Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу приготовления эмульгированного топлива, т.е. эмульсионной смеси воды, и, по меньшей мере, одного органического соединения, причем эта смесь предназначена для поставок точно таким же образом, как и другие жидкие топлива, прежде всего моторные топлива на основе нефти и топлива для отопления индивидуального жилья. В топливах подобного типа органическая фаза представляет собой нефтепродукт, масло растительного или животного происхождения или любое другое топливо, используемое преимущественно в автомашинах и котлах домашних отопительных систем или, в более общем случае, в двигателях внутреннего сгорания и аналогичных двигателях и в энергетическом оборудовании. Изобретение также относится к устройству для промышленной реализации указанного способа в форме стационарных или передвижных промышленных модулей.
Уровень техники
Использование эмульгированного топлива хорошо известно специалистам в данной области техники. Однако его практическое применение затруднительно из-за отсутствия стабильности применяемых топливных эмульсий. Требования по стабильности подобных эмульсий при хранении были определены Директоратом по углеводородам Министерства промышленности Франции. В соответствии с его распоряжением эмульсия воды в газойле считается стабильной при хранении при комнатной температуре, если в течение, по меньшей мере, четырех месяцев не наблюдается никакого разделения фаз.
Способы и устройства для получения топливных эмульсий типа дизельного топлива, устанавливаемые на наземных транспортных средствах, описаны, в частности, в патентных документах DE 19704874, DD 216863 и WO 95/33023. Указанные топлива получают смешиванием компонентов и эмульгированием полученной смеси непосредственно на транспортном средстве. Описанные эмульсии относятся к типу, в котором дисперсионная среда может быть водной, с возможностью инвертирования эмульсии путем разбавления органической фазой (см. DE 19704874). Эмульсия, описанная в документе WO 95/33023, содержит менее 20% по объему воды, причем дисперсионную среду образует водная фаза.
Международная заявка WO 92/11927 относится к приготовлению концентрированной эмульсии, содержащей от 40 до 80% по объему воды, причем это приготовление состоит в раздельном приготовлении смеси нефтяное топливо/эмульгатор и смеси вода/спирт и во вводе этих двух смесей в двух различных точках в петлю циркуляции, содержащую эмульгирующий насос, служащий также для обеспечения циркуляции всех ингредиентов по указанной петле. Получаемая концентрированная эмульсия отбирается еще из одной точки петли.
Международная заявка WO 95/27021 описывает эмульгированное водосодержащее топливо типа "углеводород в воде", содержащее от 20 до 80% по объему воды, составляющей дисперсионную фазу, и от 3 до 20% спирта, с углеводородами и неионным эмульгатором, составляющими баланс. Согласно данной заявке углеводород представляет собой бензин, керосин, газойли, синтетические топливные масла и производные масел растительного и животного происхождения. В указанной заявке заявлен также способ крупномасштабного приготовления этого эмульгированного топлива, которое стабильно, по меньшей мере, в течение трех месяцев и состоит, с одной стороны, из смеси углеводорода и эмульгатора и, с другой стороны, из смеси воды и спирта.
Ни один из названных патентных документов не описывает способ промышленного приготовления стабильных эмульгированных топлив, в которых органическая фаза составляет дисперсионную среду эмульсии. В то же время, по очевидным соображениям совместимости топлива с частями, расположенными между топливным баком и системой подачи топлива в двигатель, предпочтительно использовать топливо, у которого дисперсионная среда идентична среде того топлива, для которого были рассчитаны названные части. В случае эмульгированных моторных топлив, у которых дисперсионная среда является водной, могут иметь место такие явления, как коррозия металлических поверхностей и/или ускоренный износ эластомерных материалов. Кроме того, сжигание эмульсии "вода в топливе" предпочтительнее, чем эмульсии "топливо в воде", поскольку быстрое испарение капелек воды, диспергированных в топливе, существенно улучшает дисперсию углеводородов в камере сгорания (см. документы SAE 890449, SAE 920464 to M. Tsukuhara et al., SAE 920198 to N. Sawa et al.).
Подобное топливо было предложено заявителем настоящего изобретения в международной заявке WO 97/34969.
Настоящее изобретение относится к приготовлению подобных эмульгированных топлив, дисперсионную среду в которых образует органическое соединение и которые могут быть стабильны в течение достаточного длительного периода, например, более 4 месяцев, с тем чтобы обеспечить возможность их хранения в промышленных объемах с последующей выдачей с использованием насоса, т.е. аналогично моторным и другим топливам.
