивания жидких материалов, потоков газа или несмешиваемых жидкостей, и может быть использован для диспергирования газа в жидкость. Перемешивание продукта в статической мешалке создается не за счет движения каких-либо частей миксера, а за счет дополнительной турбулизации потока и/или увеличения градиента скорости потока, достигаемого в результате частого изменения направления потока транспортируемого продукта внутри корпуса миксера специально проектируемыми лопастями (важны их угол наклона, их количество, толщина и тип спирали) (https://vpumpen.ru/meshalki/staticheskie-mikseri)/.
Известно большое количество конструкций статических смесителей, использующих каналы со сложной геометрией, образованных турбулизирующими вставками, насадками, или статическими лопостями.
Из множества конструкций статических смесителей широко используются смесители с небольшими металлическими спиральными лентами, получившими название «винтовые элементы» (Богданов, В.В. Эффективные малообъемные смесители / В.В. Богданов, Е.И. Христофоров, Б.А. Клоцунг. - Л.: Химия, 1989. - 224 с.). Чаще всего они изготавливаются скручиванием плоской пластины на некоторый угол вдоль продольной оси. Такие смесители формируют из отдельных элементов или элементов, соединенных в звенья по несколько штук. Собранные элементы помещают в цилиндрическую трубу, образующую корпус смесителя, с чередованием лево- и право- изогнутых спиралей по всей ее длине. Обязательным условием работоспособности смесителя является точность подгонки смесительных элементов, т.е. отсутствие зазоров между стенкой трубы и боковыми гранями спиралей. Для осуществления процесса гомогенизации смешиваемым компонентам достаточно один раз пройти по трубе с винтовыми элементами. Требуемая степень гомогенизации смеси регулируется числом элементов.
Известное устройство содержит множество мелких элементов, которые подвержены зарастанию биопленкой, в результате чего существенно сокращается срок безопасной эксплуатации смесителя. Кроме того, такой смеситель допускает значительное падение давления транспортируемой среды, что не во всех областях использования может быть приемлемым.
Открытые конструкции с винтовыми элементами хорошо зарекомендовали себя при перемешивании вязких жидкостей в ламинарном режиме. Однако в процессах, для которых важным являются высокие локальные напряжения (эмульгирование, диспергирование), они значительно уступают открытым конструкциям с лезвиями. Плоские элементы, последовательно расположенные вдоль корпуса, обеспечивают разделение жидкостей на отдельные потоки и их направленное движение по сложным каналам, где они многократно воссоединяются и вновь дробятся до высокой степени гомогенизации. По подобной схеме работают смесители hiTRAN британской фирмы Cal Gavin (Применение статических смесителей в системах водоочистки ТЭЦ / С.В. Морданов, В.А. Никулин, С.С. Пецура, С.Н. Сыромятников // Водоочистка. - 2011. - №10. - С. 35-39.) и ИХЛ СС (например, https://labudgup.ru/ss.html) (Чаусов Ф.Ф. Отечественные статические смесители для смешения жидкостей / Ф.Ф. Чаусов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2009. - №3. - C. 11-14.).
Данные смесители технологически сложны в изготовлении, имеют большое количество сопрягаемых деталей, что влияет на возможность их безопасного использования без загрязнения зон сопряжения деталей.
Широкое распространение получили также статические смесители с нерегулярными насадочными элементами, среди которых высокую эффективность показали насадочные элементы Инжехим-2000 (https://ingehim.ru/product/oborudovanie/staticheskie-smesiteli/).
В публикации Thakur R. K. et al. Static mixers in the process industries-a review //Chemical Engineering Research and Design. - 2003. - Т. 81. - №. 7. - С. 787-826. представлены различные варианты использования статических миксеров (смесителей). В качестве основного варианта для газожидкостных смесей предлагаются миксеры SMV и SMX (https://tisys.ru/upload/uf/1ac/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5%20%D1%81%D0%BC%D0%B5%D1%81%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B8%20SULZER.pdf), состоящие из искаженных плоских пластин, расположенных под углом около 45 градусов друг относительно друга. Миксеры такого типа дробят пузырьки за счет турбулизации потока при прохождении и возникающего вследствие турбулентности градиента скоростей. Такие миксеры производит, например, компания Sultzer, и они достаточно хорошо изучены (см. например Montante G. et al. Prediction of turbulent fluid mixing in corrugated static mixers // Czasopismo Techniczne. - 2014).
