RU2421272C1

RU2421272C1 - Device for cryogenic granulation of solutions and suspensions

Info

Publication number: RU2421272C1
Application number: RU2010119535/21A
Authority: RU
Inventors: Михаил Борисович Генералов (RU); Михаил Борисович Генералов; Николай Степанович Трутнев (RU); Николай Степанович Трутнев; Константин Дмитриевич Онопко (RU); Константин Дмитриевич Онопко; Николай Николаевич Бредихин (RU); Николай Николаевич Бредихин; Владислав Анатольевич Закревский (RU); Владислав Анатольевич Закревский; Ирина Александровна Романова (RU); Ирина Александровна Романова; Илья Вячеславович Платов (RU); Илья Вячеславович Платов; Ольга Михайловна Трутнева (RU); Ольга Михайловна Трутнева
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2011-06-20

Abstract

FIELD: process engineering. ^ SUBSTANCE: proposed device comprises heat-insulated cylindrical working chamber with bottom that has curved inner surface. Pipeline serves to feed liquid coolant into tank, while feed pipeline with branch pipe feeds and sprays initial material. Aligned with the chamber is the mixer incorporating shaft variable-rpm drive. Working chamber features height-to-diameter ratio of 0.6-2.0. Branch pipe incorporates radial-flow nozzle mounted tangentially to imaginary circumference and at 20-70 degrees to horizontal plane to allow varying nozzle inclination and moving it along vertical line. ^ EFFECT: intensified freezing process in stable production of monosized spherical granules for their sublimation drying and production of ultra- and nano-dispersed powders. ^ 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологическому оборудованию для гранулирования различных растворов или суспензий, преимущественно для последующей их сублимационной сушки и получения материалов в виде ультра- и нанодисперсных порошков.The invention relates to technological equipment for granulating various solutions or suspensions, mainly for their subsequent freeze-drying and obtaining materials in the form of ultra- and nanodispersed powders.

Известно устройство для гранулирования жидкости, содержащее емкость с хладагентом - частично замороженным гексаном, над которой установлена фильера, а над ней устройство для распыления раствора смеси азотнокислых солей. На струю раствора воздействуют аксиальными колебаниями (SU №635071, 30.11.1978). При попадании капель раствора в хладагент они замерзают с образованием гранул, осаждаются и выводятся из процесса.A device for granulating a liquid is known, containing a container with a refrigerant - partially frozen hexane, over which a die is installed, and above it a device for spraying a solution of a mixture of nitrate salts. The solution stream is affected by axial vibrations (SU No. 635071, 11/30/1978). When droplets of the solution get into the refrigerant, they freeze with the formation of granules, precipitate and are removed from the process.

Полученные в указанном устройстве гранулы содержат на поверхности остатки гексана, что приводит к изменению химического состава ультра- и нанодисперсных порошков, получаемых после вакуум-сублимационной сушки, а в ряде случаев это недопустимо.The granules obtained in the specified device contain hexane residues on the surface, which leads to a change in the chemical composition of ultrafine and nanodispersed powders obtained after vacuum freeze drying, and in some cases this is unacceptable.

Известно устройство для гранулирования пастообразных пищевых материалов, включающее смеситель с теплообменной рубашкой и горизонтальной мешалкой. Нагретый материал в жидкофазном состоянии посредством капельниц подается на поверхность неподвижного слоя жидкого хладагента (SU №1155835, 15.05.1985).A device for granulating pasty food materials is known, including a mixer with a heat exchange jacket and a horizontal mixer. The heated material in the liquid-phase state is supplied through droppers to the surface of the fixed layer of liquid refrigerant (SU No. 1155835, 05/15/1985).

Высота столба жидкого азота выбрана такой, что, достигнув дна емкости, капли раствора превращаются в гранулы. Если производить подачу материала на неподвижную поверхность хладагента, то при попадании капель раствора в жидкий азот последний бурно вскипает. Образующаяся паровая прослойка поддерживает капли во взвешенном состоянии, и они плавают на поверхности. При этом капли совершают хаотические перемещения с одновременным вращением вокруг своей оси. Это приводит к тому, что часть подаваемых капель может контактировать с плавающими на поверхности хладагента частично замороженными каплями и кристаллизоваться на их поверхности. Наличие указанных факторов приводит к неоднородному гранулометрическому составу криогранул.The height of the liquid nitrogen column was chosen such that, having reached the bottom of the tank, the solution droplets turn into granules. If you supply material to a fixed surface of the refrigerant, then when droplets of the solution get into liquid nitrogen, the latter boils violently. The resulting vapor layer maintains the droplets in suspension, and they float on the surface. In this case, the droplets make random movements with simultaneous rotation around their axis. This leads to the fact that part of the supplied droplets can contact partially frozen droplets floating on the surface of the refrigerant and crystallize on their surface. The presence of these factors leads to an inhomogeneous particle size distribution of cryogranules.

Известно устройство для криогенного замораживания жидких пищевых продуктов в виде гранул, включающее камеру замораживания, выполненную в виде вертикального вращающегося сосуда Дьюара (SU №976234, 23.11.1982). В камере установлены приспособления для подачи жидкого пищевого продукта в виде гидравлического распылителя, направленного на вращающийся слой криогенной жидкости, а также трубопровод подвода криогенной жидкости.A device is known for cryogenic freezing of liquid food products in the form of granules, including a freezing chamber made in the form of a vertical rotating Dewar vessel (SU No. 976234, 11/23/1982). In the chamber, devices are installed for supplying a liquid food product in the form of a hydraulic atomizer directed to a rotating layer of cryogenic liquid, as well as a pipeline for supplying cryogenic liquid.

В указанном устройстве замораживания капель жидкого продукта происходит в вертикальном слое криогенной жидкости, подаваемой из емкости по трубопроводу на внутреннюю поверхность стенок камеры. Исходный материал методом вытеснения подается на поверхность слоя криогенной жидкости, замораживается, осаждается и выводится из процесса.In the specified device, freezing drops of a liquid product occurs in a vertical layer of cryogenic liquid supplied from the tank through a pipeline to the inner surface of the chamber walls. The source material by displacement is fed to the surface of the cryogenic liquid layer, frozen, precipitated and removed from the process.

Недостатком известного устройства является то, что при попадании капли на слой криогенной жидкости не происходит срыва паровой прослойки, образующейся в результате испарения криогенной жидкости, что уменьшает скорость и равномерность замораживания криогранул. Кроме того, вертикальные перемещения криогранул незначительны, и возможно попадание следующих порций жидкого продукта в зону уже замороженных криогранул. В этом случае слой криогенной жидкости является достаточно тонким, что приводит к агломерации гранул и существенным колебаниям гранулометрического состава.A disadvantage of the known device is that when a drop enters the layer of cryogenic liquid, the vapor layer formed as a result of evaporation of the cryogenic liquid does not break, which reduces the speed and uniformity of freezing of cryogranules. In addition, the vertical movements of the cryogranules are insignificant, and the following portions of the liquid product may enter the zone of already frozen cryogranules. In this case, the cryogenic liquid layer is sufficiently thin, which leads to agglomeration of the granules and significant fluctuations in the particle size distribution.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является устройство для криогенного гранулирования, содержащее цилиндрическую рабочую камеру, имеющую днище с криволинейной внутренней поверхностью, трубопровод для подачи в камеру жидкого хладагента, загрузочный трубопровод исходного материала с патрубком для распыления последнего и мешалку с вертикальным валом и приводом (JP №59132929, 31.07.1984).The closest in technical essence and the achieved effect to the invention is a device for cryogenic granulation containing a cylindrical working chamber having a bottom with a curved inner surface, a pipeline for supplying liquid refrigerant to the chamber, a feed pipe of the starting material with a nozzle for spraying the latter and a mixer with a vertical shaft and drive (JP No. 59132929, 07/31/1984).

