HU199705B

HU199705B - Emulsion making head

Info

Publication number: HU199705B
Application number: HU851825A
Authority: HU
Inventors: Gyula Gati; Istvan Slezak; Zoltan Agoston; Ervin Farkas; Lajos Nadasi; Ernoe Toeroek; Karoly Keszthelyi; Gabor Breitner
Original assignee: Magyar Szenhidrogenipari
Priority date: 1985-05-15
Filing date: 1985-05-15
Publication date: 1990-03-28
Also published as: HUT42345A

Abstract

The head is designed to produce permanent emulsions from non-blending, low- or middle viscosity fluids by mechanical processing. The device consists of a body with cylindrical bore contg. inserts. Between the inserts flow section with varying sizes and shapes producing a flow pattern which achieves the perfect mixing of the two fluids and breaking down of the fluid base to be dispergated. The reqd. operating pressure drop is controlled by a spring loaded valve.

Description

Találmányunk emulzió készítő eszközre vonatkozik, amellyel kis vagy közepes viszkozitású, egymással nem elegyedő folyadékokból nagy diszperzitásfokú emulziót, vagyis homogén rendszert lehet előállítani.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to an emulsion forming device for producing a highly dispersible emulsion, i.e. a homogeneous system, from low or medium viscosity, immiscible liquids.

Homogén rendszerek előállítása egymással nem elegyedő komponensekből a vegyipari alapműveletek közé tartozik, így alapelvei régóta ismeretesek. A mechanikai munkával történő emulziókészítés eszközeit az irodalom négy csoportba sorolja (pl. Paul Becker: Emulziók. Műszaki Könyvkiadó, Budapest 1965). A négy csoportnak igen sok alcsoportja, ezeken belül sok változata van. Ennek megfelelően, a téma szabadalmi irodalma is kiterjedt. (A hivatkozott irodalom 223. oldala.) Az emulzió előállítása gyakran igényel a felhasználási célhoz igazodó, speciális megoldást, ezért az ismert készülékek nem állíthatók minőségi rangsorba. Több alkalmazási területen nagy jelentősége van annak, hogy az előállított emulzió élettartama és diszperzitásfoka minél nagyobb legyen, azaz a diszpergált fázis minél finomabb részecskékből álljon. Lényeges szempont az is, hogy a rendszer előállításának energiafelhasználása minél kisebb legyen. Az egyes változatok közül jobb megoldásnak tekinthető az, amellyel optimális stabilitású emulzió kisebb energiaráfordítással állítható elő, vagy ugyanolyan energiaráfordítással nagyobb stabilitású emulzió nyerhető.The production of homogeneous systems from immiscible components is one of the basic operations of the chemical industry, so its principles have long been known. Literature classifies the tools for the production of emulsion by mechanical work into four groups (eg Paul Becker: Emulsions. Technical Publishing House, Budapest 1965). The four groups have many subgroups, with many variations within them. Accordingly, the patent literature for the subject is extensive. (See p. 223 of the cited literature.) Emulsion preparation often requires a specialized solution tailored to its intended use, and therefore, prior art devices cannot be ranked in quality. In many applications, it is of great importance that the emulsion produced has a longer service life and a degree of dispersion, i.e. the finely divided particles in the dispersed phase. It is also important to minimize the energy consumption of system production. Of the various variants, it is preferable to produce an emulsion of optimum stability with a lower energy input, or to obtain a more stable emulsion with the same energy input.

Hidrodinamikai elven mükődő emulzió készítő berendezést írt le A. Lawson, E. Simons és A.J. Last (National Research Council of Canada Bioenergy, R D Seminar Ottawa, March 26, 1980). Az általuk alkalmazott készülékben a nagy sebességgel áramló, durván előkevert folyadék kúpos térbe kerül, ahol az eltérő kerületi sebességgel forgó folyadékrétegek között fellépő nyíróerők fejtik ki az emulgeáló hatást.A hydrodynamic emulsion preparation apparatus is described by A. Lawson, E. Simons and A.J. Last (National Research Council of Canada Bioenergy, R D Seminar Ottawa, March 26, 1980). In their apparatus, the high-velocity coarse-premixed fluid enters a conical space where shear forces between layers of fluid rotating at different circumferential velocities exert an emulsifying effect.

