Патент на изобретение №2371241
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
(57) Реферат:
Изобретение относится к перемешивающему устройству, предназначенному для перемешивания, растворения, кристаллизации, осуществления реакций и других процессов. Смеситель содержит резервуар, вал, расположенный вдоль его оси, и перемешивающую лопасть в виде плоской пластины прямоугольной формы. Отверстие (4) сформировано в перемешивающей лопасти (3) при следующих условиях: отношение площади отверстий (4) в верхней половине (U) перемешивающей лопасти (3) к полной площади верхней части (U) перемешивающей лопасти (3), т.е. указанный коэффициент в верхней половине (U) перемешивающей лопасти (3) составляет 45-80%. Отношение площади отверстий (4) в нижней половине (D) перемешивающей лопасти к полной площади нижней половины перемешивающей лопасти (3), т.е. указанный коэффициент в нижней половине (D) перемешивающей лопасти (3) составляет 18-50%. Отношение указанного коэффициента открытия в нижней половине (D) перемешивающей лопасти (3) к указанному коэффициенту в верхней половине (U) перемешивающей лопасти (3) составляет 31-71%. Изобретение обеспечивает надлежащие характеристики перемешивания посредством формирования достаточной вертикальной циркуляции потока во всем внутреннем объеме резервуара. 1 з.п. ф-лы, 15 ил.
Область техники Настоящее изобретение относится к перемешивающему устройству, предназначенному для перемешивания, растворения, кристаллизации, осуществления реакций и т.п. Уровень техники Имеется немало ситуаций, когда небольшие лопасти, например лопасти турбины, лопасти мешалки и лопасти гребного винта, располагаются на многих уровнях, что используется и в перемешивающей лопасти перемешивающего устройства. Соответственно в перемешивающем устройстве, использующем эти лопасти, количество жидкости, нагнетаемой в радиальном направлении от лопастей, увеличивается посредством увеличения скорости вращения лопасти, причем жидкость сталкивается со стенкой резервуара и затем поворачивает вверх и вниз, создавая тем самым циркулирующий поток, возвращаемый снова к лопасти и, таким образом, перемешивает содержимое резервуара. Вместе с тем, небольшие лопасти не создают приемлемый вертикальный циркулирующий поток по всей внутренней области резервуара, как показано на Фиг.14 и тем самым создают множественные изолированные зоны в вертикальном направлении так, что характеристики перемешивания не могут быть улучшены до требуемого уровня. Кроме того, эти лопасти часто имеют сложные формы, что увеличивает стоимость производства и затрудняет их промывку. В противоположность этому плоская, пластинчатого типа лопасть, рассмотренная, например, в Патентном Документе 1, имеет упрощенную форму лопасти и, таким образом, имеет преимущество в более низкой стоимости производства и допускает легкую промывку, а также преимущество в получении хороших характеристик перемешивания вследствие большого количества жидкости, нагнетаемой в радиальном направлении от лопасти по внутреннему объему резервуара так, что он оказывается пригодным для перемешивания очень вязкой жидкости, а также жидкости, содержащей твердые материалы, легко выпадающие в осадок на дно резервуара. Патентный Документ l: Публикация Японской Нерассмотренной Патентной Заявки No. Hei-10-174857 Сущность изобретения Проблемы, решаемые изобретением Тем не менее, даже с плоской лопастью, описанной в Патентном Документе 1, или целиком плоской формы без отверстия количество жидкости, нагнетаемой в радиальном направлении от верхней половины лопасти, равняется таковому для нижней половины, и поток, нагнетаемый от верхней половины лопасти по направлению к нижней стороне, встречается с потоком, нагнетаемым от нижней половины лопасти к верхней стороне. Таким образом, неизбежно создаются изолированные зоны в вертикальном направлении и характеристики перемешивания ухудшаются. Соответственно задача настоящего изобретения заключается в создании перемешивающего устройства, обеспечивающего приемлемый вертикальный циркулирующий поток по всей внутренней области резервуара и имеющего подходящие характеристики перемешивания. Средства для решения проблем В соответствии с настоящим изобретением создано перемешивающее устройство, содержащее перемешивающий резервуар 1, перемешивающий вал 2, расположенный в пределах перемешивающего резервуара 1 вдоль его оси таким образом, что он приводится во вращение вне перемешивающего резервуара, и подобную плоской пластине перемешивающую лопасть 3 прямоугольной формы, установленную на перемешивающем валу 2, характеризующееся тем, что перемешивающая лопасть 3 имеет множество отверстий 4 Для перемешивающего устройства вышеуказанной конструкции указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 