Основным недостатком таких смесителей являются относительно высокие потери давления (около 5-7 кПа на объем одного смесителя при скорости потока около 1 м/с), а также наличие стыков между отдельными секциями, которые могут покрываться биопленкой из патогенной микрофлоры.
По количеству признаков, сходных с заявляемым решением, смеситель SMV известной конструкции выбран в качестве прототипа.
Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков аналогов и прототипа за счет создания простой в изготовлении и использовании конструкции статического смесителя, обеспечивающей дробление пузырьков газа в потоке до заданного размера.
Краткое раскрытие сущности изобретения
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении возможности дробления пузырьков газожидкостной смеси в объеме смесителя, то есть в уменьшении их среднего размера до 1-1,2 мм при снижении давления газожидкостного потока не более чем на 2-2,5 кПа. Заявленные технические параметры могут быть получены при скорости потока газожидкостной смеси около 1 м/с.
Преимуществом заявляемого устройства также является обеспечение уменьшения зарастания конструктивных элементов смесителя биопленкой за счет исключения стыков между элементами конструкции.
Заявляемый статический смеситель (миксер) также исключает возможность закручивания потока при его прохождении в зоне установки смесителя, что соответственно, снижает вероятность стягивания пузырьков к центру потока (оси трубопровода) и снижает вероятность образования вихревого шнура.
Заявленный технический результат достигается тем, что статический смеситель, выполненный с обеспечением градиента скоростей частиц потока и возможностью встраивания в трубопровод, включающий цилиндрический корпус, внутри которого неподвижно установлены лопасти, обеспечивающие дробление пузырьков газожидкостной смеси, согласно техническому решению, снабжен центральной втулкой, преимущественно, цилиндрической формы, диаметром, не превышающим 0,5 диаметра корпуса, коаксиально установленной в корпусе устройства, лопасти выполнены в виде криволинейных пластин, ограниченных четырьмя кромками: входной, выходной, внешней и внутренней боковыми кромками, и прикреплены к цилиндрическим поверхностям втулки и корпуса внутренними и внешними боковыми кромками, соответственно, при этом входные кромки выполнены прямолинейными и ориентированы радиально к оси втулки, а выходные кромки выполнены в форме зигзага и имеют протяженность, более чем в 2 раза превышающую протяженность входной кромки. Угол 
между касательной к лопасти на уровне выходной кромки в каждой ее точке и осью втулки может быть определен в соответствии со следующим соотношением
где безразмерный коэффициент К равен 1-3, r - расстояние от точки измерения угла α до оси втулки (и, соответственно, оси смесителя), R - радиус корпуса смесителя, 
- безразмерный параметр миксера, равный 0.01-0.5, определяющий, вместе с коэффициентом K, конечный размер пузырьков и потери давления.
Лопасти смесителя (форма пластины лопасти) полностью описываются следующим параметрическим уравнением в цилиндрических координатах:
где z - расстояние от входной кромки до данной точки поверхности лопасти, 
- высота смесителя (соответствует расстоянию от входной до выходной кромки лопастей), 
- радиус втулки, 
- расстояние от оси втулки до данной точки поверхности лопасти, 
R радиус корпуса смесителя. Данное уравнение позволяет определить координаты каждой точки поверхности каждой лопасти. Высота смесителя z выбрана с обеспечением возможности разрыва пузырьков до заданного минимально возможного размера и может быть определена из следующего соотношения:
Высота смесителя 
и количество лопастей 
связаны следующим соотношением
где коэффициент 
составляет от 0.1 до 0.3, R - расстояние от оси втулки до внешней боковой кромки. Центральная втулка имеет верхнее и нижнее скругления, преимущественно, параболической формы.
