具有反向流动的均质化工艺和设备的制造方法

具有反向流动的均质化工艺和设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明的目的是利用反向流动的均质工艺和设备。
【背景技术】
[0002] 在EP0810025A1中引用的现有技术认为是最接近的已知技术。
[0003] 实际上，本发明涉及用于使流体微粉化的装置的领域，特别是呈液态的含有颗粒 的可流动材料、凝聚物或纤维，即，基本上液态且不溶解但遭受为固体或在任何情况下都具 有不同密度的部分的形成的产品。
[0004] 均质/微粉设备（在下文中，术语均质化和微粉化及其它形式应当用作同义词） 通常包含具有入口和出口的泵和均质阀，该泵可能是高压可变流量泵，其中所述入口连接 到所述泵的递送件以便接收加压的流体，所述出口在低压下用于均质的流体。
[0005] 要实现的微粉化实质上在于所述颗粒的分解，为了最小化其尺寸并致使尺寸均匀 的目的。
[0006] 为了实现这个目的，流体通过减小尺寸的受迫通道从第一高压腔室（连接到泵的 递送件）进入第二微粉化腔室（连接到阀出口）。
[0007] 该通道由牢固地受限于（并且由此固定到）阀体并且流体穿过其中的通道头部和 由可相对于所述通道头部轴向地运动的冲击头界定。具体地，所述通道存在于界定在冲击 头和较小通道头部之间界定的间隙。
[0008] 第一腔室中高压下的流体压在冲击头的表面上，在冲击头的表面上压施加力趋向 于使通道变宽。推杆作用于冲击头，并且它沿轴向方向将力施加在冲击头上，以便抵抗流体 的压力。
[0009] 以这种方式，通过合适地管理推杆的动作，使通道的宽度维持在基本上恒定并且 可以在任何情况下进行调整的期望值是可能的。该力应当基于均质设备的操作流速和压力 水平来确定。
[0010] 因此，当流体通过所述受迫通道从第一腔室流向第二腔室时，流体经历压力的下 降，同时根据能量守恒方程，流体还加速。该加速导致流体的颗粒的分解。此外，冲击环已经 知晓布置在第二腔室中，以便拦截加速的流体；以这种方式，流体以高速撞击在冲击环上， 并且这构成了对颗粒的分解的进一步贡献。冲击环还保护了冲击发生所在的腔室免受磨 损。
[0011] 一般来说，我们想要最优化在均质化过程中使用的能量，即，应用于流体的能量相 当，我们想要以上述方式获得流体的均质化的最可能的结果或结果相同，我们想要减少使 用的能量（压力）。
[0012] 在上面描述的现有技术中，产品实质上流过趋向于变宽的环形室（参考现有技术 的图1和2)，并且均质效果通过当产品从中心通道向前流出环形室时该产品遭遇的增加的 切削力来提供。
[0013] 然而，很多能量无益地浪费在均质化和微粉化步骤中并转变为热，这是高压均质 设备的本质低效的原因。
[0014] EP0850683A1公开了一种细颗粒生产装置，其中，根据在其中公开的第三实施例， 预先处理单元已经添加在高压泵与所述细颗粒生产装置之间。所述第三实施例需要与主要 装置或第一实施例（具有固定几何形状和恒定剪切速率的系统，所述系统完全不同于本发 明的目的）集成在一起或相关联，它并不能用作独立装置。

【发明内容】

[0015] 本发明的目的是限制在上面阐述的缺点，并实现使减少能量浪费并且由此使它们 更有效率成为可能的改善的均质化-微粉化工艺和设备。
[0016] 另一目的是借助于"独立"装置来实现，所述"独立"装置能够产生颗粒减小，而不 需要在上游或下游的辅助设备。
【附图说明】
[0017] 所述目的通过构成本发明的目的的均质化-微粉化工艺和设备来实现，并且所述 均质化-微粉化过程和设备按照在下文中阐述的权利要求的内容来表征。
[0018] 具体地，产品的正常流动是相反的，即，现有技术的出口在本发明中是产品入口， 而现有技术的入口现在是出口。
[0019] 此外，所述设备为独立类型，具有两级（由偏转塞组成），所述两级具有共有的协 作元件，并且第二级旨在产生背压。
