專利名稱：制備乳液的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及乳液的制備。
用術語“乳液”來表示一個含有兩個不混溶液相、其中一相以小液滴形式分散在另一相中的體系。為了簡便，稱分散相為“油”、連續(xù)相為“水”，盡管實際組份的范圍很廣。作為附加的組份，已知作為乳化劑或表面活性劑的乳化劑，通過包圍油相液滴并使其與水分離，來穩(wěn)定乳液并使乳液的制備容易進行。
許多年來乳液的用途一直在增加。大多數加工的食品和飲料產品、藥品、個人護理產品、涂料、油墨、調色劑和照像介質是乳液或使用乳液。近年來，增加了對具有更小和更均勻的液滴的乳液的需求。例如，人造血的使用需要平均為0.2微米的幾乎均勻的液滴。噴墨印刷對尺寸和分布具有類似的要求。
經常使用高壓均化器，通過使用通常稱為均化閥的裝置，來制備小而均勻的液滴或粒子。使用簧板或水壓或氣壓通過壓在壓座上的插板使該閥關閉。在高壓(通常為1,000-15,000磅/英寸2)下把預混合的原料乳液打入該閥座的中心。當該液壓大于關閉該閥的力時，在該閥座和閥插板之間開啟一個窄環(huán)狀縫隙。該原料乳液流過，同時經歷了迅速加速以及使油相分成小液滴的突然降壓。最近，采用一種新型的均化器，使用兩個或兩個以上的固定的小孔并能達到40,000磅/英寸2的壓力，當把預混合原料乳液強制通過這些小孔時，形成引起互相沖擊的液體噴射。美國專利4,533,254和4,908,154有這方面的介紹。
在這類裝置中乳化的具體機理是在小區(qū)域內有控制地使用剪切、沖擊和空化(cavitation)力。這些力的相對效果通常取決于其液體的特性，但在絕大多數乳液制備的機理中，空化力起主導力。
液體剪切是由在液流內的速度差引起的，該速度是通過以下過程產生的當液體進入小孔或小縫隙時突然的液體加速、孔中心極高的速度與該孔的周邊表面的零速度之差、以及離開該孔后引起的劇烈渦流產生的。
當壓力瞬時下降到低于該水相的蒸汽壓時產生了空化作用。形成小氣泡并接著塌癟(10-3至10-9秒鐘內)，產生了破裂周圍油滴的沖擊波。當孔中突然的加速及同時的壓降引起該局部壓力瞬時降到該蒸汽壓之下時，在該均化閥中產生了空化作用。
更一般地，已認識到當兩個表面分離的速度高于某一臨界速度時出現了空化，并認識到空化泡僅在空腔形成時，而不在空腔塌癟時影響其周圍環(huán)境，正如大家長期以來所認為的。另外有興趣的發(fā)現在于空化可完全出現在液體內部、或產生于固-液界面，這取決于固-液附著力和液-液內聚力的相對強度。
具體的乳化機理有些特征值得注意?？栈划a生了一次，持續(xù)非常短的時間(10-3至10-9秒)，使用高功率系數的裝置在任何給定的時間內只對非常小部分產品提供乳化能。因此該乳化工藝對該供料的均勻性非常敏感，且在達到所要求的平均液滴尺寸和均勻性之前，需要通過該設備幾次。最終液滴的尺寸取決于表面活性劑與油相的相互作用速率。因為表面活性劑通常不能以與它們通過乳化過程形成相同的速率包圍油滴，出現了凝聚且增加了平均液滴尺寸。在該過程中，產品溫度有典型的劇烈升高，這就限制了乳液組份和加工壓力的選擇，以及在乳化過程后加速了該液滴的凝聚速率。一些方法需要非常小的固體聚合物或樹脂顆粒；這經常通過把固體聚合物或樹脂溶于VOC中(揮發(fā)的有機化合物中)，然后使用混合設備來降低液滴尺寸且最后除去VOC來進行。
總的來說，一方面，本發(fā)明的特征在于一種用于在流體中引起乳化的方法。在該方法中，把噴射流體沿著第一路徑引入，在該第一路徑中配置一個結構以使該流體以受控的流動沿著新的路徑改變方向，確定該第一路徑和新路徑的方向以使在該流體中產生剪切和空化。
實施本發(fā)明可包括下列特征。
該第一路徑與新路徑可基本上反方向排列。該相干流可以是圍繞該噴射流的圓筒形。該置入的結構可以具有通常為半球形的或錐形的反射面，并位于井的末端。可對井的壓力、井開口到反射面的距離、該井開口的尺寸進行調整。當從該井出來時，該受控流以環(huán)狀層形式導離該井的開口。冷卻劑的環(huán)狀流可以與該環(huán)狀層相反的方向引導。另外的組份可流入靠近該反射面的空間，其方向為該受控流的新路徑方向。
一般來說，另一方面，本發(fā)明的特征在于一種用來在熱乳液剛形成后對其進行穩(wěn)定的方法。讓乳液從乳液形成結構的出口端流出，讓冷卻流體一般以與該乳液流動相反的方向、并在足以與該乳液流進行熱交換的足夠近的位置之處流動。
實施該發(fā)明可包括下列特征。該乳液流出該乳液形成結構時，它可形成一個薄的環(huán)狀層。當該冷卻流體與該乳液反向流動時，它也可是一個薄的環(huán)狀層。該冷卻流體可以是與該乳液相容的液體或氣體。在環(huán)狀閥開口處可以有該乳液流動和該冷卻流體流動。
一般來說，在再一方面，本發(fā)明的特征在于一種用來把第一種流體組份在第二種流體組份內乳化的方法。在該方法中，在一個空穴中提供一個基本不變量的第一種流體組份供應。把一股第二流體組體射流導入第一流體組份中。選擇這兩種流體的溫度和噴射速度，以使得由于在該兩種流體界面上的液壓分離而引起空化。
