Вибросмеситель

Область применения. Полезная модель относится к устройствам, которые могут быть использованы в различных отраслях промышленности и народного хозяйства для интенсификации целого ряда технологических процессов, в частности касается вибрационных аппаратов при перемешивании жидкостей, гомогенизации растворов, состоящих из нескольких компонентов, эмульсий, суспензий, сыпучих материалов и др.

Техническая задача. Упрощение конструкции вибросмесителя и повышение эффективности смешения различных по химической природе исходных продуктов.

Сущность полезной модели. Вибросмеситель содержит корпус с крышкой, входной штуцер с присоединенным к нему коллектором для ввода компонентов, статический смеситель, выходной штуцер, вибровозбудитель, установленный на крышке корпуса, размещенное внутри корпуса перемешивающее устройство, состоящее из перфорированных тарелок, закрепленных на штоке, соединенном через уплотнение в крышке корпуса с вибровозбудителем, пульт управления с устройством для регулирования частоты колебаний, причем вибровозбудитель выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма, который соединен со штоком перемешивающего устройства, а отверстия в тарелках выполнены в форме усеченного конуса заданной высоты, обеспечивающей заданную амплитуду колебаний рабочего органа.

Полезная модель относится к устройствам, которые могут быть использованы в различных отраслях промышленности для интенсификации целого ряда технологических процессов, в частности касается вибрационных аппаратов, применяемых в народном хозяйстве, в том числе при перемешивании жидкостей, гомогенизации растворов, состоящих из нескольких компонентов, эмульсий, суспензий, сыпучих материалов и др. [1. Вибрационная техника в химической промышленности. В.Д.Варсанофьев, Э.Э.Кольман-Иванов. - М., «Химия», 1985].

Несмотря на довольно известное использование вибрационной техники, в нефтяной и химической отраслях вибрационные устройства пока применяются ограничено.

Известен способ получения технического углерода, в котором перед его гранулированием уплотнение пылящего техуглерода осуществляют с помощью вибрационного устройства, которое позволяет повысить эффективность способа и улучшить качество товарного продукта [2. Патент РФ 2307141, С09С 1/50, 2005 г.].

Однако в известном способе предусматривается использование устройства для твердого пылевидного продукта, и, по-видимому, конструкция и режимы уплотнения вряд ли возможно применить к аппарату - вибросмесителю для смешения различных жидких компонентов, значительно отличающихся по своим физико-химическим свойствам.

Известный виброструйный перемешиватель и разжижитель вязких жидкостей и суспензий [3. Патент РФ 2208474, МПК 7 B01F 11/00, 1999 г.] основан на использовании электромагнитного вибропривода, который приводит колебания пластин-якорей. Серьезным недостатком применения известного виброструйного перемешивателя является то, что устройство полностью погружается в технологическую жидкость, и процесс проводится периодически, в связи с чем они вряд ли целесообразны для технологических непрерывных схем многотоннажных производств в нефтяной и химической отраслях.

Кроме того, монтаж и эксплуатация этого виброустройства связаны со значительными трудностями, тем более что срок их работы низкий и составляет всего около 500 часов.

Наиболее близким по технической сущности и конструкции к предлагаемой полезной модели является известный аппарат для подготовки сырьевых смесей в производстве техуглерода, содержащий корпус с крышкой, входной штуцер с присоединенным к нему коллектором для ввода компонентов, выходной штуцер, вибровозбудитель, смонтированный на крышке корпуса, размещенное внутри корпуса перемешивающее устройство, состоящее из перфорированных тарелок, закрепленных на штоке, соединенном через уплотнение в крышке корпуса с вибровозбудителем, и пульт управления для регулирования частоты колебаний [4. Патент РФ 60935. МПК С09С 1/48, 2006 г.].

Недостатком известного аппарата является не совсем высокая амплитуда генерируемых колебаний, которая обусловлена конструкцией дебалансных вибраторов и присуща вибраторам этого типа, что существенно снижает глубину и качество смешения введенных компонентов сырьевой смеси, значительно отличающихся химсоставом и физико-химическими свойствами.

