Изобретение относится к статическим смесительным устройствам, содержащим несколько последовательно расположенных смесителей различного способа действия и относится к области смешения жидкофазных систем, в том числе являющихся дисперсионной средой и дисперсной фазой, а также к области направленной активации свойств и рекомбинации указанных систем.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время актуальным является достижение повышения эффективности смешения и структурирования, в результате которого молекулы и молекулярные цепи приобретают такую пространственную конфигурацию, которая обеспечивает более полное окисление кислородом. Часто это осуществляется посредством одного какого-либо типа статического смесителя, что требует доводки его конструктивных и технологических параметров применительно к конкретным смешиваемым или активируемым жидкофазным системам; это является длительным и трудоёмким процессом.

Поэтому последовательное применение нескольких статических смесителей различных конструкций, расположенных в одном прямоточном корпусе, позволяет получить универсальный статический смеситель-активатор.

Существует несколько наиболее распространенных типов статических смесителей.

К ним, прежде всего, относятся смесители с винтовыми элементами, которые изготавливаются из плоской тонкой пластины посредством скручивания в левом или правом направлениях, в частности US 3286992, US 3643927, GB 1413825, SU 504549 и SU 804464. Винтовые элементы могут располагаться на поверхности трубки, вала или стержня, US 4049241 и US 3794300.

Также широко распространены статические смесители с промежуточными камерами. Перемешивание в них осуществляется за счет создания резкого расширения и сужения пространства внутри цилиндрического корпуса, вызывающих изменение скорости потока и возникновение усиленного вихреобразования, связанного с отрывом потока от стенок, US 3404869, US 352391 , CZ 214380, SU 103903.

Простым по конструкции, но не менее эффективным является статический смеситель, в котором промежуточные камеры разделены дисками с несколькими сквозными каналами, US 3582048.

Также широкое распространение получили статические смесители, в которых элементы из взаимно перпендикулярных пластин, ориентированных вдоль цилиндрического корпуса и составляющих пространственную решетку, обеспечивают разделение жидкостей на отдельные струи и их движение по сложным каналам, где они многократно дробятся, US 3620106.

Помимо прямого назначения некоторые типы смесителей могут применяться для активации жидкостей и растворов. Как правило, в конструкцию такого смесителя-активатора встраивается магнит или электромагнит, создающие магнитное поле, RU 2085277, RU 2275956, RU 2224586, RU 2325223. Существуют активаторы с магнитными элементами, осуществляющие одновременно магнитно-механическую обработку отдельно взятой жидкой среды.

Кроме указанных смесителей распространение получили _s смесители с гофрированными элементами, трубчатые смесители, вихревые смесители с каплевидными элементами, с турбулизирующими вставками (инжекционные и эжекционные). К малораспространенным типам смесителей относятся смесители, в основу работы которых положено использование:

акустического резонанса, например, SU 909430 и SU 775514):

- лазерного луча, например, RU 173210;

- кавитации, например, RU 2202406; - пропускания электрического тока, например, SU 1780822, RU 2205681 , RU 2094106;

смешения с помощью трубки Вентури, например, RU2093257;

- смешения с помощью пористой вставки, например,

RU2132724).

Стремление увеличить эффективность малообъемных смесителей за счет усложнения их конструкций привело к появлению многих разновидностей смесительных элементов. Но такое решение указанной проблемы требует высокоточной и сложной технологии изготовления этих элементов и особенно минимизации имеющихся зазоров, например, RU 2323771 , RU 2261755, RU 2080164, RU 2325221.

Известен комбинированный смеситель-активатор прямоточного типа для полярных и неполярных жидких сред, осуществляющий механическое воздействие на структуру указанных жидких сред или отдельно взятую среду и состоящий из трех видов последовательно расположенных смесителей, RU2266776. Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Смешение осуществляют в аппарате с последовательно расположенными зонами смешения, названными статической, кинематической и динамической. Последнюю осуществляют в роторно-пульсациояном аппарате, который не относится к статическим смесителям. В соответствии с этим смеситель имеет три секции. В первой секции поток встречает статическое препятствие, например, в виде наклонных под другим углом перегородок. Во второй секции усиливается вращательная составляющая движения потока посредством лопастей, установленных на валу роторно-пульсационного аппарата и подающих поток смеси в зазор вращающегося ротора относительно статора.

Недостатком прототипа является малая степень гомогенности при смешении дисперсионной среды и дисперсной фазы, а для отдельно обрабатываемой жидкой среды - отсутствие необходимой системы активации и рекомбинации, приводящих к разрыву межмолекулярных связей, обусловленных Ван-д ер-Ваал ьсовыми силами.

Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения положено решение технической задачи получения высокой, степени гомогенности при смешении дисперсионной среды и дисперсной фазы, а для отдельно обрабатываемой жидкой среды - обеспечения активации и рекомбинации, приводящих к разрыву межмолекулярных связей, обусловленных Ван-д ер-Ваальсовыми силами, путем осуществления механического воздействия с высокой удельной энергоёмкостью на жидкофазные системы и создания высоко развитой межфазной поверхности.

Применительно к статическим смесителям решение этой задачи можно получить пропусканием потоков смешиваемых жидкофазных систем или отдельно взятой жидкой среды через смесители с различными способами воздействия, воспроизводящими сложное движение элементарных объемов, сопровождающееся распределением сталкивающихся молекул по относительным энергиям.

Согласно изобретению, в комбинированном смесителе- активаторе прямоточного типа для полярных и неполярных жидких сред, осуществляющем механическое воздействие на структуру указанных жидких сред или отдельно взятую среду и состоящем из трех видов последовательно расположенных смесителей, первый смеситель выполнен с возможностью осуществления кинематического действия, приводящего к квазиударному воздействию, второй смеситель выполнен с возможностью осуществления кавитационного воздействия, третий смеситель расположен с возможностью разделения общего потока жидкости на малые пересекающиеся струи и в совокупности указанные три вида смесителей выполняют как функцию активного смешения, так и структурирующую функцию за счет нарушения исходного межмолекулярного взаимодействия, обусловленного Ван-дер- Ваальсовыми силами. Первый смеситель может реализовать кинематику и динамику сложного движения, создающую квазиударное воздействие на жидкую среду, при этом он состоит из первой и второй цилиндрических спиралей, имеющих взаимно противоположное направление навивки, и первая спираль находится во второй спирали, внутри первой спирали установлен с малым зазором направляющий стержень, имеющий кольцевой выступ, на который опираются одной торцевой стороной первая и вторая спирали, и вторая спираль, являющаяся внешней по отношению к первой спирали, вставлена в цилиндрический корпус с возможно малым зазором. Второй смеситель может состоять из указанного направляющего стержня и промежуточной камеры, при этом указанный направляющий стержень имеет ступенчато- конусную конфигурацию, и одна ступень является цилиндрической направляющей с диаметром, несколько меньшим внутреннего диаметра указанной первой спирали, вторая ступень имеет диаметр, несколько меньший внутреннего диаметра указанного корпуса и третья ступень имеет форму конуса с диаметром основания, меньшим диаметра второй ступени, и во второй ступени, частично выходящей за пределы первой ступени, по окружности, являющейся границей между указанными первой и второй спиралями, выполнены отверстия, предназначенные для создания перепада давления при перетекании жидкой среды из первого смесителя в промежуточную камеру. Третий смеситель пластинчатого типа может состоять из элементов в виде гребенок с отогнутыми в противоположных направлениях на некоторый угол зубьями и собранных таким образом, что в совокупности указанные элементы образуют объемную решетку со смещенными на ширину зубьев прорезями. Корпус может иметь герметично закрепленные торцевые крышки с штуцерами, при этом внутренняя полость корпуса разделена на два цилиндрических участка, реализующих возможность постановки первого и третьего смесителей с разными внешними диаметрами, и имеет кольцевые выступы, служащие упорами для указанного направляющего стержня второго смесителя, и крышка со стороны первого смесителя при установке имеет возможность поступательного перемещения с последующим закреплением одним из способов. Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «Новизна» («N»).

Реализация отличительных признаков изобретения обеспечивает важные новые свойства объекта. Принципы смешения и активации, заложенные в предлагаемом комбинированном смесителе-активаторе, заключаются в следующем. В первом смесителе происходит сложное движение потока, реализующее нормальную, тангенциальную, относительную и кориолисову составляющие ускорения, а вместе с тем соответствующие силы инерции (кинематическая зона). Во втором смесителе происходит вихреобразование и кавитация. В третьем смесителе осуществляется окончательное дробление потока на министруи и капли, диаметр которых составляет 5 микрон и менее, чем достигается высокая степень гомогенности.

Заявителем не выявлены источники, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанное новое свойство объекта обусловливает, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «Изобретательский уровень» (IS).

Краткое описание чертежей В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием примеров его осуществления со ссылками на чертежи, на которых изображено: на фиг. 1 - схема комбинированного статического смесителя- активатора;

на фиг. 2 а,б - пример перекрещивающейся решетки. Лучший вариант осуществления изобретения

В цилиндрическом корпусе 1 , имеющем ступенчатую внутреннюю поверхность, расположены секции I, II, III.