Сущность изобретения
Таким образом, изобретение относится к способу приготовления в промышленных масштабах эмульгированного топлива из воды в органическом соединении (соединениях), причем дисперсионная среда топлива является органической, и оно содержит менее 20% по объему воды и, по меньшей мере, одну добавку, необходимую для формирования эмульсии. Данный способ характеризуется тем, что состоит, по существу, из следующих операций:
(а) ввода добавки (добавок) в емкость, снабженную, по меньшей мере, одной мешалкой с осевым прокачивающим перемещением и содержащую, по меньшей мере, органическое соединение (соединения);
(б) гомогенизации результирующего Qc/V≥100 час-1, объема V жидкости, т.е. органических соединений и добавок, посредством мешалки при следующем отношении Qc/V, предпочтительно Qc/V≥250 час-1 и наиболее предпочтительно 1000 час-1 ≥ Qc/V≥300, где Qc - это скорость циркуляции жидкости внутри емкости;
(в) обеспечения циркулирования жидкости, гомогенизированной посредством мешалки, в ветви циркуляции, отходящей от емкости, и через, по меньшей мере, одну эмульгирующую систему, расположенную в указанной ветви, с такой скоростью, чтобы отношение V/Qcirc составляло:
0 час<V/Qcirc ≤ 2 час,
предпочтительно 0 час<V/Qcirc ≤ 1,8 час и наиболее предпочтительно 0 час<V/Qcirc ≤ 1,5 час, где Qcirc - это скорость циркуляции жидкости в ветви циркуляции;
(г) подачи водной фазы, необходимой для образования эмульсии, в ветвь циркуляции перед эмульгирующей системой и
(е) поддерживания гомогенизации в емкости и циркулирования жидкости в ветви циркуляции до тех пор, пока эмульсия не приобретет желательные характеристики в отношении стабильности при хранении.
Этот способ приготовления в соответствии с настоящим изобретением позволяет приготавливать эмульсии в промышленных объемах, причем отношение воды к жидкости, гомогенизированной в емкости, регулируется в процессе приготовления с тем, чтобы достичь желаемого содержания воды в окончательном составе топливной эмульсии.
Для того чтобы получить эмульсию высокого качества и стабильную во времени, очень большое, если не решающее, значение имеют операции приготовления гомогенизированной жидкости, т.е. смеси органического соединения (соединений) и добавок, а также эмульгирования жидкости с водой.
При этом во время выполнения операций гомогенизации и эмульгирования оказывается возможным нагревать и охлаждать жидкость в гомогенизационной емкости.
Наилучший вариант осуществления изобретения
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения способ по изобретению предусматривает выполнение, перед операцией (а), операции (ап), во время которой добавки, необходимые для образования эмульсии, смешивают, по меньшей мере, с одним растворителем.
Смесь добавок, получаемых на операции (ап) желательно получать разбавлением добавок в, по меньшей мере, одном растворителе, начиная с добавки, имеющей наибольшую вязкость, и кончая добавкой, имеющей наименьшую вязкость, причем для получения высокой гомогенизации каждое из этих разбавлений предпочтительно выполняется в емкости, снабженной, по меньшей мере, одной мешалкой с осевым прокачивающим перемещением и, желательно, также средствами для нагрева и охлаждения емкости для того, чтобы повысить эффективность разбавления и гомогенизации указанных добавок.
При выполнении операций ввода и гомогенизации добавок и органических соединений в гомогенизационной емкости важно, чтобы добавки были диспергированы однородно по объему получаемой таким образом жидкости с тем, чтобы при добавлении воды все добавки, необходимые для образования и сохранения эмульсии, присутствовали бы в достаточных и идентичных количествах по всему объему органического соединения. Не исключена возможность ввода либо в органическую, либо в водную фазу сформированной эмульсии добавок, способствующих улучшению одного или более из требуемых свойств топлива согласно настоящему изобретению.
В соответствии с настоящим изобретением растворитель, используемый на операции (ап), выбирают из группы, содержащей органическое соединение (органические соединения), используемое (используемые) для формирования эмульсии, растворитель, выбранный из спирта, кетона, простого или сложного эфира и одной из добавок для эмульсии, которая способна выполнять роль растворителя по отношению к другим добавкам.
