UA81211C2

UA81211C2 - Method of homogenization

Info

Publication number: UA81211C2
Application number: UAA200605279A
Authority: UA
Inventors: Anatolii Andriiovych Dolinskyi; Oleksandr Anatolio Korchynskyi; Viacheslav Olehovych Kremniov; Anatolii Petrovych Hartvih
Original assignee: Inst Technical Thermal Physics
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2007-12-10

Abstract

The invention relates to methods of intensification of mass exchange and can be used for intensification of the processes of obtaining the dispersions in food, chemical, petrochemical and other branches of industry. A method of homogenization provides for discharge of the jet of workable mixture into the mixing chamber and creation of compression shock at the chamber output, due to periodic decrease of the outlet of mixing chamber. The invention allows to intensify the process of homogenization of heterogeneous media on the liquid basis.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід належить до способів інтенсифікації масообміну і може бути застосований для інтенсифікації 2 процесів отримання дисперсій в харчовій, хімічній, нафтохімічній та інших галузях промисловості.The invention belongs to methods of mass transfer intensification and can be applied to intensify 2 processes of obtaining dispersions in the food, chemical, petrochemical and other industries.

Відомий спосіб (Патент Росії Мо2001114084/12, МПК ВО1Е7/00, 11/00. КО БИПМ Мо13, 2003) для обробки рідинного проточного середовища в роторному апараті шляхом збудження імпульсної гідродинамічної кавітації в оброблюваній суміші за модуляторами, які створені патрубками-отворами ротора і статора.A known method (Russian Patent Mo2001114084/12, IPC VO1E7/00, 11/00. KO BIPM Mo13, 2003) for processing a liquid flow medium in a rotor apparatus by exciting pulsed hydrodynamic cavitation in the processed mixture by modulators, which are created by nozzles-holes of the rotor and stator

У такий спосіб не забезпечується створення кавітаційної течії з необхідним технологічним ефектом, тому що 70 кавітаційні бульбашки, які виникають у зазорі між ротором і статором, не зносяться в ділянку потоку з підвищеним тиском, а залишаються в зазорі, створюючи порожнини, у зв'язку з чим більша частина зазору не використовується, перетворюючись на застійну зону. Крім того, такий апарат має значний гідравлічний опір, що призводить до недоцільних витрат енергії на його подолання.In this way, the creation of a cavitation flow with the necessary technological effect is not ensured, because 70 cavitation bubbles that arise in the gap between the rotor and the stator are not carried into the area of the flow with increased pressure, but remain in the gap, creating cavities, due to the greater part of the gap is not used, turning into a stagnant zone. In addition, such a device has a significant hydraulic resistance, which leads to unnecessary expenditure of energy to overcome it.

Відомий спосіб створення кавітаційної течії (Патент України Моб6б6103 А МПК ВО6В1/18. Опубл.15.04.2004, 79 бюл. Мод), згідно з яким витікання струменя рідини через сопло в камеру змішування супроводжується штучним збудженням коливань у повздовжній площині, завдяки чому створюються умови для виникнення кавітаційної течії.There is a known method of creating a cavitation flow (Patent of Ukraine Mob6b6103 А MPK VO6В1/18. Publ. 15.04.2004, 79 Bull. Mod.), according to which the outflow of a liquid jet through a nozzle into a mixing chamber is accompanied by artificial excitation of oscillations in the longitudinal plane, thanks to which conditions are created for cavitation flow to occur.

Цей спосіб не дає значного технологічного ефекту, тому що відсутні умови для гарантованого колапсу кавітаційних бульбашок, при яких останні випускають кумулятивні струмки, які є основним фактором подрібнення компонентів середовища в кавітаційній течії.This method does not give a significant technological effect, because there are no conditions for the guaranteed collapse of cavitation bubbles, in which the latter release cumulative streams, which are the main factor in the grinding of the components of the medium in the cavitation flow.

