RU2492920C2

RU2492920C2 - Mixer

Info

Publication number: RU2492920C2
Application number: RU2011154369/05A
Authority: RU
Inventors: Вадим Петрович Боровинский; Игорь Васильевич Даманский; Михаил Николаевич Малофеев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр"
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-09-20
Also published as: RU2011154369A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to mixers intended for homogenisation of major volumes of suspension and may be used at chemical and metallurgical plants. Proposed mixer comprises vertical shaft revolved by the drive. Blades enclosed in fixed ring arranged at said shaft upper section and inclined to vertical. Vertical vanes are secured at shaft bottom section. Ring features definite height-to-diameter ratio while vanes feature definite width-to-height ratio. Revolving blades forced the suspension downward while swirl it radially. This results in intensive mixing of the entire bulk of suspension without stagnant areas.

EFFECT: higher efficiency of mixing, power savings.

6 dwg

Description

Изобретение предназначено для гомогенизации больших объемов суспензии. Мешалка может найти применение на предприятиях химической и металлургической промышленности.The invention is intended for the homogenization of large volumes of suspension. The mixer can be used in chemical and metallurgical industries.

В различных сферах человеческой деятельности используется большое разнообразие мешалок. Значительную долю из них составляют мешалки с вертикальным вращающимся валом, на котором закреплены рабочие органы - лопасти, лопатки, гребенки и др. [1]. Конструкции таких мешалок во многом определяются характером перемешиваемых сред. Основной проблемой при перемешивании суспензий является оседание твердых частиц на стенках и днище. Для предотвращения данного процесса применяют различные способы создания турбулентности, охватывающей весь перемешиваемый объем. Однако при этом резко возрастает расход энергии. Кроме того, известно, что лопастные и особенно пропеллерные мешалки при вращении образуют, в основном, осевой ток жидкости. При этом следует отметить, что часть жидкости, стекающей с лопастей, образует радиальный поток жидкости, который, двигаясь по направлению к стенкам аппарата, взаимодействует с поднимающимся от нижней части мешалки потоком жидкости и препятствует его дальнейшему продвижению вверх к поверхности перемешиваемой жидкости. Образующиеся два контура циркуляции жидкости от нижнего и верхнего рабочих перемешивающих элементов мешалки препятствуют полной гомогенизации жидкости в объеме аппарата.A wide variety of mixers are used in various fields of human activity. A significant proportion of them are mixers with a vertical rotating shaft, on which working bodies are fixed - blades, blades, combs, etc. [1]. The design of such mixers is largely determined by the nature of the mixed media. The main problem when mixing suspensions is the sedimentation of solid particles on the walls and bottom. To prevent this process, various methods of creating turbulence covering the entire mixed volume are used. However, this drastically increases energy consumption. In addition, it is known that paddle and especially propeller stirrers during rotation form mainly an axial fluid flow. It should be noted that part of the liquid flowing from the blades forms a radial fluid flow, which, moving towards the walls of the apparatus, interacts with the fluid flow rising from the bottom of the mixer and prevents its further advance up to the surface of the mixed fluid. The resulting two circuits of fluid circulation from the lower and upper working mixing elements of the mixer prevent complete homogenization of the liquid in the apparatus.

Известен турбулентный смеситель [2], в котором главную перемешивающую функцию выполняют вертикальные лопатки, установленные в нижней части вертикального вала. Для создания турбулентности предназначены размещенные выше наклонные лопасти с закрепленными на их концах поперечными пластинами, которые должны препятствовать центробежному движению струи, направляя ее вниз. Однако такая конструкция недостаточно эффективна, поскольку пластины тоже вращаются и в силу небольших размеров не могут перекрыть внешнюю поверхность потока. В результате, использование известного устройства для перемешивания оказывается слишком затратным.Known turbulent mixer [2], in which the main mixing function is performed by vertical blades mounted in the lower part of the vertical shaft. To create turbulence, the inclined blades located above are designed with transverse plates fixed at their ends, which should prevent the centrifugal movement of the jet, directing it down. However, this design is not effective enough, since the plates also rotate and, due to their small size, cannot block the external surface of the flow. As a result, the use of a known stirring device is too costly.

Известно устройство для перемешивания, содержащее вертикальную цилиндрическую емкость с днищем, установленную внутри емкости мешалку, содержащую вертикальный вал и смонтированную на нем турбину. Турбина выполнена в виде диска, к которому прикреплены по окружности с зазором плоские лопатки. Отношение высоты и длины каждой лопатки турбины к диаметру последней составляет от 0,2 до 2,0 и от 0,01 до 0,2 соответственно [3]. Известно [1], что турбинные мешалки являются высокоскоростными перемешивающими устройствами, скорость вращения которых составляет от 100 до 500 об/мин, и используются для локального перемешивания особо вязких жидкостей в реакторах небольшого объема до 450 м³. Для обеспечения гомогенизации жидкостей и суспензий в аппаратах большого объема (≈5000 м³) использование турбинных мешалок нецелесообразно в виду значительных удельных затрат мощности на перемешивание.A device for mixing, containing a vertical cylindrical tank with a bottom, a mixer installed inside the tank, containing a vertical shaft and a turbine mounted on it. The turbine is made in the form of a disk to which flat blades are attached around the circumference with a gap. The ratio of the height and length of each turbine blade to the diameter of the latter is from 0.2 to 2.0 and from 0.01 to 0.2, respectively [3]. It is known [1] that turbine mixers are high-speed mixing devices, the rotation speed of which is from 100 to 500 rpm, and are used for local mixing of especially viscous liquids in small volume reactors up to 450 m ³ . To ensure the homogenization of liquids and suspensions in large-volume apparatuses (≈5000 m ³ ), the use of turbine mixers is impractical in view of the significant specific power consumption for mixing.

Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототипом) является устройство для перемешивания [4]. Устройство содержит цилиндрический корпус с технологическими патрубками, привод и центральный вал с закрепленным на нем перемешивающим узлом, выполненным с турбинной мешалкой и пропеллерной мешалкой, охваченной цилиндрическим диффузором (кольцом). Корпус снабжен нагревательной рубашкой, связанной с термостатом и патрубками. Размеры элементов реактора, в частности внутренний диаметр корпуса, диаметр турбинной мешалки, диаметр пропеллерной мешалки, высота турбинной мешалки над днищем корпуса, высота пропеллерной мешалки над днищем корпуса, должны быть связаны между собой- определенными соотношениями для достижения эффективного перемешивания всей реакционной массы.Closest to the claimed invention (prototype) is a device for mixing [4]. The device comprises a cylindrical body with technological nozzles, a drive and a central shaft with a mixing unit fixed to it, made with a turbine mixer and a propeller mixer, covered by a cylindrical diffuser (ring). The housing is equipped with a heating jacket connected with a thermostat and nozzles. The dimensions of the reactor elements, in particular the inner diameter of the vessel, the diameter of the turbine mixer, the diameter of the propeller mixer, the height of the turbine mixer above the bottom of the vessel, the height of the propeller mixer above the bottom of the vessel must be interconnected by certain ratios to achieve effective mixing of the entire reaction mass.

Установка вокруг лопастной мешалки диффузора (кольца) ограничивает распространение радиального потока жидкости к стенкам аппарата. Однако приведенные соотношения параметров мешалки не позволяют увеличить эффективность перемешивания и снизить расход энергии.The installation of a diffuser (ring) around the paddle mixer limits the spread of the radial fluid flow to the walls of the apparatus. However, the above ratios of the parameters of the mixer do not allow to increase the mixing efficiency and reduce energy consumption.

Задачей настоящего изобретения является существенное снижение расхода энергии при увеличении эффективности перемешивания.The objective of the present invention is to significantly reduce energy consumption while increasing the mixing efficiency.

Технический результат заключается в разработке конструкции мешалки, в которой радиальный поток жидкости полностью преобразуется в осевой и повышается скорость и общая циркуляция жидкости в аппарате, что и приводит к увеличению эффективности перемешивания.The technical result consists in developing a mixer design in which the radial fluid flow is completely converted to axial and the speed and general circulation of the fluid in the apparatus are increased, which leads to an increase in mixing efficiency.

