Кавітаційний роторний апарат з вакуумуванням

1. Кавітаційний роторний апарат з вакуумуванням для одержання високодисперсних та гомогенізованих рідких сумішей, для витягання легкокиплячих фракцій з, наприклад, нафтопродуктів або спиртових розчинів, а також для дегазації різних рідин, що складається з корпуса, у якому співвісно розташовані вал, швидкісний ротор, який несе на собі радіальні клинові суперкавітуючі лопатки (КСКЛ) з асиметричним профілем, вхідна та вихідна загальні розподільні камери, вхідний і вихідний патрубки, а також вхідна та вихідна кільцеві робочі камери, які розділені по окружності повздовжніми радіальними перегородками на групи робочих міні-камер, причому кожна з цих груп має тільки один вихід у загальну розподільну камеру, звідки менша частина обробленої рідини йде на вихід з апарата, а її більша частина повертається у вхідну робочу камеру апарата і далі на повторну кавітаційну обробку в робочих камерах, який відрізняється тим, що вихідна загальна розподільна камера апарата розділена на дві незалежні камери - зворотну і вихідну, з яких перша забезпечує повернення більшої частини рідини на повторну кавітаційну обробку, а друга - направляє меншу частину рідини на вихід з апарата, при цьому в кожній із груп вихідної кільцевої робочої камери всі робочі міні-камери мають по одному вихідному отвору, до того ж такий отвір у робочій міні-камері, яка у кож U 2 (11) 1 3 намічної кавітаційної обробки в режимі жорсткої суперкавітації істотно поліпшує ці показники. Відомий змішувач рідин за Патентом Російської Федерації RU2060806 С1, B01F7/16, від 27.05.96р. Корпус цього пристрою містить коаксіально розташовані циліндричні порожнини, які з'єднані поміж собою отворами й мають загальний вихід у змішувальну камеру, де також обертається ротор з лопатками. Недоліком цього пристрою є відсутність ефективних кавітуючих елементів та механізму обробки суміші в змішувальній камері, а також механізму штучного вакуумування кавітаційної зони. Відомий також диспергатор за Авт.св. СРСР SU1183162 A, B01F7/16, від 09.11.83р., в якому використається насосна крильчатка (або ротор), що має лопатки з клиновим суперкавітуючим профілем. Однак тут практично недосяжні високі швидкості переміщення лопаток щодо навколишньої рідини й тому виникаюча кавітація має низьку щільність енергії. Загальний лобовий опір лопаток великий й при високій швидкості вимагає підвищених енерговитрат. Крім цього, механізм повернення рідини в робочу камеру за допомогою зовнішнього контуру з додатковим насосом не вирішує проблему значного збільшення відсотка однаково оброблених кавітацією часток рідини щодо загальної витрати рідини через апарат (як правило, він менше 30...50%). Відомий кавітаційний апарат за Патентом України №20438, B01F7/10 від 15.01.2007р., який містить два співвісно розміщені ротори з клиноподібними кавітуючими лопатками. Однак тут має місце недостатньо висока інтенсивність кавітації внаслідок низьких швидкостей кавітуючих елементів відносно оброблюваної рідини, а також недосконала конструктивна схема та механізм реціркуляції рідини у межах апарата. Внаслідок цього усі частини оброблюваної рідини мають різну ступінь кавітаційної обробки, що відповідно знижує якість продукту. Найбільш близьким по суті є кавітаційний Змішувач Павловського за Пат. України UA 45639A, B01F7/16 від 15.04.2002р., що складається з корпуса, у якому співвісне розміщені вал, швидкісний ротор, що несе на собі радіальні клинові суперкавітуючі лопатки (КСКЛ) з асиметричним профілем робочої частини, вхідна та вихідна розподільна камера, вхідні та вихідний патрубки, а також вхідна та вихідна кільцеві робочі камери, розділені по окружності повздовжніми радіальними перегородками на групи робочих міні камер. При цьому в кожній із цих груп тільки остання міні камера має вихід у загальну розподільну камеру, у якій оброблена рідина ділиться на дві частини. її менша частина йде на вихід з апарата, а більша - вертається у вхідну робочу камеру апарата і далі на повторну кавітаційну обробку в робочих кільцевих камерах. Однак тут має місце недостатньо досконалий механізм перемішування й повернення робочого середовища в зону кавітаційної обробки, внаслідок чого не гарантується одержання 100% часток рідини з однаковою ступеню кавітаційної обробки. Більше того, для ряду