СПОСОБ ГОМОГЕНИЗАЦИИ И ГОМОГЕНИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ОБРАЩЕНИЕМ ПОТОКА
METHOD OF HOMOGENIZATION AND HOMOGENIZING DEVICE WITH FLOW HANDLING

Область техники, к которой относится изобретение
Объектом настоящего изобретения является способ" гомогенизации и гомогенизирующее устройство с инверсией потока.
Уровень техники
Решение, известное из уровня техники и раскрытое в ЕР 0810025 А1, рассматривается как наиболее близкий аналог.
Фактически, настоящее изобретение относится к устройствам для тонкого измельчения текучих сред, в частности, текучих материалов, содержащих частицы в жидком состоянии, агломераты или волокна, то есть продукты, которые являются по существу жидкими и нерастворимыми, однако, обладают тенденцией к образованию фракций, которые являются твердыми или, во всяком случае, имеют различную плотность.
Устройство гомогенизации / тонкого измельчения (ниже термины «гомогенизация» и «тонкое измельчение», а также другие их варианты, используются как синонимы) обычно содержит насос, предпочтительно насос высокого давления с переменным объемом подачи, и гомогенизирующий клапан, имеющий впускное отверстие, соединенное с подающей стороной насоса так, чтобы принимать текучую среду под высоким давлением, и выпускное отверстие для гомогенизированной текучей среды под низким давлением.
Процесс требуемого тонкого измельчения состоит по существу в измельчении указанных частиц с целью минимизации их размеров и получения однородных по размерам частиц.
Для достижения этой цели текучую среду пропускают через проход уменьшенного размера из первой камеры высокого давления (соединенной с подающей стороной насоса) во вторую камеру тонкого измельчения (соединенную с выпускным отверстием клапана).
Данный проход образован проходной головкой, которая неподвижно зажата (и, таким образом, зафиксирована) корпусом клапана и через которую проходит текучая среда, и ударной головкой, выполненной с возможностью осевого перемещения относительно проходной головки. Как правило, проход формируется зазором, образованным между ударной головкой и небольшой проходной головкой.
Текучая среда под высоким давлением в первой камере прижимается к поверхности ударной головки, оказывая на нее давление, которое приводит к расширению прохода. На ударную головку действует толкатель, создающий воздействующее на нее усилие в осевом направлении так, чтобы противодействовать давлению текучей среды.
Таким образом, путем надлежащего управления действиями толкателя можно поддерживать требуемое значение ширины прохода, которое является по существу постоянным и которое можно регулировать в любом случае. Данное усилие должно определяться на основе рабочей скорости потока и уровней давления гомогенизирующего устройства.
Следовательно, когда текучая среда протекает через указанный проход из первой камеры во вторую, текучая среда подвергается действию перепада давления, причем одновременно с этим скорость ее движения увеличивается в соответствии с уравнением сохранения энергии. Подобное ускорение проводит к измельчению частиц текучей среды. Кроме того, как известно, во второй камере расположено ударное кольцо так, что оно преграждает путь двигающейся с ускорением текучей среды; таким образом, текучая среда соударяется на высокой скорости с ударным кольцом, что вносит дополнительный вклад в измельчение частиц. Ударное кольцо также защищает от износа камеру, в которой происходит соударение.
В целом, существует потребность в оптимизации энергии, используемой в процессе гомогенизации, то есть при одинаковой энергии, прилагаемой к текучей среде, существует потребность в получении наилучшего возможного результата при гомогенизации текучей среды, в описанных выше терминах, или такого же результата при попытке уменьшить количество используемой энергии (величину давления).
В известном из уровня техники решении, описанном выше, продукт по существу проходит через расширяющийся тороид (фиг. 1 и 2, где показано известное из уровня техники устройство), а гомогенизирующий эффект обеспечивается посредством увеличенного измельчающего усилия, воздействующего на продукт по мере его прохождения из центрального канала далее за пределы тороида.
Однако значительное количество энергии бесполезно расходуется на этапе гомогенизации и тонкого измельчения и превращается в тепло, что является основной причиной низкой производительности устройств гомогенизации высокого давления.
В документе ЕР 0850683 А1 раскрыто устройство формирования тонкодисперсных частиц, причем, в соответствии с третьим вариантом, описанном в указанном документе, между насосом высокого давления и устройством формирования тонкодисперсных частиц дополнительно установлен модуль предварительной обработки. Указанный третий вариант должен быть интегрирован в главное устройство или в первый вариант (система с неизменными геометрическими характеристиками и постоянной скоростью сдвига, которая в значительной степени отличается от настоящего изобретения) либо соединен с ними, и не может использоваться в качестве автономного устройства.