Краткое описание чертежей
Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами и иными графическими материалами, где
На фиг. 1 представлено изображение модели смесителя (без внешнего цилиндрического корпуса),
На фиг. 2 представлен вид сверху на модель, приведенную на фиг. 1, где показана разнонаправленность потока в разных точках объема смесителя.
На фиг. 3а-3д представлены сечения заявляемого устройства плоскостью, перпендикулярной оси смесителя на различных высотных уровнях, демонстрирующие увеличение амплитуды изгиба плоскости лопасти от входной кромки к выходной, а именно: на фиг. 3а представлено сечение на уровне входных кромок лопастей, на фиг. 3б представлено сечение на уровне 0,25 высоты корпуса смесителя, на фиг. 3в представлено сечение на уровне 0,5 высоты корпуса смесителя, на фиг. 3г представлено сечение на уровне 0,75 высоты корпуса смесителя, на фиг. 3д представлено сечение на уровне выходных кромок лопастей,
На фиг. 4а-4в представлены изображения отливок смесителя заявляемой конструкции, а именно: на фиг. 4а представлен общий вид, на фиг. 4б представлен вид сверху, со стороны выходных кромок, на фиг. 4в представлен вид снизу, со стороны входных кромок.
На фиг. 5 представлен график, демонстрирующий снижение падения давления газожидкостного потока в трубопроводе после заявляемого смесителя (синий, нижний график) и после смесителя известного типа (SMV) (красный, верхний график),
На фиг. 6а-6б представлены фото, демонстрирующие размер пузырьков в потоке до смесителя и после его прохождения,
На фиг. 7а-7в представлены результаты проведения измерений падения давления, среднего размера пузырьков до миксера и после миксера для различных входных параметров.
Позициями на чертежах обозначены:
1. цилиндрический корпус,
2. центральная втулка,
3. лопасть,
4. входная кромка лопасти,
5. выходная кромка лопасти,
6. внешняя боковая кромка лопасти,
7. внутренняя боковая кромка лопасти,
8. зона входа газожидкостного потока,
9. зона выхода дегазированного потока,
10. скругления центральной втулки.
Осуществление изобретения
При создании смесителя заявляемой конструкции проведены исследования по определению конструктивных параметров корпуса смесителя, а также оптимальной формы лопастей смесителя, места и частоты их расположения внутри корпуса смесителя, которые позволят достичь заявленный технический результат.
1. Для обеспечения функциональной возможности предотвращения закручивания потока в объеме смесителя рассматривали профиль скоростей на выходе из смесителя:
где 
- азимутальная составляющая скорости потока,
Статический миксер не будет закручивать поток при условии, что суммарный момент импульса сечения L будет равен 0:
где 
- плотность жидкости газожидкостного потока, 
- радиус центральной втулки, 
- радиус корпуса устройства (в общем случае он равен радиусу трубопровода, в который устанавливается смеситель), m - масса жидкости.
Установлено, что 
, если 
меняет знак, т.е., в зависимости от радиального расстояния до центра устройства частицы потока вращаются в разные стороны.
Таким образом, если , то на определенном расстоянии от корпуса устройства за счет вязкости и турбулентного перемешивания угловая скорость потока станет равна 0 по всему сечению смесителя. Для того, чтобы определить, на каком расстоянии от корпуса смесителя будет достигнуто указанное равенство, было решено уравнение диффузии для завихренности:
где 
- завихренность, 
- коэффициент вязкости с учетом турбулентной составляющей, t - время.
В результате, была получена оценка характерного расстояния 
, на котором поток можно считать невращающимся:
где R - радиус корпуса смесителя, λ - безразмерный параметр смесителя, равный 0.01-0.5).
Таким образом, регулировка данного параметра позволяет обеспечить контроль за скоростью и степенью завихренности газожидкостного потока.
