В последнее время появилось много зарубежных и отечественных конструкций РПА различных типов - погружного, встроенного и проходного (проточного) типов.

РПА погружного типа обычно выполняются в виде мешалок, помещаемых в емкость с обрабатываемой средой. Для повышения эффективности перемешивания погружных РПА иногда устанавливают дополнительно к имеющимся мешалкам других типов (например, якорный).

Погружные РПА серийно выпускаются отечественной промышленностью под названием гидродинамических аппаратов роторного типа, а также рядом зарубежных фирм. Несмотря на конструктивную простоту погружных РПА, они не обеспечивают достаточно однородной обработки всей массы продукта.

Наибольшее распространение получили РПА проточного типа, рабочие органы которых смонтированы в небольшом корпусе, имеющем патрубки для входа и выхода обрабатываемой среды. При этом в большинстве конструкций обрабатываемая среда поступает по осевому патрубку во внутреннюю зону устройства и движется в нем от центра к периферии. Известны конструкции РПА, в которых обрабатываемая среда движется в обратном направлении, перемещаясь от периферии к центру. При таком движении степень турбулизации потока возрастает, одновременно с этим повышаются гидравлическое сопротивление аппарата, затраты электроэнергии и разогрев обрабатываемой среды. Отдельные модификации РПА могут иметь рабочие камеры с различным направлением движения потока [15].

РПА различных типов могут быть выполнены с вертикальным или горизонтальным приводным валом. Вертикальный вал имеет большинство погружных РПА, а также некоторые проточные РПА. Большинство проточных РПА выполняются с горизонтальным валом.

По количеству рабочих камер РПА могут быть однокамерными и многокамерными. Однокамерные аппараты имеют два диска с концентрическими рядами зубьев или цилиндрами с прорезями. Один или оба диска вращаются. В многокамерных аппаратах имеется более двух дисков с зубьями или перфорированными цилиндрами, в результате чего образуется две или более зоны активной обработки среды.

Кроме основных рабочих органов (цилиндров с прорезями, дисков), РПА могут иметь дополнительные рабочие органы, предназначенные для повышения эффективности их работы. Часто в качестве дополнительных элементов используют лопасти-ножи, устанавливаемые на роторе, статоре или корпусе. Лопасти на роторе позволяют значительно улучшить напорно-расходные характеристики РПА, повысить эффективность обработки потока во внутренней зоне и создать дополнительные ступени обработки [14]. Повышение эффективности РПА может быть достигнуто за счет установки в рабочем пространстве дополнительных рабочих органов, не связанных жестко с основными органами. В этом случае используют диспергирующие и другие дополнительные тела, обеспечивающие повышение эффективности диспергирования и степени турбулизации потока. Наличие инертных тел - шаров, бисера, колец и др., приводит к дополнительной интенсификации проводимых процессов измельчения [20].

Роторно-пульсационный аппарат (РПА) (рис.1.1) сочетает в себе принципы работы диспергатора, гомогенизатора и центробежного насоса. Путем пульсационных, ударных и других гидродинамических воздействий происходящих в РПА, изменяются физико-механические свойства производимых продуктов, снижается энергопотребление за счет интенсификации технологических процессов.

Роторно-пульсационные аппараты могут поставляться в виде автономных роторно-пульсационных установок. Роторно-пульсационные установки предназначены для тонкого измельчения, многократного перемешивания многокомпонентных (жидких и сухих) сред с целью получения высокодиспергированных эмульсий и суспензий, мазей, линиментов, а так же для интенсификации процессов экстрагирования [15].

Рис. 1.1 Роторно-пульсационный аппарат (внешний вид).

Принцип работы ротора заключается в следующем. Обрабатываемая жидкость подается под давлением или самотеком через входной патрубок 1 (рис.1.2), в полость 2, проходит через каналы ротора 3, каналы статора 4, рабочую камеру 5 и выходит из аппарата через выходной патрубок 6.

