СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ВЫСОКОВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Изобретение относится к механическому перемешиванию жидкостей, растворов, суспензий, эмульсий и паст и может использоваться для их приготовления в технологиях химической, фармацевтической, пищевой и других отраслей промышленности.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ перемешивания высоковязких жидкостей [1]. Согласно этому способу, жидкости подают в емкость, образованную зазором постоянного размера между стенками коаксиальных сосудов одинаковой формы, цилиндрической или сферической, и встречного вращения сосудов с меняющейся во времени скоростью, соответствующей появлению турбулентности; жидкости подают в емкость до полного ее заполнения, их перемешивают, и затем удаляют готовую смесь, причем соотношение радиусов внутреннего и внешнего сосудов составляет 0.44-0.67, а частоту вращения внешнего сосуда f_out модулируют во времени по синусоидальной зависимости с частотой, не более 3% от f_out с сохранением постоянных ненулевых значений своих осредненных величин.

Недостатком такого способа является необходимость использования достаточно высоких амплитуд модуляции скорости вращения внешнего сосуда для формирования турбулентных режимов. Возрастание амплитуды модуляции повышает средний момент сил трения и увеличивает энергоемкость рассматриваемого способа.

Изобретение направлено на снижение энергоемкости перемешивания высоковязких жидкостей. Указанный результат достигается тем, что жидкостями заполняют емкость, образованную зазором постоянного размера между стенками коаксиальных сосудов одинаковой формы, цилиндрической или сферической с соотношением радиусов внутреннего и внешнего сосудов 0.44-0.67, жидкости перемешивают при встречном вращении сосудов внешним приводом с меняющейся во времени скоростью, соответствующей появлению турбулентности, осредненные значения скоростей вращения сосудов сохраняются постоянными; готовую смесь затем удаляют, а скорость вращения внутреннего сосуда модулируют во времени по гармоническому закону с частотой f_in, величина которой определяется соотношением:

где

ν - средняя по объему вязкость жидкостей,

r_in - радиус внутреннего сосуда.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

- модуляция частоты вращения внутреннего сосуда по гармоническому закону;

- определенное соотношение между величинами частоты модуляции f_in, вязкостью жидкости v и радиусом внутреннего сосуда r_in;

- определение величины частоты модуляции соотношением

Все указанные выше отличительные признаки заявляемого изобретения являются необходимыми для его реализации и способствуют наиболее полному использованию кинетической энергии турбулентного течения для перемешивания жидкостей.

Модуляция частоты вращения внутреннего сосуда обеспечивает переход к турбулентному режиму течения, необходимому для интенсивного перемешивания жидкостей, при меньших амплитудах модуляции, чем в случае неравномерной скорости вращения внешнего сосуда. В отличие от случая модуляции скорости вращения внешнего сосуда (прототип) модуляция частоты вращения внутреннего сосуда позволяет обеспечить переход к различным видам турбулентности, отличающихся как ее интенсивностью, так и степенью неравномерности во времени, не только за счет повышения амплитуды модуляции, но и за счет изменения ее частоты.

Как интенсивность турбулентности, так и ее тип вблизи порога формирования зависит от частоты модуляции, и эта зависимость в безразмерном виде определяется соотношением между величинами частоты модуляции f_in, вязкостью жидкости v и радиусом внутреннего сосуда r_in.

Величина частоты модуляции, определяемая соотношением , позволяет обеспечить переход к однородной во времени турбулентности при малых амплитудах модуляции и, соответственно, с наименьшим моментом сил трения.

Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Заявляемый способ предназначен для перемешивания жидкостей с величиной вязкости от 1 до 200·10^-6 м²/с. Интенсивность перемешивания жидкостей определяется коэффициентом диффузии, величина которого зависит от вида течения и повышается при переходе к турбулентности [2]. При встречном вращении сосудов силы трения на поверхности стенок обеспечивают встречное в азимутальном направлении движение жидкостей, и с увеличением скоростей вращения сосудов или/и амплитуды модуляции скорости вращения внутреннего сосуда течение жидкостей в зазоре становится турбулентным. Таким образом, интенсивное перемешивание жидкостей обеспечивается кинетической энергией турбулентных течений, формируемых встречным вращением сосудов под действием привода.

