RU2034638C1

RU2034638C1 - Method of obtaining dispersed systems and apparatus for its realization

Info

Publication number: RU2034638C1
Application number: RU9393011553A
Authority: RU
Inventors: Б.Г. Зябрев; Е.А. Мелешкин
Original assignee: Научно-производственная фирма "Азурит"
Priority date: 1993-03-03
Filing date: 1993-03-03
Publication date: 1995-05-10

Abstract

FIELD: hydraulic engineering. SUBSTANCE: first coarse-dispersion medium is prepared, then it is subjected to the hydrodynamic dispersion. Harmonic acoustic oscillations are excited in the flow of the coarse-dispersion medium moving under the action of the positive pressure by means of abrupt expansion of the flow cross-section. The flow is formed in the shape of a flat jet compressing it according to the exponential hydrodynamic torch. The amplitude of harmonic acoustic oscillations is increased in the resonance mode at the flow rate 8 - 50 m/s. The coarse-dispersion medium is prepared by mixing the dispersion medium and the dispersion phase in the flow of the dispersed medium. The apparatus for obtaining dispersed systems has a housing with a narrowing bottom, branch pipes and a distributing chamber on which a converging tube with a slotted nozzle is mounted. A diffuser is placed in the housing. A working chamber is mounted the output edge of the diffuser. The chamber forms a gap with the housing walls. The profiles of the converging tube and of the diffuser are made according to the exponential dependence. In the diffuser the walls with the exponential profile are made with perforated parts. The housing, the narrowing bottom, the distributing chamber, the converging tube, the slotted nozzle, the diffuser and the working chamber have a rectangular shape in the horizontal cross-section. EFFECT: enhanced quality. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к получению дисперсных систем путем гидродинамического воздействия и могут быть использованы в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, пищевой и других областях промышленности с целью получения любых видов дисперсных систем суспензий твердых и волокнистых веществ, эмульсий, коллоидных и истинных растворов, насыщения жидкостей газами, причем особенно эффективны при получении дисперсий труднорастворимых, плохо совмещающихся и слипающихся веществ. The invention relates to the production of disperse systems by hydrodynamic effects and can be used in the chemical, petrochemical, pulp and paper, food and other industries with the aim of obtaining any type of disperse system of suspensions of solid and fibrous substances, emulsions, colloidal and true solutions, saturation of liquids with gases , and are especially effective in obtaining dispersions of sparingly soluble, poorly combining and sticking substances.

Известен способ получения дисперсных систем, при котором предварительно готовят грубодисперсную среду путем механического смешения компонентов, а затем осуществляют гидродинамическое диспергирование путем импульсного тангенциального воздействия на среду с периодическим перепадом давления в узком зазоре между двумя взаимновращающимися элементами [1] Недостатком этого способа является необходимость тщательной очистки грубодисперсной среды от посторонних твердых частиц, которые могут попасть в узкий зазор между взаимовращающимися элементами. Другим недостатком является большой расход электроэнергии, особенно при получении тонкодисперсных сред, требующих большой частоты вращения элементов, т.к. удельные энергозатраты находятся в показательной зависимости от увеличения частоты вращения (так называемый вентиляторный момент). При осуществлении этого способа грубодисперсную среду готовят в смесительных устройствах, а для гидродинамического диспергирования используют центробежно-пульсационные или роторно-пульсационные аппараты, содержащие корпус с входным и выходным патрубками, и размещенное в корпусе диспергирующее устройство, состоящее из ротора и статора с перфорацией. При вращении ротора последовательно перекрываются щели, имеющиеся в роторе и статоре. Из-за перепада давления в обрабатываемой среде в узком зазоре между ротором и статором возникает псевдоакустическая волна с периодически следующими друг за другом сжатием и разрежением, частота которых зависит от угловой скорости вращения ротора и количества взаимно перекрывающихся щелей перфорации ротора и статора в единицу времени. Под действием этих пульсаций давления происходит диспергирование. Недостатком этих аппаратов является необходимость предварительного приготовления грубодисперсной среды в смесительных устройствах, ее тщательной очистки от посторонних твердых частиц, которые могут попасть в узкий зазор между ротором и статором, что приведет к заклиниванию и поломке устройства. Другим недостатком являются высокие удельные энергозатраты, которые находятся в показательной зависимости от увеличения частоты вращения ротора, что особенно существенно при получении систем с большой степенью дисперсности. There is a method of producing dispersed systems, in which a coarse dispersed medium is preliminarily prepared by mechanical mixing of the components, and then hydrodynamic dispersion is carried out by pulsed tangential action on the medium with a periodic pressure drop in a narrow gap between two mutually rotating elements [1] The disadvantage of this method is the need for thorough cleaning of the coarse media from foreign solid particles that may fall into a narrow gap between mutually rotating elements. Another disadvantage is the high energy consumption, especially when obtaining finely dispersed media that require a high frequency of rotation of the elements, because the specific energy consumption is exponentially dependent on the increase in the rotational speed (the so-called fan moment). When implementing this method, a coarse dispersed medium is prepared in mixing devices, and for hydrodynamic dispersion, centrifugal-pulsation or rotor-pulsation apparatuses are used, comprising a housing with inlet and outlet nozzles, and a dispersing device located in the housing, consisting of a rotor and a stator with perforation. When the rotor rotates, the slots in the rotor and stator are sequentially overlapped. Due to the pressure drop in the medium being processed, a pseudo-acoustic wave arises in the narrow gap between the rotor and the stator with periodically sequential compression and rarefaction, the frequency of which depends on the angular velocity of the rotor and the number of mutually overlapping perforation slots of the rotor and stator per unit time. Under the influence of these pressure pulsations, dispersion occurs. The disadvantage of these devices is the need for preliminary preparation of a coarse dispersed medium in mixing devices, its thorough cleaning of foreign solid particles that may fall into the narrow gap between the rotor and stator, which will lead to jamming and breakage of the device. Another disadvantage is the high specific energy consumption, which is exponentially dependent on the increase in the rotor speed, which is especially important when obtaining systems with a high degree of dispersion.

