UA124851C2

UA124851C2 - ROTARY APPARATUS FOR OBTAINING HIGHLY DISPERSED LIQUID MEDIA

Info

Publication number: UA124851C2
Application number: UAA201909507A
Authority: UA
Inventors: Олексій Іванович Шматок; Тетяна Леонідівна Грабова
Original assignee: Інститут Технічної Теплофізики Національної Академії Наук України
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2021-12-01

Abstract

Винахід належить до роторного апарата для отримання високодисперсних рідинних середовищ. Роторний апарат містить циліндричний корпус з вхідною ємністю і вихідним патрубком, всередині якого розміщені коаксіально до осі вала статор і ротори, що виконані у вигляді циліндрів з повздовжніми прямокутними прорізами на бокових поверхнях. Згідно з винаходом, вхідна ємність має конусність від 1:1,5 до 1:2,2. На вході у робочу камеру апарата встановлено дисково-циліндричний ротор, дискова частина якого має 6…12 прорізів, що розташовані радіально у площині диска та виконані під кутом 30°…70° за ходом та до площини обертання. Циліндрична частина ротора утворена 12…24 лопатями у формі паралелепіпедів зі співвідношенням висоти і ширини від 2 до 6, бокові поверхні яких виконані під кутом 50°…80° до напрямку обертання. Технічний результат: підвищення ефективності при зниженні питомих енерговитрат, розширення функціональних можливостей апарата.The invention relates to a rotary apparatus for producing highly dispersed liquid media. The rotary apparatus includes a cylindrical housing with an inlet tank and an outlet pipe, inside which are placed coaxially to the axis of the shaft stator and rotors made in the form of cylinders with longitudinal rectangular slots on the side surfaces. According to the invention, the inlet tank has a taper of from 1: 1.5 to 1: 2.2. At the entrance to the working chamber of the device there is a disk-cylindrical rotor, the disk part of which has 6… 12 slots, located radially in the plane of the disk and made at an angle of 30 °… 70 ° along and up to the plane of rotation. The cylindrical part of the rotor is formed by 12… 24 blades in the form of parallelepipeds with a ratio of height and width from 2 to 6, the side surfaces of which are made at an angle of 50 °… 80 ° to the direction of rotation. EFFECT: increased efficiency while reducing specific energy consumption, expanding the functionality of the device.

Description

Винахід належить до технологій отримання високодисперсних рідинних середовищ і може бути використаний у фармацевтичній, харчовій, хімічній, мікробіологічній, парфумерно- косметичній та інших галузях промисловості.The invention belongs to the technologies of obtaining highly dispersed liquid media and can be used in the pharmaceutical, food, chemical, microbiological, perfumery and cosmetic and other industries.

До відомих пристроїв для отримання дисперсних систем належать роторно-пульсаційні апарати проточного типу |див., наприклад, патенти МоМе 05 2016/0271575 А1, и52016/9278322 82, ЕР 1997/0801974 АТ, ЕР 2009/2001581 В1, М/О 2014/189479 АТ, ОА 2003/57614, ОА 2004/67526, ОА 2016/106554, ОА 2013/101263), які переважно складаються з циліндричного корпусу з кришкою з вхідним патрубком, всередині якого розташовані робочі елементи у вигляді роторно-статорних пар (циліндричних або дискових). Ротор і статор у таких пристроях встановлені коаксіально з певним зазором і повністю або частково перфоровані, або мають наскрізні прорізи. Вихід оброблюваного продукту здійснюється у радіальному напрямку через перфорації. Для підвищення ефективності обробки та здійснення подачі середовища в зону обробки на валу ротора встановлюють крильчатки з різними формами лопатей. За допомогою таких апаратів можливо одержувати високодисперсні суспензії, емульсії, пасти, мазі, креми.Known devices for obtaining dispersed systems include flow-type rotor-pulsation devices | see, for example, MoMe patents 05 2016/0271575 A1, и52016/9278322 82, ER 1997/0801974 AT, ER 2009/2001581 B1, M/O 2014/ 189479 JSC, OA 2003/57614, OA 2004/67526, OA 2016/106554, OA 2013/101263), which mainly consist of a cylindrical body with a lid with an inlet pipe, inside which are located working elements in the form of rotor-stator pairs (cylindrical or disk). The rotor and stator in such devices are installed coaxially with a certain gap and are completely or partially perforated or have through slots. The output of the processed product is carried out in the radial direction through perforations. Impellers with different blade shapes are installed on the rotor shaft to increase the processing efficiency and supply the medium to the processing zone. With the help of such devices, it is possible to obtain highly dispersed suspensions, emulsions, pastes, ointments, creams.

Однак принцип, закладений в основу їх роботи, має ряд технічних недоліків. Так, вплив на оброблюване середовище у багатоступеневих апаратах створює великий гідродинамічний опір системи в цілому, що обумовлює великі витрати енергії і зношування робочих елементів, не дозволяє реалізувати ефекти гідродинамічної кавітації та пригнічує вихроутворення. Зазвичай конструкції апаратів містять надлишкові функціональні елементи або для реалізації технології залучається додаткове обладнання, що збільшує витрати енергії.However, the principle underlying their work has a number of technical drawbacks. Thus, the influence on the processed environment in multi-stage devices creates a large hydrodynamic resistance of the system as a whole, which causes large energy consumption and wear of working elements, prevents the realization of the effects of hydrodynamic cavitation and inhibits the formation of vortices. Usually, the designs of the devices contain redundant functional elements or additional equipment is involved for the implementation of the technology, which increases energy consumption.

Найбільш близьким за технічною суттю і результатом є роторно-пульсаційний апарат для обробки високов'язких висококонцентрованих середовищ у вертикальному виконанні, який містить циліндричний корпус з вхідним і вихідним патрубками. Всередині корпусу апарата встановлено ніж з прямокутними лопатями і два циліндричних ротори, між якими знаходиться статор з прямокутними прорізами на бокових поверхнях, що коаксіально встановлені на осі валаThe closest in terms of technical essence and result is a rotary-pulsation apparatus for processing highly viscous highly concentrated media in a vertical design, which contains a cylindrical body with inlet and outlet nozzles. A knife with rectangular blades and two cylindrical rotors are installed inside the body of the device, between which there is a stator with rectangular slots on the side surfaces, which are coaxially installed on the axis of the shaft

ІОА 65400, ВО1Е 7/02, опубл. 15.02.2006, Бюл. Мо 21.IOA 65400, VO1E 7/02, publ. 02/15/2006, Bull. May 21.

Апарат працює наступним чином. Компоненти середовища, що оброблюються, завантажуються у конусоподібний бункер, захоплюються ножем та проходять у роторно- статорний простір, де піддаються дії пульсацій знакозмінних перепадів тиску, високоградієнтних течій в міжциліндрових зазорах, а також великих градієнтів зсувних напружень.The device works as follows. The components of the environment to be processed are loaded into a cone-shaped hopper, captured by a knife and pass into the rotor-stator space, where they are exposed to the effects of pulsations of sign-changing pressure drops, high-gradient flows in the inter-cylinder gaps, as well as large shear stress gradients.

Основними недоліками відомого роторно-пульсаційного апарата є те, що при гравітаційному завантаженні у бункер компонентів високодисперсної системи процес отримання гомогенного продукту ускладнюється через налипання на стінках бункера дисперсної фази та її скупчення на "дзеркалі" середовища. Крім того, агрегати із дисперсних частинок "залягають" у застійних зонах у стакані-камері апарата і насосного ефекту недостатньо для транспортування агрегатів крізь прорізи циліндричних роторів та статора. Гідродинамічні ефекти в такому апараті обмежуються геометрією статора і роторів апарата та швидкістю їх обертання на рівні 2820 об./хв. Це унеможливлює його застосування для обробки середовищ із більш широким діапазоном фізико-хімічних властивостей і, тим самим, звужує його функціональні можливості й галузі застосування.The main disadvantages of the known rotary-pulsation apparatus are that when the components of a highly dispersed system are loaded into the hopper by gravity, the process of obtaining a homogeneous product is complicated by the dispersion phase sticking to the walls of the hopper and its accumulation on the "mirror" of the medium. In addition, aggregates of dispersed particles "lie down" in stagnant zones in the cup-chamber of the apparatus, and the pumping effect is not sufficient to transport the aggregates through the slots of the cylindrical rotors and stator. Hydrodynamic effects in such a device are limited by the geometry of the stator and rotors of the device and their speed of rotation at the level of 2820 rpm. This makes it impossible to use it for the treatment of environments with a wider range of physical and chemical properties and, thereby, narrows its functional capabilities and fields of application.