Отличительные признаки заявляемого изобретения основаны на следующих эффектах.

Первый эффект - в случае встречного вращения границ сосудов модуляция скорости вращения внутреннего приводит к переходу к турбулентности при меньших не менее чем в 2 раза амплитудах модуляции (и, соответственно, при меньшей величине момента сил трения), чем при модуляции скорости вращения внешнего сосуда. Указанный эффект является следствием структуры течения при встречном вращении сосудов, при которой наибольшие градиенты скорости и завихренности сосредоточены вблизи внутренней границы в том случае, когда среднее положение поверхности нулевой азимутальной скорости удалено от обеих границ. Еще одним следствием рассматриваемой структуры является то, что формирование турбулентности в случае модуляции скорости вращения внутреннего сосуда происходит в большем диапазоне изменения частоты модуляции, чем в случае модуляции скорости вращения внешнего сосуда.

Второй эффект - интенсивность турбулентных пульсаций (следовательно, величина коэффициента диффузии и интенсивность перемешивания) в случае модуляции скорости вращения внутреннего сосуда зависит не только от ее амплитуды, но и от частоты. При частоте модуляции, определяемой соотношением , обеспечивается однородное во времени турбулентное течение с наиболее интенсивными турбулентными пульсациями.

Для снижения энергоемкости перемешивания высоковязких жидкостей с учетом этих эффектов, как показали результаты экспериментов, необходим, во-первых, выбор скоростей встречного вращения сосудов таким образом, чтобы среднее положение поверхности нулевой азимутальной скорости было удалено от обеих границ. Во-вторых, необходим выбор частоты модуляции скорости вращения внутреннего сосуда таким образом, чтобы переход к турбулентном режиму течения происходил при минимальной амплитуде модуляции.

Пример осуществления технического решения.

Раствор двух прозрачных жидкостей со средней по объему вязкостью 50·10^-6 м²/с заполнял зазор толщиной 0.075 м, образованный двумя прозрачными сферическими поверхностями. Измерение величин азимутальной компоненты скорости течения жидкости при вращении сфер проводилось лазерным доплеровским анемометром, измерения проводились на разных расстояниях от границ зазора. Переходы к турбулентности в течении определялись по виду спектра пульсаций скорости. Одновременно с измерением скорости проводилась визуализация течений в зазоре между двумя прозрачными сферическими поверхностями за счет наружного освещения течения в зазоре.

Эксперименты проводились при встречном вращении границ зазора как в случае модуляции скорости вращения внешней сферы, так и в случае модуляции скорости вращения внутренней сферы.

Установлено, что в первом случае величина относительной амплитуды модуляции скорости вращения внешней сферы, необходимая для достижения турбулентных режимов течения, более чем на 10% выше, чем во втором случае. Некоторые результаты приведены в таблице 1, в которой представлены минимальные значения относительной амплитуды модуляции внутреннего сосуда A_i/Ω_i и внешнего A_out/Ω_out, необходимые для возникновения турбулентности в течении:

Указанные выше результаты подтверждают достоверность отличительных признаков, на которых основано заявляемое изобретение. Использование предлагаемого изобретения позволяет с высокой эксплуатационной надежностью и низкой энергоемкостью проводить процессы перемешивания высоковязких жидкостей.

Источники

1. Жиленко Д.Ю., Кривоносова О.Э., Забелинский И.Е. Способ перемешивания высоковязких жидкостей // патент на изобретение №2488433, 27.07. 2013, Бюл. №21 (прототип).

2. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. T.1. М.: Наука, 1965.