Роторно-пульсационный аппарат для получения преимущественно систем "жидкость - жидкость"

Роторно-пульсационный аппарат для получения преимущественно систем "жидкость - жидкость"

Реферат

Изобретение относится к оборудованию для получения дисперсных систем, преимущественно "жидкость - жидкость", и может быть использовано в химической, пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности.

Получение устойчивых систем "жидкость - жидкость" (эмульсий) связано с обеспечением максимального диспергирования одной из фаз и однородного ее распределения в объеме другой.

Такая задача может быть решена путем применения струйных смесителей, например, инжекционного типа (Богданов В.В., Христофоров Е.И., Клоцунг Б.А. Эффективные малообъемные смесители. Л.: Химия, 1989 г., с.49). Как правило подобные аппараты включают в себя центральный патрубок, расположенное соосно с ним сопло и камеру смешения. Жидкость, подлежащая диспергированию, подается под давлением через сопло и подсасывает жидкость, движущуюся через центральный патрубок. В камере смешения осуществляется диспергирование и перемешивание фаз.

Однако применение струйных смесителей оказывается оправданным лишь в тех случаях, когда необходимо осуществить контакт за минимальное время. Для получения тонкодисперсных эмульсий такие аппараты недостаточно эффективны.

Наиболее близким по техническому исполнению к предлагаемому изобретению является роторно-импульсный аппарат (А.с. СССР №725691, кл. В01F 7/28, 1975 г.). Согласно описанию он предназначен для тонкого диспергирования и эффективного смешения жидких сред с незначительной вязкостью. Аппарат состоит из корпуса с размещенными на нем патрубком ввода одного из компонентов, кольцевых коллекторов, имеющих патрубки ввода другого компонента и патрубки вывода готовой смеси. В корпусе находятся коаксиально расположенные цилиндры ротора и статора, имеющие продольные прорези для прохода обрабатываемой среды. В торцевой стенке ротора имеются отверстия, сообщающиеся с прорезями. Соответственно в торцевой поверхности статора также имеются отверстия, сообщающиеся с кольцевыми коллекторами. Число отверстий в торцевых стенках ротора и статора определяется расходом диспергируемого компонента.

Работа аппарата осуществляется следующим образом. Один из компонентов эмульсии через центральный патрубок поступает во внутреннюю полость вращающегося ротора и под действием центробежных сил оттесняется к его периферии. Другой компонент через кольцевые коллекторы и отверстия в торцевых стенках статора и ротора вводится в прорези последнего. При периодическом открытии и закрытии прорезей в среде, проходящей через аппарат, возникают значительные знакопеременные нагрузки и микротечения, способствующие тонкому диспергированию компонентов эмульсии. Готовая эмульсия под давлением выводится из аппарата.

Конструкцию известного роторно-импульсного аппарата нельзя признать технически совершенной, поскольку она не гарантирует однородного диспергирования в широком диапазоне соотношений фаз, образующих эмульсию. Известно, что достижение высокой степени дисперсности эмульсий связано с увеличением относительных скоростей взаимодействующих фаз. В данной конструкции аппарата это достигается за счет уменьшения диаметра отверстий в торцевых поверхностях ротора и статора, что неизбежно увеличивает общее гидравлическое сопротивление устройства.

Кроме того, большое число отверстий вызывает определенные трудности, связанные с равномерным распределением потока через них, что также отрицательно сказывается на однородности получаемой эмульсии.

Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции роторно-пульсационного аппарата для получения преимущественно систем "жидкость - жидкость", позволяющей повысить однородность получаемой эмульсии при одновременном обеспечении высокой степени ее дисперсности.

Поставленная задача решается предложенным роторно-пульсационным аппаратом, включающим рабочую камеру с устройством ввода контактирующих фаз и патрубком вывода эмульсии, концентрично установленными в камере ротором и статором, имеющими радиальные каналы. Особенность заключается в том, что устройство ввода фаз представляет собой инжекционный узел смешения, сопло которого располагается непосредственно в камере аппарата, центральная часть ротора выполнена в форме усеченного конуса, имеющего углубление в вершине и, по крайней мере, два концентричных кольцевых выступа на боковой поверхности.

При этом расстояние от среза сопла инжекционного узла смешения до вершины центральной части ротора составляет (10...15)d_oc, где d_oc - диаметр отверстия соплового насадка.

Кроме того, отношение высоты углубления H к его диаметру D составляет H/D=0,20...0,25.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что предложенный роторно-пульсационный аппарат отличается новыми конструктивными решениями устройства ввода фаз, выполненного в виде инжекционного узла смешения, сопло которого расположено непосредственно в камере аппарата, и центральной части ротора, имеющего форму усеченного конуса с углублением в вершине, и, как минимум, с двумя концентричными кольцевыми отверстиями на боковой поверхности. Такая конструкция позволила принципиально по иному подойти к решению задачи предварительного однородного диспергирования одной из фаз перед их окончательным "тонким" диспергированием в радиальных каналах ротора и статора. Технологический эффект обеспечивается также оптимальным расположением сопла, инжекционного узла смешения по отношению к вершине центральной части ротора, а также предпочтительным соотношением высоты углубления к его диаметру.