В основу винаходу поставлена задача вдосконалення роторного апарата шляхом встановлення на вході до робочої камери дисково-циліндричного ротора та виконання вхідної ємності з конусністю від 1:1,5 до 1:2,2, що дозволить забезпечити самоочищення поверхонь від налипання компонентів середовища, мінімізувати застійні зони, покращити змочування високодисперсної фази та запобігти розшаруванню продукту, і як наслідок підвищити ефективність роботи апарата при зниженні питомих енерговитрат.The invention is based on the task of improving the rotary device by installing a disk-cylindrical rotor at the entrance to the working chamber and making the input container with a taper from 1:1.5 to 1:2.2, which will allow self-cleaning of surfaces from sticking of medium components, minimize stagnant zones, improve the wetting of the highly dispersed phase and prevent product delamination, and as a result, increase the efficiency of the device while reducing specific energy consumption.

Поставлена задача вирішується тим, що в роторному апараті для отримання високодисперсних рідинних середовищ, що містить циліндричний корпус, з вхідною ємністю і вихідним патрубками, всередині якого розміщені коаксіально до осі вала статор і ротори, що виконані у вигляді циліндрів 3 повздовжніми прямокутними прорізами на бокових поверхнях, згідно з винаходом, вхідна ємність має конусність від 1:1,5 до 1:2,2, на вході у робочу камеру апарата встановлено дисково-циліндричний ротор, дискова частина якого має 6...12 прорізів, що розташовані радіально у площині диска та виконані під кутом 307...707" за ходом та до площини обертання, а циліндрична частина утворена 12...24 лопатями у формі паралелепіпедів зі співвідношенням висоти і ширини від 2 до 6, бокові поверхні яких виконані під кутом 507...807 до напрямку обертання.The task is solved by the fact that in the rotor apparatus for obtaining highly dispersed liquid media, which contains a cylindrical body, with an inlet tank and outlet nozzles, inside which the stator and rotors, which are made in the form of cylinders with 3 longitudinal rectangular slits on the side surfaces, are placed coaxially to the axis of the shaft , according to the invention, the input capacity has a conicity from 1:1.5 to 1:2.2, a disk-cylindrical rotor is installed at the entrance to the working chamber of the device, the disk part of which has 6...12 slots located radially in the plane disk and are made at an angle of 307...707" along the course and to the plane of rotation, and the cylindrical part is formed by 12...24 blades in the form of parallelepipeds with a ratio of height and width from 2 to 6, the side surfaces of which are made at an angle of 507.. .807 to the direction of rotation.

Враховуючи той факт, що процес отримання високодисперсних систем є нестаціонарним з точку зору гідродинамічних параметрів потоку рідинного середовища, що обумовлює ефекти, бо які виникають у середовищі в апараті, передбачено можливість варіювання кутовою швидкістю обертання роторів в межах 100...1200 рад/с. Це створює умови для вибору оптимальних гідродинамічних параметрів у середовищі, що обробляється.Taking into account the fact that the process of obtaining highly dispersed systems is non-stationary from the point of view of the hydrodynamic parameters of the flow of the liquid medium, which determines the effects that occur in the medium in the apparatus, it is possible to vary the angular speed of rotation of the rotors in the range of 100...1200 rad/s. This creates conditions for choosing optimal hydrodynamic parameters in the environment being processed.

Виконання ємності з конусністю від 1:1,5 до 1:2,2, яка приєднана безпосередньо до робочої камери апарата, в сукупності з низькочастотними коливаннями власної конструкції дозволяє уникнути налипанню на поверхні компонентів середовища, інтенсифікувати процес змочування високодисперсної фази у рідинному середовищі.The execution of a container with a taper from 1:1.5 to 1:2.2, which is connected directly to the working chamber of the apparatus, together with low-frequency oscillations of its own design, allows you to avoid sticking to the surface of the components of the medium, to intensify the process of wetting the highly dispersed phase in the liquid medium.

