способ вихревого гидродинамического измельчения и реструктуризации в вязкой среде

Формула изобретения

1. Способ вихревого гидродинамического измельчения и реструктуризации измельченных частиц в вязкой жидкой среде, включающий разрушение твердых частиц материала микровихрями, которые создают на границе между струей вязкой жидкой среды и поверхностями твердого тела или на границе между струей вязкой жидкой среды и слоями неподвижной вязкой среды под воздействием давления и/или температуры, причем скорость течения струи устанавливают в диапазоне от 0,5 до 3000 м/с, давление вязкой жидкой среды обеспечивают в диапазоне от 1 технической атмосферы до 5000 технических атмосфер, а температуру устанавливают в диапазоне от -270 до 3000°С в зависимости от используемой подвижной вязкой жидкой среды, при этом расстояние между поверхностями твердого тела или слоями неподвижной вязкой среды принимают в диапазоне от 0,5 до 10000 мкм в зависимости от типа и размеров разрушаемых твердых частиц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхности твердого тела выполняют с микрорельефом в виде микроуглублений.

Описание изобретения к патенту

Применяется в качестве способа для измельчения твердых частиц до характерных размеров молекул (групп молекул). Применяется в качестве способа активизации эффектов поверхностного взаимодействия во взаимно нерастворимых веществах с образованием устойчивых во времени структурированных пастообразных систем; способа активизации эффектов поверхностного взаимодействия в растворах с образованием пенообразных, гелеобразных и желеобразных коллоидных систем; способа получения новых веществ и материалов; способа ускорения физико-химических процессов. Данный способ также может применяться для нагрева вязкой среды и утилизации. Изобретение относится к машиностроению и химической промышленности.

Известны способы измельчения, основанные на эффекте воздействия, оказываемого на суспензию, находящуюся между перемещающимися относительно друг друга твердыми поверхностями, или способ измельчения, основанный на принципе ударов твердых деталей машины (пальцев) по суспензии. (А.Г.Касаткин «Основные процессы и аппараты химических технологий». Государственное научно-техническое издательство химической литературы, Москва, 1961, стр.796-797). Такой процесс происходит в коллоидных мельницах для мокрого помола.

Известны способы диспергирования и тонкого перемешивания, применяемые в насосах-гомогенизаторах серии НГД, производимых ЗАО «ПРОМБИОФИТ» (www.prombiofit.ru), основанные на отбрасывании лопастями крыльчатки рабочей среды (суспензии) на периферию вращающегося ротора.

Известны способы гомогенизации, используемые в роторно-кавитационных гомогенизаторах серии YUMIX-M, производимых ООО «ЕВРОПРОМ», а также в аппаратах Международного научно-внедренческого центра «Экология планеты» (Украина, г.Харьков), в которых используется эффект кавитации. В этих аппаратах разрушение материала и последующее смешивание продуктов происходит под воздействием схлопывающихся пузырьков газа в жидкой среде.

Основываясь на принципе неразрывности течения жидкости в диапазоне скоростей, где параметры течения не инициируют возникновения двухфазной среды (образование твердой или газообразной фазы в жидкости), а также на принципе прилипания жидкости к твердым стенкам в той части пограничного слоя, который соприкасается с твердой стенкой (см. Федяевский К.К., Войткнский Я.И., Фаддеев Ю.И. «Гидромеханика» Судостроение, Ленинград, 1968), можно утверждать, что перемещение твердого тела в вязкой среде, например в воде, вызывает посредством пограничного слоя передачу импульса движения от твердого тела к вязкой среде, то есть вызывает перемещение вязкой среды в направлении движения твердого тела. Таким образом, в дальнейшем под перемещением твердого тела относительно вязкой среды понимается вовлечение жидкости в движение посредством пограничного слоя.

Предложен способ вихревого гидродинамического измельчения и реструктуризации измельченных частиц в вязкой жидкой среде, включающий разрушение твердых частиц материала микровихрями, которые создают на границе между струей вязкой жидкой среды и поверхностями твердого тела или на границе между струей вязкой жидкой среды и слоями неподвижной вязкой среды под воздействием давления и/или температуры, причем скорость течения струи устанавливают в диапазоне от 0,5 м/с до 3000 м/с, давление вязкой жидкой среды обеспечивают в диапазоне от 1 технической атмосферы до 5000 технических атмосфер, а температуру устанавливают в диапазоне от -270°С до 3000°С в зависимости от используемой подвижной вязкой жидкой среды, при этом расстояние между поверхностями твердого тела или слоями неподвижной вязкой среды принимают в диапазоне от 0,5 мкм до 10000 мкм в зависимости от типа и размеров разрушаемых твердых частиц.