Ismeretesek olyan homogenizátorok, amelyekben kis nyíláson, nagy nyomással préselik át a komponenseket és ezáltal jön létre emulzió.Homogenizers in which components are pressed through a small orifice at high pressure to form an emulsion are known.

Hidrodinamikai elven mükődő emulziókészítő készüléket ír le a 2 049 456 lsz. angol szabadalom. A készülék, amely a komponens folyadékok arányát szabályozó kettősszeleppel is fel van szerelve, kúpos és hengeres szakaszokból összetett, végig egycsatornás belső áramlási terében kívánja lejátszatni azokat a belső súrlódási-ütközési jelenségeket, melyek azt az összetett hidrodinamikai hatást eredményezik, ami végül az emulzióképzéshez vezet.A hydrodynamic emulsion-forming apparatus is described in U.S. Patent No. 2,049,456. English patent. Equipped with a twin valve for controlling the proportion of component fluids, the device aims to reproduce the internal friction-collision phenomena of the conical and cylindrical sections through a complex single-channel internal flow, resulting in a composite hydrodynamic effect that ultimately results in emulsion formation.

Ennek a korszerű berendezésnek is meg van az a hátránya, hogy tulajdonképpeni emulgeáló része csak fix méretű átáramlási keresztmetszetekkel rendelkezik, nem lehet a feldolgozandó komponenseinek anyagi jellemzőihez illeszkedő vagy az elérni kívánt diszperzitásfoknak megfelelő beállítást vagy szabályozást végrehajtani rajta. Hátránya a 2 fajlagosan nagy energia felhasználása, ami az emulgeáló részben található kényszerűen nagymérvű csatornaszűkítés okozta ellenállásnövekedés következménye.This state-of-the-art device also has the disadvantage that the actual emulsifying part has only fixed flow-through cross-sections and cannot be adjusted or controlled according to the material characteristics of the components to be processed or the degree of dispersion desired. Its disadvantage is the use of 2 high energy, which is due to the increase in resistance due to the forced large channel narrowing in the emulsifying section.

Célunk olyan emulzió előállító eszköz létrehozása volt, amellyel kis vagy közepes viszkozitású (1 —100 cm²/s), egymással nem elegyedő folyadékokból, az ismert megoldásokkal előállíthatónál nagyobb élettartamú, illetve nagyobb diszperzitásfokú emulziót lehet, azonos vagy kisebb fajlagos energiaráfordítással előállítani.The object of the present invention was to provide an emulsion generating device capable of producing an emulsion of low or medium viscosity (1-100 cm ² / s), with immiscible liquids, having a longer lifetime or higher dispersion than the prior art, with the same or less specific energy input.

Szabadalmi bejelentésünk tárgya olyan emulzió előállító fej, amely a fenti célt azáltal éri el, hogy az előbbiekben említett hidrodinamikai elvű működést örvénycsatornákkal és ezt követő szabályozható résen való átnyomással kombinálja.The subject matter of our patent application is an emulsion generating head which accomplishes the above objective by combining the aforementioned hydrodynamic operation with vortex channels and subsequent passage through an adjustable gap.

