Способ и устройство для диспергации материала

Изобретение относится к технике измельчения материалов. Способ, реализуемый в соответствующем устройстве, содержит этапы, на которых: загружают упомянутый материал в смеси с водой в диспергационную камеру; герметизируют упомянутую диспергационную камеру; подают в герметизированную диспергационную камеру статическое давление 5-30 атм.; обрабатывают содержимое упомянутой диспергационной камеры ультразвуковыми колебаниями с плотностью озвучивания не менее 50 Вт/см², обеспечивающими звуковое давление на упомянутый материал в смеси с водой, превышающее упомянутое статическое давление в 2-3 раза. Изобретение позволяет при диспергации различных материалов получать однородные частицы измельчаемого вещества в диапазоне десятков нм. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к технике измельчения материалов и может использоваться при диспергации различных материалов.

Уровень техники

Существует множество различных способов диспергации материала и устройств для осуществления соответствующих способов.

Так, в патенте РФ №2048872 (опубл. 27.11.1995) описан гидрокавитационный диспергатор, в котором кавитационные газопаровые пузырьки возникают при попадании струйного потока на рассекатель.

В патенте РФ №2358796 (опубл. 20.06.2009) раскрыт ультразвуковой смеситель, который воздействует ультразвуком на частицы, получившиеся в результате распыления вдуваемого сверхзвукового потока.

В способах по патентам РФ №№2384549 (опубл. 20.03.2010), 2411224 (опубл. 10.02.2011) и 2442763 (опубл. 20.02.2012) кавитация для измельчения частиц материала осуществляется его вращением в роторном кавитационном аппарате.

В патенте РФ на полезную модель №40574 (опубл. 20.09.2004) описана установка для ультразвуковой обработки суспензии, в которой ультразвуковой генератор генерирует сигнал 22 кГц интенсивностью 1,6 Вт/см, преобразуемый пьезоэлектрическими преобразователями на дне бака в механические колебания той же частоты.

Недостаток всех указанных и многих иных подобных устройств и используемых в них способов измельчения состоит в том, что не удается получить частицы, размеры которых лежат в диапазоне десятков нм.

Раскрытие изобретения

Задачей данного изобретения является разработка такого способа диспергации материала и реализующего его устройства, которые позволяли бы получать однородные частицы измельчаемого вещества в диапазоне десятков нм.

Для решения этой задачи и получения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ диспергации материала, в котором: загружают материал в заранее заданной пропорции с водой в диспергационную камеру; герметизируют диспергационную камеру; подают в герметизированную диспергационную камеру заранее заданное статическое давление; обрабатывают содержимое диспергационной камеры ультразвуковыми колебаниями с плотностью озвучивания не менее 50 Вт/см², обеспечивающими в течение заранее заданного времени звуковое давление на материал в смеси с водой, превышающее статическое давление на заранее заданную величину.

Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что звуковое давление может превышать статическое давление в 2-3 раза.

Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что частоту ультразвуковых колебаний могут регулировать в диапазоне 15-30 кГц с одновременной регулировкой статического давления для диспергации частиц материала до заранее заданных размеров.

При этом регулировку частоты ультразвуковых колебаний могут осуществлять в режиме: начальное воздействие в диапазоне 15-20 кГц в течение 4-6 минут и конечное воздействие в диапазоне 20-30 кГц в течение 4-6 минут.

Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что ультразвуковые колебания генерируют с помощью по меньшей мере одного магнитострикционного преобразователя, каждый из которых соединен с ультразвуковым генератором и установлен на торце диспергационной камеры.

Другая особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что ультразвуковые колебания могут генерировать с помощью магнитоакустического излучателя, в качестве которого используют цилиндрическую стенку диспергационной камеры, вибрирующей под действием наводимых в ней вихревых токов.

Наконец, еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что материал может иметь влажность в заданных пределах.

Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложено устройство для диспергации материала, содержащее: диспергационную камеру, предназначенную для загрузки в нее материала в заранее заданной пропорции с водой и выполненную с возможностью ее герметичного закрывания; средство для подачи заранее заданного статического давления в диспергационную камеру; формирователь ультразвуковых колебаний, выполненный с возможностью формировать ультразвуковые колебания с плотностью озвучивания не менее 50 Вт/см², обеспечивающие в течение заранее заданного времени звуковое давление на материал в смеси с водой, превышающее статическое давление на заранее заданную величину.

Особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что формирователь ультразвуковых колебаний может быть выполнен с возможностью регулировать частоту формируемых ультразвуковых колебаний в диапазоне 15-30 кГц для надежной диспергации частиц материала до заранее заданных размеров, при этом средство для подачи статического давления может быть выполнено с возможностью регулировать величину статического давления.

Еще одна особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что формирователь ультразвуковых колебаний может содержать ультразвуковой генератор, с которым соединены один или несколько магнитострикционных преобразователей, установленных на днище диспергационной камеры.

Другая особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что боковая стенка диспергационной камеры может быть выполнена в виде тонкостенной металлической трубы, а формирователь ультразвуковых колебаний при этом выполнен в виде индуктора переменного тока и окружающего его индуктора постоянного тока, расположенных коаксиально вокруг тонкостенной трубы, причем индуктор постоянного тока выполнен с возможностью создания постоянного магнитного поля, вектор намагниченности которого направлен вдоль оси тонкостенной трубы, а индуктор переменного тока выполнен с возможностью создания в материале тонкостенной трубы вихревых кольцевых токов, взаимодействие которых с постоянным магнитным полем вызывает резонансные радиальные колебания трубы.

Наконец, еще одна особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что средство для подачи статического давления может представлять собой гидравлический насос.

Краткое описание чертежей

Изобретение иллюстрируется приложенными чертежами.

На Фиг.1 показана общая схема устройства по настоящему изобретению.

На Фиг.2 показана блок-схема алгоритма способа по настоящему изобретению.

Подробное описание вариантов осуществления

Способ по настоящему изобретению может быть реализован в устройстве, общая схема которого приведена на Фиг.1. Это устройство содержит диспергационную камеру 11, предназначенную для загрузки в нее подлежащего измельчению (диспергации) материала в смеси с водой. Диспергационная камера 11 имеет крышу 12, выполненную с возможностью герметичного закрывания диспергационной камеры 11. Например, эта крышка 12 может иметь на своей нижней поверхности уплотнительное кольцо из резины или подходящего пластика, приходящееся на верхний (на Фиг. 1) край диспергационной камеры 11 для исключения утечки. Уплотнение (герметизация) крышки 12 может обеспечиваться любыми известными специалистам средствами, к примеру, с помощью резьбовых шпилек по верхнему краю диспергационной камеры 11 и накидных гаек либо посредством прижимных захватов с эксцентриковыми запорами.

В крышке 12 имеется патрубок 13 для загрузки диспергируемого материала и патрубок 14 для подачи в диспергационную камеру 11 заранее заданного статического давления после ее герметизации. Разумеется, патрубки 13 и 14 показаны на крышке 12 только для примера, т.к. они могут находиться и в стенке диспергационной камеры 11, либо один из них может располагаться на крышке 12, а другой на стенке диспергационной камеры 11. Возможен также и вариант, в котором вместо двух патрубков 13 и 14 имеется единственный патрубок, служащий как для загрузки диспергируемого материала, так и для создания статического давления в диспергационной камере 11.

На днище диспергационной камеры 11 или на ее боковой стенке либо даже на крышке 12 установлены один или несколько формирователей 15, 16 ультразвуковых колебаний. Каждый из формирователей 15, 16 ультразвуковых колебаний выполнен с возможностью формировать ультразвуковые колебания так, чтобы плотность озвучивания находящегося в диспергационной камере 11 вещества составляла не менее 50 Вт/см². Такая плотность озвучивания нужна для того, чтобы формируемые ультразвуковые колебания в диспергационной камере обеспечивали звуковое давление на диспергируемый материал в смеси с водой, превышающее на заранее заданную величину статическое давление, создаваемое через патрубок 14 соответствующим средством 17 для подачи заранее заданного давления. В качестве такого средства 17 можно использовать, например, гидравлический насос.

Способ диспергации материала по настоящему изобретению реализуется в устройстве по Фиг. 1 следующим образом (Фиг. 2).

Сначала в подлежащий диспергации материал добавляют воду, или же подлежащий диспергации материал смешивают с водой (этап 21). Затем подлежащий диспергации материал в смеси с водой загружают в диспергационную камеру 11 (этап 22) через соответствующий патрубок 13. После этого диспергационную камеру 13 герметизируют, накрыв ее крышкой 12 (этап 23).

