Результат интеллектуальной деятельности: Устройство перемешивания

Изобретение относится к химическому машиностроению, а именно к устройствам перемешивания вибрационного действия и предназначено для перемешивания жидких гетерогенных систем низкой вязкости (диспергирование, эмульгирование, гомогенизация и т.д.) и может найти применение в химической, нефтяной, пищевой, фармацевтической и других отраслях народнохозяйственной деятельности при выполнении работ по настройке и отработке режимов работы аппаратов вибрационного перемешивания на этапе предпроектных и проектных исследований и позволяет снизить трудоемкость работ по настройке оборудования после ремонта или, например, при переналадке эксплуатирующегося аппарата, при смене режима работы или переходе на новый вид продукции.

Аппараты с механическим перемешиванием находят применение практически во всех возможных отраслях химической промышленной. Для перемешивающих устройств, мешалки которых совершают вращательное движение, существует достаточное количество разнообразной литературы (справочники, альбомы типовых конструкций, ОСТы, РД, РТМ и т.д.), содержащей подробное описание как узлов в целом, так и отдельных элементов конструкции в частности. Конструкции и порядок выбора вращающихся мешалок описаны в ГОСТ 22577-77, АТК 24.201.17-90 и РД 26-01-90-85.

Иначе обстоит ситуация для перемешивающих устройств, мешалки которых совершают колебательные движения вообще и в вертикальном направлении в частности. Несмотря на доказанную высокую эффективность и возможность значительной интенсификации процессов, протекающих в невязких жидкостях, в отечественной практике аппаратам вибрационного перемешивания уделяется крайне мало внимания и в настоящее время в литературе отсутствуют систематизированные описания их конструкций, методов и подходов к проектированию, рекомендаций по расчету и прочее.

Фактически, задача выбора конструкции вибрирующей мешалки и условий ее эксплуатации (включая высоту размещения мешалки в аппарате и режимы ее работы) представляется крайне непростой. Решение, предлагаемое в настоящем изобретении, направлено на устранение некоторых из существующих затруднений.

Перемешивающие устройства традиционного действия включают в себя привод (состоит из мотора-редуктора и стойки, в которую устанавливаются подшипниковые опоры и уплотнительное устройство), устройство уплотнения, вал и мешалку. Передача крутящего момента от привода на вал осуществляется через посредство муфты. Основными действующими на вал нагрузками являются центробежная сила, приложенная к центру тяжести закрепленной на нем массы (мешалки) и гидродинамические силы. Критериями работоспособности вала являются виброустойчивость, жесткость и прочность (на изгиб и кручение).

Вибрационное перемешивающее устройство состоит из электромеханического или электромагнитного привода, стойки, узла уплотнения, штока и закрепляемой на нем мешалки. В перемешивающих устройствах вибрационного действия (совершающих колебания в осевом направлении) необходимость в применении подшипников отсутствует. Основными действующими на шток нагрузками являются инерционные силы от закрепленной на нем массы (мешалки и якоря) и гидродинамические силы. Критериями работоспособности штока являются жесткость, прочность при продольном изгибе и сопротивление усталости при циклических нагрузках.

Отсутствие единой методики, позволяющей осуществить проектирование аппаратов вибрационного перемешивания приводит к тому, что на этапе предпроектных исследований возникает необходимость в выполнении модельных испытаний. Большое разнообразие используемых в химической и смежной промышленностях жидких сред и композиций, а также отсутствие в систематизированном виде результатов экспериментальных исследований и рекомендаций по организации физических и химических процессов в поле вибрационного воздействия выражается в необходимости проведения экспериментов, требующих значительного времени подготовки и настойки оборудования. При этом к варьируемым параметрам относятся высота установки мешалки и ее конструкция: количество отверстия, площадь живого сечения, геометрия отверстия, конструкция втулки или ступицы.

