RU2422196C1 - Device for cryogenic granulation of solutions and suspensions - Google Patents
Device for cryogenic granulation of solutions and suspensions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2422196C1 RU2422196C1 RU2010119536/21A RU2010119536A RU2422196C1 RU 2422196 C1 RU2422196 C1 RU 2422196C1 RU 2010119536/21 A RU2010119536/21 A RU 2010119536/21A RU 2010119536 A RU2010119536 A RU 2010119536A RU 2422196 C1 RU2422196 C1 RU 2422196C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- refrigerant
- coolant
- granules
- solution
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии гранулирования различных химически однофазных или многофазных жидких веществ, например растворов и суспензий, преимущественно для последующей их сублимационной сушки и получения материалов в виде ультрананодисперсных порошков.The invention relates to the technology of granulation of various chemically single-phase or multiphase liquid substances, for example, solutions and suspensions, mainly for their subsequent freeze-drying and obtaining materials in the form of ultrafine powders.
Известен способ гранулирования, заключающийся в замораживании раствора смеси азотнокислых солей путем распыления раствора в не смешивающуюся с водой жидкость, такую как частично замороженный гексан, через фильеру с диаметром отверстий 50-150 мкм и воздействия на струю раствора аксиальными колебаниями (SU №635071, 30.11.1978).There is a known granulation method, which consists in freezing a solution of a mixture of nitric acid salts by spraying the solution into a water-immiscible liquid, such as partially frozen hexane, through a die with a hole diameter of 50-150 μm and exposing the solution stream to axial vibrations (SU No. 635071, 30.11. 1978).
Полученный по указанному способу гранулированный продукт характеризуется неоднородным гранулометрическим составом и нестабильностью химической однородности. При замораживании происходит частичная агломерация частиц материала, так как при распылении раствора через фильеру не может быть обеспечено достаточно быстрое охлаждение гранул.The granular product obtained by this method is characterized by an inhomogeneous particle size distribution and instability of chemical uniformity. During freezing, a partial agglomeration of particles of the material takes place, since when spraying the solution through the die, sufficiently fast cooling of the granules cannot be ensured.
Известен также способ гранулирования, включающий подачу исходного раствора на поверхность жидкого хладагента и формирование вращающегося слоя хладагента с последующим выведением из него гранулированного продукта (SU №1155835, 15.05.1985).A granulation method is also known, which includes supplying an initial solution to the surface of a liquid refrigerant and forming a rotating refrigerant layer, followed by removing a granular product from it (SU No. 1155835, 05.15.1985).
Материал подают в емкость, заполненную хладагентом - жидким азотом. Высота столба жидкого азота выбрана такой, что, достигнув дна емкости, капли раствора превращаются в гранулы. Со дна емкости гранулы под действием гидростатического напора и сил инерции, создаваемых за счет вращения размещенного в емкости полого обратного конуса и соединенного с ним винта, движутся вверх к разгрузочному устройству.The material is fed into a tank filled with refrigerant - liquid nitrogen. The height of the liquid nitrogen column was chosen such that, having reached the bottom of the tank, the solution droplets turn into granules. From the bottom of the container, the granules under the action of hydrostatic pressure and inertia created by rotating the hollow inverse cone and the screw connected to it move upward to the unloading device.
В известном способе капли материала подают в ванну на неподвижный слой хладагента, что не может обеспечить максимальную скорость замораживания, от которой зависит размер образующихся структурных элементов твердой фазы и равномерное распределение компонентов в грануле. Часть подаваемых капель может контактировать с плавающими на поверхности хладагента частично замороженными каплями и кристаллизоваться на их поверхности, что приводит к слипанию гранул и образованию агломератов.In the known method, drops of material are fed into the bath on a fixed refrigerant layer, which cannot provide the maximum freezing rate, which determines the size of the formed structural elements of the solid phase and the uniform distribution of components in the granule. Part of the supplied droplets can come into contact with partially frozen droplets floating on the surface of the refrigerant and crystallize on their surface, which leads to the coalescence of granules and the formation of agglomerates.
