PL243650B1 - Wysokociśnieniowe urządzenie przepływowe do wytwarzania mikro-zawiesiny - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest wysokociśnieniowe urządzenie przepływowe do wytwarzania mikro-zawiesiny wyposażone w kanały, które charakteryzuje się tym, że ma generator (1) ciśnienia, w którym umieszczony jest nurnik (2) połączony z cylindrem (3), który poprzez zawór (4) połączony jest z jednej strony z co najmniej jednym zbiornikiem (5) na zawiesinę otoczonym po bokach grzałką (6) i wyposażonym w zawór zwroty (7), a z drugiej strony cylinder (3) połączony jest poprzez zawór (8), zawór bezpieczeństwa (9), zbiornik akumulacyjny (10) z dezintegratorem (11) podzielonym na sekcje (A, B, C, D, E, F) poprzez kanał (12) zasilający, połączony z kanałami (a, b, c, d, e) przepływowymi umieszczonymi w sekcjach. Sumaryczny przekrój kanałów umieszczonych w sekcjach (A, B, C, D, E, F) równy jest przekrojowi kanału zasilającego. Kanały (a, b, c, d, e) przepływowe w dezintegratorze (11) mają różny kształt przekroju, oraz mają zmienną powierzchnię przekroju. Na cylindrze (3), na dezintegratorze (11) i na zbiorniku zasilającym (5) zamontowane są czujniki ciśnienia (13) i czujniki temperatury (14), w zbiorniku (5) zainstalowany jest kompresor (15).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wysokociśnieniowe urządzenie przepływowe do mikronizacji cząstek ciała stałego zawieszonych w cieczy roboczej w warunkach ciągłego wysokociśnieniowego przepływu przez kanały i mikro kanały dezintegratora w szczególności przydatne do uzyskiwania głęboko zhomogenizowanych zawiesin dla przemysłu farmaceutycznego, kosmetycznego, chemicznego, spożywczego i medycznego.

Znane ze stosowania sposoby wytwarzania mikro-zawiesin zwłaszcza ciała stałego w cieczy sprowadzają się do degradacji wymiarów cząstek poddanych procesowi mikronizacji poprzez wywieranie na nie naprężeń ściskających. Materiał jest zgniatany i rozcierany na coraz mniejsze cząsteczki w warunkach suchej lub mokrej technologii. Proces mikronizacji może również przebiegać w warunkach wysoko turbulentnej akcji wysokociśnieniowego strumienia cieczy w komorze mielenia.

Z polskiego opisu patentowego nr 212764 znany jest Sposób wytwarzania mikro-zawiesiny i mikronizator do wytwarzania mikro-zawiesiny. Sposób polega na tym, że pompą wysokociśnieniową zasilającą dyszę pierwotną, generuje się ultra szybki strumień cieczy procesowej, którym w komorze mikronizacyjnej, zasilanej rozdrabnianym materiałem, kształtuje się szybki strumień zawiesiny cząstek stałych w cieczy procesowej i wstrzeliwuje się go dyszą wtórną do rurowej obudowy komory homogenizacyjnej, gdzie rozdrabniany materiał poddaje się dalszemu procesowi mikronizacji oraz homogenizacji, a gotowy produkt gromadzi się w zbiorniku. Mikronizator jest mikronizatorem wysokiej energii, który ma pompę wysokociśnieniową, zasilającą dyszę pierwotną, generującą strumień cieczy o wysokiej prędkości, osadzoną w obudowie komory mikronizacyjnej, zasilanej rozdrabnianym materiałem z podajnika. W komorze mikronizacyjnej, po przeciwnej stronie dyszy pierwotnej, osadzona jest dysza wtórna, zorientowana współosiowo z dyszą pierwotną, a za obudową komory mikronizacyjnej umieszczona jest, zakończona króćcem wyjściowym, komora homogenizacyjna, do której wstrzeliwany jest strumień zawiesiny.

