Спосіб та пристрій для одержання тонкоподрібненої дисперсії твердих речовин

Винахід стосується способу та пристрою для одержання тонкоподрібненої, стабільної дисперсії твердих речовин, що має середній розмір частинок від 10нм до 10мкм, у якому принаймні два струмені грубої дисперсії розпилюються за допомогою помп, краще помп високого тиску, через одне сопло кожний, у камеру подрібнення, яка оточена корпусом реактора, у точку зіткнення, причому камера подрібнення заповнюється грубою дисперсією та результуюча подрібнена дисперсія виводиться з камери подрібнення завдяки триваючій течії грубої дисперсії під надлишковим тиском у камеру подрібнення. Пристрої, такі як кульові млини або кульові млини з мішалкою, доступні у даний час для одержання тонкоподрібнених дисперсій. Недолік цих пристроїв полягає у стиранні використовуваних дробильних тіл, наприклад скла, кераміки, металів або піску. Таке стирання обмежує використання одержуваних дисперсій у таких галузях, які допускають тільки малі забруднення, таких як, наприклад, шліфування чутливої до світла поверхні. Високі витрати енергії допустимі у планетарних місильних пристроях/змішувачах. Однак, ефективність таких систем пов'язана з достатньо високою в'язкістю оброблювальних сумішей, потрібні належні високі зсувні зусилля для руйнування частинок. Дуже тонко подрібнена дисперсія може бути одержана з використанням гомогенізаторів високого тиску, у яких груба дисперсія під високим тиском вдаряється у загартовану ділянку стінки камери, але, як виявилося, камера такого пристрою не дивлячись на загартовування звичайно піддається досить сильному зносу. Розділення грубої дисперсії на два струмені, декомпресія останніх за допомогою сопел та зіткнення один з одним однозначно зменшує стирання, але не вирішує проблему. Зокрема, важко здійснити налаштування потоку грубої дисперсії у напрямку на одну точку. Такий спосіб описаний, наприклад, в [ЕР-А766997]. Стирання при одержанні дисперсій помітно знижується, якщо розділені потоки грубої дисперсією під високим тиском декомпресують в загальній точці зіткнення, яка розташована у наповненій газом камері подрібнення на певній відстані від матеріалу. Таке розташування призначене для зменшення кавітації біля матеріалу стінок на відміну від зазначеного вище пристрою високого тиску, який працює у камері подрібнення, що заповнена рідиною. У даному випадку потік газу також вирішує задачу перенесення дисперсії з камери подрібнення та охолодження дисперсії [ЕР-В-1165224]. Недоліками цього способу є переробка газ/дисперсійної суміші. Для того, щоб досягнути економічно обгрунтованої продуктивності, потрібно використовувати велику кількість газу. Переміщення цього газу потребує підвищених витрат на технічні засоби, такі, як, наприклад, відповідний великий газовіддільник. Теплопровідність, яка є зниженою у результаті наявності великої частки газу, потребує більш масштабних та, як наслідок цього, більш дорогих охолоджувальних пристроїв для здійснення охолодження сумішей. Цей спосіб є надзвичайно невигідним у випадку, коли поверхнево-активні речовини додаються до грубої дисперсії як диспергуючі агенти. Введений газ може призводити до небажаного піноутворення, що може робити обробку дисперсії дуже складною. Домішка піногасника є непридатною для багатьох варіантів застосування дисперсії, оскільки ці домішки можуть негативно впливати на конкретне застосування дисперсій. [Патент Німеччини DE 10204470 С1] описує використання водяної пари як газу. Зіткнення частинок, що диспергуються, у цьому випадку також відбувається у просторі, розташованому на відстані від матеріалу. Використання водяної пари дозволяє уникнути недоліків способу відповідно до [ЕР-В-1165224], у якому великі кількості газу виводяться з реакційної суміші. Тим не менше, навіть у випадку способу за [DE 0010204470 С1] очевидно те, що підтримування газової атмосфери під час диспергування не є економічно обгрунтованим. Задачею даного виноходу є розробка способу та пристрою для одержання тонкої дисперсії твердих речовин з середнім розміром частинок від 10нм до 10мкм, який не має недоліків рішень, відомих з рівня техніки. Зокрема, спосіб дозволяє мінімізувати знос деспергуючого пристрою, мінімізувати потрапляння забруднювальних домішок до продукту у результаті стирання та дозволяє нескладно та економічно виділити дисперсію після диспергування. Несподівано було встановлено, що зазначена задача вирішується за допомогою способу, у якому принаймні два струмені грубої дисперсії розпилюються за