Высоту установки мешалки определяют исходя из требующих достижения целей технологического процесса: для случая перемешивания трудно смешиваемых, склонных к расслоению жидкостей, мешалка размещается ближе к зоне их разделения, как правило, это верхняя часть; для случая, когда обрабатываются гетерогенные среды (пульпы), содержащие твердые частицы, склонные к быстрому осаждению, с целью интенсификации размывания осадка, мешалку размещают ближе к дну емкости; при перемешивании легко смешиваемых, жидкостей, мешалка, например, может размещаться примерно по центру рабочего объема аппарата. Схемы конструктивных исполнений перемешивающих устройств представлены в работе [Коробчук, М.В. Аппараты виброперемешивания. Обзор конструкций и тенденции развития / М.В. Коробчук, А.Н. Веригин // Химическая технология. - 2022. - Т. 23. - №2. - С. 80-96. - DOI 10.31044/1684-5811-2022-23-2-80-96.].

Размеры и конструкцию мешалки (геометрия отверстий, направление сопел, площадь живого сечения и т.д.) выбирают исходя из тех же соображений. Конструктивно, мешалка вибрационного действия состоит из диска (тела мешалки), центральной втулки (ступицы) и ребер жесткости или тяг (для мешалок большого диаметра при недостаточной жесткости). Способ изготовления тела (диска) мешалок является еще одним из факторов, который требуется учитывать при организации испытаний. Так, тело мешалки может представлять собой: тонкий перфорированный диск или сплошной диск с толщиной, соответствующей высоте гидравлического насадка (для мешалок небольшого размера); полый диск с вваренными сопловыми втулками (мешалки большого диаметра); штампованный диск (для мешалок большого диаметра дополнительно снабжается тягами). Подробно конструкции применяемых для вибрационного перемешивания мешалок с указанием их достоинств и недостатков рассмотрены в работе [Коробчук, М.В. Конструкции мешалок вибрационных перемешивающих устройств / М.В. Коробчук, А.Н. Веригин //Химическая промышленность сегодня. - 2021. - №5. - С. 46-55. - DOI 10.53884/27132854 2021_5_46.\.

В настоящее время для аппаратов с механическим перемешиванием устройства перемешивания, которых совершают вращательное движение, существует достаточное количество описаний способов закрепления мешалок на валу [АТК 24.201.17-90 Мешалки. Типы, параметры, конструкция, основные размеры и технические требования, МН 5874-66. Аппараты с перемешивающими устройствами вертикальные. Перемешивающие устройства механические. Типы, параметры, конструкции и исполнительные размеры. Технические требования, РД 26-01-90-85 Механические перемешивающие устройства. Метод расчета.]. Общим недостатком всех конструкций и способов крепления мешалок, совершающих вращение является их принципиальная непригодность для крепления мешалок, совершающих колебания. Как правило, осевая нагрузка, возникающая при работе вращающихся мешалок (например, винтовых, лопастных с повернутыми под углом лопастями и т.д.) относительно невелика, имеет постоянное направление и незначительную амплитуду номинального значения, при этом для передачи крутящего момента используются шпоночное, клиновое или шлицевое соединения. Вал мешалок, совершающих вращение подвержен деформациям кручения и изгиба, в то время как шток вибрационного перемешивающего устройства работает на сжатие-растяжение. Основной, действующей на мешалку вибрационного перемешивающего устройства силой является знакопеременная осевая сила (сила сопротивления среды). Так, для мешалок вибрационных аппаратов в конструкции нет необходимости применения шпонки или клиньев, при этом эффекта от действия стопорных винтов для фиксации на штоке оказывается недостаточно. Любой, даже незначительный люфт полотна мешалки сопровождается снижением эффективности действия перемешивающего устройства и качества перемешивания.

В литературе для перемешивающих устройств вибрационного действия отсутствуют описания вариантов закрепления мешалки и из опубликованных источников информации для заявляемого устройства подобных, близких или имеющих схожие отличительные признаки и позволяющих решать аналогичную поставленной задаче технических решений не выявлено.

