RU2592801C1

RU2592801C1 - Combined static mixer-activator

Info

Publication number: RU2592801C1
Application number: RU2015124635/05A
Authority: RU
Inventors: Станислав Александрович Нагорнов; Екатерина Юрьевна Левина; Максим Юрьевич Левин
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2016-07-27

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to static mixer-activator and can be used for mechanical effects of different physical nature on structure of liquid systems or separate liquid medium. Proposed mixer comprises three mixers arranged successively and operating on different principles. First mixer performs kinematic action, second performs cavitation action, third mixer separates fluid stream into small intersecting jets and has magnetic exposure for intensification of activation and structuring processes.

EFFECT: high degree of homogenisation of liquid-phase systems and reducing size of drops of resultant medium.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к статическому смесителю-активатору для многофазных систем и может быть использовано для механических воздействий разной физической природы на структуру жидких систем или отдельно взятой жидкой среды, и предназначенному для смешения, гомогенизации и направленной активации свойств и рекомбинации жидкостей.The invention relates to a static mixer-activator for multiphase systems and can be used for mechanical stresses of different physical nature on the structure of liquid systems or a single liquid medium, and intended for mixing, homogenization and directional activation of the properties and recombination of liquids.

Статические смесители имеют преимущество, например, перед роторно-пульсационным аппаратом в виде относительной простоты конструкции и отсутствия подвижных частей, однако их применение ограничено недостаточной степенью гомогенизации смешиваемых сред (Туболкин А.Е. Получение и модифицирование низковязких полимерных композиций в роторно-пульсационных аппаратах в режиме автоколебаний: дисс.… канд. техн. наук: 05.17.06 / Туболкин А.Е. - СПб., 2006. - 134 с.).Static mixers have an advantage, for example, over a rotary pulsation apparatus in the form of relative simplicity of design and the absence of moving parts, but their use is limited by the insufficient degree of homogenization of the mixed media (Tubolkin A.E. Production and modification of low-viscosity polymer compositions in rotary pulsation apparatuses in the mode self-oscillations: diss. ... candidate of technical sciences: 05.17.06 / Tubolkin AE - SPb., 2006. - 134 p.).

Известно несколько наиболее часто применяющихся статических смесителей, используемых отдельно либо в совокупности в различных конструкциях устройств (Богданов В.В. и др. Эффективные малообъемные смесители. / В.В. Богданов, Е.И. Христофоров, Б.А. Клоцунг. - Л.: Химия, 1989. - 224 с.: ил.).There are several commonly used static mixers that are used individually or in combination in various device designs (VV Bogdanov and others. Effective low-volume mixers. / VV Bogdanov, EI Khristoforov, B.A. Klotsung. - L .: Chemistry, 1989 .-- 224 p.: Ill.).

Наиболее близким из известных устройств к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство, описанное в патенте RU №2411074 С1, от 01.07.2009 г., МПК B01F 13/10 (2006.01), в соответствии с которым смешение осуществляют в аппарате с последовательно расположенными секциями, в первой секции осуществляется кинематическое действие (вихревая часть), приводящее к квазиударному воздействию, во второй секции осуществляется кавитационное воздействие, третья секция выполнена с возможностью турбулизации потока и разделения его на малые пересекающиеся струи.The closest known device to the claimed technical essence and the achieved effect is the device described in patent RU No. 2411074 C1, dated July 1, 2009, IPC B01F 13/10 (2006.01), in accordance with which the mixing is carried out in an apparatus with series located sections, in the first section, a kinematic action (vortex part) is carried out, leading to quasi-shock action, in the second section is a cavitation effect, the third section is made with the possibility of turbulence of the flow and its separation into small intersecting jet.

Тем не менее, комбинированный смеситель-активатор имеет недостатки: отсутствие вихреобразователей, недостаточное кавитационное воздействие и эффективное дробление на струи и капли.However, the combined mixer-activator has disadvantages: the absence of vortex generators, insufficient cavitation and effective crushing into jets and drops.

Техническая задача настоящего изобретения - устранить указанные недостатки за счет увеличения эффективности статичных смесителей-активаторов путем повышения степени гомогенизации жидкофазных систем и уменьшения размера капель результирующей среды.The technical task of the present invention is to eliminate these disadvantages by increasing the efficiency of static mixer activators by increasing the degree of homogenization of liquid-phase systems and reducing the size of the droplets of the resulting medium.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в комбинированном статическом смесителе, содержащем три последовательно соединенных смесителя в цилиндрическом корпусе, зазоры между узлами которых и корпусом настолько малы, что возможен сдвиг между молекулярными слоями, и заканчивающемся торцевой крышкой, которая имеет конусообразную выемку для формирования потока на выходе, в первом смесителе установлены внутри два винтовых элемента с противоположной навивкой и внутренний винтовой элемент установлен внутри внешнего винтового элемента, также во внутреннем винтовом элементе проходит цилиндрический стержень, выполненный заодно с цилиндрической вставкой, в которой есть сквозные каналы, направляющие поток жидкости в промежуточную камеру второго смесителя, центры входных отверстий каналов располагаются в зазоре между витками винтовых элементов, третий смеситель содержит смесительный элемент, составленный из перекрещивающихся решеток, состоящих из 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, согласно изобретению в первом смесителе выполнен вход для жидкости в виде сопла с тангенциальным вводом, во втором смесителе установлена плита со скругленными в сторону выхода краями, в третьем смесителе установлены два кольцевых магнита, при этом цилиндрический корпус выполнен из немагнитного материала.The solution to this problem is achieved by the fact that in a combined static mixer containing three series-connected mixers in a cylindrical body, the gaps between the nodes of which and the body are so small that a shift between the molecular layers is possible, and ends with an end cap that has a cone-shaped recess for forming a flow on output, in the first mixer two screw elements with an opposite winding are installed inside and an internal screw element is installed inside an external screw element enta, also in the internal screw element there is a cylindrical rod, integral with the cylindrical insert, in which there are through channels directing the fluid flow into the intermediate chamber of the second mixer, the centers of the channel inlet openings are located in the gap between the turns of the screw elements, the third mixer contains a mixing element, composed of intersecting grids consisting of combs with teeth bent in opposite directions to a certain angle and assembled in such a way that for accuracy, these elements form a volumetric lattice with slots offset by the width of the teeth, according to the invention, the fluid inlet in the form of a nozzle with a tangential inlet is made in the first mixer, a plate with edges rounded towards the exit is installed in the second mixer, two ring magnets are installed in the third mixer, this cylindrical body is made of non-magnetic material.

Использование смесителя-активатора, содержащего три последовательно соединенных статических смесителя в корпусе, позволяет осуществлять различные принципы воздействия на обрабатываемую среду. Первый смеситель осуществляет кинематическое действие, которое реализовано посредством подачи жидкости в сопловый вход с тангенциальным вводом и винтовыми элементами, второй смеситель оказывает кавитационное воздействие, третий смеситель разделяет общий поток обрабатываемой жидкости на малые пересекающиеся струи и оказывает магнитное воздействие для интенсификации процессов активации и структуризации. Использование многофакторного импульсного воздействия способствует активному смешению многофазных систем и приводит к их структуризации благодаря нарушению межмолекулярного взаимодействия среды, поступающей на вход в смеситель-активатор, а для отдельно обрабатываемой жидкой среды активация и рекомбинация приводят к разрыву межмолекулярных связей.The use of an activator mixer containing three series-connected static mixers in the housing allows the implementation of various principles of exposure to the medium being treated. The first mixer performs a kinematic effect, which is realized by supplying liquid to the nozzle inlet with a tangential inlet and screw elements, the second mixer has a cavitational effect, the third mixer divides the total flow of the processed liquid into small intersecting jets and exerts a magnetic effect to intensify the activation and structuring processes. The use of multifactor pulsed action promotes the active mixing of multiphase systems and leads to their structuring due to disruption of the intermolecular interaction of the medium entering the mixer-activator, and for a separately processed liquid medium, activation and recombination lead to the breaking of intermolecular bonds.

Подача жидкости в первый смеситель в предлагаемой конструкции осуществляется в отличие от прототипа с помощью соплового входа с тангенциальным вводом среды, что приводит к начальному завихрению обрабатываемой среды, поступающей на винтовые элементы, и интенсификации процесса вихреобразования и смешения в первом смесителе.The fluid in the first mixer in the proposed design is, in contrast to the prototype, using a nozzle inlet with a tangential input of the medium, which leads to the initial swirl of the medium to the screw elements and the intensification of the vortex formation and mixing process in the first mixer.

Во втором смесителе осуществляется процесс кавитации за счет того, что жидкая среда продавливается через выполненные в цилиндрической вставке каналы, затем ударяется о плиту (чем достигается дополнительная кавитация по отношению к конструкции прототипа) и попадает в камеру с перепадом давления, где происходит дополнительная кавитация и турбулизация.In the second mixer, the cavitation process is carried out due to the fact that the liquid medium is forced through the channels made in the cylindrical insert, then hits the plate (thereby achieving additional cavitation with respect to the prototype design) and enters the chamber with a pressure drop, where additional cavitation and turbulization take place .

В третьем смесителе поток жидкости дробится на струи благодаря следованию через пространственную решетку и подвергается воздействию магнитного поля, способствующего дополнительному расщеплению струй и интенсификации массообменных процессов потока жидкости, проходящего в зазорах решетки, что также выделяет предлагаемую конструкции по отношению к прототипу. Получаемые при этом капли имеют диаметр порядка 1-3 микрона.In the third mixer, the fluid flow is split into jets due to following through the spatial lattice and is exposed to a magnetic field, which contributes to additional splitting of the jets and intensification of mass transfer processes of the fluid flow passing in the gaps of the lattice, which also distinguishes the proposed design in relation to the prototype. The resulting droplets have a diameter of the order of 1-3 microns.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид смесителя-активатора, а на фиг. 2 - разрез А-А входа в смеситель-активатор перпендикулярно цилиндрической оси.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a general view of the activator mixer, and FIG. 2 - section AA of the entrance to the mixer-activator perpendicular to the cylindrical axis.

Комбинированный смеситель-активатор состоит из цилиндрического корпуса 1, где расположены три смесителя, внешний винтовой элемент 2 в первом смесителе содержит внутренний винтовой элемент 3, имеющий противоположную навивку относительно внешнего винтового элемента 2, внутри винтового элемента 3 с малым зазором проходит цилиндрический стержень 4, выполненный заодно с цилиндрической вставкой 5, имеющей со стороны, противоположной стержню 4, плиту 6 со скругленными по радиусу краями. Цилиндрическая вставка 5 содержит каналы 7, центры входных отверстий которых располагаются в зазоре между витками винтовых элементов 2 и 3, направляющие поток жидкости в промежуточную камеру 8, а оттуда в третий смеситель, содержащий пространственную решетку 9, которая состоит из 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, ориентированных вдоль цилиндрического корпуса 1, и установленные два кольцевых постоянных магнита 10 (например, Nd-Fe-B). Вход в смеситель-активатор представлен в виде сопла с тангенциальным вводом 11, разрез которого представлен на фиг. 2, а выход - в виде торцевой крышки 12, имеющей конусообразную выемку для формирования потока на выходе.The combined mixer-activator consists of a cylindrical body 1, where three mixers are located, the external screw element 2 in the first mixer contains an internal screw element 3 having opposite winding relative to the external screw element 2, a cylindrical rod 4 is made inside the screw element 3 with a small gap, made at the same time with a cylindrical insert 5 having, on the side opposite to the rod 4, a plate 6 with radially rounded edges. The cylindrical insert 5 contains channels 7, the centers of the inlet openings of which are located in the gap between the turns of the screw elements 2 and 3, directing the fluid flow into the intermediate chamber 8, and from there to the third mixer containing a spatial grid 9, which consists of combs with bends in opposite directions at a certain angle by the teeth and assembled in such a way that together these elements form a volumetric lattice with slots offset by the width of the teeth, oriented along the cylindrical body 1, and installed two ring permanent magnet 10 (for example, Nd-Fe-B). The entrance to the activator mixer is presented in the form of a nozzle with a tangential inlet 11, a section of which is shown in FIG. 2, and the outlet is in the form of an end cap 12 having a cone-shaped recess for forming a flow at the outlet.