В документе US 2004/160855 раскрыто гомогенизирующее устройство, содержащее впускное отверстие для текучей среды под давлением, зону гомогенизации, выпускное отверстие для текучей среды под низким давлением, причем в зоне гомогенизации текучая среда проходит из зоны, имеющей больший диаметр, в зону, имеющую меньший диаметр. Зона гомогенизации содержит взаимодействующий элемент, являющийся общим для первой ступени, оснащенной первой отклоняющей заглушкой, и второй ступени, предназначенной для создания противодавления и имеющей вторую отклоняющую заглушку.
Однако, указанное устройство имеет недостаточную эффективность, а отклоняющие заглушки не выполнены с возможностью независимого регулирования.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в устранении указанных выше недостатков и в создании усовершенствованного способа гомогенизации - тонкого измельчения и соответствующего устройства, позволяющих уменьшить потери энергии и, следовательно, обеспечивающих их большую эффективность.
Другая задача состоит в достижении этого посредством «автономного» устройства, выполненного с возможностью уменьшения размера частиц без необходимости наличия дополнительного оборудования на входе или выходе.
Краткое описание чертежей
Указанные задачи выполнены посредством способа гомогенизации -тонкого измельчения и соответствующего устройства, составляющих объект настоящего изобретения и охарактеризованных в формуле изобретения, приведенной ниже.
В частности, нормальный поток продукта реверсирован, то есть выпускное отверстие согласно решениям уровня техники представляет собой впускное отверстие для продукта в настоящем изобретении, а впускное отверстие согласно решениям уровня техники представляет собой в настоящем изобретении выпускное отверстие.
Кроме того, устройство, представляющее собой устройство автономного типа, имеет две ступени (образуемые отклоняющими заглушками), причем указанные две ступени имеют общий взаимодействующий элемент, а вторая ступень предназначена для создания противодавления.
Отклоняющие заглушки взаимодействуют с общим для них взаимодействующим элементом, увеличивая скорость сдвига и противодавление внутри первой ступени.
Эта и другие характеристики очевидны из приведенного ниже описания предпочтительного варианта осуществления изобретения, проиллюстрированного, исключительно с помощью не ограничивающего примера, на прилагаемых чертежах, на которых:
- на фиг. 1 и 2 показан гомогенизирующий клапан, известный из уровня техники, с указанием линий потока продукта, в продольном и поперечном разрезе, соответственно;
- на фиг. 3 показан график изменения скорости сдвига (измельчающего усилия) клапана, известного из уровня техники;
- на фиг. 3А, 3В и 3С показаны графики изменения скорости сдвига (измельчающего усилия) гомогенизирующего устройства, представляющего собой объект настоящего изобретения, в соответствии с тремя различными вариантами осуществления изобретения;
- на фиг. 4 в продольном разрезе показан гомогенизирующий клапан согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 5А, 5В, 5С и 5D показан клапан, изображенный на фиг. 4, в разрезе по линии А-А, в разрезе по линии В-В, в разрезе по линии С-С и в разрезе по линии D-D, соответственно;
- на фиг. 6, 7, и 8 в увеличенном размере показаны виды, изображенные на фиг. 4 и 5, с указанием линий потока;
- на фиг. 9А, 9В, 9С и 9D показан вид, изображенный на фиг.8, согласно вариантам сочетаний взаимодействующего элемента и первой отклоняющей заглушки, с указанием линий потока текучей среды;
- на фиг. 10 и 10а показан вариант, в котором противодавление создается посредством калиброванного отверстия;
- на фиг. 11 показан вариант, в котором противодавление создается путем последовательной установки двух устройств или двух «первых ступеней»;
- на фиг. 12 показан отдельный вариант с использованием пневматических цилиндров.
Осуществление изобретения
Зоны высокого давления и зоны низкого давления обозначены на чертежах символами HP и LP, соответственно, а обозначение BP используется для зон противодавления.
На прилагаемых чертежах номер позиции 1 обозначает гомогенизирующее устройство или клапан в целом, снабженные впускным отверстием 2 для подачи текучей среды, предназначенной для гомогенизации.
Текучая среда может - представлять собой, например, эмульсию (жидкости в жидкостях, не поддающиеся смешиванию и зачастую имеющие различную плотность), суспензию (порошки в жидкостях, не поддающиеся смешиванию и зачастую имеющие различную плотность), либо коллоидную систему (жидкости в несмешивающихся жидкостях или твердых веществах с размерами частиц менее 1 мкм).
В данном клапане поток продукта, поступающий из впускного отверстия 2 под заданным давлением (обычно, под высоким давлением), попадает в тороидальную камеру 3 в направлении зон гомогенизации, обозначенных номерами позиций 4, 6, 7, 13 и 14.
Кольцевая камера 3 вмещает в себя толкатель 5, управляемый посредством соответствующих приводов и содержащий на своем конце отклоняющую заглушку 6 (называемую «регулируемой отклоняющей поток заглушкой»), регулятор скорости сдвига (скорости измельчения) или отклоняющую заглушку для калибровки измельчающего усилия.
В новом решении задача отклоняющей заглушки, вместе с взаимодействующим элементом, состоит в отклонении потока от продольного направления к наружному и концентрическому, радиальному направлению к внутренней части. Кроме того, посредством данного устройства можно повышать интенсивность обработки по существу без изменения геометрических характеристик, что отличает данную систему, таким образом, камера с круглым или аналогичным основанием сужается над концентрической камерой, также имеющей круглое или аналогичное основание, но меньший объем.
Процесс гомогенизации происходит в зоне 4, 6, 7, 13 и 14 гомогенизации, после чего в зазоре имеет место перемещение, которое, инновационным и оригинальным образом, происходит снаружи вовнутрь, то есть из зоны, имеющей больший диаметр (или больший объем) в зону, имеющую меньший диаметр (или меньший объем): в заключение система взаимодействует с противодавлением, создаваемым второй отклоняющей заглушкой 12, которая, обеспечивая необходимое противодавление, участвует в управлении скоростью сдвига и стабилизирует работу всего устройства; обеспечивая функциональную полноту его конфигурации.
Тонкое измельчение / гомогенизация представляет собой процесс, который начинается в зоне 4 и продолжается до достижения зоны низкого давления или выпускного отверстия 10, после зоны противодавления, причем все эти зоны расположены в едином устройстве, выполненном с возможностью генерировать падение давления и, таким образом, противодавление.
Номер позиции 7 обозначает как зазор (пустое пространство на фиг. 8), так и направление (путь прохождения) 4 (фиг. 7) снаружи вовнутрь, который проходят частицы в зоне активной гомогенизации.
Задача взаимодействующего элемента 9, также называемого «элементом отклонения потока» или «содействующим элементом», взаимодействующего с обеими отклоняющими заглушками 6 и 12, состоит, вместе с отклоняющей заглушкой 6, в отклонении потока с наружной стороны круговой секции внутрь, внося таким образом вклад в формирование характеристической кривой скорости сдвига. Кроме того, вместе с отклоняющей заглушкой 6, он перемещает поток в направлении взаимного соударения, благодаря более ограниченному объему.
Элементы 6 и 9, взаимодействующие друг с другом, не обязательно параллельны друг другу. Фактически, конфигурация взаимного расположения обращенных друг к другу поверхностей элементов 6 и 9 совершенствуется до достижения оптимальной кривой скорости сдвига, которая позволяет максимизировать эффективность процесса гомогенизации. Все это основывается на типе продукта, проходе, формируемом между элементами 6 и 9, а также скорости потока, которую собираются использовать.
Наклон (фиг. 9А, 9В, 9С и 9D) поверхностей может быть следующим:
- обе поверхности сходятся (фиг. 9А) симметрично в направлении центральной зоны (поверхности сближаются);
- сходится только отклоняющая заглушка 6, по отношению к «параллельности» взаимодействующего элемента 9 (фиг. 9В); либо наоборот, сходится только поверхность взаимодействующего элемента по отношению к «параллельности» элемента отклоняющей заглушки 6;
- обе поверхности расходятся (фиг. 9С) (расстояние между поверхностями увеличивается в направлении центральной зоны);
- расходится только отклоняющая заглушка 6, по отношению к «параллельности» взаимодействующего элемента 9 (фиг. 9D); либо наоборот, расходится только поверхность взаимодействующего элемента по отношению к «параллельности» отклоняющей заглушки 6.