Технический результат достигается тем, что в мешалке, имеющей вертикальный цилиндрический корпус и привод с возможностью передачи вращения на центральный вал, на котором вверху прикреплены наклоненные к вертикали лопасти, окруженные ориентированным соосно валу неподвижным кольцом, а внизу - вертикальные лопатки, согласно заявляемому изобретению, лопасти окружены неподвижным кольцом с отношением высоты к диаметру 0,25-0,30, а лопатки имеют отношение ширины к высоте 0,2-0,4.The technical result is achieved by the fact that in the mixer having a vertical cylindrical body and a drive with the possibility of transmitting rotation to the central shaft, on top of which are attached the blades inclined to the vertical, surrounded by a stationary ring oriented coaxially to the shaft, and the blades, according to the claimed invention, on the bottom surrounded by a fixed ring with a height to diameter ratio of 0.25-0.30, and the blades have a width to height ratio of 0.2-0.4.

Для оценки эффективности работы различных перемешивающих устройств существует зависимость степени гомогенизации жидкости в объеме аппарата от затрат мощности на перемешивание. При этом гидродинамические параметры работы аппарата, такие как распределение скорости жидкости в аппарате, насосный эффект мешалки, скорость циркуляции суспензии и др. являются определяющими при оптимизации процесса перемешивания.To assess the performance of various mixing devices, there is a dependence of the degree of liquid homogenization in the apparatus volume on the power consumption for mixing. Moreover, the hydrodynamic parameters of the apparatus, such as the distribution of the fluid velocity in the apparatus, the pump effect of the mixer, the circulation speed of the suspension, etc. are decisive in optimizing the mixing process.

В целом, процесс перемешивания характеризуется понятиями окружной и радиально - осевой циркуляции жидкости. При этом, последняя, имеет наибольшее значение для процесса гомогенизации, так как при ее отсутствии вообще не может идти речи о конвективном перемешивании жидкости. В промышленной практике перемешивания в аппаратах больших объемов для увеличения радиально-осевой составляющей скорости используют отражательные перегородки. Однако последние приводят к увеличению потребляемой мощности и снижению эффективности перемешивания [1, стр.134].In general, the mixing process is characterized by the concepts of circumferential and radial-axial fluid circulation. Moreover, the latter is of the greatest importance for the homogenization process, since in its absence there can be no talk of convective mixing of the liquid. In industrial practice, mixing in large-volume apparatuses, reflective partitions are used to increase the radial-axial component of speed. However, the latter lead to an increase in power consumption and a decrease in the mixing efficiency [1, p. 134].

В предполагаемом изобретении задача увеличения радиально - осевой составляющей скорости решена путем изменения условий обтекания лопаток набегающим потоком жидкости. В общем случае, при движении лопаток в жидкости происходит их обтекание потоком по вертикальным и горизонтальным кромкам. При этом часть набегающего потока движется вдоль поверхности лопатки в радиальном направлении под действием центробежных сил. Следует отметить, что именно транспортируемый в радиальном направлении поток обеспечивает циркуляцию жидкости в аппарате, а обтекающий лопатку поток локально турбулизирует жидкость.In the proposed invention, the task of increasing the radial-axial component of the speed is solved by changing the conditions for the flow of blades around the fluid flow. In the general case, when the blades move in a liquid, they flow around the stream along the vertical and horizontal edges. In this case, a part of the oncoming flow moves along the surface of the blade in the radial direction under the action of centrifugal forces. It should be noted that it is the radially transported stream that ensures the circulation of liquid in the apparatus, and the stream flowing around the blade locally turbulizes the liquid.

Соотношение обтекающего лопатку потока жидкости и транспортируемого вдоль нее напрямую зависит от отношения длин горизонтальных и вертикальных кромок лопатки. Набегающий на лопатки поток жидкости за счет центробежных сил сносится к периферийной вертикальной кромке лопатки. По мере движения потока жидкости, часть его стекает через верхнюю и нижнюю горизонтальные кромки. При одном и том же периметре лопатки увеличение длины вертикальных кромок и уменьшение горизонтальных ведет к увеличению доли транспортируемого потока жидкости и снижению доли обтекающего лопатку по горизонтальным кромкам. Это повышает радиально-осевую составляющую скорости и увеличивает степень циркуляции жидкости в аппарате.The ratio of the fluid flow around the blade and transported along it directly depends on the ratio of the lengths of the horizontal and vertical edges of the blade. The flow of liquid on the blades due to centrifugal forces is carried to the peripheral vertical edge of the blade. As the fluid flows, part of it flows through the upper and lower horizontal edges. With the same perimeter of the blade, an increase in the length of the vertical edges and a decrease in horizontal leads to an increase in the proportion of the transported fluid flow and a decrease in the proportion of the flow around the blade along the horizontal edges. This increases the radial-axial component of the velocity and increases the degree of fluid circulation in the apparatus.