Комбинированный смеситель-активатор работает следующим образом. Насосом, который не показан на фиг. 1, подаются смешиваемые жидкости в сопловый вход с тангенциальным вводом 11, поток завихряется и приобретает кинетическую энергию, далее произвольно распределяется по внешнему и внутреннему винтовым элементам 2 и 3 - это небольшие металлические спиральные ленты, изготовленные скручиванием плоской пластины на некоторый угол вдоль продольной оси. Право- или левоизогнутый винтовой элемент 2 прилегает без зазоров между боковыми гранями винтового элемента и цилиндрической поверхности корпуса 1. Внутри элемента 2 находится винтовой элемент 3 и имеет навивку левостороннюю или правостороннюю. Между витками винтовых элементов 2 и 3 имеется малый зазор.Combined mixer-activator operates as follows. A pump that is not shown in FIG. 1, mixed liquids are fed into the nozzle inlet with a tangential inlet 11, the flow swirls and acquires kinetic energy, then it is randomly distributed over the external and internal screw elements 2 and 3 - these are small metal spiral tapes made by twisting a flat plate at some angle along the longitudinal axis. The right or left-curved screw element 2 abuts without gaps between the side faces of the screw element and the cylindrical surface of the housing 1. Inside the element 2 there is a screw element 3 and has a left-side or right-side winding. Between the turns of the screw elements 2 and 3 there is a small gap.

В первом смесителе жидкость расслаивается при переходе от одного элемента к другому, а в пределах одного винтового элемента течет по двум полукруглым винтовым каналам, в противофазе, это приводит к множественным локальным квазиударным процессам, которые способствуют дроблению и смешению жидкостей. В конце первого смесителя перед цилиндрической вставкой 5, содержащей каналы 7, образуется вихревая зона, формирующая псевдокипящий слой.In the first mixer, the liquid is stratified during the transition from one element to another, and within one screw element flows through two semicircular screw channels, in antiphase, this leads to multiple local quasi-shock processes that contribute to the crushing and mixing of liquids. At the end of the first mixer, in front of the cylindrical insert 5 containing the channels 7, a vortex zone forms, forming a pseudo-boiling layer.

Во втором смесителе происходит кавитационное действие на жидкую среду. В каналах 7 повышается внутреннее давление, сжимающее образующиеся капли, которые ударяются о плиту 6, попадают в промежуточную камеру 8. Возникает кавитация вследствие резкого перепада давления и ударения потока о плиту 6, причем возникает как акустическая кавитация, так и гидродинамическая, обусловленная интенсивным вихревым движением жидкости, происходит дробление крупных капель на капли меньшего диаметра. Следует отметить, что акустическая и гидродинамическая кавитации возникают одновременно в одном потоке и дополняют друг друга. Само по себе схлопывание пузырьков служит источником выделения звуковой энергии. Скругленные по радиусу края плиты 6 предназначены для направления движения образующихся потоков, что позволяет ликвидировать застойную зону. Эффект кавитации сопровождается микровзрывами, ультразвуком, соударениями, что дает возможность делить диспергируемые вещества на мельчайшие микрочастицы, кавитация влияет на изменение структурной вязкости - на разрыв связей Ван-дер-Ваальса.In the second mixer, a cavitation effect on the liquid medium occurs. In the channels 7, the internal pressure increases, compressing the droplets that form, which hit the plate 6, fall into the intermediate chamber 8. Cavitation occurs due to a sharp pressure drop and the impact of the flow on the plate 6, and there is both acoustic cavitation and hydrodynamic, due to intense vortex motion liquid, large droplets are crushed into droplets of a smaller diameter. It should be noted that acoustic and hydrodynamic cavitation occur simultaneously in the same stream and complement each other. The collapse of bubbles in itself serves as a source of release of sound energy. The edges of the plate 6, rounded along the radius, are intended for the direction of movement of the generated flows, which allows eliminating the stagnant zone. The cavitation effect is accompanied by microexplosions, ultrasound, and collisions, which makes it possible to divide dispersible substances into minute microparticles, cavitation affects the change in structural viscosity - the breaking of van der Waals bonds.

