Коллоидная мельница

Коллоидная мельница — это аппарат для тонкого измельчения, диспергирования, гомогенизации и эмульгирования твёрдых частиц или жидкостей, работающий по принципу создания высоких сдвиговых напряжений в зазоре между вращающимся ротором и неподвижным статором. Основное назначение — получение коллоидных систем (суспензий, эмульсий, паст) с размером частиц от 1 до 100 микрометров, а в некоторых конструкциях — до 0,1 микрометра.

Принцип действия

Работа коллоидной мельницы основана на создании интенсивных гидродинамических и механических воздействий на обрабатываемый материал. Основные факторы, обеспечивающие измельчение и диспергирование:

Кавитация — образование и схлопывание пузырьков пара в потоке жидкости, вызывающее локальные ударные волны и микроразрушение частиц.
Сдвиговые напряжения — разрыв частиц за счёт разницы скоростей в тонком зазоре между ротором и статором (обычно 0,05–2 мм).
Удар и истирание — механическое воздействие зубцов, канавок или лопаток ротора и статора на частицы материала.
Турбулентность — хаотичное движение жидкости, способствующее равномерному распределению частиц и разрушению агломератов.

Обрабатываемый материал подаётся в рабочую камеру через входной патрубок. Под действием центробежной силы, создаваемой быстро вращающимся ротором (частота вращения — от 1000 до 20 000 об/мин), материал проталкивается через зазор, где подвергается всем перечисленным воздействиям. На выходе продукт поступает в сборник или на следующую стадию технологического процесса.

История

Первые прототипы коллоидных мельниц появились в конце XIX века в связи с потребностями пищевой и химической промышленности в тонком измельчении. В 1900-х годах немецкий инженер Фридрих фон Шмидт разработал конструкцию, близкую к современным роторно-статорным мельницам. В 1920-х годах в США и Европе началось промышленное производство коллоидных мельниц для производства эмульсий (например, майонеза, красок). В СССР первые образцы были созданы в 1930-х годах на ленинградском заводе «Красный треугольник» и использовались для переработки каучука и резиновых смесей. К середине XX века конструкция мельниц была стандартизирована, и они стали применяться в фармацевтике, косметологии и производстве строительных материалов.

Классификация

Коллоидные мельницы классифицируются по нескольким признакам.

По типу ротора и статора

Дисковые (конические) — рабочие органы выполнены в виде конических или плоских дисков с рифлениями. Наиболее распространённый тип, обеспечивающий высокую производительность и возможность регулировки зазора.
Зубчатые (пальцевые) — ротор и статор имеют зубцы или пальцы, расположенные концентрическими рядами. Обеспечивают интенсивное сдвиговое воздействие, подходят для вязких продуктов.
Пропеллерные (лопастные) — используются для предварительного диспергирования и смешивания, менее эффективны для тонкого измельчения.

По расположению оси

Горизонтальные — наиболее распространённые, компактные, удобные для встраивания в поточные линии. Ротор расположен на горизонтальном валу.
Вертикальные — ротор расположен на вертикальном валу. Обычно используются для обработки высоковязких продуктов (пасты, мастики), так как облегчают загрузку материала.

По способу подачи материала

Периодического действия — материал загружается порционно, обрабатывается в течение заданного времени, затем выгружается. Применяются в лабораториях и мелкосерийном производстве.
Непрерывного действия — материал непрерывно подаётся через входной патрубок и выводится через выходной. Используются в крупнотоннажных производствах.

По конструктивному исполнению

Лабораторные — малогабаритные, с регулируемым зазором, часто с возможностью смены ротора/статора. Используются для отработки рецептур.
Промышленные — стационарные, высокой мощности, с автоматизированным управлением. Могут быть оснащены системами охлаждения, дозирования и рециркуляции.

