СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ Российский патент 2003 года по МПК C10L1/32 

Изобретение относится к жидким углеводородным топливам, а именно к водотопливным эмульсиям на основе фракции нефти, выкипающей в пределах 120-360^oС (керосиновая фракция и фракция дизельного топлива), и может быть использовано для получения альтернативного топлива при эксплуатации двигателей энергетических установок, в частности на базе авиационных двигателей.

Известно, что использование водотопливных эмульсий в качестве топлива двигателей внутреннего сгорания энергетических установок приводит к уменьшению расхода топлива, снижению теплонапряженности двигателя и содержания продуктов загрязнения атмосферы в выхлопных газах. При этом наиболее предпочтительным является использование "обратных" эмульсий ("вода в масле"), т.к. "прямые" эмульсии ("масло в воде") оказывают сильное коррелирующее действие на элементы топливных систем двигателей. Однако "обратные" эмульсии на основе жидких углеводородных топлив (t_кип 120-360^oС), полученные непосредственным смешением исходных компонентов с использованием различных смешивающих устройств, как правило, являются малостабильными (низкая устойчивость к коалесценции), что представляет определенные трудности при их хранении и использовании. В этой связи для получения стабильных "обратных" эмульсий используют способы, основанные на специальных приемах их образования, например проведение процесса эмульгирования с "обращением" фаз.

Стабильность "обратных" эмульсий во многом обусловлена именно способом ее получения, т. к. стабильные эмульсии, как правило, являются высокодисперсными продуктами (средний диаметр капель дисперсной фазы ≤ 0,2-0,6 мкм). При этом очень важно, чтобы такая высокодисперсная "обратная" эмульсия образовывалась практически за один цикл смешения (обработки) исходных продуктов, т.к. последующая обработка зачастую приводит к разрушению "обратной" эмульсии и/или к уменьшению дисперсности, что связано с протеканием процессов коалесценции (слиянию капель) при вторичной обработке готовой эмульсии.

Известен способ получения "обратной" водотопливной эмульсии для двигателей внутреннего сгорания на основе дизельного топлива, воды и поверхностно-активного вещества (ПАВ). Процесс получения эмульсии ведут в две стадии. На первой получают "прямую" эмульсию путем смешения 30-35% топлива с водным раствором ПАВ - Na соли диэтилгексилового эфира сульфоянтарной кислоты; на второй смешивают 65-70% топлива с полученной на первой стадии "прямой" эмульсией до получения "обратной" эмульсии, при этом на второй стадии используют дополнительно ПАВ - смесь сорбита и олеиновой кислоты (авторское свидетельство СССР 816524, М.кл⁸ C 10 L 10/32).

Недостатком указанного способа является сложность получения и низкая стабильность эмульсии, не превышающая нескольких десятков минут.

Известен способ получения "обратных" водотопливных эмульсий на основе керосина путем непосредственного смешения топлива и воды с помощью роторной мельницы со скоростью вращения ротора 1650 об/мин (патент США 4394131, М.кл⁸ C 10 L 1/32).

К недостаткам этого способа относится то, что в процессе смешения получают эмульсии с низкой устойчивостью при хранении, не превышающей нескольких минут.

Наиболее близким к изобретению является способ получения водотопливных эмульсий на основе дизельного топлива путем смешения топлива, воды и поверхностно-активного вещества в узле эмульгирования, причем топливо и воду первоначально смешивают при одинаковом исходном соотношении в присутствии ПАВ с последующей принудительной циркуляцией формируемой эмульсии и дальнейшим постепенным введением в формируемую эмульсию дополнительного количества топлива до образования целевой эмульсии с заданным соотношением топлива и воды (патент Российской Федерации 2100413, МПК⁸ C 10 L 1/32 от 27.12.97). По указанному способу получают стабильную водотопливную эмульсию "множественного" типа ("масло в воде" + "вода в масле") с содержанием воды до 25% и сроком хранения (до расслоения) до 4 месяцев.

К недостаткам способа относится низкая эффективность и сложность проведения процесса получения эмульсий, по которому водотопливные эмульсии в узле эмульгирования получают в процессе многократной циркуляции исходных продуктов при определенном соотношении скоростей их потоков. Кроме того, по этому двухстадийному способу получают водотопливные эмульсии с нежелательной резко выраженной зависимостью вязкости от количества содержащейся в ней воды, (а вследствие этого и от температуры), что вызывает трудности при ее использовании в топливных системах двигателей энергетических установок, особенно при эксплуатации в условиях низких температур.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности и упрощение способа получения стойких при хранении "обратных" водотопливных эмульсий на основе жидкого углеводородного топлива, а именно фракции нефти, выкипающей в пределах 120-360^oС.

Эта техническая задача решается за счет того, что в способе получения водотопливных эмульсий, включающем смешение топлива, воды и поверхностно-активного вещества в узле эмульгирования, в отличие от известного смешение производят в зазоре между статором и вращающимся ротором при значениях градиентов скорости (2,3÷6,9)•10⁵ мм/(с•мм).

