1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28688
(51) B01F 3/00 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/0895.1
(22) 02.07.2013
(45) 15.07.2014, бюл. №7
(72) Ольшанский Евгений Николаевич; Тамбиев
Петр Геннадьевич; Макешин Андрей Андреевич;
Гаврилко Роман Валерьевич
(73) Товарищество с ограниченной
ответственностью "Научно-производственное
предприятие "Интеррин"
(56) Патент РФ №2256491, кл. B01F 3/00, опубл.
20.07.2005г
(54) ДИССОЛЬВЕР ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ
РАСТВОРА ОКИСЛИТЕЛЯ
(57) Изобретение относится к производству
эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ),
применяемых при взрывной отбойке горных пород,
и может быть использовано в горнодобывающей,
химической и других отраслях промышленности.
Техническим результатом является диссольвер, в
котором тепло- и массообменные процессы
взаимосвязаны друг с другом, ведутся с высокой
интенсивностью и взаимодействуют между собой
так, что усиливают общее воздействие на
обрабатываемую среду в направлении ускорения
растворения селитры в горячем растворе и
гомогенизации раствора до полной однородности по
температуре и плотности.
Технический результат достигается тем, что
диссольвер для приготовления раствора окислителя,
включающий цилиндрический корпус, рубашку,
смеситель и вертикальный трубопровод с входным и
выходным участками, согласно изобретению,
снабжен теплообменником, выполненным из
трубопровода, который состоит из сообщенных
между собой незамкнутых колец, расположенных
концентрично одно в другом в горизонтальной
плоскости, корпус имеет наклонное днище с
уклоном в сторону входного участка вертикального
трубопровода, а смеситель установлен над зоной,
образованной незамкнутыми кольцами
теплообменника.
Зона, образованная незамкнутыми кольцами
теплообменника, имеет в плане форму сектора, а
внутреннее кольцо трубопровода теплообменника
образует в центральной части днища свободную
полость, сообщающуюся с зоной в форме сектора.
Рубашка в верхней части корпуса имеет патрубок
ввода теплоносителя, а в нижней части корпуса
патрубок вывода пара и конденсата.
Вертикальный трубопровод имеет выгрузочный
отвод и снабжен двухпозиционным краном для
сообщения трубопровода с выгрузочным отводом
или с выходным участком.
В верхней части корпуса выполнен загрузочный
проем, расположенный со стороны,
противоположной смесителю, который имеет
лопасти.
(19)KZ(13)A4(11)28688
2. 28688
2
Изобретение относится к производству
эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ),
применяемых при взрывной отбойке горных пород,
и может быть использовано в горнодобывающей,
химической и других отраслях промышленности.
Структура ЭВВ представляет собой двухфазную
среду, в которой внешней непрерывной фазой
является горючее, а внутренней прерывной фазой -
жидкий окислитель, диспергированный в виде
микрокапель внутри горючего. Жидкий окислитель
представляет собой переведенную в водный раствор
соль в виде гранулированной селитры, процесс
растворения которой - эндотермический, протекает с
поглощением тепла и требует активного нагрева и
перемешивания. Для этого применяют аппараты для
гомогенизации жидких гетерогенных сред, где среда
обрабатывается в тепло- и массообменных
процессах.
Сложным является то, что содержание воды в
растворе окислителя должно быть сведено к
минимуму. Поэтому селитра в процесс подается
порциями, а растворение при интенсивном нагреве
превращается расплавление селитры в присутствии
воды, снижающей температуру плавления.
Проблема заключается в малой разнице
температур теплоносителя (100-105°С) и раствора
окислителя (90-95°С). В конечной стадии процесса,
который протекает с постепенным выравниванием
температур, скорость теплопередачи падает или
вовсе прекращается. Этому способствует низкая
теплопроводность среды, которая препятствует
распространению тепла вглубь раствора и потери
тепла раствором, излучаемого виде эмиссии в
окружающее пространство.
В результате снижается производительность
производства, процесс растворения селитры и
гомогенизации раствора не доводится до конца. В
конечной продукции присутствуют нерастворенные
остатки селитры, которые нельзя удалить
фильтрованием, так как это изменит концентрацию
(плотность) раствора.
Поскольку производительность и качество
приготовления раствора окислителя являются
важными факторами производства ЭВВ, создание
устройства, наделенного способностью интенсивной
обработки среды и завершения ее гомогенизации за
короткий период времени, является важной задачей.