Устройство и основные элементы

Типовая коллоидная мельница состоит из следующих узлов:

Корпус — герметичная камера из нержавеющей или углеродистой стали, часто с рубашкой для охлаждения или нагрева.
Ротор — вращающийся элемент с зубцами, канавками или лопатками. Изготавливается из износостойких материалов (закалённая сталь, керамика, карбид вольфрама).
Статор — неподвижный элемент, образующий с ротором рабочий зазор. Может быть регулируемым (зазор меняется вручную или автоматически) или фиксированным.
Привод — электродвигатель с ременной или прямой передачей. Для регулировки частоты вращения часто используется частотный преобразователь.
Система подачи — насос (винтовой, шестерённый, перистальтический) или самотечный патрубок.
Уплотнения — торцевые или сальниковые, предотвращающие утечки и попадание воздуха в продукт.
Система управления — контроллер, датчики температуры, давления, расхода, а также панель оператора.

Применение

Коллоидные мельницы широко используются в различных отраслях промышленности:

Пищевая промышленность

Производство майонезов, соусов, кетчупов, паст (требуется тонкое эмульгирование масла и воды).
Изготовление шоколадных масс, ореховых паст, нуги (измельчение какао-бобов, орехов).
Гомогенизация молочных продуктов (сливки, йогурты, сгущённое молоко).
Производство фруктовых и овощных пюре, соков с мякотью.

Химическая и нефтехимическая промышленность

Получение эмульсий (битумные, силиконовые, восковые).
Диспергирование пигментов и наполнителей в производстве красок, лаков, клеев, герметиков.
Измельчение катализаторов, удобрений, пестицидов.
Производство смазочных материалов, консистентных смазок.

Фармацевтическая и косметическая промышленность

Изготовление мазей, кремов, гелей, суспензий (например, суспензии парацетамола, цинковой мази).
Гомогенизация вакцин, сывороток, липосомальных препаратов.
Производство зубных паст, шампуней, бальзамов.

Строительная промышленность

Производство цементных паст, шпаклёвок, затирок, мастик.
Диспергирование полимерных добавок в бетонных смесях.
Изготовление герметиков, клеёв для плитки.

Биотехнология и нанотехнологии

Разрушение клеточных стенок микроорганизмов для выделения белков, ферментов, ДНК.
Получение наноэмульсий и наносуспензий для доставки лекарств.
Диспергирование углеродных нанотрубок, графена, наночастиц.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая степень диспергирования (до субмикронных размеров).
Возможность обработки вязких и пастообразных продуктов.
Непрерывный режим работы, высокая производительность.
Регулируемый зазор позволяет менять интенсивность обработки.
Герметичность конструкции (для работы с токсичными или летучими веществами).
Относительно низкое энергопотребление по сравнению с шаровыми мельницами.

Недостатки

Износ рабочих органов (ротора и статора) при обработке абразивных материалов.
Ограничение по размеру исходных частиц (обычно не более 5–10 мм).
Выделение тепла при работе, требующее охлаждения (особенно для термочувствительных продуктов).
Сложность масштабирования от лабораторных образцов к промышленным.
Шум и вибрация при высоких оборотах.

Интересные факты

Первая в мире коллоидная мельница для производства майонеза была запатентована в 1911 году американским инженером Чарльзом Б. Ноксом.
В СССР коллоидные мельницы использовались для производства синтетического каучука (СК) на заводе в Воронеже в 1930-х годах.
Современные коллоидные мельницы могут быть оснащены системами автоматического контроля зазора с точностью до 0,01 мм, что позволяет получать продукт с заданным размером частиц.
В фармацевтике коллоидные мельницы применяются для получения «нанокристаллических» форм лекарств, что повышает их биодоступность.
Некоторые модели коллоидных мельниц способны работать в режиме «сухого» измельчения (например, для размола специй), но это менее эффективно, чем мокрый помол.

Источники

Г. С. Ходаков, «Физика измельчения», 1972.
А. А. Касаткин, «Основные процессы и аппараты химической технологии», 2004.
В. И. Соколов, «Основы расчёта и конструирования машин и аппаратов пищевых производств», 1980.
Патент США № 1 007 793 (1911) — «Мельница для эмульгирования».
Техническая документация заводов-изготовителей (IKA, FrymaKoruma, Bühler, «Мельинвест»).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →