Универсальное устройство для диспергирования и эмульгирования растворов

Авторы патента:

B01F3/12 - жидкостей с твердыми веществами (вытеснение одной жидкости другой в дисперсиях B01D 12/00)

B01F3/10 - смешивание очень вязких жидкостей

Полезная модель относится к устройствам для диспергирования, эмульгирования, смешивания и гомогенизации растворов и может быть использована при производстве топлива путем диспергирования жидкого и твердого топлива в воде, в энергетической отрасли, при производстве лакокрасочных материалов, пищевой промышленности, фармакологии и других отраслях народного хозяйства. Устройство содержит приемный бак 1, соединенный через подающий насос 2 с рабочей емкостью 3, в которой установлен гидродинамический излучатель 4, имеющий широкий спектр частот, регулируемый с помощью вентиля 5, установленного параллельно с насосом 2 и соединенного с манометром 6. Спектр частот излучателя 4 регулируют таким образом, чтобы обеспечить условие резонанса с собственной частой частиц раствора. Емкость 3 снабжена трубопроводами для удаления ненужных или вредных примесей, положения которых совпадают с верхним и нижним уровнями смеси в емкости. Между емкостью 3 и насосом 2 дополнительно могут быть установлены фильтры грубой очистки в виде трубопроводов с вентилями 11 и 12 и тонкой очистки 13. 2 з.п. ф-лы, 2 илл.

Диспергирование, эмульгирование и гомогенизация раствора - есть процесс дробления его твердых или жидких компонентов, приводящий к устойчивой, высокодисперсной и однородной смеси, обладающей необходимыми свойствами для ее использования. Для достижения цели необходимо, чтобы устройство обеспечило эффективное дробление твердых или жидких компонентов раствора при малых затратах энергии, очистку смеси от ненужных или вредных примесей.

Такой результат можно достигнуть в результате:

- размельчения частиц раствора до 5-20 мкм (чем меньше размеры частиц или дисперсность раствора, тем он устойчив), что можно достигнуть в свою очередь проведением процессов диспергирования и эмульгирования растворов с помощью ультразвуковых или акустических волн в резонансном режиме (По ходу диспергирования размеры частиц уменьшаются, следовательно, увеличиваются их собственные частоты. Поэтому, надо увеличивать и частоту волны). Также необходимо использовать ультразвуковые или акустические волны с широким спектром частот, т.к. размеры частиц имеют некоторый разброс.

- диспергирования и эмульгирования всех компонентов раствора, независимо от их плотности (легкие компоненты всплывают, а твердые оказываются в

нижней части раствора) в результате чего они не участвуют в обработке раствора.

- удаления ненужных или вредных примесей раствора.

Механические перемешивания и барботирование не дают должного эффекта. В настоящее время наибольшее применение на практике нашло устройство для диспергирования и эмульгирования растворов с применением ультразвука.

Например, известно устройство для диспергирования материалов в жидкой среде при воздействии ультразвука, содержащее корпус с крышкой, размещенный в ее нижней части ультразвуковой излучатель, соединенный с ним преобразователь, патрубок подвода сжатого газа (см. SU 1452572, МПК В 01 F 11/02, опубл. 23.01.89 г.)

Однако, известные устройства обладают следующими недостатками:

1. В данных устройствах диспергирование, эмульгирование и гомогенизация растворов осуществляется акустическим потоком и при высоких амплитудах ультразвука - кавитацией. Притом, в этих устройствах используется одна частота и то не на резонансной частоте, что снижает эффективность обработки. Поэтому известное устройство является энергоемким.

2. Зона эффективного диспергирования и эмульгирования растворов находится в пределах 30-50 мм от излучателя и поэтому производительность подобных устройств чрезвычайно низка.

3. В данных устройствах в процессах диспергирования и эмульгирования растворов не участвуют легкие и тяжелые компоненты растворов. Поэтому готовый раствор представляет собой неоднородную смесь.