При вращении ротора его каналы периодически совпадают с каналами статора. Выходя из канала статора, жидкость собирается в рабочей камере и продвигается к выходному патрубку. В период времени, когда каналы ротора перекрыты стенкой статора, в полости ротора давление возрастает, а при совмещении канала ротора с каналом статора давление за короткий промежуток времени сбрасывается и в результате этого в канал статора распространяется импульс давления [18]. Скорость жидкости в канале статора является переменной величиной. При распространении в канале статора импульса избыточного давления, вслед за ним возникает кратковременный импульс пониженного ("отрицательного") давления, так как совмещение каналов ротора и статора завершилось, и подача жидкости в канал статора происходит только за счет транзитного течения из радиального зазора между ротором и статором. Объем жидкости, вошедший в канал статора, стремится к выходу из канала, и инерционные силы создают растягивающие напряжения в жидкости, что вызывает кавитацию. Кавитационные пузырьки растут при воздействии импульса пониженного давления и схлопываются или пульсируют при увеличении давления в канале статора. Часть кавитационных пузырьков выносится в рабочую камеру [19].

В связи с тем, что скорость потока жидкости в канале статора велика и имеет флуктуации, поток является турбулентным. При вращении ротора в зазоре между ротором и статором возникают большие сдвиговые напряжения. Рабочие поверхности ротора и статора воздействуют на жидкую гетерогенную среду за счет механического контакта, создавая высокие срезывающие и сдвиговые усилия [11].

Рис. 1.2 - Схема пульсационного аппарата роторного типа (диспергатора).

Пульсационные аппараты роторного типа (ПАРТ) (или диспергаторы) различных видов и модификаций нашли применение в гидромеханических и тепломассообменных процессах за счет широкого спектра факторов воздействия:

механическое воздействие на частицы гетерогенной среды, заключающееся в ударных, срезывающих и истирающих нагрузках и контактах с рабочими частями ПАРТ;

гидродинамическое воздействие, выражающееся в больших сдвиговых напряжениях в жидкости, развитой турбулентности пульсациях давления и скорости потока жидкости;

гидроакустическое воздействие на жидкость осуществляется за счет мелкомасштабных пульсаций давления, интенсивной кавитации, ударных волн и вторичных нелинейных акустических эффектов [15].

Пульсационные аппараты роторного типа используются для обработки таких систем, как "жидкость - жидкость", "жидкость - твердое тело" и "газ - жидкость". Для каждого конкретного технологического процесса существуют определенные предпочтения в типе конструктивного и технологического оформления ПАРТ.

Общим недостатком ПАРТ является наличие "холостого хода", времени работы, когда каналы статора перекрыты промежутками между каналами ротора.

В этот момент возникают транзитные течения через радиальный зазор между ротором и статором, уменьшающие гидравлическое сопротивление аппарата и, в конечном счете, уменьшающие интенсивность акустических колебаний.

Чтобы избавиться от этого недостатка, в ПАРТ, обеспечивающих самостоятельный напор, предлагается конструкция статора, в котором чередуются глухие и сквозные каналы. Глухие каналы снабжены дополнительными каналами, соединяющими их с патрубками входа среды и расположенными в крышке аппарата. Таким образом, в аппарате имеется основной источник колебаний - прерыватель со сквозными каналами в статоре и дополнительный - с глухими дополнительными каналами [5].

На рисунке 1.3 изображен ПАРТ, содержащий корпус 1 с патрубком выхода 2, крышку 3 с коаксиально расположенным патрубком входа 4, скрепленную с корпусом 1, статор 5 с глухими каналами 6 в боковой стенке, соединенными дополнительными каналами 7, расположенными в крышке 3, с патрубком входа 4, и сквозными каналами 8, ротор 9 с каналами 10 в боковой стенке, рабочую камеру 11, образованную корпусом 1, крышкой 3 и статором 5.

Рис. 1.3 - Схема пульсационного аппарата роторного типа с дополнительными каналами.

Обрабатываемая среда поступает через патрубок 4 самотеком в полость ротора 9. Затем возможны два пути следования обрабатываемой среды. В первом случае, когда каналы ротора 10 совпадают со сквозными каналами статора 8, среда проходит через каналы 10 и 8 в рабочую камеру 11 и выводится из аппарата через патрубок 2.

Во втором случае, когда каналы ротора 10 совпадают с глухими каналами статора 6, среда через каналы 10, 6, 7, поступает в патрубок входа 4. Глухие каналы 6 расположены равномерно между сквозными каналами 8, поэтому при вращении ротора 9 происходит поочередная реализация двух случаев движения обрабатываемой среды [8].

С целью интенсификации процессов эмульгирования была разработана конструкция роторного аппарата, в которой в качестве дополнительного источника колебаний использовали пластину, обтекаемую потоком обрабатываемой среды. Наиболее рациональным, если говорить об уменьшении потерь акустической энергии и увеличении интенсивности обработки, местом расположения пластины является канал статора. В канале статора обрабатываемая среда имеет высокую скорость течения, и поток среды сформирован. Настройку пластинчатого излучателя в канале статора можно осуществить подбором геометрических и физических параметров пластины и перемещением пластины вдоль радиальной оси канала статора. Схема такой конструкции ПАРТ показана на рисунке 1.4.

Рис. 1.4 - Схема пульсационного аппарат роторного типа с упругими пластинами.

Преимущества расположения пластины в канале статора следующие: канал статора является наиболее близкой к прерывателю, а поэтому и более активной частью аппарата; вся обрабатываемая среда проходит через каналы статора и подвергается воздействию колебаний, генерируемых, упругой пластиной, в небольшом объеме, ограниченном стенками канала статора, что приводит к увеличению плотности акустической энергии. Таким образом, среда в рассматриваемой конструкции аппарата обрабатывается: в малом объеме канала статора, что приводит к увеличению плотности акустической энергии, и двумя источниками акустических колебаний: прерывателем аппарата и упругой пластиной, обтекаемой потоком [13].

Увеличение турбулизации обрабатываемой жидкости за счет выполнения каналов статора в виде последовательных сужений и расширений. Такая форма каналов статора обеспечивает изменение скорости жидкости: в сужении она больше, а в расширении - меньше. При этом возникают турбулентные пульсации с произвольно направленными векторами скоростей. Это вызывает увеличение относительной скорой и обтекания частиц гетерогенной среды. Увеличение относительной скорости обтекания уменьшает диффузионный слой и увеличивает касательные напряжения на частице, что приводит к интенсификации процессов эмульгирования, диспергирования и массообмена. Кроме того, при срыве потока при резком расширении канала развивается гидродинамическая кавитация, интенсифицирующая гидромеханические и массообменные процессы [10].

Форма расширения канала статора в виде кольцевой проточки и смещение сужений относительно друг друга (рис. 1.5) обеспечивают резкое изменение направления потока среды, исключают образование застойных зон и способствуют интенсивному смешению потоков в каналах статора.

Рис. 1.5 - Схема пульсационного аппарат роторного типа с сужениями и расширениями.

Логическим развитием повышения эффективности работы ПАРТ за счет использования дополнительных акустических излучателей является конструкция канала статора в виде сопла с цилиндрическими резонаторами.

Рис. 1.6 - Схема пульсационного аппарата роторного типа с вихревыми каналами статора в виде сопла и резонаторами.

Канал статора выполнен в виде сопла и имеет в ссуженной части два цилиндрических резонатора, соединенных с ним (рис.1.6). Работа канала статора в качестве генератора акустических колебаний основана на высокой чувствительности плоских течений к боковому давлению. То есть при небольшом изменении давления у корня струи, поток заметно меняет свое направление. Тангенциально расположенный цилиндрический резонатор с продольной прорезью можно рассматривать как объемный, частота которого зависит от его диаметра [12].

2. Технологические параметры РПА

2.1 Диаметр аппарата