технологічних завдань потрібне застосування більш жорстких режимів (бі 34084 4 льшої інтенсивності) кавітаційної обробки, ніж ті, які досягаються у відомому пристрої. Також важливим недоліком цього пристрою є відсутність механізму штучного вакуумування кавітаційної зони. Завданням пропонованої корисної моделі є усунення недоліків відомих пристроїв та створення роторного кавітаційного апарата з досконалою схемою багаторазовій внутрішній рециркуляції рідини, який працює в режимі жорсткої суперкавітації і створює штучне вакуумування кавітаційної зони, що йде слідом за кожною КСК-лопаткою. Це забезпечує інтенсивну кавітаційну обробку, практично однакову для усіх мікро об'ємів оброблюваної рідини при відносно низьких енерговитратах. Більше того, завдяки штучному вакуумуванню кавітаційної зони забезпечується додаткова технологічна можливість у вигляді вакуумного відкачування пар, газів і легко киплячих компонентів із робочого середовища в процесі її обробки в протоці. Дане завдання вирішується в такий спосіб. Рідка суміш, що йде скрізь апарат, ділиться на ряд паралельних осьових потоків із вхідної кільцевої робочої камери в один за одним розташовані по окружності робочі міні камери вихідної кільцевої робочої камери. Ці потоки послідовно перетинаються рядами швидко рухомих КСК-лопаток ротора із супер-кавітуючим профілем. Конструкція розподільників вхідної, вихідної та проміжної кільцевих робочих камер, а також насосні ефекти в протилежних осьових напрямках, що створюються за рахунок асиметричної форми КСКЛ кожного ряду й наскрізних отворів у роторі, забезпечують комбінований механізм інтенсивного перемішування рідини й можливість її багаторазового вертання (рециркуляції) та проходження через зону максимальної кавітації. Значну роль у цьому механізму має також розміщення КСК-лопаток на роторі у декілька рядів, які розташовані в паралельних площинах, що перпендикулярні осі обертання ротору. Причому сусідні ряди КСКЛ мають протилежні за знаком результуючі насосні ефекти уздовж осі ротора, до того ж цей ефект лопаток першого (від входу) ряду щодо інших рядів КСКЛ повинен бути найбільшим, а результуючий ефект усіх рядів КСКЛ - спрямованим убік вихідної камери. При цьому кожна кільцева зона між сусідніми рядами лопаток є додатковою кільцевою робочою зоною апарата, що по конструкції відповідає вхідній кільцевій робочій камері й аналогічним чином розподілена повздовжніми радіальними перегородками на групи робочих міні камер. Завдяки вихідним отворам у кожній міні камері (по одному отворі) вихідної кільцевої робочою камери оброблювана рідина ділиться на дві незалежні й нерівні частини. Перша з них, що переважає по витраті (об'єму) і одержує недостатньо велику кратність кавітаційної обробки, під дією насосного ефекту лопаток і ротору вертається через зворотну камеру (В) і наскрізні отвори у роторі до вхідної робочої кільцевої камери (А) на додаткову обробку. Не змішуючись із першою, друга, менша частина рідини, що одержала достатньо високу й рівну по інтенсивності кавітаційну обробку, через отвори 5 в останній для кожної групи міні камері у вихідній кільцевій робочій камері попадає в окрему загальну вихідну камеру і вирушає на вихід з апарату. Введення в зону кавітації штучного вакуумного паро-газовідсосу з головної частини розвитої суперкаверни, яка йде за кожною КСКЛ, міняє розміри й форму кавітаційної каверни у рідині та збільшує інтенсивність (жорсткість) кавітації за рахунок росту енергії зхлопування (колапсу) кавітаційних бульбашок, а також значно розширює технологічні можливості обладнання. Наприклад, дані апарати можуть ефективно використовуватись як випарники водяних і спиртових розчинів, а також для витягання легких фракцій з нафти, розчинених газів з різних рідин та інше. Корисна модель пояснюється кресленням, де схематично зображено повздовжній переріз кавітаційного роторного апарата з вакуумуванням (Фіг.1) та умовні схеми руху потоків оброблюваній рідині в апараті. Додаткове пояснення дає розгорнення трьох кільцевих робочих камер (X), (Y) та (Z) із діючою схемою основних потоків рідини у зонах кавітаційної обробці (Фіг.2). Поперечний переріз робочої частини кожної КСК-лопатки з суперкавітуючим профілем зображено на Фіг.3. Кавітаційний апарат складається з корпуса (1), у якому співвісне розташовані швидкісний