больше, тогда как указанный коэффициент открытия в нижней половине D меньше, для того чтобы расход потока из перемешиваемого объема (перемешиваемый объект), нагнетаемый в радиальном направлении от нижней половины D, был выше расхода потока из перемешиваемого объема, нагнетаемого в радиальном направлении от верхней половины U. Таким образом, осуществляется вертикальная циркуляция потока от области сильного нагнетания в область слабого нагнетания, то есть может быть создан вертикальный циркулирующий поток от нижней стороны к верхней стороне перемешивающего резервуара 1. В результате изолированные зоны не образуются и перемешиваемый объект может быть полностью перемешан. Достоинства изобретения Перемешивающее устройство настоящего изобретения позволяет обеспечить подходящий вертикальный циркулирующий поток по всему объему резервуара и реализовать соответствующие характеристики перемешивания посредством увеличения указанного коэффициента открытия в верхней половине перемешивающей лопасти и уменьшения указанного коэффициента открытия в нижней половине, оптимизируя эти указанные коэффициенты открытия. Краткое описание чертежей Фиг.1 изображает вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Фиг.2 – концептуальная схема для пояснения характеристик перемешивания варианта реализации перемешивающего устройства. Фиг.3 – таблица данных характеристик перемешивания (характеристик смешивания), основанных на соотношении между указанными коэффициентами открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти. Фиг.4 – график, показывающий качество характеристик перемешивания (характеристик смешивания), основанных на соотношении между указанными коэффициентами открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти. Фиг.5 – таблица данных соотношения между отношением указанных коэффициентов открытия нижней половины относительно указанных коэффициентов открытия в верхней половине перемешивающей лопасти, и отношением времени перемешивания. Фиг.6 – график, показывающий соотношение между отношением указанного коэффициента открытия нижней половины относительно указанного коэффициента открытия в верхней половине перемешивающей лопасти и отношением времени перемешивания. Фиг.7 – таблица данных аппроксимирующей кривой на Фиг.6. Фиг.8 – вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с другим (1-м) вариантом реализации изобретения. Фиг.9 – вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с другим (2-м) вариантом реализации изобретения. Фиг.10 – вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с другим (3-м) вариантом реализации изобретения. Фиг.11 – вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с другим (4-м) вариантом реализации изобретения. Фиг.12 – вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с другим (5-м) вариантом реализации изобретения. Фиг.13 – вид спереди перемешивающего устройства в соответствии с другим (6-м) вариантом реализации изобретения. Фиг.14 – схема для пояснения характеристик перемешивания перемешивающего устройства, имеющего стандартные небольшие лопасти. Фиг.15 – схема для пояснения характеристик перемешивания перемешивающего устройства, имеющего стандартную большую лопасть. Описание цифровых обозначений 1 – перемешивающий резервуар, 2 – перемешивающий вал, 3 – перемешивающая лопасть, 4 – отверстие, 5 – отражательная пластина, R1, R2 – вертикальные циркулирующие потоки, Q1, Q2 – нагнетаемый поток жидкости. Наилучший вариант осуществления изобретения Ниже приводится описание перемешивающего устройства в варианте реализации настоящего изобретения по Фиг.1. Цифровое обозначение 1 соответствует цилиндрическому резервуару для мешалки с перемешивающим валом 2, расположенным в пределах резервуара 1 вдоль его оси. Перемешивающий вал 2 имеет нижний конец, поддерживаемый подшипником (не показан), расположенным на дне резервуара, и верхний конец, связанный через соответствующее соединение (не показано) с приводным устройством (не показано) на верхней части резервуара. Цифровое обозначение 3 соответствует перемешивающей лопасти в виде плоской пластины прямоугольной формы, имеющей множественные отверстия 4 и смонтированной на перемешивающем валу 2 вдоль осевой линии перемешивающей лопасти 3. Количество отверстий 4, расположенных в верхней половине U, больше количества отверстий 4, расположенных в нижней половине D, так, чтобы указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 (отношение общей открытой площади к общей площади (включая общую открытую площадь отверстий 4 в верхней половине U) верхней половины U перемешивающей лопасти 3) был бы больше указанного коэффициента открытия в нижней половине D перемешивающей лопасти 3 (отношение общей открытой площади к общей площади (включая общую открытую площадь