В данном устройстве подача материала на поверхность хладагента происходит распылением через открытый патрубок. То есть в данном устройстве отсутствует тонкодисперсное распыление исходного продукта. Причем патрубок для подачи исходного материала установлен стационарно и аксиально относительно стенок емкости. Распыление исходного материала происходит на малоподвижный (ламинарный) слой хладагента, что не может создать максимальную скорость замораживания, от которой зависит размер образующихся структурных элементов твердой фазы.In this device, the supply of material to the surface of the refrigerant is sprayed through an open pipe. That is, in this device there is no fine dispersion of the starting product. Moreover, the pipe for supplying the source material is installed stationary and axially relative to the walls of the tank. Spraying of the starting material occurs on a sedentary (laminar) layer of refrigerant, which cannot create the maximum freezing rate, on which the size of the formed structural elements of the solid phase depends.

В устройстве для перемешивания хладагента вертикальный вал мешалки расположен со смещением относительно оси емкости. Это обуславливает возникновение застойных зон в слое хладагента.In the device for mixing refrigerant, the vertical shaft of the mixer is displaced relative to the axis of the tank. This leads to the occurrence of stagnant zones in the refrigerant layer.

По отмеченным выше причинам указанное конструктивное решение известного устройства для гранулирования позволяет получать криогранулы, состоящие из частиц неопределенной формы и широкого гранулометрического распределения фракционного состава.For the reasons noted above, the indicated design solution of the known granulation device allows to obtain cryogranules consisting of particles of an indefinite shape and a wide particle size distribution of the fractional composition.

Задачей изобретения является интенсификация процесса замораживания при стабильном получении моноразмерных сферических гранул однородного состава.The objective of the invention is the intensification of the freezing process with stable production of mono-sized spherical granules of uniform composition.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для криогенного гранулирования растворов и суспензий, включающем цилиндрическую рабочую камеру, имеющую днище с криволинейной внутренней поверхностью, трубопровод для подачи в камеру жидкого хладагента, загрузочный трубопровод исходного материала с патрубком для распыления последнего и мешалку с вертикальным валом и приводом, согласно изобретению рабочая камера выполнена с соотношением ее высоты к диаметру, равным 0,6-2,0, а патрубок снабжен центробежной форсункой, смонтированной тангенциально к мнимой окружности под углом 20-70° к внутренней поверхности камеры с возможностью изменения угла наклона форсунки и перемещения ее по вертикали, при этом мешалка установлена соосно с емкостью, а привод выполнен с возможностью изменения частоты вращения вала мешалки.The problem is solved in that in a device for cryogenic granulation of solutions and suspensions, including a cylindrical working chamber having a bottom with a curved inner surface, a pipeline for supplying liquid refrigerant to the chamber, a feed pipe of the starting material with a nozzle for spraying the latter and a mixer with a vertical shaft and the drive, according to the invention, the working chamber is made with a ratio of its height to diameter equal to 0.6-2.0, and the nozzle is equipped with a centrifugal nozzle mounted on a tang ntsialno to an imaginary circle at an angle 20-70 ° to the inner surface of the chamber with adjustable nozzle inclination angle and move it vertically, wherein the agitator is coaxial with the container and the actuator is configured to change the rotational speed stirrer.

В результате использования всего объема хладагента устройство характеризуется повышенной производительностью и отсутствием эффекта слипания капель с замороженными криогранулами.As a result of using the entire amount of refrigerant, the device is characterized by increased productivity and the absence of the effect of adhesion of droplets with frozen cryogranules.