實施本發(fā)明可包括下列特征。第二種流體組份可包括連續(xù)相的乳液或分散液。第一種流體組份可以是在該乳液中不連續(xù)的相，如固體不連續(xù)相?？稍谝画h(huán)狀室里提供第二種流體，且可從開入環(huán)狀室的孔的出口處輸送該射流至環(huán)狀室。通過液壓分離乳化后，可把該產品通過一個孔來進行另外的乳化，或可以輸送到下一個加工室中，在此處可向該乳液添加另外的組份。在該下一個加工室中可向該產品加入冷卻流體，來快速冷卻和穩(wěn)定該乳液。該后繼加工室可以是一個吸收池，該產品的射流導入該吸收池中。
一般來說，在再一個方面，本發(fā)明的特征在于一個用來在乳化池中減少壓力波動的裝置，該乳化池是通過高壓泵從流體管線進料的。在該泵和乳化池之間的流體管線中的螺旋管，具有足以吸收壓力波動并能承受該泵產生的高壓的內體積、壁厚、線圈直徑和線圈樣式。該裝置可包括圍繞該螺旋管的帶有空隙的殼，該空隙用于用加熱或冷卻的流體來注入該殼體。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一個用在乳化結構的噴頭。兩個具有平滑表面的構件配合形成一個噴頭，這兩個殼體中的至少一個具有凹罐，在該噴頭中形成小孔。其表面充分平滑，使得在用足夠的力把這兩構件壓在一起時，液流被限制在該小孔中。在實施本發(fā)明中，可把產生空化作用的表面設定在該凹罐上；且可用金剛石或非極性材料或極性材料涂覆該凹罐的壁。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于用在乳化結構中的吸收池。該池包括具有一開口端的細長室，該開口端用來接收具有兩種不相混溶組份的射流。在該室的另一端配有反射面來反射該射流。提供了一個調節(jié)反射面到開口端之間距離的機械結構。
實施該發(fā)明可包括下列特征。該反射面對不同的用途是可互換的。可有一個在開口端插入該室的可移動的墊片，該墊片具有比該室內壁還要小的尺寸?？捎袔讉€不同的墊片，每一種適用于不同的用途。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一種按標準尺寸設計的乳化結構，該結構包括一系列可用許多方法配合在一起的連接器。至少一個這樣的連接器每一個包括一個在該連接器一端的環(huán)狀陽密封面和一個在該連接器另一端的陰密封面。在陰陽密封面之間配有一個開口，用來把流體從上游連接器中傳送到下游連接器中。配置料口以把流體輸入或從該連接器抽出。至少一些傳送開口足夠小以形成液體噴射。該密封面足夠光滑，當通過一個沿著該結構長度方向上的足夠的壓縮力把兩個連接器壓到一起時，形成流體密封。
實施本發(fā)明可包括下列特征。加工室可定在一個上游連接器陽密封面與一個下游連接器陰密封面之間。在一些連接器中，孔從該連接器的一端伸到另一端。可在這樣的一個結構中使用一個吸收池連接器。一個連接器可伸入另外一個連接器中，形成一個產生冷卻流體的環(huán)狀流層的小環(huán)狀開口。在這些連接器中一些料口用于CIP/SIP清洗和/或消毒操作。
一般來說，在另一方面，本發(fā)明的特征在于一個具有一個連接器和一個孔座的乳化結構，該孔座包括一個兩端開入到該結構其他部件內的乳化孔。把該孔座安裝在該連接器上，允許該孔座旋轉來將兩端的位置反向，根據其位置，每一端用作到該孔的入口或出口。
本發(fā)明的優(yōu)點如下在乳化、混合、懸浮、分散或對固體和/或液體材料去凝聚的過程中，可制備非常小的液滴或固體顆粒。制備出幾乎均勻的亞微型液滴或顆粒。由于消除了通常由高壓泵產生的壓力峰值，故該方法在長時間里保持一致。可使用較大范圍的乳液組份類型；同時通過把這些組份分別加入高速流體噴嘴最大程度發(fā)揮其效果。通過使用快速反應組份、獨立加入各組份并控制其相互作用的位置，可以制得精細乳液。通過在不同溫度能噴射各個組份、并在最后的乳化段之前噴射壓縮空氣或液氮，在不破壞熱敏組份的情況下，在乳化之前或之中控制反應溫度可有多個空化階段。通過控制孔的幾何尺寸、材料的選擇、表面性能、壓力和溫度，使空化對液流的影響達到最大，同時對周圍固體表面的磨損最小。最大程度地把噴射的動量吸收入液流中，同時最小化液流對周圍固體表面的影響。在表面活性劑能與新形成的液滴完全反應前，形成了足夠的渦流來阻止凝聚。通過快速冷卻、噴射壓縮空氣或氮和/或快速熱交換，最小化處理之后的凝聚，同時使該乳液經受充分的渦流作用，來克服該油滴的引力，并保持足夠的壓力來防止水蒸發(fā)。
因為可仔細控制每一個工藝參數，所以從小規(guī)模實驗室裝置到大規(guī)模生產的升級程序很簡單。本發(fā)明可適用于乳液、微乳狀液、分散液、脂質體和晶胞破裂(cell rupture)?？梢源蠓秶谋壤褂酶鞣N不相溶混的液體。只需有少量(有時不需要)乳化劑。通過該方法可一次制得乳液。提高了該方法的可重復性?？僧a生用于各種各樣用途的乳液，如用于食品、飲料、藥品、油漆、油墨、調色劑、燃料、磁介質和化妝品。該裝置易于組裝、拆卸、清洗和保養(yǎng)。該方法可使用高粘度、高固含量的液體以及磨損和腐蝕的液體。