отверстий 4 в нижней половине D) нижней половины D перемешивающей лопасти 3). В этом варианте реализации четыре отверстия 4 располагаются на заданном расстоянии друг от друга в верхней половине U перемешивающей лопасти 3, и три отверстия 4 располагаются на заданном расстоянии друг друга на нижней половине D перемешивающей лопасти 3, причем каждое отверстие 4 имеет одну и ту же открытую площадь. Цифровое обозначение 5 соответствует отражательным пластинам, смонтированным на боковой стенке перемешивающего резервуара и расположенным на заданном расстоянии друг от друга вдоль периметра (на чертежах показана только одна отражательная пластина). Каждая их этих отражательных пластин 5 вытянута от нижней стороны к верхней стороне боковой стенки перемешивающего резервуара 1 вдоль ее оси так, что они обеспечивают движение перемешиваемого объекта, нагнетаемого от перемешивающей лопасти 3, наверх к верхней стороне перемешивающего резервуара 1. Перемешивающее устройство этого варианта реализации имеет, таким образом, вышеуказанную конструкцию. Далее рассматриваются характеристики перемешивания перемешивающего устройства этого варианта реализации в связи с Фиг.2. В общем случае известно, что расход потока перемешиваемого объекта нагнетаемого в радиальном направлении от перемешивающей лопасти, пропорционален произведению площади на единицу ширины перемешивающей лопасти 3 в осевом направлении перемешивающей лопасти 3 и третьей степени диаметра лопасти упомянутой площади на единицу ширины. Аналогично и для перемешивающей лопасти 3 этого варианта реализации изобретения – в случае, когда указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 больше и указанный коэффициент открытия в нижней половине D перемешивающей лопасти 3 меньше, нагнетаемый поток жидкости Q1 перемешиваемого объекта в нижней половине D больше, чем нагнетаемый поток жидкости Q2 перемешиваемого объекта в верхней половине U. Из-за различия в количестве жидкости, нагнетаемой между верхней половиной U и нижней половиной D перемешивающей лопасти 3, то есть из-за различия в силе нагнетания между ними, образуется вертикальный циркулирующий поток R1 из области с большой силой нагнетания в область со слабой силой нагнетания, то есть устанавливается вертикальный циркулирующий поток R1 от нижней стороны до верхней стороны перемешивающего резервуара 1. В результате изолированные зоны не образуются и перемешиваемый объект может быть полностью перемешан. Таким образом, можно получить улучшенные характеристики перемешивания. Как только вертикальный циркулирующий поток R1 достигает верхнего участка, он смещается по направлению к центру от боковой стенки перемешивающего резервуара 1 и, поворачивая, переходит в вертикальный циркулирующий поток R2, который двигается вниз вдоль перемешивающего вала 2 и перемешивающей лопасти 3, а затем возвращается на нижний участок резервуара. Поскольку в перемешивающей лопасти 3 сформировано множество отверстий 4, перемешиваемый объект при своем движении вниз разрезается этими отверстиями 4 на участки, сегментированный перемешиваемый объект свертывается в маленькие вихри, образуемые на нижней по потоку стороне, относительно направления вращения перемешивающей лопасти 3 и, таким образом, перемешиваются в малые участки. На Фиг.2, для лучшего понимания, нагнетаемые потоки жидкости (нагнетаемые потоки) Q1, Q2 и вертикальные циркулирующие потоки R1, R2 показаны только с одной стороны. Естественно, что подобные потоки жидкости образуются повсюду вдоль периметра перемешивающего резервуара 1. Изобретатели выполнили в данном случае различные эксперименты для нахождения оптимального указанного коэффициента открытия перемешивающей лопасти 3. В результате последующих экспериментов были получены данные (Фиг.3), представленные на Фиг.4, где показаны граничные линии. Условия экспериментов Внутренний диаметр D резервуара (внутренний диаметр корпуса перемешивающего резервуара 1): 310 мм Диаметр d лопасти (ширина перемешивающей лопасти 3): 165 мм Высота В лопасти (высота от самого нижнего положения дна резервуара до самого верхнего края перемешивающей лопасти 3): 295 мм Глубина L жидкости (высота от самого нижнего положения дна резервуара до поверхности жидкости): 357 мм Форма дна резервуара: полуовальная Отражательная пластина: имеется Объем жидкости: 25 л Вязкость жидкости 1 cp (вода) Мощность перемешивания: 0,2 кВт/м3 Методика экспериментов Режим протекания жидкости наблюдался с использованием способа обесцвечивания при титровании с йодом. Конкретно, жидкость в пределах перемешивающего резервуара 1 окрашивалась жженной сиеной с йодом, обесцвечивающий реактив вводился внутрь и во время перемешивания наблюдались (записывалось на видео) процесс обесцвечивания жидкости внутри резервуара, а