При умеренных скоростях замораживания структурообразование на границе раздела фаз происходит в условиях, близких к равновесию (равновесной кристаллизацией). Структура твердой фазы формируется под влиянием термодинамической неустойчивости поверхности раздела, развивающейся в условиях быстрого охлаждения жидкости. Затвердевающий раствор или суспензия совершает переход из метастабильного в устойчивое термодинамическое равновесное состояние.At moderate freezing rates, structure formation at the phase boundary occurs under conditions close to equilibrium (equilibrium crystallization). The structure of the solid phase is formed under the influence of thermodynamic instability of the interface, which develops under conditions of rapid cooling of the liquid. A hardening solution or suspension undergoes a transition from a metastable to a stable thermodynamic equilibrium state.

Характерные размеры образующихся структурных элементов кристаллитов льда и целевого продукта будут зависеть от степени пересыщения жидкости и ее переохлаждения, величины поверхностной энергии, скорости продвижения фронта твердой фазы (скорости замораживания).The characteristic sizes of the formed structural elements of ice crystallites and the target product will depend on the degree of supersaturation of the liquid and its supercooling, the magnitude of the surface energy, and the rate of advancement of the solid phase front (freezing rate).

Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.

В устройстве, соответствующем изобретению, за счет соосного с рабочей камерой расположения мешалки и регулируемого числа оборотов ее вала достигается вращение хладагента с образованием воронкообразного слоя с криволинейной вогнутой поверхностью в форме параболоида в донной части камеры, переходящего в верхней ее части в гиперболоид.In the device according to the invention, due to the location of the mixer coaxial with the working chamber and the adjustable number of revolutions of its shaft, the refrigerant is rotated to form a funnel-shaped layer with a curved concave surface in the form of a paraboloid in the bottom of the chamber, passing in its upper part into a hyperboloid.

При контакте капель раствора с поверхностью хладагента вокруг капли образуется паровая прослойка, препятствующая быстрому охлаждению гранул. Вращающийся слой хладагента как бы «срывает» эту паровую прослойку и за счет значительного повышения коэффициента теплопередачи, и увеличенных массы и слоя хладагента на стенках и в донной части камеры создаются условия для высоких значений скорости охлаждения капель жидкости. Это приводит к интенсификации теплоотвода в процессе быстрого замораживания, а структурообразование гранул перестает подчиняться законам равновесной кристаллизации.Upon contact of the solution droplets with the surface of the refrigerant, a vapor layer is formed around the droplet, which prevents the granules from rapidly cooling. The rotating refrigerant layer, as it were, “tears” this vapor layer, and due to a significant increase in the heat transfer coefficient, and the increased mass and refrigerant layer on the walls and in the bottom of the chamber, conditions are created for high cooling rates of liquid droplets. This leads to the intensification of heat removal in the process of rapid freezing, and the structure formation of granules ceases to obey the laws of equilibrium crystallization.

В результате капли быстро и равномерно промерзают, превращаясь в практически моноразмерные твердые сферические гранулы. При криогранулировании растворов и суспензий происходит интенсивное формирование мелкозернистой структуры в твердой фазе, характеризующейся большим числом мелких кристаллитов, равномерно распределенных по размеру в гранулах сферической формы.As a result, the droplets quickly and uniformly freeze, turning into practically monosized solid spherical granules. During the cryogranulation of solutions and suspensions, an intensive formation of a fine-grained structure in the solid phase occurs, characterized by a large number of small crystallites uniformly distributed in size in spherical granules.

При попадании капель раствора или суспензии на вращающийся воронкообразный слой с указанной криволинейной поверхностью за счет образования протяженного по высоте слоя хладагента необходимой толщины не происходит изменения сферической формы капли, что позволяет получать однородные гранулы.When droplets of a solution or suspension fall onto a rotating funnel-shaped layer with the indicated curved surface due to the formation of a refrigerant of a required length extended over the height of the required thickness, the spherical shape of the droplet does not change, which makes it possible to obtain uniform granules.

Таким образом, с повышением скорости замораживания размер образующихся структурных элементов твердой фазы уменьшается, а равномерность распределения компонентов возрастает.Thus, with an increase in the freezing rate, the size of the formed structural elements of the solid phase decreases, and the uniformity of the distribution of components increases.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображено устройство для криогенного гранулирования.The invention is illustrated in the drawing, which schematically shows a device for cryogenic granulation.