Поверхности твердого тела могут быть выполнены с микрорельефом в виде микроуглублений.

Под термином вязкая среда понимается любая жидкость или газ, обладающие вязкостью, отличной от ноля, что является условием существования пограничного слоя.

Так как не существует идеально гладких поверхностей, условия существования пограничного слоя при обтекании твердого тела вязкой средой постоянно изменяются, а следовательно, и условия возникновения разницы скоростей на границах какого-либо выделенного объема вязкой среды в пограничном слое не могут существовать постоянно, а существуют кратковременно.

Основываясь на вышеизложенных представлениях можно сделать вывод, что микровихри, образовывающиеся в вязкой среде, имеют достаточно непродолжительный период своего существования, так как граничные условия устойчивого существования микровихрей не поддерживаются постоянно, а возникают в различных пространственных участках вязкой среды спонтанно.

Длительность существования указанных граничных условий возникновения микровихрей составляет от 1-2 микросекунд до 20-30 микросекунд. За это время микровихрь может сформироваться в устойчивую гидродинамическую структуру. В момент изменения граничных условий микровихрь еще существует по инерции, но в связи с изменением граничных условий существования начинает распадаться и гибнуть. Таким образом, период существования микровихря измеряется также десятками или сотнями микросекунд. При изменении условий на границе микровихря он заканчивает свое существование, распадается, а кинетическая энергия, накопленная микровихрем, переходит в тепловую энергию вязкой среды, в которой образовался микровихрь.

Процесс возникновения микровихрей в вязкой среде при ее относительном перемещении относительно покоящейся вязкой среды или относительно твердой поверхности является спонтанным процессом, развивающимся лавинообразно, и подвержен пульсациям, как любой колебательный процесс. Таким образом, разрушаемые твердые частицы подвергаются периодическому разрушающему их воздействию в зоне образования и существования микровихрей. При смешивании различных веществ с использованием предлагаемого способа воздействие на смешиваемые материалы также оказывается периодически по мере возникновения и существования микровихрей.

Сущность изобретения как технического решения выражается в способе создания микровихрей минимальных размеров и с максимально возможными скоростями движения вязкой среды на границе вихря. Основными факторами, влияющими на возможность создания микровихрей 2, являются скорости относительного перемещения твердых поверхностей 3, равные V₁ и V ₂, относительно вязкой среды 1 (Фиг.1), откуда видно, что относительная скорость перемещения твердых поверхностей 3 равна V₀=V₂-V ₁, при этом температура вязкой среды t°, абсолютное давление в вязкой среде Р₀ за пределами микровихря, вязкость вязкой среды .

Расстояние между твердыми поверхностями h выбирается из соображений величины пограничного слоя вязкой среды на твердой поверхности и зависит от скорости перемещения вязкой среды относительно твердого тела и вязкости вязкой среды. Чем больше толщина пограничного слоя, тем большие по размерам частицы разрушаемого (смешиваемого) материала могут подвергаться микровихревому воздействию. Чем выше вязкость жидкой среды, тем большее количество импульса движущееся твердое тело передаст вязкой жидкой среде, в которой происходит данное движение, тем большую скорость приобретет вязкая среда, взаимодействующая с перемещающимся твердым телом.

При необходимости получения наночастиц с характерными размерами 1-10 нанометров целесообразно использовать минимальное расстояние между твердыми поверхностями h. Таким образом, нижний предел расстояния между твердыми поверхностями h в предлагаемом способе определяется величиной 500 нанометров.

При реструктуризации и смешивании крупногабаритных частиц с характерным размером 2-5 миллиметров расстояние между твердыми поверхностями h в предлагаемом способе определяется величиной 10 миллиметров.

