Вихровой гомогенизатор-змішувач

Изобретение может найти применение для получения высококачественных различного типа эмульсий, гомогенизированных растворов, легких суспензий Оно обеспечивает работу устройства в системах с повышенным сопротивлением на выходе готового продукта, улучшение качества смеси Вихревой гомогенизатор-смеситель содержит смесительную камеру в стенках которой выполнены две пары тангенциальных впускных каналов Смеситель снабжен распределительной головкой, имеющей две пары направляющих каналов, сопряженных с тангенциальным впускными каналами, и соплами, установленными в направляющих каналах с зазором по отношению к входу тангенциальных впускных каналов Зазоры сообщены с помощью сверлений со штуцерами ввода диспергируемого компонента Распределительная головка выполнена сменной с соплами разного диаметра Сопла установлены с возможностью перемещения вдоль оси направляющих каналов и снабжены заглушками Наибольшая производительность устройства достигаеся при пониженном давлении в системе готового продукта, при этом один поток диспергируемого компонента поступает на вход тангенциальных каналов, а другой поток вступает в энергообмен и перемешивается с вращающимся озвученным потоком жидкости в смесительной камере Каждый из потоков диспергируемого компонента имеет независимое количество регулирования 1 з п ф-лы, 4 ил Изобретение преимущественно может применяться в системах топливоподготовки судовых дизелей, котлоагрегатов, газовых турбин, переведенных на работу с использованием водотопливной эмульсии, а также в процессах компаундирования топлив масел, введения присадок, приготовления суспензий и других процессах, требующих перемешивания жидкостей, и является усовершенствованием устройства по авт,ев № 1526798. Приготовление высококонцентрированных, высококачественных водотопливных эмульсий (ВТЭ) с целью обеспечения наибольшей эффективности работы мощных энергетических установок, связано с необходимостью диспергирования в смесителях больших объемов водной фазы что является сложной технической задачей Измельчение частиц воды происходит, если силы вызывающие перемещение частицы в топливной среде, по величине больше сш поверхностного натяжения сокращающейся по размеру частицы. С уменьшением размера частицы силы поверхностного натяжения растут и, если силы деформации, время, путь относительного перемещения для диспергируемого объема в топливной с о 1720700 среде окажутся недостаточными, в составе эмульсии появляются крупные капли и вода в слоеном виде, отрицательно воздействующие на состояние топливной аппаратуры дизелей. Эффективность от применения ВТЭ при этом снижается Следовательно, устройства, применяемые для диспергирования жидкост ей, долж ны иметь высокую интенсивность, достаточную длительность энергообменных процессов при взаимодействии смешиваемых жидкостей, затраты энергии на приготовление эмульсии должны быть минимальными. Учитывая, что силы в рабочих органах смесительных устройств остаются постоянными, превышение количества подачи воды в смесители приводит к ухудшению качества эмульсии, По условиям работы в топливных системах потребителей возникает необходимость включения диспергаторов на участках систем с повышенным давлением, например на нагнетательном участке топливоподающего насоса перед фильтрами тонкой очистки дизелей Такое пключение гидродинамических смесителей-гомогенизаторов позволяет осуществлять диспергирование с использованием штатных топливоподающих насосов дизелей, производить гомогенизацию топливной среды непосредственно перед фильтрами сокращает энергетические затраты на приготовление ВТЭ, позволяет вследствие снижения трудоемкости на изготовление ускорить внедрение устройств в производстве. Наиболее близким к изобретению является вихревой гомогенизатор-смеситель, применяемый для гомогенизации жидкостей, приготовления эмупьсий, суспензий, контактного теплообмена потоков, в основном используемый для приготовления Бодотопливных эмульсий на основе средне- и высоковязк^х моторных топлив. Известный смеситель содержит смесительную камеру, в стенках которой выполнены две пары профилированных закручивающих впускных каналов для топлива- Каналы выполнены тангенциальными и сопряжены с выточками, выполненными в сгенках камеры. Смесительная камера выполнена с плавно сужающимся сечением. Вода подводится через устройство, размещенное по оси камеры, снабженное средством для изменения проходного сечениярадиальных каналов для подачи воды Данное устройство наиболее эффективно действует от автономного злектронасосного агрегата и при условии пониженного сопротивления в трубопроводе готового продукта. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Увеличение сопротивления в отводящем трубопроводе за устройством вызывает повышение давления в смесительной камере, при этом подача диспергируемого компонента в смесительную камеру становится затруднительной, а затем по мере возрастания давления прекращается. В то же время энергия массообмена жидкостей в тангенциальных впускных каналах смесительной камеры используется не полностью. Цель изобретения - повышение производительности устройства по диспергируемому количеству компонента, повышение качества смеси и обеспечение работы устройства в системах с повышенным сопротивлением на выходе готового продукта, например при работе в топливной системе дизелей в процессе гомогенизации топливной среды и приготовления водотопливной эмульсии. Поставленная цель достигается тем, что в гомогенизаторе-смесителе один поток диспергируемого компонента поступает на вход тангенциальных впуокных каналов и перемешивается в интенсивных турбулентных вихрях диспергирующего потока при его движении через каналы, а другой поток диспергируемого компонента вступает в энергообмен и перемешивается с вращающимся озаученным вихревым потоком жидкости в смесительной камере. При работе устройства диспергирующая жидкость вводится в тангенциальные впускные каналы через размещенные в распределительной головке направляющие каналы с соплами, на выходе из которых скорость струи жидкости возрастает, сечение сжимается, вследствие этого на входе тангенщлальных каналов создается область разрежения в которую всасывается диспергируемый компонент. В промежутке между сжатым сечением струи и стенками каналов возникает интенсивная вихревая зона, где диспергируемый компонент интенсивно перемешивается, втягивается в турбулентный поток и в условиях высокочастотной пульсации скоростей и давлений измельчается до мелкодисперсного состояния. Частота пульсаций скоростей и давлений в турбулентном потоке обусловливается амплитудой колебания поперечной скорости, находящейся в функциональной зависимости от формы площади поперечного сечения и длины канала. При равном значении скоростей интенсивность турбулентных вихрей и, следовательно, обмен количеством движения между слоями потока в каналах с прямоугольным сечением по сравнению с 1720700 каналами круглого сечения возрастает. Поэтому с целью высокодисперсного измельчения диспергируемого компонента в слоях двухфазного потока впредлагаемомустройстве выбрана прямоугольная форма тангенцизльных каналов и увеличено их количество. Применяемое ступенчатое совмещение сопл с прямоугольным сечением тангенциальных впускных каналов смесительной камеры гарантирует отрыв диспергирующего потока от стенок каналов в районе подвода диспергируемого компонента при значительном изменении параметров состояния диспергирующего потока жидкости, что повышает надежность работы устройства. Выходящий из тангенциальных каналов поток в смесительной камере приобретает вращение, сходящие в острых задних кромок каналов вихри перемещаются по направлению вращения потока, образуя цепочку вихрей. Этот процесс приводит к пульсации давления в потоке и является первопричиной возникновения ультразвуковых колебаний и кавитационных зон, в которых частицы диспегируемого компонента, твердые частицы карбенов и карбоидов измельчаются. Центробежные силы во вращающемся потоке создают наибольшие напряжения в плоскости тангенциальных каналов, где диаметр смесительной камеры максимальный, в результате давление жидкости в каналах возрастает. В соответствии с формулой где Pi-давление среды на выходе готового продукта из смесительной камеры; Р2 - давление среды на уровне тангенциальных каналов; р~ плотность среды; со-угловая скорость потока; Ri - радиус выходного отверстия смесительной камеры; R2 - радиус смесительной камеры на уровне тангенциальных каналов. Кинетическая энергия вращающегося в смесительной камере потока трансформируется в потенциальную энергию, при этом давление в тангенциальных впускных каналах повышается, обмен количеством движения между слоями жидкости интенсифицируется, в результате диспергируемое вещество перемешивается в основном потоке, степень измельчения его частиц увеличивается. Слои жидкости под воздействием центробежных сил в смесительной камере сжимаются, в