Устройство для перемешивания - RU2264250C2
Код документа: RU2264250C2
Чертежи
Описание
Область изобретения
Это изобретение касается устройства для перемешивания жидкостей или жидкости с частицами для образования шламов и тому подобного. Устройство согласно настоящему изобретению подходит для перемешивания одной жидкости с другой или для перемешивания жидкости с частицами, чтобы получать как однородные суспензии, так и смеси, в которых не все частицы образуют взвесь. Изобретение предназначено для применения там, где вовлечение воздуха с поверхности жидкости во время перемешивания не желательно и должно быть устранено.
Предшествующий уровень техники
Устройство для перемешивания такого типа находит широкое применение в различных промышленных процессах. Одним видом такого применения являются смесительные осадители, используемые в процессах осаждения кристаллов из сверхнасыщенного раствора. Осадители такого типа используются во многих промышленных процессах. Изобретение будет описано ниже конкретно со ссылкой на это применение, но следует понимать, что объем изобретения не ограничивается этим конкретным примером.
Одним известным перемешивающим осадителем является осадитель Гиббсайта, используемый в процессе Бейера для получения гидрата окиси алюминия из боксита. Обычный тип существующего осадителя Гиббсайта содержит большой сосуд с расположенной в центре отсасывающей трубой. В отсасывающей трубе с возможностью вращения установлена крыльчатка для обеспечения вертикальной циркуляции в осадителе. В некоторых случаях по сторонам сосуда или в отсасывающей трубе размещены отражательные перегородки или лопатки для предотвращения закручивания или вращения потока в суспензии, что в противном случае повлияет на необходимую вертикальную циркуляцию. Одной из целей процесса осаждения является получение в осадке кристаллов большего размера. Поскольку существующие осадители Гиббсайта создают довольно энергичный процесс, когда суспензия всасывается через всасывающую трубу и входит в контакт с лопастями ротора, есть опасность нарушения структуры кристаллов. Это ограничивает размер кристаллов, которые можно получить с помощью этих осадителей. Другой трудностью осадителей Гиббсайта является образование накипи, которая образуется на стенках осадителя вследствие низких скоростей потока. В частности, существенное отложение материала происходит в днище сосудов и в участках застойного потока. Следовательно, сосуды необходимо периодически чистить. Чистка не только требует дополнительных затрат, но также создает существенные перебои в производстве и может сокращать срок службы сосуда.
Такие же трудности возникают в других устройствах для перемешивания жидкостей и жидкостей с частицами в различных промышленных отраслях.
В международной патентной заявке данных заявителей № WO 99/08781 («ранее зарегистрированной») описаны способ и устройство для перемешивания жидкостей или жидкостей с частицами без аэрирования жидкости. В ранее поданной заявке механическое средство вращения, как, например, лопатка или крыльчатка, расположено вблизи верхнего конца сосуда для создания закрученного потока, проходящего через сосуд. Описание этой ранее поданной заявки включено сюда в качестве перекрестной ссылки.
Описание изобретения
Настоящее изобретение направлено на усовершенствование способа и устройства, описанного в ранее поданной заявке. В частности, настоящее изобретение обеспечивает использование нескольких усовершенствованных механических средств вращения, обычно называемых роторами, применяемых в различных типах сосудов.
Все роторы этого изобретения предназначены для использования в устройстве для перемешивания жидкостей или жидкостей с частицами без вовлечения газа с поверхности жидкости. Устройство включает емкость, содержащую жидкость (жидкости), имеющую верхний конец, нижний конец и стенку емкости, расположенную между верхним и нижним концами. Механическое средство вращения, или ротор, расположено вблизи верхнего конца емкости, для введения в жидкость вращающегося потока, проходящего в радиальном направлении наружу от центрального участка емкости в направлении к стенке емкости для создания закрученного потока, проходящего через емкость. Закрученный поток отличается тем, что он имеет наружный кольцевой участок потока умеренного вращения у стенки емкости, движущийся от верхнего конца емкости к нижнему концу, поток, направленный внутрь, у нижнего конца емкости и внутренний участок ядра быстрого вращающегося потока вокруг центрального участка емкости, движущийся от нижнего конца к верхнему концу и проходящий по существу от нижнего конца емкости к ротору. Используемое в этом описании выражение «закрученный поток» предназначено для потока, характеризующегося этими признаками.
