Способ диспергирования жидкостей, их смесей и взвесей твердых тел в жидкостях
Владельцы патента RU 2344874:
Общество с ограниченной ответственностью "Композит" (RU)
Изобретение относится к области переработки жидких сред и может использоваться для получения жидких композиционных материалов. Способ включает предварительное перемешивание жидкости со стабилизатором и последующую гомогенизацию. Формируют циркулирующий поток жидкости, периодически перекрывают его и забирают часть перекрытого потока, которую делят на два или более парных потока. В каждой паре потоки преобразуют в высокоскоростные струи и направляют их навстречу друг другу для обеспечения периодического лобового удара с частотой, равной частоте перекрытия циркулирующего потока. Для регулирования степени диспергирования изменяют длину и скорость движения циркулирующего потока. Технический результат состоит в повышении степени диспергирования сред. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области переработки жидких сред и может использоваться для получения жидких композиционных материалов, в том числе наноструктурированных жидкостей.
Технология получения жидких композиционных материалов включает определенную последовательность операций, при этом первичной и определяющей операцией является диспергирование жидких или твердых компонентов. На стадии диспергирования получают ансамбль частиц с определенным среднестатистическим размером. Существенной при этом является степень диспергирования, которая может соответствовать освоенному микроуровню или относиться к более перспективному наноуровню.
В жидких средах для диспергирования обычно используют эффект ударного столкновения, которое приводит к дроблению сталкивающихся частиц. Для оценки вероятности диспергирования частицы жидкости используют число Вебера We, которое выражает собой отношение сил инерции к силам поверхностного натяжения (см., например, Повх И.Л. Техническая гидромеханика. Ленинград, изд-во Машиностроение, 1969, стр.263):
где ρ - плотность сталкивающейся частицы;
V - относительная скорость сталкивающихся частиц;
d - диаметр частицы;
σ - межфазное поверхностное натяжение.
Приведенное соотношение показывает, что степень диспергирования в жидкости зависит преимущественно от скорости соударения частицы с препятствием. В качестве препятствия может выступать стенка сосуда или другая движущаяся частица жидкости. При значении числа We=10 каждая капля разбивается на 2 частицы, а при достижении We=14 каждая капля разбивается уже на 10 частей. Дальнейшее увеличение числа Вебера ведет к росту числа измельченных частиц (Волынский М.С. Необыкновенная жизнь обыкновенной капли. М., Знание, 1986, с.67).
Столкновения частиц жидкости используются в различных способах диспергирования. Известны, например, способы диспергирования топливных смесей, основанные на перемешивании жидкостей (гомогенизации) и последующем распылении смеси с помощью форсунки. При прохождении через отверстия форсунки частицы испытывают столкновения, которые вызывают распыление жидкости. Размер распыленных с помощью форсунки частиц, как показывает опыт, составляет десятые доли миллиметра и не может быть существенно уменьшен из-за ограничения скорости движения сталкивающихся капель.
Более эффективные способы диспергирования жидкости основаны на использовании кавитационных явлений. При кавитационном диспергировании в жидкой среде создают условия для возникновения отрицательного давления, необходимого для развития и последующего схлопывания кавитационных полостей. В результате схлопывания кавитационной полости резко возрастает значение локального давления, возникает ударная волна, которая вызывает диспергирование частиц жидкости или измельчение частиц твердого тела, находящихся в зоне схлопывающейся полости. Диспергируемая частица испытывает мощное ударное столкновение со стенкой схлопывающейся полости, импульс локального давления в момент схлопывания полости достигает значения 106 атмосфер.
Кавитационное диспергирование как способ обработки жидких сред используют для создания разнообразных технологических процессов. В качестве примера можно привести способы получения водоугольного топлива (заявка №2003123237) и водотопливных эмульсий (патент №2208043), способы обработки монодисперсных кремовых эмульсий (патент №2240782) и кремнийорганолипидных микрокапсул для медицинских и косметических препаратов (патент №2173140), способы сепарации (заявка №2001114277) и дегазации жидких сред (патент №2254913) в пищевой, химической, горнорудной промышленности.
Перечисленные способы могут использоваться в качестве аналогов предлагаемого изобретения. Общим недостатком приведенных аналогов является низкая степень диспергирования компонентов, связанная с ограничением скорости схлопывания кавитационной полости.
Прототипом предлагаемого изобретения является способ функционирования акустического излучателя, описанного в патенте RU №2149713 C1, B06B 1/18. Принцип действия акустического излучателя пояснен на фиг.4. В акустическом излучателе жидкая среда проходит через периодически перекрываемые каналы ротора и статора, которые имеют цилиндрическую форму и коаксиальное расположение. Отличительной особенностью прототипа является подача обрабатываемой жидкости от наружной поверхности ротора к центру.
Прототип функционирует следующим образом. В момент периодических совпадений каналов ротора и статора обрабатываемая жидкость проходит во внутреннюю полость статора, где находится приемная камера и выходной патрубок. В момент перекрытия каналов статора в жидкости, находящейся в полости каналов, создается отрицательное давление, за счет которого возникают и схлопываются кавитационные полости. Движение жидкости от края к центру способствует концентрации кавитационных полостей и возникновению акустических колебаний внутри полости статора, что приводит к интенсификации процессов диспергирования.
Основным недостатком прототипа является отсутствие ударного взаимодействия между потоками, проходящими через каналы статора.
Целью настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и повышение степени диспергирования жидкостей, их смесей и взвесей твердых тел. Поставленная цель достигается следующим способом.
Изначально формируют циркулирующий поток жидкости в замкнутом контуре с заданными поперечным сечением и скоростью движения. Периодически этот поток перекрывают и тем самым обеспечивают условия для повышения давления за счет возникновения гидравлического удара. Из потока с повышенным давлением забирают часть жидкости, которую делят на два или более парных потоков. В каждой паре потоки направляют в сопла, ориентированные навстречу друг другу. На выходе из сопел формируют высокоскоростные встречные струи, которые испытывают периодическое лобовое столкновение в приемной камере с частотой, равной частоте перекрытия циркулирующего потока. В результате лобового столкновения струи разбиваются на множество измельченных частиц и молекул, то есть происходит диспергирование жидкости.
Высокую скорость струи обеспечивают за счет гидроударного приращения давления в циркулирующем замкнутом контуре, величину гидроударного приращения давления рассчитывают по формуле Жуковского:
Δр=aρΔV,
где а - скорость звука в жидкости, а ΔV - изменение скорости потока.
Время гидроударного воздействия в циркулирующем контуре определяют по формуле:
t=2l/a,
где l - длина трубопровода от подающего насоса до места перекрытия потока (см. фиг.1).
Из приведенных формул видно, что интенсивность гидравлического удара и величину приращения давления можно задавать в замкнутом контуре и регулировать ее путем изменения скорости циркулирующего потока, а время воздействия гидроударного давления изменять путем выбора длины подводящего трубопровода. В частности, длину подводящего трубопровода следует выбирать таким образом, чтобы продолжительность гидроударного воздействия превышала время формирования высокоскоростной струи.
Рассмотрим более детально физическую картину явлений, происходящих в жидкости после столкновения двух струй. В момент столкновения масса жидкости прекращает свое движение. Сначала останавливается слой жидкости, достигший линии встречи, а затем постепенно останавливаются и остальные слои. В направлении движения распространяется волна давления, приводящая к сжатию жидкости. После фазы сжатия происходит расширение жидкости, и волна давления начинает распространяться в обратном направлении. Процессы сжатия и расширения повторяется с высокой частотой и затухающей амплитудой. В результате затухающего колебательного процесса в зоне столкновения наблюдается периодическое понижение давления жидкости, которое приводит к образованию кавитационных полостей. Каждая из кавитационных полостей схлопывается и тем самым усиливает эффект диспергирования. Таким образом, при столкновении высокоскоростных струй процесс диспергирования от встречного столкновения частиц усиливается за счет возникновения и схлопывания кавитационных полостей.
Произведем численную оценку предельных возможностей предлагаемого способа. Предположим, что в результате столкновения с препятствием вся кинетическая энергия струи воды переходит в потенциальную энергию сжатого столба жидкости. Предположим также, что запаса потенциальной энергии достаточно для того, чтобы сжатый столб жидкости разогрелся и перешел из жидкого в парообразное состояние, то есть полностью рассыпался на молекулы. Для численного расчета явления используем известные данные: удельная теплоемкость воды с=4182 Дж/кг·К и удельная теплота парообразования воды q=2257 кДж/кг. Предполагая, что вся кинетическая энергия струи уходит на нагрев и парообразование столба жидкости с начальной температурой t=20°С, а также учитывая равенство
найдем величину линейной скорости столба жидкости:
При достижении полученного значения скорости вся масса струи после столкновения с препятствием диспергируется до молекулярного уровня. Для двух встречных струй полученное значение является относительной скоростью движения, поэтому для достижения аналогичного эффекта встречные струи необходимо разогнать до скорости V/2=1140 м/с. Формирование струи со столь высокой скоростью является технически достижимым результатом. Для подтверждения возможности достижения названной скорости, а также возможности реализации предлагаемого изобретения, можно привести параметры используемого в промышленности процесса гидрорезки, в котором создается давление жидкости до 4000 атм, обеспечивающее высоконапорную струю со скоростью до 1200 м/с.
Рассмотрим возможность технической реализации предлагаемого способа на основе диспергатора роторного типа. Для описания способа используем схемы, показанные на фиг.1-3. На фиг.1 изображены направления потоков жидкости и основные части диспергатора; на фиг.2 - взаимное угловое положение каналов ротора и статора в диспергаторе, на фиг.3 - последовательность основных операций способа.
Диспергатор (фиг.1) состоит из вращающегося двухкамерного ротора 1 и неподвижного статора 2, между которыми выполнен минимальный рабочий зазор L (по цилиндрической поверхности). В статоре 2 размещен входной патрубок 3 для приема входящей жидкости в камеру 4. Ротор 1 разделен сплошной перегородкой 5 на две камеры: накопительная камера 6 предназначена для приема и передачи циркулирующей жидкости через патрубок 7 (полый вал ротора), а приемная камера 8 - для сбора готовой продукции и вывода ее через патрубок 9.
Подачу жидкости из камеры 4 статора 2 осуществляют через канал 10, из которого жидкость поступает либо в широкий канал 11 (на фиг.1 пунктиром обозначено место нахождения канала 11 при определенном угловом положении ротора), либо в узкий канал 12 с переходом в сопло 13 и приемную камеру 8.
Поток жидкости формируют с помощью насоса 14, на вход которого по трубопроводу 15 подают исходную обрабатываемую жидкость и по трубопроводу 16 жидкость из накопительной камеры 6 через патрубок 7. Готовый продукт из приемной камеры 8 через патрубок 9 выводят по трубопроводу 17.
Угловое положение каналов ротора и статора пояснено на фиг.2, где приведены сечения фиг.1 в плоскостях А-А и В-В. В сечении А-А (см. фиг.2А) показано угловое расположение узких каналов 12 ротора 1, а в сечении В-В (см. фиг.2В) - расположение широких каналов 11 ротора 1, относительно каналов 10, расположенных на статоре 2. Из приведенных на фиг.2 схем видно, что расположение каналов выбирают таким образом, чтобы жидкость периодически проходила через узкие каналы 12 при закрытых широких каналах 11, а при закрытых узких каналах 12 направлялась в широкие каналы 11. На фиг.2 в качестве примера приведено по две пары каналов на роторе и статоре, но количество пар может быть изменено. В общем случае количество каналов или скорость вращения ротора выбирают из условия, чтобы продолжительность гидроударного воздействия превышала время поворота ротора на угол между широким и узким каналами. Соблюдение названного условия позволяет поддерживать гидроударное давление на временном интервале, в течение которого формируется высокоскоростная струя.
Способ реализуют следующим образом. Ротор 1 приводят во вращение электродвигателем (на фигурах не показан). Включают насос 14 и на входной патрубок 3 под заданным давлением подают жидкую смесь (см. фиг.1). В качестве жидкой смеси используют, например, смесь углеводородного топлива 80-85%, воды 15-20% и поверхностно-активного вещества 1-2%, которую используют для получения водотопливной композиции. Жидкостью под давлением заполняют камеру 4 и канал 10 статора 2 по всему объему. Далее процесс строят по определенному циклу, который повторяют через каждые 90 градусов углового поворота ротора. Последовательные фазы цикла отражены на фиг.3. В первой четверти цикла (фиг.3, фаза ϕ1/4) жидкость подают в широкие каналы 11 ротора 1 и через патрубок 7 направляют в трубопровод 16, формируя с помощью насоса 14 циркулирующий поток с высокой скоростью и заданным поперечным сечением. Во второй фазе ротор поворачивают на 22,5 градуса (фиг.3, фаза ϕ2/4) и производят перекрытие широких каналов 11 ротора 1. При этом в месте перекрытия происходит гидроударное повышение давления, необходимое для функционирования в следующей фазе цикла. Далее при повороте ротора на 45 градусов от начального положения (фиг.3, фаза ϕ3/4) открывают узкие каналы 12 и жидкость под большим давлением направляют в сопло 13, с помощью которого формируют высокоскоростную струю. Из диаметрально противоположных сопел образуют две высокоскоростные струи, направленные навстречу друг другу. Встречные струи испытывают лобовой удар, жидкая смесь при этом распыляется и выводится через патрубок 9 и трубопровод 17 в емкость для готового продукта. На заключительной стадии при повороте ротора на 67,5 градуса от начального положения (фиг.3, фаза ϕ4/4) перекрываются все каналы ротора 1, через патрубок 9 и трубопровод 17 полностью освобождают емкость 8 для приема встречных струй в следующем цикле.
Результирующий эффект заявляемого способа проявляется в усиленной степени диспергирования жидкости за счет лобового удара высокоскоростных струй. В свою очередь высокая скорость струи обеспечивается путем разделения потока на две составляющие, в одной из которых жидкость разгоняют и получают гидроударное приращение давления, а в другой используют полученное приращение давления для увеличения скорости струи и повышения степени диспергирования. Разделение потока обрабатываемой жидкости на две составляющие позволяет накачивать энергию в первую (циркулирующую) часть потока, имеющего большую массу, и передавать полученную энергию во вторую малую часть потока с меньшей массой, но большей скоростью. Увеличению скорости потока способствует также сужение парных каналов до диаметра сопла.
При столкновении встречных высокоскоростных струй в дополнение к механизму диспергирования от ударного столкновения подключается механизм кавитационного диспергирования, что в конечном итоге усиливает эффективность процесса и повышает степень диспергирования.
Преимуществом предлагаемого способа является возможность регулирования процесса путем изменения скорости и длины потока в циркулирующем контуре, что позволяет изменять скорость струи и выбирать необходимую степень диспергирования.
Оценка предельных возможностей способа показывает, что при столкновении высокоскоростных встречных струй можно обеспечить переход жидкости в парообразное состояние, то есть выполнить диспергирование вплоть до молекулярного уровня. Это означает, что способ может использоваться для получения частиц нанометрового диапазона в жидкой фазе, а также для создания наноструктурированных композиционных материалов.
1. Способ диспергирования жидкостей, их смесей и взвесей твердых тел в жидкости, включающий предварительное перемешивание жидкостей, их смесей и взвесей со стабилизатором (поверхностно-активным веществом) и последующую гомогенизацию, отличающийся тем, что формируют циркулирующий поток жидкости с заданными поперечным сечением и скоростью движения, сформированный поток периодически перекрывают и забирают часть перекрытого потока, которую делят на два или более парных потока, в каждой паре потоки преобразуют в высокоскоростные струи и направляют их навстречу друг другу для обеспечения периодического лобового удара с частотой, равной частоте перекрытия циркулирующего потока.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что степень диспергирования обрабатываемой жидкости задают путем изменения скорости движения циркулирующего потока жидкости.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что время действия гидроударного давления в циркулирующем потоке задают путем изменения его длины.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту прерывания циркулирующего потока и количество парных потоков выбирают таким образом, чтобы продолжительность гидроударного воздействия превышала временной интервал от момента перекрытия циркулирующего потока до завершения процесса формирования высокоскоростной струи.