[0020] 偏转塞与它们共用的相互作用元件一起操作，在第一级之内产生剪切速率和背压 的增加。
[0021] 根据在附图中纯粹以非限制性示例的方式图示的优选实施例的以下描述，这个及 其他特征将会变得更显而易见，其中：
[0022] -图1和2分别以纵截面和以横截面示出了现有技术的均质阀，且包括了产品流 线；
[0023] -图3图形地图示了现有技术的阀的剪切速率（切削力）的曲线；
[0024] -图3A、3B和3C图示了根据三个不同的实施例图形的构成本发明的目的的均质设 备的剪切速率（切削力）的曲线；
[0025] -图4以纵截面图示了根据本发明的均质阀；
[0026] -图5A、5B、5C和以沿线A-A的横截面、沿线B-B的横截面、沿线C-C的横截面 沿和线D-D的横截面相应地图示了在图4中出现的阀，；
[0027] -图6、7和8是图4和5的放大示图，其包括了流线；
[0028] -图9A、9B、9C和9D根据协作元件与第一偏转塞的组合的变体且连同流线呈现了 在图8中出现的视图；
[0029] -图10和IOa图示了一种变体，其中背压借助于校准孔实现。
[0030] -图11示出了背压通过将两个设备或两个"第一级"串联设置而实现的变体；
[0031] -图12示出了气压缸的特定使用。
【具体实施方式】
[0032] 高压区域和低压区域在附图中分别由HP和LP表示，而BP表示背压区域。
[0033] 参考附图，数字1整体上表示均质设备或阀，并提供有用于要均质的流体的入口 2〇
[0034] 流体可以例如由乳剂（液体中有液体，其具有不能溶合且往往密度不同的特性）、 悬浮液（液体中有粉末，其具有不能溶合且往往密度不同的特性的粉末物质）、或胶体系统 (不能混溶的液体中或尺寸小于1 μπι的固体中有液体）构成。
[0035] 在当前的阀中，在给定压力（通常为高压）下来自入口 2的产品流在环形腔室3 中朝向涉及参考标号4、6、7、13和14的均质区域前进。
[0036] 环形腔室3包围在其内的推杆5,所述推杆5由合适的致动器控制，并且推杆5在 其顶端处支承偏转塞6 (称为"可调的流量偏转塞"）、用于校准切削力的剪切速率（切削速 度）调节器或偏转塞。
[0037] 在新的意义上，偏转塞以及相互作用元件的任务是来自纵向路线的流动转向到朝 向内部的外部且中心的径向路线。此外，利用该装置，在基本上不改变表征该系统的几何形 状的情况下改变处理的强度是可能的，因此，具有圆形或类似底部的腔室在同样具有圆形 或类似底部的同心腔室上缩窄，而且具有更小容积。
[0038] 均质化步骤在均质区域4、6、7、13和14中发生，随后在间隙中，行进以创造性和新 颖性的方式从外部朝向内部前进，即，从具有较大直径（或更大容积）的区域前进到具有较 小直径（或更小容积）的区域：该系统配合由第二偏转塞12提供的背压而完善，通过提供 必需的背压，这有助于支配剪切速率并稳定整个设备的操作，使其构造完善。
[0039] 微粉化/均质化设计为这样的过程，在区域4中开始，并继续直至在背压区域之后 到达低压区域或出口 10,集成设备中的所有背压区域都能够产生水头损失并且由此产生背 压。
[0040] 参考数字7表示间隙（图8中的中空空间）和颗粒在起作用的均质化区域中从外 部向内行进的路线（行程）4(图7)。
[0041] 结合偏转塞6,相互作用元件9(也称为"流动偏转元件"或"协作元件"，与偏转塞 6和12两者相互作用）的任务是使来自圆形区段的外部的流动向内转向，因此有助于特有 的剪切速率形式的形成。此外，结合偏转塞6,由于更有限的容积，它传输流动以至于相互影 响。
[0042] 彼此相互作用的元件6和9不必相互平行。实际上，元件6和9的面对面的表面的 互补构造是完美的，直至到达对于最大化同质化作用的有效性而言可能的最合适的剪切速 率形式。所有这些都基于产品的类型、在元件6与9之间产生的通过、和意图使用的流速。
[0043] 表面的倾斜（图9A、9B、9C和9D)可以如下设置：
