способ получения эмульсии и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения эмульсий, включающий распыление материала дисперсной фазы в материал непрерывной фазы эмульсии, отличающийся тем, что из материала непрерывной фазы формируют несколько потоков пены разной кратности и дисперсности, направленных с разных сторон и с разной скоростью на поток распыленного материала дисперсной фазы, после чего отводят потоки пены для гашения и выделения фракций эмульсии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при распылении материала дисперсной фазы производят многократное дробление материала в распылителе.

3. Устройство для получения эмульсии, содержащее герметичный сосуд с крышкой, распылитель материала дисперсной фазы эмульсии, средство подвода материала дисперсной фазы эмульсии, средство подвода материала дисперсной и непрерывной фаз эмульсии, отличающееся тем, что распылитель выполнен в виде вращающегося диска с зубцами по периферии, устройство снабжено пеногенератором и пеногасителем кольцеобразной формы, расположенными соосно, распределителем материала непрерывной фазы эмульсии и газа, средствами регулирования скорости подачи материала непрерывной фазы эмульсии и газа, сборник эмульсии снабжен трубопроводами для отвода газа со средствами регулирования давления газа и соединен с пеногасителем.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено по меньшей мере двумя дополнительными пеногенераторами, расположенными соосно, один из которых установлен в крышке герметичного сосуда, а другой в корпусе сосуда.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено по меньшей мере одним дополнительным пеногасителем вакуумного типа, образованным двумя соседними кольцами, выполняющими функцию направляющих пены.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что распылитель дисперсной фазы эмульсии снабжен по меньшей мере одним дополнительным диском с зубцами по периферии, установленным под первым диском соосно с ним с возможностью вращения в противоположном направлении.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что диаметр нижнего диска распылителя больше диаметра верхнего диска, а рабочая поверхность зубцов ориентирована перпендикулярно к плоскости вращения диска.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что распылитель снабжен дополнительным двигателем для вращения второго диска.

9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным сборником эмульсии.

10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что пеногенераторы выполнены по типу воздушно-механических и снабжены комплектом сеток с ячейками разной величины.

11. Устройство по п.5, отличающееся тем, что кольца пеногасителей установлены с возможностью смещения друг относительно друга по вертикали и образуют регулируемые по величине щели пеногашения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу и устройству для непрерывного получения эмульсий из взаимно нерастворимых и несмешивающихся жидкостей, одна из которых в виде частиц дисперсной фазы находится в другой непрерывной фазе, и предназначено для использования преимущественно в химической, фармацевтической и пищевой промышленности.

Широко известно, что качество эмульсии зависит от размеров частиц ее дисперсной фазы.

В настоящее время для получения высокодисперсной эмульсии применяют предварительное механическое перемешивание исходных компонентов эмульсии, а затем повышают дисперсность этой смеси путем пропускания ее сквозь узкую щель под воздействием высокого давления.

Реализация такой технологии сопряжена с большими затратами энергии, опасностью загрязнения эмульсии продуктами износа рабочих элементов конструкции и деструкции материалов эмульсии под воздействием высокого давления. Проведенные расчеты показывают, что потери энергии в щели клапанного гомогенизатора достигают 440 мегаватт на 1 кг обрабатываемого материала [1]

В то же время для диспергирования жидкости в воздушном распылителе расход энергии на 1 кг жидкости находится в пределах нескольких десятков ватт [2]

Исходя из сказанного выше, наиболее предпочтительным представляется технология изготовления эмульсии путем распыления материала дисперсной фазы эмульсии в газовой среде с последующим контактом полученных частиц с пленкой из жидкости непрерывной фазы эмульсии.

Наиболее близким по технической сущности к описываемому является способ смешивания жидкостей, согласно которому жидкость, диспергируемая форсункой высокого давления, орошает сплошную пленку другой жидкости, равномерно распределенную по поверхности направляющих плоскостей специальной формы [З]

Устройство для осуществления этого способа содержит корпус с патрубком для ввода жидкости непрерывной фазы, форсунку для распыления жидкости дисперсной фазы и смесительный элемент в виде поверхности сложной формы для обеспечения равномерного распределения материала непрерывной фазы в тонкую сплошную пленку.