Technologia Microfluidics Corporation wg patentu US 726 1824 oparta jest na wysokociśnieniowym przetłaczaniu zawiesiny poddanej procesowi mikronizacji przez reaktor w którym napływająca zawiesina dzieli się na dwa symetryczne przepływy aby w tym samym reaktorze połączyć się ponownie w jeden przepływ i zakończyć proces mikronizacji. Idea tego procesu jest oparta na podziale głównego nurtu przepływu na dwa kanały, zmianie kierunku przepływu i zderzeniu cząsteczek w węźle gdzie dwa kanały ponownie łączą się ze sobą tuż przed wypływem z urządzenia. Kanały mają średnice od 50 do 500 mikronów. Reaktor w którym ten proces przebiega poddany jest ekstremalnym warunkom eksploatacyjnym. Odbija się to na krótkiej żywotności reaktora.

Według wynalazku wysokociśnieniowe urządzenie przepływowe do wytwarzania mikro-zawiesiny wyposażone w kanały, charakteryzuje się tym, że ma generator ciśnienia, w którym umieszczony jest nurnik połączony z cylindrem, który poprzez zawór połączony jest z jednej strony z co najmniej jednym zbiornikiem zasilającym na zawiesinę otoczonym po bokach grzałką i wyposażonym w zawór zwrotny. Z drugiej strony cylinder połączony jest poprzez drugi zawór, zawór bezpieczeństwa, zbiornik akumulacyjny z dezintegratorem podzielonym na sekcje poprzez kanał zasilający. Kanał zasilający połączony jest z kolejnymi kanałami przepływowymi umieszczonymi w sekcjach. Sumaryczny przekrój kanałów umieszczonych w sekcjach równy jest przekrojowi kanału zasilającego. Kanały przepływowe umieszczone w sekcjach w dezintegratorze mają różny kształt przekroju. Kanały przepływowe w dezintegratorze mają zmienną powierzchnię przekroju. Na cylindrze, na dezintegratorze i na zbiorniku zasilającym zamontowane są czujniki ciśnienia i czujniki temperatury, a w zbiorniku zasilając ym zainstalowany jest kompresor.

Wysokociśnieniowe urządzenie przepływowe do wytwarzania mikro-zawiesiny według wynalazku umożliwia stosowanie kilku zbiorników zasilających układ w zawiesinę w celu uzyskiwania specjalnych efektów technologicznych. Stwarza to możliwości homogenizowania np. dwóch odrębnych pod względem własności fizycznych i chemicznych zawiesin. Może to być proces dezintegracji cząstek stałych np. tego samego materiału zawieszonych w różnych pod względem właściwości cieczach roboczych. Może to być przypadek tych samych cieczy roboczych a różnych materiałów lub różnych materiałów i różnych cieczy roboczych. Pod pojęciem „cieczy roboczej” można rozumieć ciecz technologiczną czyli ciecz spreparowaną w celu osiągnięcia zamierzonych efektów końcowych. W dezintegratorze według wynalazku, kanały w poszczególnych sekcjach mają zróżnicowane przekroje, lub mają przekroje liniowo zmieniające się w funkcji długości kanału. Dezintegratory mogą pracować w zespole i kojarzyć wstępnie zdezintegrowane dwie lub więcej zawiesiny w końcowym etapie procesu dezintegracyjnego w celu osiągnięcia specjalnych efektów technologicznych.

Ilość kanałów i ilość węzłów napływowo - rozpływowych jest wielokrotnie większa. Stanowi to o większej żywotności dezintegratora w stosunku do reaktora w urządzeniu Microfluidics Corp. W dezintegratorze wg wynalazku kanały rozpływowe mają różniące się przekroje poprzeczne, zatem w węźle, w którym zderzają się przepływy, istnieje względna prędkość napływowa i tym samym wywoływane są znaczne naprężenia ścinające w cząstkach stałych zawieszonych w cieczy procesowej.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku na którym fig. 1 to urządzenie w ujęciu schematycznym, natomiast przykładowy schemat kanałów w dezintegratorze jest przedstawiony na rysunku na fig. 2, a wersje kanałów dezintegratora są przedstawione na fig. 3a, 3b i 3c.