Известен также способ получения дисперсных систем, при котором готовят грубодисперсную среду, которую затем подвергают гидродинамическому диспергированию, а именно подают поток грубодисперсной среды под действием избыточного давления, формируют поток в виде плоской струи путем уменьшения его поперечного сечения, возбуждают в потоке гармонические акустические колебания и увеличивают амплитуду этих колебаний в условиях резонанса [2] При осуществлении этого способа предварительно готовят грубодисперсную среду путем механического смешения дисперсионной среды и дисперсной фазы. Поток грубодисперсной среды формируют путем его резкого сужения при переходе от круглого сечения потока к плоскому. Возбуждение гармонических акустических колебаний в потоке осуществляют на плоскопараллельном участке за счет использования энергии движущегося потока при неизменной ширине потока. Увеличение амплитуды гармонических акустических колебаний осуществляют с образованием кавитационной зоны, подбирая условия резонанса с помощью упругого тела, установленного по оси плоской струи при скорости потока ≈ 20 м/с. Недостаток этого способа низкая эффективность диспергирования, причиной которой является неравномерность обработки частиц дисперсной фазы из-за неустойчивости узкой зоны кавитации. Кавитация возникает в ограниченном объеме грубодисперсной среды, поэтому не все частицы дисперсной фазы успевают попасть в зону ее действия. Существенным недостатком является также высокая энергоемкость этого способа из-за больших гидравлических потерь напора при резком сужении поперечного сечения потока. There is also a known method of producing dispersed systems, in which a coarse dispersed medium is prepared, which is then subjected to hydrodynamic dispersion, namely, a flow of a coarse dispersed medium is applied under the influence of excessive pressure, a stream is formed in the form of a flat stream by reducing its cross section, harmonic acoustic vibrations are excited in the stream and increase the amplitude of these oscillations under resonance conditions [2] When implementing this method, a coarse dispersed medium is preliminarily prepared by mechanical mixing solutions of the dispersion medium and the dispersed phase. The flow of coarse dispersed medium is formed by its sharp narrowing during the transition from a circular cross section to a flat one. Harmonic acoustic vibrations in the stream are excited in a plane-parallel section by using the energy of a moving stream with a constant flow width. An increase in the amplitude of harmonic acoustic vibrations is carried out with the formation of a cavitation zone, selecting resonance conditions using an elastic body mounted along the axis of a plane jet at a flow velocity of ≈ 20 m / s. The disadvantage of this method is the low dispersion efficiency, the reason for which is the uneven treatment of the particles of the dispersed phase due to the instability of the narrow cavitation zone. Cavitation occurs in a limited volume of coarse dispersed medium, therefore, not all particles of the dispersed phase manage to get into the zone of its action. A significant disadvantage is the high energy intensity of this method due to the large hydraulic pressure losses during a sharp narrowing of the cross section of the flow.

При осуществлении этого способа грубодисперсную среду готовят в смесительных устройствах, а для гидродинамического диспергирования используют аппарат, который содержит корпус с патрубками, в котором помещено диспергирующее устройство гидродинамический излучатель, состоящий из щелевого сопла и резонансной пластины, закрепленной в узловых точках по оси струи, вытекающей из сопла [3] Под действием струи пластина возбуждается и колеблется на одной из собственных частот. На обеих сторонах пластины возникают завихрения, которые срываясь с поверхности пластины, вызывают периодические импульсы давления в обрабатываемой среде. When implementing this method, a coarse dispersed medium is prepared in mixing devices, and for hydrodynamic dispersion, an apparatus is used that contains a housing with nozzles in which a dispersing device is placed, a hydrodynamic emitter consisting of a slot nozzle and a resonant plate fixed at nodal points along the axis of the jet flowing from nozzle [3] Under the action of the jet, the plate is excited and oscillates at one of the natural frequencies. On both sides of the plate there are turbulences that break off the surface of the plate and cause periodic pressure pulses in the medium to be treated.

Достигнув щели сопла, эти импульсы модулируют строю жидкости. Пластина выполняет роль механического резонатора и одновременно управляет работой гидродинамического излучателя, генерирующего акустические колебания. В условиях резонанса амплитуда акустических колебаний резко возрастает, возникает кавитация, при которой происходит диспергирование. Having reached the nozzle slit, these pulses modulate the structure of the liquid. The plate acts as a mechanical resonator and at the same time controls the operation of a hydrodynamic emitter generating acoustic vibrations. Under resonance conditions, the amplitude of acoustic vibrations increases sharply, cavitation occurs, at which dispersion occurs.