допомогою помп, краще помп високого тиску, через одне сопло кожний, у камеру подрібнення, яка оточена корпусом реактора, у точку зіткнення, причому камера подрібнення заповнюється грубою дисперсією та результуюча подрібнена дисперсія виводиться з реакційної камери завдяки триваючій течії грубої дисперсії під надлишковим тиском у камеру подрібнення. Винахід повністю несподіваний, оскільки спеціаліст у даній галузі техніки не міг передбачити можливість функціонування камери подрібнення у заповненому стані. Відповідно до рівня техніки, такий спосіб призводив би до підвищеного зносу матеріалу. Можна продемонструвати те, що швидкість зносу у результаті здійснення способу відповідно до винаходу, є порівняною з такою у способах відповідно до рівня техніки, а продуктивність, що досягається у способі відповідно до винаходу, значно вища. Спосіб відповідно до винаходу включає подрібнення, деагломерацію та деагрегацію твердих речовин. Під грубою дисперсією розуміють дисперсію, яка має середній розмір частинок не більше ніж 1мм. Рідка фаза грубої дисперсії не регламентується. Вoна може складатися переважно з води, органічних розчинників або їх сумішей. Краще, якщо розчинність диспергованих у рідкій фазі частинок становить менше ніж 0,1мас.%. Груба дисперсія може також додатково містити диспергуючі домішки і/або поверхнево-активні речовини, які відомі спеціалісту у даній галузі техніки. Наприклад, такі речовини наведено у [Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry, 5-е вид., том А8, сторінки 586-599]. Частка твердих речовин у дисперсії, використовуваній у способі відповідно до винаходу, може варіюватися у досить широких межах, між 1 та 70мас.%. Краще, у межах між 10 та 50мас.%, та особливо краще знаходиться у межах між 20 та 40мас.%. При цьому, груба дисперсія не повинна обов'язково бути стабільною. Без дії диспергуючого пристрою осадження твердої речовини може відбуватися впродовж невеликого проміжку часу. Однак, це є припустимим у випадку, коли продукт використовують безпосередньо після грубого диспергування у способі відповідно до даного винаходу. У способі відповідно до даного винаходу, грубу дисперсію можна розпилювати у камеру подрібнення під тиском принаймні 5МПа, краще більше ніж 50МПа, особливо краще від 100 до 400МПа. Після виходу з камери подрібнення, дисперсія може бути охолоджена. Придатні для цього призначення є теплообмінники, такі як, наприклад, плоскі або трубчасті теплообмінники. Згідно зі способом за даним винаходом, тонко подрібнена дисперсія може бути після виводу з камери подрібнення розпилена як така або у вигляді суміші з грубою дисперсією подана декілька разів у камеру подрібнення. Багаторазове проходження її може призводити до менших розмірів частинок дисперсії. Органічні частинки, неорганічні частинки і/або їх суміші можуть бути використані як тверді речовини. Органічні частинки включають, наприклад, органічні пігменти, порошок-покриті смоли або полімерні частинки. Неорганічні частинки включають, наприклад, неорганічні пігменти, абразиви, наповнювачі, керамічні матеріали або сажі. Спосіб відповідно до винаходу може бути використаний переважно для диспергування оксидів металу, таких як оксид алюмінію, оксид церію, діоксид титану, діоксид кремнію, оксид цинку, легованих металом оксидів та сумішей оксидів. Це можуть бути, наприклад, оксиди металів, що приготовлені вологим хімічним або пірогенним шляхом. Спосіб відповідно до винаходу здійснюється у пристрої, у якому принаймні два сопла, кожне з яких має приєднану помпу та лінію живлення, передбачені для розпилення грубої дисперсії у камеру подрібнення, яка оточена корпусом реактора, у загальну точку зіткнення. До того ж, корпус реактора має отвір, через який дисперсія виходить з корпуса реактора. Звичайно, у випадку вищезгаданого пристрою, струмені грубої дисперсії, які зіштовхуються, падають один на інший у просторі, що заповнений рідиною. У точці зіткнення струменів їх гідродинамічна енергія призводить до появи високих зсувних та кавітаційних зусиль. Форсунки можуть бути орієнтовані на загальну точку зіткнення. Вона повинна складатися з твердих та відповідно, зносостійких матеріалів. Такі матеріали включають кераміку, наприклад оксиди металів, карбіди металів, нітриди металів або їх суміші. Зокрема, оксид алюмінію, краще такий як сапфір або рубін, алмаз та загартовані метали є особливо придатні. Сопла мають отвори діаметром 0,5-2000мкм, краще від 10 до 500мкм, особливо краще від 50 до 200мкм. У особливо кращому втіленні сопла мають