該乳化效果保持很長時間，足以使表面活性劑與新形成的油滴反應。多個空化步驟保證完全使用乳化劑，實際上沒有呈膠束形式的中間細部。通過在低溫下噴射組份，可用沿著該工藝液流的多個料口來冷卻?？捎脽崴鎂OC來生產相同的最終產品。把水在高壓下加熱到遠高于該聚合物或樹脂熔點之上。把固體聚合物或樹脂以固態(tài)噴入，通過熱水噴射熔化且進行噴霧。多個料孔的構造消除了把大量固體顆粒引入高壓泵的問題，并只需要標準的工業(yè)泵。
從下面的介紹和權利要求中可明顯看出其他優(yōu)點和特征。


圖1和圖2是乳化體系的方框圖。
圖3A和圖3B是乳化池裝配件的端視圖和剖視圖(沿著圖3A的A-A線剖開)。
圖4是該乳化池裝配件的放大剖視圖(沿著圖3A的B-B線剖開)。
圖5是另外一個按標準型式設計的乳化池裝配件的剖視圖。
圖6是兩種類型的兩件噴頭組合件的等軸部件分解圖(不按比例)。
圖7A和圖7B是兩件噴頭組合件的匹配件的放大端視圖和剖面圖。
圖8是吸收池中液流的示意剖面圖(不按比例)。
圖9是吸收池的剖面圖。
圖10和圖11是在其它的按標準設計的吸收池裝備件中流體流動的剖面圖(不按比例)。
圖12A、12B和12C是在該乳化池中調節(jié)過程壓力的線圈的端視圖、前視圖和頂視圖。
圖13是圖12A-圖12C中示出的三個線圈的組裝圖。
圖14和圖15是乳化池組裝件的剖視圖。
在圖1中，從原料罐110、112和114中把產品各組份打入預混合系統(tǒng)116中。為簡化起見，通過實施例僅示出三類組份水、油和乳化劑；但根據要制備的產品可使用各種其他的組份。預混合系統(tǒng)116是適合于產品類型的體系(如推進式混合器、膠體磨、均化器等)。預混合后，把這些組份打入加料罐118中。一些情況下，可在供料罐118中進行該預混合。然后來自該罐118的該預混合產物從罐118出來，通過管線120和閥122，用輸送泵打到高壓處理泵128中。輸送泵124可以是任何一種通常用于該產品的泵，只要它對高壓處理泵能產生所需要的進料壓力。壓力顯示器(PI)126是用來監(jiān)視給泵128的供料壓力。該高壓處理泵128通常是一個容積式泵(positivedisplacement pump)，如三氣缸式泵或強化泵。從高壓處理泵128出來，該產品在高壓下通過管線130流入線圈132，在此處由泵128作用產生的壓力波動由線圈管的膨脹和收縮來調節(jié)。在圖12A-圖12C的介紹中更詳細介紹了該線圈的機理?？赡芟Ｍ蛴斜匾訜峄蚶鋮s該供料。加熱系統(tǒng)148可在筒體154中通過管線150和152循環(huán)熱流體，或使用冷卻系統(tǒng)156。該加熱介質可以是熱油或蒸汽，用適當的手段來控制其溫度或該熱流體的流動，使得當離開線圈132時，達到了所要求的溫度。該產品通過管線134離開線圈132，在這里壓力顯示器136和溫度顯示器(TI)138監(jiān)視著這些參數，在高而穩(wěn)定的壓力下(如15,000磅/英寸2)該產品進入乳化池。在乳化池140中進行該乳化過程，在此處把該原料強行通過至少一個射流發(fā)射孔，并通過一個吸收池，在吸收池中噴射動能被繞著射流和呈反方向的流體流所吸收。在每一個處理段中(有可能多于兩段)，高強度的剪切、沖擊、和/或空化力把油相分解成極小的且高度均勻的液滴，并可以使乳化劑與這些小油滴反應足夠長的時間，來穩(wěn)定乳液。
緊接著該乳化過程之后，把冷卻系統(tǒng)156的冷卻流體通過管線158噴入該乳液中，通過在乳化池140中充分混合該冷卻流體和熱乳液來立即冷卻該乳液。冷卻系統(tǒng)156，可以是冷的相容液體(如冷水)源或壓縮氣體(如空氣或氮氣)源，并用適當的手段來控制其溫度、壓力和該冷卻流體的流動，使得當離開乳化池140時達到所要的產品溫度。該乳液通過管線142離開乳化池140，在管線142中裝有計量閥144來控制冷卻過程中的背壓，并保證在冷卻時該乳液仍保持液狀，從而保持乳液的完整性和穩(wěn)定性。最后，把成品收集在罐146。
在圖2所示的系統(tǒng)中，把產品的連續(xù)相從供應管線110打入供料罐118中，同時其他組份從料罐112和114直接打入乳化池140中。可把一些組份混合在一起來減少分開供應管線數，或可以有與產品組份相同數目的供料管線。
罐118中的水通過管線120和閥122，通過輸送泵124流入到高壓處理泵128。元件128-138，及148-158和圖1系統(tǒng)中相同號碼的元件具有類似的功能。
油和乳化劑，每一個表示可分別加入的數目和種類不受限制的組份，從原料罐112和114中經使用計量泵166和168由管線162和164流到乳化池140中，每一根管線162和164有一個壓力顯示器170和172，以及溫度顯示器174和176。計量泵166和168適用于泵送產品類型(如衛(wèi)生膏、可噴射的懸浮液、研磨漿)和所要求的流動和壓力范圍。例如，在小規(guī)模系統(tǒng)中，使用蠕動泵，而在大生產體系和/或高壓噴射中，使用隔膜泵或齒輪泵。