Неподвижный слой хладагента не обеспечивает достаточно быстрое замораживание капель продукта и получение продукта с заданными параметрами. Если производить подачу материала на хладагент, находящийся в неподвижном состоянии, то при попадании капель раствора в хладагент последний бурно вскипает. Образующийся пар поддерживает капли во взвешенном состоянии, и они плавают на поверхности. При этом капли совершают хаотические перемещения с одновременным вращением вокруг своей оси. Полученный продукт представляет собой неоднородные легко разрушающиеся гранулы, а также агломераты сросшихся гранул.The fixed refrigerant layer does not provide sufficiently quick freezing of product droplets and obtaining a product with specified parameters. If you supply material to a refrigerant that is stationary, then when droplets of solution get into the refrigerant, the latter will boil violently. The resulting vapor 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. The resulting product is a heterogeneous easily crumbling granules, as well as agglomerates of fused granules.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ замораживания капель жидкого продукта, заключающийся в формировании в емкости вращающегося слоя хладагента, который создают распылением последнего на внутреннюю поверхность стенок вращающегося сосуда Дьюара (SU №976234, 23.11.1982). Подачу исходного жидкого материала осуществляют гидравлическим распылением в рабочем объеме сосуда Дьюара. Под действием сил инерции и центробежной силы, создаваемой вихревым потоком паров хладагента, материал подается на поверхность слоя криогенной жидкости, замораживается, осаждается и выводится из процесса. Для увеличения времени контакта замораживаемого материала с хладагентом в устройстве предусмотрена дополнительная емкость.The closest in technical essence to the invention is a method of freezing drops of a liquid product, which consists in forming a rotating layer of refrigerant in the tank, which is created by spraying the latter on the inner surface of the walls of the rotating Dewar vessel (SU No. 976234, 11/23/1982). The supply of the original liquid material is carried out by hydraulic spraying in the working volume of the Dewar vessel. Under the action of inertia and centrifugal forces created by the vortex flow of refrigerant vapor, the material is fed to the surface of the cryogenic liquid layer, frozen, precipitated and removed from the process. To increase the contact time of the frozen material with the refrigerant, an additional capacity is provided in the device.
Однако образующийся на стенках пленочный слой хладагента является достаточно тонким и протекающий в нем теплообменный процесс не обеспечивает быстрого и равномерного замораживания продукта, чем и вызвана необходимость дополнительного контакта гранул с хладагентом в отстойнике и что, в конечном счете, приводит к колебаниям гранулометрического состава и возможной агломерации гранул.However, the film layer of the refrigerant formed on the walls is quite thin and the heat exchange process that takes place in it does not provide quick and uniform freezing of the product, which necessitates additional contact of the granules with the refrigerant in the settler and, ultimately, leads to fluctuations in the particle size distribution and possible agglomeration granules.
Задачей изобретения является интенсификация процесса замораживания, повышение качества продукта с получением одноразмерных сферических гранул.The objective of the invention is the intensification of the freezing process, improving the quality of the product with obtaining one-dimensional spherical granules.
Поставленная задача решается тем, что в способе криогенного гранулирования растворов или суспензий, включающем формирование вращающегося слоя хладагента в емкости, подачу исходного раствора в жидкий хладагент гидравлическим распылением с последующим выведением из хладагента гранулированного продукта, согласно изобретению первоначально заполняют емкость хладагентом до заданной высоты слоя с последующим перемешиванием хладагента в турбулентном режиме, соответствующем числу Рейнольдса 1*106-2*107, с образованием воронкообразного слоя с криволинейной вогнутой поверхностью в форме параболоида в донной части слоя, переходящего в его верхней части в гиперболоид, при этом распыление исходного материала производят в виде тонкодисперсных капель тангенциально к поверхности слоя хладагента и под углом 20-70 градусов к горизонту.The problem is solved in that in the method of cryogenic granulation of solutions or suspensions, including the formation of a rotating refrigerant layer in a tank, feeding the initial solution into a liquid refrigerant by hydraulic spraying, followed by removal of the granular product from the refrigerant, according to the invention, the tank is initially filled with refrigerant to a predetermined layer height, followed by stirring the coolant in a turbulent flow, the Reynolds number corresponding to 1 * 10 6 -2 * 10 7, to form a funnel-shaped layer a curved concave surface in the form of a paraboloid bottom layer, rolling in its upper portion a hyperboloid, while spraying a starting material is produced in the form of fine droplets tangentially to the surface of the refrigerant and at an angle of 20-70 degrees to the horizontal layer.
Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.