2. Разрыв пузырьков газа в процессе прохождения газожидкостного потока между лопастями смесителя обеспечивается за счет разности скоростей различных точек поверхности пузырька, что приводит к его деформации и, в конечном счете, к разрыву. Предельный размер пузырька после прохождения статического смесителя (миксера) был определен, исходя из тензора скоростей деформации, характеризующего скорость изменения расстояния между двумя соседними точками. Посредством определенных математических преобразований и вычислений был определен предельный размер (диаметр) пузырька 
, который проходит через статический смеситель, не разрываясь (иначе говоря, предельный диаметр пузырьков, до размера которого могут быть раздроблены более крупные пузырьки при прохождении через статический смеситель):
где 
- критическое число Вебера (
1.2), 
- коэффициент поверхностного натяжения жидкости, 
- плотность жидкости, 
- эффективный градиент скорости. В результате установлено, что для воды (а также для других маловязких жидкостей с вязкостью до 10 значений вязкости воды) при скорости потока 1 м/с такой размер (диаметр) пузырьков составляет 0,7 мм.
3. Для того, чтобы пузырьки газа, пройдя смеситель в составе газожидкостной смеси с высоким градиентом скоростей, успели разорваться и достичь указанного выше предельного диаметра, необходимо обеспечить достаточную длину (высоту) корпуса смесителя. Пузырек разрывается, если он растягивается до определенной степени, за счет неустойчивости Рэлея-Плато (значение капиллярной неустойчивости - 
:
Посредством математических преобразований и вычислений данное соотношение определено, как равное
Затем было определено, какой длины должен быть статический миксер, чтобы пузырек растянулся до длины b, достижение которой обеспечит возможность разрыва пузырька.
Таким образом, установлены основные параметры корпуса смесителя, совокупность которых способствует дроблению пузырьков газа до предельного диаметра: значение градиента скоростей, при котором минимизируется возможность завихрения газожидкостного потока, собственно, значение предельного диаметра пузырьков, и высота корпуса смесителя, по прохождении которого пузырьки достигнут своих предельных диаметров.
Для обеспечения максимального эффекта дробления пузырьков с минимальными потерями давления потока была разработана система лопастей, обеспечивающих многократное перенаправление потока, приводящее к сталкиванию отдельных пузырьков, их последующей деформации и дроблению до размеров, определенных выше.
Оптимальная форма поверхности лопасти определяется следующим соотношением, характеризующим угол на выходной кромке в зависимости от расстояния от точки его измерения до оси смесителя:
где безразмерный коэффициент К равен 1-3, При этом высота смесителя , необходимая и достаточная для дробления пузырьков до размера , может быть определена из соотношения:
где коэффициент составляет от 0.1 до 0.3, 
.
Смеситель в общем случае выполнен в виде открытого цилиндрического корпуса 1 радиусом R и высотой , внутри которого установлена центральная, преимущественно, цилиндрическая втулка 2, по боковой поверхности которой закреплены неподвижные лопасти 3. Корпус выполнен с возможностью встраивания в трубопровод (не имеет торцевых стенок или сужений). Втулка имеет верхнее и нижнее скругления 10, преимущественно, параболической формы. Высота цилиндрической части втулки примерно равна высоте корпуса, а верхнее и нижнее скругления выступают за его пределы по высоте. Скругления способствуют снижению степени турбулизации проходящего потока и предотвращают образование застойных зон на острых углах. Радиус центральной втулки Rhub составляет 0.25-0.4 радиуса корпуса R. Чем меньше радиус втулки, тем меньше минимальное расстояние между лопастями на уровне выходной кромки, в результате чего усложняется технология изготовления такого смесителя (такой миксер тяжело напечатать или отлить). Чем больше радиус втулки, тем больше вероятность образования за втулкой застойной зоны, а также увеличения потерь давления потока.