В прототипе диспергирование осуществляется в одну стадию, непосредственно в прорезях ротора и статора, что не может обеспечить однородности получаемой эмульсии.

Таким образом, заявляемый роторно-пульсационный аппарат соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемой конструкции с прототипом и другими техническими решениями показало, что роторно-пульсационный аппарат, в котором бы имело место предложенное сочетание признаков, неизвестен.

Но именно совокупность отличительных от прототипа признаков с остальными существенными признаками заявляемого решения позволила создать конструкцию, обладающую повышенными функциональными характеристиками и надежностью. Предлагаемая совокупность признаков позволяет организовать механизм взаимодействия фаз, который обеспечивает предварительное однородное диспергирование путем ударного действия затопленной струи в углубление ротора и последующее дополнительное дробление образовавшихся капель в зоне концентричных кольцевых выступов. Таким образом, создаются необходимые условия для окончательного "тонкого" диспергирования в радиальных каналах ротора и статора.

Вышесказанное дает возможность считать, что заявляемое техническое решение обладает изобретательским уровнем.

При этом обозначенное расстояние от среза сопла до вершины центральной части ротора позволяет обеспечить оптимальный режим взаимодействия затопленной струи с углублением на торцевой поверхности ротора. При расстояниях, меньших, чем 10d_oc, дисперсный состав образующихся капель крайне неоднороден. Напротив, при расстояниях, больших, чем 15d_oc, струя в значительной мере теряет свою энергию, эффект ударного дробления исчезает.

Заявленное отношение высоты углубления к его диаметру определяет направление разлета образующихся в результате удара капель и создает условия для их повторного эффективного дробления в зоне концентричных кольцевых выступов. При H/D<0,2 значительная часть капель проходит напрямую в периферийную часть ротора, не подвергаясь дополнительному дроблению. При H/D>0,25 наблюдается коалесценция капель в зоне углубления и эффективность эмульгирования также снижается.

Заявленная конструкция представлена на чертеже.

В состав роторно-пульсационного аппарата входит цилиндрическая рабочая камера 1, имеющая крышку 2 с размещенным на ней устройством для ввода контактирующих фаз 3. Устройство выполнено в виде инжекционного узла смешения, имеет центральный патрубок 4, расположенный соосно с ним канал 5, оканчивающийся соплом 6. Через патрубок 4 и канал 5 в зону смешения подаются компоненты эмульсии. Непосредственно в камере 1 расположен ротор 7, вращение которого производится от привода (не показан). Центральная часть ротора имеет форму усеченного конуса с углублением в вершине и кольцевые выступы на боковой поверхности. Периферийная часть ротора имеет три коаксиальных цилиндра 8 с радиальными прямоугольными каналами для прохода обрабатываемой среды. На крышке 2 концентрично по отношению к цилиндрам ротора 8 расположены два цилиндра статора 9. Цилиндры статора также имеют радиальные прямоугольные каналы. Вывод готовой эмульсии производится через тангенциальный патрубок 10 в обечайке рабочей камеры.

Аппарат работает следующим образом. В центральную часть вращающегося ротора 7 через канал 5 и патрубок 4 инжекционного узла смешения 3 поступают исходные компоненты эмульсии. Первый выходит из сопла 6 в виде расширяющейся затопленной струи, увлекая за собой часть потока второго компонента. Ударяясь о поверхность углубления в центральной части ротора 7, струя дробится на капли, которые после отражения подхватываются потоком второго компонента и вновь ударяются о поверхность концентрических кольцевых выступов. Такое многоступенчатое предварительное дробление одного из компонентов позволяет получать достаточно однородный состав эмульсии. Далее, проходя через периодически перекрывающиеся каналы в цилиндрах 8 ротора и цилиндрах 9 статора, эмульсия подвергается совместному действию знакопеременного давления, микротечений и развитой турбулентности. Под их воздействием происходит окончательное тонкое диспергирование и образуется эмульсия требуемого качества, которая выводится из аппарата через патрубок 10.

Таким образом, предлагаемая конструкция роторно-пульсационного аппарата для получения преимущественно систем "жидкость - жидкость" практически реализуема. Имеется опытный образец, прошедший экспериментальную проверку. Следовательно, заявляемое техническое решение обладает промышленной применимостью.

1. Роторно-пульсационный аппарат для получения преимущественно систем "жидкость - жидкость", содержащий рабочую камеру с устройством ввода контактирующих фаз и патрубком вывода эмульсии, концентрично установленными в ней ротором и статором с радиальными каналами, отличающийся тем, что устройство ввода фаз выполнено в виде инжекционного узла смешения, сопло которого расположено непосредственно в камере аппарата, а центральная часть ротора имеет форму усеченного конуса с углублением в вершине и, по крайней мере, с двумя концентричными кольцевыми выступами на боковой поверхности.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что расстояние от среза сопла инжекционного узла смешения до вершины центральной части ротора составляет (10...15)d_OC, где d_OC - диаметр отверстия соплового насадка.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что отношение высоты углубления Н к его диаметру D составляет H/D=0,20-0,25.