В первом аспекте это изобретение относится к ротору для образования закрученного потока в жидкости (жидкостях), содержащейся в емкости, имеющей верхний конец, нижний конец и стенку емкости, расположенную между верхним и нижним концами, путем погружения ротора в жидкость вблизи верхнего конца, при этом ротор включает два по существу параллельных, расположенных на расстоянии один от другого по существу плоских диска, проходящих перпендикулярно оси вращения, ряд лопаток, расположенных между дисками, при этом один из дисков имеет кольцевую форму для образования входного отверстия к ряду лопаток, причем входное отверстие регулирует размер внутреннего участка ядра закрученного потока.
Лопатки предпочтительно расположены равномерно вокруг кругового участка с центром на оси вращения. Предпочтительно, лопатки расположены по существу перпендикулярно плоскостям дисков. В одном виде изобретения один из дисков, называющийся верхней плитой, не имеет отверстия. Кольцевой диск известен как нижняя плита. Поток жидкости из сосуда входит в ротор, поднимаясь в колонне потока, образующей внутренний участок ядра. Поток, проходящий через проходы, образованные между лопатками и дисками, имеет составляющую радиальной скорости, составляющую скорости закрутки и незначительную осевую скорость.
В зависимости от применения лопатки могут быть направлены вперед в радиальном направлении или назад для достижения необходимой скорости закрутки на выходе. В роторах большого размера лопатки предпочтительно развернуты в радиальном направлении или назад. Роторы меньшего размера предпочтительно имеют лопатки, направленные вперед. Общий диаметр ротора является важным параметром, влияющим на рабочие характеристики ротора. В основном, роторы большого размера вырабатывают высокий вращающий момент и низкую скорость вращения. Соотношение диаметра ротора к диаметру сосуда обычно находится в пределах от 0,26 до 0,65.
Глубина ротора выбирается для поддерживания минимальной скорости в каналах, образованных в роторе, и для соответствия характеристике давления - потока жидкости, циркулирующей в корпусе емкости. Скорость закрутки на выходах из каналов ротора эквивалентна дополнительному давлению и поэтому направление лопатки в наружной кромке, общий диаметр и глубина ротора влияют на общую характеристику давления ротора. Соотношение глубины ротора к общему диаметру ротора обычно находится в диапазоне от 0,03 до 0,3.
Большие узкие роторы, например, имеющие такой диапазон соотношения глубины ротора к диаметру ротора в нижнем конце, обеспечивают высокое давление при относительно низкой скорости циркуляции потока. Наоборот, небольшие глубокие роторы с упомянутым выше диапазоном соотношения глубины ротора к диаметру ротора ближе к верхнему концу обеспечивают высокую циркуляцию. Для данной емкости глубина ротора ограничивается, когда ротор останавливается при срыве потока, вследствие того, что он не может обеспечить потребности в давлении и потоке.
Диаметр входного отверстия в нижней плите днища определяет диаметр и интенсивность внутреннего участка ядра закрученного потока, который удерживает твердые частицы, например, в суспензии. Небольшие отверстия дают меньшие, более интенсивные колонны потока для обеспечения более сильного подъема над небольшими пространствами днища емкости. В емкостях с коническим днищем достигается полная взвесь твердых частиц с меньшей затратой энергии, причем в нижней плите днища отверстия имеют меньший размер. Наоборот, в емкостях с более плоским днищем узкая интенсивная движущаяся колонна потока оставляет частицы, оседающие на внешних участках днища. Следовательно, роторы с отверстиями большего размера в плите днища более эффективны для использования в емкостях с более плоским днищем.
