Спосіб субмікронного диспергування багатокомпонентних рідких середовищ і пристрій для його здійснення

1 Спосіб субмікронного диспергування багатокомпонентних рідких середовищ, у якому потік середовища спочатку спрямовують у статорний простір, потім у перемішуючий простір між ротором і статором, де піддають його діянню зрушення і спрямовують у другий перемішуючий простір, що розташований навколо ротора, який відрізняється тим, що у статорному просторі потік середовища розподіляють на різноспрямовані струмені і піддають їх одночасно механічному, акустичному, кавітаційному діянням, після чого струмені перемішують між собою, із суміші струменів на периферії статорного простору формують кільцеподібний шар середовища, що обробляється, який під дією відцентрової сили переміщують на межу між статорним і першим перемішуючим простором, і при різкому перепаді тиску розподіляють цей шар середовища на нові струмені і піддають їх одночасно діянням зрушення і зрізу, із згаданих струменів у першому перемішуючому просторі формують кільцеподібний шар середовища заданої товщини, піддають його одночасно діянням зрушення і зрізу і спрямовують на межу між першим і другим перемішуючими просторами, розподіляють його на струмені і знов пе БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ РІДКИХ СЕРЕДОВИЩ І ремішують їх між собою, а потім перемішують між другим і наступними перемішуючими просторами, після чого суміш, що утворилася в останньому перемішуючому просторі, спрямовують у статорний простір, і описаний цикл диспергування при необхідності багаторазово повторюють до досягнення заданої дисперсності середовища 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що згадані струмені формують із поперечним перерізом у формі багатокутника або фігури обертання 3 Пристрій для субмікронного диспергування багатокомпонентних рідких середовищ, який містить циліндричний корпус з входом і виходом і кришку корпусу, навколо входу розташована статорна поверхня, напроти якої встановлено ротор, закріплений на валу, а між статорною поверхнею і поверхнею ротора є перемішуючі простори, що утворені коаксіально встановленими циліндрами ротора і статора, що чергуються між собою, який відрізняється тим, що циліндри ротора закріплені на диску, розташованому у площині, що перпендикулярна до валу, з утворенням між диском ротора і статорною поверхнею статорного простору, на диску ротора закріплені лопатки, зігнуті у бік, протилежний обертанню ротора, периферійна частина котрих виконана переважно з шипами та пазами, висота яких зменшується від периферії лопатки до центру обертання ротора на відстані 0,3-0,5 довжини лопатки, при цьому шипи у поперечному перерізі мають форму трикутника, багатокутника або іншу форму, а бокові поверхні циліндрів ротора і статора мають еквідистантні прорізи 4 Пристрій за п 3, який відрізняється тим, що площа поперечного перерізу прорізів на бокових поверхнях наступних циліндрів ротора й статора зменшується від центру до периферії 5 Пристрій за п 3, який відрізняється тим, що пази на лопатках диска ротора виконані різної ширини і з різним кутом нахилу 6 Пристрій за п 3, який відрізняється тим, що вихідна частина корпусу виконана у вигляді равлика О о (О ю 59460 Винахід відноситься до нанотехнолопй, а саме до обробки багатокомпонентних рідких середовищ для одержання субмікронних дисперсій з рівномірно розподіленими в них мікро- і наночастинками Винахід може бути використаний для одержання емульсій, суспензій, екстрактів, мазей, в тому числі й очних, гелів, паст, кремів у різних галузях промисловості, де необхідне супертонке диспергування й гомогенізація Відомо використання звукових, ультразвукових, кавітаційних та інших фізичних ефектів руйнування частинок у гетерогенних системах рідинарідина та тверде тіло - рідина для змішування, диспергування, гомогенізації та інших процесів з метою одержання тонкодисперсних рідких середовищ [див , наприклад, патенти США №№ 3420506, 4136971, 4915509, 5267789, авторські свідоцтва СРСР №№895484, 1169721, 1664382, 1790990, патенти RU №№2035214, 2040962, 2050959, 2081691, 2136356, патенти UA №№1972, 15439, 20698, заявка DE №19608222, а також книгу Сиденко П М Измельчение в химической промышленности - М 1977] Відомо спосіб і пристрій для емульгування шляхом сумісної гідроакустичної обробки взаємно незмішуємих рідин Спосіб передбачає сумісну подачу рідин, що підлягають обробці, у порожнину робочого колеса, що обертається, переривчастий випуск суміші рідин, що обробляються, із порожнини робочого колеса через ряд каналів, котрі виконані у його кільцевій периферійній СТІНЦІ, безпосередньо у секцюновану резонансну порожнину статора, яка утворена окремими резонансними камерами по КІЛЬКОСТІ каналів робочого колеса, і ВІДВІД емульсії з резонансних камер через випускний отвір статора, що сполучений з ними Радіальна протяжність резонансних камер сумірна з радіальною протяжністю каналів робочого колеса і визначається по формулі [патент РФ №2136356, кл B01F 3/08,1999] Відомий винахід дозволяє одержувати тривало СТІЙКІ високодисперсні емульсії широкого спектра застосування, однак він не придатний для обробки багатокомпонентних рідких середовищ із твердими компонентами, тому що в ньому недостатньо використовується кавітація, що звужує галузі його застосування Частково ці недоліки усуває відомий пристрій для створення субмікронної емульсії одної рідини в ІНШІЙ, що містить циліндричний статор з круговими рядами зубців, які концентрично розташовані на його поверхні Висота зубців складає 1/12-1/46 діаметра статора Зубці утворені ВІДПОВІДНОЮ КІЛЬКІСТЮ концентрично розташованих лопаток і перетинаючих їх канавок Канавки орієнтовані під кутом до радіальних ЛІНІЙ статора Ротор також має циліндричну форму і концентричні круглі ряди зубців, висота яких складає 1/12-1/46 діаметра ротора Зубці ротора утворені концентрично розташованими лопатками і перетинаючими їх канавками, які виконані під кутом до радіальних ЛІНІЙ ротора [патент США №5632596, 1998] Цей винахід дозволяє одержати субмікронні емульсії, але в ньому недостатньо реалізуються ефекти кавітаційного і механічного руйнування твердих частинок, З відомих способів і пристроїв для диспергування найбільш близьким до винаходу, що заявляється, є спосіб і установка для емульгування одної рідини в ІНШІЙ [патент США №5622650, 1998] Пристрій містить корпус із циліндричною порожниною, входом для рідин у порожнину на одному КІНЦІ і віддаленим уздовж $сі виходом для емульсії Навколо входу розташована статорна поверхня, навпроти якої у циліндричній порожнині знаходиться ротор, закріплений на валі, що обертається Між оберненими назустріч одна ІНШІЙ статорній поверхні й поверхні ротора є робочий простір На обох поверхнях виконані виступи, які обернені в середину робочої порожнини і розподілені вздовж концентричних кіл, при цьому розмір виступів збільшується по мірі віддалення від центру Виступи на одній поверхні входять у концентричні інтервали між ними на другій поверхні Статор і ротор мають принаймні по одному кільцевому ряду виступів, що обернені у перший перемішуючий простір Виступи статора зміщено у радіальному напрямку відносно виступів ротора Крім того, ротор наділено принаймні одним рядом виступів, що обернені у другий перемішуючий простір Суміш рідин, що підлягає емульгуванню, проходячи радіально назовні через робочий простір, піддається зрушуючому діянню, яке утворюється виступами Для емульгування гідрофобної і гідрофільної рідин їх спрямовують у перемішуючий простір між ротором, що обертається, і статором, з якого вони надходять у другий перемішуючий простір, розташований навколо ротора Це дозволяє піддавати середовище, що обробляється, зрушуючому діянню, яке посилюється по мірі наближення середовища до зовнішнього краю порожнини корпусу Однак цього недостатньо для одержання високодисперсних суспензій, паст, емульсій, мазей тощо, із рівномірно розподіленими в них мікро- і наночастинками Для цього необхідно створити додаткові ефекти зрізу, тертя, кавітації, пдроудару для одночасного діяння на середовище, що обробляється Це обмежує функціональні можливості відомого винаходу й галузь його застосування Технічний результат, який досягається у винаході, що заявляється, полягає в удосконалені відомого способу та пристрою для субмікронного диспергування багатокомпонентних рідких середовищ шляхом діяння на них одночасно звукових, ультразвукових, кавітаційних, гідродинамічних та інших фізичних ефектів для одержання високої якості субмікронних суспензій з рівномірно розподіленими в них мікро- і наночастинками, що дозволяє розширити його функціональні можливості й галузі застосування Зазначений технічний результат досягається тим, що у способі субмікронного диспергування багатокомпонентних рідких середовищ, в якому потік середовища спрямовують у статорний простір, потім у перемішуючий простір між ротором і статором, піддають його діянню зрушення і спрямовують його у другий перемішуючий простір, який розташований навколо ротора, згідно з винаходом, у статорному просторі потік середовища роз 59460 поділяють на різноспрямовані струмені і піддають зоні и одночасно ударні хвилі, що сприяє утворенїх одночасному механічному, акустичному, кавітаню активних кавітаційних ефектів За рахунок різційному діянню, після чого струмені перемішують ної висоти шипів та пазів, а також їх форми, між собою, із суміші на периферії статорного прослопатки здійснюють звукові та ультразвукові колитору формують кільцеподібний шар середовища, вання під дією набігаючого потоку середовища, що що обробляється, який під дією відцентрової сили обробляється Усі процеси, які відбуваються у зоні перемішують на межу між статорним і першим активної обробки потоку середовища, сприяють перемішуючим простором, і при різкому перепаді одержанню субмікронних високогомогенних емутиску розподіляють цей шар середовища на нові льсій та суспензії з рівномірно розподіленими в струмені і піддають їх одночасному діянню зруних мікро-1 наночастинками шення і зрізу, із згаданих струменів у першому Зменшення висоти шипів та пазів від перифеперемішуючому просторі формують кільцеподібрії лопаток до центру ВІСІ обертання на відстані ний шар середовища заданої товщини, піддають 0,3-0,5 довжини лопатки дозволяє збільшити насойого одночасному діянню зрушення і зрізу і спрясний ефект пристрою і створити кавітаційні зони у мовують на межу між першим і другим перемішуюміжлотаткових просторах ротора, що призводить чими просторами, розподіляють його на струмені і до зміни ЩІЛЬНОСТІ середовища, що обробляється, перемішують їх між собою, а потім між другим і виникненню гідродинамічних ударів, за рахунок наступними перемішуючими просторами, після чого тверді компоненти середовища руйнуються В чого суміш, що утворилася в останньому перемізалежності від складу і фізико-хімічних властивосшуючому просторі спрямовують у статорний простей компонентів середовища, що обробляється, тір, і описаний цикл диспергування при необхіднозастосовують різноманітну форму виконання шисті багаторазово повторяють до досягнення пів у поперечному перерізі для створення необхідзаданої дисперсності середовища ного завихрення потоку Наприклад, при диспергуванні середовищ із високовлязкими адгезійними Згадані струмені формують із поперечним певластивостями, доцільно використовувати шипи, рерізом у формі багатокутника або фігури оберякі у поперечному перерізі мають обтічну форму, а тання при диспергуванні суспензій з підвищеною МІЦНІСЗазначений результат досягається також тим, ТЮ компонентів доцільно виконувати шипи з попещо у пристрої для субмікронного диспергування речним перерізом у формі трикутника, багатокутбагатокомпонентних рідких середовищ, який місника або іншої клиновидної форми, які виконують тить