Между корпусом смесителя и центральной втулкой закреплены лопасти, обеспечивающие перенаправление потока. Также лопасти обеспечивают фиксацию втулки внутри корпуса смесителя. Каждая лопасть представляет собой сложно изогнутую криволинейную пластину, ограниченную четырьмя кромками - входной 4 и выходной 5 (по направлению перемещения потока), а также внешней 6 и внутренней 7 боковыми кромками, сопряженными, соответственно, с внутренней боковой поверхностью корпуса и внешней боковой цилиндрической поверхностью центральной втулки. Входные кромки выполнены прямолинейными, ориентированы радиально и имеют протяженность, равную разности радиусов корпуса смесителя и втулки. Внутренняя боковая кромка также выполнена прямолинейной и ориентирована по боковой поверхности центральной втулки соосно с ее осью.
Внешняя боковая кромка выполнена изогнутой и описывается следующим параметрическим уравнением:
где z - расстояние от входной кромки до данной точки, 
- высота миксера (от входной до выходной кромки лопастей), - радиус втулки, - расстояние от оси втулки до данной точки, 
R - расстояние от оси втулки до внешней боковой кромки, безразмерный коэффициент К равен 1-3, - безразмерный параметр миксера, равный 0.01-0.5, определяющий, вместе с коэффициентом K, конечный размер пузырьков и потери давления. Точка пересечения внешней боковой кромки и выходной кромки смещена относительно точки пересечения внешней боковой кромки и входной кромки в проекции на плоскость осевого сечения устройства на угол
Выходная кромка лопасти представляет собой многократно изогнутую в форме зигзага линию, описываемую следующим уравнением
За счет такой формы выходной кромки вся поверхность лопасти выполнена криволинейной, волнообразно изгибающейся с увеличением амплитуды изгиба от входной к выходной кромке относительно радиальной секущей плоскости, проходящей через входную и внутреннюю боковую кромки. При этом протяженность выходной кромки за счет зигзагообразной формы превышает протяженность входной кромки примерно в 2-5 раз.
Таким образом, в проекции смесителя на плоскость, перпендикулярную оси смесителя, лопасти полностью перекрывают пространство от внутренних до внешних боковых кромок лопастей.
Количество лопастей выбрано с обеспечением достаточного для дробления пузырьков градиента скоростей, линейно связано с радиусом корпуса смесителя и обратно пропорционально значению его (корпуса) высоты 
.
Корпусные детали и лопасти смесителя могут быть изготовлены из АБС-пластика с использованием аддитивных технологий, например, с использованием печати на 3D принтере. Возможно также их изготовление из химически инертных металлов с кратным уменьшением толщины лопастей относительно напечатанных из пластика, при этом кратность определяется соотношением прочностных характеристик АБС-пластика и соответствующего металла. Толщина лопастей определяется требованиями к прочностным характеристикам изделия. Так, лопасти смесителя, напечатанного из пластика, будут отгибаться и отламываться под действием потока при толщине менее 1 мм, в то же время, при изготовлении лопастей, например, из нержавеющей стали, при толщине лопастей 1 мм они уже не будут деформироваться.
Статический смеситель может быть установлен в трубопровод или участок ферментационной установки, предназначенной для непрерывного культивирования микроорганизмов, включающей устройства, обеспечивающие функционирование замкнутого цикла культивирования микроорганизмов, соединенные в технологической последовательности. При этом статические смесители заявляемой конструкции, как правило, устанавливают на разных участках ферментационной установки для обеспечения равномерности газожидкостной фазы по всему объему установки.
При установке смесителя, например, в трубопровод ферментационной установки придерживаются следующей последовательности действий.
Предварительно определяют физико-химические характеристики транспортируемой среды - вязкость и поверхностное натяжение жидкости газожидкостного потока. Данные сведения необходимы для определения требуемого градиента скоростей, определения предельного диаметра пузырьков и высоты корпуса смесителя. На основании известного значения диаметра трубопровода определяют диаметр втулки, затем количество и форму поверхности лопастей. Посредством, например, 3Д печати изготавливают втулку с лопастями, которые устанавливают в корпус смесителя. Собранную таким образом конструкцию монтируют в трубопровод установки.
Статический миксер работает следующим образом.
