Установка для приготовления эмульсий и суспензий

Изобретение относится к получению дисперсных систем и может использоваться при синтезе многоатомных спиртов. Установка содержит гидравлический струйный насос-смеситель, соединенный с выходом гидромеханического насоса-диспергатора. Установка содержит систему дозирования компонентов, состоящую из расходной емкости и дозатора. Технический результат состоит в интенсификации процесса и улучшении качества конечных продуктов. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии получения различных дисперсных систем, например при синтезе многоатомных спиртов, и устройству гидравлической системы для его осуществления.

Известен способ получения дисперсных систем путем многократной циркуляции ингредиентов через смеситель (сосуд с перемешиванием) и диспергирующее (гомогенизирующее) устройство. При этом в смесителе происходит макросмешение, а в диспергирующем устройстве осуществляется диспергирование (гомогенизация) частиц и микросмешение (смешивание в малых объемах) сплошной и диспергируемой фаз (см. Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИТЭХИМ. 1973, с.308-311). При многократной циркуляции ингредиентов через диспергирующее устройство и смеситель с перемешиванием через некоторое время достигается равномерное перемешивание и распределение ингредиентов. Однако в этом случае не обеспечивается быстрое достижение высокой однородности диспергирования и микросмешения, так отдельные микрообъемы и частицы, взятые для перемешивания и диспергирования компонентов, могут не попадать в диспергирующее устройство в течение длительного времени и концентрационное соотношение их в различных точках реактора-смесителя различно и неоптимально. Это приводит к снижению качества и выхода конечных продуктов дисперсных систем в ряде их применения, например в органическом синтезе, а также к увеличению продолжительности процесса. Известный способ взят в качестве прототипа для заявленного технического решения.

Известна гидравлическая система установки для приготовления рабочей среды, содержащая фильтр грубой очистки, сообщенный гидролинией с входом измельчителя, выход которого подключен к входу деаэратора(емкости), связанного своим выходом с насосом, выход которого связан со смесителем. Отличительная особенность системы состоит в том, что измельчитель выполнен в виде проточного роторного горизонтального аппарата, а насос - в виде гидромеханического насоса-диспергатора, подключенного своим входом к выходу деаэратора, а выходом сообщенного с системой (см. патент РФ №1760990 МПК F 15 В 21/04, бюл. №33, 1992 г.). Известное устройство взято в качестве прототипа для заявленного технического решения.

Устройство по прототипу обладает следующими недостатками: не обеспечивает получение достаточно высокого качества и выхода конечных продуктов в процессах, сопровождаемых химическим взаимодействием, например при синтезе многоатомных спиртов.

Задачей создания изобретения является разработка способа приготовления эмульсий и суспензий, позволяющего интенсифицировать процесс и улучшить качество конечных продуктов, например, при химическом синтезе веществ.

Поставленная задача решается с помощью признаков указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как способ приготовления эмульсий и суспензий, например при синтезе многоатомных спиртов, путем смешения и циркуляции ингредиентов через смеситель и диспергирующее устройство, и отличительных существенных признаков, таких как ввод, по крайней мере, одного из компонентов в смесь осуществляют ступенчато, с поступенчатым увеличением объемов, взятых для перемешивания, при этом перемешивание компонентов ведут в нестационарном режиме при сдвиговых деформациях потока, обеспечивающих тонкое и быстрое диспергирование во всем объеме взаимодействующих веществ, взятых для перемешивания, а оптимальные условия процесса поддерживают изменением скорости ввода, по крайней мере, одного из компонентов. Это позволяет интенсифицировать процесс, улучшить качество и выход конечных продуктов, например при химическом синтезе веществ.

Согласно пункту 2 формулы изобретения предлагается дополнительная операция для создания оптимальных условий процесса, а именно оптимальные условия процесса дополнительно поддерживают охлаждением-подогревом смеси от внешнего источника.

Согласно пункту 3 формулы изобретения уточняется, что скорость ввода, по крайней мере, одного из компонентов на первую и вторую ступени перемешивания устанавливают по величине термоэффекта после перемешивания, фиксируемого по температуре смеси.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 4-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как гидравлическая система установки для приготовления эмульсий и суспензий, включающая соединенные трубопроводами емкость с патрубками входа и выхода, гидромеханический насос-диспергатор с приводом, подключенный своим входом к выходному патрубку емкости, а выходом - к одному из входных патрубков емкости, и отличительных существенных признаков, таких как система включает гидравлический струйный насос-смеситель, патрубок рабочей жидкости которого соединен с выходом гидромеханического насоса-диспергатора, входной патрубок подсасываемого потока подключен к выходному патрубку емкости, а патрубок нагнетания с одним из входных патрубков емкости, а также систему дозирования, по крайней мере, одного из компонентов, состоящую из расходной емкости и дозатора, соединенного своим выходом посредством трубопровода с входом гидромеханического насоса-диспергатора и/или струйного насоса-смесителя. Это позволяет интенсифицировать процесс, улучшить качество конечных продуктов, например при химическом синтезе веществ.