Кроме того, в известном аппарате не достигается высокая интенсивность турбулизации смешиваемых жидких компонентов и обеспечение получения устойчивой гомогенной системы за счет необходимого увеличения амплитуды колебаний тарелок.

Технической задачей разработанной полезной модели является упрощение конструкции вибросмесителя и повышение эффективности смешения различных по химической природе исходных продуктов.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом вибросмесителе, содержащем корпус с крышкой, входной штуцер с присоединенным к нему коллектором для ввода компонентов, статический смеситель, выходной штуцер, вибровозбудитель, установленный на крышке корпуса, размещенное внутри корпуса перемешивающее устройство, состоящее из перфорированных тарелок, закрепленных на штоке, соединенном через уплотнение в крышке корпуса с вибровозбудителем, и пульт управления с устройством для регулирования частоты колебаний, вибровозбудитель выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма, который соединен со штоком перемешивающего устройства, а отверстия в перфорированных тарелках имеют форму усеченного корпуса заданной высоты, обеспечивающей амплитуду колебаний рабочего органа, равной высоте отверстий в тарелках или более в зависимости от характеристик смешиваемых компонентов.

Отличительными признаками заявленной полезной модели от известной являются новое конструктивное исполнение вибровозбудителя, обеспечивающего необходимую амплитуду колебаний для более глубокого смешения компонентов смеси и получения высокогомогенной и устойчивой системы. Вибровозбудитель, выполненный в виде кривошипно-шатунного механизма в отличие от вибровозбудителя известной полезной модели обеспечивает плавную регулировку амплитуды колебаний до величины, равной высоте отверстий тарелок или более, а в сочетании с регулировкой частоты колебаний позволяет настроить режим виброобработки с высоким качеством смешения.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 - вибросмеситель, главный вид; на фиг.2 - элемент А на фиг.1 (увеличено).

Вибросмеситель (фиг.1) содержит корпус, состоящий из нижней 1 и верхней 2 секций, соединенных между собой через диск 3 с опорой 4. Нижняя секция 1 снабжена входным штуцером 5 с коллектором 6 для ввода компонентов смеси и статическим смесителем 7 для предварительного смешения перед входом в нижнюю секцию корпуса вибросмесителя 1 и далее в верхнюю секцию 2,оснащенную перемешивающими перфорированными тарелками с отверстиями в форме усеченного конуса, соединенными с вибровозбудителем для перемешивания компонентов и получения однородной дисперсной и устойчивой рабочей смеси с помощью виброобработки в заданных условиях. Верхняя секция 2 с выходным штуцером 8 закрыта крышкой 9 с установленным на ней вибровозбудителем, в корпусе 10 которого размещен кривошипный вал (на чертеже не показан), на переднем конце его установлен диск кривошипа 11, а на заднем - шкив клиноременной передачи 12, соединяющей его с электродвигателем 13.

Диск 11 снабжен пазом 14, расположенным перпендикулярно оси кривошипа, в котором размещен с возможностью перемещения вдоль паза 14 ползун с цапфой 15, и установленным на ней шатуном 16. Перемещением ползуна с цапфой 15 относительно оси кривошипного вала настраивают величину радиуса кривошипа R (фиг.1) и соответственно амплитуду колебаний А, которая равна удвоенному радиусу кривошипа R, т.е. А=2 R, соответствующую высоте отверстий h (фиг.2; увеличено).

Внутри корпус вибросмесителя размещено перемешивающее устройство, содержащие перфорированные тарелки 17, установленные через дистанционные втулки 18 на штоке 19, верхний конец которого через уплотнение 20 буксы 21 и вилку 22 соединен с шатуном 16, а нижний - размещен в опоре 4 диска 3.

Тарелки 17 через дистанционные втулки 18 стянуты между собой гайками 23, установленными на резьбовых участках штока 19.

свойствам и фракционным составом. В таблице приведены свойства шести промышленных образцов компонентов, из которых составлена рабочая смесь в примере 1 и 2 которые отличаются большим разбросом плотностей от 0,985 до 1,130 г/см³ и индексом корреляции от 90 до 173, что характеризует рабочую смесь как многокомпонентную сложную смесь, трудную (практически невозможную) в использовании производства без подготовки.

