RU2006280C1

RU2006280C1 - Device for production of dispersion systems

Info

Publication number: RU2006280C1
Authority: RU
Inventors: А.Н. Ковальчук; В.И. Осипов; А.П. Собко; М.Н. Сыровец; Ю.Г. Чистяков
Original assignee: Головное конструкторское бюро научно-производственного объединения "Энергия" им.акад.С.П.Королева
Priority date: 1991-06-03
Filing date: 1991-06-03
Publication date: 1994-01-30

Abstract

FIELD: dispersions. SUBSTANCE: device has vibration drive 14 and vertical container 1 for fluid whose top part houses flexible member which is in the form of bellows jacket 9 with open bottom end face. On top end face of bellows jacket there is fixed plate 10 with central hole 11, the plate is rigidly attached to vertical rod 13 by radial ribs, the rod is engageable with vibrator. Vibrations of bellows jacket dipped into fluid results in excitation of dynamic pressure waves and saturation of fluid with gas fed from top part of container This leads to vibroturbulization conditions provided in stationary container and to intensive mixing of dispersion system components. EFFECT: enhanced operating reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике приготовления дисперсных систем жидкость-газ, жидкость-жидкость с использованием вибровоздействий и может быть использовано в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности, связанных с получением и применением различных жидкостных и газожидкостных смесей, суспензий и растворов. The invention relates to techniques for the preparation of dispersed liquid-gas, liquid-liquid systems using vibration, and can be used in chemical, petrochemical, food and other industries related to the production and use of various liquid and gas-liquid mixtures, suspensions and solutions.

Известно устройство для получения дисперсных систем, содержащее вертикальную емкость с герметичной крышкой, установленную на рабочей площадке вибростенда. При работе известного устройства емкость заполняется жидкостью при оставлении газовой "подушки" в ее верхней части, герметизируется и подвергается вертикальным колебаниям. Колебательные движения емкости вызывают колебания столба жидкости и возбуждают в ней волны переменного (динамического) давления, что на определенных частотах приводит к поступлению газа из "подушки" в жидкость и возникновению высокоинтенсивного режима вибротурбулизации, позволяющего получать высококачественные смеси. Недостатками данного устройства являются сложность установления режима вибротурбулизации и большие энергозатраты. A device for producing dispersed systems is known, comprising a vertical container with a sealed lid mounted on a vibrating stand working platform. When the known device is in operation, the container is filled with liquid while leaving a gas "cushion" in its upper part, sealed and subjected to vertical vibrations. Oscillatory movements of the container cause oscillations of the liquid column and excite waves of variable (dynamic) pressure in it, which at certain frequencies leads to the flow of gas from the “pillow” into the liquid and the emergence of a high-intensity regime of vibroturbation, which allows to obtain high-quality mixtures. The disadvantages of this device are the difficulty of establishing a regime of vibroturbation and high energy consumption.

Наиболее близким к предложенному является устройство для получения дисперсных систем жидкость-газ, жидкость-жидкость, содержащее вертикальную емкость для жидкости, установленную на упругом основании и снабженную виброприводом, в которой размещен объемно сжимаемый упругий резонатор, выполненный в виде газонаполненной герметичной сферы с гибкими стенками, установленный с возможностью свободного перемещения, а емкость в верхней своей части снабжена ограничителем всплытия резонатора. При работе данного устройства колебания давления жидкости, возбуждаемые при колебаниях емкости, через гибкие стенки резонатора передаются заполняющему его газу, вызывая периодические изменения (пульсации) объема резонатора. Это приводит к перераспределению динамического давления в жидкости и образованию колебательной системы, что облегчает поступление в жидкость газа из "подушки" емкости и настройку колебательной системы на резонанс с получением режима вибротурбулизации. При этом резонатор свободно перемещается по высоте емкости и занимает в жидкости динамически устойчивое положение, обеспечивающее стабилизацию резонансного режима колебаний системы при заданных ее параметрах. Closest to the proposed one is a device for producing dispersed liquid-gas, liquid-liquid systems containing a vertical liquid container mounted on an elastic base and equipped with a vibrodrive, in which a volumetric compressible elastic resonator is placed, made in the form of a gas-filled tight sphere with flexible walls, installed with the possibility of free movement, and the tank in its upper part is equipped with a boom limiter resonator. During operation of this device, fluid pressure fluctuations, excited by capacitance vibrations, are transmitted through the flexible walls of the resonator to the gas filling it, causing periodic changes (pulsations) in the volume of the resonator. This leads to the redistribution of dynamic pressure in the liquid and the formation of an oscillatory system, which facilitates the flow of gas into the liquid from the "pillow" of the tank and the tuning of the oscillatory system to resonance to obtain the regime of vibroturbulation. In this case, the resonator moves freely along the height of the capacitance and occupies a dynamically stable position in the liquid, which ensures stabilization of the resonant mode of oscillations of the system at its given parameters.