Согласно пункту 2 формулы изобретения отражена конструктивная особенность выполнения привода гидромеханического насоса-диспергатора и схемы его управления, а именно привод гидромеханического насоса-диспергатора снабжен устройством регулирования числа оборотов, а на линии, соединяющей выход дозатора и входной патрубок гидромеханического насоса-диспергатора, установлен регулирующий клапан, который связан с устройством регулирования числа оборотов гидромеханического насоса-диспергатора через регулятор соотношения.

Согласно пункту 3 формулы изобретения отражена конструктивная особенность выполнения емкости, а именно входной патрубок емкости, к которому подключен гидравлический струйный насос-смеситель, внутри емкости имеет опуск, выполненный в виде трубы с закрепленной на конце камерой смешения эжекторного типа, размещенной в нижней части емкости.

Согласно пункту 4 формулы изобретения система снабжена теплообменником нагрева - охлаждения, включенного в напорную линию после гидравлического струйного насоса-смесителя и/или после гидромеханического насоса-диспергатора.

Согласно пункту 5 система снабжена вихревым статическим диспергатором, включенным в напорную линию после гидромеханического насоса-диспергатора и/или после гидравлического струйного насоса-смесителя.

Указанные выше отличительные признаки (для способа и устройства) каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи и являются существенными. Использование предлагаемого сочетания существенных отличительных признаков в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими, известными обеспечивает решение поставленной задачи, является не очевидной для специалистов в данной области техники и свидетельствует о соответствии заявленного технического решения (для способа и устройства) критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что устройство предназначено для осуществления способа решают одну и ту же задачу - интенсификация процесса и повышение качества готового продукта за счет совокупности признаков как известных, так и новых.

Варианты осуществления изобретения

Настоящее изобретение конкретно иллюстрируется следующими примерами осуществления изобретения, которые иллюстрируют, но не ограничивают объем использования изобретения. На чертеже представлена схема гидравлической системы установки для приготовления эмульсий и суспензий.

Гидравлическая система установки для приготовления эмульсий и суспензий включает соединенные трубопроводами 1 емкость 2 с патрубками входа 3 и выхода 4, гидромеханический насос-диспергатор 5 с приводом 6, подключенный своим входом 7 к выходному патрубку 4 емкости 2, а выходом 8 - к одному из входных патрубков 3 емкости 2. Система дополнительно включает гидравлический струйный насос-смеситель 9, патрубок рабочей жидкости 10 которого соединен с выходом 8 гидромеханического насоса-диспергатора 5, входной патрубок 11 подсасываемого потока подключен к выходному патрубку 4 емкости 2, а патрубок нагнетания 12 с одним из входных патрубков 3 емкости 2. Система содержит систему дозирования, по крайней мере, одного из компонентов, состоящую из расходной емкости 13 и дозатора 14, соединенного своим выходом 15 посредством трубопровода 16 с входом 7 гидромеханического насоса-диспергатора 5 и/или струйного насоса-смесителя 9. Привод 6 гидромеханического насоса-диспергатора 5 снабжен устройством регулирования числа оборотов 17, а на линии 16, соединяющей выход 15 насоса дозатора 14 и входной патрубок 7 гидромеханического насоса-диспергатора 5 установлен регулирующий клапан 18, который связан с устройством регулирования числа оборотов 17 гидромеханического насоса-диспергатора 5 через регулятор соотношения 19. Входной патрубок 3 емкости 2, к которому подключен гидравлический струйный насос-смеситель 9, внутри емкости 2 имеет опуск, выполненный в виде трубы 20 с закрепленной на конце камерой смешения эжекторного типа 21, размещенной в нижней части емкости 2. Система снабжена теплообменником нагрева - охлаждения 22, включенного в напорную линию 23 после гидравлического струйного насоса-смесителя 9 и/или после гидромеханического насоса 5. На трубопроводах перед входными патрубками гидравлического струйного насоса 9 установлены регулирующие клапаны 24 и 25. Система снабжена вихревым статическим диспергатором 26 и 27 (конструкции, например, см. Межд. семинар "Применение роторных гидромеханических диспергаторов в горнодобывающей пром-ти: теория и практика" сб. док-в, Минск, 1998, с.9-13), включенным в напорную линию 28 на выходе гидромеханического насоса-диспергатора 5 и/или на выходе гидравлического струйного насоса-смесителя 9.