Przykład 1

Wysokociśnieniowe urządzenie przepływowe do wytwarzania mikro-zawiesiny ma generator 1 ciśnienia, w którym umieszczony jest nurnik 2 połączony z cylindrem 3, który z jednej strony poprzez zawór 4 połączony jest ze zbiornikiem 5 na zawiesinę otoczonym po bokach grzałką 6 i wyposażonym w zawór zwroty 7. Z drugiej strony cylinder 3 połączony jest poprzez zawór 8, zawór bezpieczeństwa 9, zbiornik akumulacyjny 10 z dezintegratorem 11, poprzez kanał 12 zasilający. Dezintegrator 11 jest podzielony na sekcje A, B, C, D, E, F, a te na kanały a, b, c, d, e przepływowe. Kanały oznaczone jako „a” i zawarte pomiędzy umownymi sekcjami „A” i „B” muszą posiadać sumaryczny przekrój równy przekrojowi kanału 12 zasilającego. Podobnie kanały oznaczone „b1” i „b2” zawarte pomiędzy umownymi sekcjami „B” i „C” muszą mieć taki sam przekrój. Dotyczy to wszystkich sekcji oznaczonych na fig. 1. literami od „A” do „F”. Zatem masa zawiesiny wpływająca przez kanał zasilający 12 do dezintegratora 11 musi się równać masie wypływającej z dezintegratora 11 poprzez dwanaście kanałów oznaczonych jako „e”. Proces ten jest monitorowany wskazaniami czujników ciśnienia 13 i czujnikami temperatury 14, które są zainstalowane na cylindrze 3, na dezintegratorze 11 i na zbiorniku zasilającym 5. Ciśnienie w zbiorniku 5 jest regulowane sprężonym powietrzem z kompresora 15. Dezintegrator 11 zakończony jest lejem odpływowym 16.

Wysokociśnieniowe urządzenie przepływowe do wytwarzania mikro-zawiesiny przedstawione na fig. 1, działa na zasadzie przetłaczania zawiesiny przez system kanałów pod wysokim ciśnieniem. Ruch nurnika 2 w kierunku lewego punktu zwrotnego powoduje otwarcie zaworu 4 i zassanie do cylindra 3 porcji zawiesiny ze zbiornika 5 przy jednocześnie zamkniętym zaworze 8. W ruchu nurnika 2 w kierunku prawego punktu zwrotnego następuje przetłoczenie zawiesiny do zbiornika akumulacyjnego 10 przy otwartym zaworze zwrotnym 8 i zamkniętym zaworze zwrotnym 4. W ruchu posuwisto-zwrotnym nurnika 2 występuje cykliczne doładowanie zbiornika akumulacyjnego 10 co zabezpiecza ciągłość przepływu zawiesiny przez kanały dezintegratora 11. Proces ten jest monitorowany wskazaniami czujników ciśnienia 13 i czujnikami temperatury 14, które są zainstalowane na cylindrze 3, na dezintegratorze 11 i na zbiorniku zasilającym 5. Temperaturę w zbiorniku 5 można regulować grzałką 6 a doładowanie zbiornika 5 odbywa się poprzez zawór zwrotny 7. Ciśnienie w zbiorniku 5 może być regulowane sprężonym powietrzem z kompresora 15. Zawór 9 spełnia rolę zaworu bezpieczeństwa. Masa zawiesiny wpływająca przez kanał zasilający 12 do dezintegratora 11 musi się równać masie wypływającej z dezintegratora 11 przez lej odpływowy 16.