Також відомий спосіб для створення кавітаційної течії (Патент США Мо5971601, МПК ВОТЕБ/06, 20001, який передбачає витікання струменя з отвору у діафрагмі, що встановлена в циліндричній камері змішування, за умов співвідношення тиску Р. перед діафрагмою і Ро за нею Р./Ро«9,85. При цьому динамічний напір у струмені повинен бути не менше, ніж 0,15.Р.. За таких умов у струмені створюється кавітаційна течія, яка с 29 використовується для диспергування суміші рідин до стану емульсії. Ге)There is also a known method for creating a cavitation flow (US Patent No. 5971601, IPC VOTEB/06, 20001, which provides for the outflow of a jet from an opening in a diaphragm installed in a cylindrical mixing chamber, under the conditions of the pressure ratio R. in front of the diaphragm and R. behind it R./ Po" 9.85. At the same time, the dynamic pressure in the jet should be at least 0.15.Р.. Under such conditions, a cavitation current is created in the jet, which is used to disperse the mixture of liquids to the state of emulsion. Ge)

Цей спосіб енергетично невигідний через те, що для створення кавітаційної течії потрібно розвинути високу швидкість течії, а діафрагма має великий гідравлічний опір, що призводить до значних місцевих втрат напору.This method is energetically unprofitable due to the fact that to create a cavitation flow, it is necessary to develop a high flow speed, and the diaphragm has a large hydraulic resistance, which leads to significant local head losses.

Відомий спосіб емульгування Заявка Мо20051148 від 1.12.2005), обраний за прототип, згідно з яким струмінь оброблюваної суміші витікає Через сопло в камеру змішування, на вході в яку створюють зону розрідження із - тиском, який нижче за тиск насиченої пари дисперсійної фази, а на виході з камери змішування створюють зону че підвищеного тиску.The known method of emulsification Application Mo20051148 dated 1.12.2005), chosen as a prototype, according to which the jet of the processed mixture flows through the nozzle into the mixing chamber, at the entrance of which a rarefaction zone is created with a pressure lower than the pressure of the saturated vapor of the dispersion phase, and at exits from the mixing chamber create a zone of increased pressure.

Недоліком цього способу є те, що для отримання високодисперсних сумішей необхідно пропускати сч оброблювану рідину через камеру змішування декілька разів. «-The disadvantage of this method is that in order to obtain highly dispersed mixtures, it is necessary to pass the treated liquid through the mixing chamber several times. "-

В основу винаходу поставлена задача вдосконалення процесу гомогенізації гетерогенного середовища наThe basis of the invention is the task of improving the process of homogenization of a heterogeneous environment

Зо рідинній основі шляхом періодичного створення стрибка ущільнення за рахунок періодичного зменшення со вихідного отвору камери змішування. При цьому досягається багатократний вплив стрибків ущільнення на частинки дисперсної фази під час одного пропускання суміші через пристрій, що дозволяє значно інтенсифікувати процес гомогенізації. «From a liquid base by periodically creating a sealing jump due to a periodic decrease in the output opening of the mixing chamber. At the same time, a multiple impact of compaction jumps on the particles of the dispersed phase is achieved during one passage of the mixture through the device, which allows to significantly intensify the homogenization process. "

Поставлена задача вирішується тим, що в способі гомогенізації, згідно з яким потік оброблюваної рідинної З7З 70 суміші, рухаючись по трубопроводу, потрапляє Через сопло в герметично з'єднану з трубопроводом камеру с змішування, на вході в яку створюють зону розрідження, згідно з винаходом, на виході з камери змішування із "з заданою частотою створюють стрибок ущільнення шляхом періодичного зменшення розмірів вихідного отвору камери змішування, при цьому довжина камери змішування І повинна бути більшою за добуток швидкості звуку у суміші а та часу т, за який зменшується вихідний отвір камери змішування, І»а.х. бо 15 При витіканні струменя через сопло в камеру змішування відбувається скипання рідини. При цьому струмінь рідини набирає швидкість і розпадається зі створенням парових та газових бульбашок. Таким чином у камері - змішування створюється газорідинна суміш. При цьому швидкість течії для гарантованого кавітаційного скипання юю на вході в камеру змішування повинна бути: шу 20 (0The problem is solved by the fact that in the method of homogenization, according to which the flow of the processed liquid Z7Z70 mixture, moving along the pipeline, enters through the nozzle into the mixing chamber hermetically connected to the pipeline, at the entrance of which a rarefaction zone is created, according to the invention, at the exit from the mixing chamber with "with a given frequency, a sealing jump is created by periodically reducing the size of the mixing chamber outlet opening, while the length of the mixing chamber I should be greater than the product of the sound speed in the mixture a and the time t, during which the mixing chamber outlet opening is reduced, I»akh. bo 15 When the jet flows through the nozzle into the mixing chamber, the liquid boils. At the same time, the liquid jet gains speed and breaks up with the creation of vapor and gas bubbles. Thus, a gas-liquid mixture is created in the mixing chamber. At the same time, the flow rate for of guaranteed cavitation boiling at the entrance to the mixing chamber should be: 20 (0

У Р-Р - Рекр де Р - тиск у потоці перед соплом; Ру - тиск у потоці на виході з сопла в камеру змішування; р - густина дисперсійної фази; Кер - критичне число кавітації, яке розраховується за геометричними параметрами входу до (Ф) камери змішування (Арзуманов З.С. Кавитация в местньїх гидравлических сопротивлениях / Москва, "Знергия", г) 19781.In Р-Р - Recr de R - pressure in the flow in front of the nozzle; Ru - pressure in the flow at the exit from the nozzle to the mixing chamber; p - density of the dispersion phase; Ker - the critical number of cavitation, which is calculated based on the geometric parameters of the entrance to (F) the mixing chamber (Arzumanov Z.S. Cavitation in local hydraulic resistances / Moscow, "Znergia", d) 19781.

На виході з камери змішування періодично створюють гідравлічний опір шляхом зменшення вихідного отвору во Камери змішування, наприклад, електромеханічною засувкою, внаслідок чого в потоці різко зростає місцевий тиск і відбувається стрибок ущільнення. Періодичне створення гідравлічного опору призводить до періодичного виникнення в потоці стрибків ущільнення.At the exit from the mixing chamber, hydraulic resistance is periodically created by reducing the outlet opening in the mixing chamber, for example, with an electromechanical valve, as a result of which the local pressure in the flow increases sharply and a sealing jump occurs. The periodic creation of hydraulic resistance leads to the periodic occurrence of compaction jumps in the flow.

При цьому максимальний тиск стрибка ущільнення в камері змішування Р стр розраховується за формулоюAt the same time, the maximum pressure of the sealing jump in the mixing chamber P str is calculated according to the formula

Вітте (МУіЩЧе У.Н. Міхіпд зпоскКзг іп йбмо-рпазе Пому. - ). ої Яцід тес., 1969, мо!/.З6, рі.4, тау.|: б5Witte (MUiShChe U.N. Mihipd zposkKzg ip ybmo-rpase Pomu. - ). oi Yazid Tess., 1969, mo!/.Z6, ri.4, tau.|: b5

((

Ветр- Ру на кру (сном Ру де дб - діаметр сопла, через яке потік потрапляє в приймальну частину камери змішування, а кзм - діаметр камери змішування.Wind- Ru na kru (snom Ru where db is the diameter of the nozzle through which the flow enters the receiving part of the mixing chamber, and kzm is the diameter of the mixing chamber.

При цьому парові та газові бульбашки в умовах протитиску активно колапсують з випусканням кумулятивних подрібнюючих струмків. Коли засувка рухається в напрямку перекриття каналу тиск у суміші перед засувкою 70 різко підвищується, і при цьому кавітаційні бульбашки колапсують. Коли засувка рухається в напрямку відкриття каналу тиск перед засувкою різко зменшується, і рідина знову скипає з утворенням нових парових бульбашок, які колапсують при наступному перекритті каналу. Тобто, періодичність створення протитиску обумовлює багатократність диспергуючої дії колапсуючих парових бульбашок на дисперсну фазу, що призводить до інтенсифікації процесів масообміну в потоці та подрібнення дисперсної фази.At the same time, steam and gas bubbles under back pressure actively collapse with the release of cumulative grinding streams. When the valve moves in the direction of closing the channel, the pressure in the mixture in front of the valve 70 rises sharply, and at the same time the cavitation bubbles collapse. When the valve moves in the direction of the opening of the channel, the pressure in front of the valve decreases sharply, and the liquid boils again with the formation of new vapor bubbles, which collapse when the channel is closed again. That is, the periodicity of the creation of back pressure determines the multiplicity of the dispersing effect of the collapsing vapor bubbles on the dispersed phase, which leads to the intensification of the mass transfer processes in the flow and the grinding of the dispersed phase.

Як відомо, швидкість просування збурення проти напрямку потоку дорівнює швидкості звуку у цьому потоці.As you know, the speed of the disturbance against the direction of the flow is equal to the speed of sound in this flow.

Довжина просування збурення дорівнює добутку швидкості звука та часу внесення збурення. Періодичне перекривання перетину потоку призводить до створення пульсуючої області високого тиску в потоці. Довжина цієї області не повинна перевищувати довжини камери змішування, інакше в область високого тиску потрапить місце виходу потоку з сопла, що унеможливить кавітаційне скипання рідини. Тому головною умовою перекривання вихідного отвору камери змішування є те, що довжина камери змішування І повинна бути більшою за добуток швидкості звуку у газорідинній суміші а та часу перекривання трубопроводу т:The length of propagation of the disturbance is equal to the product of the speed of sound and the time of introduction of the disturbance. The periodic overlap of the flow intersection leads to the creation of a pulsating region of high pressure in the flow. The length of this area should not exceed the length of the mixing chamber, otherwise the point of exit of the flow from the nozzle will fall into the high pressure area, which will prevent cavitation boiling of the liquid. Therefore, the main condition for closing the outlet opening of the mixing chamber is that the length of the mixing chamber I must be greater than the product of the sound speed in the gas-liquid mixture and the pipeline closing time t:

І»а-х, де а можна визначити, наприклад, за |Нигматуллин Р.И. Об ударньїх волнах в жидкости с пузьірьками газа / "ДАН СССР", 1974, т.214, Мо4, ч.80). сI»a-x, where a can be determined, for example, by |Nigmatullin R.I. On shock waves in a liquid with gas bubbles / "DAN SSSR", 1974, vol. 214, Mo4, part 80). with

Заявлений спосіб можна реалізувати наступним чином. оThe claimed method can be implemented as follows. at

Потік рідини з гідравлічного контуру через сопло потрапляє в камеру змішування. На виході з сопла рідина скипає і перетворюється на газорідинну суміш. При цьому тиск і швидкість рідини регулюються таким чином, щоб задовільнити умову (1). Після виходу з сопла газорідинна суміш набирає швидкість і періодично потрапляє в зону підвищеного тиску, яка створюється на виході з камери змішування за допомогою електромеханічної «- засувки, яка зменшує перетин вихідного отвору із заданою частотою. -The flow of liquid from the hydraulic circuit through the nozzle enters the mixing chamber. At the exit from the nozzle, the liquid boils and turns into a gas-liquid mixture. At the same time, the pressure and velocity of the liquid are regulated in such a way as to satisfy the condition (1). After exiting the nozzle, the gas-liquid mixture picks up speed and periodically enters the high-pressure zone, which is created at the exit from the mixing chamber by means of an electromechanical valve that reduces the cross-section of the outlet opening with a given frequency. -

При цьому в газорідинній суміші виникає пульсуюча область високого тиску, під дією якої утворені при скипанні рідини кавітаційні бульбашки колапсують з випусканням кумулятивних струмків, за рахунок чого се відбувається подрібнення дисперсної фази. Довжину зони колапсу кавітаційних бульбашок можна регулювати - зміною тиску рідини перед соплом і зміною перетину вихідного отвору камери змішування.At the same time, a pulsating region of high pressure appears in the gas-liquid mixture, under the action of which the cavitation bubbles formed during boiling of the liquid collapse with the release of cumulative streams, due to which the dispersed phase is crushed. The length of the collapse zone of cavitation bubbles can be adjusted - by changing the pressure of the liquid in front of the nozzle and changing the cross-section of the outlet opening of the mixing chamber.

Приклад застосування способу (див. Фіг.) (ее)Example of application of the method (see Fig.) (ee)

Лабораторний стенд використовувався для приготування водо-масляних дисперсій із вмістом за масою дисперсної фази 2095. В установці оброблювана суміш попередньо нагрівалась у калорифері К до 702С і під тиском 0,4МПа за допомогою насоса 1 через сопло 2 потрапляла в приймальну камеру 3, яка з'єднана з « вакуум-насосом, під дією якого на виході з сопла 2 утворювався газорідинний потік, що потрапляв у зону стрибка ущільнення в камері змішування 4, який створювався внаслідок періодичного перекриття вихідного ші с отвору камери змішування малоінерційною електромеханічною засувкою 5. Після обробки суміш потрапляла в м ємність Є. Тиск перед соплом контролювався манометром М і складав 0,4МПа. Тиск у приймальній камері я контролювався вакуумметром М і складав 0,01МПа. Тиск у стрибку ущільнення контролювався малоінерційним датчиком високого тиску Д і складав 0,25МПа. Розміри дисперсної фази визначались за допомогою мікроскопа.The laboratory stand was used for the preparation of water-oil dispersions with a content by mass of the dispersed phase of 2095. In the installation, the processed mixture was preheated in the heater K to 702С and under a pressure of 0.4 MPa, using pump 1, through nozzle 2, entered the receiving chamber 3, which connected to a vacuum pump, under the action of which a gas-liquid flow was formed at the exit from the nozzle 2, which entered the sealing jump zone in the mixing chamber 4, which was created as a result of the periodic closing of the outlet opening of the mixing chamber by a low-inertia electromechanical valve 5. After processing, the mixture entered in m capacity E. The pressure in front of the nozzle was controlled by a manometer M and was 0.4 MPa. The pressure in the receiving chamber was monitored by a vacuum gauge M and was 0.01 MPa. The pressure in the seal jump was monitored by a low-inertia high-pressure sensor D and was 0.25 MPa. The dimensions of the dispersed phase were determined using a microscope.

Результати експериментів зведені в таблицю. Порівняння розмірів частинок дисперсної фази, отриманих у со дослідах із частотою перекриття виходу з камери змішування 20, ЗО, 40 і 50Гц показало, що розмір частинок - настільки менший, наскільки більша частота перекривання вихідного отвору камери змішування. о) ою -зThe results of the experiments are summarized in a table. A comparison of the sizes of the particles of the dispersed phase obtained in the experiments with the overlapping frequency of the exit from the mixing chamber of 20, 30, 40 and 50 Hz showed that the size of the particles is as much smaller as the frequency of overlapping of the exit opening of the mixing chamber is higher. o) oyu -z

Claims

59 Formula of the invention F) ka Method of homogenization, according to which the flow of the processed liquid mixture, moving along the pipeline, enters through the nozzle into the mixing chamber hermetically connected to the pipeline, at the entrance of which a rarefaction zone is created with a pressure lower than the pressure of saturated steam of the dispersion phase, which is characterized by the fact that in the mixing chamber with a given frequency, a jump in compaction is created by periodically reducing the size of the exit opening of the mixing chamber, while the length of the mixing chamber / must be greater than the product of the sound speed in the mixture a and the time t, during which the exit opening decreases opening of the mixing chamber, /2 a-.

b5