PL234574B1

PL234574B1 - Colloid mill

Info

Publication number: PL234574B1
Application number: PL407627A
Authority: PL
Inventors: Janusz Krawczyk; Jan Usz Krawczyk; Valerân Nikolajevič Bliničev; Irina Viktorëva Postnikova; Oleg Vâčeslavovič Čagin; In Oleg Vâčeslavovič Čag
Original assignee: Ivanovskij Gosudarstvennyj Himiko Technologiceskij Univ; Politechnika Krakowska Im Tadeusza Kosciuszki
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2020-03-31
Also published as: PL407627A1

Abstract

Młyn koloidalny, ma kadłub (1) ze stożkowym stojanem (2) o rowkowanej powierzchni roboczej i umieszczony w nim na poziomym wale napędowym (3) stożkowy rotor (4) o rowkowanej powierzchni roboczej, komorę rozładunkową (6), jeden króciec (7) do doprowadzania materiału wejściowego i drugi króciec (8) rozładowania gotowego produktu. Celem podwyższenia efektywności dyspergowania a także poszerzenia zakresu lepkości stosowanych układów dyspergowanych oraz obniżenia właściwego zużycia energii, młyn jest zaopatrzony w tarczowy wirnik (9) o promieniowych łopatkach (10), który zamontowany jest w komorze rozładunkowej (6) na jednym wale (3) razem ze stożkowym rotorem (4).Colloid mill, has a hull (1) with a conical stator (2) with a grooved working surface and a conical rotor (4) with a grooved working surface placed inside it on a horizontal drive shaft (3), an unloading chamber (6), one connector (7) for feeding the input material and a second port (8) for discharging the finished product. In order to increase the dispersion efficiency and also to expand the viscosity range of the dispersed systems used and to reduce the specific energy consumption, the mill is equipped with a disc rotor (9) with radial blades (10), which is mounted in the unloading chamber (6) on one shaft (3) together. with a conical rotor (4).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest młyn koloidalny, należący do grupy urządzeń mechanicznych służących do ultradrobnego dyspergowania cząstek ciała stałego w cieczy, jak również do grupy emulgatorów i aktywatorów mechanicznych do dyspergowania cieczy w cieczy. Przedmiot wynalazku może być wykorzystywany do wytwarzania układów dyspersyjnych, w tym koloidalnych, zwłaszcza przemyśle chemicznym, spożywczym i farmaceutycznym.The subject of the invention is a colloid mill belonging to the group of mechanical devices for ultrafine dispersion of solid particles in a liquid, as well as to the group of emulsifiers and mechanical activators for dispersing the liquid in the liquid. The subject of the invention can be used for the production of dispersion systems, including colloidal systems, in particular in the chemical, food and pharmaceutical industries.

Z tej grupy urządzeń, w przemyśle najczęściej są stosowane młyny koloidalne stożkowe, udarowe i wibrokawitacyjne. Spośród wymienionych najbardziej efektywnymi są młyny stożkowe.From this group of devices, the most commonly used industrial mills are conical, impact and vibrocavitational colloidal mills. Of these, the cone mills are the most effective.

Znane rozwiązania młynów koloidalnych, zawierają kadłub ze stojanem, umieszczony w nim na wale napędowym stożkowy wirnik o karbowanej (rowkowanej) powierzchni roboczej, komorę rozładunkową oraz króćce do doprowadzenia materiału wejściowego i odbioru gotowego produktu.Known solutions of colloid mills include a fuselage with a stator, a conical rotor with a notched (grooved) working surface placed in it on the drive shaft, an unloading chamber and stub pipes for feeding the input material and receiving the finished product.

Przykładowo, młyn koloidalny znany z opisu zgłoszenia patentowego DE 1034463 ma osadzony w kadłubie na napędowym pionowym wale stożkowy rotor i otaczający go stożkowy stator. Rotor i stator mają wiele pierścieniowych stref z systemem rowków, zawierających wzajemnie równoległe rowki, które w każdej kolejnej strefie (patrząc w kierunku ruchu surowca) są coraz drobniejsze, a ich ilość rośnie. We wszystkich pierścieniowych strefach, współpracujące ze sobą systemy rowków na rotorze i statorze biegną w przeciwnych kierunkach względem osi rotora, przez co przy obrocie rotora osiąga się zwiększone działanie ścinające surowiec, a przy tym rowki, obracają się względem siebie wzajemnie przeciwnie, wyznaczając pomiędzy sobą punkty cięcia popychające surowiec w kierunku wylotowym.For example, a colloid mill known from patent application DE 1034463 has a conical rotor mounted in a casing on a vertical drive shaft and a conical stator surrounding it. The rotor and stator have many annular groove system zones containing mutually parallel grooves, which in each successive zone (looking in the direction of the feed movement) are getting finer and increasing in number. In all the annular zones, the mutually cooperating groove systems on the rotor and stator run in opposite directions to the rotor axis, so that when the rotor rotates, an increased shearing effect is achieved, and the grooves rotate in opposite directions against each other, marking points between each other. cuts that push the raw material towards the exit.

