Подбор гомогенизатора по вязкости и объёму

Для диапазона вязкости 5–10^5 мПа·с (0,005–100 Па·с) подбирайте роторно-статорный гомогенизатор с удельной мощностью 20–200 Вт/л и линейной скоростью на кромке ротора 10–25 м/с. Обороты выводите из нужной сдвиговой скорости и диаметра ротора, объём — из паспорта насадки. Перед работой подтвердите выбор тестом на воде.

Диапазоны вязкости и подбор мощности

Вязкость μ удобно выражать в мПа·с: 5–10^5 мПа·с покрывает от водных суспензий до густых паст. Ключ к подбору — удельная мощность (Вт/л) и линейная скорость кромки ротора (tip speed). Чем выше μ и целевая дисперсность, тем выше оба параметра.

Рекомендуемые диапазоны по вязкости

Класс вязкости (при 20–25 °C)	Примеры	Tip speed, м/с	Удельная мощность, Вт/л	Типовая насадка
5–50 мПа·с	Вода, жидкие мономеры, спирты	8–15	10–40	Ротор 10–20 мм, 10–20 тыс. об/мин
50–1 000 мПа·с	Сиропы, смолы низкой вязкости	12–20	30–100	Ротор 12–25 мм, 8–18 тыс. об/мин
1 000–20 000 мПа·с	Слурри, пасты средней плотности	15–22	80–150	Ротор 20–30 мм, 6–15 тыс. об/мин
20 000–100 000 мПа·с	Силиконовые массы, густые композиты	18–25	120–200	Ротор 25–40 мм, 4–12 тыс. об/мин; возможно вакуум

• Для объёмов до 50–500 мл берите лабораторные приводы 150–750 Вт; до 5 л — 0,75–1,5 кВт; свыше — пилотные 2,2–4 кВт.
• Если требуется тонкая эмульсия/наполнитель <10 мкм, ориентируйтесь на верхние границы tip speed и Вт/л.
• Неньютоновские пасты подбирайте по вязкости при рабочей сдвиговой скорости, а не по статической вязкости.

Расчёт сдвиговой скорости и оборотов для подбора гомогенизатора

Для ротор-статора целевая сдвиговая скорость γ̇ оценивается через линейную скорость кромки и зазор: γ̇ ≈ U/g, где U = π·D·N, D — диаметр ротора, N — об/с, g — зазор (обычно 0,3–0,8 мм).

Базовые ориентиры γ̇ при подборе гомогенизатора

• Диспергирование наполнителей, пасты: 2×10^4–1×10^5 с⁻¹
• Эмульгирование тонкое: 5×10^4–3×10^5 с⁻¹
• Дегазация в вакуумных смесителях: высокая U не критична; важен вакуум и отсутствие завихрений

Как рассчитать обороты для вашего гомогенизатора

• 1) Задайте γ̇ по задаче (например, 1×10^5 с⁻¹) и оцените зазор g (0,5 мм = 5×10⁻⁴ м).
• 2) Найдите требуемую U: U = γ̇·g = 1×10^5·5×10⁻⁴ = 50 м/с (для лаборатории допустимо 15–25 м/с; при 50 м/с потребуется более узкий зазор или крупнее ротор).
• 3) Выберите D (скажем, 20 мм = 0,02 м) и найдите N: N = U/(π·D). При U=20 м/с и D=0,02 м ⇒ N≈318 об/с ≈ 19 000 об/мин.

Если расчёт требует недостижимых оборотов, увеличьте диаметр ротора или используйте насадку с меньшим зазором/многоступенчатую головку.

Выбор объёма и длины вала/штатива

Сопоставление насадки и объёма

• Каждая насадка имеет паспортный диапазон объёма (например, ротор 20 мм: 50–1 000 мл). Работайте в среднем 30–70% от верхней границы для вязких систем.
• Минимальный уровень жидкости — не менее 1,5–2 диаметров статора над окнами, чтобы не хватать воздух.
• Диаметр сосуда ≈ 6–12 диаметров ротора; при более широких сосудах ставьте направляющие перегородки (бафлы).

Длина вала и штатив для выбранного гомогенизатора

• Длина погружной части — так, чтобы окна статора находились на 1–2 диаметра над дном.
• Для вязкостей >10 000 мПа·с предпочтительны более короткие и жёсткие валы, чтобы исключить биение; используйте массивный штатив с микро-лифтом.
• При работе в вакууме учитывайте высоту реактора, крышку с портами и зазор до мешалки/скребков.

Гидродинамика сосуда при подборе гомогенизатора

• Глубокая воронка — признак избыточного втягивания воздуха: снизьте обороты или измените положение насадки (угол 10–15°), добавьте бафлы.
• Для пастообразных масс используйте узкие высокие сосуды, чтобы поддерживать эффективный приток к зоне сдвига.

Совместимость гомогенизатора с химией и температурой

Материалы смачиваемых частей гомогенизатора

• Нержавеющая сталь 316L — универсальна для водных систем, спиртов, слабых кислот/щелочей.
• Hastelloy/титан — при агрессивных средах и хлорсодержащих растворителях.
• Подшипники/втулки: PTFE, PEEK — стойкие к растворителям; керамика — при абразивах.
• Уплотнения: FKM (Viton) — до ~200 °C и органика; FFKM — для жестких растворителей/пероксида.

Температура и вязкость

• Вязкость падает с ростом температуры: при разогреве до 40–60 °C часто можно снизить требуемую мощность на 20–40%.
• Ограничения: втулки скольжения обычно до 120–180 °C; проверьте паспорт насадки.
• Экзотерм полимеризации: закладывайте запас мощности и эффективный теплоотвод (рубашка/ванна).

Совместимость гомогенизатора с растворителями

• Кетоны (MEK, ацетон), эфиры, стирол: проверяйте совместимость эластомеров и вентиляцию; при низкой вспышке — исключите искрение, используйте взрывозащитное исполнение при необходимости.
• Наполненные суспензии: предпочтительны статор с увеличенной площадью окна и износостойкие материалы.

Чек-лист теста на воде перед запуском гомогенизатора

Подтверждение гидродинамики гомогенизатора

• Заполните сосуд водой на 60–80% рабочего объёма. Разместите насадку на 1–2 диаметра над дном.
• Поднимайте обороты ступенчато, отслеживая форму воронки: должна быть стабильная циркуляция без подсоса воздуха.
• Добавьте каплю пищевого красителя/титрана: время полной равномерности ≤ 30–90 с для 0,5–2 л.

Нагрузка и нагрев при работе гомогенизатора

• Снимите ток/мощность привода на 50%, 75% и 100% рабочего RPM — зафиксируйте тренд; перегрузок быть не должно.
• Замерьте рост температуры воды за 10 мин — не более 2–4 °C при корректном подборе.

Калибровка режимов гомогенизатора

• Сопоставьте целевые γ̇ с реальными RPM через диаметр ротора; составьте карту: RPM → tip speed → γ̇.
• Проверьте вибрации/биение: визуально и по звуку; при необходимости выровняйте штатив, проверьте фиксацию патрона.
• Для вакуумных систем проведите тест на герметичность (−0,9 бар, 10 мин) без падения более 0,05 бар.