4. Устройство требует дорогостоящего и сложного в обслуживании оборудования, что повышает себестоимость обработки раствора.

5. Не производится удаление ненужных или вредных компонентов раствора.

6. В известном устройстве не предусмотрено использование эффекта резонанса и нет возможностей для поддержания условия резонанса по ходу диспергирования, эмульгирования и гомогенизации растворов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для приготовления эмульсии, включающее приемный бак, подающий насос, установленный после него гидродинамический эмульгатор с патрубками, емкость для эмульсии с патрубками (см. SU 1209265, МПК В 01 F 3/08, опубл. 07.02.86 г.)

Однако, известное устройство имеет следующие недостатки:

1. Диспергирование и эмульгирование растворов осуществляется турбулентным потоком жидкости и при высоких скоростях- кавитацией. Поэтому гидродинамическое устройство для диспергирования, эмульгирования и гомогенизации растворов не обеспечивает высокую степень диспергирования, в принципе нельзя получить частицы размером менее 50-100 мкм.

2. В данных устройствах в процессах диспергирования, эмульгирования и гомогенизации растворов не участвуют легкие и тяжелые компоненты растворов. Поэтому готовый раствор представляет собой неоднородную смесь.

3. Не производится удаление ненужных или вредных компонентов смеси.

4. В известном устройстве нет возможностей для поддержания условия резонанса по ходу диспергирования, эмульгирования и гомогенизации растворов.

Технической задачей, решаемой заявляемой полезной моделью является получение высокодисперсной и устойчивой смеси, снижение себестоимости и получение раствора без вредных примесей.

Техническим результатом полезной модели является получение однородной смеси с частицами размером менее 50 мкм, дешевизна и простота в обслуживании оборудования, обработка всех компонентов раствора независимо от их плотности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, включающем приемный бак, соединенный через подающий насос с рабочей емкостью, гидродинамический излучатель, который

совместно с рабочей емкостью и подающим насосом образует замкнутый контур, согласно изобретению гидродинамический излучатель установлен в рабочей емкости и имеет широкий спектр частот, регулируемый с помощью вентиля, установленного параллельно с подающим насосом и соединенного с манометром, причем частоту излучателя регулируют таким образом, чтобы обеспечить условие резонанса с собственной частотой частиц раствора.

Указанный технический результат достигается также тем, что согласно изобретению рабочая емкость дополнительно снабжена трубопроводами для удаления ненужных или вредных примесей, положения которых совпадают с верхним и нижним уровнями раствора в емкости.

Указанный технический результат достигается также тем, что согласно изобретению между рабочей емкостью и насосом дополнительно установлен фильтр тонкой очистки.

Отличием заявляемого устройства от известных является использование гидродинамического излучателя с широким спектром частот, что позволяет диспергировать частицы разных размеров. При этом спектр частот излучателя регулируют с помощью вентиля и таким образом поддерживают условие резонанса по ходу обработки раствора (равенство частоты гидродинамического излучателя собственной частоте частиц раствора). Это обеспечивает эффективное дробление твердых и жидких компонентов раствора при малых затратах энергии, что позволяет получить однородную устойчивую смесь с размером частиц менее 50 мкм.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображено устройство, на фиг.2 - то же с дополнительной установкой фильтров.

Устройство (см. фиг.1) содержит приемный бак 1 с вентилем для компонентов раствора (в зависимости от обрабатываемого раствора количество баков 1 может быть несколько) с вентилем, соединенный через подающий насос 2 с рабочей емкостью 3, в которой установлен гидродинамический излучатель 4, имеющий широкий спектр частот,

регулируемый с помощью вентиля 5, установленного параллельно с насосом 2 и соединенного с манометром 6. Спектр частот излучателя 4 регулируют таким образом, чтобы обеспечить условие резонанса с собственной частотой частиц раствора в емкости 3. Рабочая емкость 3 устройства снабжена трубопроводами с вентилями 7 для слива готового раствора, 8, 9, 10 - для повторного эмульгирования и диспергирования соответственно раствора, легких компонентов раствора, тяжелых компонентов раствора.

Емкость 3 также дополнительно может быть снабжена трубопроводами с вентилями для удаления ненужных или вредных примесей соответственно 11 - для слива тяжелых примесей и 12 - слива легких примесей (см. фиг.2). Эти трубопроводы играют роль фильтров грубой очистки.

Между рабочей емкостью 3 и насосом дополнительно может быть установлен фильтр 13 для тонкой очистки.

Устройство работает следующим образом.

Компоненты раствора из приемного бака 1 постепенно прокачивают через насос 2 в рабочую емкость 3, где находится жидкая часть раствора. При этом происходит предварительное диспергирование и эмульгирование раствора, что исключает первичное расслоение раствора в емкости 3. В связи с тем, что по ходу диспергирования и эмульгирования размеры частиц уменьшаются, в процессе обработки раствора регулируют спектр частот гидродинамического излучателя 4 с помощью вентиля 5 и манометра 6 и поддерживают в системе давление, соответствующее условию резонанса с собственной частотой частиц раствора. При закрытых вентилях 7, 11, 12 и открытых вентилях 8, 9, 10 насос 2 совместно с гидродинамическим излучателем 4 и рабочей емкостью 3 образуют замкнутый контур. Слив готового раствора осуществляют по трубопроводу с вентилем 7.

Диспергирование и эмульгирование раствора в зависимости от свойств его компонентов может происходить по трем различным схемам (см. фиг.2):

1. Если первичный раствор не расслаивается, что происходит, если все компоненты раствора имеют приблизительно одинаковую плотность, он при

диспергировании раствора проходит через вентиль 8, а для слива готового раствора используют вентиль 7. По мере необходимости может быть использован фильтр тонкой очистки 13.

2. Если в качестве компонентов используют легкие или тяжелые частицы, то соответственно при диспергировании и эмульгировании используют вентили 9 или 10.

3. Если раствор содержит ненужные или вредные примеси разной плотности, то диспергирование и эмульгирование раствора происходит при открытом вентиле 8, а удаление легких или тяжелых частиц примеси осуществляется в процессе его обработки соответственно с помощью трубопроводов с вентилями 12 или 11, играющих роль фильтров грубой очистки.

При проведении экспериментальных исследований заявляемого устройства (контрольные диспергирования лакокрасочных материалов и эмульгирования нефтепродуктов в воде):

1. Получены однородные и высокодисперсные смеси со средними размерами частиц 5-20 мкм, которые не расслаиваются в течение 4-8 месяцев,

2. По удельной энергоемкости устройство по аналогу превышал заявляемое устройство в несколько раз, а устройство по прототипу превышал заявляемое устройство на 100-150%.

Таким образом, заявляемая модель представляет собой универсальное устройство, позволяющее диспергирование и эмульгирование растворов, состоящих из любых компонентов, до размеров частиц менее 50 мкм.

1. Универсальное устройство для диспергирования и эмульгирования растворов, включающее приемный бак, соединенный через подающий насос с рабочей емкостью, гидродинамический излучатель, который совместно с рабочей емкостью и подающим насосом образуют замкнутый контур, отличающееся тем, что гидродинамический излучатель установлен в рабочей емкости и имеет широкий спектр частот, регулируемый с помощью вентиля, установленного параллельно с подающим насосом и соединенного с манометром, причем частоту излучателя регулируют таким образом, чтобы обеспечить условие резонанса с собственной частотой частиц раствора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочая емкость дополнительно снабжена трубопроводами для удаления ненужных или вредных примесей, положения которых совпадают с верхним и нижним уровнями раствора в емкости.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что между рабочей емкостью и насосом дополнительно установлен фильтр тонкой очистки.