Устройство содержит цилиндрическую камеру 1 с теплоизоляцией 2, днище 3 которой имеет криволинейную внутреннюю поверхность, трубопровод 4 для подачи в камеру жидкого хладагента, загрузочный трубопровод 5 исходного материала с патрубком 6, установленным тангенциально к мнимой окружности, и на конце которого смонтирована центробежная форсунка 7 для тонкокодисперсного распыления материала. Патрубок 6 закреплен в шарнирном механизме 8, позволяющем изменять угол γ наклона форсунки 7 тангенциально к мнимой окружности и в пределах 20-70° к горизонтальной плоскости. Шарнирный механизм 8 соединен посредством ползуна 9 со стойкой 10 для перемещения патрубка 6 с форсункой 7 по вертикали. Вертикальный вал 11 лопастной мешалки 12, установлен соосно с камерой 1 и соединен с двигателем 13, имеющим блок 14 регулирования частоты вращения вала. Конструкция устройства смонтирована на опорном каркасе 15.The device comprises a cylindrical chamber 1 with thermal insulation 2, the bottom 3 of which has a curved inner surface, a pipe 4 for supplying liquid refrigerant to the chamber, a feed pipe 5 of the source material with a pipe 6 mounted tangentially to an imaginary circle, and at the end of which a centrifugal nozzle 7 is mounted fine atomization of the material. The pipe 6 is fixed in the hinge mechanism 8, which allows you to change the angle γ of the inclination of the nozzle 7 tangentially to the imaginary circle and within 20-70 ° to the horizontal plane. The hinge mechanism 8 is connected by means of a slider 9 with a stand 10 for moving the pipe 6 with the nozzle 7 vertically. The vertical shaft 11 of the paddle mixer 12 is mounted coaxially with the chamber 1 and is connected to the motor 13 having a shaft speed control unit 14. The design of the device is mounted on a support frame 15.

На чертеже также показаны емкость 16 для жидкого хладагента и расходная емкость 17 для исходного раствора или суспензии, подлежащих гранулированию.The drawing also shows a tank 16 for liquid refrigerant and a supply tank 17 for the initial solution or suspension to be granulated.

Работа устройства заключается в следующем.The operation of the device is as follows.

Из емкости 16 по трубопроводу 4 цилиндрическую камеру 1 заполняют жидким хладагентом - азотом до расчетного уровня f. Включают двигатель 13 мешалки 12 и производят перемешивание жидкого азота до образования в слое последнего воронки с криволинейной вогнутой поверхностью в форме параболоида в донной части камеры, переходящей в верхней части камеры в поверхность гиперболоида. При этом происходит перераспределение слоя хладагента по внутренней поверхности камеры с поднятием слоя до высоты f1.From the tank 16 through the pipe 4, the cylindrical chamber 1 is filled with liquid refrigerant - nitrogen to the calculated level f. The motor 13 of the mixer 12 is turned on and liquid nitrogen is mixed until a funnel with a curved concave surface in the form of a paraboloid in the bottom of the chamber passes into the surface of the hyperboloid in the layer of the last funnel. In this case, the refrigerant layer is redistributed along the inner surface of the chamber with the layer being raised to a height f1.

Рабочая камера выполнена с соотношением ее высоты h к диаметру d, равным 0,6-2,0. Найденное экспериментально соотношение высоты рабочей камеры к ее внутреннему диаметру является необходимым условием для образования задаваемой толщины слоя хладагента вышеуказанной формы, поддерживаемой на стенках камеры при вращении рабочего объема хладагента и получения материала с заданными свойствами.The working chamber is made with a ratio of its height h to diameter d equal to 0.6-2.0. The experimentally found ratio of the height of the working chamber to its internal diameter is a prerequisite for the formation of a specified thickness of the refrigerant layer of the above shape, supported on the walls of the chamber during rotation of the working volume of the refrigerant and obtaining material with desired properties.