ротор (3) з двома рядами радіальних КСК-лопаток (7 і 8) на валу (2), вхідні (11) та вихідний (12) патрубки, патрубок вакуумного відкачування (9), вузол торцевого ущільнення (10), вхідний (4), проміжний (5) і вихідний (6) розподільники, які разом з внутрішньою циліндричною поверхнею апарата утворюють кільцеві робочі камери (вхідна - X, проміжна Y і вихідна Z), а також вхідна (А), вихідна (Б) і зворотна (В) загальні камери, які утворені поверхнями роздільників (4, 5 і 6) і ротора (3). Кожна кільцева робоча камера (X, Y і Z) розділена поздовжніми радіальними перегородками, відповідно, на і робочих міні камер (хі, уі і zі), що конструктивно об'єднані в n окремих груп. До складу кожної групи міні камер (zni) вихідної кільцевої робочої камери (Z) входить одна вихідна міні камера (zni, яка пов'язана з загальною вихідною камерою (Б), і декілька зворотних міні камер (zn2...zni), з'єднаних з загальною зворотною камерою (В). На відміну від вихідною камери міні камери (хnі) у вхідній робочий камері (X) не мають функціональних відмінностей у межах кожної групи. Розподіл на групи міні камер у проміжній кільцевій робочий камері (Y) відсутній і всі вони конструктивно однакові. Осьовий насосний ефект, який роблять клинові радіальні лопатки першого ряду, є найбільшим та діє у напрямку вихідної робочої камери (Фіг.2 і 3). Йому в протилежність і слабкіше діють лопатки другого ряду, що забезпечує протилежно спрямовані осьові переміщення потоків рідини в межах робочих мини камер в усіх трьох розподільниках (4, 5 і 6). В разі використання декілька рядів КСКлопаток на роторі треба, щоб осьовий насосний ефект лопаток у сусідніх рядах було спрямовано у протилежні боки. В результаті цього діє комбінований механізм інтенсивного перемішування оброблюваної рідини й можливість її багато разового проходження скрізь зону найбільшої кавітації. Ре 34084 6 зультуючий ефект цього механізму спрямовано до виходу з мини камер кільцевою вихідної робочої камери. Внаслідок дії підключеного зовні вакуумного насосу відкачуються пар та гази із вакуумної порожнини кавітаційної каверни, що йде за кожною КСКЛ (7 і 8). В першу чергу вони надходять до порожнини кожної КСКЛ, потім через канали зв'язку вони йдуть до порожнини ротору, далі - до виходу через вакуумний патрубок (9) і у технологічну схему для конденсації й одержання відповідного продукту. Кавітаційний роторний апарат з вакуумуванням працює в такий спосіб (Фіг.1 та 2). Оброблювана рідина через вхідні патрубки (11) апарата проходить у загальну вхідну камеру (А), а потім через радіальні отвори у вхідному розподільнику (4) потрапляє до вхідної кільцевої робочої камери (X). Далі паралельні потоки рідини, що течуть уздовж перегородок міні камер (хі), перетинаються швидкорухомими КСКЛ, які створюють крім кавітаційного ефекту потужний насосний ефект. Під його дією більша частина потоків рідини переходить у міні камери робочої проміжної камери (Y) і потім у міні камери робочої вихідної камери (Z), а менша частина потоків спрямовується в кільцевому напрямку в обох кільцевих кавітаційних зонах. В результаті рідина здійснює зворотно-поступальні (переважно) й кільцеві переміщення в трьох (у даному прикладі) робочих кільцевих камерах. При цьому вона багаторазово проходить через обидві кільцеві кавітаційні зони й відповідно піддається багаторазовій кавітаційній обробці. Менша по об'єму частина рідини, що пройшла найбільшу кількість разів через зони кавітації, прямує на вихід з апарату скрізь отвори у міні-камерах (zni) вихідної кільцевої робочої камери. Більша частина рідини, що одержала недостатньо велику кратність кавітаційної обробки, під дією насосного ефекту наскрізних отворів у роторі вертається через загальну зворотну камеру (В) у вхідну робочу кільцеву камеру на додаткову обробку. Під дією створюваного зовнішнім вакуумним насосом розрідження через хвостову частину кожної КСКЛ (8 і 7) відкачуються пар і гази оброблюваної рідини з вакуумної порожнини розвиненої суперкаверни, які через внутрішню порожнину ротора (3), канали зв'язку, торцеве ущільнення (10) і вихідний газо-вакуумній патрубок (9) виводяться назовні в технологічну схему. Для того, щоб ефект вакуумного відкачування пар і газів з робочого середовища в процесі його обробки в протоці був достатній, необхідно забезпечити достатні поперечні перетини