В другом аспекте это изобретение относится к ротору для создания закрученного потока в жидкости (жидкостях), содержащейся в емкости, имеющей верхний конец, нижний конец и стенку емкости, расположенную между верхним и нижним концами, путем погружения ротора в жидкость вблизи верхнего конца, при этом ротор включает по меньшей мере две пустотелые спицы, отходящие по существу в радиальном направлении наружу от центральной втулки, при этом каждая спица имеет проход с входным отверстием, направленным в сторону втулки и выходное отверстие, имеющее радиальное направление, так что вращение ротора обеспечивает поток, проходящий через спицы, что обеспечивает образование вращающегося, проходящего в радиальном направлении наружу потока, создающего закрученный поток.
Спицы могут быть закреплены на втулке в радиальном направлении или расположены под углом к радиальному направлению. Может быть использовано любое количество спиц и предпочтительно спицы расположены равномерно вокруг центральной втулки.
Наружная поверхность спиц образует силу, воздействующую на жидкость, которая в сочетании с потоком, проходящим через спицы, образует необходимый вращающийся поток, проходящий в радиальном направлении наружу. Предпочтительно, около 30% потока создается за счет жидкости, проходящей через канал.
Наружная поверхность спиц может выбираться так, чтобы обеспечить направление проходящего в радиальном направлении наружу потока. Более конкретно, поверхностью роторов может быть приложена сила подъема или торможения в зависимости от выбранной формы и наклона формы относительно потока жидкости. В одном предпочтительном примере реализации могут использоваться сечения аэродинамического профиля. Сечения аэродинамического профиля установлены с углами наклона, определяющими наружные поверхности спиц, которые создают осевое давление, а также проходящий в радиальном направлении наружу поток. В этой конфигурации поток из проходов в спицах обеспечивает поток, подобный потоку из каналов через дисковые роторы.
Спицы могут быть расположены либо радиально, либо тангенциально относительно небольшой окружности вокруг втулки, так что может быть достигнуто плавное вхождение потока в канал.
Рабочие роторы больших диаметров, имеющие конструкции со спицами, могут быть изготовлены в промышленности. Как и для дискового ротора, описанного выше, на рабочую характеристику ротора главным образом влияет общий диаметр. Большие диаметры создают высокий вращающий момент при низкой скорости вращения. Роторы со спицами имеют соотношение диаметра рабочего конца к диаметру емкости приблизительно в пределах от 0,5 до 0,9.
В некоторых конструкциях к спицам могут быть добавлены дополнительные лопасти, чтобы увеличить площади поверхности и повысить вращающий момент ротора.
Также можно сочетать дисковый ротор и роторы со спицами, описанные выше, чтобы выполнить составной ротор, включающий признаки обоих роторов.
В следующем аспекте это изобретение относится к ротору для создания закрученного потока в жидкости (жидкостях), содержащейся в емкости, имеющей верхний конец, нижний конец и стенку емкости, расположенную между верхним и нижним концами, путем погружения ротора в жидкость вблизи верхнего конца, при этом ротор включает по меньшей мере две лопасти, отходящие в радиальном направлении наружу от центральной втулки, причем лопасти включают по меньшей мере одну поверхность, наклонную к направлению вращения ротора, для возбуждения потока в осевом направлении, когда образуется вращающийся поток, проходящий в радиальном направлении наружу к стенке емкости, для создания закрученного потока.
Лопасти могут быть расположены по существу вблизи втулки или могут быть установлены на отходящих наружу плечах. Внутренний диаметр, который образуют лопасти, регулирует размер внутреннего участка ядра закрученного потока.
Лопасти в некоторых случаях применения имеют сечения аэродинамического профиля. Помимо этого, лопасти могут быть пустотелыми с входным отверстием, направленным к втулке, и выходным отверстием, имеющим радиальное направление, чтобы функционировать таким же образом, как описанный выше ротор со спицами.