Использование регулируемого взаимодействующего элемента, общего для двух ступеней (первая ступень с первой отклоняющей заглушкой 6, вторая ступень со второй отклоняющей заглушкой 12) позволяет увеличить срок эксплуатации элемента в два раза по сравнению с элементами стандартных конфигураций, поскольку взаимодействующий элемент 9 выполнен реверсивным (то есть двусторонним) благодаря тому, что значения диаметров отклоняющих заглушек 6 и 12, а значит и создаваемых ими следов износа, являются различными (фиг. 8).
Взаимодействующий элемент 9 может содержать, частично или полностью, отдельную секцию, сужающуюся и затем расширяющуюся, которая может обеспечивать большую скорость в направлении выпускной кромки вкладыша, то есть в направлении центрального отверстия (сопло Лаваля).
На своем пути внутри клапана текучая среда сталкивается с отклоняющей заглушкой 6 и взаимодействующим элементом 9 по существу одновременно.
После этапов гомогенизации 4-7 продукт направляется к выпускному отверстию 10, которое по существу образовано другим зазором, предусмотренным между взаимодействующим элементом 9 и седлом второй отклоняющей заглушки 12.
На выходе 10 потенциальная энергия продукта ниже, чем его потенциальная энергия на входе 2.
Отличительная особенность данного способа состоит прежде всего в том, что тонкое измельчение имеет место благодаря использованию взаимодействующего элемента вместе с двумя отклоняющими заглушками, что позволяет выполнять преобразование потенциальной энергии (давления) системы в скорость и, следовательно, дает возможность формирования определенной кривой скорости сдвига в течение всего процесса тонкого измельчения, причем подобная кривая изменения скорости сдвига обеспечивает высокую эффективность.
Преобразование давления в скорость вдоль пути перемещения частиц представляет собой особый интерес: в конфигурации, известной из уровня техники (см. график на фиг. 3), имеет место изменение от высокой скорости сдвига к низкой скорости сдвига, связанное с геометрическими характеристиками, которые имеют тенденцию к увеличению (имеется в виду увеличение полезного объема клапана).
Однако в инновационной конфигурации согласно настоящему изобретению скорость сдвига возрастает до тех пор, пока она не достигнет максимального значения на выпускной кромке (в направлении центрального отверстия), причем данный процесс, несомненно, является более эффективным с точки зрения использования энергии, в особенности для продуктов, поддающихся измельчению в направлении удлинения. Основным логическим результатом этого является увеличение скорости сдвига, поскольку объем, в котором протекает продукт, становится более ограниченным.
Использование интегрированной системы противодавления в гомогенизирующем устройстве приводит к созданию направленного потока, который подвержен меньшим микрофлуктуациям, что более эффективно с точки зрения уменьшения потерь энергии.
Рассеяние энергии в центре в большей степени способствует тонкому измельчению, нежели рассеяние энергии наружу на ударном кольце, что усиливает эффект тонкого измельчения.
Когда отклоняющие заглушки 6 и 12 надежно интегрированы и связаны с взаимодействующим элементом 9, возрастает относительная скорость перемещения текучей среды по радиально расположенным каналам, которые сходятся в центральной точке взаимодействующего элемента и, таким образом, энергия столкновения и ее влияние на результат гомогенизации существенно увеличиваются.
2
Принимая во внимание уравнение кинетической энергий E=1/2mv, получаем, что увеличение скорости столкновения (получаемое по сумме векторов), например, вдвое, дает эффект, который в четыре раза превосходит результаты, получаемые с использованием известных способов (значение скорости возводится в квадрат).
С учетом дисперсии (твердые частицы) при столкновениях увеличивается вероятность соударения на этапе дисперсии, в результате чего в процесс измельчения будет вовлечено большее количество энергии.
Преимущество данного явления состоит в том, что оно позволяет исключить использование ударного кольца (8 на фиг. 1), которое является существенным элементом гомогенизирующих клапанов известного типа.
При этом, если рассмотреть дисперсную фазу жидкости, то использование преобразования давления в скорость, при котором градиент скорости сдвига скорее увеличивается, чем уменьшается, или остается постоянным, а затем снова увеличивается во второй части системы, обладает еще большими преимуществами.
Настоящее устройство сначала обеспечивает удлинение этапа тонкого измельчения, чтобы затем измельчать частицы продукта благодаря избытку измельчающего усилия; измельчающее усилие, начинающее действовать от впускного отверстия устройства и достигающее максимальной интенсивности, является подготовительным для конечного этапа тонкого измельчения, выполняемого в зоне 4 и посредством элементов 6, 7, 13 и 14. В решениях, известных из уровня техники, значительное количество энергии превращается в тепло, и, в значительной степени, не используется для измельчения частиц.