Találmányunk szerinti készüléknél a kívánt emulziót alkotó komponenseket bevezető csatlakozók a centrálistól párhuzamosan eltolt tengellyel vezetnek egy körcsatornába, amelyből tangenciális csatorna vagy csatornák olyan előkeverő térbe vezetnek, amelyet egy kúpos üreg és vele közös tengelyű, de az előbbinél kisebb kúpszögű kúp palástjai közötti gyűrűkeresztmetszetü tér alkot, melyben a keresztmetszeti gyűrűk az áramlás irányában növekvő átmérőjüek, de — a kúpszögek különbözősége folytán — csökkenő területűek. Az előkeverő tér után csavarvonalvezetésű, spirális csatornákból álló többcsatornás áramlási szakasz következik, amely párhuzamos alkotójú kúppalástok közötti gyürűkeresztmetszetű, keverőtérbe vezet, melynek keresztmetszeti gyűrűi az áramlás irányában csökkenő átmérőjüek és csökkenő területiek. A keverőtér csonkakúp alakú részének legkisebb keresztmetszetéhez hengeres térrész csatlakozik, melynek átmérője megegyezik a legkisebb keresztmetszeti gyűrű külső átmérőjével. A hengeres rész kilépő keresztmetszetét kúpos szabályozószeleppel — a kívánalmak szerint változtatni lehet.In the device according to the invention, the connectors for introducing the components of the desired emulsion lead to a circular channel parallel to the axis offset from which a tangential channel or channels are introduced into a premixing space formed by a conical cavity with a smaller in which the cross-sectional rings are increasing in diameter in the direction of flow but decreasing in area due to the difference in cone angles. Following the premixing space is followed by a spiral-guided, multi-channel flow section consisting of helical channels, leading to a mixing chamber of annular cross-section between conical beams of parallel design, whose cross-sectional rings are decreasing in diameter and decreasing in flow direction. A cylindrical portion having a diameter equal to the outer diameter of the smallest cross-sectional ring is connected to the smallest cross-section of the truncated conical portion of the mixing chamber. The outlet section of the cylindrical part can be varied with a conical control valve - as desired.

A találmány szerinti emulzió készítő, homogenizáló szerkezetét és működését a mellékelt ábrákon látható célszerű kiviteli alak bemutatásával világítjuk meg.The emulsifying, homogenizing structure and operation of the emulsion of the present invention will be illustrated by reference to the preferred embodiment shown in the accompanying drawings.

Az 1. ábra az emulzió készítő fejet hosszmetszetben ábrázolja, a 2. ábra a fej keresztmetszetét mutatja, az 1. ábrán a-a-val jelzett síkban.Fig. 1 is a longitudinal sectional view of the emulsion forming head, Fig. 2 is a cross-sectional view of the head in a plane a-a in Fig. 1.

Az emulzió készítő, homogenizáló fej, mint az 1. ábrán látható, üreges testből, ebben elhelyezkedő betétekből és egy, a testen elhelyezett sapkából tevődik össze. Maga a test három tagból áll, mégpedig az 1 belépőtagból, a 6 középtagból és a 8 zárótagból. Az egyes tagok megfelelően kialakított üregeibe, illetve furataiba illeszkednek a betétek, nevezetesen a homloklapjain kúpos nyúlványokkal ellátott 3 betéttest, ennek kúpos nyúlványait körülfogó 4 bemenő oldali fészek-betét és 5 kilépő oldali fészek-betét, továbbá az utóbbi hengeres furatába ülő 9 szelep, e szelephez tartozó 11 terhelő-rugó és 12 per-2HU 199705 Β sely. A szelephez tartozik a 8 zárótagra csavart 10 sapka is.The emulsion-forming, homogenizing head, as shown in Figure 1, consists of a hollow body, inserts thereon and a cap placed on the body. The body itself is composed of three members, namely the entry member 1, the middle member 6 and the closure member 8. Each member fits into the properly formed cavities or bores of the inserts, namely the insert body 3 with conical projections on its front faces, the inlet side insert 4 and the outlet side insert 5 surrounding its conical projections, and the latter cylindrical bore 11 spring load and 12 per-2HU 199705 Β silks for valve. The valve also includes a cap 10 screwed to the closure member 8.