В объем изобретения также включено устройство перемешивания, которое образовано сочетанием роторов описанного выше типа, с емкостями различного диаметра и с разной формой днища. В частности, как описано выше, некоторые конструкции больше подходят для емкости с конической формой днища, в то время как другие роторы больше подходят для емкости с плоским днищем.
Изобретение будет описано, исключительно для примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 изображен большой дисковый ротор согласно настоящему изобретению, слева, обозначенный как Ротор 1. Небольшой дисковый ротор согласно настоящему изобретению, обозначенный как Ротор 2, показан с правой стороны.
На Фиг.2 изображен небольшой дисковый ротор увеличенной глубины согласно этому изобретению, обозначенный как Ротор 3, с левой стороны Ротор 2 на Фиг.1 также показан с правой стороны.
На Фиг.3 изображен дисковый ротор среднего размера согласно настоящему изобретению, обозначенный как Ротор 4. Ротор 2 на Фиг.1 также показан с правой стороны.
На Фиг.4 изображен ротор со спицами аэродинамического профиля согласно настоящему изобретению, обозначенный как Ротор 5. Ротор 2 на Фиг.1 также показан с правой стороны.
На Фиг.5 изображен большой ротор с не пустотелыми спицами согласно настоящему изобретению, обозначенный как Ротор 6. Ротор 2 на Фиг.1 также показан с правой стороны.
На Фиг.6 изображен ротор большого диаметра с двумя спицами согласно настоящему изобретению обозначенный как Ротор 7. Ротор 2 на Фиг.1 также показан с правой стороны.
На Фиг.7 изображен ротор с четырьмя спицами согласно настоящему изобретению, обозначенный как Ротор 8а. Ротор 2 на Фиг.1 также показан с правой стороны.
На Фиг.8 изображен ротор большого диаметра с четырьмя спицами согласно настоящему изобретению, обозначенный как Ротор 9. Ротор 2 на Фиг.1 также показан с правой стороны.
На Фиг.9 изображен ротор, снабженный спицами с закрепленными пластинами, согласно настоящему изобретению, обозначенный как Ротор 10. Ротор 2 на Фиг.1 также показан с правой стороны.
На Фиг.10 изображено сочетание дискового ротора и ротора со спицами, обозначенных как Ротор 11. Ротор 2 на Фиг.1 также показан с правой стороны.
На Фиг.11 изображен график потребления энергии и вращающего момента ротора для твердых частиц «свежей взвеси» в сосудах с коническим днищем и плоским днищем.
Наилучшие варианты реализации изобретения
Роторы, показанные на фиг.1, 2 и 3, образованы параллельными, расположенными на расстоянии один от другого перпендикулярно соединительной втулке 3, дисками 1, 2. Втулка 3 обеспечивает обычное соединение с приводным валом (не показан). Ряд расположенных на одинаковом расстоянии лопаток 4 установлен между дисками 1, 2. Лопатки имеют либо прямую, либо дугообразную форму, как описано ниже. Диск 1 является верхней плитой и не имеет отверстий. Диск 2 имеет кольцевую форму и обеспечивает входное отверстие к ряду лопаток 4.
На Фиг.1 показан большой дисковый Ротор 1 согласно настоящему изобретению. Лопатки 4 прямые и имеют радиальное направление. Роторы этого типа могут иметь лопатки 4, которые направлены радиально или повернуты назад от направления вращения. Соотношение диаметра ротора к диаметру сосуда для Ротора 1 составляет приблизительно 0,65. Соотношение глубины ротора к диаметру рабочего конца ротора составляет 0,032.
Ротор 2, показанный на Фиг.1, является ротором меньшего диаметра с лопатками 4, направленными вперед в направлении вращения. Лопасти прямые и образуют угол приблизительно 23° к радиальному направлению. Соотношение диаметра ротора к диаметру сосуда для Ротора 2 обычно составляет 0,28. Соотношение глубины ротора к диаметру рабочего конца ротора составляет приблизительно 0,11.