усіх вакуумно-газових каналів. Із цією метою діаметр (Æd = с) кожного каналу зв'язку порожнини КСК-лопатки з порожниною ротора повинен бути не меншим 0,3 товщини (b) КСКЛ або Æd≥0 (Фіг.3). Конструктивна схема Кавітаційного апарата з вакуумуванням характеризується компактністю і наявністю великої кількості міні камер, кожна з яких має об'єм у десятки разів менший загального об'єму апарату. Та він, у свою чергу, також незначний і не перевищує 0,5% від об'єму оброблюваної рідини, яка проходить скрізь апарата за годину. Ця 7 особливість забезпечує велику кількість повних циклів додаткової кавітаційної обробки рідини у апараті в протоці (не менш 30-50 разів за одне проходження через апарат). Також важливо, що лобовий опір лопаток з суперкавітуючим профілем є дуже малим і енергетичні витрати на їх рух у рідині з великою швидкістю також невеликі. Більш того, рідина у кавітаційний зоні ротора не затягується услід за суперкавітуючими лопатками, що рухаються скрізь створи великої кількості відбиваючих радіальних поздовжніх перегородок, і це не створює загальний кільцевий потік. Завдяки цьому легко досягаються реально високі швидкості руху лопаток відносно оброблюваної рідини (близько 30-60м/с) - головний фактор виникнення кавітації великої інтенсивності. Таким чином у кожній міні камері має місце переважно суперкавітація з високою питомою густиною енергії і, як наслідок, високоефективне диспергування та інтенсивна кавітаційна обробка практично усіх частин рідини, яка проходить через апарат. Поряд з цим виникає також інтенсивне перемішування і гомогенізація рідкої суміші у межах всього робочого об'єму апарата. Досконалий механізм перемішування й повернення робочого середовища в зону кавітаційної обробки гарантує одержання 100% часток рідини з однаковою ступінню інтенсивної кавітаційної обробки. Достовірність високих техніко-економічних показників даного Кавітаційного апарату з вакуумуванням підтверджена при випробувані його лабораторного та декілька дослідних промислових зразків з потужністю двигунів 15, 22 чи 30кВт і продуктивністю 2, 5 та 12м3/год. оброблюваної рідини. Кожен з них мав швидкісний ротор (2900об/хв.) із одним чи двома рядами кавітуючих лопаток, що рухаються зі швидкістю 35...45м/с відносно оброблюваної рідкої суміші, яка проходила скрізь апарат (обробка рідини - в протоці). Були отримані стійки до зберігання та ефективні для використання високоякісні водо-мазутні емульсії 34084 8 (вміст води 8-25%), водо-олійні емульсії (вміст олії 5-15%), бензиново-спиртові (5%) суміші, біо дизель, водно-емульсійні фарби та інші. їх дисперсність не перевищувала 5-10мкм. Обробка коров'ячого молока зменшила розмір жирових часток з 3-5мкм до 0,3-0,7мкм при значному підвищенню (у 5-10 разів) тривалості зберігання в якісному стані (анті бактерицидні можливості кавітаційного впливу). Обробка водної суспензії з ракушечником грубого помолу дозволила успішно руйнувати частини (50-250мкм у вихідному стані) твердої речовини усіх розмирів та отримати продукт з дисперсністю частин на рівні декілька мікрон. Важливий результат було отримано при кавітаційно вакуумної обробці різних рідин в протоці. Так при проходженні скрізь апарат промислової нафти наряду з її інтенсивною обробкою (а отже й придбання нею нових якостей, наприклад, зниження в'язкості та ефективний підогрів) були отримані з вакуумного патрубка легкі фракції нафтопродуктів з температурою кипіння 68-75°С. Подібний позитивний результат за допомогою даного пристрою отримано також при обробці забрудненою нафтою технологічної води, де нафти було до 30%. При проходженні скрізь апарат соленої та брудної води була одержана якісна дистильована вода з продуктивністю процесу до 40л/год. При цьому затрати електроенергії не перевищували 0,8кВт.год на 1л дистиляту, а величина розрядження у вакуумній зоні кавітаційної каверни досягала 0,95атм (тому вода кипіла при майже 42°С). При проходженні скрізь апарат технологічних (забруднених) водних розчинів етилового спиртів (до 25%) були отримано чистий концентрований спирт. Аналогічний успішний результат отримане при витягуванні метанолу (дуже шкідлива речовина) з технологічно забрудненої води, в якої вихідний вміст метанолу був на рівні 20%. 9 Комп’ютерна верстка А. Рябко 34084 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601