在乳化池140中，讓水強行通過一小孔，產生水注。把用油和乳化劑表示的其他產品組份噴射入乳化池140中。乳化池140內極高速度的水注與管線162和164出來的不流動組份的相互作用，使該產品受到一系列處理段的作用，在每一個處理段中，高強度的剪切、沖擊和/或空化力把油和乳化劑分裂成極小的且高度均勻的液滴，并使乳化劑有足夠長的時間與油滴相互作用。緊接著乳化過程之后，該乳液被冷卻，然后離開該乳化池并被收集，采用類似于圖1體系中使用的方法。
從圖3-圖9可知，該乳化池是由一系列可互換的連接件所組成，每一個聯(lián)接件用于一個特殊的目的。通過強行把每一個連接器的光滑錐形密封面一起放入相鄰連接器相對應的光滑錐形密封面，用這些連接器來形成含有積分壓力的單元，產生了金屬-金屬密封，很象標準高壓連接套和相應凹形孔之間的密封。每一個連接器(可以不包括末端連接器)在一端有一大孔，在另一端有直徑稍小一點的匹配的凸出部分，使得每一個連接器的凸出部分配合入下一個連接器的孔中，從而校直密封面并使大量連接器易于組裝。這些連接器用四個螺栓固定在一起。
在圖3A和圖3B所示的基本乳化池的實施例中，該池組合件有四個連接器產品入口連接器10、噴頭連接器12、冷卻劑入口連接器14和產品出口連接器16。也參照圖4，連接器10的突出部分26配合入連接器12中的孔28中，同時連接器10的密封面22與連接器12的密封面24共面，當該組裝件用四個螺栓緊固時，形成一個包括金屬-金屬密封的壓力。待處理的產品流體從料孔18進入乳化池并通過圓形開口20(0.093″直徑孔)流動，料口18是一個標準的1/4″H/P料口(即高壓釜工程師#F250C)。該產品從開口20噴出后，碰撞到連接器12的表面30上，然后呈隨機渦流狀在通常為圓柱狀的腔內32中流動，腔32在連接器10和12之間形成。
因此，該產品從在腔32軸線方向實際上為零的速度起，當進入孔34時，被加速到超過500英尺/秒的速度。與顯著壓力降同時產生的這種突然的加速在該孔產生了空化作用。作為一塊金屬噴嘴，連接器12適宜于用在液-液乳液的500-15,000磅/英寸2的相對低壓應用中。需要高壓的應用中，或含有固體物的應用中，需要2塊噴嘴組合件，如圖6所示。對于任何給定的流量，孔34的直徑決定可得到的最大壓力。例如，0.015英寸直徑孔，用流速為1升/分的水得到的壓力為10,000磅/英寸2。更粘的產品要求孔的直徑為0.032英寸來得到相同的壓力和流速，而泵的容量在1升/分的小體系要求孔的直徑小至0.005英寸，來得到10,000磅/英寸2。高速度射流從孔34噴入吸收池腔38中，其流型示于圖8。另外一個吸收池示于圖9。
現參看圖8，當在孔34中形成的水注35流過吸收池的開口36時，它基本上保持不變。在該水注流沖擊表面40后，該表面40可以是平面的或半球形的或具有其他增強其功能的另外構型，該水注流變換了其流動方向，并形成了相干的圓柱形液流37。由于這是該液體離開腔38的唯一路徑，故形成了圓柱形流型。開口36僅稍大于孔34，流體流37強行與水注流35作用，由此吸收該水注流的動能，產生了很強的剪切力和空化力，并使水注沖擊對表面40的磨損效果減少到最小。在腔38中加到該產品上的能量強度比在孔34中低得多。不是進一步打碎油滴，腔38中兩股流體的相互作用用來提供足夠的時間，使乳化劑與孔34中形成的油液相互作用并完全包圍它們，由此使這些油滴保持與孔34中形成的相同小的尺寸并阻止其凝聚。根據孔的直徑、該池末端沖擊表面的形狀、池的長度和其他設計因素，該吸收池為進行相互作用提供了一個可控制的環(huán)境。
腔38在塞塊42內形成，該塞塊穿過連接器16(圖4)的出口處。離開腔38后，產品在塞塊42的表面44和連接器14的相應表面46之間流動。通過把塞塊42從連接器16轉進或轉出，調節(jié)表面44和46之間的環(huán)狀開口，由此來控制腔38中的背壓。塞塊42配有兩個平面，使其易于用螺栓固定到連接器16上，用鎖定螺終48把塞塊42固定。在連接器14上配有料口50，來把適當的冷卻流體供應連接起來。冷卻流體流過開口52并沿著“O”形環(huán)54流動，環(huán)54起著單向閥的作用，阻止產品流到冷卻系統(tǒng)中。然后該冷卻流體流過由連接器16的端部和連接器14的表面56形成的環(huán)狀窄開口，進入腔58。因此，在腔58中，冷卻流體的環(huán)狀流層與熱乳液的環(huán)狀流體層互相作用，這兩層呈相反方向流動，因此形成充分混合并立即冷卻該乳液。該冷卻流體可以是相容的液體或氣體。例如，對于水包油乳液，可使用冷水。在這種情況下，打到料口18處的原料一定含有低百分含量的水，且通過料口50噴入適當量的冷水得到最后所希望的油/水比例。另外，可用氣體作為冷卻流體。例如，可在壓力下把壓縮空氣或氮氣打入料口50，噴入腔58，在腔58中該氣體從其壓縮狀態(tài)的膨脹需要吸收熱，因此進行即時冷卻該熱乳液。在這種情況下，當該乳液離開該乳化池時，把該空氣或氮氣釋放到大氣中。離開腔58，該乳液流過環(huán)狀開口60，進入到1/4英寸H/P型的出料口62。離開乳化池后，該乳液流過計量閥，安裝該計量閥以便能夠控制腔58的背壓，并防止在溫度降低之前液體組份的“閃式”或突然蒸發(fā)。