циліндричний корпус із входом і виходом і функції молоткової дробарки кришку корпусу, навколо входу розташована статорна поверхня, напроти якої встановлено ротор, Виконання прорізів на бокових поверхнях назакріплений на валі, що обертається, а між статоступних циліндрів ротора й статора із зменшенням рною поверхнею й поверхнею ротора є перемішуплощі поперечного перерізу від центру до периючі простори, які утворені коаксіальне встановлеферії створюють додаткові руйнуючі діяння на ними циліндрами ротора й статора, які чергуються тверді частинки та їх розтирання між собою, згідно з винаходом циліндри ротора ДОЦІЛЬНІСТЬ виконання вихідної частини корпузакріплені на диску, розташованому у площині, що су у вигляді завитка забезпечує додаткове переперпендикулярна до валу, з утворенням між дисмішування обробленого середовища на виході з ком ротора і статорною поверхнею статорного пристрою простору, на диску ротора закріплені лопатки, зіВинахід пояснюється кресленнями, де на фіг 1 гнуті у бік, протилежний обертанню ротора, перисхематично показано пристрій для субмікронного ферійна частина котрих виконана переважно з диспергування, поздовжній переріз, на фіг 2 зошипами та пазами, висота яких зменшується від бражено диск ротора з лопатками, шипами та папериферії лопатки до центру асі обертання ротора зами в аксонометрії на відстані 0,3-0,5 довжини лопатки, при цьому Пристрій містить циліндричний корпус 1 із шипи у поперечному перерізі мають форму трикувходом 2 і виходом 3 і кришку 4 корпусу 1 Навкотника, багатокутника або іншу форму, а бокові ло входу 2 розташована статорна поверхня 5, наповерхні циліндрів ротора і статора мають еквідипроти якої встановлено диск 6 ротора 7, закріплестантні прорізи ний на валі/ 8, що обертається, з утворенням між диском 6 ротора 7 і статорною поверхнею 5 статоПлоща поперечного перерізу прорізів на бокорного простору 9 Між статорною поверхнею 10 і вих поверхнях наступних циліндрів ротора й стаповерхнею ротора 7 виконані перемішуючі простотора зменшується від центру до периферії ри 11,12,13, які утворені коаксіально встановлениПази на лопатках диска ротора виконані різної ми циліндрами 14,15 ротора 7 і циліндрами 16,17 ширини і з різним кутом нахилу статора, які чергуються між собою Бокові поверхні Вихідна частина корпусу виконана у вигляді циліндрів 14,15 ротора 7 виконані із еквідистантзавитка, ними прорізами 18, а циліндрів 16,17 статора - із У винаході, що заявляється, у процесі диспереквідистантними прорізами 19 На диску 6 ротора гування багатокомпонентного рідкого середовища 7 закріплені лопатки 20, зігнуті у бік, протилежний використовуються ВІДОМІ механічні, акустичні, кавіобертанню ротора 7, периферійна частина котрих таційні, гідродинамічні та ІНШІ фізичні ефекти, одвиконана із шипами 21 та пазами 22, висота яких нак наділення периферійної частини лопаток дисзменшується від периферії лопатки 20 до центру ка ротора шипами та пазами дозволяє осі обертання ротора 7 на відстані 0,3-0,5 довжини турбулізувати потік середовища й створити у пелопатки Шипи 21 у поперечному перерізі мають ремішуючому просторі за лопатками інтенсивні форму трикутника, багатокутника або іншу форму частотні турбулентні пульсації у широкому діапа Спосіб субмікронного диспергування багатокомпонентних рідких середовищ здійснюється у згаданому пристрої наступним чином Потік середовища, що підлягає диспергуванню, через вхід 2 спрямовують у статорний простір 9, де його під дією відцентрової сили, яка створюється лопатками 20, закручують і шипами 21 розділяють його на різноспрямовані струмені, які піддають одночасному механічному, акустичному, кавітаційному діянням і змішують їх між собою Проходячи через пази 22 лопаток 20, які виконано різної ширини і з різним кутом нахилу, із суміші середовища формують різноспрямовані струмені, які турбулізуються, змінюють свій напрямок і змішуються між собою Одночасно з цим струмені додатково