Настоящее изобретение может применяться на машинах всех типов, с большой или малой пропускной способностью и рабочим давлением, которое, в соответствии с уровнем техники, изменяется от 0 до 200 МПа.
Настоящее изобретение обеспечивает лучшую гомогенизацию продукта и позволяет уменьшить износ элементов клапана тонкого измельчения.
Фактически, ударное кольцо 8 может быть, в итоге, заменено простой распорной деталью, которая, в отличие от ударного кольца, не подвержена износу при том условии, что частицы, двигающиеся с большой скоростью, не сталкиваются с ней. Ожидаемый результат состоит в том, что, если исключить использование ударного кольца, энергия, которая в решениях, известных из уровня техники, затрачивается на разрушение этого компонента, теперь используется для повышения эффективности процесса гомогенизации.
Изменяющаяся скорость потока, связанная с использованием насосов вытеснения с одним или более поршнями, приводит к образованию непостоянного потока; использование гомогенизирующих устройств и устройств тонкого измельчения, управляемых упругими системами, пружинами 20 (фиг. 11), пневматическими цилиндрами 21 (фиг. 12) или специально сконструированными и рассчитанными эквивалентными устройствами, позволяет непрерывным образом изменять значения высоты зазора между взаимодействующим элементом 9 и отклоняющими заглушками 6 и 12.
В определенном смысле они изменяются в соответствии с кривой скорости потока, увеличивая эффективность системы. Другими словами, они динамически и непрерывно адаптируются к колебаниям скорости потока.
Противодавление, возникающее в результате взаимодействия взаимодействующего элемента 9 и отклоняющей заглушки 12, может быть создано в соответствии с тремя различными режимами:
- противодавление, создаваемое стандартным регулируемым образом (фиг. 8), как описано выше;
- противодавление, создаваемое посредством нерегулируемого калиброванного отверстия (фиг. 10-10а);
- противодавление, создаваемое путем установки двух устройств или двух «первых ступеней» последовательно (фиг. 11).
Отдельная конфигурация содержит конфигурацию с «соплом Лаваля», расположенным в направлении выпускной кромки первой зоны взаимодействия (в направлении центрального отверстия). «Сопло Лаваля» здесь предназначено для сужения сечения (проход между взаимодействующим элементом 9 и отклоняющей заглушкой 6) и последующего расширения (взаимодействующий элемент конической формы, как показано).
Увеличение скорости сдвига во время перемещения текучей среды до достижения максимального значения и формирование характеристической кривой, увеличение скорости соударения в центральной зоне взаимодействующего элемента, общего для обеих отклоняющих заглушек, и противодавление, создаваемое одновременно посредством того же взаимодействующего элемента и «сопла Лаваля», представляют собой основные инновационные составляющие настоящего изобретения, связанные с конкретными геометрическими характеристиками клапана и с конкретным направлением потока.
Отклоняющие заглушки согласно настоящему изобретению выполнены с возможностью их независимого регулирования, что позволяет изменять интенсивность обработки по существу без изменения геометрических характеристик клапана.
Как показано на фиг. 3А, 3В и 3С, на которых приведены графики кривой изменения скорости сдвига (измельчающего усилия) в гомогенизирующем устройстве, представляющем собой объект настоящего изобретения в соответствии с тремя различными вариантами его осуществления, скорость сдвига вначале возрастает во всех трех режимах в первой ступени, тогда как во второй ступени она может уменьшаться (фиг. 3А), оставаться по существу постоянной (фиг. 3В) или увеличиваться (фиг. 3С).
В различных вариантах осуществления изобретения номером позиции 13 обозначен канал с промежуточным давлением или канал противодавления, тогда как номером позиции 14 обозначен путь перемещения с зазором, который является частью второй ступени и аналогичен пути перемещения 4 с зазором 7 первой ступени.
Во взаимодействующем элементе 9 предусмотрено отверстие, причем данное отверстие в концевой части расходится раструбом (то есть оно расширяется), а отклоняющие заглушки 6 и 12 выполнены с возможностью независимого регулирования для изменения интенсивности обработки по существу без изменения геометрических характеристик клапана.
В настоящем документе приведены некоторые экспериментальные данные в качестве подтверждения преимуществ настоящего изобретения, заключающихся в следующем: для получения тех же результатов используется меньшее давление / меньшее количество энергии и, следовательно, возрастает эффективность.