Микровихри 2 возникают на границе между струей вязкой среды 4 и неподвижной вязкой средой 1, как показано на Фиг.2, где струя 4 движется в покоящейся вязкой среде 1 со скоростью V₀, истекая, например, из сопла 5. При этом вязкая среда имеет температуру t°, абсолютное давление Р₀ за пределами микровихря и вязкость .

Созданию микровихрей 2 способствует наличие микронеровностей 7, например, в виде углублений на поверхности твердого тела 3, соизмеримых с диаметром вихря, обтекаемых вязкой средой 1, как показано на Фиг.5, где V_п - скорость и направление потока вязкой среды обтекающего поверхность твердого тела 3 с микронеровностями 7, при этом вязкая среда имеет температуру t°, абсолютное давление Р₀ за пределами микровихря и вязкость .

Инородная частица 6, находящаяся в зоне микровихря 2 и отличная от вещества вязкой среды 1, в которой возникает микровихрь 2, начинает вращаться и попадает под воздействие центробежных сил F_ц (Фиг.3). На Фиг.3 показано направление вращения микровихря -В, скорость вращения частицы в вихре - V _ч, окружная скорость на границе вихря - V _в, при этом вязкая среда имеет температуру t°, абсолютное давление Р₀ за пределами микровихря и вязкость . На Фиг.3 также показано, как на частицу действует разрывающее усилие, равное центробежной силе F_ц, действующей на каждую сторону частицы. Чем больше окружная скорость в вихре, тем больше центробежные силы.

Если микровихрь значительно меньше габаритов частицы и одним своим концом опирается на поверхность частицы (теорема Гельмгольца о существовании вихря), происходит следующее явление: на поверхность частицы действует давление Р_ц в центральной части микровихря, а за пределами вихря на поверхность будет действовать давление Р ₀, см. Фиг.4, где d - диаметр микровихря, 8 - ось вращения микровихря, V_в - окружная скорость на границе вихря, p - плотность вязкой среды, в которой находится микровихрь. При этом давление Р_ц в центральной части микровихря может быть определено как:

Р _ц=Р₀-(р*V_в ²)/2

разница между давлением в вязкой среде Р₀ и половиной произведения плотности p вязкой среды и квадрата окружной скорости на границе вихря V_в. Из указанного соотношения видно, что сокращение диаметра микровихря и увеличение окружной скорости на границе вихря приведет к увеличению градиента давлений

dP=P₀-Р_ц,

действующего на поверхность частицы, что, в свою очередь, приводит к разрушению поверхности под воздействием перепада давлений dP, выдавливанию из поверхности частицы некоторого объема. Это явление возникает при уменьшении диаметра d микровихря (d стремится к 0) (Фиг.4).

Так как давление в центральной части микровихря меньше давления во внешней вязкой среде за счет центробежных сил, для предотвращения падения давления в центре микровихря ниже давления насыщенных паров вязкой среды и растворенных в ней газов и, как следствие, возникновения газовой фазы в вязкой среде при реализации предлагаемого способа измельчения-смешивания давление в среде, окружающей микровихрь, должно быть повышенным.

Если в качестве вязкой среды используется материал с высокой плотностью, например жидкий металл, то для предотвращения возникновения пористости в результате возникновения газового пузырька в центре микровихря, необходимо повысить давление в среде, окружающей зону образования микровихрей. Такое повышение давления может составлять до 500000 атмосфер для тугоплавких металлов и сплавов и до 5000 атмосфер для водных растворов, где по технологическим соображениям микровихревая зона находится при повышенной температуре. Для снижения себестоимости процесса при реструктуризации и смешивании недорогих твердых материалов, например в водной среде, не обязательно применять повышенное давление, что увеличивает стоимость машин, работающих с использованием предлагаемого способа. Таким образом, нижняя граница давления окружающей среды может равняться одной атмосфере, т.е. атмосферному давлению.

Созданию мощных микровихрей минимальных размеров способствует увеличение окружной скорости на границе микровихря V_в, см. Фиг.3, увеличение абсолютного давления в вязкой среде Р ₀ за пределами вихря и увеличение вязкости среды .

