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 N° 2048872 (опубл. 27.11.1995) описан гидрокави- тационный диспергатор, в котором кавитационные газопаровые пузырьки возникают при попадании струйного потока на рассекатель.

В патенте РФ Ν» 2358796 (опубл. 20.06.2009) раскрыт ультразвуко- вой смеситель, который воздействует ультразвуком на частицы, получив- шиеся 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 Ns 40574 (опубл. 20.09.2004) опи- сана установка для ультразвуковой обработки суспензии, в которой ульт- развуковой генератор генерирует сигнал 22 кГц интенсивностью 1 ,6 Вт/см, преобразуемый пьезоэлектрическими преобразователями на дне бака в ме- ханические колебания той же частоты.

Недостаток всех указанных и многих иных подобных устройств и используемых в них способов измельчения состоит в том, что не удаётся 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 позволя- ли бы получать однородные частицы измельчаемого вещества в диапазоне десятков нм.

Для решения этой задачи и получения указанного технического ре- зультата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ дис- пергации материала, в котором: загружают материал в заранее заданной пропорции с водой в диспергационную камеру; герметизируют дисперга- ционную камеру; подают в герметизированную диспергационную камеру заранее заданное статическое давление; обрабатывают содержимое дис- пергационной камеры ультразвуковыми колебаниями с плотностью озву- чивания не менее 50 Вт/см , обеспечивающими в течение заранее заданно- го 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.

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

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

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

Другая особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что ультразвуковые колебания могут генерировать с помощью магни- тоакустического излучателя, в качестве которого используют цилиндриче- скую стенку диспергационной камеры, вибрирующей под действием наво- димых в ней вихревых токов.

Наконец, ещё 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 ре- зультата во втором объекте настоящего изобретения предложено устройст- во для диспергации материала, содержащее: диспергационную камеру, предназначенную для загрузки в неё материала в заранее заданной про- порции с водой и выполненную с возможностью её герметичного закрыва- ния; средство для подачи заранее заданного статического давления в дис- пергационную камеру; формирователь ультразвуковых колебаний, выпол- ненный с возможностью формировать ультразвуковые колебания с плот- ностью озвучивания не менее 50 Вт/см , обеспечивающие в течение зара- нее 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 коле- баний в диапазоне 15-30 кГц для надёжной диспергации частиц материала до заранее заданных размеров, при этом средство для подачи статического давления может быть выполнено с возможностью регулировать величину статического давления.

Ещё одна особенность устройства по настоящему изобретению со- стоит в том, что формирователь ультразвуковых колебаний может содер- жать ультразвуковой генератор, с которым соединены один или несколько магнитострикционных преобразователей, установленных на днище дис- пергационной 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 ультразвуко- вых колебаний при этом выполнен в виде индуктора переменного тока и окружающего его индуктора постоянного тока, расположенных коаксиаль- но вокруг тонкостенной трубы, причём индуктор постоянного тока выпол- нен с возможностью создания постоянного магнитного поля, вектор на- магниченности которого направлен вдоль оси тонкостенной трубы, а ин- дуктор переменного тока выполнен с возможностью создания в материале тонкостенной трубы вихревых кольцевых токов, взаимодействие которых с постоянным магнитным полем вызывает резонансные радиальные коле- бания трубы.

Наконец, ещё одна особенность устройства по настоящему изобре- тению состоит в том, что средство для подачи статического давления мо- жет представлять собой гидравлический насос. Краткое описание чертежей

Изобретение иллюстрируется приложенными чертежами.

На Фиг. 1 показана общая схема устройства по настоящему изобре- тению.

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

Подробное описание вариантов осуществления

Способ по настоящему изобретению может быть реализован в уст- ройстве, общая схема которого приведена на Фиг. 1. Это устройство со- держит диспергационную камеру 11, предназначенную для загрузки в неё подлежащего измельчению (диспергации) материала в заранее заданной пропорции с водой. Диспергационная камера 11 имеет крышу 12, выпол- ненную с возможностью герметичного закрывания диспергационной каме- ры 11. Например, эта крышка 12 может иметь на своей нижней поверхно- сти уплотнительное кольцо из резины или подходящего пластика, прихо- дящееся на верхний (на Фиг. 1) край диспергационной камеры 11 для ис- ключения утечки. Уплотнение (герметизация) крышки 12 может обеспечи- ваться любыми известными специалистам средствами, к примеру, с помо- щью 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 ма- териала и патрубок 14 для подачи в диспергационную камеру 11 заранее заданного статического давления после её герметизации. Разумеется, пат- рубки 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 мо- жет располагаться на крышке 12, а другой на стенке диспергационной ка- меры 11. Возможен также и вариант, в котором вместо двух патрубков 13 и 14 имеется единственный патрубок, служащий как для загрузки дисперги- руемого материала, так и для создания статического давления в дисперга- ционной камере 11.