Применяемая в этом изобретении жидкостная форсунка образует полидисперсный факел распыла. При этом крупные частицы дисперсной фазы, преодолевая расстояние от распылителя до пленки, внедряются в нее, образуя смесь, которая стекает по стенкам сосуда в приемник, в то время как мельчайшие частицы распыла затормаживаются газом вблизи зоны распыления, образуя облако тумана, и не соприкасаются с пленкой непрерывной фазы эмульсии.

В результате описанного процесса получают смесь, где средняя дисперсность частиц находится в пределах 100-500 мкм.

Техническим эффектом в изобретении является повышение дисперсности эмульсии без воздействия высокого давления на ее компоненты, а также уменьшение разброса размеров частиц в процессе приготовления эмульсии.

Указанный эффект достигается тем, что в способе получения эмульсии, включающем распыление материала дисперсной фазы в газовой среде, содержащей материал непрерывной фазы, согласно изобретению из материала непрерывной фазы формируют несколько потоков пены разной кратности и дисперсности, направленных с разных сторон и с разной скоростью на поток распыленного материала дисперсной фазы, после чего потоки пены отводят для гашения и выделения фракций эмульсии. При распылении материала дисперсной фазы его дробление производят многократно путем многократного соударения частиц с рабочей поверхностью распылителя.

Эффект достигается также тем, что в устройстве для получения эмульсий, содержащем герметичный сосуд с крышкой, распылитель материала дисперсной фазы эмульсии, средства подвода материала дисперсной и непрерывной фазы эмульсии и сборник эмульсии, согласно изобретению распылитель выполнен в виде вращающегося диска с зубцами по периферии, устройство снабжено пеногенератором и пеногасителем кольцеобразной формы, расположенными соосно, распределителем материала непрерывной фазы эмульсии и газа, средствами регулирования скорости подачи материала непрерывной фазы эмульсии и газа со средствами регулирования давления газа, сборник эмульсии снабжен трубопроводами для отвода газа со средствами регулирования давления газа и соединен с пеногасителем.

Для повторного дробления частиц дисперсной фазы эмульсии распылитель снабжен по меньшей мере одним дополнительным диском с зубцами по периферии, установленным под первым диском соосно с ним и с возможностью вращения в противоположном направлении с помощью отдельного привода. Встречное движение дисков распылителя обеспечивает повышенную степень диспергирования частиц в струе дисперсной фазы. При этом диаметр нижнего диска распылителя больше диаметра верхнего диска, а рабочая поверхность зубцов ориентирована перпендикулярно плоскости вращения дисков.

Для уменьшения разброса размеров частиц в конечном продукте путем разделения эмульсии на фракции в процессе изготовления эмульсии предлагаемое устройство снабжено по меньшей мере одним дополнительным пеногенератором, расположенным по окружности соосно с основным пеногенератором, соответственно одним дополнительным пеногасителем вакуумного типа, образованным двумя соседними кольцами, выполняющими функцию направляющих пены, и одним дополнительным сборником эмульсии.

Для захвата мельчайших частиц из нижней части облака, образовавшегося вокруг распылителя, под диском расположен второй, дополнительный комплект пеногенераторов.

Для достижения гомогенности потоков пены пеногенераторы выполнены по типу воздушно-механических и снабжены комплектами сеток.

Кольца пеногасителей установлены с возможностью смещения относительно друг друга по вертикали, что позволяет регулировать размер щели для создания необходимого перепада давления для пеногашения, а также позволяет регулировать режим гашения пены и отсоса эмульсии.

На фиг.1 представлена общая схема устройства в разрезе (вид сбоку); фиг. 2 совмещенный вид устройства сверху с крышкой (сверху) и без крышки (снизу); фиг.3 схема конструкции пеногенераторов и пеногасителей в разрезе (вид сбоку); фиг.4,5 схема действия распылителя.