Недостатком этого устройства является необходимость предварительного грубого диспергирования дисперсной фазы в дисперсионной среде. Другой недостаток низкая эффективность диспергирования, причиной которой является неравномерность обработки частиц дисперсной фазы. Зона кавитации локализована на поверхности пластины, она экранирует акустические колебания, препятствуя развитию кавитации во всем объеме жидкости. Существенным недостатком является высокая энергоемкость устройства, т.е. диспергирование осуществляют при больших скоростях струи, вытекающей из очень узкого плоскопараллельного сопла, что приводит к большим гидравлическим потерям напора. The disadvantage of this device is the need for preliminary rough dispersion of the dispersed phase in a dispersion medium. Another disadvantage is the low dispersion efficiency, the reason for which is the uneven treatment of the particles of the dispersed phase. The cavitation zone is localized on the surface of the plate; it shields acoustic vibrations, preventing the development of cavitation in the entire fluid volume. A significant disadvantage is the high energy intensity of the device, i.e. dispersion is carried out at high speeds of the jet flowing from a very narrow plane-parallel nozzle, which leads to large hydraulic pressure losses.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является аппарат для получения дисперсных систем, в частности водных волокнистых суспензий целлюлозосодержащих материалов, включающий корпус с сужающимся днищем, входные и выходной патрубки и соосно расположенную в нижней части аппарата распределительную камеру с элементом, формирующим щелевое сопло [4] В этом аппарате корпус, днище, распределительная камера и элемент, формирующий щелевое сопло, выполнены круглыми в своем горизонтальном сечении, а именно: корпус цилиндрический, днище коническое, распределительная камера цилиндрической формы, а элемент, формирующий щелевое сопло, выполнен в форме усеченного конуса и установлен внутри распределительной камеры по ее оси таким образом, что щелевое сопло имеет кольцеобразную форму. Входной патрубок установлен на боковой поверхности распределительной камеры. Дисперсионная среда через боковой патрубок подается в распределительную камеру, а из нее через кольцеобразное щелевое сопло в аппарат. При выходе дисперсионной среды через сопло в объеме аппарата возникают пульсации жидкости. Эти пульсации разрушают конгломераты частиц дисперсной фазы и обеспечивают их равномерное перемешивание с дисперсионной средой. Однако качество дисперсий, получаемых в этом аппарате низкое, т.к. в нем трудно реализуется резонансный режим гидродинамических пульсаций, который становится неустойчивым при изменении уровня жидкости и поэтому невозможно достичь высокой степени диспергирования. Другим недостатком этого аппарата является его повышенная энергоемкость из-за возникновения существенных гидравлических потерь напора при прохождении диспергируемой среды через элемент, формирующий щелевое сопло (вследствие его неоптимальной формы). The closest in technical essence to the proposed one is an apparatus for producing dispersed systems, in particular aqueous fiber suspensions of cellulose-containing materials, including a housing with a tapering bottom, inlet and outlet pipes and a distribution chamber coaxially located at the bottom of the apparatus with an element forming a slotted nozzle [4] In this apparatus, the housing, the bottom, the distribution chamber and the element forming the slotted nozzle are made round in their horizontal section, namely: the housing is cylindrical, the bottom is conical, the distribution chamber is cylindrical in shape, and the element forming the slotted nozzle is made in the form of a truncated cone and is mounted inside the distribution chamber along its axis so that the slotted nozzle has an annular shape. The inlet pipe is installed on the side surface of the distribution chamber. The dispersion medium is fed through the side pipe into the distribution chamber, and from it through the annular slotted nozzle into the apparatus. When the dispersion medium exits through the nozzle, liquid pulsations occur in the apparatus volume. These pulsations destroy conglomerates of particles of the dispersed phase and ensure their uniform mixing with the dispersion medium. However, the quality of the dispersions obtained in this apparatus is low, because it is difficult to realize the resonant regime of hydrodynamic pulsations, which becomes unstable when the liquid level changes and therefore it is impossible to achieve a high degree of dispersion. Another disadvantage of this apparatus is its increased energy intensity due to the occurrence of significant hydraulic pressure losses during the passage of the dispersible medium through the element forming the slot nozzle (due to its suboptimal shape).

Задачей изобретения является повышение эффективности диспергирования, а также уменьшение энергетических затрат на диспергирование. The objective of the invention is to increase the efficiency of dispersion, as well as reducing energy costs for dispersion.

Это достигается тем, что в способе получения дисперсных систем, включающем приготовление грубодисперсной среды с ее последующим гидродинамическим диспергированием путем подачи потока грубодисперсной среды под действием избыточного давления, формирования потока в виде плоской струи путем уменьшения его поперечного сечения, возбуждения в потоке гармонических акустических колебаний и увеличения их амплитуды в условиях резонанса, согласно изобретению возбуждение гармонических акустических колебаний осуществляют путем резкого расширения поперечного сечения потока перед его формированием, после чего поток формируют путем его сжатия по экспоненциальному закону с последующим расширением потока в виде экспоненциального гидродинамического факела, а увеличение амплитуды гармонических акустических колебаний осуществляют, устанавливая резонансный режим путем изменения скорости потока, которая в его наименьшем сечении составляет 8-50 м/с. This is achieved by the fact that in the method of producing dispersed systems, including the preparation of a coarse dispersed medium with its subsequent hydrodynamic dispersion by supplying a flow of a coarse dispersed medium under the influence of excess pressure, forming a stream in the form of a flat jet by reducing its cross section, exciting harmonic acoustic vibrations in the stream, and increasing their amplitudes under resonance conditions, according to the invention, harmonic acoustic vibrations are excited by a sharp expansion the cross section of the flow before its formation, after which the flow is formed by compression according to the exponential law with the subsequent expansion of the flow in the form of an exponential hydrodynamic plume, and the amplitude of harmonic acoustic vibrations is increased by setting the resonance mode by changing the flow velocity, which in its smallest cross section is 8-50 m / s.

Возбуждение гармонических акустических колебаний путем резкого расширения поперечного сечения потока с последующим формированием потока путем плавного его сжатия по экспоненциальному закону позволяет создать режим прямотока с минимальными гидравлическими потерями напора, что значительно снижает энергетические затраты на диспергирование. Расширение потока в виде экспоненциального гидродинамического факела и увеличение амплитуды гармонических акустических колебаний в условиях резонанса при скорости потока в его наименьшем сечении 8-50 м/с обеспечивает формирование устойчивой зоны гидродинамических пульсаций в объеме экспоненциально расширяющегося факела, что повышает эффективность диспергирования. В частном случае осуществления способа приготовление грубодисперсной среды производят путем смешения дисперсионной среды и дисперсной фазы в объеме экспоненциального гидродинамического факела, сформированного из потока дисперсионной среды. Это позволяет упростить технологическое оформление способа, т.к. не требуется специального оборудования для приготовления грубодисперсной среды. Excitation of harmonic acoustic vibrations by abruptly expanding the cross section of the flow with subsequent formation of the flow by smoothly compressing it according to the exponential law allows you to create a forward flow mode with minimal hydraulic pressure loss, which significantly reduces the energy costs of dispersion. Expansion of the flow in the form of an exponential hydrodynamic plume and an increase in the amplitude of harmonic acoustic vibrations under resonance conditions at a flow velocity in its smallest section of 8-50 m / s ensures the formation of a stable zone of hydrodynamic pulsations in the volume of an exponentially expanding plume, which increases the dispersion efficiency. In the particular case of the method, the preparation of a coarse dispersed medium is carried out by mixing the dispersion medium and the dispersed phase in the volume of the exponential hydrodynamic torch formed from the dispersion medium stream. This allows us to simplify the technological design of the method, because No special equipment is required for the preparation of coarse dispersed media.