Конструктивне виконання дискової частини дисково-циліндричного ротора з 6...12 прорізами, що розташовані радіально у площині диска та виконані під кутом 30"...707 за ходом та до площини обертання, яка розташована на вході в робочу камеру апарата, забезпечує закручування потоку в конусній ємності, що призводить до інтенсивного перемішування компонентів середовища, забезпечує додатково невеликий насосний ефект, крім того, виконує роль фільтра для великих агрегатів і агломератів, та створює гідродинамічні передумови (градієнти тиску, зсувні напруги, турбулізацію потоку) їх первинного руйнування.The design of the disk part of the disk-cylindrical rotor with 6...12 slots located radially in the plane of the disk and made at an angle of 30"...707 along the stroke and to the plane of rotation, which is located at the entrance to the working chamber of the device, ensures twisting flow in a conical container, which leads to intensive mixing of the components of the medium, provides an additional small pumping effect, in addition, acts as a filter for large aggregates and agglomerates, and creates hydrodynamic prerequisites (pressure gradients, shear stresses, flow turbulence) for their primary destruction.

Виконання лопатей циліндричної частини дисково-циліндричного ротора у формі паралелепіпедів зі співвідношенням висоти і ширини від 2 до 6, при певній швидкості обертання ротора та режиму течії забезпечує високочастотні коливання лопатей, які генерують інтенсивні мікромасштабні турбулентні пульсації у потоці.The execution of the blades of the cylindrical part of the disk-cylindrical rotor in the form of parallelepipeds with a ratio of height and width from 2 to 6, at a certain speed of rotation of the rotor and flow regime, provides high-frequency oscillations of the blades, which generate intense micro-scale turbulent pulsations in the flow.

Циліндрична частина утворює ще одну роторно-статорну пару з наступним циліндричним статором, що дає можливість створити істотні зсувні напруження в міжциліндровому зазорі, різкий перепад тиску і ударні хвилі при перекритті каналів ротора і статора.The cylindrical part forms another rotor-stator pair with the next cylindrical stator, which makes it possible to create significant shear stresses in the inter-cylinder gap, a sharp pressure drop and shock waves when the rotor and stator channels are blocked.

Бокові поверхні лопатей, які виконані під кутом (0) 507...807 до напрямку обертання, створюють додатковий насосний ефект в апараті, що забезпечує підвищення швидкості рециркуляції середовища. Прорізи між лопатями виконані з умовою, що живий переріз прилеглих поверхонь кожного зі статорних і роторних елементів апарата повинен бути однаковим, що дозволяє уникнути додаткового гідродинамічного опору.The side surfaces of the blades, which are made at an angle (0) 507...807 to the direction of rotation, create an additional pumping effect in the device, which ensures an increase in the speed of medium recirculation. The slots between the blades are made with the condition that the cross-section of the adjacent surfaces of each of the stator and rotor elements of the device must be the same, which avoids additional hydrodynamic resistance.

В сукупності це дозволяє інтенсифікувати процеси отримання однорідного за густиною та дисперсним складом готового продукту.All in all, this allows you to intensify the processes of obtaining a finished product that is uniform in density and dispersed composition.

Винахід, що заявляється, пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 - схематично показано загальний вигляд роторного апарата для отримання високодисперсних рідинних середовищ;The claimed invention is explained by the drawings, where Fig. 1 - schematically shows the general view of the rotary device for obtaining highly dispersed liquid media;

Зо Фіг. 2 - фрагмент поперечного розрізу А-А, який показано на Фіг. 1; Фіг. З - елементи роторного апарата.From Fig. 2 - a fragment of the cross section A-A, which is shown in Fig. 1; Fig. C - elements of the rotor apparatus.

Роторний апарат для обробки високодисперсних рідинних середовищ містить вхідну конусну ємність 1, яка приєднана безпосередньо до камери корпусу З роторного апарата з патрубком виходу оброблюваного середовища 4, дисково-циліндричного ротора 5, де дискова частина виконана з радіальними прорізами б та циліндрична частина утворена лопатями 7, циліндричний вузол з коаксіально встановленими статором 9 та ротором 10 з еквідистантно розташованими прорізами 11, які виконані з кроком а, з камери озвучування 12. Електропривід 13 з регулятором частоти обертання приводить до обертання вал 14, на якому встановлено ротори 5, 10. Аппарат розташований на опорній рамі 15.The rotary apparatus for processing highly dispersed liquid media contains an input conical container 1, which is connected directly to the chamber of the housing C of the rotary apparatus with a nozzle for the outlet of the treated medium 4, a disk-cylindrical rotor 5, where the disk part is made with radial slots b and the cylindrical part is formed by blades 7, a cylindrical assembly with a coaxially installed stator 9 and a rotor 10 with equidistantly located slits 11, which are made in step a, from the sounding chamber 12. The electric drive 13 with a speed controller rotates the shaft 14, on which the rotors 5, 10 are installed. The device is located on supporting frame 15.