При этом, как показали лабораторные исследования на модели аппарата с плоским днищем объемом 100 л, и отношением высоты к диаметру 2,5, уменьшение соотношения ширины лопатки к ее высоте меньше 0,2 приводит к увеличению потребляемой мощности на перемешивание для достижения одной и той же степени гомогенизации суспензии гидроксида алюминия, т.к. доля транспортируемого потока незначительна и лопатка в основном обтекается жидкостью. При увеличении указанного отношения выше 0,4 потребляемая мощность постепенно начинает расти, поскольку доля обтекающего горизонтальные кромки потока превалирует над транспортируемым, только при соотношении 0,2-0,4 затраты мощности становятся минимальными.Moreover, as laboratory studies have shown on a model of a device with a flat bottom with a volume of 100 l, and a ratio of height to diameter of 2.5, a decrease in the ratio of the width of the blade to its height less than 0.2 leads to an increase in the power consumption for mixing to achieve the same the degree of homogenization of the suspension of aluminum hydroxide, because the fraction of the transported stream is insignificant and the blade is mainly surrounded by liquid. When this ratio increases above 0.4, the power consumption gradually begins to grow, since the proportion of the flow around the horizontal edges of the stream prevails over the transported one, only with a ratio of 0.2-0.4 the power consumption becomes minimal.

Выполнение кольца с заявляемым соотношением высоты к диаметру обеспечивает снижение расхода энергии при увеличении эффективности перемешивания. Заявляемая высота кольца полностью обеспечивает преобразование радиального потока жидкости в осевой поток. При отношении высоты к диаметру менее 0,25, т.е. при недостаточной высоте кольца часть радиального потока жидкости будет огибать его, снижая общую циркуляцию жидкости в аппарате. Отношение высоты к диаметру более 0,30, т.е., чрезмерная высота кольца приведет к повышению металлоемкости конструкции, не оказывая влияния на эффективность перемешивания.The execution of the ring with the claimed ratio of height to diameter provides a reduction in energy consumption with an increase in mixing efficiency. The claimed height of the ring fully ensures the conversion of the radial fluid flow into axial flow. With a height to diameter ratio of less than 0.25, i.e. with insufficient ring height, part of the radial fluid flow will bend around it, reducing the overall fluid circulation in the apparatus. The ratio of height to diameter is more than 0.30, i.e., excessive ring height will increase the metal consumption of the structure without affecting the mixing efficiency.

Заявляемая конструкция поясняется рисунками, где на фиг.1 приведено расположение конструктивных узлов мешалки, на фиг.2 - контуры циркуляции жидкости от нижнего и верхнего рабочих перемешивающих элементов заявляемого устройства, на фиг.3 - контуры циркуляции жидкости от нижнего и верхнего рабочих перемешивающих элементов по прототипу [3], на фиг.4 - контуры циркуляции жидкости от нижнего и верхнего рабочих перемешивающих элементов по аналогу [2], на фиг.5 - зависимость затрат мощности от отношения ширины лопаток L к высоте Н, на фиг.6 - зависимость затрат мощности от соотношения высоты к диаметру кольца.The inventive design is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the location of the structural components of the mixer, Fig. 2 - circuits of the fluid from the lower and upper working mixing elements of the inventive device, Fig. 3 - contours of the fluid from the lower and upper working mixing elements in the prototype [3], in Fig. 4 - the contours of the fluid from the lower and upper working mixing elements according to the analogue of [2], in Fig. 5 - the dependence of power consumption on the ratio of the width of the blades L to the height H, in Fig. 6 - dependence l power costs from the ratio of height to diameter of the ring.