ее центре об разуется обьем, не занятый жидкостью, в форме вращающегося параболоида, со стороны внутренних стенок которого из подводя ще го устройства вводится 5 диспергируемый компонент. Значительное повышение сопротивления в трубопроводе готового продукта приводит к повышению давления в смесительной камере, свободный от жидкости объем заполняется, ввод 10 диспергируемого компонента из подводящего устройства, размещенного в центре объема смесительной камеры, становится затруднительным и при определенном значении давления прекращается. Благодаря 15 вращающемуся потоку в смесительной камере повышение давления на выходе готового продукта не вызывает снижения величины перепада давления на входе и выходе жидкости из тангенциальных каналов, 20 что обеспечивает неизменность выполнения в них работы по измельчению диспергируемого компонента. Направляющие каналы с соплами в распределительной головке с целью регулирования процесса пе25 рекрываются заглушками, при этом часть тангенциальных каналов выводится из действия. В оставшихся в действии тангенциальных канапах процесс диспергирования интенсифицируется. Регулирование коли30 чества одновременно находящихся в действии каналов выполняется в зависимости от изменения параметров состояния жидкости, что позволяет оптимизировать рабочие процессы в устройстве. 35 Подводящие каналы с соплами могут выполняться сменными. Такое конструктивное решение позволяет изменять сечение сопл и регулировать положение их выходной кромки в направлении продольной оси 40 тангенциальных каналов, что также в случае изменения физических характеристик жидкостей увеличивает возможность оптимизации работы устройства. На фиг. 1 изображен вихревой гомогени45 затор-смеситель, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - узел I на фиг.2. Гомогенизатор-смеситель содержит 50 фланцы 1 и 2, которыми он подсоединяется к системе трубопроводов, толстостенную крышку 3, образующую верхнюю часть корпуса. В нижней части корпуса 4 размещена смесительная камера 5, выполненная в 55 форме тела вращения с плавно сужающимся сечением, переходящим в диффузор 6. По оси смесительной камеры установлено устройство 7 для ввода диспергируемого компонента, подводимого к устройству через штуцеры 8, уплотняемые прокладками 9. Ус 1720700 тройство 7 выполнено с радиальными каналами 10, имеющими форму отверстий или кольцооой щели, снабжено средством для изменения их проходного сечения и расстояния выходной кромки от оси камеры. Средство выполнено, например, в виде сменной распределительной шайбы 11 с отверстиями, промежуточной регулировочной шайбы 12 и стенки шайбы 13. Шайбы крепятся на штифте 14 с помощью колпачковой гайки 15 и прокладки 16. В стенках смесительной камеры выполнены две пары впускных профилированных каналов 17 и 18, направленных тангенциально сгенкам смесительной камеры. В стенках смесительной камеры имеются выточки 19, сопряженные с тангенциальными впускными каналами 17 и 18. Диспергируемая среда подводится к тангенциальным каналам 17 и 18 через выполненные в распределительном головке 20 направляющие каналы 21 и 22 с соплами. С целью регулирования производительности и качества смесеобразования направляющие каналы 21 перекрываются входящими в состав устройства заглушками. Диспергируемый компонент вводится в тангенциальные каналы из кольцевого канала 23 через зазор между соплами направляющих каналов 21 и 22 и входной кромкой тангенциальных каналов 17 и 18. Подвод диспергируемого компонента к кольцевому каналу 23 производится по сверлениям от штуцеров 8. Разъем между распределительной головкой и внешней стенкой смесительной камеры уплотняется кольцом 24 и прокладкой 25. Гомогенизатор-смеситель работает следующим образом. Устройство фланцем 1 подсоединяется к трубопроводу для подвода диспергирующего компонента, а фланцем 2 - к трубопроводу готового продукта, Поступая вобьем корпуса, образуемого крышкой 3 диспергирующий компонент через направляющие каналы 21 и 22 с соплами и тангенциальные впускные каналы 17 и 18 вводится в смесительную камеру 5. Так как рабочие каналы относительно образующей смесительной камеры расположены тангенциально, поток получает вращение, под действием центробежной силы растекается в радиальном направлении, при этом в центре камеры образуется объем с пониженным давлением, не занятый жидкостью. В режиме работы гомогенизатора-смесителя с пониженным давлением (примерно 0,2 МПэ) на выходе готового продукта подвод диспергируемого компонента одновременно производится из кольцевого канала 8 23, на вход впускных тангенциальных каналов 17 и 18 и через подводящее устройство 7 во вращающийся в смесительной камере 5 вихревой поток. 