Ротор 3, показанный на Фиг.2, является небольшим дисковым ротором увеличенной глубины по сравнению с Ротором 2. Как видно, Ротор 3 имеет дугообразные лопатки. Радиус лопаток 4 приблизительно такой же, как радиус всего ротора. Связка, соединяющая два конца каждой лопатки 4, находится под углом приблизительно 25° к радиальному направлению. В результатах, которые описаны далее, Ротор 3 обозначен как Ротор 3f, когда он работает с лопатками, направленными вперед, и как Ротор 3b, когда он работает с лопатками, развернутыми назад. Соотношение диаметра ротора к диаметру емкости для Ротора 3 составляет приблизительно 0,26. Соотношение глубины ротора к диаметру рабочего конца ротора составляет приблизительно 0,29. Когда эти роторы работают в направлении вперед или назад, они обеспечивают большую циркуляцию. Для каждой емкости есть предел глубины ротора, когда ротор останавливается при срыве потока, поскольку он не может обеспечить необходимого давления и потока. Ротор 3f, который превышает в четыре раза глубину Ротора 2, останавливается в емкостях с соотношением высоты к диаметру в пределах от 2,5 до 3. В тех же емкостях Ротор 3b, например, работающий с развернутыми назад лопатками, обеспечивал эффективную и стабильную работу.
На Фиг.3 показан Ротор 4b среднего размера. Этот ротор имеет входное отверстие меньшего диаметра, полученное установкой дополнительного кольцевого диска 5 в роторе, обозначенном как Ротор 4а с входным отверстием большого диаметра. Лопатки 4 прямые и имеют радиальное направление. Ротор 4b и Ротор 4а имеют соотношение диаметра ротора к диаметру емкости приблизительно 0,51. Соотношение глубины ротора к диаметру ротора составляет приблизительно 0,22.
На Фиг.4 показан Ротор 5, снабженный спицами. Этот ротор образован шестью пустотелыми сечениями 6 аэродинамического профиля, опирающимися на плечи 7, расположенные вокруг центральной втулки 8. Аэродинамические сечения 6 направлены радиально наружу, так что часть потока проходит через проходы 9 в каждой спице. Сечения аэродинамического профиля установлены под углом, так что наружные поверхности спиц создают давление в направлении по оси, а также составляющую скорости, направленную радиально наружу. Поток, проходящий через полое пространство внутри спиц, обеспечивает вращающийся поток, проходящий в радиальном направлении наружу, подобный тому, который обеспечивается дисковыми роторами, описанными выше. Ротор 5 обычно работает с соотношением диаметра ротора к диаметру емкости, приблизительно составляющим 0,65. В работе приблизительно от 20 до 30% потока, возбуждаемого ротором 31, проходит через полые проходы в спицах.
Ротор 6, показанный на Фиг.5, имеет лопасти 10, опирающиеся на плечи 11, отходящие от втулки 8. Лопасти наклонены в направлении вращения ротора для возбуждения потока в осевом направлении, а также вращающегося потока в радиальном направлении наружу. Ротор 6 обычно работает с соотношением диаметра ротора к диаметру емкости, приблизительно составляющим 0,6.
Ротор 7, показанный на Фиг.6, является Ротором 7 большого диаметра с двумя спицами. Ротор 7 имеет центральную втулку 12 с двумя пустотелыми спицами 13 квадратного поперечного сечения, установленными тангенциально относительно небольшой окружности вокруг оси вращения. Это обеспечивает плавное вхождение потока во внутренний проход в спицах. Спицы расширяются в наружном конце 14 и включают дополнительную центральную лопасть 15 для направления потока из спицы 13. Расширяющаяся часть и центральная лопасть 15 направляют поток в направлении назад относительно направления вращения. Соотношение диаметра рабочего конца к диаметру емкости для Ротора 7 обычно составляет около 0,9.