Недостатком данного устройства является необходимость колебаний всей емкости, заполненной жидкостью, что приводит к повышенным затратам энергии при получении дисперсных систем, а также ухудшает эксплуатационные свойства устpойства. Наличие упругого основания, обеспечивающего возможность колебаний емкости, усложняет конструкцию устройства. Наличие в жидкости подвижного газонаполненного резонатора, самопроизвольно перемещающегося на высоте емкости, снижает эксплуатационные возможности использования данного устройства и эффективность его работы. Например, при получении суспензий, взвесей или растворении твердых материалов наличие в дисперсной системе динамически активных частиц твердой фазы может привести к нарушению герметичности упругой оболочки и выходу из строя газонаполненного резонатора. Заключенный в упругую оболочку газ не участвует в массообмене с жидкостью, что уменьшает количество активного газа в жидкости и ухудшает взаимодействие фаз дисперсной системы, особенно в случае системы жидкость-газ, снижая эффективность вибрационных воздействий. Наличие упругой оболочки ухудшает динамический контакт между жидкостью и газом резонатора, снижает чувствительность колебательной системы и интенсивность режима вибротурбулизации. Кроме того, размещение в жидкости резонатора уменьшает степень использования рабочего объема емкости. The disadvantage of this device is the need for fluctuations of the entire capacity filled with liquid, which leads to increased energy costs in obtaining dispersed systems, and also degrades the operational properties of the device. The presence of an elastic base, providing the possibility of oscillation of the capacitance, complicates the design of the device. The presence in the fluid of a movable gas-filled resonator, spontaneously moving at the height of the tank, reduces the operational capabilities of using this device and its efficiency. For example, in the preparation of suspensions, suspensions, or the dissolution of solid materials, the presence of dynamically active particles of a solid phase in a dispersed system can lead to a violation of the tightness of the elastic shell and failure of a gas-filled resonator. The gas enclosed in an elastic shell does not participate in mass transfer with the liquid, which reduces the amount of active gas in the liquid and worsens the interaction of the phases of the dispersed system, especially in the case of a liquid-gas system, reducing the effectiveness of vibration effects. The presence of an elastic shell worsens the dynamic contact between the liquid and the gas of the resonator, reduces the sensitivity of the oscillatory system and the intensity of the vibroturbation mode. In addition, the placement in the liquid of the resonator reduces the degree of use of the working volume of the tank.

Целью изобретения является снижение энергозатрат и интенсификация процесса перемешивания при получении дисперсных систем за счет повышения эффективности вибрационных воздействий, а также повышение эксплуатационных возможностей устройства. The aim of the invention is to reduce energy consumption and the intensification of the mixing process upon receipt of dispersed systems by increasing the efficiency of vibration effects, as well as increasing the operational capabilities of the device.

Цель достигается тем, что в устройстве для получения дисперсных систем жидкость-газ, жидкость-жидкость, содержащем вертикальную емкость для жидкости, в которой размещен упругий элемент, и вибропривод, упругий элемент выполнен в виде сильфонной оболочки с открытым нижним торцом, на верхнем торце которой закреплена пластина с центральным отверстием, концентрично установленной в верхней части емкости и жестко связанной с виброприводом через вертикальный шток, подсоединенный к верхнему торцу сильфонной оболочки. The goal is achieved in that in a device for producing dispersed liquid-gas, liquid-liquid systems containing a vertical liquid container in which the elastic element is placed, and a vibrodrive, the elastic element is made in the form of a bellows shell with an open lower end, on the upper end of which a plate is fixed with a central hole concentrically mounted in the upper part of the tank and rigidly connected to the vibrator through a vertical rod connected to the upper end of the bellows shell.

На чертеже представлено предлагаемое устройство. The drawing shows the proposed device.