Młyn koloidalny ujawniony w opisie wynalazku SU 651841 zawiera korpus ze stożkowym statorem oraz usytuowany wewnątrz statora na poziomym napędowym wale stożkowy rotor o rowkowanej (ryflowanej) powierzchni roboczej. Ponadto młyn ma komorę wyładowczą i króćce dla podawania wejściowego materiału i dla wyładunku gotowego produktu. Istota tego znanego rozwiązania polega na tym, że w celu zwiększenia uzysku gotowego produktu o wąskim przedziale frakcyjnym oraz obniżenia strat energii, w komorze wyładowczej, na jednym wale ze stożkowym rotorem jest osadzony rotor z bijakami, a na korpusie są zamocowane przeciwbijaki (płyty odbijające), usytuowane pomiędzy wspomnianymi bijakami.The colloid mill disclosed in SU 651841 comprises a conical stator body and a conical rotor with a grooved (grooved) working surface located inside the stator on a horizontal drive shaft. In addition, the mill has a discharge chamber and ports for feeding the inlet material and for unloading the finished product. The essence of this known solution is that in order to increase the yield of the finished product with a narrow fraction of fractions and to reduce energy losses, in the discharge chamber, a rotor with beaters is mounted on one shaft with a conical rotor, and anti-hammers (deflection plates) are mounted on the body. located between said rams.

Niedogodnościami stosowanych w przemyśle znanych rozwiązań są: wąski zakres lepkości układów dyspergowanych oraz mała efektywność rozdrobnienia.The disadvantages of the known solutions used in the industry are: a narrow range of viscosity of dispersed systems and low efficiency of comminution.

Celem wynalazku jest podwyższenie efektywności dyspergowania i rozszerzenie zakresu lepkości możliwych do obróbki w młynie układów dyspersyjnych, w tym zawiesin i emulsji, a dodatkowo także obniżenie właściwego zużycia energii przez młyn koloidalny.The present invention aims to increase the efficiency of dispersion and extend the range of viscosities of millable dispersion systems, including suspensions and emulsions, and in addition to reduce the specific energy consumption of a colloid mill.

Tak postawione zagadnienie techniczne rozwiązano dzięki wyposażeniu młyna koloidalnego w elementy, które podczas pracy urządzenia powodują powstanie podciśnienia w kanale roboczym pomiędzy stożkowym stojanem, a umieszczonym w nim stożkowym rotorem. W niniejszym opisie przez podciśnienie w kanale roboczym rozumie się ciśnienie niższe niż na doprowadzeniu materiału do kanału roboczego.The technical problem posed in this way was solved by equipping the colloid mill with elements which, during the operation of the device, create a negative pressure in the working channel between the conical stator and the conical rotor placed in it. In the present description, the negative pressure in the working channel is understood to mean the pressure lower than that on the material supply to the working channel.

Zgodnie z wynalazkiem, młyn koloidalny składający się z kadłuba ze stożkowym stojanem o rowkowanej powierzchni roboczej i umieszczonego w nim na wale napędowym stożkowego rotora o rowkowanej powierzchni roboczej, komory rozładunkowej, króćca do doprowadzania materiału wejściowego i króćca rozładowania gotowego produktu, charakteryzuje się tym, że jest wyposażony w tarczowy wirnik z promieniowymi łopatkami, który jest zamontowany na jednym wale razem ze stożkowym rotorem.According to the invention, a colloid mill consisting of a frame with a conical stator with a grooved working surface and a conical rotor with a grooved working surface arranged therein on the drive shaft, an unloading chamber, a feed port and a finished product discharge port, is characterized by that it is equipped with a disc impeller with radial blades which is mounted on one shaft together with a conical rotor.

