Способ эмульгирования и вихревое устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к пищевой и химической промышленности, а именно к способам и устройствам для приготовления тонкодисперсных эмульсий. Устройство для эмульгирования содержит патрубки подачи исходных компонентов, патрубок выхода готовой эмульсии, корпус, включающий зону подачи исходных компонентов, зону выхода готовой эмульсии, камеру энергетического разделения, содержащую сопряженные между собой по меньшей мере две сужающиеся конические камеры с постепенно уменьшающимся углом конусности от первой камеры к последующей по высоте устройства, сопряженный с камерой энергетического разделения цилиндрический участок, расширяющуюся коническую камеру, соединенную с другим концом цилиндрического участка. Осесимметричная перегородка имеет прорези для тангенциальной подачи дисперсионной среды и центральное отверстие для осевой подачи диспергируемой жидкости. Способ эмульгирования осуществляется с помощью упомянутого устройства. Технический результат заключается в интенсификации процесса эмульгирования, повышении дисперсности и устойчивости эмульсии, упрощении конструкции и повышении технологичности изготовления. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Группа изобретений относится к пищевой и химической промышленности, а именно к способам и устройствам для приготовления тонкодисперсных эмульсий в системах, состоящих из взаимно нерастворимых компонентов, например, водной фазы, являющейся непрерывной средой эмульсии и масла, распределенного внутри нее в виде микроскопических капель и являющегося дисперсной фазой. Группа изобретений может быть использована в пищевой промышленности для приготовления эмульсионных пищевых продуктов, например майонеза, для получения различных композиций для производства продуктов питания, включающих водную фазу, смешанную с растительными, молочными и животными жирами, в хлебопечении в качестве жирсодержащих ингредиентов хлеба или в качестве смазок для хлебопекарного инвентаря, а также изобретение может быть использовано в других отраслях промышленности.

Из «Уровня техники» известен способ эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки по крайней мере двух взаимно не смешивающихся жидкостей, который включает совместную подачу подлежащих обработке жидкостей через подводящее отверстие статора в полость вращающегося внутри него рабочего колеса, прерывистый выпуск обрабатываемой смеси жидкостей из полости рабочего колеса в концентричную резонансную полость статора через ряд каналов, равномерно распределенных в периферийной кольцевой стенке рабочего колеса, и отвод эмульсии из резонансной полости через выпускное отверстие статора. Прерывистый выпуск обрабатываемой смеси жидкостей из полости рабочего колеса осуществляют непосредственно в секционированную резонансную полость статора, образованную равномерно распределенными отдельными резонансными камерами, сообщенными с выпускным отверстием статора, количество которых равно количеству каналов рабочего колеса, а их радиальная протяженность соизмерима с радиальной протяженностью каналов рабочего колеса (см. патент РФ № 2136356, кл. МПК B01F 3/08, B01F 5/16, опубл. 10.09.1999).

Кроме того, из «Уровня техники» известен способ эмульгирования, в котором подлежащая диспергированию жидкая смесь по патрубку резонансного гидромеханического диспергатора поступает в полость ротора, откуда через периодически совмещающиеся отверстия вращающегося ротора и отверстия неподвижного статора поступает в полость корпуса, откуда через патрубок в виде готового продукта выводится для потребления (см. патент РФ № 2081691, кл. МПК B01F 7/00, опубл. 20.06.1997).

Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ эмульгирования, в котором подают диспергируемую среду в вихревую камеру смешения через соосно расположенный в корпусе патрубок, подводят дисперсионную среду через тангенциально расположенный в корпусе патрубок с организацией вихревого потока с интенсивной зоной кавитации в приосевой области корпуса, который поступает через тангенциально расположенные патрубки в последовательно расположенные секции вихревой камеры смешения. При этом вихревой поток сначала диспергируют с диспергируемой средой в первой секции с образованием эмульсии, после чего полученная эмульсия последовательно перетекает в нижерасположенные секции, в которых происходит ее диспергирование с подводимым к каждой секции вихревым потоком дисперсионной среды, затем из последней секции осуществляют отвод готовой эмульсии через выходной патрубок (см. патент РФ № 2461415, кл. МПК B01F 5/00, опубл. 20.09.2012).

Из «Уровня техники» известно устройство для обработки жидкостей ультразвуковыми колебаниями в виде кавитационного реактора, включающего излучатель и отражатель ультразвука, образующие между обращенными друг к другу поверхностями объем, который при работе реактора занимает плоскоупругая волна в обрабатываемой жидкости. Объем реактора устанавливают из условия: отношение среднего расстояния от всех точек этого объема до его геометрического центра к длине волны ультразвука в обрабатываемой жидкости равно числу, дробная часть которого не превышает трех пятых (см. патент РФ № 2361658, кл. МПК B01J 19/10, опубл. 20.07.2009).

Ближайшим аналогом заявленного устройства является устройство для эмульгирования, которое содержит цилиндрический корпус с соосно расположенным патрубком подачи диспергируемой среды, тангенциально расположенным патрубком подачи дисперсионной среды, выходной патрубок для отвода эмульсии, расположенную коаксиально корпусу вихревую камеру смешения, разделенную посредством, по меньшей мере, одной перегородки на секции, сообщающиеся друг с другом посредством сопла, выполненного на перегородке. При этом каждая из секций вихревой камеры смешения сообщается с объемом корпуса посредством, по меньшей мере, одного тангенциально расположенного патрубка (см. патент РФ № 2461415, кл. МПК B01F 5/00, опубл. 20.09.2012).

Обобщенная техническая проблема заключается в наличие слабопроточных полостей, присутствуют потери энергии в этих полостях, малые зоны кавитации и проскальзывание диспергируемой среды мимо этих зон из-за пульсации этих зон по причине отсутствия специальной организации потока, а также необходимость создания высоких давлений на входе в устройство.

Задачей группы изобретений является устранение вышеуказанных недостатков.

Обобщенный технический результат заключается в интенсификации процесса эмульгирования, повышении дисперсности и устойчивости эмульсии, а также снижении энергопотребления, упрощении конструкции и повышении технологичности изготовления, уменьшении расхода металла на изготовление устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для эмульгирования содержит патрубки подачи исходных компонентов, патрубок выхода готовой эмульсии, корпус, включающий зону подачи исходных компонентов, зону выхода готовой эмульсии, камеру энергетического разделения, содержащую сопряженные между собой по меньшей мере две сужающиеся конические камеры с постепенно уменьшающимся углом конусности от первой камеры к последующей по высоте устройства, сопряженный с камерой энергетического разделения цилиндрический участок, расширяющуюся коническую камеру, соединенную с другим концом цилиндрического участка. Устройство также имеет осесимметричную перегородку, прилегающую к корпусу, отделяющую зону подачи исходных компонентов от камеры энергетического разделения, имеющую прорези для тангенциальной подачи дисперсионной среды и центральное отверстие для осевой подачи диспергируемой жидкости, камеру с формообразованием на основе усеченного перевернутого конуса для подачи диспергируемой жидкости, отделенную от камеры для подачи дисперсионной среды в зоне подачи исходных компонентов, конус противодавления в зоне выхода готовой эмульсии.

В соответствии с частными случаями выполнения устройство имеет следующие особенности.

Устройство для эмульгирования содержит камеру энергетического разделения, содержащую сопряженные между собой три сужающиеся конические камеры.

Зона выхода готовой эмульсии ограничена расширяющейся конической камерой и конусом противодавления.

Технический результат обеспечивается тем, что способ эмульгирования характеризуется тем, что подают дисперсионную среду через тангенциальные прорези в перегородке в периферийную часть камеры энергетического разделения с организацией скручивающегося вихревого потока с интенсивной зоной кавитации, который переходит в вихревой поток постоянного диаметра, меньшего диаметра зоны кавитации, причем подводят диспергируемую жидкость через центральное отверстие в перегородке в приосевую часть камеры энергетического разделения, в зону интенсивной кавитации, где происходит ее диспергирование и постепенное подмешивание к ней дисперсионной среды, затем, готовая эмульсия в виде раскручивающегося вихревого потока в сужающейся кольцевой щели, исключающей его турбулизацию, отводится через выходной патрубок.

В соответствии с частными случаями осуществления способ эмульгирования имеет следующие особенности.

Диспергируемую жидкость подают в устройство для эмульгирования через осевой патрубок, расположенный на крышке, в камеру с формообразованием на основе усеченного перевернутого конуса, а дисперсионную среду подают через смещенный относительно оси устройства для эмульгирования патрубок, расположенный на крышке, в камеру дисперсионной среды. Из камеры энергетического разделения эмульсия поступает в зону выхода готовой эмульсии, ограниченную расширяющейся конической камерой и конусом противодавления.

В последней конической камере зоны выхода готовой эмульсии формируют ламинарный щелевой осесимметричный поток готовой эмульсии, которая затем отводят из устройства через выходной патрубок.

Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

Фиг. 1 - устройство для эмульгирования в продольном разрезе;

Фиг. 2 - перегородка для отделения зоны подачи исходных компонентов от камеры энергетического разделения;

Фиг. 3 - устройство для эмульгирования в продольном разрезе с траекторией движения дисперсной среды и зоной кавитации.

Устройство для эмульгирования (фиг. 1, 2) включает зону подачи исходных компонентов эмульсии, содержащую патрубок 1 подачи диспергируемой жидкости, патрубок 2 подачи дисперсионной среды, камеру 3 подачи диспергируемой жидкости, образованную перевернутым усеченным конусом 4, стенки которого отделяют камеру 3 от камеры подачи дисперсионной среды 5, перегородку 6, прилегающую к стенке конической камеры 7, имеющую центральное отверстие 8 для подачи дисперсной среды и прорези 9 на периферии у стенки камеры 7, крышку 10. Устройство имеет камеру энергетического разделения, включающую нижнюю часть конической камеры 7, спряженную с ней коническую камеру 11, а также спряженные коническую 12 и цилиндрическую 13 камеры, зону выхода готовой эмульсии, состоящую из конической камеры 14, сопряженной с другим концом цилиндрической камерой 13, конуса противодавления 15 и выходного патрубка 16, расположенного в днище 17.

На фиг. 3 показана траектория движения дисперсионой среды 18, выходящей из прорезей 9 перегородки 6 в камеру энергетического разделения, состоящую из сужающихся конических 7, 11, 12 и цилиндрической 13 камер. На фиг. 3 изображены распределение частиц дисперсной фазы 19, выходящих из центрального отверстия 8 в перегородке 6 в камеру энергетического разделения, зона кавитации 20, проходящая вдоль всей оси камеры энергетического разделения, траектория движения готовой эмульсии 21 в зоне выхода готового продукта, образованной расширяющимся коническим корпусом 14 и конусом противодавления 15.

Устройство работает следующим образом. Диспергируемую жидкость подают через осевой патрубок 1 (фиг. 1), расположенный на крышке 10 в камеру дисперсионной среды 3. Дисперсионную среду подают через смещенный относительно оси патрубок 2, расположенный на крышке 10 в камеру дисперсионной среды 5. Камеры 3 и 5 отделены друг от друга стенкой конической камеры 3, кроме того, они отделены от камеры энергетического разделения перегородкой 6, в которой имеется центральное отверстие 8 для подачи диспергируемой жидкости и периферийные прорези 9 для тангенциальной подачи дисперсионной среды в камеру энергетического разделения, выполненную из сопряженных друг с другом и постепенно сужающихся конических камер, а именно, частью конической камеры 7, находящейся под перегородкой 6, а также камерами 11 и 12, и заканчивающуюся цилиндрической камерой 13. Причем угол раствора камер сужается по направлению к выход продукта . Из камеры энергетического разделения эмульсия поступает в выходную зону, ограниченную расширяющимся коническим корпусом 14 (фиг. 1)и конусом противодавления 15. За счет того, что угол конусности конуса противодавления 15 больше, чем угол конусности корпуса выходной камеры 14, , образованная ими осесимметричная щель сужается, что исключает турбулизацию потока и отрицательное ее влияние на процесс эмульгирования в камере 13. Поток готовой эмульсии выходит через выходной патрубок 16, расположенный в днище 17.

Тангенциальная подача дисперсионной среды в камеру энергетического разделения создает в ней вихревой поток 18 (фиг. 3), который, двигаясь вдоль конических камер 7, 11, 12, постепенно сужается и имеет минимальный диаметр в цилиндрической камере 13. При движении вихревого потока по камере энергетического разделения в направлении от периферии к оси камеры, окружная скорость потока растет по закону, описанному в книге Васильева О.Ф. Основы механики винтовых и циркуляционных потоков. - М.: Гос. энергетическое издательство, 1958. - 142 с.:

,

где - расстояние от оси.

Исходная потенциальная энергия, которая определяется давлением на входе в вихревое устройство превращается в кинетическую энергию движения потока. Чем больше скорость потока, тем меньше его статическое давление. Из предыдущей формулы видно, что при приближении к оси, при уменьшении радиуса потока, при , его окружная скорость теоретически может стремиться к бесконечности, а значит статическое давление может неограниченно падать. Поскольку камера энергетического разделения сужается и радиус конечного цилиндрического ее участка не больше радиуса зоны кавитации, вся диспергируемая жидкость проходит через зону кавитации и подвергается интенсивному диспергированию. Из камеры энергетического разделения эмульсия 21 поступает в выходную зону, ограниченную расширяющимся коническим корпусом 14 и конусом противодавления 15. За счет того, что угол конусности конуса противодавления 15 (фиг. 1) больше, чем угол конусности корпуса выходной камеры 14, образованная ими осесимметричная щель сужается, что исключает турбулизацию потока и отрицательное ее влияние на процесс эмульгирования в камере 13.

В предлагаемом устройстве тангенциальная подача дисперсионной среды в камеру энергетического разделения создает вихревой поток с обширной локализованной осесимметричной зоной кавитации. Осевая подача тонко струйного потока диспергируемой жидкости или эмульсии в область кавитации, способствуют его разрушению, а уменьшение радиуса камеры энергетического разделения до радиуса зоны кавитации исключает проскальзывание его мимо этих зон. Такая эффективная организация процесса эмульгирования позволяет снизить давление на входе в устройство и, соответственно, снизить расход энергии, а также исключает образование слабопроточных полостей, исключая дополнительные потери энергии, а упрощенная конструкция облегчает технологию изготовления и сокращает расход металла

В предлагаемом способе эмульгирования используется описанное выше вихревое устройство, в котором организована зона наиболее интенсивного разрушения диспергируемой среды - зона кавитации, которая расположена в камере энергетического разделения, в приосевой зоне так, что исключает проскальзывание диспергируемой жидкости мимо этой зоны. Процесс кавитации, сопровождается парообразованием и выделением большого количества энергии, за счет которой происходит диспергирование. Таким образом, осевая подача тонкой струи диспергируемой жидкости в область кавитации и такая организация потока, которая обеспечивает прохождение всей диспергируемой жидкости через зону кавитации, исключая проскальзывание мимо этой зоны, обеспечивает получение наиболее мелкодисперсной эмульсии.

Способ эмульгирования осуществляется следующим образом. Дисперсионная среда с температурой от 20 до 80°С за счет тангенциальной подачи через прорези 9 (фиг. 2) поступает в коническую часть 7, 11, 12 камеры энергетического разделения, образуя осесимметричный постепенно сужающийся вихревой поток 18 (фиг. 3), а затем поступает в цилиндрическую часть 13 камеры энергетического разделения, где образуется вихревой поток постоянного радиуса, меньшего, или равного радиусу зоны кавитации. Зона кавитации 20 образуются в приосевой части камеры энергетического разделения. Размер зоны кавитации определяется скоростью потока дисперсионной среды на входе в камеру энергетического разделения и радиусом входа дисперсионной среды в камеру энергетического разделения . Большой начальный радиус камеры энергетического разделения в области входа дисперсионной среды позволяет максимально расширить приосевую зону кавитации. Скорость потока дисперсионной среды на входе в вихревую камеру определяется по формуле Эйлера:

,

где и - давления на входе в вихревую камеру и на выходе из нее [Па];

- плотность жидкости [кг/м³].

Попадая в камеру энергетического разделения, поток дисперсионной среды перемещается от периферии к оси камеры, причем каждый слой жидкости приобретает вращательное движение относительно оси трубы со скоростью, обратно пропорциональной радиусу r расположения слоя:

.

Из приведенной зависимости скорость на любом радиусе вихревого потока можно определить по формуле:

,

где - радиус расположения входного отверстия.

Из закона сохранения энергии следует, что с увеличением скорости потока статическое давление в нем падает. Минимальное давление в потоке не может иметь величину, меньшую 0 МПа. Следовательно, максимальное значение окружной скорости не может быть больше

.

Такая скорость достигается на радиусе:

.

При давлении 3 кПа вода кипит при 20°С и при этой температуре начинается процесс кавитации. Если дисперсионная среда подается в вихревую камеру с температурой 80°С, то вскипание жидкости, или кавитация, начинается при давлении =5 кПа. Таким образом, в центральной части вихревой камеры образуется зона кавитации 20 (фиг. 3), ограниченная областью давлений =5÷3 кПа.

Радиус кавитационного ядра определяется по формуле:

Область кавитации охвачена процессом интенсивного парообразования и наблюдается визуально вблизи центральной части вихревой камеры.

Диспергируемая жидкость с температурой от 20 до 80°С поступает в камеру энергетического разделения 7, 11, 12, непосредственно в область кавитации 20 в виде тонкой струи через центральное отверстие 8 (фиг. 3), где происходит ее интенсивное разрушение и смешение с дисперсной средой с образованием высококонцентрированной грубодисперсной эмульсии. Далее эта высококонцентрированная грубодисперсная эмульсия, перемещаясь по зоне кавитации, перемешивается с дисперсионной средой, при этом повышается ее дисперсность и снижается концентрация. Оптимальная организация потока в виде вихря исключает образование застойных зон и снижает энергопотребление, а организация вихревого потока с радиусом меньшим радиуса зоны кавитации в цилиндрической камере 13, исключает проскальзывание диспергируемой жидкости мимо зоны кавитации, давая, в конечном счете, сокращение энергозатрат. Большая протяженность цилиндрической камеры 13 обеспечивает достаточную продолжительность пребывания всей диспергируемой жидкости в зоне кавитации. Таким образом, достигается высокая степень дисперсности эмульсии и, как следствие, повышение ее устойчивости.

Таким образом, указанный технический результат достигается в результате осуществления способа, который включает диспергирование жировой фазы в зонах кавитации за счет организации скручивающегося осесимметричного вихревого потока дисперсионной среды с интенсивной зоной кавитации в приосевой области, через которую проходит вся диспергируемая жидкость.

Изобретение поясняется следующими примерами:

Пример 1.

Процесс изготовления 15%-ной эмульсии подсолнечного масла в воде включает смешение 85 кг воды и 15 кг масла при температуре 50°С с применением заявленного устройства. Через патрубок 2 подачи дисперсионной среды под давлением 0,25 МПа в устройство поступает вода. Давление кавитации 4 кПа. Подача подсолнечного масла с температурой 50°С осуществляется через патрубок входа 1 диспергируемой жидкости - самовсасыванием. На входе диспергируемой жидкости в камеру энергетического разделения (две сопряженных конических камеры) ее радиус составляет 0,1 м. Потенциальная энергия потока дисперсной среды, определяемая давлением , при прохождении прорезей в перегородке 6, на выходе в камеру энергетического разделения, преобразуется в кинетическую энергию. Полагая, что на выходе из устройства давление атмосферное, можно определить скорость его вихревого движения на входе в камеру энергетического разделения:

.

Перемещаясь к оси вихревой камеры, поток ускоряется. Явления кавитации начинаются на радиусе:

.

Радиус кавитационного ядра для вихревого устройства диаметром 0,1 м составляет 0,066 м. Эксперименты показали, что средний размер частиц дисперсной фазы в эмульсии в результате обработки на вихревом устройстве составил 2,9 мкм.

Пример 2. Процесс изготовления 50%-ной эмульсии подсолнечного масла в воде включает смешение 50 кг воды и 50 кг масла при температуре 50°С с применением заявленного устройства. Через патрубок подачи 2 дисперсионной среды под давлением 0,25 МПа в устройство поступает вода. Давление кавитации составляет Па. Подача подсолнечного масла с температурой 50°С осуществляется через патрубок 1 входа диспергируемой жидкости - самовсасыванием. Предварительно в подогретом масле растворялся эмульгатор - лицетин в количестве 0,5 кг. Радиус входа дисперсионной среды в камеру энергетического разделения (включает три сопряженных конических камеры 7, 11, 12) составляет 0, 1 м. В камере энергетического разделения потенциальная энергия потока, определяемая давлением , преобразуется в кинетическую энергию. Поток приобретает скорость вихревого движения =17,3 м/с.

Эксперименты показали, что средний размер частиц дисперсной фазы в эмульсии в результате обработки на вихревом устройстве составил 3 мкм. Эмульсия сохраняла свои свойства в течение месяца.

1. Устройство для эмульгирования, характеризующееся тем, что содержит патрубки подачи исходных компонентов, патрубок выхода готовой эмульсии, корпус, включающий зону подачи исходных компонентов, зону выхода готовой эмульсии, камеру энергетического разделения, содержащую сопряженные между собой по меньшей мере две сужающиеся конические камеры с постепенно уменьшающимся углом конусности от первой камеры к последующей по высоте устройства, сопряженный с камерой энергетического разделения цилиндрический участок, расширяющуюся коническую камеру, соединенную с другим концом цилиндрического участка, устройство также имеет осесимметричную перегородку, прилегающую к корпусу, отделяющую зону подачи исходных компонентов от камеры энергетического разделения, имеющую прорези для тангенциальной подачи дисперсионной среды и центральное отверстие для осевой подачи диспергируемой жидкости, камеру с формообразованием на основе усеченного перевернутого конуса для подачи диспергируемой жидкости, отделенную от камеры для подачи дисперсионной среды в зоне подачи исходных компонентов, конус противодавления в зоне выхода готовой эмульсии.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что содержит камеру энергетического разделения, содержащую сопряженные между собой три сужающиеся конические камеры.

3. Устройство по п. 1 или 2, характеризующееся тем, что зона выхода готовой эмульсии ограничена расширяющейся конической камерой и конусом противодавления.

4. Способ эмульгирования, характеризующийся тем, что подают дисперсионную среду через тангенциальные прорези в перегородке в периферийную часть камеры энергетического разделения с организацией скручивающегося вихревого потока с интенсивной зоной кавитации, который переходит в вихревой поток постоянного диаметра, меньшего диаметра зоны кавитации, причем подводят диспергируемую жидкость через центральное отверстие в перегородке в приосевую часть камеры энергетического разделения, в зону интенсивной кавитации, где происходит ее диспергирование и постепенное подмешивание к ней дисперсионной среды, затем готовая эмульсия в виде раскручивающегося вихревого потока в сужающейся кольцевой щели, исключающей его турбулизацию, отводится через выходной патрубок.

5. Способ по п. 4, характеризующийся тем, что диспергируемую жидкость подают в устройство для эмульгирования через осевой патрубок, расположенный на крышке, в камеру с формообразованием на основе усеченного перевернутого конуса, дисперсионную среду подают через смещенный относительно оси устройства для эмульгирования патрубок, расположенный на крышке, в камеру дисперсионной среды, из камеры энергетического разделения эмульсия поступает в зону выхода готовой эмульсии, ограниченную расширяющейся конической камерой и конусом противодавления.

6. Способ по п. 4 или 5, характеризующийся тем, что в последней конической камере зоны выхода готовой эмульсии формируют ламинарный щелевой осесимметричный поток готовой эмульсии, которую затем отводят из устройства через выходной патрубок.