хімічний склад, який є ідентичний речовині, яка диспергується, або стає ідентичним у результаті хімічного перетворення за умов диспергування. Ці міри дозволяють уникати забруднення дисперсії, яке відбувається у зв'язку з можливим руйнування матеріалу сопел. Так, наприклад, оксид алюмінію можна використовувати як матеріал сопел при диспергуванні оксиду алюмінію. Подібним чином можна використовувати як матеріал сопел хімічно перетворюваного за умов диспергування матеріалу. Так, наприклад, можливе руйнування нітриду кремнію у аміачній дисперсії діоксиду кремнію приводить до діоксиду кремнію та аміаку. Далі, у кращому варіанті здійснення винаходу, точка зіткнення може бути оточена матеріалом, який розташований на такій ділянці, що у випадку розладнання напрямлення сопел, струмінь грубої дисперсії зіштовхується з цим матеріалом. Ці міри дозволяють мінімізувати знос корпуса реактора у результаті розладнання струменів дисперсії. Можливою формою цього матеріалу є кульки розташовані у вигляді тетраедру. У випадку розладнання, струмінь дисперсії зіштовхується з кульками, а не з відповідними стінками, які розташовані навпроти, корпуса реактора. Також, як і у випадку сопел, матеріал, що оточує точку зіткнення, у кращому варіанті може бути ідентичний за хімічний складом до речовини, яка диспергується, або може ставати ідентичним у результаті хімічного перетворення за умов диспергування. Приклади Аналітичний спосіб Середній розмір вторинних частинок був визначений за допомогою приладу Zetasizer 3000 Hsa фірми Malvern. Приклад ал.окс.: Груба дисперсія оксиду алюмінію. 36кг повністю демінералізованої води було введено у 60л дозувальний резервуар з нержавіючої сталі. 16,5кг оксиду алюмінію типу С (фірми Degussa AG) всмоктують у диспергуючий вакуумний змішувач (при 4500об/хв) фірми Ystral та попередньо диспергують. рН 4,5 є звичайним значенням, яке підтримують шляхом додавання оцтової кислоти 50-відсоткової концентрації впродовж усього всмоктування. Після введення порошку диспергування завершують, використовуючи прилад Ystral Type Z 66, ротор/статорний безперервний гомогенізатор, який має чотири робочі кільця, паз статора шириною 1мм та частоту обертання 11,500об/хв. Впродовж 15-хвилин диспергування при 11,500об/хв значення рН відрегульовують та підтримують при 4,5 шляхом додавання додаткової оцтової кислоти 50-відсоткової концентрації. Загалом було введено 570г оцтової кислоти 50-відсоткової концентрації, та шляхом додавання 1,43кг води була утворена концентрація твердих речовин 30мас.%. Приклад SіO2: Груба дисперсія діоксиду кремнію 53кг повністю демінералізованої води та 80г розчину KОН 30%-концентрації було введено у 60л дозувальний резервуар з нержавіючої сталі. За допомогою приладу Ystral, диспергуючий вакуумний змішувач (при 4500об/хв), 8кг порошку AEROSILÒ 90 всмоктують та попередньо диспергують. Після введення порошку диспергування завершують, використовуючи прилад Ystral Type Z 66, ротор/статорний безперервний гомогенізатор, який має чотири робочі кільця, паз статора шириною 1мм та частоту обертання 11,500об/хв. Впродовж 15-хвилин диспергування при 11,500об/хв значення рН відрегульовують та підтримують на 9,5 шляхом додавання додаткового розчину KОН. У цьому способі додатково 96г KОН розчину було додано та шляхом додавання 2,8кг води була утворена концентрація абразивних тіл 12,5мас.%. Приклад ал.окс. 1: Дисперсія оксиду алюмінію - диспергування у заповненій камері подрібнення (відповідно до даного винаходу) Грубу дисперсію подрібнюють використовуючи гомогенізатор високого тиску моделі HJP-25050 Ultimaizer system фірми Sugino Machine Ltd, але з три-струменевою камерою замість дво-струменевої камери, що вбудована у Ultimaizer system. (Ultimaizer system використовує помпи тільки високого тиску) Триструменева камера ділить грубу дисперсію, яка має високий тиск, на три субпотоки, кожний з яких декомпесується за допомогою алмазного (ал.окс. 1) сопла або (ал.окс. 2) монокристалічного корунду (незабарвлений сапфір) сопла, що має діаметр 0,25мм. Три струмені дисперсій виходять з дуже високою швидкістю, сходячись у точці зіткнення, у якій відбувається процес диспергування/подрібнення. Точка зіткнення тетраедрально оточена сапфіровими кульками (три кульки у основі, кожна 8мм, та верхня кулька 10мм). Оскільки всі три струмені рідини розташовані на загальній уявній площині, кут відносно до сусіднього потоку становить 120° у кожному випадку. 250МПа було вибрано як тиск для розмелу грубої дисперсії оксиду алюмінію. Дисперсія потім може бути охолоджена без труднощів з використанням звичайних теплообмінників. Середній розмір частинок у одержаній дисперсії становив 51нм. Приклад ал.окс. 2 виконується аналогічно прикладу ал.окс. 1, але використовують сапфір як матеріал сопел та кульки. Середній розмір частинок у одержаній дисперсії становив 55нм. Приклад SiO2 1: Дисперсія діоксиду кремнію - диспергування у заповненій камері подрібнення (відповідно до даного винаходу) Грубу дисперсію подрібнюють, використовуючи гомогенізатор високого тиску моделі HJP-25050 Ultimaizer system фірми Sugino Machine Ltd, але використовуючи три-струменеву камеру замість двоструменевої камери, що вбудована у Ultimaizer system. (Ultimaizer system використовує помпи тільки високого тиску). Три-струменева камера ділить грубу дисперсію, яка має високий тиск, на три субпотоки, кожний з яких декомпесується за допомогою сопла, що має діаметр 0,25мм. Три струмені дисперсій виходять з дуже високою швидкістю, сходячись у точці зіткнення, у якій відбувається процес диспергування/подрібнення. Точка зіткнення тетраедрально оточена кульками полікристалічного Si3N4 (три кульки у основі, кожна 8мм, та верхня кулька 10мм). Оскільки всі три струмені рідини розташовані на загальній уявній площині, кут відносно до сусіднього потоку становить 120° у кожному випадку. 250МПа було вибрано як тиск для розмелу грубої дисперсії діоксиду кремнію. Дисперсія може потім бути охолоджена без труднощів за допомогою звичайних теплообмінників. Середній розмір частинок у одержаній дисперсії становив 163нм. Наведені у таблиці дані свідчать, що диспергування у заповненій камері подрібнення, відповідно до способу за даним винаходом, характеризується терміном експлуатації матеріалів сопла та кульки, який є порівняний з таким у випадку способу, у якому диспергування виконують у наповненій газом камері подрібнення. Розмір частинок, що досягається є також фактично однаковим. Знос матеріалу сопел можна легко визначити за збільшенням продуктивності. З використанням нових сопел, про що свідчить початковий діаметр сопла 0,25мм та використовуючи три-струминну камеру, продуктивність приблизно 4,3л/хв досягається під тиском 250МПа. По мірі поступового зносу отвір сопла стає більшого діаметра; відповідно, продуктивність підвищується. Це підвищення продуктивності, однак, обмежене продуктивністю помп високого тиску. Для підтримання однакового тиску при диспергуванні, все більше і більше грубої дисперсії повинно бути стиснено. Залежний від продуктивності використовуваної помпи високого тиску, потрібний тиск не може, однак, підтримуватися, без сумніву, при збільшенні продуктивності та досягненні деякої границі продуктивності помпи високого тиску. У розглянутому випадку вона становить приблизно 7,3л/хв. До того ж, також очевидно, що значне розширення отвору сопла не відбувається з радіальною симетрією, відповідно, налаштування сопел не є стабільним. Залежно від напрямленості звичайного монокристалічного матеріалу сопел, може спостерігатися ізотропна залежність опору зносу різних кристалічних площин. Так, у випадку значно еродованих алмазних сопел, утворюються отвори гексагональних або рівних тригранних форм. Оскільки кульки по суті піддаються тиску у меншому ступені, ніж сопла, оскільки, без сумніву, найбільше кінетичної енергії прискореного струменя рідини повністю використовується як енергія для дроблення і/або перетворюється на теплоту у точці зіткнення, потребу заміни кульок можна виявити при заміні алмазних сопел. Початковий знос може легко бути виявлений за появою на поверхні кульки шорсткості. Кульки можуть у такому випадку бути замінені у профілактичних цілях. Оскільки кульки використовують переважно, наприклад, у кулькових опорах, у спеціальному шариковому секторі ("хімічні помпи" і т.д), своєчасна їх заміна сильно не впливає на виробничі витрати. Таблиця Термін експлуатації сопел/кульок диспергуючого пристрою(&) Приклад Диспергована речовина Оксид алюмінію Ал.окс. 1 (AEROXIDEÒ Alu С(#)) Оксид алюмінію Ал.окс. 2 (AEROXIDEÒ Alu C(#)) Оксид кремнію SiO2 1 (AEROSILÒ 90 (*)) Матеріал Сопла Кульки Термін експлуатації матеріалу Сопло [год.] Кульки [Термін експлуатації сопла х] Алмаз Сапфір 195 Принаймні 10 (§) Сапфір Сапфір 55 Принаймні 40 Алмаз Si3N4 350 Принаймні 20 (&) Диспергуючий тиск 250МРа; (#) Пірогенно одержаний оксид алюмінію, Degussa; (*) Пірогенно одержаний діоксид кремнію, Degussa; (§) Термін експлуатації сопел x принаймні на 10: принаймні 10 x термін експлуатації матеріалу сопла, рядок 2 та 3 аналогічно.