Способ осуществляют следующим образом. Готовят грубодисперсную среду, например, путем механического смешения дисперсионной и дисперсной фаз. Поток грубодисперсной среды под действием избыточного давления, создаваемого насосом, подают по трубопроводу в аппарат для диспергирования. В потоке грубодисперсной среды, содержащем в себе широкий спектр низкочастотных гидравлических пульсаций, источником которых являются насос и местные гидравлические сопротивления (например, места сужения, расширения и изменения направления трубопроводов, запорная арматура и т.п.) гасят пульсации инфранизкой частоты и одновременно возбуждают гармонические акустические колебания путем резкого расширения поперечного сечения потока. Затем среду сжимают по экспоненциальному закону и формируют ее в виде плоской струи, в которой развивается продольная волна. В условиях сжатия среду ускоряют, ликвидируя боковые направления движения по выбранному математическому (экспоненциальному) закону, при этом эпюра скоростей поступательного движения среды приближается к прямоугольной. Это препятствует образованию обратного потока среды, т. е. создается режим прямотока с минимальными гидравлическими потерями напора. В этих условиях амплитуда продольных колебаний гидравлического потока резко возрастает. Затем среду расширяют в резонансном режиме за счет использования турбулентных явлений в пограничной области между вытекающей продольной струей и псевдостационарной средой. Условия резонанса подбирают изменением скорости потока, которая составляет в его наименьшем сечении 8-50 м/с. С использованием вышеописанного процесса преобразуют продольную плоскую волну в поперечную волну. При этом происходит резкое увеличение амплитуды поперечных пульсационных колебаний среды с образованием гидродинамического факела, форма границ которого описывается по экспоненциальному закону. В условиях быстрого резонансного расширения плоской поперечной волны пульсационные скорости поперечных колебаний достигают предельных величин (вплоть до скорости распространения звука в среде). В момент перемены направления колебаний среды в гидродинамическом факеле выделяется энергия в виде материальных импульсов. Под действием этих импульсов происходит диспергирование среды, например, разрушение ассоциатов твердых и жидких частиц и повышение гомогенности среды. При колебательном движении частиц в среде возникают электрические поверхностные явления на границе раздела фаз, которые способствуют стабилизации гомогенного состояния среды в течение периода ее релаксации. При высоких значениях импульсных ускорений, приводящих к нарушению сплошности среды с образованием большого числа кавитационных каверн, может наблюдаться разрушение частиц с образованием тонкодисперсных сред за счет направленного кумулятивного действия эффекта схлопывания полостей (каверн) на границах раздела фаз. The method is as follows. A coarse dispersed medium is prepared, for example, by mechanical mixing of the dispersed and dispersed phases. The flow of coarse dispersed medium under the action of excess pressure created by the pump is fed through a pipeline to the apparatus for dispersion. In a stream of coarse dispersed medium containing a wide range of low-frequency hydraulic pulsations, the source of which is a pump and local hydraulic resistances (for example, places of narrowing, expansion and change of direction of pipelines, shut-off valves, etc.) suppress pulsations of infra-low frequency and simultaneously excite harmonic acoustic vibrations by abrupt expansion of the flow cross section. Then the medium is compressed exponentially and formed into a plane jet in which a longitudinal wave develops. Under compression, the medium is accelerated, eliminating the lateral directions of motion according to the chosen mathematical (exponential) law, while the diagram of the translational motion velocities of the medium approaches a rectangular one. This prevents the formation of a reverse flow of the medium, i.e., creates a direct flow mode with minimal hydraulic pressure loss. Under these conditions, the amplitude of the longitudinal oscillations of the hydraulic flow increases sharply. Then the medium is expanded in the resonant mode due to the use of turbulent phenomena in the boundary region between the flowing longitudinal jet and the pseudo-stationary medium. The resonance conditions are selected by changing the flow velocity, which is in its smallest section 8-50 m / s. Using the above process, a longitudinal plane wave is transformed into a transverse wave. In this case, a sharp increase in the amplitude of transverse pulsation oscillations of the medium occurs with the formation of a hydrodynamic plume, the shape of the boundaries of which is described by the exponential law. Under conditions of rapid resonant expansion of a plane shear wave, the pulsation velocities of transverse vibrations reach limiting values (up to the speed of sound propagation in a medium). At the moment of changing the direction of the oscillations of the medium in the hydrodynamic plume, energy is released in the form of material pulses. Under the influence of these pulses, the medium disperses, for example, the destruction of the associates of solid and liquid particles and an increase in the homogeneity of the medium. During vibrational motion of particles in a medium, electrical surface phenomena occur at the phase boundary, which contribute to the stabilization of the homogeneous state of the medium during its relaxation period. At high values of pulsed accelerations leading to disruption of the continuity of the medium with the formation of a large number of cavitation cavities, destruction of particles can be observed with the formation of finely dispersed media due to the directed cumulative effect of the effect of collapse of cavities (caverns) at the phase boundaries.

Обрабатываемая среда претерпевает многократную циркуляцию, за счет этого частицы среды подвергаются многократной обработке, попадая в зону гидродинамического воздействия. The medium being processed undergoes multiple circulation, due to this, the particles of the medium are subjected to repeated processing, falling into the zone of hydrodynamic effects.

Вышеописанным способом могут быть получены дисперсии различных типов волокнистые суспензии древесной массы, целлюлозы и минеральных волокон, суспензии наполнителей и пигментов, коллоидные растворы, например растворимых производных целлюлозы, а также различные типы эмульсий, включая пищевые, с более высокими концентрациями, чем в способе-прототипе. Dispersions of various types of fibrous suspensions of wood pulp, cellulose and mineral fibers, suspensions of fillers and pigments, colloidal solutions, for example, soluble derivatives of cellulose, as well as various types of emulsions, including food, with higher concentrations than in the prototype method can be obtained by the method described above. .