Устройство содержит вертикальную емкость 1 для жидкости с герметичной крышкой 2, установленную неподвижно на основании 3. Емкость снабжена технологическими патрубками 4, 5, 6 для подачи исходных компонентов дисперсной системы (жидкости и газа) и отвода полученной смеси, а также люком 7 с крышкой 8 для твердофазной составляющей суспензий, взвесей или растворов. В верхней части емкости 1 помещена вертикально установленная упругая тонкостенная сильфонная оболочка 9 с открытым нижним торцом, на верхнем торце которой закреплена торцевая пластина 10 с центральным отверстием 11. Сильфонная оболочка 9 своей верхней торцевой частью жестко закреплена с помощью радиальных ребер 12 на нижнем конце вертикального штока 13, установленного в верхней части емкости с возможностью возвратно-поступательных перемещений. Шток 13 свободно проходит через центральное отверстие, выполненное в крышке 2 емкости, и подсоединен к виброприводу вертикальных колебаний - вибратору 14, закрепленному, например, на крышке 2 с помощью жестких стоек 15. Место ввода штока 13 в емкость 1 герметизировано, например, с помощью втулки 16 со скользящим уплотнением, установленной в центральном отверстии крышки 2. Сильфонная оболочка 9 установлена в верхней части емкости 1 таким образом, чтобы пластина 10 находилась на высоте, составляющей 0,85-0,9 высоты емкости (или на расстоянии 0,15-0,1 высоты емкости от крышки 2). The device contains a vertical tank 1 for liquid with a sealed cover 2, mounted motionlessly on the base 3. The tank is equipped with technological pipes 4, 5, 6 for supplying the initial components of the dispersed system (liquid and gas) and the discharge of the mixture, as well as a hatch 7 with a cover 8 for the solid-phase component of suspensions, suspensions or solutions. A vertically mounted elastic thin-walled bellows shell 9 with an open lower end is placed in the upper part of the tank 1, an end plate 10 with a central hole 11 is fixed to its upper end. The bellows shell 9 is rigidly fixed with its upper end part using radial ribs 12 at the lower end of the vertical rod 13 mounted in the upper part of the tank with the possibility of reciprocating movements. The rod 13 freely passes through the Central hole made in the lid 2 of the tank, and is connected to a vertical vibrator - a vibrator 14, mounted, for example, on the cover 2 using rigid struts 15. The place of entry of the rod 13 into the tank 1 is sealed, for example, using bushings 16 with a sliding seal installed in the Central hole of the cover 2. The bellows shell 9 is installed in the upper part of the tank 1 so that the plate 10 is at a height of 0.85-0.9 height of the tank (or at a distance of 0.15 0.1 heights mkosti from the lid 2).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Перед работой устройства емкость 1 заполняется смешиваемыми жидкими (и твердыми - через люк 7) компонентами до уровня, когда при крайнем нижнем положении штока 13 вся сильфонная оболочка 9 находится в жидкости, а пластина 10 - на поверхности жидкости. Затем емкость герметизируется. При включении вибратора 14 сильфонная оболочка 9 начинает совершать вертикальные колебания в жидкости, при этом верхняя часть ее с пластиной 10 периодически поднимается над уровнем жидкости на расстояние, равное двойной амплитуде колебаний штока 13. Колебания сильфонной оболочки 9 и периодические удары пластины 10 о поверхность жидкости возбуждают в жидкости волны динамического давления. Кроме того, при колебаниях упругой сильфонной оболочки, консольно закрепленной на штоке 13 своим верхним концом, происходят ее продольные импульсные расширения и сжатия, значительно увеличивающие амплитуду колебаний нижней части оболочки и усиливающие ее динамическое воздействие на жидкость. Это повышает динамическое давление и интенсифицирует гидродинамическое возмущение объема жидкости. При этом при высококачественных колебаниях сильфонной оболочки на линии раздела жидкость-газ происходит захват ее гофрами газа и поступление его в виде динамических активных пузырьков вглубь жидкости. При соударении пластины 10 с поверхностью жидкости также происходит интенсивный ввод в жидкость газа, поступающего в верхнюю часть полости оболочки 9 через отверстие 11. При этом в емкости под оболочкой 9 формируется центральный поток жидкости, захватывающий газ и увеличивающий глубину его проникновения. Поступление газа в жидкость приводит к образованию колебательной системы с переменной собственной частотой, зависящей от качества газа в жидкости. Эта система обладает высокой чувствительностью, так как в ней имеет место непосредственный контакт жидкости с газом, находящимся в ней в мелкодисперсном состоянии. В результате непрерывного поступления газа собственная частота системы изменяется до тех пор, пока не совпадает с частотой колебаний вибратора, что обеспечивает выход системы на резонанс (режим вибротурбулизации). При частоте колебаний вибратора 35-70 Гц и ускорении 6-8 д выход на резонанс происходит через 10-20 с работы устройства. В результате в емкости возбуждается интенсивный режим вибротурбулизации, обеспечивающий высокую эффективность получения дисперсных систем. Данный режим характеризуется высокой устойчивостью, поскольку получен в результате самонастройки колебательной системы на резонанс. Before the operation of the device, the container 1 is filled with miscible liquid (and solid - through the hatch 7) components to the level where, when the rod 13 is in the lowest position, the entire bellows shell 9 is in the liquid, and the plate 10 is on the surface of the liquid. Then the container is sealed. When the vibrator 14 is turned on, the bellows shell 9 begins to perform vertical vibrations in the liquid, while its upper part with the plate 10 periodically rises above the liquid level by a distance equal to the double amplitude of the rod 13 vibrations. The vibrations of the bellows shell 9 and the periodic impacts of the plate 10 on the liquid surface excite dynamic pressure waves in a liquid. In addition, during vibrations of an elastic bellows shell, cantileverly fixed to the rod 13 with its upper end, its longitudinal pulse expansions and contractions occur, significantly increasing the amplitude of vibrations of the lower part of the shell and enhancing its dynamic effect on the liquid. This increases the dynamic pressure and intensifies the hydrodynamic perturbation of the fluid volume. At the same time, with high-quality vibrations of the bellows shell on the liquid-gas interface, it is trapped by the gas corrugations and received in the form of dynamic active bubbles deep into the liquid. When the plate 10 collides with the surface of the liquid, the gas also flows intensively into the liquid, which enters the upper part of the cavity of the shell 9 through the hole 11. In this case, a central fluid flow is formed in the container under the shell 9, which captures the gas and increases its penetration depth. The flow of gas into the liquid leads to the formation of an oscillatory system with a variable natural frequency, depending on the quality of the gas in the liquid. This system has a high sensitivity, since it has direct contact of the liquid with the gas in it in a finely dispersed state. As a result of the continuous flow of gas, the natural frequency of the system changes until it coincides with the vibration frequency of the vibrator, which ensures the system reaches resonance (vibroturbulation mode). With a vibrator frequency of 35-70 Hz and an acceleration of 6-8 d, the resonance is output after 10-20 s of the device’s operation. As a result, an intensive regime of vibroturbulation is excited in the tank, which provides high efficiency for producing dispersed systems. This mode is characterized by high stability, since it is obtained as a result of self-tuning of the oscillatory system to resonance.