Rotor i stojan mają podłużne rowki, które są usytuowane równolegle do osi obrotu rotora lub pod kątem ostrym do tej osi. Rowki rotora i stojana mogą korzystnie być wzajemnie nachylone w przeciwstawnych kierunkach względem osi obrotu rotora, co dodatkowo wzmacnia efekt kawitacji, zwiększając efektywność działania emulgatora- młyna koloidalnego.The rotor and stator have longitudinal grooves that are parallel to or at an acute angle to the axis of rotation of the rotor. The rotor and stator grooves may be mutually inclined in opposite directions to the axis of rotation of the rotor, which further enhances the cavitation effect, increasing the effectiveness of the emulsifier-colloid mill.

Badania prototypu młyna koloidalnego według wynalazku potwierdziły, że obecność tarczowego wirnika o promieniowych łopatkach pozwala przepompowywać przez urządzenie układy dyspersyjne o dużej lepkości, na przykład zawiesiny koloidalne o zawartości fazy stałej do 50 % mas., co po pierwsze eliminuje konieczność instalowania dodatkowych pomp tłoczących do zasilania młyna koloidalnego, a po drugie, wskutek wytworzenia przez tarczowy wirnik wysokiego podciśnienia w kanale roboczym pomiędzy rotorem a stojanem, następuje intensyfikacja procesu tworzenia się i zapadania pęcherzyków kawitacyjnych, co w istotny sposób podwyższa efektywność procesów ultradrobnego rozdrobnienia cząstek fazy stałej, jak i dyspersji jednej cieczy w drugiej.Tests of the prototype colloid mill according to the invention confirmed that the presence of a disc impeller with radial blades allows for pumping high-viscosity dispersion systems through the device, for example colloidal suspensions with a solids content of up to 50% by mass, which, first of all, eliminates the need to install additional pressure pumps for feeding colloid mill, and secondly, due to the creation of a high vacuum in the working channel between the rotor and the stator by the disc rotor, the process of formation and collapse of cavitation bubbles is intensified, which significantly increases the efficiency of the processes of ultra-fine fragmentation of solid phase particles and dispersion of one liquid in second.

PL 234 574 B1PL 234 574 B1

Wynalazek w przykładzie wykonania pokazano na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie młyn koloidalny w osiowym przekroju podłużnym, fig. 2 - przekrój poprzeczny A-A na fig. 1, fig. 3 - przekrój poprzeczny B-B na fig. 1, a fig.4 - schemat rozmieszczenia rowków rotora.The invention, in an embodiment, is shown in the accompanying drawing, in which fig. 1 shows schematically a colloid mill in axial longitudinal section, fig. 2 - cross-section AA in fig. 1, fig. 3 - cross-section BB in fig. 1 and fig. 4 - layout diagram of the rotor grooves.

W prezentowanym poniżej przykładzie wykonania, młyn koloidalny ma kadłub 1, stojan 2 o rowkowanej powierzchni roboczej i poziomy wał napędowy 3 z umieszczonym na nim stożkowym rotorem 4 o rowkowanej powierzchni roboczej. Pierścieniowy kanał roboczy 5, utworzony pomiędzy rotorem 4 i stojanem 2 stanowi przestrzeń, w której wejściowy materiał poddawany jest obróbce.In the embodiment shown below, the colloid mill has a casing 1, a stator 2 with a grooved working surface, and a horizontal drive shaft 3 with a conical rotor 4 with a grooved working surface arranged thereon. An annular working channel 5 formed between the rotor 4 and the stator 2 constitutes the space in which the input material is processed.

W kadłubie 1 jest na jednym jego końcu usytuowana komora rozładunkowa 6. Załadowanie materiału wejściowego przeprowadza się przez pierwszy króciec 7, usytuowany osiowo na przeciwnym względem komory 6 końcu korpusu 1. Rozładowanie gotowego produktu przeprowadza się przez drugi króciec 8, przyłączony stycznie do komory rozładunkowej 6.In the fuselage 1 there is an unloading chamber 6 at one of its ends. The loading of the input material is carried out through the first spigot 7 located axially at the end of the body 1 opposite to the chamber 6. The finished product is discharged through the second spigot 8 connected tangentially to the discharge chamber 6 .