Как показывают экспериментальные данные, микровихревая динамика возникает в вязкой среде, начиная с чисел Рейнольдса равных величине 40-50. Этим обстоятельством обусловлена нижняя граница скоростей на внешней границе микровихря в предлагаемом способе. При смешивании в микровихрях, например, двух взаимно растворимых жидкостей нижняя граница скоростей, при которой начинает возникать микровихревая динамика, в предлагаемом способе для определенных каналов с углублениями, нанесенными на внутреннюю поверхность трубопровода, по котором движутся и смешиваются жидкости, равна 0,5 м/с.

Максимальная скорость на внешней границе микровихря определяется в предлагаемом способе, исходя из прочности разрушаемого материала и физических свойств жидкой вязкой среды. Чем выше предел текучести или предел прочности у измельчаемого материала, тем с большей скоростью необходимо раскручивать разрушаемую частицу для создания максимальной центробежной силы. Чем выше предел текучести или предел прочности у измельчаемого материала, тем больший градиент давления dP=Р₀-Р _ц (Фиг.4.) необходимо создать в присосавшемся к разрушаемой поверхности микровихре для разрушения поверхности твердого тела. Так как давление в центре вихря не может быть меньше ноля, то для создания значительного перепада давления dP необходимо увеличить давление в окружающей микровихрь вязкой среде Р ₀.

Верхний предел скорости перемещения вязкой среды относительно твердой поверхности (или относительно покоящейся части вязкой среды) с целью создания зоны микровихревой динамики ограничен только прочностными характеристиками перемещающейся твердой поверхности и физико-химическими свойствами самой вязкой среды (при больших относительных скоростях перемещения вязкая среда может изменить свои свойства и перестать быть жидкой вязкой средой). В предлагаемом способе верхний предел скорости перемещения вязкой среды относительно твердой поверхности (или относительно покоящейся части вязкой среды) ограничен величиной 3000 м/с, исходя из прочностных характеристик материала твердой поверхности и экономических соображений.

Нижний предел температуры вязкой среды в предлагаемом способе определяется материалом, подвергаемым измельчению и смешиванию. Если при получении какого-либо материала необходимо быстро разделить полученные наночастицы и жидкую вязкую среду, необходимо применять криогенные жидкости, например сжиженные газы. В том случае, когда материал, из которого получают наночастицы, очень активен и способен вступать в химическую реакцию со всеми веществами, целесообразно применять в качестве вязкой среды сжиженный инертный газ, например гелий, при этом температура гелия должна быть такой, при которой еще проявляется вязкость. Таким образом, нижний предел температуры вязкой среды в предлагаемом способе равен -270°С.

Верхний предел температуры вязкой среды в предлагаемом способе определяется исходя из температуры плавления материала, подвергаемого смешиванию. Например, жаропрочные стали на основе никеля имеют температуру плавления более 2000°С, а керамические материалы температуру плавления более 3000°С, поэтому при работе с такими материалами использовать предлагаемый способ можно только в том случае, когда материал расплавлен и обладает определенной текучестью. Исходя из этих соображений, верхний предел температуры вязкой среды в предлагаемом способе ограничен +3000°С.

Для реализации предлагаемого способа при разрушении, например, непрочных органических материалов типа гуминовых кислот повышенная температура и повышенное давление не требуется, так как процесс разрушения и реструктуризации проходит в водной среде при нормальном атмосферном давлении и температурном режиме от 20°С до 70°С. В том случае, когда разрушаемый материал имеет более высокую прочность, чем гуминовые кислоты, процесс необходимо вести при повышенном давлении, что повысит степень разрушения твердого материала микровихрями. В том случае, когда жидкая вязкая среда существует только при повышенной температуре (расплав), необходимо повышать температуру до состояния расплавления твердого вещества.

Таким образом, предлагаемый способ реализуется в том случае, когда действующие факторы - давление и температура, воздействуют одновременно или порознь, но обязательно в зоне образования микровихрей в вязкой среде.

Синтез и реструктуризация - оборотная сторона разрушения в микромире.

Частицы, разрушенные микровихрями, становятся весьма активными, так как на границе разрушения образуются свободные молекулярные связи. К этим свободным связям присоединяются молекулы и частицы из вязкой среды, в которой образовался микровихрь. Таким образом, получаются новые вещества и материалы. Этот способ получения новых веществ и материалов применим в металлургии (некристаллические структурированные системы с заранее прогнозируемыми свойствами), химической промышленности, при производстве сложных биоорганических соединений и т.д.