В герметизированную диспергационную камеру 11 подают через патрубок 14 заранее заданное статическое давление (этап 24). Величина этого статического давления может составлять, например, от 5 до 30 атм. в зависимости от амплитуды формируемых далее ультразвуковых колебаний. Затем осуществляют обработку содержимого диспергационной камеры 11 ультразвуковыми колебаниями (этап 25). Плотность озвучивания содержимого диспергационной камеры 11 составляет при этом не менее 50 Вт/см², что обеспечивает звуковое давление на материал в смеси с водой, превышающее созданное средством 17 статическое давление на заранее заданную величину. Предпочтительно звуковое давление превышает статическое давление в 2-3 раза.

В этом случае в жидкостном содержимом диспергационной камеры 11 под действием зон разрежения между соседними ультразвуковыми волнами происходит рост множества микропузырьков, которые под воздействием упругих акустических волн резко «схлопываются», вызывая ударные волны, достаточно интенсивные для разрушения находящихся рядом или окружающих микропузырьки частиц диспергируемого вещества.

Известно, что схлопывающийся кавитационный пузырек способен диспергировать твердые частицы, размер которых больше его собственного максимального размера (см., например, Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. Ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.). При этом максимальный размер пузырька зависит от времени его роста, а значит, от частоты озвучивания. Поэтому для более тонкой диспергации частиц диспергируемого вещества можно применять следующий режим: сначала частоту ультразвуковых колебаний выбирают в диапазоне 15-20 кГц в течение 4-6 минут, после чего увеличивают частоту ультразвуковых колебаний до 20-30 кГц и продолжают обработку еще в течение 4-6 минут.

Поскольку уменьшение времени роста пузырька понижает кинетическую энергию возникающих при его коллапсе (схлопывании) потоков жидкости, разрушающих частицы подлежащего диспергации материала, то для поддержания динамики диспергации статическое давление одновременно с увеличением частоты ультразвука повышают, например, с 5-30 атм. до 7-40 атм. Разумеется, увеличение частоты и статического давления можно осуществлять непрерывно. Специалистам понятно, что время обработки и конкретный режим измельчения могут изменяться в зависимости от диспергируемого материала.

В возможном варианте осуществления устройства по Фиг. 1 формирователь 15 ультразвуковых колебаний содержит ультразвуковой генератор, с которым соединены один или несколько магнитострикционных преобразователей, установленных на днище диспергационной камеры 11. В качестве таких преобразователей можно использовать, например, преобразователь ПМС-5-18 (http://neftegaz.ru/catalogue/product/view/1147976). При этом предпочтительно соединить выходной фланец этого преобразователя с днищем диспергационной камеры 11 через расширяющийся переходник для более полного использования ультразвуковой энергии в объеме диспергационной камеры 11. В данном случае амплитуда колебаний поверхности фланца составляет примерно 10-12 мкм на частотах от 15 до 30 кГц.

В другом возможном варианте осуществления устройства по Фиг. 1 формирователь 16 ультразвуковых колебаний, условно показанный как отдельный блок, фактически представляет собой конструкцию, окружающую диспергационную камеру 11. В этом случае боковая стенка диспергационной камеры 11 выполнена в виде тонкостенной металлической трубы, а формирователь 16 ультразвуковых колебаний выполнен в виде индуктора переменного тока и окружающего его индуктора постоянного тока, расположенных коаксиально вокруг тонкостенной трубы. Индуктор постоянного тока выполнен с возможностью создания постоянного магнитного поля, вектор намагниченности которого направлен вдоль оси тонкостенной трубы (т.е. вертикально на Фиг. 1), а индуктор переменного тока выполнен с возможностью создания в материале тонкостенной трубы вихревых кольцевых токов, взаимодействие которых с постоянным магнитным полем вызывает интенсивные резонансные радиальные колебания этой трубы.

Амплитуда этих резонансных колебаний: пропорциональна проводимости материала трубы и квадрату ее радиуса и обратно пропорциональна квадратному корню из произведения плотности материала тонкостенной трубы и его модуля Юнга; пропорциональна числу витков индуктора переменного тока на единицу длины, величине переменного напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению обмотки индуктора; и пропорциональна индукции постоянного магнитного поля.