Приготовленной смесью после ее предварительного неактивного смешения в статических условиях в течение 5 минут заполняли вибросмеситель и подвергали рабочую смесь виброобработке при условиях: частота колебаний 50 Гц, амплитуда колебаний 15 мм, высота конических отверстий 12 мм, время воздействия вибрации 5 минут, температура 80°С. После слива обработанной исходной смеси из смесителя определяли устойчивость полученной системы, которую оценивали по данным о ее расслоении путем анализа плотностей верхнего и нижнего слоев на протяжении хранения и отстоя каждые 24 часа.

Устойчивость смеси, полученная в примере 1 по предлагаемой полезной модели составила практически около 10 суток без расслоения и изменения плотности по высоте и была на уровне расчетной величины, равной 1,064 г/см³ (относительная разница через 10 суток по высоте сырьевой емкости была лишь 0,025% отн.). Далее смесь была оставлена еще на 10 суток с замером устойчивости на расслоение через 15 и 20 суток. Результаты представлены в таблице.

Пример 2. Для сравнения был проведен опыт на аналогичной многокомпонентной исходной смеси, как в примере 1, но при условиях прототипа [4] по примеру 1] с вибровозбудителем, состоящим из двух дебалансных электромеханических вибраторов при условиях: частота колебаний 50 Гц, амплитуда колебаний 10 мм, время перемешивания 5 мин., температура 180°С. Многокомпонентная сложная смесь, подготовленная в аппарате по известной полезной модели оказалась недостаточно устойчива, так как расслоение началось практически с первых суток (1,29% отн.) и достигло разницы через 20 суток между верхним и нижним слоями 22,3% отн.

Предлагаемый вибросмеситель позволил сохранить устойчивость виброобработанной рабочей смеси практически до 20 суток за счет значительного увеличения амплитуды колебаний по сравнению с известной в 1,5 раза, а также за счет более эффективной конструкции конических отверстий в тарелках по сравнению с известным аппаратом, в котором тарелки имеют сетчатую структуру с отверстиями, которые не создают достаточной турбулизации жидкой смеси. В таблице приведены сравнительные результаты по опытам 1 и 2, из которых следует, что полезная модель «Вибросмеситель» обеспечивает создание высокодисперсной с размером капель 0,8-1,2 мм, гомогенной и устойчивой смеси, что при необходимости позволяет заранее готовить сырьевые многокомпонентные смеси и сохранять их в производственных условиях.

В примерах 3 и 4 показана зависимость амплитуды колебаний от характеристики сырьевых компонентов, в частности от плотности - одного из основных мобильных показателей рабочих смесей в производстве технического углерода, по которой определяется их устойчивость, от настройки частоты колебаний, которая регулируется с помощью пульта управления и от заданной высоты конических отверстий в тарелках вибросмесителя, которая настраивается для каждой смеси экспериментально через двойной радиус кривошипа в вибровозбудителе, связанной с амплитудой колебаний и обеспечивающей амплитуду колебаний, равной высоте отверстий в тарелках или более в зависимости от характеристик смешиваемых компонентов и настройки частоты колебаний. Такая взаимосвязь всех параметров вибровозбудителя новой конструкции, выполненного в виде кривошипно-шатунного механизма, обеспечивает эффективное перемешивание компонентов и получение устойчивой гомогенной рабочей смеси (до 15-20 суток).

Пример 3. В примере использовали маловязкую исходную смесь, состоящую из двух компонентов: нефтяное сырье для производства техуглерода (термогазойль) с плотностью 1,000 г/см³ 30% и смола пиролизная тяжелая 70% с плотностью 1,040 г/см³. Расчетная плотность смеси 1,028 г/см. Были определены оптимальные условия виброобработки при работе на предлагаемой полезной модели; частота колебаний 25 Гц, амплитуда 10 мм, высота конических отверстий в тарелках 6 мм, средний размер капель 1,2-1,6 мм.