Органическое соединение или соединения в соответствии с настоящим изобретением выбирают из топлив на основе нефти, бензинов, газойлей, керосинов и топлив для индивидуальных жилищ, причем эти продукты предпочтительно обрабатывают кислородосодержащими соединениями, такими как третамилметиловый эфир (ТАМЭ) или метилтретбутиловый эфир (МТБЭ), применительно к бензинам, или такими как диметиловый эфир (ДМЭ), диметокисметан (ДММ) или триэтоксипропан (ТЭП), применительно к газойлям, или рафинированные или нерафинированные масла растительного или животного происхождения или их этерифицированные производные.
Согласно предпочтительной характеристике изобретения эмульгирующая система содержит, по меньшей мере, одно устройство для обеспечения циркуляции жидкости в ветви циркуляции.
Водную фазу инжектируют в гомогенизированную жидкость, т.е. в смесь органического соединения (соединений) и добавок с расходом Qe, пропорциональным скорости циркуляции объема V жидкости в указанной емкости, причем отношение Qe/Qc варьирует от 0 до 1.
Предпочтительно отношение Qe/Qc варьирует от 0,05 до 0,20.
Водная фаза может содержать также специфические добавки, направленные на предотвращение загрязнения воды, такие как биоциды, или антифризы, особенно зимой, для предотвращения кристаллизации воды с разрушением эмульсии.
Настоящее изобретение особенно эффективно для приготовления эмульгированных топлив на основе эмульсии воды в нефтепродукте, особенно эмульсий воды в газойле или воды в бензине для сжигания в двигателях внутреннего сгорания, применительно к которым особенно желательно сократить количество загрязняющих выбросов путем прямого воздействия на топливо. Можно также рассматривать использование указанного топлива в качестве моторного топлива на железных дорогах и на морских судах, а также в стационарных котлах или дизельных установках тепловых электростанций.
Вторым объектом настоящего изобретения является устройство для осуществления способа (см. чертеж), характеризующееся тем, что оно содержит закрытую емкость (1), снабженную мешалкой (2) с осевым смещением и тремя трубопроводами (3), (4), (5) подачи текучей среды, соответственно для органического соединения (соединений), добавок и эмульсии, трубопроводом (6) для выпуска текучей среды и, возможно, нагревательной и/или охлаждающей системой, причем трубопроводы (5) и (6) присоединены к трубопроводу циркуляции (7), определяющему ветвь циркуляции, которая содержит также входной трубопровод (9) и эмульгирующую систему (8), и, в довершение, трубопроводом выдачи эмульгированной жидкости. Этот трубопровод (10) может быть размещен либо на емкости (1), либо на ветви циркуляции (7), выше или ниже по направлению потока по отношению к эмульгирующей системе (8).
В устройстве по настоящему изобретению трубопровод (4) служит для инжектирования смеси добавок, которая была предварительно приготовлена и гомогенизирована во второй емкости (11), снабженной мешалкой (12) с осевым перемещением для гомогенизации указанной смеси добавок и имеющей входные трубопроводы (13) и выходной трубопровод (4) для смеси, а также, возможно, систему нагрева и/или охлаждения указанной емкости (11). При наличии нагрева и/или охлаждения допустимо использование теплоизоляции любого типа, приемлемой для емкости промышленных размеров. Трубопроводы (3) и (4) могут быть объединены в единый трубопровод подачи в емкость (1) органических соединений и/или добавок.
Мешалки (2) и (12) в емкостях (1) и (11) должны обеспечивать гомогенизацию всего объема содержащейся в них жидкости и должны способствовать циркуляции жидкости в емкости без создания градиента сдвига между двумя точками, т.е. путем гомогенизации при переменном заданном уровне сдвига. Предпочтительным вариантом мешалок оказываются мешалки с осевым смещением, которые обеспечивают перемешивание в продольном направлении по отношению к оси вращения и имеют высокую прокачивающую способность.
Эмульгирующая система (8) в соответствии с настоящим изобретением содержит, по меньшей мере, один эмульгирующий насос и/или одну или более динамических мешалок, снабженных парой ротор/статор с малой воздушной щелью (фиксированной или переменной) и высокой, т.е. превышающей 2000 об/мин, скоростью вращения.