5 Вступая в тангенциальных впускных каналах в энергообмен с высокоскоростным диспергирующим потоком, диспергируемое вещество измельчается. Второй поток диспергируемого компо10 нента через радиальные каналы 10 подводящего устройства 7 вводится в высокоскоростной вращающийся озвученный поток вихревой смесительной камеры, где в результате обмена количеством дзи15 жения ультразвуковых колебаний происходит его измельчение и перемешивание с диспері ирующейсредой. После перемешивания в тангенциальных каналах и в смесительной камере поток жидкостей через выпускное 20 отверстие поступает в диффузор 6, где в условиях турбулентного движения при пульсации скоростей и давлений продолжается их интенсивное перемешивание с постепенным увеличением объема потока На режиме рабо25 ты гомогенизатора-смесителя с двумя парами тангенциальных каналов с подводом диспергируемого компонента к тангенциальным каналам и в смесительную камеру производительность устройства достигает 30 максимального значения. С повышением сопротивления в трубопроводе готового продукта давление жидкости в смесительной камере, в направляющих каналах с соплами возрастает, и при определенном 35 значении давления в смесительной камере ввод диспергируемого компонента в нее прекращается. Возрастание давления диспегирующей среды перед соплами направляющих кана40 лов приводит к дополнительному сжатию потока на входе тангенциальных каналов, что увеличивает разрежение, количество диспергируемого компонента, поступающего в тангенциальные каналы, также возра45 стает. Сохраняющийся высокий перепад давления между входом и выходом потока изтэнгенциэльных каналов позволяете высокой эффективностью осуществлять в них процесс гомогенизации топливной среды и 50 измельчение диспергируемого компонента. Гомогенизация топливной среды в тангенциальных канала,х реализуется в высокоскоростном потоке за счет сдвига слоев жидкости , что приводит к интенсивному 55 мэссообмену, в результате которого происходит измельчение частиц воды, разрушение твердых частиц карбеноо и карбоидов, сгустков смол. Выходящая из тангенциальных каналов топливная среда обрабатывается в смесительной камере ультразвуком. 1720700 вызывающим кавитационные явления. Такая обработка с концентрацией высокой плотности энергии позволяет обеспечить высокую гомогенность топлива. Регулирование режимов работы гомогенизаторасмесителя выполняется путем изменения количества одновременно находящихся в действии впускных тангенциальных каналов, перекрываемых заглушками 26, входящими в комплект устройства. С изменением количества находящихся в действии каналов мэссообменные процессы интенсифицируются. Замена смесительной камеры, осуществляемая в зависимости от физических свойств обрабатываемых жидкостей, позволяет воздействовать на интенсивность процессов смесеобразования. С увеличением выходного отверстия камеры растет сечение внутренних стенок вращающегося параболоида, что способствует повышению качества, позволяет диспергировать в устройстве больший обьем жидкости. Формула изобретения 1. Вихревой гомогенизатор-смеситель по авт. св. № 1526798, о т л и ч а ю щ и й с я 10 тем что, с целью обеспечения работы устройства в системах с повышенным сопротивлением на выходе готового продукта, улучшения качества смеси и увеличения ко5 личества диспергируемого компонента за счет включения дополнительных областей массообмена потоков, он снабжен распределительной головкой, имеющей по крайней мере две пары направляющих каналов, 10 сопряженных с тангенциальными впускными каналами и соплами, установленными в направляющих каналах с зазором по отношению к входу тангенциальных впускных каналов, при этом зазоры сообщены с по15 мощью сверлений с штуцерами ввода диспергируемого компонента. 2. Гомогенизатор-смеситель, о т л и ч аю щ и и с я.тем, что, с целью регулирования 20 эффективности процесса, распределительная головка выполнена сменной с соплами разного диаметра, при этом сопла установлены с возможностью перемещения вдоль оси направляющих каналов и снабжены зэ25 глушками. 1720700 Л 1720700 ФигЗ * • * ' • * • . 1720700 Фаг А Редактор О.Юрковецкая Составитель Г.Круг/юва Техред М.Моргентал Корректор О.Кундрик Заказ 909 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101