Пример 4. Использовали исходную смесь, состоящую из тяжелых компонентов коксохимического происхождения: антраценовое масло 25% с плотностью 1,130 г/см³ и топливо котельное коксохимическое 75% с плотностью 1,044 г/см³. Плотность смеси 1,113 г/см ³. Условия вибросмешения: частота колебаний 60 Гц, амплитуда колебаний 12 мм, высота конических отверстий, 10 мм, время 7 мин, температура 80°С, размер капель 1,3-2,0 мм.

Из сравнения примеров 3, 4 следует, что при смешении более легких смесей требуются более мягкие условия, чем в случае тяжелых компонентов, для которых необходимо установить более жесткие условия: увеличить частоту до 60 Гц, амплитуду до 12 - 15 мм (примеры 1, 4) и выполнить тарелки с коническими отверстиями высотой не менее 6 мм.

Таким, образом разработанный вибросмеситель и условия подготовки сырья обеспечивают более эффективное по сравнению с известным аппаратом смешение, высокую дисперсность и устойчивость рабочих смесей в производстве техуглерода, что позволит получать высококачественную товарную продукцию.

Кроме того, более простая конструкция вибровозбудителя в предлагаемой полезной модели приводит к сокращению капитальных, эксплуатационных и энергозатрат, что в результате повышает эффективность глубокого смешения различных по химической природе исходных продуктов.

Таблица
	Наименование	Характеристика исходных компонентов	Состав рабочих смесей по примерам % мас.
1	Рабочие компоненты	Плотность при 20°С, г/см3	Вязкость кинематическая при 100°С, мм2/с	Индекс корреляции, усл. ед.	1, 2*	3	4
-антраценовое масло;	1,130	3,10	172,9	10,6	-	25
- сырье коксохимическое;	1,118	2,90	147,3	32,7
- топливо котельное коксохимическое;	1,044	2,00	131,3	22,9		75
- нефтяное сырье для производства техуглерода (термогазойль);	1,000	23 (50°С)	95	9,4	30
- смола пиролизная тяжелая;	1,040	не норм.	125	21,8	70	~
- крекинг-газойль.	0,985	не норм.	90	2,6	-	-
Итого:				100	100	100
2	Расчетная (средняя) плотность гомогенной смеси (d0 ).				1,064	1,028	1,113
3	Условия обработки (по примерам):	1	2	3	4
- частота, Гц	50	50	25	60
- амплитуда, мм	15	10	10	12
- высота конических отверстий, мм	10	~	10	8
- время, мин	5	5	5	7
- температура, °С	80	180	80	80
- размер капель виброобработанной смеси, мм	0,8-1,2	1,4-2,8	1,2-1,6	1,3-2,0
4	Устойчивость смесей. Изменение плотности d=dнизdверх/d0×100(% отн.) по высоте сырьевой емкости при хранении, % отн.
1 сутки	0	1,29	0	0
5 суток	0	4,48	0	0
10 суток	0,025	7,52	0,05	0,08
15 суток	0,35	11,8	0,2	1,4
20 суток	2,82	22,3	3,2	3,9
* Пример 2 выполнен на известной модели [4] с исходной смесью, как в примере 1.

1. Вибросмеситель, содержащий корпус с крышкой, входной штуцер с присоединенным к нему коллектором для ввода компонентов, статический смеситель, выходной штуцер, вибровозбудитель, установленный на крышке корпуса, размещенное внутри корпуса перемешивающее устройство, состоящее из перфорированных тарелок, закрепленных на штоке, соединенном через уплотнение в крышке корпуса с вибровозбудителем, пульт управления с устройством для регулирования частоты колебаний, отличающийся тем, что вибровозбудитель выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма, который соединен со штоком перемешивающего устройства.

2. Вибросмеситель по п.1, отличающийся тем, что отверстия в перфорированных тарелках выполнены в форме усеченного конуса заданной высоты, обеспечивающей амплитуду колебаний рабочего органа, равную высоте отверстий в тарелках или более в зависимости от характеристик смешиваемых компонентов и настройки частоты колебаний.