Устройство работает следующим образом.

Исходные компоненты, которые необходимо подвергнуть диспергированию, загружают в емкости 2, 13. Включают гидромеханический насос-диспергатор 5 и осуществляют циркуляцию загруженных в емкость компонентов по контуру: емкость 2 - гидромеханический насос-диспергатор - 5 вихревой статический диспергатор 26 - гидравлический струйный насос-смеситель 9 - вихревой статический диспергатор 27 - теплообменник 22 - емкость 2. Устанавливают требуемый расход смеси компонентов в линии циркуляции с помощью устройства регулирования числа оборотов (частотный регулятор) 17. Из расходной емкости 13 насосом-дозатором 14 подаются компоненты, вступающие во взаимодействие с компонентами, циркулирующими в системе. Количество компонента подаваемого насосом 14 на вход гидромеханического насоса-диспергатора 5 устанавливается регулирующим клапаном 18 через регулятор соотношения 19 в необходимом соотношении с компонентами, всасываемыми из емкости 2 гидромеханическим насосом-диспергатором 5. В гидромеханическом насосе-диспергаторе 5 производится первая ступень мгновенного диспергирования смешиваемых компонентов в течение 2-3 секунд. После гидромеханического насоса-диспергатора 5 смесь поступает в статический вихревой диспергатор 26, где завершается первая ступень перемешивания-диспергирования и далее в струйный гидравлический насос, диспергатор 9, в который через входной патрубок подсасываемого потока за счет разряжения, создаваемого струей рабочей жидкости (смесь из гидромеханического насоса-диспергатора 5), подсасывается из емкости 2 вторая порция исходных компонентов, количество которых определяется и устанавливается регулирующим клапаном 24. Во второй входной патрубок гидравлического насоса-диспергатора из расходной емкости 13 насосом дозатором 14 подается вторая порция компонента (реагента), количество которого устанавливается и поддерживается в определенном соотношении с введенным через первый патрубок объемом компонентов регулирующим клапаном 25. В гидравлическом струйном насосе-диспергаторе 9 осуществляется вторая ступень форсированного перемешивания компонентов, поступающих из первой ступени перемешивания-диспергирования, и вновь взятых объемов исходных компонентов. Диспергирование второй ступени смешения завершается в статическом вихревом диспергаторе 27. Требуемая температура смеси после перемешивания (взаимодействия) поддерживается охлаждением/подогревом ее в теплообменнике 22. Режим включения теплоносителя/хладогента определяется по температуре смеси после гидромеханического и гидравлического смесителя, замеряемой, например, термопарой или термосопротивлением. Подготовленная смесь поступает в емкость через опуск 20, смешивается с компонентами смеси, находящимися в емкости, в камере смешения 21. Установка может работать как в периодическом, так и в непрерывном проточном режиме. В последнем случае смесь после теплообменника 22 направляется не в емкость 2, а другую емкость (на фиг. не показана).

Пример. Синтез 2,2-диметилолпропана (неопентилгликоля).

Исходным сырьем для синтеза неопентилгликоля являются изомасляный альдегид и формальдегид. Процесс осуществляют в одну стадию и используют в качестве катализатора водные растворы щелочей.

В емкость 2 загружают 495 кг воды, 156 кг 40% раствора NaOH и 233 кг 37% раствора формалина (смесь компонентов А). Включают гидромеханический насос-диспергатор и производят непродолжительное перемешивание компонентов в циркуляционном режиме по схеме емкость - гидромеханический насос-диспергатор - статический вихревой диспергатор - гидравлический струйный насос-диспергатор - статический вихревой диспергатор - теплообменник-емкость - камера смешения в емкости. В расходную емкость 13 загружают 100 кг изомасляного альдегида (компонента Б). Далее устройством регулирования числа оборотов гидромеханического насоса-диспергатора устанавливают расход всасываемой из емкости 2 исходной смеси (смесь компонентов А), например, 5 м³/час, а регулирующим клапаном 24 расход смеси (смесь компонентов А) всасываемую из емкости 2 в гидравлический струйный насос-смеситель, например 5 м³/час.