Для более эффективного ведения процесса получения водотопливных эмульсий смешение исходных компонентов между статором и вращающимся ротором в узле эмульгирования производят в условиях резонансных колебаний между ротором и статором (при одновременном механическом и акустическом воздействии элементов их конструкции на обрабатываемую жидкотекучую среду).

В качестве узла эмульгирования при получении водотопливных эмульсий по предлагаемому способу может быть использован узел эмульгирования роторно-пульсационного аппарата, описанного в патенте Российской Федерации ( 2166986, В 01 F 7/00 от 11.05.99), который содержит корпус, выполненный в виде улитки с входным и выходным патрубками, внутри которого установлены с зазором между собой ротор и симметрично к нему двусторонний статор с коаксиально выполненными между собой и осью вращения ротора турбулизирующими элементами на обращенных одна к другой рабочих поверхностях. При этом ротор выполнен из двух частей, разъемных по оси симметрии диаметрального сечения и плоскости вращения, причем на смежных сторонах плоскостей разъема ротора выполнены кольцевые проточки, образующие резонансный объем, а ротор и статор выполнены с возможностью совершать колебания различной частоты и амплитуды. Процесс смешения исходных компонентов при получении водотопливной эмульсии в узле эмульгирования осуществляют при величине зазора между ротором и статором от 0,06 до 0,12 мм, скорости вращения ротора 3000 или 6000 оборотов в минуту, диаметре ротора 220 мм. Диапазон градиентов скоростей, определяемых при подстановке указанных значений в расчетную формулу

где W_р - линейная скорость вращения ротора;
W_c = 0 - линейная скорость вращения статора (неподвижен);
δ - величина зазора между ротором и статором,
будет находиться в пределах указанных выше величин (2,3÷6,9)•10⁵ мм/(с•мм). Для получения водотопливной эмульсии наибольшей степени дисперсности и с наибольшей устойчивостью при хранении в качестве узла эмульгирования может быть использован узел эмульгирования аппарата механоакустической обработки, описанный в патенте (Международная патентная заявка PCT/RU/96/00297, WO 98/16304 от 23.04.98, B 01 F 7/00). Такой узел эмульгирования обеспечивает при смешении исходных компонентов в зазоре между ротором и статором практически мгновенное образование "обратной" водотопливной эмульсии с диаметром капель дисперсной фазы (воды) 0,4-0,6 мкм с высокой устойчивостью к коалесценции (более 4 месяцев) за счет одновременного механического и акустического (высокочастотного) воздействия элементов конструкции узла смешения на обрабатываемую среду, особенно в условиях резонансных высокочастотных колебаний между статором и вращающимся ротором. Например, такой узел эмульгирования содержит корпус, в котором на валу установлен ротор, представляющий собой диск, на торцах которого размещены коаксиальные цилиндры с прорезями, и симметрично к нему двусторонний статор с турбулизирующими элементами, при этом ротор и статор установлены с возможностью совершать резонансные высокочастотные колебания.

В качестве поверхностно-активных веществ при получении эмульсий по предлагаемому способу можно использовать доступные соединения, например растворимые в углеводородной фазе блок-сополимеры алкилфенолов и окиси этилена и/или сложные эфиры кислот талового масла и аминоспиртов. Для достижения наибольшей устойчивости эмульсий можно наряду с указанными применять стабилизатор водной дисперсной фазы.

Осуществление способа поясняется следующими примерами.

Пример 1
В бункерную емкость, снабженную выносным узлом эмульгирования, загружают 15,0 кг керосина марки ТС-1, 0,3 кг ПАВ - 80%-ного раствора эфира кислот талового масла и аминоспиртов в керосине (Нефтенол НЗ-40), после чего вливают 1,7 л воды (содержание воды в эмульсии 10,0 мас.%) и проводят смешение путем однократного прохождения исходных компонентов эмульсии в узле эмульгирования в зазоре между статором и вращающимся ротором аппарата по патенту РФ 2166986 при следующих значениях величин: величина зазора между ротором и статором 0,06 мм; число оборотов ротора 3000 об/мин, величина градиента скорости 5,7•10⁵ мм/(с•мм). Производительность аппарата 20000 л/ч.

Характеристика полученной "обратной" водотопливной эмульсии приведена в таблице.

Пример 2.

По аналогичной технологии получают водотопливную эмульсию, однако смешение исходных компонентов в узле эмульгирования проводят в зазоре между статором и ротором в режиме 3-кратного прохождения компонентов эмульсии по циклу бункерная емкость - узел эмульгирования при следующих значениях величин: величина зазора между ротором и статором 0,15 мм; число оборотов ротора 3000 об/мин; значение градиента скорости 2,3•10⁵ мм/(с•мм).

Характеристика эмульсии, полученной по этому примеру, приведена в таблице.

Пример 3.