Известен аппарат для перемешивания жидких
гетерогенных систем, состоящий из корпуса,
циркуляционной трубы с прорезями, закрепленной
на ней конической перфорированной перегородки,
обратного усеченного конуса и вала, на котором
размещены ротор цилиндрической формы с
отверстиями и диск с лопастями. Обратный
усеченный конус размещен на нижнем основании
конической перегородки (Патент РФ №2131294, кл.
В01F 3/12, 1999).
Перемешивание жидкости и суспензируемых в
ней веществ осуществляется путем
циркуляционного массообмена. Интенсивность
перемешивания усиливается за счет установления
рациональных показателей: угла между
образующими конической перегородки и обратного
конуса, длины образующей обратного конуса и
отношения внутреннего диаметра аппарата к
диаметру большого основания конической
перегородки.
Недостатком данного аппарата является
невысокая интенсивность генерируемых
массообменных процессов и отсутствие
теплообменной функции для термического
воздействия на обрабатываемую среду. Вследствие
этого аппарат не может быть применен для
приготовления раствора окислителя при
производстве ЭВВ.
Известно передвижное устройство для
приготовления жидких водных красок из
порошкообразных компонентов и воды, имеющее
ходовую раму, на которой установлены
смесительный узел, состоящий из двигателя и
диссольвера, имеющий возможность опускания с
помощью пружинной подвески в смесительный бак,
дозировочный узел, состоящий из двигателя,
бункера - дозатора с транспортирующим элементом
и загрузочной воронки, и пульт управления с
органами управления процессами дозирования и
смешения. Диссольвер состоит из вала и диска -
растворителя с определенными диаметрами, а вал
имеет такие размеры, чтобы диск - растворитель
можно было опустить на определенное расстояние
до дна смесительного бака (Патент РФ №2174435,
кл. В01F 3/12, 2001).
Недостатком данного устройства является низкая
интенсивность генерируемых им массообменных
процессов и отсутствие термического воздействия
на обрабатываемую среду.
Известно устройство для диспергирования,
включающее воронку, расположенную над
корпусом диспергатора, ротор и соединенный с
выходом диспергатора вертикальный трубопровод с
выходным участком, расположенным в воронке.
Устройство снабжено турбулизатором,
расположенным в нижней части трубопровода и
выполненным в виде набора винтовых пластин с
соотношением высоты турбулизатора к его
диаметру от 0,5 : 1 до 2 : 1, выходной участок
трубопровода равен 1-3 его диаметрам и направлен
в сторону, противоположную направлению
вращения ротора, причем воронка снабжена
рубашкой, а направление вращения движения
обрабатываемой среды в трубопроводе
противоположно направлению вращения ротора
(Патент РФ №2256491, кл. В01F 3/00, 2005).
Данное устройство может применяться для
обрабатывания сред с различной вязкостью, их
диспергирования, перемешивания и стабилизации
(гомогенизации) за счет совмещения процесса с
подогревом или охлаждением. Однако устройство
непригодно для применения в более сложных
процессах, требующих интенсивного
теплонасыщения и гомогенизации растворов,
приготовление которых завершается при малой
разнице температур в зоне передачи тепла. Это
связано с тем, что тепло- и массообменные
процессы отделены друг от друга, ведутся с низкой
интенсивностью и не взаимодействуют между собой
3. 28688
3
таким образом, чтобы усилить общее воздействие на
обрабатываемую среду в направлении достижения
нужного результата.
Обработка среды совершается в три этапа в
несвязанных между собой процессах, происходящих
в разных частях устройства.
На первом этапе производится нагрев среды в
воронке при практическом отсутствии
перемешивания. Несмотря на «закрутку» потока
среда контактирует с нагревательной поверхностью
лишь тонким слоем, принимающим в себя
небольшое количество тепловой энергии. Ввиду
низкой теплопроводности среды и отсутствия
интенсивных перемешивающих воздействий тепло
не успевает распространиться вглубь среды, а
нагретый слой на контакте с воронкой замениться
другим более холодным слоем. Поэтому процесс
передачи тепла прекращается после выравнивания
температур теплоносителя и тонкого слоя, а
количество переданной среде тепловой энергии
остается незначительным и далее не пополняется.
Это снижает эффективность обработки среды на
первом и последующих этапах.
На втором этапе производится диспергирование
и стабилизация части среды, находящейся в
диспергаторе. Одновременно происходит
гомогенизация среды по температуре и плотности.