在一個圖5所示的更完善的乳化池實施例中，使用多個產品加料口和多個小孔。如圖3和圖4所述，連接連接器10和12。配置標為13A和13B那種類型的連接器，使其能夠從料口72和74噴入其他產品組份，料口72和74是1/4英寸H/P型，類似于料口18。連接器13可安裝在連接器12之前或之后，或在連接器15之前或之后，與一個或多個小孔相連結，所有這些取決于具體產品的性能和所要求的結果。裝有噴嘴接頭70，使得能在連接器12和13A間進行高壓密封。連接器13可在無接頭的情況下連接到另一個連接器13或連接器14上。連接器15包括2塊噴嘴組合件。噴嘴接頭84使在兩孔件80和82之間，以及在2塊噴嘴組合件和連接器下游之間能進行高壓密封。
把產品的連續(xù)相，例如水，在高壓下從料口18加入，然后強行通過孔34，從而形成水注。把另外的組份，例如油，在適當的壓力和溫度下從料口72加入。所需要的油的壓力是18處的入口水壓、孔34的尺寸、由部件80和82形成的孔的尺寸的函數。例如，在18處使用的水壓為20,000磅/英寸2、34孔的直徑為0.015英寸、由部件80和82形成的圓孔直徑為0.032英寸，那么在這兩孔之間的水壓稍低于4,500磅/英寸2，由此在料口72處需要4,500磅/英寸2的油壓，保證油流入該乳化池。在該水相和油相的界面上，由于水壓分離產生了空化作用，在連接器13A的出口處在水混合物中形成了均勻的油。在部件80和82之間形成的孔，由于劇烈的加速和同時的壓力降以及由于孔的幾何尺寸，使油滴進一步破裂。輸入該高能量后，通過料口74加入另一個產品組份，如乳化劑，該乳化劑以類似于上述油與水之間相互作用的方式與該加工射流相互作用。通過調節(jié)塞塊42來確定料口74所要求的供料壓力，并一般在50磅/英寸2-500磅/英寸2之間。這種相對低的供料壓力使其能夠使用那些難以或不可能用高壓處理泵泵送的組份。例如，可把極粘的產品和研磨的固體粒子用標準的工業(yè)泵打到料口74處，這些極粘的產品和研磨的固體粒子可能引起高壓泵的活塞密封和單向閥的快速磨損。也可以用料口74來加入熔化的聚合物或樹脂，在液態(tài)下把其乳化進水中，由此代替通常使用的VOC。
在圖6所示的兩個不同的兩片噴嘴排列中，把該孔制成每一個噴嘴部件面上的開口罐，由此能制造復雜的孔幾何形狀并易于涂覆適當的材料。例如，當把部件80和82壓在一起時，它們形成了一個矩形橫截面的孔，部件82的表面86和88是光學平玻璃(在1個光帶內)，與部件80的相應面上形成了壓力密封。面90在該孔中沿著流動路徑形成一個臺階，并用來引起空化?？蛇x擇面90沿著該孔方向的位置，來在該孔的入口或在出口處引起空化，這取決于該乳化池的結構。另外，可用面90和之后形成的臺階的各個傾斜角，來控制腔形成和塌陷的速率，所有這些取決于該產品的性能和所要求的結果。由部件92和94形成的噴嘴組合件基本上與支柱中的圓孔一樣，但該兩塊結構讓極小孔的內表面能讓如金剛石的材料涂覆，由此能在高壓下連續(xù)生產研磨產品。這樣一種機理可用于制備小固體顆粒的材料，如陶瓷或磁性介質用的氧化鐵。
從圖5中可知，把兩塊噴嘴件80和82插入噴嘴適配器84的孔中。在圖7A和圖7B中更詳細介紹了該噴嘴適配器。當緊固該乳化池組合件時，把兩塊噴嘴部件80和82用力壓在適配器84的面190上，同時把適配器的錐形密封面188壓向相鄰的連接器(圖5的13B)上。面188上的軸向壓力有一個向內的徑向分力，該分力從面186傳到兩塊噴嘴部件80和82上，由此在部件80和82之間產生了壓力密封。開有罐194和196，使得易于把軸向壓力轉換為接頭84的徑向壓力。開有供產品流動的圓孔192。
在圖9所示的一個更完善吸收池的實施例中，可改變該吸收池的長度和其有效內徑。塞塊242和圖3、4及5的塞塊42的外直徑一致，因此塞塊42和242是可互換的。塞塊242在一端配有一個光滑的內孔238，在另一端有內螺紋，以及在中間有一錐形密封面208。噴嘴塞子200與該塞塊孔238配合，用這種手段緊固作為緊配合或粘合材料，來形成腔開口236。使用各種長度、內表面結構和尺寸的內插件，能控制面240上的剪切速率、空化作用、渦流和沖擊。把推桿202插入塞塊242中形成該吸收池的沖擊表面240。由推桿202的位置確定的腔238的深度，控制了產品在該吸收池中的停留時間，該停留時間又能給乳化劑與油滴之間提供充分的相互作用時間。配有軸套204來鎖住推桿202，以及在推桿202和塞塊242之間提供密封。一旦選擇了推桿202的位置，軸套204就緊固了。然后把軸套204的錐形密封面206壓在塞塊242的錐形密封面208上，由此形成在軸套204和塞塊242之間、以及軸套204和推桿202之間的密封。推桿202暴露段的刻度線使該推桿定位容易準確，并便于記錄。