[0044] -两者朝向中心区域对称地会聚（收敛）（图9A)(表面彼此接近）；
[0045] -相对于相互作用元件9的"平行"，仅偏转塞6会聚（图9B);或反之亦然，相对于 偏转塞6元件的"平行"，仅相互作用元件的表面会聚。
[0046] -两者发散分离（图9C)(朝向中心区域表面远离）；
[0047] -相对于相互作用元件9的"平行"，仅偏转塞6发散分离（图9D);或反之亦然，相 对于偏转塞6元件的"平行"，仅相互作用元件的表面发散分离。
[0048] 由两级（具有第一偏转塞6的第一级、具有第二偏转塞12的第二级）共用的可调 协作元件的使用允许元件的有效寿命长达标准构造中存在的元件的有效寿命的两倍，因为 考虑到偏转塞6和12的直径并且由此它们产生的磨损斑痕的直径是不同的协作元件9是 可逆的（即，两面的）（图8)。
[0049] 协作-相互作用元件9可以部分地或完全地容纳变窄随后变宽的特定区段，该特 定区段能够朝向嵌入件的出口边缘、即朝向中心孔（德-拉伐尔喷嘴）赋予更大的速度。
[0050] 沿着流体在阀内部的行进路线，流体基本上同时遇到偏转塞6和相互作用元件9。
[0051] 在均质化步骤4-7之后，产品朝向出口 10前进，该出口 10实质上由在协作元件9 与第二偏转塞12的座部之间提供的另一间隙构成。
[0052] 在出口 10处，产品的势能低于其在入口 2处的势能。
[0053] 所述工艺的新颖性尤其在于这一事实，即微粉化现象由于协作元件以及两个偏转 塞的使用而发生，两个偏转塞提供系统的势能（压力）到速度的转换、并且因此的特定剪切 速率曲线在微粉化的整个工艺中的发展、适合于产生效率的剪切速率曲线。
[0054] 沿着行进路线的压力到速度的转换具有特定的益处：在现有技术的构造中（ 参见 图3中的曲线图），由于趋向于变宽（即，阀的有效体积的增加）的几何形状，存在从高剪切 速率向下到低剪切速率的变化。
[0055] 然而，在根据本发明的创造性构造中，剪切速率增加，直至其在出口边缘中（朝向 中心孔）到达最大速率，并且由于将能量尤其用于易受到伸长断裂的产品，这无疑是更有 效的过程。基本上，作为逻辑结果，剪切速率增加，因为产品在其中流动的体积变得更受限 制。
[0056] 均质设备中的集成背压的使用产生遭受微小波动的有序流动，并且由此更有效地 避免能量损失。
[0057]消耗在中心的能量有利于微粉化而非向外分散在冲击环上，由此增加其在微粉化 效果中的贡献。
[0058] 由于偏转塞6和12与紧密地集成且与协作元件9相关联，径向上对置的流体脉管 的在相互作用元件的中心点中碰撞的相对速度增加，并且由此冲击能量和对均质效果的贡 献显著增加。
[0059] 记住动能方程式为E = l/2mv2:
[0060] 例如（从矢量和获得的）碰撞速度的加倍带来相对于传统方法的四倍更大的贡献 (速度平方）。
[0061] 考虑到分散（固体颗粒），碰撞增加了分散相中的冲击的可能性，其中借助于涉及 的更高能量来造成分解。
[0062] 有利地，这使去除冲击环（图1中的8)成为可能，相反，所述冲击环在已知类型的 均质阀中是一个重要元件。
[0063] 考虑到液体的分散相，压力到具有如下剪切速率梯度的速度的转换的使用甚至更 有利，其中所述剪切速率梯度趋向于增加而非减小或保持恒定，然后在系统的第二部分中 再次增加。
[0064] 本设备首先实现可微粉化相的伸长延展，以便然后由于过度的切削力而破坏产品 颗粒；装置入口中高达最大强度的切削力准备用于在区域4中并利用元件6、7、13和14实 现的微粉化的最终作用。在现有技术中，大部分能量最终成为热，而非在更大程度上用于分 解微粒。
[0065] 由于在根据从0到200MPa的现有技术范围的操作压力的情况下较大和较小流动 能力，本发明可用于所有类型的机器上。
[0066] 本发明能实现产品的更好的均质化和影响微粉化阀的元件的磨损的减少。
[0067] 实际上，冲击环8最终可以用简单的间隔件来替代，考虑到高速颗粒不与所述间 隔件发生碰撞，所述间隔件不像冲击环一样遭受磨损。逻辑结果是，如果去除冲击环，那么 现有技术中用于侵蚀相同部件的能量现在用来促进增加均质效果。
[0068] 源于具有一个或更多个活塞的正排量泵的使用的流速不连续性产生不恒定的流 动；通过弹性系统、弹簧20 (图11)、气压缸21 (图12)或具体设计并计算的等同物控制的 均质和微粉装置的使用能以连续的方式更改产生在协作元件9与偏转塞6和12之间的间 隙的高度。
[0069] 在某种意义上，它们遵循流速分布，增加系统的效率。换言之，它们动态地且连续 地适合于流速波动。
[0070] 源自于协作元件9与偏转塞的12之间的相互作用的背压可根据三种不同的模式 而得以实现：
[0071] -背压以标准的可调方式激活（图8)，如在上文中描述的；
[0072] -背压借助于非可调的校准孔来实现（图IO-IOa);
[0073] -背压通过将两个设备或两个"第一级"设定为串联来实现（图11)。
[0074] 具体构造由具有朝向第一相互作用区域的出口边缘（朝向中心孔）定位的 "德-拉伐尔喷嘴"的构造构成。"德-拉伐尔喷嘴"在本文中指截面变窄（相互作用元件9 与偏转塞6之间的通道）和随后变宽（相互作用元件的斜角形状，如所图示的）。
[0075] 剪切速率在流体的行进期间增加直至到达产生特有形式的最大峰值、由两个偏 转塞共用的相互作用元件的中心区域中的冲击速度的增加和同时由相同的协作元件与 "德-拉伐尔喷嘴"产生的背压是本发明的主要创造性要素，涉及阀的具体几何形状并且涉 及流动的具体方向。
[0076] 在本发明中，偏转塞可以独立地调整，以便改变处理的强度，而不实质上改变阀的 几何形状。
[0077] 参考图3A、3B和3C，图3A、3B和3C根据三个不同的实施例以曲线图的形式图示了 构成本发明的目的的均质设备中的剪切速率（切削力）形式曲线，在所有三种模式中，剪切 速率最初在第一级之内增加，而在第二级中它可以下降（图3A)，保持基本恒定（图3B)或 增加（图3C)。
[0078] 在各种实施例中，数字13表示具有中间压力的通道或背压通道，而14表示以间隙 行进，所述行进是第二级的一部分，并且类似于第一级的以间隙7的行进4。
[0079] 孔提供在相互作用元件9中，并且在末端部分中，该孔是向外张开（即，它变宽）， 并且偏转塞6和12可独立体地调整，以改变处理的强度，而不实质上改变阀的几何形状。
[0080] 一些实验数据在本文中报道作为本发明的优点的证明：由于结果相同，使用了更 少的压力/能量，并且由此增加了效率。
[0081] 产品：5%油、2%Tween80?和 93% H2O 乳剂
[0082]
[0084] 产品：脂质体
[0085]
【主权项】
1. 一种均质设备（I)，所述均质设备包括： -用于接收加压的流体的入口（2)，所述加压的流体还可能含有固体颗粒； -所述流体的均质化发生的区域； -在相对于入口压力更低的压力下的、用于所述流体的出口（10)， 其特征在于，在所述均质化区域中，所述流体从具有较大直径的区域进入具有较小直 径的区域， 所述均质化区域包含由第一级（所述第一级装备有第一偏转塞（6))和适于产生背压 的第二级（所述第二级装备有第二偏转塞（12))共用的相互作用元件（9)， 当所述偏转塞（6和12)与它们共用的相互作用元件一起操作时，在所述第一级内产生 所述剪切速率的增加。2. 根据权利要求1所述的阀，其特征在于，在所述第二偏转塞（12)中，在所述出口区域 (10)的附近有校准孔，所述孔用于形成背压的相同功能。3. 根据权利要求1所述的阀，其特征在于，其中存在朝着出口（10)的截面变窄（所述 相互作用元件（9)和所述偏转塞（6)之间的通道）且随后变宽（相互作用元件（9)的成形 形状）。4. 根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述孔提供在所述相互作用元件（9)中，并 且在端部所述孔扩张（变宽）。