Przykład 2

Przykład innego rozwiązania konstrukcyjnego dezintegratora jest przedstawiony na rysunku na fig. 2. Każdy z kanałów w tym rozwiązaniu dzieli się na dwa kanały a te z kolei na kolejne dwa. Kanał zasilający 12 dzieli się na dwa kanały „a”. Każdy z kanałów „a” dzieli się na dwa kanały „b” i kolejno na kanały „c”. Rozwiązanie sieci kanałów może być podyktowane oczekiwanymi własnościami produktu. Tak więc ilość kanałów i ilość węzłów w dezintegratorze należy traktować jako parametr technologiczny. Zdezintegrowana masa w postaci mikro-zawiesiny wypływa z dezintegratora 11 lejem odpływowym 16. Uzyskany produkt może być poddany kolejnym przejściom przez system w celu dalszego modyfikowania jego charakterystyki.

Dezintegracja cząstek ciała stałego w zawiesinie cieczy roboczej w procesie wymuszonego wysokim ciśnieniem przepływu przez wąskie kanały jest powodowana zróżnicowanym rozkładem prędkości przepływu w przekroju tych kanałów. Sprzyja to powstawaniu silnych naprężeń ścinających, które degradują wymiary tych cząstek. Podobnie zmiany kierunków przepływu i podział strumienia na dwa mniejsze co ma miejsce w węzłach dezintegratora 11. Jest to gwarantem intensywnego działania naprężeń ścinających w obrębie materiału cząstek. Dodatkowa intensyfikacja procesu mikronizacji cząstek możliwa jest poprzez zmianę przekroju poprzecznego kanałów wzdłuż linii płynięcia zawiesiny.

Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych kanałów dezintegratora 11 są przedstawione na Fig. 3a, 3b, 3c.

Fig. 3a przedstawia węzeł, w którym kanał napływowy o przekroju Aa dzieli się na dwa kanały o przekrojach odpowiednio Abi i Ab2. Stosownie do przekroju tych kanałów przewidywane prędkości przepływu są zróżnicowane, co jest zamierzone w celu uzyskania względnych prędkości przepływu i generowania naprężeń ścinających. Strefa intensywnej dezintegracji w węźle napływowo-rozpływowym zaznaczono symbolem „z”.

Fig. 3b przedstawia kanał napływowy o zmiennym przekroju, którego zadaniem jest generowanie niestabilnego przepływu w celu intensyfikowania procesu mikronizacji materiału.

Fig. 3c natomiast przedstawia kanał napływowy zbieżny w kierunku przepływu w celu nadania zawiesinie większej prędkości na wejściu do węzła napływowo-rozpływowego. Takie warunki są sprzyjające do generowania naprężeń ścinających w dezintegrowanych cząstkach materiału stałego zawieszonego w cieczy procesowej.

Przykład obliczenia przekroju kanałów przedstawionych na fig. 2 można przeprowadzić zakładając ciśnienie i wydatek jakim dysponuje generator 1 ciśnienia. Zakładając maksymalne ciśnienie 344 MPa i wydatek 19 l/min, maksymalny przekrój kanału 12 nie powinien być większy niż 1.24 mm². Zatem dzieląc wydatek na dwa kanały „a”, przekrój każdego z nich nie powinien być większy niż 0.62 mm². Kolejne kanały „b” nie powinny mieć przekroju większego niż 0.31 mm². Tak więc osiem kanałów „c” na wypływie z dezintegratora 11, każdy posiadający przekrój nie większy niż 0.31 mm² powinno mieć sumaryczny przekrój taki jak kanał „12” na wlocie do dezintegratora 11, czyli 1.24 mm². Można zastosować kolejne 2 rzędy kanałów, wtedy każdy z kanałów będzie miał przekrój 0.0775 mm². Oznacza to, że w przypadku kanału o przekroju kołowym jego średnica będzie 0.314 mm. W przypadku kanału o przekroju prostokątnym może to być np. szczelina o wymiarach 5 mm x 0.0155 mm. Im mniejsze przekroje kanałów tym większe naprężenia ścinające działające na cząsteczki ciała stałego zawieszone w cieczy procesowej i bardziej efektywna degradacja wielkości cząstek. Opory przepływu przez dezintegrator 11 muszą być kalkulowane stosownie do energii dostępnej z generatora 1 ciśnienia.