圖10和圖11的兩個吸收池組合件舉出了多種方法來滿足特殊的產品要求。噴嘴300、302A、302B和304是大量可使用的插頭的例子。當液體進入腔306時，塞子300的通常為凹形內開口引起空化。緊靠著面308的流體沿著面308確定的路徑流動，可能與由以前的面310所確定的流徑分開。由腔306較大橫截面產生的同時壓力降下，產生了空化。當離開該插入件時，插入件304(圖11)的通常呈凸形的內表面在該液流中引起空化。當流體流過插入件304的中心時，流體壓力瞬時增加。如在插入件300中一樣，流體沿著固體表面形狀的趨勢和同時的壓力降引起空化。插入件302A和302B是相同的，并排列它們來達到對特殊產品所需求的結果?？梢砸黄鹗褂脦讉€相同的插入件如302，端對端地形成連續(xù)的內孔。另外，也可以使用具有不同內徑的插入件，在出口的流體中引起渦流。還有，如圖10所示，在插入件之間留有空間來破壞層流并產生渦流。再一個方法是串聯(lián)使用幾個插接件，如300和/或304。在圖11中，反射面440示范了可用來增強其功能或特殊用途的各種形狀。與半球形或平面反射面相比，面440具有大得多的反射該注流的表面積?？捎眠@個機理來進行更平緩的流動反轉，以及用于研磨固體顆粒來延長反射面的使用壽命。
用圖12A-圖12C所示的線圈來除去壓力波動(圖1和圖2中的部件132)。該線圈由標準高壓管(如Butech 1/4英寸M/P，#20-109-316)，線圈的直徑足夠大使得不明顯影響該管的壓力等級(如為4英寸)，且有足夠的長度來消除壓力峰值(如為60英尺)。當泵產生一個壓力峰值時，該管稍稍膨脹，由此吸收由壓力峰值產生的過剩能量。在壓力峰值末端，該管收縮，由此釋放出存儲的能量。線圈的這種作用類似于標準的水壓儲蓄器的作用，水壓儲蓄器用于基本上為相同目的的水壓系統(tǒng)。水注切斷系統(tǒng)使用類似的原理(如Flow International Corp.的“阻尼器”)，在高壓強化泵和該噴嘴之間呈長直的圓柱形狀，用于通過該噴嘴產生恒定的流速。可從圖12A-圖12C看出，以這樣一種方式纏繞該管，即讓每一個線圈環(huán)隨著壓力波動而彎曲，類似于Bourdon管的作用(用于壓力計中)。由于每一個線圈環(huán)外側的面積大于內側的面積，故該管中的壓力趨向于打開每個環(huán)。這樣響應于壓力波動的運動提供了另外一個吸收和釋放能量的機構。因此該線圈提供了消除壓力波動、加熱或冷卻產品的方法，同時適用于CIP/SIP消毒系統(tǒng)。圖13示出了連接幾個線圈(如圖12A到12C)的圖，使其能夠使用標準管長(如20英尺)和標準彎曲工具來制造線圈，只要需要的話。
其他的實施方案在下面權利要求的保護范圍內。
例如，在測試中已發(fā)現一些產品通過在該孔的出口形成障礙物偶爾堵塞該孔。圖14和圖15中乳化池組合件的一個特征在于能容易地從該孔中除掉阻塞物。當發(fā)生了這種阻塞時，該泵必須停止且必須釋放系統(tǒng)壓力。然后從該乳化池組合件中取下該噴嘴，接著在反方向裝回來。因此把前面堵在該孔入口端的產品移到該孔的出口端。當再次加壓時，該堵塞物離開該孔，可繼續(xù)進行正常的操作。
因此，如圖14所示，該乳化池包括入口接頭501、殼體502、噴嘴組合件503、插接件504和吸收池組合件內帽505。把入口接頭501的錐形密封面521配合進噴嘴組合件503相匹配的密封面524中。把插入件504的錐形密封面522配合入噴嘴組合件503相匹配的密封面525上，且把插入件504的錐形密封面523配合入殼體502相匹配的密封面526中，當把入口接頭501固定入到殼體502上時，形成了一個含有壓力的金屬-金屬密封。
待加工的產品流體從料口530進入乳化池中，料口530包括在入口接頭501中的內螺紋和連接器510中的陰錐形密封面，一起形成標準的3/8英寸H/P料口(如Autoclave Engineers#F375C)。把連接器510的錐形密封面527配合入與入口接頭501相匹配的密封面528中，當把標準3/8英寸H/P螺紋接套(如Autoclave Engineers#CN6604)固定到料口530上時，形成金屬-金屬壓力密封。連接器510沿著其中心線(0.125英寸孔)在料口530的標準錐形陰密封面和開口532(0.125英寸直徑的孔)之間有一圓開口531，開口532位于與連接器510中心線有一個角度(如20度)的位置上。從開口532噴射，該產品在基本為圓柱形的腔533內以隨機渦流狀流動，然后通過開口534，接著通過噴嘴511中的小孔535。前面圖3A、圖3B和圖4中詳細介紹了該孔的作用。
如果該產品堵塞了，不能通過該孔，要擰下入口接頭501，拆下噴嘴組合件503。一旦松開，可把噴嘴組合件503沿著其軸線旋轉180度，然后再與入口接頭501一起再擰緊。噴嘴組合件503中的引針512和殼體502中的罐513，通過指引該噴嘴組合件進入其正確定向，使其容易操作。在孔535中形成的液體噴射，當其流過插入件504的開口536，然后流過殼體502中的開口537，并通過吸收池的開口538時基本保持不變。插塊509的面542(可以是平面、半球形的或具有其他可增強其功能的構型)，強行使該射流改變其流動方向，并形成相干的圓柱形流，如結合圖8進行的詳細介紹。