После достижения в камере устойчивой формы поверхности воронки хладагента начинают подачу исходного раствора из расходной емкости 17 по трубопроводу 5, патрубку 6 с последующим тонкодисперсным распылом через центробежную форсунку 7. В зависимости от физико-химических свойств распыляемого материала поворотом патрубка 6 в шарнире 8 и перемещением ползуна 9 по стойке 10 выбирают необходимую пространственную ориентацию форсунки 7 в пределах угла ее наклона, равного 20-70° к горизонтальной плоскости. В зависимости от свойств исходного материала угол его подачи на поверхность вращающегося хладагента подбирается экспериментально в каждом конкретном случае, но указанный интервал изменения угла подачи является оптимальным для решения поставленной задачи.After reaching a stable surface shape of the refrigerant funnel in the chamber, the supply of the initial solution from the supply tank 17 through the pipe 5, nozzle 6, followed by fine dispersion through a centrifugal nozzle 7. Depending on the physicochemical properties of the sprayed material, turn the nozzle 6 in the hinge 8 and move the slider 9 on the rack 10 select the necessary spatial orientation of the nozzle 7 within the angle of its inclination equal to 20-70 ° to the horizontal plane. Depending on the properties of the source material, the angle of its supply to the surface of the rotating refrigerant is selected experimentally in each particular case, but the indicated interval of the change in the angle of supply is optimal for solving the problem.

При попадании в хладагент капли исходного материала (раствора или суспензии) быстро замораживаются и опускаются на дно емкости. Готовые замороженные гранулы выводят из процесса.If the source material (solution or suspension) gets into the refrigerant, it quickly freezes and sinks to the bottom of the tank. Finished frozen granules are removed from the process.

Размер полученных гранул колеблется от 0,8 до 1,5 мм, при этом они имеют мелкозернистую структуру, сферическую форму и химически однородны по составу.The size of the obtained granules ranges from 0.8 to 1.5 mm, while they have a fine-grained structure, spherical shape and are chemically uniform in composition.

Предложенные конструктивные решения, заложенные в устройстве и технологические режимы криогранулирования, обеспечивают повышение скорости замораживания, благодаря чему размер образующихся структурных элементов твердой фазы уменьшается, а равномерность распределения компонентов возрастает.The proposed constructive solutions embedded in the device and technological modes of cryogranulation provide an increase in the freezing rate, due to which the size of the formed structural elements of the solid phase decreases, and the uniform distribution of the components increases.

Таким образом, данное изобретение позволяет достичь высокого коэффициента теплопередачи при замораживании во вращающемся хладагенте, что интенсифицирует процесс образования гранул и обеспечивает получение готовых продуктов моноразмерного стабильного гранулометрического состава.Thus, this invention allows to achieve a high coefficient of heat transfer during freezing in a rotating refrigerant, which intensifies the process of formation of granules and ensures the receipt of finished products mono-dimensional stable particle size distribution.

Процесс криогранулирования, осуществляемый в устройстве, соответствующем изобретению, предопределяет структуру и свойства конечного продукта, получаемого после сублимационной сушки гранул.The cryogranulation process carried out in the device corresponding to the invention determines the structure and properties of the final product obtained after freeze-drying of the granules.

Claims

A device for cryogenic granulation of solutions and suspensions, including a thermally insulated cylindrical working chamber having a bottom with a curved inner surface, a pipeline for supplying liquid refrigerant to the tank, a feed pipe of the starting material with a nozzle for spraying the latter, and a mixer with a vertical shaft and drive, characterized in that the working chamber is made with a ratio of its height and diameter equal to 0.6-2.0, and the nozzle is equipped with a centrifugal nozzle mounted tangentially to the imaginary circumference and at an angle of 20-70 ° to the horizontal plane with the ability to change the angle of the nozzle and move it vertically, while the mixer is mounted coaxially with the camera, and the drive is configured to change the frequency of rotation of the shaft of the mixer.