В третьем смесителе происходит многократное разделение и рекомбинация смешиваемых компонентов статическим способом с помощью своеобразной пространственной решетки 9. Происходит разделение жидкостей на отдельные потоки и их направленное движение по сложным каналам, где они многократно разделяются и воссоединяются в пересекающихся направлениях друг с другом, совершая при этом активный массообмен, вновь дробятся до высокой степени гомогенизации. При прохождении жидкости через пространственную решетку происходит магнитная обработка жидкой системы. В активаторе применены два кольцевых постоянных магнита 10, которые наклонены по отношению к продольной оси корпуса, что позволяет повысить эффективность активизации проходящего топлива. Искривление магнитного поля и создание попеременного (волнообразного) воздействия магнитного поля сначала полем одной полярности первого магнита, затем полем обратной полярности этого же кольцевого магнита и точно также последовательно двумя полями полярности второго магнита способствует расщеплению и интенсификации массообменных процессов потока жидкости, проходящего в зазорах решетки 9.In the third mixer, the mixed components are repeatedly separated and recombined in a static way using a unique spatial lattice 9. The liquids are separated into separate streams and their directional movement along complex channels, where they are repeatedly separated and reconnected in intersecting directions with each other, while making active mass transfer, again crushed to a high degree of homogenization. When liquid passes through the spatial lattice, magnetic treatment of the liquid system occurs. In the activator, two ring permanent magnets 10 are used, which are inclined with respect to the longitudinal axis of the housing, which makes it possible to increase the efficiency of activating the passing fuel. The curvature of the magnetic field and the creation of an alternating (wave-like) effect of the magnetic field, first by a field of one polarity of the first magnet, then by a field of reverse polarity of the same ring magnet and likewise successively by two fields of polarity of the second magnet, helps to split and intensify mass transfer processes of the fluid flow passing in the gaps of the lattice .

Таким образом, использование комбинированного статического смесителя-активатора позволить повысить степень гомогенизации жидкофазных систем и уменьшить размер капель результирующей среды.Thus, the use of a combined static mixer-activator allows to increase the degree of homogenization of liquid-phase systems and reduce the size of the droplets of the resulting medium.

Claims

Combined static mixer-activator, containing three series-connected static mixers in a cylindrical body, the gaps between the nodes of which and the body are so small that a shift between the molecular layers is possible, and ending with an end cap, which has a cone-shaped recess for forming the flow at the outlet, in the first mixer two screw elements with opposite windings are installed inside, and an internal screw element is installed inside the external screw element, also in the inner A new element extends through a cylindrical rod made integral with a cylindrical insert in which there are through channels guiding the fluid flow into the intermediate chamber of the second mixer, the centers of the channel inlet openings are located in the gap between the turns of the screw elements, the third mixer contains a mixing element made up of intersecting grids, consisting of combs with teeth bent in opposite directions to a certain angle and assembled in such a way that together these elements form a volumetric lattice with slots offset by the width of the teeth, characterized in that the first mixer has an inlet for liquid in the form of a nozzle with a tangential inlet, the second mixer has a plate with rounded edges to the outlet side, two ring magnets are installed in the third mixer, The cylindrical body is made of non-magnetic material.