圖14的吸收池由另外一系列環(huán)形密封面506和反應器507組成，這些密封面和反應器可有各種開口尺寸和形狀，如結合圖9-11所進行的詳細介紹。桿式塞殼體502的開口539和軸套508支撐著反應器507，且把它們的中心與流體注校直。軸套508由帽505上的圓形開口540支承，帽505又被固定在殼體502上。這種吸收池14的標準化尺寸設計使操作者容易改變反應器，來測試其開口尺寸和形狀對該產品的影響。通過用桿式塞541代替兩個反應器，該操作者能改變該吸收池的長度，從而改變在吸收池的加工處理時間。當離開該吸收池時，該加入的產品從料口560噴出該乳化池，料口560是標準的1/4英寸M/P料口(如Autoclave Engineers#SF250C×20)。
在圖15所示的乳化池中，部件601、602、603、604、606、607、610、608和641同于圖14相對應的部件(501、502、503等)。圖15中的護座圈630在下列方面類似于圖14中的帽505，護座圈630支撐軸套608且630被固定到殼體602上。然而，護座圈630有另外一個外螺紋，該螺紋能加上另外一個護座圈631。護座圈630和631相同，如軸筒608和627一樣。因此，在圖14和15的乳化池，從加料口12到吸收池的待處理產品的流動是一樣的。連接器632固定在護座圈631上，形成另外一個料口637(如1英寸Tri-Clover)。連接器632的開口633是一個圓柱形孔，末端是標準的短圓錐639(如莫氏錐度)。插件629具有相匹配的錐面638，使其能鎖在應有的位置上。插件629的面640使來自該料孔的射流偏轉，該面640可以是任何形狀或構型，如圖8詳細介紹的。當把連接器632緊固到護座圈631時，塑料密封628提供了一個緊密封，來保持該吸收池的整體性，并防止該品從乳化池中滲透。
從料口637能向吸收池中加入待處理的產品組份。待加入的產品流體從料口637進入圓形罐636，該罐636使其從連到料口637的管中央流到4個圓孔635中。從孔635噴出的來自于料口637的流體與來自于該孔的流體被面640偏轉后的流體相互作用，且這兩股流體流通過腔633中的強大渦流混合在一起。然后該混合物進入該吸收池的開口651，在這里它形成一個繞著該射流的相互圓柱形液流，其詳細介紹見圖8。必須用足夠的壓力從料口637把產品流體加入，來保持其流入該乳化池。所要求的壓力取決于流體的粘度和該乳化池中的操作參數(操作壓力、孔徑、吸收池的長度和直徑)，且該壓力通?？捎晒I(yè)用標準泵(如隔膜泵、齒輪泵、蠕動泵等)來提供。必須根據所要求的壓力和每一個產品的特殊要求(化學相容性、抗磨性、可清潔性等)來選擇適當的泵。通過在供應管線至料口637處讀取壓力(如使用如圖2的壓力顯示計172)，同時操作其高壓系統(tǒng)且在供應管線(圖2，164項)中沒有產品流出可確定每個產品所要求的壓力和設定操作參數。
圖15乳化池的另一個特征在于能很大程度地擴大該吸收池的長度。該特征可用來延長處理時間。對于緩慢反應的乳化劑以及對于許多需要長加工時間的產品配方，需要更長的加工時間。長吸收池的另外一個優(yōu)點是能使產生于射流沖擊的反射面640的磨損最小。這個特征當加工研磨產品時特別有用。圖15乳化池的另外一個特征在于把產品組份引入該乳化池的附加料口?？捎迷摰诙€料口加入研磨固體顆粒，否則由于料孔的快速磨損，該研磨固體顆粒不能在這種裝置或其他類似裝置(如均化器閥)中加工。當必須最小化這些產品組份間的化學反應時，也可以使用這個第二料孔。因為當產品流過該料孔時，該產品被加熱大約1.5°F/1000磅/英寸2，另外使用第二料孔可在較低溫度下噴入一種產品組份來降低產品溫度。這對熱敏感產品如酶特別有用。最后，這個第二料孔可用于任何由于高壓或在該料孔中顯著壓降可能損壞的產品。
權利要求
1.一種用于在流體中產生乳化的方法，包括沿著第一路徑引導一股射流，和在第一路徑里插入一個結構，使得該流體沿著新的路徑以受控流動方式被改變方向，定向第一路徑和該新路徑，使其在該流體中產生剪切和空化。
2.權利要求1所述的方法，還包括基本上呈相反方向排列該第一路徑和該新路徑。
3.權利要求1所述的方法，還包括使該相干流成形為圍繞該射流的圓柱形。
4.權利要求1所述的方法，其中該插入的結構包括一個反射面。
5.權利要求4所述的方法，其中該反射面通常為半球形。
6.權利要求4所述的方法，其中該反射面通常為圓錐形。
7.權利要求4所述的方法，其中該反射面位于凹下部分的末端。
8.權利要求7所述的方法，還包括調節(jié)該凹下部分中的壓力。
9.權利要求7所述的方法，還包括調節(jié)從該凹下部分開口到該反射面的距離。
10.權利要求7所述的方法，還包括改變該凹下部分開口尺寸的方法。
11.權利要求7所述的方法，還包括當該受控流離開該凹下部分時，以環(huán)狀層形式引導該受控流離開該凹下部分開口。
12.權利要求11所述的方法，還包括以與該環(huán)狀層流相反的方向引導冷卻劑的環(huán)狀流。
13.一種用于熱乳液剛形成后對其穩(wěn)定的方法，包括使該乳液從乳液形成結構的出口端流出，和讓冷卻流體基本上與該乳液流動相反的方向并在足以與該乳液流進行熱交換之處流動。
14.權利要求13所述的方法，還包括當該乳液流出該乳液形成結構時，使乳液成為薄環(huán)狀層。
15.權利要求13所述的方法，還包括當冷卻流體與該乳液沿相反方向流動時，使冷卻流體成為薄環(huán)狀層。
16.權利要求13所述的方法，其中該冷卻流體包括可與該乳液相容的液體或氣體。
17.權利要求13所述的方法，還包括使該乳液流和該冷卻流體的液流出現在環(huán)狀閥的開口處。
18.一種用于使第一種流體組份在第二種流體組份內乳化的方法，包括把第一流體組份供入一模腔內，在該腔內該第一流體基本上不動，和把一股第二流體組份引入該第一流體組份，選擇這兩種流體的溫度和噴射速率，使得由于在該兩種流體間的界面上的水壓分離而產生空化。
19.權利要求18所述的方法，其中該第二流體組份包括乳液或分散液的連續(xù)相。
20.權利要求18所述的方法，其中該第一流體組份包括該乳液中的不連續(xù)相。
21.權利要求18所述的方法，其中該第一流體組份包括該分散液中的固體不連續(xù)相。
22.權利要求18所述的方法，其中在環(huán)狀室內供應該第一流體流，且從開入該環(huán)狀室內的孔出口輸送出該射流。
23.權利要求18所述的方法，還包括在通過水壓分離乳化后，把該產品通過一個孔引起另外的乳化。
24.權利要求18所述的方法，還包括跟著由水壓分離的乳化后，把該產品送到后繼的加工室。
25.權利要求24所述的方法，其中把另外一種組份加到在該后繼加工室中的乳液中。
26.權利要求24所述的方法，其中把一種冷卻流體用于在該后繼加工室中的產品，來快速冷卻和穩(wěn)定該乳液。
27.權利要求24所述的方法，其中該后繼加工室是一個吸收池，一股該產品射流被引入該吸收池中。
28.減少乳化池中壓力波動的裝置，該壓力波動來自于液體管線由高壓泵所致，該裝置包括一個位于該泵和該乳化池之間該流體管線中的螺線管，該螺線管具有適宜于吸收壓力波動和能承受由該泵產生的高壓的內體積、壁厚、線圈直徑和線圈構型。
29.權利要求28所述的裝置，還包括具有料口的圍繞該螺線管的殼，該螺線管具有用于用加熱或冷卻流體填充該殼體的料口。
30.一個用于乳化結構中的噴嘴，包括兩個具有平滑表面的殼體件，其彼此配合形成該噴嘴，至少一個部件具有一個罐來形成該噴嘴中的孔，該表面足夠光滑，使得當用足夠大的力把這兩塊殼體件壓在一起時，液流被限止在該孔中流動。
31.權利要求30所述的噴嘴，還包括確定在該罐中的產生空化的表面。
32.權利要求30所述的噴嘴，還包括在該罐壁上的涂層。
33.權利要求32所述的噴嘴，其中該涂層包括金剛石或非極性材料或極性材料。
34.一種用于乳化結構中的吸收池，該吸收池包括一個具有接收一股有兩種不相混組份射流的開口端的加長的室，一個在該室的另一端用于反射該射流的反射面，和一個調節(jié)從該反射面到該開口端距離的構件。
35.權利要求34所述的吸收池，還包括可互換的反射面，每一個反射面適用于不同的用途。
36.權利要求34所述的吸收池，還包括在開口端插入該室的可拆卸插頭，該插頭具有小于該室內壁尺寸的孔。
37.權利要求36所述的吸收池，還包括可互換的插頭，每一個插頭可適用于不同的用途。
38.一種標準化設計的乳化結構，包括一系列可以許多方法配合在一起的連接器，至少一個這些連接器，每一個包括一個在該連接器的一端的環(huán)狀陽密封面，和一個在該連接器另一端的環(huán)狀陰密封面，一個在該陽密封面和陰密封面之間的開口，用來把流體從上游連接器輸送到下游連接器，輸入流體或從該連接器抽出流體的料口，至少一些輸送開口是足夠小的，來形成液體噴射，這些密封面是足夠光滑的，當沿著該結構的長度方向上引入一個足夠的壓力把這些連接器壓在一起時，形成了一個流體緊密封。
39.權利要求38所述的結構，其中把加工室定在一個上游連接器的陽密封面與一個下游連接器的陰密封面之間。
40.權利要求38所述的結構，其中一些連接器中，該孔從該連接器一端延伸到另一端。
41.權利要求38所述的結構，還包括在該結構一端的吸收池連接器。
42.權利要求38所述的結構，其中一個連接器伸入另一個連接器，形成小環(huán)狀開口，產生冷卻流的環(huán)狀流層。
43.權利要求38所述的結構，其中該連接器中的一些料孔用于CIP/SIP清洗和/或消毒程序。
44.權利要求4所述的方法，還包括把另外組份的流體引入緊鄰該反射面的空間，且通常沿該受控流的新路徑方向。
45.用于乳化結構中的裝置，包括一個連接器，一個孔座，該孔座包括具有兩端的乳化孔，這兩端開入該結構的其他部件中，該孔座固定在該連接器中，允許該孔座旋轉來倒置這兩端的位置，根據其位置每一端作為到該孔的入口或出口。
全文摘要
通過沿著第一路徑引導一股射流,并在該第一路徑中插入一個結構,使得該流體沿著新路徑以受控流的方式被改變了方向,從而實現了乳化。乳化池具有通到開口(20)的入口(18),通過開口(20)流體碰撞到連接器(12)的表面(30)上,然后在通常圓柱腔(32)以無規(guī)則渦流狀流動,腔(32)是在連接器(10)和(12)間形成的,把一股高速度射流從孔(34)噴入吸收池腔(38)。該乳液流過開口(60)并從料口(62)排出。
文檔編號B01F5/06GK1170371SQ95196877
公開日1998年1月14日 申請日期1995年10月24日 優(yōu)先權日1994年10月28日
發(fā)明者塔爾·謝克特 申請人:塔爾·謝克特