Секция 1 расположена на входе в устройство. В ней находится смеситель, состоящий из двух винтовых элементов 2 и 3. Винтовой элемент 2 прилегает к цилиндрической поверхности корпуса 1 и имеет навивку правостороннюю или левостороннюю. Внутри винтового элемента 2 находится винтовой элемент 3, имеющий, соответственно, левостороннюю или правостороннюю навивку. Между витками винтовых элементов 2 и 3 имеется по возможности малый зазор. Внутри винтового элемента 3 также с малым зазором проходит цилиндрический стержень 4, выполненный заодно с цилиндрической вставкой 5, имеющей со стороны, противоположной стержню 4, конус 6. В цилиндрической вставке 5 выполнены каналы 7, центры входных отверстий которых располагаются в зазоре между витками винтовых элементов 2 и 3. Каналы 7 могут располагаться вдоль оси корпуса 1 или под углом к этой оси.

Цилиндрическая вставка 5 относится к секции II, включающей также промежуточную камеру 8.

После промежуточной камеры 8 следует секция III, внутри которой установлен смеситель 9, составленный из перекрещивающихся решеток 10, образующих пространственную систему каналов, осуществляющую разделение и воссоединение потоков, в результате чего происходит эффективное смешение дисперсионной среды и дисперсной фазы с многоточечным массообменном на молекулярном уровне. Пример перекрещивающейся решетки 10 показан на Фиг. 2 а, · б. Характерной особенностью решетки 10 является наличие зубьев, отогнутых в разные стороны так, чтобы между зубьями были щели и ширина щелей между зубьями, отогнутыми в одну сторону, была бы равна ширине зубьев, отогнутых в другую сторону и наоборот.

Существенным является также, чтобы все зазоры между узлами смесителей и корпусом 1 были настолько малыми, чтобы осуществлялись сдвиги между молекулярными слоями.

Смеситель-активатор действует следующим образом.

Насосом, который на фиг.1 не показан, смешиваемые жидкофазные системы подаются на вход секции I и далее произвольно распределяются по внешнему и внутреннему винтовым элементам соответственно 2 и 3. Дальнейшее движение распределенных указанным образом жидкофазных систем осуществляется в противофазс. что приводит к множественным локальным квазиударным процессам, приводящим к дроблению и смешению указанных систем. В конце секции I перед цилиндрической вставкой 5 образуется вихревая зона, формирующая псевдокипящий слой.

Далее смешиваемые жидкофазные системы поступают в каначы 7, в которых повышается внутреннее давление, сжимающее образующиеся капли. При попадании капель в промежуточную камеру 8 секции II возникает кавитация вследствие резкого перепада давления и дробление крупных капель на капли меньшего диаметра. Конус 6 предназначен для направленного движения образующихся потоков и ликвидирует застойную зону. В секции III вновь происходит разделение каплесодержащих потоков на мелкие струи, которые движутся по ломанным щелевидным канатам, образующим пространственную решетку.

В итоге создаются условия для дробления длинных молекулярных цепей на более короткие, а 'тяжелые молекулярные цепи разделяются на более легкие. В итоге кроме смешивания происходит активация жидкофазных систем выражающаяся, в том числе, в равномерном распределении тяжелых и легких молекулярных цепей на выходе из секции III.

Прохождение смешиваемых жидкофазных систем через смесители, установленные в секциях I и III, воспроизводит динамический режим, при котором происходит превращение отдельных молекул или комплексов сталкивающихся молекул из начального i-ro квантового состояния во все конечные f состояния. Они могут быть как незначительными, так и существенными, приводящими к заметным изменениям качества продукта. Существенным является также то, что при прохождении потоков через указанные смесители может возникнуть неустойчивое стационарное состояние, приводящее к автоколебаниям. Этому также способствует пульсирующая работа подающих насосов.

Винтовые элементы 2 и 3 могут быть выполнены в виде пружин с левой и правой навивкой. В зависимости от плотности и вязкости смешиваемых сред целесообразно менять шаг навивки. В рассматриваемом смесителе-активаторе регулирование осуществляется с помощью торцевой крышки 1 1 , расположенной на входе в смеситель-активатор, которая имеет резьбу, и посредством соответствующей резьбы в корпусе 1 может перемещаться в осевом направлении. Вторая торцевая крышка 12, расположенная на выходе обработанной среды из смесителя-активатора может быть глухой или также установленной на резьбе. Кроме того, указанная крышка 12 имеет нейтральную конусообразную выемку для формирования потока на выходе.

Узел смесителя, установленного в секции III может быть сборным из элементов, изображенным на фиг. 2 а, б или исполненным по известным патентам.

Промышленная применимость

Для изготовления устройства использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость» (IA).