По технологии примера 1 получают водотопливную эмульсию с содержанием воды 20 мас.%, однако смешение исходных продуктов проводят в узле эмульгирования в зазоре между статором и вращающимся ротором аппарата механоакустической обработки по патенту PCT/RU/96/00297 в условиях резонансных колебаний между статором и ротором (которые можно определить по максимальной амплитуде акустических колебаний) при следующих значениях величин: величина зазора между ротором и статором 0,1 мм; скорость вращения ротора 6000 об/мин; величина градиента скорости 6,9•10⁵ мм/(с•мм). Производительность аппарата 18000 л/ч.

Характеристика полученной эмульсии приведена в таблице.

Пример 4.

По технологии примера 3 получают водотопливную эмульсию с содержанием воды 5 мас.% на основе дизельного топлива при смешении исходных компонентов в зазоре между статором и ротором узла эмульгирования, однако в качестве ПАВ для стабилизации углеводородной фазы используют блок-сополимер алкилфенолов и окиси этилена (Неонол АФ-9-9), а для стабилизации водной фазы - Неонол АФ-9-12 в количествах 2 и 1 мас.% соответственно.

Характеристика полученной эмульсии приведена в таблице.

Пример 5.

Способ получения водотопливной эмульсии осуществляют в соответствии с патентом РФ 2100413 (прототип) путем смешения исходных продуктов, а именно 5,0 кг дизельного топлива, 5,0 кг воды в присутствии ПАВ - олеата натрия (0,5%) в узле эмульгирования, например роторно-пульсационного аппарата РПА-5 (НПК "Прогрессивные технологии" г. Москва) при значении градиента скорости 8,6•10⁴ мм/(с•мм) (величина зазора 0,3 мм, скорость вращения ротора 3000 об/мин), после чего в образовавшуюся эмульсию в условиях ее рециркуляции по контуру загрузочная емкость - РПА добавляют дизельное топливо при соотношении скоростей потоков формируемой эмульсии и топлива 1:1 до содержания в эмульсии воды 20%.

Характеристика эмульсии, полученной по известному способу, приведена в таблице.

Пример 6.

Способ получения водотопливной эмульсии с содержанием воды 5% осуществляют в соответствии с технологией патента РФ 2100413 (прототип), однако в качестве узла эмульгирования используют аппарат механоакустической обработки по патенту PCT/RU/96/00297, причем смешение исходных компонентов эмульсии, а также циркуляцию формируемой эмульсии с последующим добавлением в нее дизельного топлива осуществляют в зазоре между статором и ротором при значении градиента скорости 8,6•10⁴ мм/(с•мм) (величина зазора 0,3 мм, скорость вращения ротора 3000 об/мин), т.е. при меньшем значении этой величены, чем в предлагаемом способе.

Характеристика эмульсии приведена в таблице.

Промышленная применимость
Как видно из данных таблицы, предлагаемый способ в отличие от известного позволяет получать "обратную" водотопливную эмульсию с высокой устойчивостью при хранении практически при однократном смешении в узле эмульгирования исходных компонентов в зазоре между статором и вращающимся ротором при значениях градиентов скорости (2,3÷6,9)•10⁵ мм/(с•м). При этом по предлагаемому способу в отличие от известного получают устойчивые водотопливные эмульсии с меньшими значениями вязкости при содержании воды, например, 5-20 мас.% (а также меньшей зависимостью вязкости от температуры), что позволяет их использовать в качестве топлива энергетических установок в более широком температурном интервале. В то же время осуществление известного способа в узле эмульгирования, например роторно-пульсационного аппарата или аппарата механоакустической обработки, путем смешения исходных компонентов эмульсии в зазоре между статором и ротором при меньших значениях градиента скорости, чем это указано в предлагаемом способе, приводит к образованию эмульсии со значительно меньшей устойчивостью при хранении. Проведенные испытания в промышленных условиях подтвердили возможность эффективного получения водотопливных эмульсий.

Изобретение относится к жидким углеводородным топливам и может быть использовано для получения альтернативного топлива при эксплуатации двигателей энергетических установок. Способ получения водотопливных эмульсий заключается в смешивании жидкого углеводородного топлива, а именно керосина, дизельного топлива с водой и поверхностно-активным веществом в узле эмульгирования в зазоре между статором и вращающимся ротором при значении градиента (2,3÷6,9)•10⁵ мм/(с•мм). Для получения водотопливных эмульсий наиболее предпочтительным является использование аппарата механоакустической обработки. Способ позволяет получать с высокой производительностью "обратные" водотопливные эмульсии с высокой устойчивостью при хранении, что дает возможность использовать их как альтернативное топливо для двигателей энергетических установок. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения водотопливных эмульсий, включающий смешение топлива, воды и поверхностно-активного вещества в узле эмульгирования, отличающийся тем, что смешение производят в зазоре между статором и вращающимся ротором при значении градиента скорости (2,3÷6,9)•10⁵ мм/(с•мм). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешение производят в условиях резонансных колебаний между статором и вращающимся ротором.