Кроме того, этот способ гидродинамического перемешивания на микроуровне можно применять для предельного насыщения жидкостей газами в проточном режиме. In addition, this method of hydrodynamic mixing at the micro level can be used to limit the saturation of liquids with gases in a flow mode.

Для осуществления этого способа предлагается устройство аппарат для получения дисперсных систем, содержащий корпус с сужающимся днищем, входные и выходной патрубки и установленную соосно в нижней части аппарата распределительную камеру с элементом, формирующим щелевое сопло, в котором, согласно изобретению элемент, формирующий щелевое сопло, выполнен в виде конфузора и установлен на распределительной камере, диспергатор дополнительно содержит диффузор, установленный в нижней части сужающегося днища и рабочую камеру, установленную внутри корпуса на выходной кромке диффузора и образующую зазор со стенками корпуса, при этом профили сужающихся стенок конфузора и расширяющихся стенок диффузора выполнены по экспоненциальной зависимости. To implement this method, there is provided a device apparatus for producing disperse systems, comprising a housing with a tapering bottom, inlet and outlet nozzles and a distribution chamber coaxially mounted at the bottom of the apparatus with an element forming a slot nozzle, in which, according to the invention, the element forming the slot nozzle is made in the form of a confuser and mounted on a distribution chamber, the dispersant further comprises a diffuser installed in the lower part of the tapering bottom and a working chamber installed in utri housing on the outlet edge of the diffuser and forming a clearance with the housing walls, the profiles of the tapered walls converging tube and the diffuser walls are made expandable by an exponential dependence.

Наличие в конструкции аппарата конфузора с экспоненциально сужающимся профилем обеспечивает возможность формирования потока путем его сжатия по экспоненциальному закону и позволяет создать в аппарате режим прямотока с минимальными гидравлическими потерями напора, что снижает энергетические затраты на диспергирование. The presence in the design of the apparatus of the confuser with an exponentially tapering profile provides the possibility of forming a stream by compressing it according to the exponential law and allows you to create a direct-flow mode in the apparatus with minimal hydraulic pressure loss, which reduces the energy cost of dispersion.

Наличие диффузора с экспоненциально расширяющимся профилем и рабочей камеры позволяет сформировать устойчивую зону гидродинамических пульсаций в виде расширяющегося экспоненциального факела и повысить эффективность диспергирования. The presence of a diffuser with an exponentially expanding profile and a working chamber makes it possible to form a stable zone of hydrodynamic pulsations in the form of an expanding exponential torch and increase the dispersion efficiency.

В частном случае выполнения аппарата в диффузоре стенки с экспоненциальным профилем выполнены с перфорированными участками. In the particular case of the apparatus in the diffuser, walls with an exponential profile are made with perforated sections.

Это увеличивает эффективность работы диспергатора на начальном этапе диспергирования за счет сортирования частиц дисперсной фазы по их величине и способствует более быстрому достижению режима рециркуляции. This increases the efficiency of the dispersant at the initial stage of dispersion by sorting the particles of the dispersed phase according to their size and contributes to a more rapid achievement of the recirculation mode.

В другом частном случае выполнения аппарата корпус, сужающееся днище, конфузор, диффузор, распределительная камера и рабочая камера выполнены прямоугольными в своем горизонтальном сечении. Щелевое сопло имеет прямоугольную форму. Такое выполнение позволяет изготавливать аппараты для получения дисперсных систем с различной производительностью модульным методом, т. е. увеличением длины прямоугольного щелевого сопла. In another particular case of the apparatus, the housing, tapering bottom, confuser, diffuser, distribution chamber and working chamber are made rectangular in their horizontal section. The slotted nozzle has a rectangular shape. This embodiment allows the manufacture of apparatuses for producing dispersed systems with different capacities by the modular method, i.e., by increasing the length of a rectangular slotted nozzle.

На фиг. 1 представлен аппарат для получения дисперсных систем, разрез; на фиг. 2 разрез по А-А на фиг. 1. In FIG. 1 shows an apparatus for producing dispersed systems, section; in FIG. 2 is a section along AA in FIG. 1.

Аппарат содержит корпус 1 с сужающимся клиновидным днищем 2, загрузочный люк 3, выходной патрубок 4, распределительную камеру 5 с входными патрубками 6, конфузор 7, оканчивающийся щелевым соплом 8, диффузор 9 с перфорированным участком 10 и рабочую камеру 11. The apparatus comprises a housing 1 with a tapering wedge-shaped bottom 2, a loading hatch 3, an outlet pipe 4, a distribution chamber 5 with inlet pipes 6, a confuser 7 ending in a slot nozzle 8, a diffuser 9 with a perforated section 10 and a working chamber 11.