Задачами, на решение которой направлено заявляемое изобретение является реализация:

- способа быстрого и надежного крепления мешалки (мешалок) на штоке вибрационного перемешивающего устройства с возможностью оперативной замены (например, при ремонте или при переходе к другой конструкции);

- способа простого регулирования положения мешалки (по высоте емкости), исключающего необходимость изготовления штоков различной длины и выполнения трудоемких работ по их замене.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство перемешивания состоит из штока, в выточку в нижней части которого монтируется разъемная ступица состоящая из двух, скрепляемых с помощью болтов и гаек, частей, и на которой с помощью прижимной втулки и двух сухарей, скрепляемых болтами и гайками фиксируется мешалка, при этом узел регулирования вылета штока, состоящий из корпуса, фланца (для крепления к якорю), двух разрезных втулок и двух обжимных гаек закрепляется на гладкой части вала.

Сущность и осуществление изобретения поясняются следующим ниже графическим материалом и описанием.

Фиг. 1 - Устройство примешивания.

Фиг. 2 - Узел крепления мешалки - вид с разнесенными частями.

Фиг. 3 - Узел регулирования вылета вала - вид с разнесенными частями

Фиг. 4 - Вибрационный аппарат с установленным устройством перемешивания - общий вид.

Фиг. 5 - Пример монтажа двух мешалок на штоке с приваренными буртами.

Предлагаемое устройство перемешивания предназначено для использования в аппаратах, вибрационный привод которых представляет собой кольцевую электромагнитную катушку или набор расположенных симметрично относительно оси аппарата катушек, когда для штока конструктивно существует возможность перемещения в вертикальном направлении.

Устройство перемешивания (см. Фиг. 1) состоит из закрепляемых на штоке: узла крепления мешалки А, узла регулирования вылета вала Б и непосредственно самой мешалки 4.

Узел крепления мешалки (см. Фиг. 1 и Фиг. 2) включает ступицу 1, состоящую из двух частей, скрепляемых болтами 10 и гайками 11 и 12, прижимной втулки 2 и двух сухарей 3, так же соединяемых между собой болтами 10 и гайками 11 и 12. Сопрягаемые поверхности прижимной втулки 2 и сухарей 3 выполнены в виде конуса так, чтобы при стягивании сухарей 3 болтами на поверхности контакта возникала сила, результирующая которой выталкивает втулку 2 в осевом направлении. Для предотвращения смещения сухарей 3 на внутренней поверхности предусмотрен бурт, который при сборке упирается в торец выточки штока 5.

Узел регулирования (см. Фиг. 3) вылета штока состоит из корпуса 9, фланца 8, двух разрезных втулок 7 и обжимных гаек 6. Для облегчения разборки узла регулирования в корпусе 9 с каждой из сторон выполнены продольные прорези. Фланец 8 используется для крепления устройства перемешивания к якорю электропривода, для чего в нем предусмотрены отверстия. Сопрягаемые поверхности корпуса 9 и разрезных втулок 7 выполнены коническими, при этом обжим штока 5 втулками 7 происходит при затягивании обжимных гаек 6. Для обеспечения более надежного соединения корпуса 9 со штоком 5 на поверхности отверстия разрезных втулок 7 могут быть дополнительно выполнены зубчатые кольцевые выточки.

Для минимизации значения коэффициентов трения покоя и скольжения (0,06-0,1) на сопрягаемые конические поверхности может наноситься сухая смазка, например фторсодержащее полимерное покрытие Xylan 1424 или Xylan 1425.

Изобретение осуществляется следующим образом (см. Фиг 2, Фиг. 4).