W komorze rozładunkowej 6 jest umieszczony tarczowy wirnik 9 o promieniowych łopatkach 10, którego piasta 11 jest i zamontowana na napędowym wale 3 razem ze stożkowym rotorem 4.In the unloading chamber 6 there is a disc rotor 9 with radial blades 10, the hub 11 of which is mounted on the drive shaft 3 together with the conical rotor 4.

Młyn działa w następujący sposób. Materiał wejściowy w postaci zawiesiny ciała stałego w cieczy (w przypadku konieczności otrzymania zawiesiny koloidalnej) lub mieszaniny cieczy wzajemnie nierozpuszczalnych (w przypadku konieczności otrzymania trwałej emulsji) napływa przez pierwszy króciec 7 na przednią, stożkową część rotora 4, skąd jest zasysany wskutek podciśnienia wytwarzanego przez obracający się tarczowy wirnik 9 o promieniowych łopatkach 10. Następnie materiał przepływa przez przestrzeń roboczą w postaci wąskiego pierścieniowego kanału 5 pomiędzy stożkowym rotorem 4 i stożkowym stojanem 2.The mill works as follows. The input material in the form of a suspension of a solid in a liquid (if it is necessary to obtain a colloidal suspension) or a mixture of mutually insoluble liquids (if it is necessary to obtain a stable emulsion) flows through the first nozzle 7 onto the front, conical part of the rotor 4, from where it is sucked in due to the negative pressure generated by a rotating disc rotor 9 with radial blades 10. The material then flows through the working space in the form of a narrow annular channel 5 between the conical rotor 4 and the conical stator 2.

Z powodu małej wielkości pierścieniowego kanału 5 pomiędzy rotorem 4 a stojanem 2 (szerokość szczeliny rzędu 100-400 pm) i stosunkowo dużych prędkości obrotowych ω rotora 4 (zwykle powyżej 3000 obr./min.) - materiał poddawany jest bardzo dużym naprężeniom stycznym (ścinającym). Na skutek obecności rowków na rotorze 4 i stojanie 2 oraz wytwarzanych przez nie częstych pulsacji ciśnienia w objętości dyspergowanego systemu (na granicy ciecz - faza stała, lub pierwsza ciecz - druga ciecz nierozpuszczalna w pierwszej), wytwarza się natychmiast ogromna ilość pęcherzyków kawitacyjnych.Due to the small size of the annular channel 5 between rotor 4 and stator 2 (gap width of 100-400 pm) and relatively high rotational speeds ω of rotor 4 (usually above 3000 rpm) - the material is subjected to very high tangential (shear) stresses ). Due to the presence of the grooves on the rotor 4 and the stator 2 and the frequent pressure pulsations generated by them in the volume of the dispersed system (at the interface liquid - solid phase, or the first liquid - second liquid insoluble in the first), a huge amount of cavitation bubbles is generated immediately.

Przy nakładaniu się naprężeń impulsowych, wytworzonych przy zapadaniu się pęcherzyków kawitacyjnych, na duże styczne naprężenia powstające bezpośrednio na powierzchniach cząstek fazy stałej lub na granicy cieczy nierozpuszczalnych w sobie, odbywa się bardzo intensywne rozdrobnienie cząstek lub rozpraszanie jednej cieczy w drugiej.When the impulse stresses created during the collapse of cavitation bubbles are superimposed on the high tangential stresses arising directly on the surfaces of the solid phase particles or at the boundary of insoluble liquids, a very intensive fragmentation of particles or dispersion of one liquid into another takes place.

Rowki na rotorze 4 i stojanie 2 mogą być usytuowane poziomo, tj. wzdłuż osi obracania się rotora 4, zaś celem zwiększenia częstotliwości pulsacji ciśnienia, rowki rotora 4 lub stojanu 2 mogą być usytuowane pod ostrym kątem a do wspomnianej osi obrotu. Przy tym, o ile rowki na rotorze 4 i stojanie 2 są nachylone do osi we wzajemnie przeciwstawnych kierunkach (tj. pod kątami a i -a), wzmacnia to dodatkowo efekt kawitacji, przyczyniając się tym samym do zwiększenia efektywności dyspergowania wprowadzonego materiału. Na fig. 4 pokazano przykładowy możliwy kąt nachylenia i położenie rowków na rotorze 4 dla wywołania dużej częstotliwości pulsacji ciśnienia w kanale 5 pomiędzy rotorem 4, a stojanem 2 o rowkach przykładowo usytuowanych wzdłuż osi obrotu rotora 4 (nie pokazanych na rysunku).The grooves on the rotor 4 and the stator 2 can be arranged horizontally, i.e. along the axis of rotation of the rotor 4, and in order to increase the frequency of pressure pulsations, the grooves of the rotor 4 or stator 2 can be located at an acute angle? To said axis of rotation. In so far as the grooves on the rotor 4 and stator 2 are inclined towards the axis in mutually opposite directions (i.e. at angles a and a), this additionally enhances the cavitation effect, thus contributing to an increase in the dispersion efficiency of the introduced material. Fig. 4 shows an exemplary possible angle of inclination and position of the grooves on the rotor 4 for inducing a high frequency of pressure pulsation in the channel 5 between the rotor 4 and the stator 2 with grooves, for example, along the axis of rotation of the rotor 4 (not shown).