В результате за счет большой площади излучающей поверхности значительно увеличивается эффективность процесса и сокращается время диспергации единицы массы диспергируемого вещества.

Более подробно такой формирователь ультразвуковых колебаний раскрыт в патенте РФ №2490317.

Таким образом, в настоящем изобретении разработаны такие способ диспергации материала и реализующее его устройство, которые позволяют получать однородные частицы измельчаемого (диспергируемого) вещества в диапазоне десятков нм.

1. Способ диспергации материала, в котором:
- загружают упомянутый материал в смеси с водой в диспергационную камеру;
- герметизируют упомянутую диспергационную камеру;
- подают в герметизированную диспергационную камеру статическое давление 5-30 атм.;
- обрабатывают содержимое упомянутой диспергационной камеры ультразвуковыми колебаниями с плотностью озвучивания не менее 50 Вт/см², обеспечивающими звуковое давление на упомянутый материал в смеси с водой, превышающее упомянутое статическое давление в 2-3 раза.

2. Способ по п.1 или 2, в котором регулируют частоту упомянутых ультразвуковых колебаний в диапазоне 15-30 кГц с одновременной регулировкой статического давления для надежной диспергации частиц упомянутого материала до десятков нанометров.

3. Способ по п.2, в котором упомянутую регулировку частоты ультразвуковых колебаний осуществляют в режиме: начальное воздействие в диапазоне 15-20 кГц в течение 4-6 минут и конечное воздействие в диапазоне 20-30 кГц в течение 4-6 минут.

4. Способ по п.1, в котором упомянутые ультразвуковые колебания генерируют с помощью по меньшей мере одного магнитострикционного преобразователя, каждый из которых соединен с ультразвуковым генератором и установлен на торце упомянутой диспергационной камеры.

5. Способ по п.1, в котором упомянутые ультразвуковые колебания генерируют с помощью магнитоакустического излучателя, в качестве которого используют цилиндрическую стенку упомянутой диспергационной камеры, вибрирующей под действием наводимых в ней вихревых токов.

6. Устройство для диспергации материала, содержащее:
- диспергационную камеру, предназначенную для загрузки в нее упомянутого материала в смеси с водой и выполненную с возможностью ее герметичного закрывания;
- средство для подачи статического давления 5-30 атм. в упомянутую диспергационную камеру;
- формирователь ультразвуковых колебаний, выполненный с возможностью формировать ультразвуковые колебания с плотностью озвучивания не менее 50 Вт/см², обеспечивающие звуковое давление на упомянутый материал в смеси с водой, превышающее упомянутое статическое давление в 2-3 раза.

7. Устройство по п.6, в котором упомянутый формирователь ультразвуковых колебаний выполнен с возможностью регулировать частоту формируемых ультразвуковых колебаний в диапазоне 15-30 кГц для надежной диспергации частиц упомянутого материала до десятков нанометров, при этом упомянутое средство для подачи статического давления выполнено с возможностью регулировать величину упомянутого статического давления.

8. Устройство по п.6 или 7, в котором упомянутый формирователь ультразвуковых колебаний содержит ультразвуковой генератор, с которым соединены один или несколько магнитострикционных преобразователей, установленных на днище упомянутой диспергационной камеры.

9. Устройство по п.6 или 7, в котором боковая стенка упомянутой диспергационной камеры выполнена в виде тонкостенной металлической трубы, а упомянутый формирователь ультразвуковых колебаний выполнен в виде индуктора переменного тока и окружающего его индуктора постоянного тока, расположенных коаксиально вокруг упомянутой тонкостенной трубы, причем упомянутый индуктор постоянного тока выполнен с возможностью создания постоянного магнитного поля, вектор намагниченности которого направлен вдоль оси упомянутой тонкостенной трубы, а упомянутый индуктор переменного тока выполнен с возможностью создания в материале упомянутой тонкостенной трубы вихревых кольцевых токов, взаимодействие которых с упомянутым постоянным магнитным полем вызывает резонансные радиальные колебания упомянутой трубы.

10. Устройство по п.6 или 7, в котором упомянутое средство для подачи статического давления представляет собой гидравлический насос.