Многократные перемещения макрочастиц объема,
производимые ротором, обеспечивают
перераспределение небольшого количества тепла,
переданного тонкому слою на первом этапе. При
этом активизируется процесс проникновения тепла
во все части среды с усреднением по температуре и
плотности. Однако малое количество
перераспределяемого тепла и отсутствие нагрева в
этой части устройства снижают эффективность
второго этапа.
На третьем этапе производится интенсификация
теплообмена среды в потоке, циркулирующем через
турбулизатор, расположенный в вертикальном
трубопроводе. При этом нижняя, подвергнутая
обработке часть среды, перемещается в ее верхнюю
часть и таким путем вводится в многократную
циркуляцию. Подобный макрообмен масс среды
способствует ее усреднению по температуре и
плотности. Однако малое количество тепла,
переданного на первом этапе, и отсутствие местного
нагрева снижают эффективность третьего этапа
обработки среды.
Таким образом, все три этапа обработки среды,
подвергаемой нагреву и перемешиванию,
характеризуются низкой эффективностью. Этапы
обработки отделены друг от друга, не
взаимодействуют между собой таким образом,
чтобы усилить общее воздействие на
обрабатываемую среду и тем самым ускорить
процесс, и довести его до полного завершения в
условиях небольшой разницы температур в зоне
передачи тепла.
Задачей изобретения является создание
диссольвера для приготовления раствора окислителя
при производстве ЭВВ, позволяющего
интенсифицировать тепло- и массообменные
процессы в обрабатываемой среде и в условиях
малой разницы температур между теплоносителем и
горячим раствором доводить процесс до полного
завершения за небольшой промежуток времени.
Техническим результатом является диссольвер, в
котором тепло- и массообменные процессы
взаимосвязаны друг с другом, ведутся с высокой
интенсивностью и взаимодействуют между собой
так, что усиливают общее воздействие на
обрабатываемую среду в направлении ускорения
растворения селитры в горячем растворе и
гомогенизации раствора до полной однородности по
температуре и плотности.
Технический результат достигается тем, что
диссольвер для приготовления раствора окислителя,
включающий цилиндрический корпус, рубашку,
смеситель и вертикальный трубопровод с входным и
выходным участками, согласно изобретению,
снабжен теплообменником, выполненным из
трубопровода, который состоит из сообщенных
между собой незамкнутых колец, расположенных
концентрично одно в другом в горизонтальной
плоскости, корпус имеет наклонное днище с
уклоном в сторону входного участка вертикального
трубопровода, а смеситель установлен над зоной,
образованной незамкнутыми кольцами
теплообменника.
Зона, образованная незамкнутыми кольцами
теплообменника, имеет в плане форму сектора, а
внутреннее кольцо трубопровода теплообменника
образует в центральной части днища свободную
полость, сообщающуюся с зоной в форме сектора.
Рубашка в верхней части корпуса имеет патрубок
ввода теплоносителя, а в нижней части корпуса
патрубок вывода пара и конденсата.
Вертикальный трубопровод имеет выгрузочный
отвод и снабжен двухпозиционным краном для
сообщения трубопровода с выгрузочным отводом
или с выходным участком.
В верхней части корпуса выполнен загрузочный
проем, расположенный со стороны,
противоположной смесителю, который имеет
лопасти.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1
изображен диссольвер, продольный разрез; на фиг.2
- вид сверху.
Диссольвер для приготовления раствора
окислителя включает цилиндрический корпус 1,
электронасосный агрегат 2, смонтированные на
общей раме 3, рубашку 4, имеющую полость 5 для
теплоносителя с патрубками ввода 6 и вывода 7,
смеситель 8 соединенный валом 9 с
электроприводом 10, вертикальный трубопровод 12
с входным 11 и выходным 13 участками. Входной
участок 11 соединен с электронасосным агрегатом 2,
выходной участок 13 расположен в верхней части
корпуса 1 и направлен в сторону центральной части
14 корпуса 1 к поверхности 15 раствора. Корпус 1
имеет продольную ось 16. Теплообменник 18
выполнен из трубопровода, который состоит из
сообщенных между собой незамкнутых колец 19,
расположенных концентрично одно в другом в
горизонтальной плоскости, корпус 1 имеет
4. 28688
4
наклонное днище 17 с уклоном в сторону входного
участка 11 вертикального трубопровода 12.