Роторний апарат працює наступним чином.The rotary device works as follows.

Компоненти середовища гравітаційно завантажуються до конусної ємності 1, середовище, яке обробляється, потрапляє через прорізи 6 внутрішнього ротора 5 у камеру апарата 2, де піддається багатофакторному впливу в зонах нерухомих 9 та обертових 5, 10 елементів апарата. Через пази 8, прорізи 11 ї міжциліндрові зазори роторно-статорного вузла (5-9-10) середовище надходить до камери озвучування 12 і вилучається через вихідний патрубок 4, і, при необхідності, подається на рециркуляцію в конусну ємність 1. У апараті середовище, що обробляється, піддається дії гідроакустичних і вібраційних коливань, істотних пульсацій знакозмінних перепадів тиску, значних зсувних напружень, високоградієнтних течій.The components of the medium are gravitationally loaded into the conical container 1, the medium being processed enters through the slots 6 of the internal rotor 5 into the chamber of the apparatus 2, where it is subjected to multifactorial influence in the zones of the stationary 9 and rotating 5, 10 elements of the apparatus. Through the grooves 8, slots 11 and the inter-cylinder gaps of the rotor-stator unit (5-9-10), the medium enters the sounding chamber 12 and is removed through the outlet pipe 4, and, if necessary, is recirculated into the conical container 1. In the device, the medium, that is being processed is exposed to hydroacoustic and vibrational oscillations, significant pulsations of sign-changing pressure drops, significant shear stresses, high-gradient currents.

Запропонований роторний апарат для отримання високодисперсних рідинних середовищ є ефективним з точки зору гнучкості технологічного процесу, як для невеликих серійних виробництв, так і неперервних технологій, дозволяє з мінімальними витратами створювати нові якісні продукти.The proposed rotary device for obtaining highly dispersed liquid media is effective from the point of view of the flexibility of the technological process, both for small serial production and continuous technologies, it allows to create new high-quality products with minimal costs.

На запропонований роторний апарат розроблено технічну документацію. Виготовлений та пройшов випробування дослідний зразок. Випробування показали якість і високу продуктивність обробки високодисперсних середовищ.Technical documentation has been developed for the proposed rotorcraft. A prototype was produced and tested. The tests showed the quality and high productivity of processing highly dispersed media.

Claims

FORMULA OF THE INVENTION A rotary device for obtaining highly dispersed liquid media, which contains a cylindrical body with an inlet container and an outlet nozzle, inside which the stator and rotors are placed coaxially to the axis of the shaft, made in the form of cylinders with longitudinal rectangular slots on the side surfaces, which is distinguished by that the input capacity has a conicity from 1:1.5 to 1:2.2, a disc-cylindrical rotor is installed at the entrance to the working chamber of the device, the disc part of which has 6...12 slots located radially in the plane of the disc and made under with an angle of 30"7...70" along the course and to the plane of rotation, and the cylindrical part is formed by 12...24 blades in the form of parallelepipeds with a ratio of height and width from 2 to 6, the side surfaces of which are made at an angle of 50"7.. .807 to the direction of rotation. 559 Introduction of components 2 -K/ she ! ; E 153 5 le Z) / / і Ko E K. х Бій Я х іч рін ше ш і II ah y. and A: A M PV bno A Exit KO cy, y Y d bo: kytsi SHI I )shh nya KORITA and Keks Bars E she more SHE I I PV eh v y TYA same; s: 14 neck; 4 The best in I Voik-LY GU M i zve ; OO TEKE MECCA I 15 se. D NI NI and Y ni nin av she) b and SHE ah etkk fu . And the 8th century. e I

Co. M OH N g he i le i t v : i Sl sho g ! --x8 13

Fig. 1