также наличие и отсутствие изолированных зон. Этот метод является известным и рассмотрен, например, в “Mixing (1975) Shinji NAGATA, John Wiley & Sons, P187, 4.3.1 Method of Measuring Mixer Performance” и “Handbook of Industrial Mixing, JohnWilly & Sons, P167, 4-4.3 Approximate Mixing Time Measurement with Colorimetric methods”. При оценках символ “O” отображает то, что перетекающая жидкость, нагнетаемая от нижней стороны перемешивающего резервуара 1, плавно достигает верхней стороны и далее, протекая по вертикали, образует единственный вертикальный циркулирующий поток; символ “ Были проведены те же эксперименты при тех же условиях, в которых жидкость в резервуаре была перемешана, и было измерено время до полного ее обесцвечивания. На Фиг.6 приведены результаты эксперимента (Фиг.5) и нанесена аппроксимирующая кривая. Отношение времени перемешивания означает отношение каждого времени перемешивания при оптимальном значении времени перемешивания (3,1 с в эксперименте), обозначенном как 100%, и отношение указанных коэффициентов открытия верхней и нижней половин означает отношение указанного коэффициента открытия в нижней половине D перемешивающей лопасти 3 относительно указанного коэффициента открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3. Оптимальное значение (среднее значение) времени перемешивания означает величину, полученную усреднением десяти временных данных перемешивания в той области, в которой время перемешивания сокращено. Таким образом, среди показателей от 5-го (3,1 с) до 14-го (4,0 с), если считать сверху на Фиг.5, 13-ый показатель (4,0 с) исключен как значимая точка, а оставшиеся 9 показателей усреднены. На Фиг.7 приведены данные аппроксимирующей кривой. Из Фиг.3 и 4 можно видеть, что до тех пор пока указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 составляет от 45 до 80%, указанный коэффициент открытия в нижней половине D составляет от 18 до 50% и отношение указанных коэффициентов открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти 3 составляет от 31 до 71% (область, находящаяся между y=0,31x и y=0,71x, где у соответствует вертикальной оси и x соответствует горизонтальной оси), режим перетекания жидкости (характеристики перемешивания) можно считать хорошим; и до тех пор пока отношение указанных коэффициентов открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти 3 ограничено значениями от 37 до 65% (область, находящаяся между y=0,37x и y=0,65x), режим перетекания жидкости (характеристики перемешивания) может стать лучше. Из Фиг.6 и 7 можно видеть, что отношение времени перемешивания падает в пределах 110% или ниже, если отношение указанных коэффициентов открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти 3 составляет от 37 до 65%; и отношение времени перемешивания падает в пределах 120% или ниже, если отношение указанных коэффициентов открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти 3 составляет от 31 до 71%. Этот факт в соответствии с вышеуказанным следует из Фиг.3 и 4. Из вышеуказанного следует, что указанный коэффициент открытия перемешивающей лопасти 3 предпочтительно устанавливается так, что (l) указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 составляет от 45 до 80%, тогда как указанный коэффициент открытия в нижней половине D составляет от 18 до 50% и отношение указанного коэффициента открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти 3 составляет от 33 до 71%, и, кроме того, предпочтительно устанавливается так, что (2) указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 составляет от 45 до 80%, тогда как указанный коэффициент открытия в нижней половине D составляет от 18 до 50% и отношение указанного коэффициента открытия в верхней и нижней половинах перемешивающей лопасти 3 составляет от 37 до 65%. Перемешивающее устройство в соответствии с настоящим изобретением не обязательно ограничивается вышеуказанной реализацией, но может варьироваться в пределах области применения настоящего изобретения. Например, в вышеуказанном варианте реализации отношение указанного коэффициента открытия в верхней и нижней половинах составляет 31% или выше, более предпочтительно в пределах от 37% до 71% и еще более предпочтительно в пределах от 37% до 65%. Если рассматривать случай, когда отношение времени перемешивания падает в пределах 100% или ниже, то еще более предпочтительно, чтобы вышеуказанный коэффициент был в пределах от 46% до 56%, а если рассматривать случай, когда отношение времени перемешивания падает в пределах значения меньше 99%, то еще более предпочтительно в пределах от 48% до 54%. В вышеуказанном варианте реализации изобретения указанный коэффициент открытия в верхней половине U составляет 45% или выше, но не выше 80%. Однако если рассматривать только то, что оценивается как “O”, то указанный коэффициент открытия в верхней половине U предпочтительно составляет 50% или выше, но не выше 76%. В вышеуказанном варианте реализации каждое из отверстий 4 представляет собой длинное горизонтальное отверстие прямоугольной формы, и размещены эти отверстия вровень друг с другом. Вместе с тем, нет необходимости ограничивать варианты отверстий 4 определенной формой, их числом или размещением, пока указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 больше указанного коэффициента открытия в нижней половине D, как показано на Фиг.8, на которой все отверстия 4 имеют форму длинной вертикальной щели, выровнены по бокам (на которой отверстия 4 имеют различные длины для получения различия в указанном коэффициенте открытия между верхней половиной и нижней половиной), на Фиг.9, на которой отверстия 4 имеют взаимно различающиеся размеры и соответствующим образом размещены, на Фиг.10, на которой отверстия 4 располагаются асимметрично вокруг перемешивающего вала 2, на Фиг.11, на которой отверстия 4 с левой стороны не выровнены с отверстиями 4 с правой стороны относительно перемешивающего вала 2, расположенного между ними, и вдоль длины вала, на Фиг.12, на которой отверстия 4 размещены зигзагообразно вдоль длины вала, и на Фиг.13, на которой отверстия 4 размещены в шахматном порядке. В вышеуказанном варианте реализации отверстия сформированы растачиванием листового материала; вместе с тем, возможно, например, объединить конструктивные элементы вместе, тем самым формируя плоскую пластину и, следовательно, прямоугольную перемешивающую лопасть с зазорами между конструктивными элементами, сформированными как отверстия. В вышеуказанном варианте реализации изобретения нижний край перемешивающего вала 2 поддерживается на дне резервуара; вместе с тем, применима конструкция с более низким окончанием, расположенным за дном резервуара и не поддерживаемым им. В вышеуказанном варианте реализации ведущее приводное устройство располагается сверху резервуара для вращения перемешивающего вала 2 извне резервуара; вместе с тем, приводное устройство может быть расположено со стороны дна резервуара. В вышеуказанном варианте реализации изобретения расположены отражательные пластины 5; вместе с тем, эти отражательные пластины 5 не являются существенными элементами для настоящего изобретения. Нет необходимости в ограничении внутреннего диаметра D резервуара, диаметра d лопасти, высоты В лопасти и глубины L текучей среды до определенных значений; вместе с тем, они могут быть заданы в общем случае в виде отношения диаметра d/D лопасти (диаметр лопасти d к внутреннему диаметру D резервуара) от 40 до 75%, отношения высоты B/D лопасти (высота лопасти B к внутреннему диаметру резервуара D) от 50 до 100% и отношения глубины L/D текучей среды (глубина жидкости L к внутреннему диаметру D резервуара) от 10 до 150%.
Формула изобретения
1. Перемешивающее устройство, содержащее перемешивающий резервуар (1), перемешивающий вал (2), расположенный в перемешивающем резервуаре (1) вдоль его оси таким образом, что он приводится во вращение вне перемешивающего резервуара, и подобная плоской пластине перемешивающая лопасть (3) прямоугольной формы, установленная на перемешивающем валу (2), причем перемешивающее устройство характеризуется тем, что перемешивающая лопасть (3) имеет множество отверстий (4, 2. Перемешивающее устройство по п.1, в котором отверстия (4,
РИСУНКИ
PD4A – Изменение наименования обладателя патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
(73) Новое наименование патентообладателя:
Адрес для переписки:
Извещение опубликовано: 10.06.2010 БИ: 16/2010
|
||||||||||||||||||||||||||
, удовлетворяющих следующим условиям: (i) отношение площади отверстий 4 в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 к полной площади верхней половины U перемешивающей лопасти 3 (указанный коэффициент открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3) составляет от 45 до 80%; (ii) отношение площади отверстий 4 в нижней половине D перемешивающей лопасти 3 к полной площади нижней половины D перемешивающей лопасти 3 (указанный коэффициент открытия в нижней половине D перемешивающей лопасти 3) составляет от 18 до 50%; и (iii) отношение указанного коэффициента открытия в нижней половине D перемешивающей лопасти 3 к указанному коэффициенту открытия в верхней половине U перемешивающей лопасти 3 составляет от 31 до 71%.
” отображает то, что перетекающая жидкость, нагнетаемая от нижней стороны перемешивающего резервуара 1, по большей части достигает верхней стороны, но перед этим часть ее отклонилась по направлению к центральному участку; и символ “x” отображает то, что вертикальный циркулирующий поток, очевидно, был рассечен на участки.