Таким образом, колебания сильфонной оболочки, установленной в верхней части емкости, позволяет получить высокоэффективный режим вибротурбулизации в неподвижно установленной емкости и без использования специального резонатора, свободно размещенного в жидкости. Это значительно повышает эксплуатационные свойства устройства и позволяет на 20-25% снизить энергозатраты при получении дисперсных систем. Отсутствие упругого резонатора позволяет полнее использовать рабочий объем емкости, а также обеспечить надежность работы устройства при получении дисперсных систем типа взвесей, суспензий и растворов, включающий твердофазные исходные компоненты, загрузка которых в емкость производится через люк 7. При этом увеличивается количество активного газа в жидкости, повышается чувствительность колебательной системы за счет непосредственного контакта газа и жидкости, а также за счет увеличения площади их контакта вследствие мелкодисперсного распределения газа по всему объему жидкости. Это обеспечивает повышение интенсивности резонансных колебаний системы, динамическое давление в которой в положительные полупериоды пульсаций достигает 1,5-2 ати, а в отрицательные - опускается ниже порога кавитации и позволяет повысить эффективность вибрационных воздействий за счет интенсификации процессов массообмена и перемешивания. Thus, the oscillations of the bellows shell installed in the upper part of the tank allows to obtain a highly efficient mode of turboturbation in a fixed tank and without the use of a special resonator freely placed in the liquid. This significantly increases the operational properties of the device and allows 20-25% to reduce energy consumption when receiving dispersed systems. The absence of an elastic resonator makes it possible to more fully use the working volume of the tank, as well as to ensure the reliability of the device when receiving dispersed systems such as suspensions, suspensions and solutions, including solid-phase initial components, the loading of which is carried out through the hatch 7. This increases the amount of active gas in the liquid, increases the sensitivity of the oscillatory system due to direct contact of gas and liquid, as well as by increasing the area of their contact due to fine gas distribution over the entire volume of liquid. This provides an increase in the intensity of the resonant oscillations of the system, the dynamic pressure of which reaches 1.5-2 atm during positive half-periods of pulsations, and falls below the cavitation threshold in negative half-periods and makes it possible to increase the efficiency of vibration effects due to the intensification of mass transfer and mixing processes.

(56) Авторское свидетельство СССР N 428768, кл. B 01 F 3/08, 1974. (56) Copyright certificate of the USSR N 428768, cl. B 01 F 3/08, 1974.

Авторское свидетельство СССР N 965495, кл. B 01 F 11/00, 1982. USSR author's certificate N 965495, cl. B 01 F 11/00, 1982.

Claims

DEVICE FOR PRODUCING DISPERSED SYSTEMS liquid - gas, liquid - liquid containing a vertical liquid container in which an elastic element is placed, and a vibrodrive, characterized in that, in order to reduce energy consumption and intensify the mixing process, the elastic element is made in the form of a bellows shell with open lower end, on the upper end of which is fixed a plate with a central hole concentrically mounted in the upper part of the tank and rigidly connected to the vibrator through a vertical rod, connected nny to the upper end of the bellows membrane.