Насосом дозатором 14 из расходной емкости 13 подают изомасляный альдегид (компонент Б) на вход гидромеханического насоса-диспергатора и гидравлического струйного насоса-смесителя. Количество подаваемого изомасляного альдегида регулируют регулирующими клапанами 18, 25. Расход изомасляного альдегида устанавливают из такого расчета, чтобы весь его объем, взятый на операцию, вступил во взаимодействие (без избытка) с компонентами А. Ввод компонента Б в циркулирующий раствор осуществляют, например, в течение одного часа. В гидромеханическом насосе-диспергаторе производится первая ступень диспергирования взаимодействующих компонентов А и Б и взаимодействие изомасляного альдегида с формалином в щелочной среде. Причем за счет тонкого и быстрого диспергирования сред (размер частиц 5-15 мк, время 2-5 сек), раскрытия поверхности контакта взаимодействие компонентов идет в направлении получения целевого продукта - неопентилгликоля с минимальным образованием побочных продуктов синтеза. Диспергирование первой ступени перемешивания завершается в статическом вихревом диспергаторе, установленном в напорной линии после гидромеханического насоса-диспергатора. В гидравлическом струйном насосе-диспергаторе производится аналогично вторая ступень перемешивания-диспергирования взаимодействующих компонентов. Побудителем - рабочей жидкостью в этом случае является продиспергированная и прореагировавшая смесь компонентов, подаваемая под давлением гидромеханическою насоса-диспергатора. Диспергирование второй ступени смешения завершается в статическом вихревом диспергаторе, установленном в напорной линии струйного насоса-смесителя. Ввиду того, что образование неопентилгликоля при диспергировании компонентов А и Б сопровождается выделением тепла, то далее смесь компонентов, содержащая целевой продукт - неопентилгликоль, охлаждается в поверхностном теплообменнике (охлаждающий агент-вода), при этом температура смеси поддерживается в пределах 20-25°С.

Количество охлаждающей воды устанавливается в зависимости от температуры смеси, которую замеряют после гидромеханического насоса-диспергатора и после гидравлического струйного насоса. После теплообменника реакционная смесь поступает в емкость, где смешивается с находящимся в ней раствором при истечении потока в камере смешения, куда за счет эжекции подсасывается раствор, находящийся в емкости. После завершения введения изомасляного альдегида производится непродолжительная работа установки в режиме циркуляции и процесс завершается. В результате получают синтезат, содержащий не менее 10,5% неопентилгликоля с выходом целевого продукта не менее 94%, при минимальном содержании вторичных продуктов не более 6%.

После этого синтезат подвергается обработке с целью выделения целевого продукта - неопентилгликоля, а цикл повторяется.

Вышеприведенные конкретные примеры свидетельствует о промышленной применимости предлагаемого технического решения.

1. Установка для приготовления эмульсий и суспензий, включающая соединенные трубопроводами емкость с патрубками входа и выхода, гидромеханический насос-диспергатор с приводом, подключенный своим входом к выходному патрубку емкости, а выходом - к одному из входных патрубков емкости, отличающаяся тем, что она включает гидравлический струйный насос-смеситель, патрубок рабочей жидкости которого соединен с выходом гидромеханического насоса-диспергатора, входной патрубок подсасываемого потока подключен к выходному патрубку емкости, а патрубок нагнетания к одному из входных патрубков емкости, а также систему дозирования, по крайней мере, одного из компонентов, состоящую из расходной емкости и дозатора, соединенного своим выходом посредством трубопровода с входом гидромеханического насоса-диспергатора и/или струйного насоса-смесителя.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что привод гидромеханического насоса-диспергатора снабжен устройством регулирования числа оборотов, а на линии, соединяющей выход дозатора и входной патрубок гидромеханического насоса-диспергатора, установлен регулирующий клапан, который связан с устройством регулирования числа оборотов гидромеханического насоса-диспергатора через регулятор соотношения.

3. Установка п.1, отличающаяся тем, что входной патрубок емкости, к которому подключен гидравлический струйный насос-смеситель, внутри емкости имеет опуск, выполненный в виде трубы с закрепленной на конце камерой смешения эжекторного типа, размещенной в нижней части емкости.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена теплообменником нагрева-охлаждения, включенным в напорную линию после гидравлического струйного насоса-смесителя и/или после гидромеханического насоса-диспергатора.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена вихревым статическим диспергатором, включенным в напорную линию после гидромеханического насоса-диспергатора и/или после гидравлического струйного насоса-смесителя.