После монтажа устройства в трубопровод, например, петлевого реактора, инициируют циклическое перемещение газожидкостного потока с целью культивирования в нем микроорганизмов. Транспортируемый поток имеет заранее известные характеристики (объем жидкостной фазы, объем газовой фазы, состав, плотность, вязкость, скорость потока).
Поток газожидкостной смеси проходит через статический смеситель между его лопастями. При этом за счет сложной формы лопастей в каждой точке потока по всему объему смесителя вектор скорости направлен в разные стороны, в результате чего в зависимости от расстояния от оси втулки поток закручивается в разные стороны. За счет этого на выходе из смесителя создается существенный градиент скорости потока на поверхности каждого пузырька, который обеспечивает разрыв пузырьков, как было показано выше. При этом высоты корпуса смесителя достаточно для того, чтобы указанный градиент был достигнут, а размер пузырьков был уменьшен посредством их деформации и разрыва до предельного значения. За счет того, что в целом форма и поверхности деталей смесителя выполнены обтекаемыми, падение давления на выходе из заявляемого смесителя существенно меньше, чем у смесителей (миксеров) данного типа. Угол наклона поверхности лопастей меняется постепенно и достаточно медленно, в результат чего уменьшается падение давления на единицу длины. Падение давления на заявляемом смесителе может быть определено по формуле:
где - плотность жидкости , 
- средняя скорость потока, 
- количество лопастей, безразмерный коэффициент К равен 1-3, - безразмерный параметр миксера, равный 0.01-0.5, - радиус трубы, - высота миксера, определяемая формулой (10).
Пример конкретного выполнения
В качестве опытного образца были изготовлены статические миксеры для установки в трубопровод ферментера диаметром 22 см, обеспечивающего циркуляцию культуральной жидкости с вязкостью 0.001 Па*с и поверхностным натяжением 0.08 Н/м.
Размер пузырьков на выходе из миксера определялся путем фотографирования их через прозрачную трубу и дальнейшего измерения программными средствами (CV/ фиг. 6а-6б). При скорости потока 1 м/с был получен характерный размер пузырьков 1,15-1,18 мм на выходе из миксера (фиг. 7а, 7б, 7в).
Так, на фиг. 7а представлены данные о размере пузырьков до и после миксера в зависимости от расстояния до миксера. Реализация на трубе с диаметром D=22 см. При скорости 0.9 м/с падение давления составило 1,53 кПа, средний размер пузырьков до миксера составлял 2 мм, после миксера - 1.15 мм.
На фиг. 7б представлены данные о размере пузырьков до и после миксера в зависимости от расстояния до миксера. Реализация на трубе с D=22 см. При скорости 0.87 м/с падение давления составило 1.7 кПа, средний размер пузырьков до миксера 2.5 мм, после миксера - 1.24 мм. При скорости 1 м/с падение давления составило 2.1 кПа, средний размер пузырьков до миксера 2 мм, после миксера - 0.64 мм.
На фиг. 7в представлены данные о размере пузырьков до и после миксера в зависимости от расстояния до миксера. Реализация на трубе с D=5 см, при скорости 1,16 м/с падение давления составило 2,1 кПа, средний размер пузырьков до миксера 2.5 мм, после миксера - 1.18 мм.
Табл. 1
| D трубы, см | Высота миксера, см | Nbl | Диаметр втулки, см | K |
 |
Скорость, м/с | Падение давления, кПа | Размер пузырьков на выходе из смесителя, мм | |
| 22 | 5.5 | 8 | 5 | 2.5 | 0.05 | 0.9 | 1,53 | 1.15 | Фиг. 7а |
| 22 | 5.5 | 8 | 5 | 2.5 | 0.05 | 0.5 | 0,7 | 1.85 | |
| 22 | 4.5 | 8 | 5 | 3 | 0.08 | 0.87 | 1,7 | 1,24 | Фиг. 7б |
| 22 | 4.5 | 8 | 5 | 3 | 0.08 | 1 | 2,1 | 0,64 | |
| 5 | 2.3 | 6 | 2 | 3.5 | 0.1 | 0,75 | 1,4 | <1,52 | Фиг. 7в |
| 5 | 2.3 | 6 | 2 | 3.5 | 0.1 | 1 | 2,1 | 0,44 | |
| 5 | 2.3 | 6 | 2 | 3.5 | 0.1 | 1,16 | 2,6 | <1,18 | |
| 5 | 2.3 | 6 | 2 | 3.5 | 0.1 | 1,36 | 3,2 | <0,87 |
Было произведено сравнение падения давления на SMV-миксере и на рассмотренной модели миксера. Установлено, что смеситель заявляемой конструкции обеспечивает меньшее падение давления, чем известные аналоги, в частности, результаты измерения падения давления приведены в табл. 1.