При умеренных скоростях замораживания структурообразование на границе раздела фаз происходит в условиях, близких к равновесным (равновесной кристаллизацией). Структура твердой фазы формируется под влиянием термодинамической неустойчивости поверхности раздела, развивающейся в условиях быстрого охлаждения жидкости. Затвердевающий раствор 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. The hardening solution 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 и переохлаждения жидкости, 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 and supercooling of the liquid, the magnitude of the surface energy, and the rate of advancement of the solid phase front (freezing rate).
С увеличением интенсивности теплоотвода структурообразование в процессе быстрого замораживания перестает подчиняться равновесной кристаллизации. Известны данные, свидетельствующие о существовании резкого скачка в зависимости характерного размера частиц твердой фазы от скорости замораживания. Для структуры, формирующейся под влиянием этого эффекта, например, из водосолевых растворов, характерно наличие частиц порядка 0,1 мкм и меньше в сочетании с высокой степенью однородности их распределения по размерам при темпе охлаждения, превышающем 30 К/с.With an increase in the intensity of heat removal, the structure formation during rapid freezing ceases to obey equilibrium crystallization. There is known evidence of a sharp jump in the dependence of the characteristic particle size of the solid phase on the freezing rate. The structure formed under the influence of this effect, for example, from water-salt solutions, is characterized by the presence of particles of the order of 0.1 μm or less in combination with a high degree of uniformity of their size distribution at a cooling rate exceeding 30 K / s.
При темпе охлаждения порядка 50 К/с размеры частиц, например, для водного раствора нитрата натрия, по порядку величины составляют от десятых до сотых долей микрометра, а их распределение близко к монодисперсному.At a cooling rate of about 50 K / s, the particle sizes, for example, for an aqueous solution of sodium nitrate, are in the order of magnitude from tenths to hundredths of a micrometer, and their distribution is close to monodisperse.
При контакте капель раствора с поверхностью хладагента вокруг капли образуется паровая прослойка, препятствующая быстрому охлаждению гранул. Вращающийся турбулентный слой хладагента как бы «срывает» эту паровую прослойку и за счет значительного повышения коэффициента теплопередачи и увеличенной массы слоя хладагента на стенках и в донной части емкости по сравнению с известным способом создаются условия для высоких значений скорости охлаждения капель.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 turbulent refrigerant layer “breaks” this vapor layer, and due to a significant increase in the heat transfer coefficient and increased mass of the refrigerant layer on the walls and in the bottom of the tank, in comparison with the known method, conditions are created for high values of the droplet cooling rate.
Подача распыленного исходного вещества тангенциально и под углом к поверхности вращающегося слоя хладагента способствует интенсификации процесса, так как капли раствора под действием энергии вращения хладагента с наибольшей полнотой захватываются последним и увлекаются внутрь слоя. В зависимости от свойств исходного материала его угол подачи на поверхность хладагента подбирается экспериментально в каждом конкретном случае. Угол подачи раствора и суспензии в пределах 20-70 градусов является оптимальным. При меньшем угле подачи материала капли хуже захватываются хладагентом, а при большем угле - значительно (до пяти раз) увеличивается средний размер получаемых криогранул.The supply of the sprayed starting material tangentially and at an angle to the surface of the rotating refrigerant layer contributes to the intensification of the process, since the droplets of the solution under the influence of the energy of rotation of the refrigerant are most trapped by the latter and carried away into the layer. Depending on the properties of the source material, its angle of supply to the surface of the refrigerant is selected experimentally in each case. The angle of supply of the solution and suspension within 20-70 degrees is optimal. At a smaller angle of material supply, droplets are worse captured by the refrigerant, and at a larger angle, the average size of the obtained cryogranules increases significantly (up to five times).
Турбулентный режим, соответствующий числу Рейнольдса 1*106-2*107, образует воронкообразный слой с криволинейной вогнутой поверхностью в форме параболоида в донной части слоя, переходящего в его верхней части в гиперболоид. При попадании капель во вращающийся воронкообразный слой с указанной криволинейной поверхностью за счет образования слоя достаточной толщины (более 20 средних диаметров криогранулы) не происходит изменения сферообразной формы капли, что позволяет получать однородные гранулы. Капли быстро и равномерно промерзают, превращаясь в практически одноразмерные твердые сферические гранулы. При криогранулировании происходит интенсивное формирование мелкозернистой структуры в твердой фазе, характеризующейся большим числом мелких кристаллитов, равномерно распределенных по размеру в гранулах сферической формы.The turbulent regime corresponding to a Reynolds number of 1 * 10 6 -2 * 10 7 forms a funnel-shaped layer with a curved concave surface in the form of a paraboloid in the bottom of the layer, passing in its upper part into a hyperboloid. When droplets get into a rotating funnel-shaped layer with the indicated curved surface due to the formation of a layer of sufficient thickness (more than 20 average cryogranule diameters), the sphere-shaped shape of the drop does not change, which makes it possible to obtain uniform granules. Drops freeze quickly and evenly, turning into almost one-dimensional solid spherical granules. During cryogranulation, the fine-grained structure is intensively formed in the solid phase, characterized by a large number of small crystallites uniformly distributed in size in spherical granules.