Корпус 1 прямоугольного горизонтального сечения с клиновидным днищем 2 снабжен загрузочным люком 3, расположенным в верхней части корпуса, и выходным патрубком 4, расположенным в нижней части клиновидного днища 2. Клиновидное днище образовано двумя вертикальными и двумя сужающимися стенками. Распределительная камера 5 прямоугольного сечения расположена соосно с корпусом 1 в его нижней части, входные патрубки 6 соосно расположены на противоположных боковых стенках распределительной камеры 5. Конфузор 7 установлен на распределительной камере соосно с ней и с корпусом и образует щелевое сопло 8 прямоугольной формы. Профиль сужающихся стенок конфузора выполнен по экспоненциальной зависимости. Конфузор 7 выполнен прямоугольным в своем горизонтальном сечении и сопряжен с диффузором 9. Последний размещен внутри корпуса 1 и своей нижней кромкой закреплен в клиновидном днище 2 соосно с корпусом 1. Диффузор 9 выполнен прямоугольным в своем горизонтальном сечении, а профиль расширяющихся стенок диффузора 9 выполнен по экспоненциальной зависимости. На расширяющихся стенках диффузора 9 выполнены два симметричных перфорированных участка 10. Рабочая камера 11 соосно установлена в корпусе 1 на выходной кромке диффузора 9, выполнена сужающейся кверху и образует зазор со стенками корпуса 1. В данном аппарате корпус, сужающееся днище, конфузор, диффузор, распределительная камера и рабочая камера выполнены прямоугольными в своем горизонтальном сечении. В других частных случаях выполнения аппарата эти элементы могут иметь другую форму горизонтального сечения, например круглую. The casing 1 of a rectangular horizontal section with a wedge-shaped bottom 2 is equipped with a loading hatch 3 located in the upper part of the casing and an outlet pipe 4 located in the lower part of the wedge-shaped bottom 2. The wedge-shaped bottom is formed by two vertical and two tapering walls. The distribution chamber 5 of rectangular cross section is aligned with the housing 1 in its lower part, the inlet pipes 6 are coaxially located on opposite side walls of the distribution chamber 5. The confuser 7 is mounted on the distribution chamber coaxially with it and with the housing and forms a slotted nozzle 8 of a rectangular shape. The profile of the narrowing walls of the confuser is made exponentially. The confuser 7 is made rectangular in its horizontal section and mates with the diffuser 9. The latter is placed inside the housing 1 and its lower edge is fixed in the wedge-shaped bottom 2 coaxially with the housing 1. The diffuser 9 is made rectangular in its horizontal section, and the profile of the expanding walls of the diffuser 9 is made according to exponential dependence. On the expanding walls of the diffuser 9, two symmetrical perforated sections are made 10. The working chamber 11 is coaxially mounted in the housing 1 on the outlet edge of the diffuser 9, is made tapering upward and forms a gap with the walls of the housing 1. In this apparatus, the housing is a tapering bottom, a confuser, a diffuser, a distribution the chamber and the working chamber are made rectangular in their horizontal section. In other particular cases of the apparatus, these elements may have another shape of horizontal section, for example round.

Аппарат для получения дисперсных систем работает следующим образом. Аппарат заполняют дисперсионной средой на 50% его рабочей вместимости, не ниже линии сопряжения диффузора 9 с рабочей камерой 11. Затем через загрузочный люк 3 загружают дисперсную фазу и включают циркуляционный насос. Под действием циркуляционного насоса дисперсионная среда через входные патрубки 6 поступает в распределительную камеру 5, где возникают низкочастотные гармонические колебания, проходит через конфузор 7, где ускоряется в прямоточном режиме, преобразуясь в плоскую струю, в которой развивается продольная волна. Эпюра скоростей поступательного движения среды приближается к прямоугольной за счет экспоненциального характера профиля стенок конфузора 7, который препятствует образованию обратного потока жидкости вдоль сужающихся стенок конфузора 7, что снижает до минимума гидравлические потери напора, а следовательно, и энергозатраты на диспергирование. При выходе через щелевое сопло 8 среда расширяется в диффузоре 9 в резонансном режиме, преобразуясь в поперечную плоскую волну, имеющую форму восходящего факела. Резонансный режим регулируется изменением скорости протекания жидкости через щелевое сопло 8. Расширяющиеся стенки диффузора 9 повторяют форму боковых границ гидродинамического факела, расширяющегося по экспоненциальному закону. В объеме диффузора 9 возникает режим гидродинамических пульсаций, амплитуда которых увеличивается по мере продвижения дисперсионной среды в верхнюю часть диффузора 9, где гидродинамические пульсации затухают. Крупные частицы ненабухшей дисперсной фазы, содержащие газовую среду (глобулы) под действием перепада давлений разрушаются. В средней и верхней части диффузора 9 частицы дисперсной фазы претерпевают воздействие мощных гидродинамических импульсов, приводящих при определенных скоростях пульсаций к кавитационным явлениям. Для увеличения эффективности работы аппарата на начальном этапе диспергирования в конструкции диффузора 9 выполнен перфорированный участок 10. Образовавшиеся при загрузке устройства агломераты подвергаются дальнейшей обработке в рабочей камере 11, а те агрегаты и частицы, размер которых не превышает размер отверстий перфорации, попадают вместе с транспортирующей средой в зазор между рабочей камерой 11 и корпусом 1 и подаются через выходной патрубок 4 на вход циркуляционного насоса. Такая обработка осуществляется до момента достижения стабильного режима рециркуляции, при котором самые крупные частицы дисперсии проходят через отверстия перфорации. При достижении стабильного режима рециркуляции в аппарат подают дополнительное количество дисперсионной среды до установления переливного режима. Рабочая камера 11 выполнена сужающейся кверху для установления устойчивого режима внутренней циркуляции с целью получения более равномерно распределенной дисперсии. Переливаясь через верхнюю часть рабочей камеры 11, диспергируемая среда поступает в зазор между рабочей камерой 11 и корпусом 1 и через входной патрубок 4 поступает на внешний круг рециркуляции ее насосом. При достижении необходимой степени дисперсности процесс прекращают и аппарат разгружают. В предлагаемом аппарате могут быть получены любые виды дисперсных систем, включая дисперсии труднорастворимых, плохо совмещающихся и слипающихся веществ, например волокнистые суспензии целлюлозы, асбеста, дисперсии мела, глины, пигментов, клея, высокомолекулярных соединений, пищевые эмульсии и т.п. Аппарат позволяет получить дисперсии с различной дисперсностью и степенью диспергирования. Энергетические затраты на диспергирование значительно снижаются за счет того, что среда движется в оптимальном прямоточном режиме с минимальными гидравлическими потерями напора. Дополнительным преимуществом является упрощение технологии получения дисперсий, т.к. не требуется специального оборудования для приготовления грубодисперсной среды, ее сортирования и очистки. The apparatus for producing dispersed systems operates as follows. The apparatus is filled with dispersion medium at 50% of its working capacity, not lower than the interface line between the diffuser 9 and the working chamber 11. Then, through the loading hatch 3, the dispersed phase is loaded and the circulation pump is turned on. Under the influence of the circulation pump, the dispersion medium through the inlet pipes 6 enters the distribution chamber 5, where low-frequency harmonic oscillations occur, passes through the confuser 7, where it accelerates in a direct-flow mode, transforming into a plane stream in which a longitudinal wave develops. The diagram of the translational motion velocities of the medium approaches a rectangular one due to the exponential nature of the profile of the walls of the confuser 7, which prevents the formation of a reverse fluid flow along the narrowing walls of the confuser 7, which minimizes hydraulic pressure losses and, consequently, the energy consumption for dispersion. When exiting through the slotted nozzle 8, the medium expands in the diffuser 9 in the resonant mode, transforming into a transverse plane wave having the shape of an ascending torch. The resonance mode is controlled by changing the speed of fluid flow through the slotted nozzle 8. The expanding walls of the diffuser 9 repeat the shape of the side boundaries of the hydrodynamic plume, expanding exponentially. In the volume of the diffuser 9, a regime of hydrodynamic pulsations arises, the amplitude of which increases as the dispersion medium moves to the upper part of the diffuser 9, where the hydrodynamic pulsations decay. Large particles of a non-swollen dispersed phase containing a gaseous medium (globules) are destroyed by a differential pressure. In the middle and upper part of the diffuser 9, the particles of the dispersed phase undergo the action of powerful hydrodynamic pulses, which at certain pulsation velocities lead to cavitation phenomena. To increase the efficiency of the apparatus at the initial stage of dispersion, a perforated section 10 is made in the design of the diffuser 9. The agglomerates formed during loading of the device are further processed in the working chamber 11, and those aggregates and particles whose size does not exceed the size of the perforation holes fall together with the transporting medium in the gap between the working chamber 11 and the housing 1 and are fed through the outlet pipe 4 to the inlet of the circulation pump. Such processing is carried out until a stable recirculation mode is achieved, in which the largest dispersion particles pass through the perforation holes. Upon reaching a stable recirculation mode, an additional amount of the dispersion medium is fed into the apparatus until the overflow mode is established. The working chamber 11 is made tapering up to establish a stable mode of internal circulation in order to obtain a more evenly distributed dispersion. Overflowing through the upper part of the working chamber 11, the dispersible medium enters the gap between the working chamber 11 and the housing 1 and through the inlet pipe 4 enters the outer circle of its recirculation pump. Upon reaching the required degree of dispersion, the process is stopped and the apparatus is unloaded. Any type of disperse systems can be obtained in the apparatus of the invention, including dispersions of sparingly soluble, poorly compatible and sticky substances, for example, fibrous suspensions of cellulose, asbestos, chalk dispersions, clay, pigments, glue, high molecular weight compounds, food emulsions, etc. The apparatus allows to obtain dispersions with different dispersion and degree of dispersion. The energy cost of dispersion is significantly reduced due to the fact that the medium moves in the optimal direct-flow mode with minimal hydraulic pressure loss. An additional advantage is the simplification of the technology for producing dispersions, as no special equipment is required for the preparation of coarse dispersed medium, its sorting and cleaning.