Незамкнутые кольца 19 гидравлически соединены
между собой, а также с входным патрубком 20 и
выходным патрубком 21. Смеситель 8 установлен
над зоной 23, образованной незамкнутыми кольцами
теплообменника и имеющей в плане форму сектора.
Внутреннее кольцо трубопровода теплообменника
18 образует в центральной части днища свободную
полость 22, сообщающуюся с зоной 23 в форме
сектора.
Вертикальный трубопровод 12 имеет
выгрузочный отвод 24 и снабжен двухпозиционным
краном 25 для сообщения трубопровода с
выгрузочным отводом 24 или с выходным участком
13.
В верхней части корпуса выполнен загрузочный
проем, расположенный со стороны,
противоположной смесителю 8, который имеет
лопасти.
Диссольвер работает следующим образом.
Кран 25 устанавливают в положение,
перекрывающее отвод 24 и открывающее выходной
участок 13. В корпус 1 заливают расчетное
количество воды и засыпают первую порцию
селитры, которая располагается на наклонном
днище 17 со стороны, противоположной лопастному
смесителю 8.
В патрубки 6 и 20 подают пар. Включают
электропривод 10 лопастного смесителя 8 на
смешивание, а электронасосный агрегат 2 на
циркуляцию. Процесс нагрева и гомогенизации
гетерогенной среды протекает следующим образом.
Смеситель 8 взмучивает находящиеся рядом с ним
твердые частицы селитры, распределяя их в
жидкости и организуя внутренний циркуляционный
поток в стороны и вверх, восходящий к поверхности
жидкости, как показано на фиг.1. Нижний слой
жидкости, побуждаемый наклоном днища 17 и
электронасосным агрегатом 2, движется в сторону
участка 11, вовлекая в перемещение твердые
частицы селитры. На пути формирующегося потока
находится теплообменник 18, концентричное
расположение колец 19 которого оказывает
сопротивление движению, нагревает
обволакивающую их среду и дополняет к
горизонтальному вектору ее перемещения
наклонные и вертикальные векторы. Это
преобразует ламинарный режим перемещения
нижнего слоя жидкости в турбулентный, к которому
добавляется конвективный тепломассообмен, когда
нагревшаяся жидкость поднимается вверх,
активизируя омывание твердых частиц селитры и их
растворение. В результате образуется более
холодный и плотный раствор, который вновь
опускается вниз к теплообменнику 18, заменяя
собой нагревшуюся на поверхности колец 19
жидкость. Подобные микрообменные процессы в
нижней части корпуса 1 поддерживают высокую
разность температур между теплообменником 18 и
контактирующей с ним средой, активизируя
передачу тепла. А восходящие и нисходящие
течения, совершаемые при поступательном
движении нижнего слоя среды к участку 11,
активизируют омывание частиц. В результате в
нижней части корпуса 1 активизируется растворение
селитры и скапливается более плотный и тяжелый
раствор, имеющий более низкую температуру, чем
среда, находящаяся в средней и верхней частях
корпуса 1.
Затем вступают в действие макрообменные
процессы. По мере движения нижнего слоя среды к
участку 11 она попадает в полость 22 и зону в форме
сектора 23, свободные от теплообменника и не
оказывающие сопротивления движению.
Доминирующим становится горизонтальный вектор
перемещения, формирующий поток ограниченного
сечения и ускоряющий его в направлении участка
11. В зоне действия лопастного смесителя 8 часть
направляемого сектором 23 потока выхватывается
смесителем 8 и после перемешивания с менее
плотной и более горячей средой направляется в
стороны и вверх восходящим циркуляционным
потоком внутри диссольвера.
После этого оставшаяся часть горизонтального
потока уменьшается в сечении, ускоряется и
вводится в электронасосный агрегат 2 без
нарушения сплошности, что является важным
фактором, определяющим эффективность
макрообменного процесса. Выбрасываемая из
выходного участка 13 струя не имеет пустот и
каверн, обладает высокой плотностью и
кинетической энергией, достаточной для активного
перемешивания всей массы среды в диспергаторе.
Струя направлена в противоположную сторону от
смесителя 8, создающего восходящий поток, и
организует другой противоположно направленный
нисходящий поток.
Вся среда вводится одновременно в тепло- и
массообменный процесс, при котором передача
тепла среде осуществляется со стороны
цилиндрических стенок корпуса 1. При этом
макрообменный процесс производится
одновременно с теплопередачей с помощью
наружной циркуляции и восходяще-нисходящих
потоков внутри диссольвера, а микрообменный
процесс осуществляется одновременно с
макрообменным процессом в нижней и средней
частях диссольвера.