С повышением скорости замораживания размер образующихся структурных элементов твердой фазы уменьшается, а равномерность распределения компонентов возрастает.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.
Гидравлическое распыление материала в виде тонкодисперсных капель также способствует получению мелких криогранул однородного гранулометрического состава и исключению агрегации частиц.Hydraulic spraying of the material in the form of fine droplets also contributes to the production of fine cryogranules of uniform particle size distribution and the elimination of particle aggregation.
Осуществление способа поясняется примерами и схематичным чертежом.The implementation of the method is illustrated by examples and a schematic drawing.
Пример 1. Технологическую емкость 1 объемом 5,0 л заполняли жидким хладагентом - азотом 2 до заданного уровня. Слой хладагента посредством лопастной мешалки 3 приводили во вращательное турбулентное движение, соответствующее числу Рейнольдса 1*106. Скорость была достаточной для образования в слое хладагента воронки 4 с криволинейной вогнутой поверхностью - параболоидом а, который в верхней части слоя переходит в гиперболоид вращения b.Example 1. Technological capacity 1 with a volume of 5.0 l was filled with liquid refrigerant -
После стабилизации формы поверхности воронки 4 хладагента начинали подачу исходного раствора.After stabilization of the surface shape of the
Предварительно готовили водный раствор нитрата лантана с концентрацией 51,9% (однофазная жидкость).An aqueous solution of lanthanum nitrate with a concentration of 51.9% (single-phase liquid) was preliminarily prepared.
Готовый раствор с температурой 20°C подавали насосом в распылительную форсунку 5, которая обеспечивала распыл материала в виде тонкодисперсных капель. Расход раствора устанавливали 25 л/час. Диаметр сопла форсунки - 0,4 мм, а давление раствора на срезе сопла составляло 0,2 МПа. Подача раствора осуществлялась тангенциально к вращающемуся слою под углом α=70 градусов к горизонту.The finished solution with a temperature of 20 ° C was pumped into the
При попадании в жидкий хладагент капли раствора нитрата лантана быстро замораживались и опускались на дно емкости. Готовые замороженные гранулы выводили из процесса. Размер полученных гранул колебался от 0,5 до 1,5 мм, при этом они имели сферическую форму и однородный состав.When lanthanum nitrate solution gets into the liquid refrigerant, it quickly freezes and sinks to the bottom of the tank. Finished frozen granules were removed from the process. The size of the obtained granules ranged from 0.5 to 1.5 mm, while they had a spherical shape and a uniform composition.
Пример 2.Example 2
Параметры проведения процесса были аналогичными примеру 1. Предварительно готовили водную суспензию гидроксида циркония с 12%-ной концентрацией твердого компонента. Слой хладагента посредством лопастной мешалки 3 приводили во вращательное турбулентное движение, соответствующее числу Рейнольдса 2*107. Скорость была достаточной для образования в слое хладагента воронки 4 с криволинейной вогнутой поверхностью - параболоидом a, который в верхней части слоя переходит в гиперболоид вращения b. Капли суспензии при попадании в жидкий азот замораживались и выгружались из емкости. Подача раствора осуществлялась тангенциально к вращающемуся слою и под углом α=20 градусов к горизонту.The parameters of the process were similar to example 1. Pre-prepared aqueous suspension of zirconium hydroxide with a 12% concentration of solid component. The refrigerant layer by means of a
Полученные гранулы имели сферическую форму, и их размер колебался от 0,8 до 1,6 мм. Гранулы имели однородный состав.The obtained granules had a spherical shape, and their size ranged from 0.8 to 1.6 mm. The granules had a uniform composition.
