роторный аппарат

Формула изобретения

Роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода рабочих сред, смонтированные в корпусе статор в виде обечайки с прорезями, уплотнение и ротор, выполненный в виде лопастного колеса с перфорированной обечайкой, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен механизмом диспергирования и сгущения, выполненным в виде торцового сальникового уплотнения с плавающим кольцом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химическому машиностроению и в частности к устройству роторного аппарата для получения сгущенных суспензий.

Типовой роторный аппарат представляет собой чередующиеся неподвижные (статор) и вращающиеся (ротор) обечайки с перфорацией в виде прорези, щелей или отверстий (1).

Проходя через периодически перекрываемые прорези в обечайках ротора и статора, обрабатываемая среда подвергается комплексу различных видов воздействия: механическому истиранию, срезу, ударам, вибрациям, пульсациям; кавитационному образованию и схлопыванию газовых пузырьков с высокими градиентами скоростей, вызывающих разрывы сплошности; акустическим колебаниям звукового и ультразвукового диапазона частот; гидродинамическим ударам, завихрениям, турбулизациям, циркуляциям, пульсациям давления.

Все это приводит к уменьшению толщин гидродинамического пограничного слоя, эффективному разрушению твердых частиц обрабатываемой среды, возрастанию поверхности взаимодействия фаз, гомогенизации, перемешиванию и диспергированию.

Неудовлетворительная тонина измельчения обусловлена длительностью обработки и энергоемкостью.

Наличие предельного порога величины размеров частиц. Это связано с эффектов самокоагуляции: чем меньше частицы по размерам, тем сильнее в них проявляются молекулярные силы, которые ведут к слипанию, комкованию, агрегированию частиц в более крупные. Повторное разрушение агрегированных частиц ведет к новому их комкованию за счет тех же молекулярных сил сцепления и т. д.

Аппаратурная и экономическая трудность сгущения полученной суспензии до консистенции паст и мазей: фильтры забиваются, выпарные аппараты энергоемки и не применимы для вязких термически нестабильных сред, а сами роторные аппараты типовой конструкции не работоспособны на вязких, консистентных средах. Для частичного устранения недостатков используют конструкцию роторного аппарата ( 2).

Роторный аппарат содержит корпус с патрубками подвода-отвода рабочих сред и ротор с плоской конической чашей.

В сходящийся гладкий конический зазор между ротором и стенкой корпуса подают под давлением суспензию, твердые частицы которой проходя зазор растираются.

Общим недостатком данных аналогов является большая энергоемкость, обусловленная совместным измельчением как крупных, так и мелких, т.е. уже измельченных частиц, и потребность устройств для последующего сгущения суспензии.

Известен роторный аппарат, который совмещает в себе все эти вышеперечисленные технологические функции и наиболее полно отражает сущность изобретения (3).

Роторный аппарат-прототип представляет собой центробежный насос для перекачивания и диспергирования жидкостей.

Роторный аппарат содержит корпус со смонтированным в нем прорезным статором и приводное лопастное колесо, имеющее перфорированную обечайку.

При проходе жидкости через перфорацию (прорези, щели, отверстия) обечаек ротора и статора, содержащиеся в жидкости компоненты интенсивно диспергируются. Быстрое чередование перекрытия прорезей статора перфорацией обечайки вызывает пульсации потока, гидравлические удары и кавитацию, что интенсифицирует диспергирование с сохранением эффекта нагнетания.

Однако проблема тонкого диспергирования, сгущения суспензии и разделения ее на нетекучую пастообразную и жидкотекучую фракции остается.

Для решения этой проблемы предлагается роторный аппарат, содержащий корпус с патрубками подвода-отвода рабочих сред и смонтированные в нем обечайковый статор с прорезями и ротор, выполненный в виде лопастного колеса с перфорированной обечайкой, снабдить дополнительно механизмом диспергирования и сгущения, выполненным в виде торцового сальникового уплотнения с плавающим кольцом.

Достижимость решения проблемы обосновывается следующим.

Снабжение роторного аппарата дополнительным механизмом диспергирования и сгущения позволяет увеличить производительность.