Сборка узла крепления мешалки происходит в следующем порядке. В выточку (ложе) штока 5 укладываются части разъемной ступицы 1 и скрепляются с помощью болтов 10 и гаек 11 так, чтобы для ступицы сохранялась возможность осевого смещения, однако ее свободный люфт должен быть исключен. Затем на ступицу последовательно надеваются мешалка 4 и прижимная втулка 2. Сухари 3 укладывают в выточку вала 5 так, чтобы буртики на их внутренней поверхности упирались в торец выточки, после чего их соединяют с помощью болтов 10 и гаек 11. Усилие свинчивания выбирают так, чтобы были выбраны все люфты. После чего выполняют окончательную затяжку болтов 10 сухарей 3 и ступицы 1 с последующей контрольной затяжкой гайками 12.

Сборка узла регулирования вылета штока происходит в следующем порядке. В корпус 9 вкладываются разрезные втулки 7, после чего от усилия руки до упора навинчиваются гайки 6 (должно быть исключено самовольное смещение втулок 7, при этом втулки не должны обжиматься).

Корпус 9 в сборе с фланцем 8 с помощью болтов закрепляется на якоре вибрационного привода. В вибрационный привод монтаж штока с собранным узлом крепления мешали, осуществляют с внутренней стороны крышки аппарата. Для этого шток пропускают через устройство уплотнения и корпус узла регулирования вылета штока. После того, как вылет штока будет отрегулирован до заданного значения, выполняется затяжка обжимных гаек 6.

На Фиг. 4 приведены примеры осуществления изобретения для случаев размещения перемешивающего устройства в крайнем нижнем и крайнем верхнем положениях. Узел регулирования вылета штока 5 закрепляется на якоре 13 вибрационного привода 14, установленного на корпусе аппарата 15.

Зазор между якорем 13 и электромагнитом 16 определяется на основании предварительных расчетов, а его регулирование выполняется средствами, предусмотренными конструкцией вибропривода.

Изменение положения штока 5 с закрепленной на нем мешалкой 4 осуществляется с помощью узла регулирования вылета штока. Для этого ослабляют верхнюю и нижнюю гайки 6 и после установки мешалки 4 на требуемом расстоянии от дна емкости (или зеркала поверхности), снова их затягивают.

На Фиг. 5 приведен пример исполнения устройства перемешивания с двумя мешалками, при этом ложе для ступицы и бурты для упора сформированы с помощью цилиндрических втулок, закрепленных на штоке с помощью сварки.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность применения унифицированного конструктивного исполнения ступицы, позволяющей осуществить быструю замену мешалки и ее гарантированное надежное закрепление на штоке, а также обеспечить технологичный, не требующий разборки привода, способ регулирования высоты ее расположения по высоте емкости. Предложенная конструкция исключает необходимость снабжать исследовательский или полупромышленный аппарат комплектом из штоков различной длины и дополнительно позволяет реализовать вариант монтажа двух и более размещаемых на одном штоке мешалок.

Работоспособность и эффективность описанного изобретения подтверждается результатами испытаний на лабораторных и полупромышленных аппаратах вибрационного перемешивания.

Коробчук, М.В. Аппараты виброперемешивания. Обзор конструкций и тенденции развития / М.В. Коробчук, А.П. Веригин // Химическая технология. - 2022. - Т. 23. - №2. - С. 80-96. - DOI 10.31044/1684-5811-2022-23-2-80-96.

Коробчук, М.В. Конструкции мешалок вибрационных перемешивающих устройств / М.В. Коробчук, А.Н. Веригин // Химическая промышленность сегодня. - 2021. - №5. - С. 46-55. - DOI 10.53884/27132854_2021_5_46.

АТК 24.201.17-90 Мешалки. Типы, параметры, конструкция, основные размеры и технические требования

МН 5874-66 Аппараты с перемешивающими устройствами вертикальные. Перемешивающие устройства механические. Типы, параметры, конструкции и исполнительные размеры. Технические требования

РД 26-01-90-85 Механические перемешивающие устройства. Метод расчета.