Основными признаками данного способа является совокупность следующих действий, производимых в вязкой среде:

- создание относительного движения одной части вязкой среды относительно другой;

- создание повышенной вязкости и давления в вязкой среде;

- создание повышенной температуры в вязкой среде (для активизации процесса взаимодействия измельченных частиц).

При этом указанные воздействия на вязкую среду могут быть кратковременными или постоянными, а действующие факторы - давление и температура могут воздействовать одновременно или порознь с относительным перемещением одной части вязкой среды относительно другой.

Это необходимые и достаточные условия для создания микровихря, разрушения твердых частиц в микровихре и создания устойчивых структурированных систем из продуктов измельчения и вязкой среды. Это также необходимые и достаточные условия для активизации эффектов поверхностного взаимодействия во взаимно нерастворимых веществах с образованием устойчивых во времени структурированных пастообразных систем. Это необходимые и достаточные условия для активизации эффектов поверхностного взаимодействия в растворах с образованием пенообразных, гелеобразных и желеобразных коллоидных систем; условия для получения новых веществ и материалов; условия для ускорения физико-химических процессов. Данное комплексное воздействие также может применяться для нагрева вязкой среды в результате перехода кинетической энергии микровихря в момент его разрушения в тепловую. Предлагаемый способ создания микровихревых структур в вязкой среде позволяет генерировать множественные химические превращения, активизировать восстановительно-окислительные процессы, ионизацию и даже превращения на атомарном уровне.

Реализация данного способа проводилась на установке, показанной на Фиг.1. На диаметр микровихря и габариты частиц, которые принимают участие в процессе измельчения, и которые мы хотим получить, влияет зазор h и относительная скорость перемещения твердых поверхностей 3, между которыми находится вязкая среда. Таким образом, чем меньше зазор h и чем больше скорость на границе вихря, а эта скорость задана относительной скоростью V₀ =V₂-V₁, тем мельче частицы мы сможем получить. Данный способ позволяет получать наночастицы с характерным размером до 1 нанометра.

Для создания высокого градиента давлений, большего тангенциального напряжения сдвига в высокопрочных материалах необходима скорость на границе вихря V₀ до 3000 м/с, а давление окружающей вязкой среды должно изменяться до 5000 технических атмосфер.

Для преобразования веществ, существующих в этих условиях, температура процесса должна быть сравнима с такими криогенными температурами и нижняя граница температур вязкой среды для заявляемого способа разрушения и реструктуризации равна -270°С. Для реструктуризации жидких тугоплавких материалов верхняя граница температур вязкой среды для заявляемого способа равна 3000°С.

Для получения наночастиц зазор между перемещающимися поверхностями твердого тела для заявляемого способа разрушения и реструктуризации изменяется от 0,5 мкм. Такой размер зазора продиктован габаритами микровихря и соответственно размерами получаемых частиц. Верхняя граница зазора между перемещающимися поверхностями твердого тела для заявляемого способа разрушения и реструктуризации равна 10 мм (10000 мкм), что необходимо использовать для предварительной обработки перерабатываемых материалов.

Эксперименты на основе данного способа ставились автором в JSC «Aljara» (Литва).

На опытной установке торф и твердый биоорганический компост были перемолоты и смешаны с водой. Получена устойчивая во времени пастообразная масса с минимальными размерами частиц. Такая пастообразная масса остается стабильной при комнатной температуре (не происходит расслоения на твердую фракцию и воду) уже в течение 6 месяцев. Габариты полученных частиц имели характерные размеры 1-5 мкм.

На той же опытной установке были размолоты и смешаны мазут с водой и соломой. Получена устойчивая во времени структурированная пастообразная система, не расслаивающаяся на фракции. Характерный размер частиц также варьировался в районе 1-5 мкм.

На указанной опытной установке были реализованы следующие параметры.

Зазор h составлял 1 мм, а относительная скорость перемещения твердых поверхностей относительно вязкой среды (скорость на границе вихря V₀) составляла от 25 м/с до 1000 м/с. Давление вязкой среды варьировалось от 1,0 технической атмосферы до 120 технических атмосфер. Температура варьировалась от 5°С до 120°С.