Над цилиндрическим баком 1 установлен привод 2, вращающий центральный вертикальный вал 3. Имеются два яруса перемешивающих элементов. Верхний ярус содержит неподвижное кольцо 4, внутри которого расположены прикрепленные к валу 3 лопасти 5, плоскости которых наклонены к вертикальному направлению. Нижний ярус перемешивающего элемента выполнен в форме лопаток 6, закрепленных на валу 3 с помощью траверс. Объем бака 1 заполнен перемешиваемой пульпой 7.A drive 2 is mounted above the cylindrical tank 1, which rotates the central vertical shaft 3. There are two tiers of mixing elements. The upper tier contains a fixed ring 4, inside of which are located blades 5 attached to the shaft 3, the planes of which are inclined to the vertical direction. The lower tier of the mixing element is made in the form of blades 6, mounted on the shaft 3 using a traverse. The volume of the tank 1 is filled with a stirred pulp 7.

Мешалка работает следующим образом. При вращении вала 3 лопасти 5 гонят поток суспензии вниз к лопаткам 6, которые преобразуют вертикальный поток в радиальный. Достигнув стенок бака 1, суспензия поднимается в верхнюю часть объема, где снова попадает на лопасти верхнего яруса. Тем самым обеспечивается турбулентность во всем объеме бака 1. Кольцо 4, выполненное по заявляемому соотношению предотвращает центробежный вынос суспензии, существенно увеличивая эффективность работы лопастей 5. В результате, происходит интенсивное перемешивание всей массы суспензии без наличия застойных зон.The mixer works as follows. When the shaft 3 rotates, the blades 5 drive the suspension flow down to the blades 6, which convert the vertical flow to radial. Having reached the walls of the tank 1, the suspension rises to the upper part of the volume, where it again falls on the blades of the upper tier. This ensures turbulence in the entire volume of the tank 1. Ring 4, made according to the claimed ratio prevents centrifugal removal of the suspension, significantly increasing the efficiency of the blades 5. As a result, intensive mixing of the entire mass of the suspension without the presence of stagnant zones.

Для оценки эффективности работы изобретения была исследована зависимость расслоения суспензии в относительных единицах от затрат мощности на перемешивание (фиг.6). Опытным путем найдено, что минимальный расход энергии наблюдается при отношении высоты кольца к диаметру в диапазоне 0,25-0,30. При отношении высоты кольца к диаметру менее 0,25 требуемая мощность возрастает примерно в 1,5 раза.To assess the effectiveness of the invention, the dependence of the stratification of the suspension in relative units on the cost of power for mixing (6) was investigated. It was experimentally found that the minimum energy consumption is observed when the ratio of the height of the ring to the diameter in the range of 0.25-0.30. When the ratio of the height of the ring to the diameter is less than 0.25, the required power increases by about 1.5 times.

Также была изучена зависимость затрат мощности от отношения ширины лопаток L к высоте Н для одинакового расслоения пульпы (фиг.5). Из приведенного графика видно, что оптимальная величина этого отношения приходится на диапазон 0.2-0.4.The dependence of power costs on the ratio of blade width L to height H was also studied for the same pulp stratification (Fig. 5). The graph shows that the optimal value of this ratio falls on the range 0.2-0.4.

Таким образом, по сравнению с прототипом имеет место увеличение эффективности перемешивания при одновременном снижении расхода энергии.Thus, in comparison with the prototype there is an increase in mixing efficiency while reducing energy consumption.

Источники информацииInformation sources

1. З. Штербачек, П. Тауск. Перемешивание в химической промышленности. Пер. с чешского под ред. И.С. Павлушенко, Л.: ГХИ, 1963.1. Z. Shterbachek, P. Tausk. Mixing in the chemical industry. Per. from Czech, ed. I.S. Pavlushenko, L .: GHI, 1963.

2. Авторское свидетельство РФ №948684, кл. В28С 5/16, 07.08.1982.2. Copyright certificate of the Russian Federation No. 948684, cl. B28C 5/16, 07/07/1982.

3. Патент РФ №784795, кл. С12М 1/02, 30.11.1980.3. RF patent No. 784795, cl. S12M 1/02, 11/30/1980.

4. Патент РФ №2128182, кл. B01F 7/16, 27.03.1999.4. RF patent No. 2128182, cl. B01F 7/16, 03/27/1999.

Claims

An agitator having a vertical cylindrical body and a drive with the possibility of transmitting rotation to the central shaft, on top of which blades inclined to the vertical are mounted, surrounded by a stationary ring oriented coaxially to the shaft, and vertical blades, characterized in that the blades are surrounded by a fixed ring with a height to a diameter of 0.25-0.30, and the blades have a ratio of width to height of 0.2-0.4.