піддають гідроакустичній обробці у широкому діапазоні звукових частот за рахунок того, що різна довжина й форма шипів 21 лопаток 20 створює різну частоту їх власних коливань При обтіканні потоком середовища шипів 21 за ними виникають СТІЙКІ вихори і додаткові кавітаційні ефекти з утворенням локальних кавітаційних зон у міжлопатковому просторі ротора 7, особливо на периферійних дільницях лопаток 20 і у просторі між статорною поверхнею 5 і ротором 7 Завдяки цьому тверді компоненти середовища руйнуються, диспергуються і змішуються між собою 3 одержаної суміші струменів на периферії статорного простору 9 утворюють кільцеподібний шар середовища, що обробляється Цей шар середовища при суміщені прорізів 18 циліндрів ротора 7 і прорізів 19 циліндрів статорної поверхні 5 розподіляють на нові струмені, які у просторі 11 між статорною поверхнею 5 і ротором 7 піддаються здрібненню, перемішуванню, диспергуванню і гомогенізації за рахунок миттєві зміни тиску, а також одночасної дії кавітації, тертя, зрушення й зрізу Після цього струмені, що утворилися у прорізах 18 циліндрів ротора 7 і прорізах 19 статорної поверхні 5 спрямовують через прорізи 16,15 циліндрів статорної поверхні й циліндрів ротора і знов утворюють кільцеподібний шар у перемішуючому просторі 12, розподіляють його на нові струмені при проходженні через прорізи 18 циліндрів статорної поверхні Аналогічні деформації середовища, що об 59460 8 робляється, відбуваються і в наступному перемішуючому просторі 13 Одержану в останньому перемішуючому просторі 13 суміш виводять через вихід 3 і знов спрямовують її на вхід 2, далі у першій статорний простір 9 Цикл диспергування й змішування багаторазово повторюють до досягнення заданої дисперсності середовища Завдяки такому здійсненню процесу диспергування, змішування й гомогенізації багатокомпонентних рідких середовищ досягається можливість одержувати суспензії, емульсії, мазі, креми, гелі, тощо з рівномірно розподіленими в них мікро- і наночастинками твердих компонентів, що дозволяє розширити функціональні можливості пристрою Випробування винаходу проводилися на експериментальній установці з використанням описаного пристрою для диспергування, в якому лопатки диска ротора були виконані у формі шипів та пазів Шипи у поперечному перерізі мали форму трикутника Установка працювала по описаному способу Для порівняння було використано реактронний гомогенізатор для диспергування по патенту України №20698 Зразки пристроїв для диспергування мали діаметр циліндрів ротора 120мм при обертанні ЗОООоб/хв , частота пульсацій тиску 3-45кГц Продуктивність експериментальної установки дорівнювала ЮООкг/год Для експериментів використовували стрептоцид і вазелін для одержання 10% мазі стрептоцидової Максимальний розмір кристалів стрептоциду до ЗООмкм Середнє руйнівне механічне напруження становило 2,70МПа, а максимальне 5,32МПа У процесі експерименту визначали - розмір твердих частинок стрептоциду після диспергування, - однорідність мазі Результати дослідження процесу диспергування кристалів стрептоциду і їх розподілення у вазеліновій основі в залежності від часу роботи установки наведено у таблиці Таблиця Вихідний максимальний розмір кристалів стрептоциду, мкм Найменування показників Середній розмір частинок після обробки, мкм Час обробки, хв Відношення ДОВЖИНИ ШИПІВ і пазів до довжини лопатки 15 ЗО 45 60 75 90 Однорідність мазі, % Час обробки, хв 120 150 10 20 ЗО 40 60 150 200 ЗО 50 150 200 ЗО 20 10 5 100 80 60 45 100 80 70 90 70 10 70 80 Пристрій по винаходу, що заявляється 300 300 300 300 0,3 0,5 0,8 1,0 180 185 250 280 300 200 130 150 215 250 90 115 200 230 70 100 185 215 60 90 160 200 50 75 160 200 Пристрій по патенту України №20698 170 140 125 120 110 10 59460 З 1 18 4 19 21 20 7 8 14 161517 22 5 6 11 12 13 Фіг. 1. 21 15 1 22 Фіг. 2. Комп'ютерна верстка О В Кураєв Підписано до друку 06 10 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна