способ диспергирования в жидких средах

Формула изобретения

СПОСОБ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ В ЖИДКИХ СРЕДАХ, включающий создание в потоке обрабатываемых компонентов режима гидродинамической кавитации за счет его сужения до скорости свыше 20 м/с с последующим расширением, отличающийся тем, что, с целью повышения качества продукта при получении эмульсий, отношение скорости потока в сужении к скорости за ним поддерживают не менее 2,1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к процессам смешения, эмульгирования, диспергирования трудносмешиваемых вязких веществ в жидкой среде и может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой, парфюмерно-косметической и других отраслях промышленности.

Известные способы получения эмульсий связаны главным образом с механическим перемешиванием компонентов [1]

Недостатком этих способов является невысокая однородность готового продукта.

Наиболее близким к изобретению по принципу воздействия и получаемому эффекту является способ размола волокнистых материалов, согласно которому обработка компонентов ведется путем создания в потоке среды гидродинамической кавитации при скорости обрабатываемой среды в месте сжатия потока 20-30 м/с [2]

Недостатком данного способа является также недостаточная однородность, т.е. низкое качество готового продукта, обусловленное малоэффективным использованием эрозионной активности поля кавитационных микропузырьков и энергии потока обрабатываемой среды.

Целью изобретения является повышение качества получаемых эмульсий.

Цель достигается тем, что согласно предлагаемому способу получения эмульсий, включающему создание в потоке обрабатываемых компонентов режима гидродинамической кавитации за счет его сужения до скоростей свыше 20 м/с с последующим расширением, отношение скорости потока в сужении к скорости за ним, поддерживают не менее 2,1.

Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства, имеющего локальное сужение потока.

Процесс диспергирования капель масла связан с чисто физическим воздействием поля схлопывающихся кавитационных пузырьков. Диспергирование происходит в результате преобразования потенциальной энергии пузырьков, накопленной ими в стадии роста, в кинетическую энергию ударных волн, выделяемую в стадии их схлопывания. Кинетическая энергия, используемая на разрушение и перемешивание, определяет интенсивность кавитации.

На чертеже представлены полученные зависимости влияния отношения скорости потока обрабатываемой среды в сужении V_с к скорости V за ним на качество получаемой эмульсии, например, водомасляной.

Качество готового продукта оценивают по удельной поверхности F дисперсной (масляной) фазы. Скорость потока в сужении поддерживают постоянной, а изменение отношения скоростей потока в сужении к скорости за ним от 1,7 до 4 достигают варьированием скорости потока среды за сужением.

П р и м е р 1. Приготавливают водомасляную эмульсию с содержанием, воды 99; масла И-Г-А-32 (ГОСТ 17479.4-87) 1. Сужение потока создают в плоском канале размещением цилиндрических тел. Скорость потока в сужении V_c=21,3 м/с. (Зависимость 1 на чертеже).

П р и м е р 2. Аналогично, как в примере 1. Скорость потока в сужении V_c=24,6 м/с. (Зависимость 2).

П р и м е р 3. Аналогично, как в примере 1. Скорость потока в сужении V_c=29,7 м/с. (Зависимость 3).

П р и м е р 4. Аналогично, как в примере 1. Скорость потока в сужении V_c=35,5 м/с. (Зависимость 4).

П р и м е р 5. Приготавливают водомасляную эмульсию с содержанием, воды 95; масла подсолнечного (ГОСТ 1129-73) 5. Сужение потока создают в цилиндрическом канале размещением конуса. Скорость в сужении V_с= 39,3 м/c. (Зависимость 5).

П р и м е р 6. Приготавливают водомасляную эмульсию с содержанием, воды 97; эмульсола смазочно-охлаждающей жидкости ЭГТ (ТУ 38 101149-75) 3. Сужение потока создают в цилиндрическом канале размещением сферы. Скорость в сужении V_c=55,7 м/с. (Зависимость 6).

Как видно из приведенных зависимостей, при достижении отношения скорости потока в сужении к скорости за ним 2,1 величина удельной поверхности дисперсной фазы резко возрастает, что свидетельствует о том, что большая часть жировых шариков подверглась разрушению. Повышение качества обрабатываемой эмульсии объясняется тем, что при таком соотношении вследствие возникающих гидродинамических эффектов образуются волны давления, интенсивно воздействующие на поле кавитационных пузырьков, схлопывающихся с образованием кумулятивных микроструек. Благодаря этому возникают условия согласованного схлопывания групп кавитационных пузырьков. Все они схлопываются в локальном объеме с образованием объемных волн давления высокой энергии, при распространении которых интенсифицируется распад кавитационных каверн и схлопывание групп кавитационных пузырьков, находящихся в процессе схлопывания.

Таким образом, происходит концентрация энергии и эрозионное воздействие на обрабатываемый продукт резко возрастает, при этом импульсы давления и продолжительность воздействия на обрабатываемый продукт резко возрастает, причем импульсы давления и продолжительность воздействия на обрабатываемый продукт на порядок выше, чем при несогласованном схлопывании кавитационных пузырьков. Интенсивное воздействие на продукт оказывают также вторичные локальные волны, образующиеся при ударах кумулятивных струек о стенки пузырьков при их взаимодействии с ним.

Все это создает условия для возникновения вибротурбулизационных эффектов, перемешивающих и распределяющих обрабатываемый продукт в локальном объеме проточного участка и подвергающих его дополнительной обработке. Кроме того, рассмотренные эффекты ускоряют распад кавитационных каверн, на более однородное поле относительно мелких кавитационных пузырьков, обуславливающих высокую эффективность их согласованного схлопывания.

При этом, как следует из представленных примеров, полученная закономерность зависимости удельной поверхности дисперсной (масляной) фазы от отношения скорости обрабатываемого потока в сужении к скорости за ним, связанная с резкой интенсификацией кавитационной обработки и, следовательно, повышением удельной поверхности дисперсной фазы, сохраняется для различных водомасляных систем. Эта закономерность не зависит от других гидродинамических характеристик кавитирующего потока при исследованных отношениях его скоростей в сужении и за ним.

Применение предлагаемого способа в процессах смешения, эмульгирования, диспергирования трудносмешиваемых вязких веществ в жидкой среде позволит получать высококачественные эмульсии за счет более полного использования эрозионной активности поля кавитационных микропузырьков и энергии потока обрабатываемой среды.