Экспериментально было установлено, что вышеуказанное значение числа Рейнольдса является оптимальным для получения однородных гранул сферической формы при минимальном разбросе размеров гранул. При других значениях числа Рейнольдса невозможно стабильно поддерживать необходимую форму вращающегося слоя и, как следствие, получать требуемое гранулометрическое распределение криогранул.It was experimentally established that the above Reynolds number is optimal for obtaining uniform spherical granules with a minimum dispersion of granule sizes. For other values of the Reynolds number, it is impossible to stably maintain the necessary shape of the rotating layer and, as a result, to obtain the required particle size distribution of cryogranules.
При попадании замораживаемых капель на вращающийся слой хладагента 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 frozen drops fall onto a rotating refrigerant layer with the specified curved surface due to the formation of a refrigerant layer of the required thickness extended over the height, the spherical shape of the droplet does not change, which makes it possible to obtain uniform granules.
Высокий коэффициент теплопередачи при замораживании во вращающемся хладагенте позволяет интенсифицировать процесс образования гранул. Гранулы в готовом продукте химически однородны, имеют сферическую форму и характеризуются стабильным гранулометрическим составом.The high heat transfer coefficient during freezing in a rotating refrigerant allows you to intensify the process of formation of granules. The granules in the finished product are chemically homogeneous, have a spherical shape and are characterized by a stable particle size distribution.
Стадия гранулирования замораживанием является наиболее ответственной в технологическом цикле. Режим проведения именно этой стадии предопределяет структуру и свойства конечного продукта, получаемого после сублимационной сушки гранул.The stage of granulation by freezing is the most critical in the technological cycle. The regime of this particular stage determines the structure and properties of the final product obtained after freeze-drying of granules.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010119536/21A RU2422196C1 (en) | 2010-05-17 | 2010-05-17 | Device for cryogenic granulation of solutions and suspensions |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010119536/21A RU2422196C1 (en) | 2010-05-17 | 2010-05-17 | Device for cryogenic granulation of solutions and suspensions |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2422196C1 true RU2422196C1 (en) | 2011-06-27 |
Family
ID=44739034
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010119536/21A RU2422196C1 (en) | 2010-05-17 | 2010-05-17 | Device for cryogenic granulation of solutions and suspensions |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2422196C1 (en) |
-
2010
- 2010-05-17 RU RU2010119536/21A patent/RU2422196C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5536333B2 (en) | Cerium stabilized zirconium oxide particles | |
US4848094A (en) | Droplet freezing method and apparatus | |
US10328492B2 (en) | Metal powder production apparatus | |
RU2524873C2 (en) | Device and method of fused metal pelletising | |
NO153361B (en) | PROCEDURE FOR THE PREPARATION OF GRANULES CONSTRUCTED BY A CORE AND A CAPE | |
CN102476184A (en) | Copper powder as well as manufacture method, manufacture device and heat radiation element thereof | |
US10005062B2 (en) | Apparatus for manufacturing particles and method for manufacturing particles using the same | |
US4081500A (en) | Sulphur pelletization process | |
CN111643487A (en) | Lactose microsphere and preparation method thereof | |
RU2422196C1 (en) | Device for cryogenic granulation of solutions and suspensions | |
US7062924B2 (en) | Method and apparatus for the manipulation and management of a cryogen for production of frozen small volumes of a substance | |
JP2017145494A (en) | Metal powder production apparatus | |
CN102407028A (en) | Method for preparing polymer or drug particle by continuous supercritical fluid rapid expansion technology | |
JP2019512611A (en) | High flowability thermal spray powder and method for producing the same | |
RU2421272C1 (en) | Device for cryogenic granulation of solutions and suspensions | |
CN103273054B (en) | Copper powder and heat radiating piece using same | |
Wang et al. | Control of the agglomeration of crystals in the reactive crystallization of 5-(difluoromethoxy)-2-mercapto-1 H-benzimidazole | |
Liu et al. | Preparation and Characterization of Ultra‐Fine 3‐Nitro‐1, 2, 4‐Triazole‐5‐One Crystals Using a Novel Ultrasonic–Assisted Spray Technology | |
JP2008303304A (en) | Method for producing crystalline polyamide fine particle | |
US4076776A (en) | Calcium chloride prilling | |
RU2725536C2 (en) | Method for production of combined fertilizers | |
CN114315745B (en) | Nanoscale NTO crystal and preparation method thereof | |
JP4914125B2 (en) | Method for producing lithium titanate fine sintered grains | |
JPH11151434A (en) | Wet granulating method and device therefor | |
RU2643556C1 (en) | Device for cryogenic granulation of liquid sulphur |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150518 |