Claims (6)
1. Статический смеситель, выполненный с обеспечением градиента скоростей частиц потока и возможностью встраивания в трубопровод, включающий цилиндрический корпус, внутри которого неподвижно установлены лопасти, обеспечивающие дробление пузырьков газожидкостной смеси, отличающийся тем, что он снабжен центральной коаксиально установленной в корпусе устройства цилиндрической втулкой диаметром, не превышающим 0,5 диаметра корпуса, а лопасти выполнены в виде криволинейных пластин, ограниченных четырьмя кромками: входной, выходной, внешней и внутренней боковыми кромками, и закреплены к цилиндрическим поверхностям втулки и корпуса внутренними и внешними боковыми кромками соответственно, при этом входные кромки выполнены прямолинейными и ориентированы радиально к оси втулки, а выходные кромки выполнены в форме зигзага и имеют протяженность, превышающую протяженность входной кромки в 2-5 раз.
2. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что угол α между касательной, проведенной к лопасти на уровне выходной кромки в каждой ее точке, и осью втулки определяется в соответствии со следующим соотношением 
где безразмерный коэффициент К равен 1-3, r - расстояние от точки измерения угла α до оси втулки, R - радиус корпуса смесителя, 
- безразмерный параметр, равный 0,01-0,5.
3. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что форма пластин лопасти смесителя описана параметрическим уравнением в цилиндрических координатах: 
где z - расстояние от входной кромки до определенной точки пластины лопасти, zm - высота смесителя, Rhub - радиус втулки, r - расстояние от оси втулки до определенной точки пластины лопасти, R - радиус корпуса смесителя.
4. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что высота смесителя z выбрана с обеспечением возможности разрыва пузырьков до заданного размера и определена следующим соотношением: 
, где А - коэффициент, равный 5-20.
5. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что высота смесителя z и количество лопастей Nbl связаны следующим соотношением Nbl = k R/zm, где коэффициент k составляет от 0,1 до 0,3.
6. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что центральная втулка имеет верхнее и нижнее скругления преимущественно параболической формы.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020139442A RU2759628C1 (ru) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | Статический смеситель для дробления пузырьков газа в газожидкостной смеси |
| PCT/RU2021/050402 WO2022119477A1 (ru) | 2020-12-01 | 2021-11-30 | Статический смеситель для дробления пузырьков газа в газожидкостной смеси |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020139442A RU2759628C1 (ru) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | Статический смеситель для дробления пузырьков газа в газожидкостной смеси |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2759628C1 true RU2759628C1 (ru) | 2021-11-16 |
Family
ID=78607224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020139442A RU2759628C1 (ru) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | Статический смеситель для дробления пузырьков газа в газожидкостной смеси |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2759628C1 (ru) |
| WO (1) | WO2022119477A1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU952308A2 (ru) * | 1981-01-06 | 1982-08-23 | Научно-Исследовательский И Проектно-Конструкторский Институт Целлюлозного Машиностроения Петрозаводского Машиностроительного Производственного Объединения Им.В.И.Ленина | Статический смеситель |