Ниже приводятся примеры осуществления способа в предлагаемом аппарате. The following are examples of the method in the proposed apparatus.

П р и м е р 1. Диспергируют волокнистую суспензию целлюлозы перед размольной машиной (мельницей) в проточном режиме. Предварительно готовят грубую композиционно неоднородную суспензию с длиной волокон от 3,5 до 1,5 мм со средней концентрацией 40 кг/м³ абсолютно сухого вещества в гидроразбивателе. Затем композиционно неоднородную суспензию подают в аппарат через его входной патрубок и заполняют весь его внутренний объем. Аппарат переводят из переходного состояния в состояние подвижного резонансного режима работы, устанавливая скорость потока в его наименьшем поперечном сечении в щелевом сопле равной 17 м/с. В указанных условиях диспергируют волокнистую суспензию, гомогенизируют ее до отдельных волокон и подают непосредственно на вход размольной машины.PRI me R 1. Disperse a fibrous suspension of cellulose in front of a grinding machine (mill) in a flow mode. A coarse composite inhomogeneous suspension with a fiber length of 3.5 to 1.5 mm with an average concentration of 40 kg / m ^{3 of} absolutely dry matter in a pulper is preliminarily prepared. Then the compositionally inhomogeneous suspension is fed into the apparatus through its inlet pipe and its entire internal volume is filled. The apparatus is transferred from the transition state to the state of the mobile resonant mode of operation, setting the flow velocity in its smallest cross section in the slotted nozzle to 17 m / s. Under these conditions, the fiber suspension is dispersed, homogenized to individual fibers and fed directly to the inlet of the grinding machine.

П р и м е р 2. Диспергируют волокнистую суспензию перед формующим устройством бумагоделательной машины. Предварительно готовят грубую волокнистую композиционно неоднородную суспензию с длиной волокон от 2,5 до 0,5 мм со средней концентрацией 6 кг/м³ абсолютно сухого вещества в размольных машинах. Суспензию подают в аппарат через его входной патрубок и заполняют жидкостью весь его внутренний объем. Затем аппарат переводят из переходного состояния в состояние подвижного резонансного режима работы, при котором скорость потока обрабатываемой суспензии в его наименьшем поперечном сечении в щелевом сопле устанавливают 15 м/с. В указанных условиях диспергируют волокнистую суспензию, гомогенизируют ее до отдельных волокон и подают на бумагоделательную машину на формование бумажного полотна.PRI me R 2. Dispersed fibrous suspension in front of the forming device of a paper machine. A coarse fibrous composite inhomogeneous suspension with a fiber length of 2.5 to 0.5 mm with an average concentration of 6 kg / m ^{3 of} absolutely dry matter in grinding machines is preliminarily prepared. The suspension is fed into the apparatus through its inlet pipe and filled with liquid throughout its internal volume. Then the apparatus is transferred from the transition state to the state of the mobile resonant mode of operation, in which the flow rate of the treated suspension in its smallest cross section in the slotted nozzle is set to 15 m / s. Under these conditions, the fiber suspension is dispersed, homogenized to individual fibers, and fed to a paper machine to form a paper web.