Перед или за этой эмульсирующей системой по направлению потока или же вместо этой системы в ветви циркуляции (5, 6, 7) могут быть установлены одна или более статических мешалок, и/или одна или более эмульгаторных машин другого типа, действующих на основе механического воздействия или ультразвука, или СВЧ излучения и участвующие в образовании эмульсии.
Для содействия диспергированию капелек воды в углеводородном продукте в трубопроводе для инжектирования воды может быть установлена, по меньшей мере, одна система диспергирования капель, например, в форме патрона или металлического распределителя, изготовленного спеканием или на основе волокна из нержавеющей стали и имеющего очень тонкие поры, от одного до нескольких десятков микрометров.
Краткое описание чертежа
Единственный прилагаемый чертеж представляет собой упрощенное изображение примера предпочтительного варианта осуществления изобретения.
Далее в настоящем описании будут приведены примеры, иллюстрирующие выявленные проблемы и производственные ограничения в отношении приготовления соответствующих эмульгированных и стабильных топлив; однако эти примеры не могут быть использованы для ограничения объема охраны изобретения.
Пример 1
Данный пример описывает лабораторную процедуру приготовления эмульсии типа "вода в газойле" по способу в соответствии с настоящим изобретением.
22,9 г смеси добавок, описанных в международной заявке WO 97/34969, наливают в лабораторный стакан. Указанная смесь имеет следующий состав:
полуторный олеат сорбитана - 3 мас.ч.;
PEG 300 моноолеат - 2 мас.ч.;
9 ЕО этоксилированный нонилфенол - 1 мас.ч.;
12 ЕО этоксилированный нонилфенол - 0,5 мас.ч.
После этого наливают 673,1 г газойля, соответствующего европейским спецификациям стандарта EN590. Во второй лабораторный стакан помещают 104 г воды.
В первый лабораторный стакан помещают турбинку Ultra-Turrax, снабженную двигателем Т50 и парой ротор/статор S50 N-G45FF, и приводят ее во вращение с максимальной скоростью, а именно 10000 об/мин, для того, чтобы гомогенизировать смесь за несколько секунд. Затем очень быстро в перемешанную смесь быстро вводят воду из второго лабораторного стакана и продолжают перемешивание еще в течение 5 мин, причем температура получаемой эмульсии не превышает 50°С.
Стабильность при хранении при температуре окружающей среды от 15 до 25°С без появления признаков расслоения или седиментации для эмульсии, полученной описанным образом в лаборатории, превышает 4 месяца.
Пример 2
Данный пример приводится для того, чтобы описать оптимальные условия для промышленного приготовления эмульсии, которая столь же стабильна, что и эмульсия, приготовленная в лаборатории согласно Примеру 1.
На промышленной установке, подобной описанной со ссылкой на чертеж, были приготовлены различные эмульсии. Их составы были идентичны приведенному в Примере 1.
Мешалка (2) представляет собой многоступенчатую мешалку MIXEL, тип ММ, оснащенную трехлопастными валами.
Были опробованы две эмульгирующие системы (8):
- мельница тонкого помола BF 150 (далее называемая "А"), поставляемая фирмой Pierre GUERIN TECNOLOGIES; это коллоидная мельница с парой ротор/статор и с переменной воздушной щелью;
- динамический гомогенизатор типа MS, поставляемый фирмой Silverson (далее называемый "Б") с фиксированной воздушной щелью.
В Таблице перечислены характеристики циркуляции жидкости внутри емкости (1) и в ветви циркуляции (7), возвращающей эмульсию в емкость (1).
Здесь
Qc=1,5Nqp×N×D3 × 60,
где Nqp - это числовой параметр прокачки;
N - скорость вращения вала мешалки в емкости;
D - диаметр указанной мешалки;
V - объем жидкости, содержащейся в гомогенизационной емкости (1) во время приготовления эмульсии (объем V вводимой в емкость жидкости измеряется перед ее поступлением в емкость и предварительно выбирается в зависимости от желаемых величин Qc и Qcirc);
Qcirc - скорость циркуляции жидкости, циркулирующей вне емкости (1), за эмульгирующей системой (8) по направлению потока в ветви циркуляции, показанной на схеме (Qcirc измеряется расходомером, расположенным в ветви циркуляции);
Qc - скорость циркуляции внутри емкости (1), определяется расчетным путем и зависит от формы и вида используемой мешалки. Величина Qc и формулы для ее расчета, а также величина Nqp приводятся в технической документации изготовителя, прилагаемой к каждой конкретной мешалке.