A 2. ábrán A-val és B-vel jelzett, egymással nem elegyedő folyadékok az 1 belépőtag 2 bevezető csatlakozóin lépnek a fejbe. A bevezetők a 13 körcsatornába torkollnak, melyből a 14 tangenciális furatokon át a 15 előkeverő térbe jutnak a komponensek. A 15 előkeverő tér a 4 betét csonkakúp alakú fészekfuratának és a 3 betéttest ebbe nyúló kúpjának palástjai között jön létre. Kialakítása olyan, hogy a kúppalástok közötti gyűrűs csatorna az áramlás irányába erőteljesen szűkülő keresztmetszetű.In FIG. 2, immiscible liquids A and B enter the head at the inlet 2 of the inlet member 1. The inlets extend into the circular passage 13, from where the components pass through the tangential holes 14 to the premixing space 15. The premixing space 15 is formed between the periphery of the truncated conical bore of the insert 4 and the peripheral cone of the insert body 3. It is designed in such a way that the annular channel between the cone bases has a strongly narrowing cross-section in the direction of flow.

A 3 betéttest középrésze az 1 belépőtag furatába illeszkedő henger, e hengerbe munkált spirális alakú 16 csatornák vezetik tovább a 15 térből az etőkevert folyadékot a 17 keverőtérbe. A nevezett csatornák alakjuknál fogva is módosítják az áramlási képet, miáltal a folyadékban további keveredést és aprózódást eredményeznek. A 17 keverőtér olyan áramlási csatorna, amelyet a kilépőoldali 5 betét kúpos és hengeres furatokból összetevődő ürege és a 3 betéttestnek az 5 betétbe nyúló kúpja együttesen alkot. A 17 keverőtérből távozó emulzió azon a gyűrűalakú, beállítható méretű 18 résen keresztül lép ki a keverőtérböl, amelyet a rugóterhelésű 9 szelep helyzete határoz meg. A viszonylag szűk 18 résen való áthaladáskor fellépő súrlódóerők a diszperz fázis további aprózódását és erőteljes keveredést, következésképpen az emulzió diszperzitásfokának és stabilitásának növekedését eredményezik.The middle part of the insert body 3 is a cylinder which fits into the bore of the inlet member 1, and the spiral channels 16, which are worked in this cylinder, convey the feed liquid from the space 15 to the mixing space 17. These channels, by their shape, also modify the flow pattern, resulting in further mixing and fragmentation in the liquid. The mixing chamber 17 is a flow passage formed by the cone and cylindrical bore of the outlet insert 5 and the cone of the insert body 3 extending into the insert 5. The emulsion leaving the mixing chamber 17 exits the mixing chamber through an annular slit 18 of adjustable size, which is defined by the position of the spring-loaded valve 9. The frictional forces which pass through the relatively narrow gap 18 result in further dispersion of the disperse phase and vigorous mixing, and consequently an increase in the degree of dispersion and stability of the emulsion.

A kész, nagystabilitású emulzió az emulzió készítő fej 6 középtagján kialakított 7 kivezető csatlakozón távozik a fejből. A 9 szelep vezetését a 8 zárótag biztosítja, ebben van kialakítva a 11 terhelő rugó fészke is. A 11 rugó előfeszítését, vagyis a szelepet terhelő erőt, a 12 persely közvetítésével, a menetes 10 zárósapka ki- vagy becsavarásával lehet beállítani. A fej tömítettségét a 19 O-gyűrü és a rejtett 20 tömítőgyűrűk biztosítják.The finished, high-stability emulsion leaves the head via an outlet connector 7 formed on the middle member 6 of the emulsion-forming head. The valve 9 is guided by the closure member 8, which also has a bearing spring 11 for the load. The pre-tension of the spring 11, i.e. the force exerted on the valve, can be adjusted via the bushing 12 by unscrewing or unscrewing the screw cap 10. The sealing of the head is ensured by the O-ring 19 and the hidden sealing rings 20.