5. 根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述第一偏转塞和所述第二偏转塞（6和 12)的直径不同。6. 根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述偏转塞可独立调节（即独立于流速）， 从而改变处理的强度，但基本不改变阀的几何形状。7. 根据权利要求5所述的阀，其特征在于，由于所述第一和所述第二偏转塞（6、12)具 有不同的直径，所述相互作用元件（9)是可逆的（即双面的），并产生不重叠的磨损斑痕。8. 根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述第一偏转塞（6)和所述相互作用元件 (9)的面对面表面能够为： -两者均朝向中间区域对称地会聚（表面彼此接近）； -相对于所述相互作用元件（9)的"平行"，仅所述偏转塞（6)的表面会聚；或反之亦 然，相对于所述偏转塞（6)的"平行"，仅相互作用元件（9)的表面会聚； -两者均发散分离（朝向中心区域，表面远离）； -相对于所述相互作用元件（9)的"平行"，仅所述偏转塞（6)的表面发散分离；或反之 亦然，相对于所述偏转塞（6)的"平行"，仅相互作用元件（9)的表面发散分离。9. 一种用于均质化流体的工艺，所述流体可能还包含固定颗粒，其特征在于，在均质区 域的第一级中，流体从具有较大直径（或容积）的区域通向具有较小直径（或容积）的区 域， 所述均匀区域包括由所述第一级（所述第一级装备有第一偏转塞（6))和适于产生背 压的第二级（所述第二级装备有第二偏转塞（12))共用的相互作用元件（9)， 当所述偏转塞（6和12)与它们共用的相互作用元件一起操作时，在所述第一级内产生 所述剪切速率的增加。10. 如权利要求9所述的工艺，其特征在于，所述第二级中的流体从具有较小直径（容 积）的区域朝向具有较大直径（容积）的区域运动。11. 如权利要求9所述的工艺，其特征在于，在所述流体从入口向出口行进的过程中， 在第一级内的剪切速率增加，尽管它能够增加，所述第二级内剪切速率保持恒定或减小。12. 如权利要求9所述的工艺，其特征在于，通过所述协作元件（9)和所述偏转塞（12) 的可调节的相互作用，实现背压的步骤。13. 如权利要求9所述的工艺，其特征在于，通过不可调节的校准孔实现背压的步骤。14. 如权利要求9所述的工艺，其特征在于，通过串联设置根据权利要求1所述的两个 第一级实现背压的步骤。15. 如权利要求9所述的工艺，其特征在于，通过弹性系统、弹簧（20)或气压缸（21)控 制的均质和微粉装置的使用使能自动地更改产生在所述协作元件（9)与所述偏转塞（6和 12)之间的间隙的高度，由此动态地且连续地适合于流速波动。
【专利摘要】一种均质设备(1)，其包含：-用于接收加压的流体的入口(2)，所述加压的流体还可能含有固体颗粒；-所述流体的均质化发生的区域；-在相对于入口压力更低的压力下的、用于所述流体的出口(10)，其中，在所述均质化区域中，所述流体从具有较大直径(或容积)的区域进入具有较小直径(或容积)的区域，所述均质化区域包含由第一级(装备有第一偏转塞(6))和第二级(装备有第二偏转塞(12))共用的相互作用元件(9)，其中所述偏转塞(6和12)与它们共用的相互作用元件(9)一起操作，在所述第一级之内产生剪切速率的增加。本发明还涉及一种均质化工艺。
【IPC分类】B01F5/06
【公开号】CN104884153
【申请号】CN201380067017
【发明人】A·里奇
【申请人】Gea机械设备意大利股份公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月20日
【公告号】CA2895182A1, EP2934733A2, US20150298074, WO2014097234A2, WO2014097234A3