Коэффициент 60 в приведенной выше формуле соответствует коэффициенту перевода единиц измерения величин Qc (из м3/с в м3/ч) и N (из об/с в об/мин).
Значения приведенных выше символов и методика расчета подробно описаны в документах "Techniques de l'Ingenieur", А-5900 и А-5902, в статьях М. Roustand и J.C. Pharamond.
Таблица показывает, что без перемешивания в емкости невозможно получить стабильную эмульсию. Далее, независимо от того, какая эмульгирующая система используется, для повышения стабильности эмульсии и производительности эмульгирования в промышленной установке важно, чтобы отношение Qс/V было больше 100 и чтобы длительность эмульгирования или циркуляции вне емкости было меньше, чем 1,5 час.
Хотя настоящее изобретение было описано на примерах предпочтительных вариантов, для специалистов в данной области будет понятно, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ЭМУЛЬГИРОВАННОЕ ТОПЛИВО, ПРИСАДОЧНЫЙ СОСТАВ ДЛЯ ТОПЛИВА, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭМУЛЬГИРОВАННОГО ТОПЛИВА, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1997 |
|
RU2167920C2 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ВОДНО-УГЛЕВОДОРОДНОЙ ЭМУЛЬСИИ | 1998 |
|
RU2189026C2 |
МОЮЩАЯ И АНТИКОРРОЗИОННАЯ ПРИСАДКА ДЛЯ ТОПЛИВА И ТОПЛИВО НА ЕЕ ОСНОВЕ | 1997 |
|
RU2165448C2 |
ТОПЛИВО НА УГЛЕВОДОРОДНОЙ ОСНОВЕ, СОДЕРЖАЩЕЕ ДОБАВКУ, УЛУЧШАЮЩУЮ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВОЙСТВА | 2000 |
|
RU2257400C2 |
ПРИСАДКА ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ, КОМПОЗИЦИЯ ПРИСАДОК И ТОПЛИВО | 1996 |
|
RU2156277C2 |
МАСЛЯНИСТАЯ ДОБАВКА ДЛЯ ГОРЮЧЕГО | 1998 |
|
RU2167919C1 |
ТОПЛИВНО-ВОДНАЯ ЭМУЛЬСИЯ | 2006 |
|
RU2367683C2 |
АДДИТИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ И КОМПОЗИЦИЯ СРЕДНЕГО ДИСТИЛЛЯТА, ЕЕ СОДЕРЖАЩАЯ | 1994 |
|
RU2128210C1 |
ТОПЛИВО С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ СЕРЫ ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ | 1997 |
|
RU2165447C2 |
ЭМУЛЬСИОННАЯ ФАЗА, ОБЛАДАЮЩАЯ ПОВЫШЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ | 2003 |
|
RU2326725C2 |
Изобретение относится к процессу приготовления эмульгированного топлива, например, эмульсий типа "вода в газойле" или "вода в бензине", которое может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания или в энергетическом оборудовании. Способ состоит в смешивании органической фазы, водной фазы и добавок для гомогенизации объема V жидкости, содержащей органическую фазу и добавки. Способ осуществляют путем циркуляции указанного объема жидкости внутри гомогенизационной емкости со скоростью Qc, выбранной таким образом, что Qc/V≥100 час-1, циркуляцией гомогенизированной жидкости во внешней ветви циркуляции, содержащей эмульгирующую систему, со скоростью Qcirc, выбранной таким образом, что V/Qcirc находится между 0 и 2 час, подачей воды в ветвь циркуляции перед эмульгирующей установкой по направлению потока до тех пор, пока эмульсия не приобретет характеристики, желательные с точки зрения стабильности при хранении. Описано также устройство для осуществления данного способа. Изобретение обеспечивает возможность промышленного производства эмульсий, которые стабильны в течение 4 мес. и где дисперсионная среда является органической, а дисперсная фаза - водной. 3 с. и 10 з.п.ф-лы, 1 табл., 1 ил.
МАЛОВЯЗКАЯ СТАБИЛЬНАЯ ЭМУЛЬСИЯ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ | 1992 |
|
RU2021329C1 |
RU 94018286 А1, 27.02.1996 | |||
WO 9734969 А, 25.09.1997 | |||
WO 9211927 А, 23.07.1992. |
Авторы
Даты
2004-04-20—Публикация
1999-12-08—Подача