Az emulzió készítéshez szükséges mechanikai munkát a fejben a belépő folyadék energiatartalma fedezi, a folyadék-komponenseket tehát nyomással kell bevezetni. Az alkalmazandó nyomás, a folyadékok fizikai állandóitól függően, 0,1—10 MPa, célszerűenThe mechanical work required to make the emulsion is covered in the head by the energy content of the fluid entering, so the fluid components must be introduced by pressure. The pressure to be used, depending on the physical constants of the liquids, is preferably 0.1 to 10 MPa

2—10 MPa között változik. A bevezetett folyadékok hőmérsékletét is a sajátságaiknak megfelelő, a kedvező viszkozitási értékekhez tartozó hőfoktartományban kell tartani, figyelemmel természetesen a fej szerkezeti anyagának hőállóságára. A gyakorlatban legtöbbször —10 és +100^oC közötti belépő hőmérséklettel dolgozhatunk, szerkezeti anyag tekintetében ez nem problematikus hőmérséklet.It varies between 2 and 10 MPa. The temperature of the introduced fluids must also be kept within the temperature range corresponding to their specific viscosity values, taking into account, of course, the heat resistance of the structural material of the head. In practice, in most cases, inlet temperatures of -10 ^° C to + 100 ^° C may be used, which is not a problematic material.

Az előzőekben leírt kiviteli alaknak a felhasználási cél szerint módosított változatai lehetnek. Kettőnél több komponens esetén a 2 jelű bevezető csatlakozók száma a kompo4 nensek számával lehet egyenlő. Lehet és egyes esetekben célszerű a folyadékokat a betápláló szivattyúk után, de még a fejbe való belépés előtt egyesített vezetéken, egyetlen 2 jelű bevezető csatlakozón keresztül bevezetni a 15 előkeverő térbe.The above-described embodiment may be modified according to the purpose of use. For more than two components, the number of input connectors 2 may be equal to the number of components. It may, and in some cases, is desirable to introduce the fluids into the premixing space 15 via a single conduit 2 through a single conduit 2 following the feed pumps but before entering the head.

Az ábrákon bemutatott kiviteli alak tagozódása a könnyebb megmunkálást és az egyszerű szerelhetőséget szolgálja. Természetesen más kivitelben, köztük kisebb darabszámú tagolódással is készíthető a találmány lényegének megfelelő emulzió készítő, homogenizáló fej.The layout of the embodiment shown in the figures is for ease of machining and easy installation. Of course, in other embodiments, including a smaller number of partitions, an emulsion-forming homogenizing head may be provided which is the essence of the invention.

A fentiekben bemutatott, e találmány szerinti emulzió készítő fej mindazoknál a technológiáknál előnyösen alkalmazható, ahol akár a termék felhasználási alakja, akár a feldolgozás technikája miatt két vagy több egymással nem elegyedő folyadékból kell jó eloszlású, pontosabban nagy diszperzításfokú, szétválásra nem hajlamos, illetve nagy élettartamban stabil rendszert, emulziót előállítani.The emulsion forming head of the present invention, as described above, is advantageous in all applications where either product use or processing techniques require two or more immiscible liquids to be well distributed, more particularly to have a high degree of dispersion, non-disintegration, or long life. to produce a stable system, emulsion.

Ilyen felhasználási terület például a tüzeléstechnika, ahol — többek közt — akkor van szükség emulzió készítésre, ha szerves szenynyezést tartalmazó szennyvíz környezetkímélő kezelése céljából a szennyvizet tüzelőolajhoz keverik, az olaj-víz emulziót vezetik az égőbe, melynek lángjában a szennyező komponens is elég.Such applications are, for example, in the field of combustion technology, where emulsion preparation is required, inter alia, by mixing the waste water with fuel oil in an environmentally friendly treatment of organic wastewater, leading to an oil-water emulsion in the burner with a flammable component.

Alkalmas a mezőgazdaságban takarmányelőkészítésre, mikor tej és felmelegített zsír összekeverésével kell tartós emulzió formában, etethető takarmányt készíteni.Suitable for feed preparation in agriculture, when mixing milk and heated fat in the form of a long-lasting emulsion to produce feedable feed.

Legszélesebb az ipari felhasználás skálája. Szinte megszámlálhatatlan a gyártásközi és a végtermék célra történő emulzió előállítás. Álljon itt példának a Hoffmann zsírbontáshoz használható, állati zsiradékból és lágyított vízből álló (pl. 10:1 arányú) emulzió.The widest range of industrial uses. The production of emulsions for in-process and end-use applications is almost innumerable. An example here is an emulsion (e.g., 10: 1) of animal fat and softened water for use in Hoffmann fat decomposition.