Cząstki ciała stałego zawieszone w cieczy roboczej lub cieczy technologicznej podlegają procesowi dezintegracji poprzez wysokociśnieniowe przetłaczanie zawiesiny przez kanały o zmiennym kierunku przepływu o zmiennych przekrojach i poprzez węzły napływowo-rozpływowe, w których występują względne prędkości rozpływu. Sieć kanałów jest skonstruowana tak, ażeby powodować zmiany kierunków przepływów i powodować możliwie największe naprężenia ścinające w cząstkach materiału stałego zawieszonych w cieczy roboczej i przetłaczanej wysokim ciśnieniem poprzez sieć kanałów w dezintegratorze. Kanały mogą być szczelinowe lub posiadać przekrój kołowy lub inny, mogą być o stałym przekroju lub przekroju zmiennym dla różnicowania prędkości przepływu pomiędzy cząstkami ciała stałego i tym samym intensyfikacji naprężeń ścinających. Zawiesina cząstek stałych w cieczy roboczej po przedostaniu się przez sieć kanałów w dezintegratorze stanowi zawiesinę głęboko-zdezintegrowanych cząsteczek w cieczy roboczej. Ciecz robocza może stanowić wymagany składnik technologiczny produktu.

Przepływ zawiesiny cząstek ciała stałego w cieczy roboczej o odpowiedniej proporcji przez sieć kanałów odpowiednio dobranych pod względem przekroi do wymiarów cząstek przyjętych do procesu wymaga by zawiesina posiadała odpowiednie własności fizyczne. Lepkość zawiesiny powinna być odpowiednio spreparowana do warunków przepływu i kontrolowana w funkcji temperatury i ciśnienia. Stąd urządzenie wg wynalazku posiada grzałkę 6 wokół zbiornika 5 na zawiesinę dla stabilizacji temperatury jak również możliwość generowania ciśnienia zasilania stosownie do potrzeb.

Claims (6)

1. Wysokociśnieniowe urządzenie przepływowe do wytwarzania mikro-zawiesiny wyposażone w kanały, znamienne tym, że ma generator (1) ciśnienia, w którym umieszczony jest nurnik (2) połączony z cylindrem (3), który poprzez zawór (4) połączony jest z jednej strony z co najmniej jednym zbiornikiem (5) na zawiesinę otoczonym po bokach grzałką (6) i wyposażonym w zawór zwroty (7), a z drugiej strony cylinder (3) połączony jest poprzez zawór (8), zawór bezpieczeństwa (9), zbiornik akumulacyjny (10) z dezintegratorem (11) podzielonym na sekcje (A), (B), (C), (D), (E), (F) poprzez kanał (12) zasilający, połączony z kanałami (a), (b), (c), (d), (e) przepływowymi umieszczonymi w sekcjach.

PL 243650 Β1

2. Wysokociśnieniowe urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sumaryczny przekrój kanałów umieszczonych w sekcjach (Ą), (B), (C), (D), (E), (F) równy jest przekrojowi kanału (12) zasilającego.

3. Wysokociśnieniowe urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kanały (ą), (b), (ę), (d), (e) przepływowe w dezintegratorze (11) mają różny kształt przekroju.

4. Wysokociśnieniowe urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kanały (ą), (b), (ę), (d), (e) przepływowe w dezintegratorze (11) mają zmienną powierzchnię przekroju.

5. Wysokociśnieniowe urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że na cylindrze (3), na dezintegratorze (11) i na zbiorniku zasilającym (5) zamontowane są czujniki ciśnienia (13) i czujniki temperatury (14).

6. Wysokociśnieniowe urządzenie według zastrz. 1 i 2, znamienne tym, że w zbiorniku (5) zainstalowany jest kompresor (15).