Гомогенизация среды происходит следующим
образом. Менее плотная среда, находящаяся в
верхней части диссольвера, принудительным
воздействием выходного участка 13 загоняется вниз
в более плотную среду, где находится еще
нерастворенная селитра, смешивается с ней,
вовлекая ее в перемещение и растворение. После
этого более плотные охлажденные части раствора
формируются во внутренний и внешний
циркуляционные потоки и принудительным
действием смесителя 8 и агрегата 2 поднимаются
вверх и смешиваются с менее плотными верхними
частями среды.
Процесс гомогенизации гетерогенной среды еще
более ускоряется образованием особой
многовихревой зоны в средней части корпуса 1,
образуемой антиколлинеарными векторами
5. 28688
5
перемещений. В этой зоне разнонаправленные
потоки закручивают среду таким образом, что
отдельные ее части с разной плотностью и
температурой перемещаются из восходящего потока
в нисходящий и обратно, ускоряя гомогенизацию
раствора.
После растворения первой порции селитры в
корпус 1 засыпают вторую порцию и процесс
растворения соли и гомогенизации раствора
продолжают. С каждой новой порцией поверхность
жидкости приподнимается и в конце цикла занимает
определенное положение. При этом направление
выходного участка 13 в сторону центральной части
14 корпуса 1 обеспечивает высокую интенсивность
процесса гомогенизации гетерогенной среды.
В течении всего процесса пар, подаваемый через
патрубки 6 и 20 частично конденсируется,
собирается в нижней части полости 5 и отводится
вместе с конденсатом через патрубок вывода 7.
Таким образом, заявленная совокупность
признаков создает положительный эффект,
позволяет интенсифицировать тепло- и
массообменные процессы, и в условиях малой
разницы температур между теплоносителем и
приготавливаемым раствором, доводить
растворение до полного его завершения в течении
короткого промежутка времени.
Для проверки был изготовлен опытный образец
диссольвера. После его подключения к инженерным
коммуникациям он был испытан на приготовление
раствора окислителя для производства ЭВВ. В
качестве сырья использовалась гранулированная
аммиачная селитра (87 %) и вода (13 %). В
диссольвер была залита вода в количестве 45 кг, а
затем порциями по 100 кг было загружено 300 кг
селитры.
После обработки гетерогенной среды в
диссольвере в течении 24 мин был приготовлен
однородный раствор с температурой 92 °С и
плотностью 1,38 г/см3
. После химического анализа
установлено, что в приготовленном растворе
отсутствуют нерастворенные остатки селитры,
контролируемые показатели раствора находятся в
норме и сам раствор пригоден для использования в
качестве жидкого окислителя при изготовлении
ЭВВ.
Расчетная производительность диссольвера
составила 5 т/смену с учетом затрат времени на
вспомогательные операции, что удовлетворяет
условиям производства ЭВВ.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Диссольвер для приготовления раствора
окислителя, включающий цилиндрический корпус,
рубашку, смеситель и вертикальный трубопровод с
входным и выходным участками, отличающийся
тем, что он снабжен теплообменником,
выполненным из трубопровода, который состоит из
сообщенных между собой незамкнутых колец,
расположенных концентрично одно в другом в
горизонтальной плоскости, корпус имеет наклонное
днище с уклоном в сторону входного участка
вертикального трубопровода, а смеситель
установлен над зоной, образованной незамкнутыми
кольцами теплообменника.
2. Диссольвер по п.1, отличающийся тем, что
зона, образованная незамкнутыми кольцами
теплообменника, имеет в плане форму сектора, а
внутреннее кольцо трубопровода теплообменника
образует в центральной части днища свободную
полость, сообщающуюся с зоной в форме сектора.
3. Диссольвер по п.1 или 2, отличающийся тем,
что рубашка в верхней части корпуса имеет
патрубок ввода теплоносителя, а в нижней части
корпуса патрубок вывода пара и конденсата.
4. Диссольвер по любому из п.п.1 - 3,
отличающийся тем, что вертикальный трубопровод
имеет выгрузочный отвод и снабжен
двухпозиционным краном для сообщения
трубопровода с выгрузочным отводом или с
выходным участком.
5. Диссольвер по п.4, отличающийся тем, что в
верхней части корпуса выполнен загрузочный
проем, расположенный со стороны,
противоположной смесителю, который имеет
лопасти.