Устройство для получения эмульсий содержит корпус 1 и крышку 2, соединенные между собой через уплотнение. На крышке установлены три комплекта пеногенераторов 3, 4, 5, расположенных по окружности на заданном расчетами расстоянии от края диска 5 распылителя, смонтированного на двигателе 7, и четыре форсунки 8, направляющие диспергируемый материал на распылитель. В корпусе устройства установлен второй двигатель 9 с вторым диском 10 распылителя, под которым размещены дополнительный комплект пеногенераторов 11, пять колец направляющих пеногасителей 12, образующих четыре щели пеногашения, под которыми расположены четыре сборника 13 для накопления фракций эмульсии, которые сливаются через патрубки 14. Для отвода газа из сборников эмульсии 13 предусмотрены трубопроводы 15 с вентилями. Вне устройства находятся воздушный насос 16, соединенный с одной стороны с трубопроводами 15, а с другой с входом распределителя 17, распределяющего газ и жидкость непрерывной фазы по пеногенераторам; емкость 18 с раствором эмульгатора непрерывной фазы, подаваемого по трубопроводам 19 с вентилями к форсункам 20 пеногенераторов; емкость 21 с диспергируемым материалом, подаваемым по трубопроводам с вентилями 22 к форсункам 8, направленным на зубцы дисков распылителя; баллон 23 с рабочим газом, соединенный с емкостями 18 и 21 через редуктор 24 и вентили 25 и 26, регулирующие давление в емкостях 18 и 21. В комплектах пеногенераторов 3, 4, 5 вмонтированы патрубки 27 для ввода газа и комплект мелкоячеистых сеток 28 для образования пены.

Устройство работает следующим образом.

Рабочий газ, необходимый для насыщения эмульсии, из баллона 23 через редуктор 24 и вентиль 26 поступает в емкость 21 с жидким диспергируемым материалом, который со скоростью подачи, регулируемой вентилями 22, распределяется по форсункам 8, из которых отдельными струями направляется на зубцы верхнего диска 3 распылителя, приводимого во вращение двигателем 7. Под воздействием импульса соударения струи жидкости о зубцы диска 5 распылителя происходит дробление струи на капли разного размера, из них крупные капли отражаются от зубцов диска 5 и направляются на зубцы второго диска 10, вращаемого двигателем 9 в направлении, противоположном вращению диска 5. В результате воздействия на капли жидкости встречного движения зубцов разных дисков капли диспергируются до субмикронных размеров и образуют облако тумана в зоне распыления. Это облако, захватывается с дисков 6 и 10 распылителя двумя потоками пены, направляемыми из комплектов пеногенераторов 3 и 11, расположенных вблизи дисков 5 и 10 распылителя, а более крупные капли отбрасываются центробежной силой распылителя в сторону наружных стенок крышки 2 устройства. Капли разных размеров, обладающие разным запасом кинетической энергии, полученной от центробежных сил вращающегося диска распылителя, пролетая расстояние от зубцов дисков 5 и 10 распылителя до стенок крышки 2 устройства, пересекают несколько потоков пены различной кратности, вязкости, ширины и направления движения, тормозятся ими и увлекаются в сторону пеногасителей 12.