П р и м е р 3. Диспергируют суспензию мела. Аппарат заполняют технологической водой на 50% его рабочей вместимости и включают циркуляционный насос. Затем в аппарат для создания слабощелочной среды с показателем рН 8,5-9,0 добавляют полифосфаты натрия (например, тринатрийфосфат или гексаметафосфат) из расчета 4 кг на 1000 кг абсолютно сухого мела. В аппарат загружают мел в виде порошка из расчета 375 кг абсолютно сухого вещества на 1 м³ рабочей вместимости аппарата. Изменением скорости истечения потока из щелевого сопла до 8 м/с в аппарате устанавливают резонансный режим работы. В рабочую камеру аппарата подают технологическую воду и доводят объем суспензии в нем до рабочей вместимости. Диспергирование суспензии мела в указанных условиях осуществляют в течение 0,25 ч. Подготовленная описанным способом суспензия мела более устойчива к осаждению и прилипанию частиц к стенкам трубопроводов и технологического оборудования, кроме того, требуется меньше энергозатрат на ее приготовление.PRI me R 3. Disperse a suspension of chalk. The device is filled with process water at 50% of its working capacity and turn on the circulation pump. Then, sodium polyphosphates (for example, trisodium phosphate or hexametaphosphate) are added to the apparatus for creating a slightly alkaline medium with a pH of 8.5–9.0 at the rate of 4 kg per 1000 kg of absolutely dry chalk. Chalk in the form of powder is loaded into the apparatus at the rate of 375 kg of absolutely dry matter per 1 m ^{3 of the} apparatus's working capacity. By changing the flow rate from the slotted nozzle to 8 m / s, a resonant operation mode is set in the apparatus. Technological water is fed into the working chamber of the apparatus and the volume of suspension in it is brought up to the working capacity. The dispersion of the chalk suspension under these conditions is carried out for 0.25 hours. The chalk suspension prepared by the described method is more resistant to sedimentation and adhesion of particles to the walls of pipelines and processing equipment; moreover, less energy is required for its preparation.

П р и м е р 4. Диспергируют и гомогенизируют натрийкарбоксилметилцеллюлозу (Na КМЦ). Аппарат заполняют водой с начальной температурой 30^оС на 50% его рабочей вместимости и включают циркуляционный насос. Резонансный режим работы устанавливают изменением скорости истечения потока из щелевого сопла до 50 м/с. В аппарат загружают Na КМЦ в порошкообразном состоянии из расчета 60 кг на 1 м³ рабочей вместимости аппарата. По мере набухания коллоидной суспензии Na КМЦ в работающий аппарат непрерывно подают технологическую воду с температурой 30^оС и доводят объем жидкости в диспергаторе до его рабочей вместимости. Na КМЦ марки 70-450 обрабатывают в указанном режиме в течение 0,5 ч. Далее корректируют скорость истечения набухшего коллоида Na КМЦ из щелевого сопла до 50 м/с и гомогенизируют суспензию в этом режиме в течение 1,5 ч.PRI me R 4. Dispersed and homogenized sodium carboxylmethyl cellulose (Na CMC). The machine is filled with water with an initial temperature of 30 ° ^C at 50% of its working capacity and circulation pump. The resonant operation mode is set by changing the flow rate from the slot nozzle to 50 m / s. Na CMC is loaded into the apparatus in powder form at the rate of 60 kg per 1 m ^{3 of the} apparatus working capacity. As swelling colloidal suspension of Na CMC are continuously fed working machine process water with a temperature of 30 ^{° C} and adjusted to a liquid volume disperser to its operating capacity. Na CMC grades 70-450 are treated in the specified mode for 0.5 hours. Next, the flow rate of the swollen Na CMC colloid from the slot nozzle is adjusted to 50 m / s and the suspension is homogenized for 1.5 hours in this mode.

Таким образом, предлагаемым способом получают коллоидную дисперсию Na КМЦ без применения внешних теплоносителей. Thus, the proposed method receive a colloidal dispersion of Na CMC without the use of external coolants.

Claims

1. A method of producing dispersed systems, including the preparation of a coarse dispersed medium and its subsequent hydrodynamic dispersion by supplying a flow of coarse dispersed medium under the action of excessive pressure, forming a stream in the form of a flat jet by reducing its cross section, exciting harmonic acoustic vibrations in the stream and increasing their amplitude in resonant mode, characterized in that the excitation of harmonic acoustic vibrations is carried out by a sharp expansion of the cross section flow before its formation, after which the flow is formed by its exponential compression and subsequent expansion of the flow in the form of an exponential hydrodynamic torch, and the amplitude of harmonic acoustic vibrations is increased by setting the resonance mode by changing the flow velocity, which in its smallest cross section is 8-50 m / s

2. The method according to claim 1, characterized in that the preparation of coarse dispersed medium is carried out by mixing the dispersion medium and the dispersed phase in the volume of the exponential hydrodynamic torch formed from the flow of the dispersion medium.

3. An apparatus for producing dispersed systems, comprising a housing with a tapering bottom, inlet and outlet nozzles and a distribution chamber coaxially mounted at the bottom of the apparatus with an element forming a slotted nozzle, characterized in that the element forming the slotted nozzle is made in the form of a confuser and mounted on the distribution chamber, the dispersant further comprises a diffuser installed in the lower part of the tapering bottom, and a working chamber mounted inside the housing at the inlet edge of the diffuser and forming a gap with enkami housing, the tapered wall sections converging tube and the diffuser walls are made expandable by an exponential dependence.

4. The apparatus according to claim 3, characterized in that in the diffuser the walls with an exponential profile are made with perforated sections.

5. The apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the housing, tapering bottom, distribution chamber, confuser, slotted nozzle, diffuser and working chamber are made rectangular in horizontal section.