Badania prototypu wykazały, że obecność tarczowego wirnika 9 o promieniowych łopatkach 10 pozwala przepompowywać przez młyn kolo idalny układy dyspersyjne o dużej lepkości, jak np. zawiesiny koloidalne o zawartości fazy stałej do 50% mas. Wskutek wytwarzania przez wirnik 9 o promieniowych łopatkach 10 wysokiego podciśnienia w kanale 5 pomiędzy rotorem 4 a stojanem 2, następuje intensyfikacja procesu tworzenia się i zapadania pęcherzyków kawitacyjnych. co istotnie podwyższa efektywność procesów drobnego rozdrobnienia cząstek fazy twardej i dyspersji jednego płynu w drugim.Tests of the prototype have shown that the presence of a disc rotor 9 with radial blades 10 allows the circulation of highly viscous dispersion systems, such as e.g. colloidal suspensions with a solids content of up to 50% by weight, through the pulley mill. Due to the high negative pressure generated by the rotor 9 with radial blades 10 in the channel 5 between the rotor 4 and the stator 2, the process of formation and collapse of cavitation bubbles is intensified. which significantly increases the efficiency of the processes of fine fragmentation of hard phase particles and dispersion of one fluid in another.

Równocześnie, dzięki temu, że tarczowy wirnik 9 z promieniowymi łopatkami 10 przepompowuje materiał przez młyn koloidalny, pozwala to wyeliminować konieczność instalowania dodatkowych pomp tłoczących zasilających urządzenie podczas pracy, a tym samym zmniejszyć zużycie energii.At the same time, due to the fact that the disc rotor 9 with radial blades 10 pumps the material through the colloid mill, it eliminates the need to install additional feed pumps to feed the device during operation and thus reduce energy consumption.

Przemieszczając się w wąskim pierścieniowym kanale 5 pomiędzy stojanem 2 a wirnikiem 4 system rozpraszany trafia do komory rozładunkowej 6, skąd jest odprowadzany z urządzenia tarczowym wirnikiem 9 o promieniowych łopatkach 10 przez drugi króciec 8, na przykład do pojemnika z gotowym produktem lub jest zawracany do młyna koloidalnego celem otrzymania produktu o jeszcze wyższej dyspersji.Moving in a narrow annular channel 5 between the stator 2 and the rotor 4, the dispersed system goes to the discharge chamber 6, from where it is discharged from the device with a disc rotor 9 with radial blades 10 through a second stub pipe 8, for example to a container with a finished product or is returned to the mill colloidal to obtain a product with an even higher dispersion.

Claims

Patent claims

1. A colloid mill having a frame with a conical stator with a grooved working surface and a conical rotor with a grooved working surface placed therein on the drive shaft, an unloading chamber, an input material port and a finished product discharge port, characterized in that it is equipped with a disc an impeller (9) with radial blades (10) mounted on one shaft (3) together with a conical rotor (4),

2. Colloid mill according to claim A device as claimed in claim 3, characterized in that the rotor (4) and the stator (2) have longitudinal grooves which are parallel to the axis of rotation of the rotor (4).

3. Colloid mill according to claim A device according to claim 1, characterized in that the rotor (4) and the stator (2) have longitudinal grooves which are located at an acute angle (a) to the axis of rotation of the rotor (4).

4. Colloid mill according to claim The method of claim 3, characterized in that the grooves of the rotor (4) and the stator (2) are mutually inclined in opposite directions to the axis of rotation of the rotor (4).