Действуют пеногенераторы следующим образом. Рабочий газ из баллона 23 через редуктор 24 и вентиль 25 поступает в емкость 18 с раствором эмульгатора, который со скоростью, регулируемой вентилями 19, распределяется по форсункам 20 пеногенераторов, где орошает верхнюю из комплекта сеток 28 пеногенераторов 3, 4 и 5, образуя на них пленку раствора эмульгатора. Одновременно через патрубок 27 в пеногенераторы поступает рабочий газ из распределителя 17, в который этот газ нагнетается воздушным насосом 16. Поступивший газ продавливает пленку раствора эмульгатора, образуя первичную пену. Проходя через несколько слоев сеток с различными по размерам ячейками, пена становится гомогенной и равномерно распределяется по всему сечению пеногенератора. Вытекая из каждого кольца пеногенераторов, она образует сплошной цилиндрический поток, который на своем пути пересекает поток частиц материала, рассеиваемого распылителем, и, захватывая с собой частицы этого материала, опускается на направляющие пеногасителей 12 и всасываются в щели пеногашения, где происходит гашение пены с помощью вакуума, создаваемого насосом 16. После гашения пены эмульсия поступает в сборники 13 и отсюда выпускается через патрубки 14, а освободившийся газ отсасывается насосом 16 и направляется в распределитель 17 для повторного использования. Манипулируя вентилями распределителя 17 и вентилями на трубопроводах 15, отводящих газ из пеногасителей, можно создавать требуемый по режиму перепад давления как в зоне пеногенератор-пеногаситель, так и в устройстве в целом по отношению к давлению в окружающей среде, что позволяет изолировать обрабатываемые материалы и готовую продукцию от воздействия внешней среды.

Изобретение позволяет осуществлять непрерывно-поточный режим производства эмульсии, легко доступный для автоматизации процесса, вместо многократно-повторных циклов обработки отдельных порций эмульсии, применяемых в настоящее время, исключить из цикла производства эмульсии по крайней мере две вспомогательные операции: дозировку и предварительное перемешивание исходных материалов, неизбежные в существующем производстве эмульсий, осуществить полный цикл обработки, начиная от операции подачи исходных материалов до получения готовой эмульсии, в герметичной системе в среде защитного или технологического газа, обеспечить минимальный расход этого газа за счет многократного цикличного использования одной и той же порции газа в течение всего периода работы устройства, совместить в одном процессе операции дозировки исходных жидкостей, их диспергирования, перемешивания и классификации по размерам дисперсных частиц.

Пример конкретного выполнения.

10 -ный раствор проксанола (эмульгатор) подают из емкости 18 под давлением 2 атм к пеногенераторам 3 и 4 диаметром 50 мм, снабженным пакетами сеток с окнами от 400 до 60 мкм и размещенным по двум концентрическим окружностям на расстоянии 10 и 50 мм от края диска распылителя.

Из емкости распределителя 17 к пеногенераторам подают инертный газ аргон.

К первому кольцу пеногенераторов 3 раствор проксанола подают со скоростью 20 мл/мин, а газ ее скоростью 2 л/мин, что обеспечивает получение пены кратностью 100. Скорость подачи проксанола к второму кольцу пеногенераторов 4 составляет 60 мл/мин и газа 1 л/мин, что дает образование пены кратностью 17.

Перфторуглерод плотностью 2 из сосуда 21 под давлением 15 атм подают на зубцы верхнего диска 6 распылителя диаметром 120 мм, вращаемого со скоростью 17000 об/мин. Мельчайшие частицы из полученного распыла перфторуглерода, окружающего зубцы диска 6 распылителя, захватываются потоком пены от кольца пеногенераторов З, а частицы большего размера, проходя первый поток пены, попадают на зубцы второго диска 7 распылителя диаметром 160 мм, вращаемого с той же скоростью в противоположном направлении, и подвергаются вторичному дроблению. Частицы перфторуглерода, не захваченные первым потоком пены, достигают второго потока пены и захватываются им.

Каждый из потоков пены с частицами перфторуглерода опускается на наклонные плоскости направляющих пеногасителей 12 в щели пеногашения, где под воздействием вакуума, создаваемого водокольцевым насосом 16 типа ВВН-1,5 М, пена разрушается и выделяющаяся из нее эмульсия поступает в приемные флаконы 13.

Исследование образцов эмульсии на степень дисперсности проводили на счетчике Коультера и контролировали по микрофотографии с увеличением в 500 раз. Измерения показали, что эмульсия, полученная из потоков пены первого ряда пеногенераторов 3, содержала до 95% частиц размером 1,2 2,5 мкм, а эмульсия, полученная из пены второго ряда пеногенераторов 4, содержала частицы размером от 2 до 10 мкм.