На днище диспергационной камеры 11 или на её боковой стенке ли- бо даже на крышке 12 установлены один или несколько формирователей 15, 16 ультразвуковых колебаний. Каждый из формирователей 15, 16 ульт- развуковых колебаний, выполнение которого поясняется далее со ссылкой на Фиг. 3 и 4, выполнен с возможностью формировать ультразвуковые ко- лебания так, чтобы плотность озвучивания находящегося в диспергацион- ной камере 11 вещества составляла не менее 50 Вт/см . Такая плотность озвучивания нужна для того, чтобы формируемые ультразвуковые колеба- ния в диспергационной камере обеспечивали в течение заранее заданного времени звуковое давление на диспергируемый материал в смеси с водой, превышающее на заранее заданную величину статическое давление, созда- ваемое через патрубок 14 соответствующим средством 17 для подачи зара- нее заданного давления. В качестве такого средства 17 можно использо- вать, например, гидравлический насос.

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

Сначала в подлежащий диспергации материал добавляют в заранее заданной пропорции воду, или же подлежащий диспергации материал смешивают в заранее заданной пропорции с водой (этап 21). Затем подле- жащий диспергации материал в смеси с водой загружают в диспергацион- ную камеру 1 1 (этап 22) через соответствующий патрубок 13. После этого диспергационную камеру 13 герметизируют, накрыв её 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 колеба- ний. Затем осуществляют обработку содержимого диспергационной каме- ры 11 ультразвуковыми колебаниями (этап 25). Плотность озвучивания со- держимого диспергационной камеры 11 составляет при этом не менее 50 Вт/см , что обеспечивает в течение заранее заданного времени 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 1 1 под действием под действием зон разрежения между соседними ультра- звуковыми волнами происходит рост множества микропузырьков, которые под воздействием упругих акустических волн резко «схлопываются», вы- зывая ударные волны, достаточно интенсивные для разрушения находя- щихся рядом или окружающих микропузырьки частиц диспергируемого вещества.

Известно, что схлопывающийся кавитационный пузырёк способен диспергировать твёрдые частицы, размер которых больше его собственно- го максимального размера (см, например, Ультразвук. Маленькая энцик- лопедия. 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 дис- пергации 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 ультразву- ковых колебаний до 20-30 кГц и продолжают обработку ещё в течение 4-6 минут.

Поскольку уменьшение времени роста пузырька понижает кинетиче- скую энергию возникающих при его коллапсе (схлопывании) потоков жид- кости, 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 дис- пергируемого материала.

В возможном варианте осуществления устройства по Фиг. 1 форми- рователь 15 ультразвуковых колебаний содержит ультразвуковой генера- тор, с которым соединены один или несколько магнитострикционных пре- образователей, установленных на днище диспергационной камеры 11. В качестве таких преобразователей можно использовать, например, преобра- зователь ПМС-5-18 (http://neftegaz.ru/catalogue/product/view/1147976). При этом предпочтительно соединить выходной фланец этого преобразователя с днищем диспергационной камеры 1 1 через расширяющийся переходник для более полного использования ультразвуковой энергии в объёме дис- пергационной камеры 1 1. В данном случае амплитуда колебаний поверх- ности 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 от- дельный блок, фактически представляет собой конструкцию, окружающую диспергационную камеру 11. В этом случае боковая стенка диспергацион- ной 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, распо- ложенных коаксиально вокруг тонкостенной трубы. Индуктор постоянного тока выполнен с возможностью создания постоянного магнитного поля, вектор намагниченности которого направлен вдоль оси тонкостенной тру- бы (т.е. вертикально на Фиг. 1), а индуктор переменного тока выполнен с возможностью создания в материале тонкостенной трубы вихревых коль- цевых токов, взаимодействие которых с постоянным магнитным полем вы- зывает интенсивные резонансные радиальные колебания этой трубы.

Амплитуда этих резонансных колебаний: пропорциональна прово- димости материала трубы и квадрату её радиуса и обратно пропорцио- нальна квадратному корню из произведения плотности материала тонко- стенной трубы и его модуля Юнга; пропорциональна числу витков индук- тора переменного тока на единицу длины, величине переменного напряже- ния и обратно пропорциональна сопротивлению обмотки индуктора; и пропорциональна индукции постоянного магнитного поля. В результате, за счёт 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 (опубл. 20.08.2013).

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.