Выполнение дополнительного механизма диспергирования и сгущения в виде торцового сальникового уплотнения с плавающим кольцом позволяет упростить техническое решение и удешевить его в целом за счет использования уплотнения, как такового, по своему основному назначению (герметизация) с расширением функций (диспергирование, сгущение).

В настоящем изобретений использованы: сепарационный эффект, заключающийся в расслоении частиц суспензии в центробежном поле на более крупные и плотные на периферии и тонкодисперсные в приосевой зоне закрученного потока; щелевой эффект, заключающийся в создании в периодически раскрывающемся зазоре пар трения плавающего и вращающегося колец уплотнения динамического подвижного в радиальном направлении кольцевого слоя из тонкодиспергированных частиц, которые герметизируют стык и одновременно, постоянно обновляясь, выходят из него в виде готового продукта.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 схематически изображен роторный аппарат в продольном разрезе; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1. Показана конструкция ротора и статора.

Роторный аппарат состоит из корпуса 1 с патрубком 2 для входа рабочей среды и патрубком 3 для выхода продукта, циркуляционного устройства 4, выполненного, например в виде трубопровода, соединяющего патрубок 3 выхода продукта с патрубком 22 входа его снова в полость 5 корпуса 1 на повторную обработку и/или циркуляцию. В полости 5 корпуса 1 смонтированы статор 6, выполненный в виде кольцевой обечайки с прорезями 7 и ротор 8, выполненный в виде закрытого лопастного колеса, снабженного кольцевой обечайкой 9 с прорезями 10. Ротор 8 установлен на приводном валу 11, имеющем защитную втулку 12 и уплотнение 13. Уплотнение 13 имеет торец 14, который в паре с плавающим кольцом 15 образует плоскую зону контакта с минимальным торцевым зазором 16 и радиальным щелевым зазором 17. Плавающее кольцо 15 контактирует по сферической поверхности трения 18 с вращающимся торцевым кольцом 19, образуя стыковые пары трения 16, 18. Защитная втулка 12, сальниковая набивка 20 и корпус 21 сальниковой набивки 20 образуют сальниковое уплотнение. Сальниковая набивка 20 постоянно поджимается пружиной 22 к торцовому кольцу 19, передавая ему вращение и усилие поджатия к плавающему кольцу 15. Усилие поджатия регулируется пятой 23, которая может фиксированно перемещаться по резьбе защитной втулки 12 и вращается вместе с ней и приводным валом 11. Фиксация пяты 23 на резьбе защитной втулки 12 может осуществляться известным способом, например, с помощью контргайки 24. Уплотнение 13 снабжено отверстием 25 для вывода консистентного продукта из полости 26 уплотнения 13 к потребителю. Уплотнение 13 крепится к корпусу 1 известным способом, например, на резьбе, выполненной в его задней разделительной стенке 27. Работа роторного аппарата осуществляется следующим образом. Рабочая среда, например суспензия, подлежащая диспергированию и разделению, подводится из системы циркуляции 4 в патрубок 2 и из него в полость 5 корпуса 1. При вращении ротора 8 его лопастное колесо захватывает и нагнетает суспензию через периодически перекрываемые прорези 10 и 7 в выходной патрубок 3 и далее в систему циркуляции 4. В системе циркуляции 4 предусмотрен периодический отбор прошедшей цикл обработки продукции. Отбор ее осуществляется в виде тонкодисперсной жидкой суспензии.

Если выход продукта из роторного аппарата в систему циркуляции 4 частично или полностью закрыть, то в полости 5 корпуса 1 возникает внутренняя циркуляция рабочей среды с образованием центробежного поля в полости статора 6. Частицы суспензии будут разделяться в этом поле на крупные, отбрасываемые к периферии, и мелкие, скапливающиеся преимущественно в центре закрученного потока.

Отбрасываемые к периферии крупные частицы будут поступать в радиальный зазор между ротором и статором, истираться в нем, смешиваться с потоком, нагнетаемым лопастным колесом и выноситься вместе с ним через периодически перекрываемые прорези 10,7 в зону выходного патрубка 3. Из полости выходного патрубка 3 поток по зазору между корпусом 1 и ротором 8 вновь поступит на нагнетание в лопастное колесо ротора 8, а из него в радиальный зазор между ротором 8 и статором 6 и в полости 5 между задней разделительной стенкой 27 и торцом ротора 8, т.е. в зону центробежного поля статора 6.