| RU2325221C2 (ru) * | 2003-09-05 | 2008-05-27 | Чаоянь ЛЮ | Использование трехмерного перекрестного дивертера в качестве элемента трубы, барабана или башни |
| CN100438961C (zh) * | 2004-02-16 | 2008-12-03 | 风神有限公司 | 混搅部件以及使用混搅部件的静止型流体混合器 |
| RU2434673C2 (ru) * | 2006-05-15 | 2011-11-27 | Зульцер Хемтех Аг | Статический смеситель |
| EA021469B1 (ru) * | 2009-03-31 | 2015-06-30 | Норск Хюдро Аса | Способ и смесительная установка для перемешивания сыпучих материалов с широким распределением частиц по размерам |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2550370C2 (ru) * | 2011-05-11 | 2015-05-10 | Альстом Текнолоджи Лтд | Центробежная форсунка с выступающими частями |
-
2020
- 2020-12-01 RU RU2020139442A patent/RU2759628C1/ru active
-
2021
- 2021-11-30 WO PCT/RU2021/050402 patent/WO2022119477A1/ru active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU952308A2 (ru) * | 1981-01-06 | 1982-08-23 | Научно-Исследовательский И Проектно-Конструкторский Институт Целлюлозного Машиностроения Петрозаводского Машиностроительного Производственного Объединения Им.В.И.Ленина | Статический смеситель |
| RU2325221C2 (ru) * | 2003-09-05 | 2008-05-27 | Чаоянь ЛЮ | Использование трехмерного перекрестного дивертера в качестве элемента трубы, барабана или башни |
| CN100438961C (zh) * | 2004-02-16 | 2008-12-03 | 风神有限公司 | 混搅部件以及使用混搅部件的静止型流体混合器 |
| RU2434673C2 (ru) * | 2006-05-15 | 2011-11-27 | Зульцер Хемтех Аг | Статический смеситель |
| EA021469B1 (ru) * | 2009-03-31 | 2015-06-30 | Норск Хюдро Аса | Способ и смесительная установка для перемешивания сыпучих материалов с широким распределением частиц по размерам |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022119477A1 (ru) | 2022-06-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1324819B1 (en) | Process of making an in-line mixing apparatus | |
| JP4833522B2 (ja) | 静的ミキサ | |
| WO1994005413A1 (en) | Method and apparatus for mixing fluids | |
| Luo et al. | Micromixing efficiency of a novel helical tube reactor: CFD prediction and experimental characterization | |
| AU2007239074A1 (en) | Device and method for creating hydrodynamic cavitation in fluids | |
| AU2001273957B2 (en) | Static mixing element | |
| US6467949B1 (en) | Static mixer element and method for mixing two fluids | |
| Abiev et al. | Pulsating flow type apparatus: Energy dissipation rate and droplets dispersion | |
| Rayner | Scales and forces in emulsification | |
| RU2759628C1 (ru) | Статический смеситель для дробления пузырьков газа в газожидкостной смеси | |
| Li et al. | The coupled mixing action of the jet mixer and swirl mixer: An novel static micromixer | |
| Bayer et al. | Don't be baffled by static mixers: how to select and size the correct static mixer.(Feature Report) | |
| US20010006611A1 (en) | Modular reactor system allowing control of particle size during chemical precipitation | |
| Luo et al. | Experimental investigations of liquid-liquid dispersion in a novel helical tube reactor | |
| US20120236678A1 (en) | Compact flow-through nanocavitation mixer apparatus with chamber-in-chamber design for advanced heat exchange | |
| CN216703990U (zh) | 一种涡流式液体原料在线静态混合器 | |
| KR102608001B1 (ko) | 유체 혼합 장치 | |
| CN107551967B (zh) | 用于微反应器的微通道装置 | |
| JP3737003B2 (ja) | 多相流体混合方法及び装置 | |
| WO2016166771A1 (en) | Continuous micro mixer | |
| JP7396141B2 (ja) | 混合器 | |
| Rodgers et al. | Rotor-stator mixers | |
| RU217762U1 (ru) | Диафрагмовый смеситель | |
| RU2336938C2 (ru) | Смеситель-диспергатор | |
| KR102356090B1 (ko) | 스테틱 믹서 |