A találmány szerinti emulzió készítő fej előnye az ismert mechanikai homogenizáló berendezésekkel, köztük az ismert homogenizáló fejekkel szemben elsősorban az, hogy adott komponensekből kisebb energiaráfordítással állít elő azonos diszperzításfokú emulziót, illetve azonos fajlagos energiafelhasználás esetén a vele előállított emulziók diszperzitásfoka, következésképp élettartama nagyobb.The advantage of the emulsion-forming head according to the invention over the known mechanical homogenizing devices, including the known homogenizing heads, is that it produces an emulsion of the same dispersion with less energy input from the given components and a higher dispersion ratio of the emulsions produced with it.

A találmány lényege az a belső szerkezet, amely a komponensek jó keveredését, a diszpergálandó fázis aprítását eredményező surlódóerőket adó áramlási képet jó energiahasznosítással képes létrehozni. Ezt változó átfolyási keresztmetszeteket sorakoztató kúpos áramlási tereknek perdületet adó csatornákkal való kombinációjával és ezt követő szabályozható átfolyási rés beiktatásával éri el a találmány szerinti emulzió készítő fej.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to an internal structure capable of generating a flow pattern that provides good mixing of components and frictional forces to reduce the phase to be dispersed. This is achieved by combining conical flow spaces with variable flow cross-sections with angular channels and subsequently inserting an adjustable flow gap into the emulsion forming head of the present invention.

Mint az előbbiekből kitűnik, a találmány szerinti fejnek a felhasználási célhoz és/vagy az előállítás technológiájához igazodó változatai lehetnek anélkül, hogy a találmány lényegét megváltoztatnák.As will be apparent from the foregoing, variants of the head of the invention may be adapted to the intended use and / or production technology without altering the spirit of the invention.

Claims

PATENT CLAIMS

An emulsion forming head for mixing two or more liquids, in particular to form and homogenize a highly dispersible emulsion of a liquid having a high degree of dispersion, comprising circular sections of cylindrical and / or conical and annular cylindrical sheaths and / or tapered portions, connecting two or more feed channels for component fluids and an outlet for draining the finished emulsion, characterized in that the external connectors (2), which include the feed channels, run into an orifice (13) parallel to the radial direction and located at right and left centers; from which one or more tangential bores lead to a premixing chamber (15) of annular cross-section, which is formed by a truncated conical cavity and a truncated conical mantle having a conical angle smaller than the former and a space of a flow section consisting of helical channels (16) leading to a circular cross-sectional mixing space (17) delimited by a multi-channel section whose convex circumferential circles are in the direction of descending in the direction of flow, its cross-section is formed by an adjustable gap (18) with a conical control valve (9), which opens into a continuous space in the conductive connection (6).

An emulsion forming head according to claim 1, characterized in that it consists of different sections, a circular groove (13), tangential holes (14), a premixing chamber (15), a spiral channel (16), and a mixing chamber (17). ) the composite internal flow space is formed by one or more interchangeable pads10.

Emulsion forming head according to claim 2, characterized in that the feed side circular channel (13) is tangential to the holes (14).

1g and an outer truncated cone shell defining the premixing space (15) comprises an inlet side insert (4), the helical channels (16) being supported by a cylindrical central insert body (3) having front faces

The projections 20 have truncated conical projections, the periphery of which forms the inner boundary surfaces of the premixing chamber (15) and the mixing chamber (17), while the outer truncated conical border (17) defining the agitating chamber (17) the third is formed in the outlet side insert (5).

4. At-J. Emulsion forming head according to Claim 1, characterized in that the slit (18) has a spring-loaded valve (9) for adjusting it.

Emulsion forming head according to Claim 1, characterized in that the spring-loaded valve (9) has a threaded end cap (10) for adjusting the spring tension of the spring (11).

1 drawing, figure 2