Скапливающиеся преимущественно в центре закрученного потока мелкие частицы суспензии будут выноситься через радиальный щелевой зазор 17 в зону уплотнения 13.

Уплотнение 13 работает в двух режимах: либо в режиме герметизации, в этом случае оно работает как типовое торцовое сальниковое уплотнение с плавающим кольцом, либо в режиме диспергирующе-сгущающего устройства.

Работа уплотнения 13 в режиме герметизации происходит при получении в роторном аппарате тонкодисперсной жидкой суспензий.

Работа уплотнения 13 в режиме диспергирующе-сгущающего устройства происходит при получении в роторном аппарате из тонкодисперсной жидкой суспензии сгущенного до пастообразного состояния продукта.

Работа уплотнения 13 в режиме герметизации осуществляется следующим образом.

Приводной вал 11 вместе с защитной втулкой 12, сальниковой набивкой 20, корпусом 21, поджимной пружиной 22, пятой 23 с контргайкой 24 и торцовым кольцом 19 вращаются и передают, за счет силы трения вращение и возвратно-поступательное перемещение плавающему кольцу 15. Плавающее кольцо 15 воспринимает все динамические усилия от неточностей сборки, изготовления, перекосов, биений, несоосности, неуравновешенности элементов 11,12,19,20,21,22,23,24 и самого уплотнения 13 и компенсируют их за счет самоцентровки и свободы перемещения по контактным плоскостям пар трения 16,18, без их раскрытия. Этим обеспечивается герметичность соединения в парах трения 16,18. Сальниковая набивка 20 при этом выполняет роль амортизатора ударов, роль муфты трения и роль предохранительной и компенсационной муфты. Это повышает надежность, долговечность и герметизирующую способность уплотнения 13.

Работа уплотнения 13 в режиме диспергирующего и сгущающего устройства осуществляется следующим образом.

При частичном перекрытии проходного сечения системы циркуляции 4, в полости 5 корпуса 1 давление рабочей среды повышается. На это давление накладываются периодические пульсации давления, вызываемые перекрытием прорези 10 и 7. При перекрытых прорезях 10 и 7 давление в полости 5 возрастает до максимального. При этом происходит перемещение и сжатие сальниковой набивки 20 и пружины 22. Это уменьшает контактное давление в стыковых парах трения 16,18 элементов 14,15,19, что способствует раскрытию торцового зазора 16 и зазора по сферической поверхности трения 18. Регулируя площадь проходного сечения циркуляционного устройства 4 или усилие сжатия пружины 22 с помощью пяты 23, можно добиться желаемого раскрытия стыков пар трения 16,18 от минимального (0,6-3 мк работа уплотнения в режиме герметизации) до максимального (3-30 мк работа уплотнения в режиме диспергирующего и сгущающего устройства).

Экспериментами установлено, что при раскрытии стыков пар трения 16,18 в пределах величины дисперсии твердых частиц (0-100 мк) течи жидкости через торцовый зазор 16 и зазор по сферической поверхности трения 18 как таковой нет.

Процесс сгущения осуществляется за счет того, что когда плотность частиц в суспензии меньше плотности жидкости, они будут скапливаться в приосевой зоне полости 5 между разделительной стенкой 27 и задним торцом ротора 8 и выдавливаться через радиальный щелевой зазор 17 в полость рабочих органов уплотнения 13. Попадая в стыковой зазор пар трения 16,18, твердые частицы суспензии истираются до размеров, когда силы молекулярного сцепления вызывают их притяжение друг к другу и слипание, коагулирование. У скоагулировавшихся частиц плотность больше плотности жидкости, и они отбрасываются в стыковых зазорах пар трения к периферии и не пропускают через себя частицы жидкости, происходит сгущение суспензии, достигнув периферии пар трения, эта сгущенная масса выбрасывается центробежными силами в полость 26, где она перемещается пружиной 22 к отверстию 25 и выдавливается из него потребителю в виде консистентного продукта. Пружины 22 в этом случае работают как вибрирующий, самоочищающийся шнек, что исключает ее забивание и потерю транспортирующих свойств.