Ротор 8а, показанный на Фиг.7, имеет четыре спицы и обозначен как Ротор 8а. Этот ротор имеет четыре отходящие в радиальном направлении наружу спицы 16 квадратного поперечного сечения. Результаты, о которых говорится ниже, включают результаты для ротора, обозначенного как Ротор 8b, который имеет ту же конфигурацию, но имеет только две диаметрально противоположные спицы 16. Ротор 8а (и Ротор 8b) имеет соотношение диаметра ротора к диаметру емкости, составляющее приблизительно 0,65.
На Фиг.8 показан Ротор 9 большого диаметра с четырьмя спицами. Этот ротор в основном подобен Ротору 7, показанному на Фиг.6, но имеет две дополнительные спицы 13. Соотношение диаметра ротора к диаметру емкости для Ротора 9 составляет приблизительно 0,9.
На Фиг.9 показан Ротор 10, имеющий спицы с закрепленными на них пластинами. Этот ротор имеет две отходящие в радиальном направлении пустотелые спицы 17 квадратного сечения, на конце каждой из которых закреплены плоские пластины 18, 19 для увеличения площади поверхности, входящей в контакт с потоком. Дополнительные плоские пластины 18, 19 обеспечивают ротор с высоким вращающим моментом.
На Фиг.10 показан ротор, включающий сочетание дискового ротора со спицами 20, обозначенный как Ротор 11. Этот ротор имеет восемь отходящих в радиальном направлении прямоугольных пустотелых спиц 20, на которых установлено два кольцевых диска 21, 22, разделенных прямыми радиальными лопатками 23.
На Фиг.11 показан график мощности и вращающего момента различных роторов для сосудов с коническим и плоским днищем, когда твердые частицы находятся в состоянии «свежей взвеси». Основным параметром является минимальная мощность, необходимая для создания взвеси, при этом требуется высокий вращающий момент, поскольку он означает высокое напряжение сдвига на стенках емкостей, которое нужно для уменьшения отложений. Из Фиг.11 очевидно следующее:
1) мощность, необходимая для создания взвеси, значительно меньше для емкостей с коническим днищем, чем для сосудов с плоским днищем;
2) роторы с диаметрами большего размера, такие как Ротор 1, Ротор 9 и Ротор 10, обеспечивают высокий вращающий момент при низкой скорости;
3) роторы с диаметрами большего размера образуют взвеси твердых частиц при более низкой мощности;
4) роторы, конструкция которых включает диски, и роторы, имеющие спицы, такие как Ротор 1 и Ротор 8а, могут иметь равноценные рабочие характеристики.
Таким образом выше описаны только некоторые примеры реализации этого изобретения и возможны модификации, не выходящие за пределы объема изобретения.
Реферат
Ротор для создания закрученного потока в жидкости (жидкостях), содержащейся в емкости. В одном варианте ротор включает два параллельных, расположенных на расстоянии один от другого диска. Между дисками установлен ряд лопаток. Один из дисков имеет кольцевую форму для образования входного отверстия к ряду лопаток. Входное отверстие регулирует размер внутреннего участка ядра закрученного потока. В другом варианте ротор имеет по меньшей мере две пустотелые спицы, отходящие в радиальном направлении наружу от центральной втулки. Каждая спица имеет проход с входным отверстием, направленным в сторону втулки, и выходное отверстие, имеющее радиальное направление. Вращение ротора обеспечивает поток, проходящий через спицы, что способствует образованию вращающегося, проходящего в радиальном направлении наружу потока, создающего закрученный поток. В другом варианте ротор включает по меньшей мере две лопасти, отходящие в радиальном направлении наружу от центральной втулки. Лопасти включают по меньшей мере одну поверхность, наклонную к направлению вращения ротора. Лопасти возбуждают поток в осевом направлении, когда образуется поток, направленный наружу с вращением, для создания закрученного потока. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.
