СПОСОБ ГИДРАТАЦИИ ПОЛЯРНЫХ МОЛЕКУЛ СРЕДЫ ОЛЕОФИЛЬНОЙ ЭМУЛЬСИИ Российский патент 2013 года по МПК B01F11/02 

Изобретение принадлежит к области техники и технологий получения обратных (олеофильных) эмульсий. Оно, в частности, касается эмульсий из продуктов переработки нефти, применяемых в энергетике, на транспорте и в строительстве, а также эмульсионных продуктов питания из растительных жиров, то есть относится, например, к устройствам и способам производства топливно-водных, асфальтовых эмульсий или майонезов.

Преимущественная область применения изобретения - непрерывное приготовление эмульсий, у которых дисперсионной средой являются остаточные продукты перегонки нефти - мазуты, содержащие вещества с полярными молекулами типа нафтеновых кислот и смолисто-асфальтеновых соединений. Они отличаются от углеводородов нефти более высокой молекулярной массой и наличием атомов кислорода, а последние - серы и азота [1], называемых гетероатомами [2] и создающих у этих молекул полярные группы. Получаемые топливные эмульсии могут использоваться как жидкие печные и котельные или тяжелые моторные топлива, а также в смеси с более легкими углеводородными топливами в качестве присадок к ним, не теряя при этом своей стойкости. Как известно, при использовании жидких топлив важным параметром является их вязкость. Она создает сопротивление при прокачивании топлива и затрудняет работу элементов топливной аппаратуры: насосов, форсунок, топливопроводов. Вязкость олеофильных эмульсий, содержащих в дисперсионной среде, например мазуте, дисперсную фазу - воду, определяется наличием в них как частичек водной фазы, так и способных образовывать надмолекулярную структуру полярных компонентов мазутной среды. За счет обусловленной гетероатомами смачиваемости молекул последних они располагаются на поверхности раздела мазута и воды, обращаясь полярной группой в воду и создавая, таким образом, структурно-механический слой, как стабилизирующий эмульсию, так и увеличивающий ее вязкость [3, 4]. Известно также, что уменьшение размера частиц дисперсной фазы топливных эмульсий при одинаковом ее содержании приводит к еще большему увеличению вязкости [5]. Все это создает значительное сопротивление впрыску эмульсий в топочное пространство печей и котлов, камеры сгорания турбин и цилиндры дизельных двигателей внутреннего сгорания [6-8]. С другой стороны, с уменьшением размера частиц воды ее испарение там приобретает эксплозивный характер, что благоприятствует распылению мазута и лучшему его сгоранию [9, 10]. Эта особенность горения топливно-водных эмульсий превалирует над отрицательным эффектом уменьшения их текучести по сравнению с чистым жидким топливом [5] и отличает по всем параметрам их горение от горения по отдельности впрыскиваемых мазута и воды в лучшую сторону. Кроме того, высокая дисперсность делает выше устойчивость эмульсий к коагуляции и коалесценции фазы, то есть к происходящему под воздействием гравитации увеличению неравномерности их состава по высоте объема, могущему привести к разрушению их самих как дисперсных систем [11, 12] или сделать их горение нестабильным. Поэтому известные устройства и способы получения мазутно-водных эмульсий направлены на повышение всеми средствами дисперсности и гомогенности водной фазы. Для этого, например, в состав эмульсий вводят специальные эмульгирующие добавки или поверхностно-активные вещества, снижающие поверхностное натяжение на границе среды и фазы [RU 2367683, 2009; RU 2365618, 2009; US 7731768, 2010]. Это удорожает эмульсионные топлива, может ухудшить их теплотворную способность и усложняет устройства для их приготовления, что препятствует получению в этой области использования олеофильных эмульсий технического результата изобретения.

Еще в области приготовления топливных эмульсий существуют устройства для непрерывного приготовления их из обводненного каким-либо образом мазута перед его сжиганием, которые применяются взамен требующей особых условий и технических средств процедуры его обезвоживания. Они содержат узлы для подогрева обводненного мазута и элементы, с помощью которых в его потоке образуется турбулентность, а также специальные элементы конструкции, например стержни, при обтекании которых возбуждается гидродинамическая кавитация [RU 2390693, 2010]. Иногда при этом для получения монодисперсной смеси и увеличения ее дисперсности эти устройства содержат по несколько установленных последовательно элементов конструкции для возбуждения кавитации [RU 2223815, 2004]. Кавитация в них также образуется техническими средствами типа ультразвуковых сирен, интенсивность порождаемых которыми упругих колебаний в смеси зависит от параметров потока и плохо поддается регулированию. Это не позволяет оптимизировать кавитационное воздействие на образуемую эмульсию или на ее среду и фазу по отдельности. Кроме того, мазуты, обводненные непроизвольно при нарушении правил транспортировки, хранения или перекачки, могут иметь сильно различающееся содержание и качество входящей в их состав воды. Поэтому получаемые в этих устройствах эмульсии, пригодные, например, для сжигания в топках котлов, при их использовании в качестве топлив для дизелей или турбин, могут привести к снижению стабильности их работы и эксплуатационного ресурса или потребовать переналадки топливной аппаратуры. Это препятствует использованию устройств для приготовления мазутно-водных эмульсий из обводненных мазутов, где качество и количество воды как фазы эмульсии не контролируется и не может быть изменено для получения технического результата изобретения.

Известно простое в управлении устройство для приготовления эмульсий из смесей растительного масла и воды, составленных с их заданным соотношением, которое предназначено для пищевой промышленности, но может быть использовано и для приготовления топливно-водных эмульсий [RU 2183986, 2002]. В нем для создания кавитации использован независимый источник колебаний - электроакустический излучатель ультразвуковых волн. Управление излучением, поскольку в отличие от ультразвуковых сирен в этом случае интенсивность колебаний не зависит от условий течения жидкости, осуществлять здесь просто. А используемую воду можно для придания ей требуемых свойств каким-либо образом предварительно обрабатывать, согласовав техническое средство для такой обработки с другими элементами устройства по производительности. Это может избавить топливную аппаратуру от загрязнений могущими содержаться в неподготовленной воде такими веществами, например, как соли жесткости, меняющими растворимость под действием температуры. Так, в нем самом вода перед подачей ее в зону эмульгирования дополнительно подвергается воздействию кавитации. Эта предварительная кавитационная обработка воды производится с целью сонохимическим путем [13] синтезировать в ней перекись и надперекись водорода [14]. Эти соединения, являясь мощными окислителями, в данном случае используются для разрушения прямой эмульсии, присутствующей в составе обратной, что способствует увеличению дисперсности последней. Однако, поскольку в этом устройстве и для собственно эмульгирования, и для предварительной обработки воды используется одна и та же колебательная система, то в нем невозможно управлять этими процессами путем дозирования акустической энергии в каждом отдельно. Невозможность раздельного управления ими препятствует достижению технического результата изобретения при использовании этого аналога для приготовления мазутно-водных эмульсий, например, в непрерывном режиме.

Известны устройства [RU 2202406, 2003; RU 54816, 2006; 10, 15], где для диспергирования эмульсии используются роторно-пульсационные аппараты. В них кавитация образуется не за счет обтекания потоком смеси физических преград и не под действием звукового давления в упругих волнах разрежения-сжатия, а вращением перфорированного ротора относительно перфорированного же статора, в которых смесь непрерывно перемещается. Известно также устройство [LV 15040, 2009], объединяющее роторно-пульсационный аппарат и электроакустические излучатели ультразвуковых волн, которые должны усиливать воздействие градиентов давления, создаваемых в смеси работой роторно-пульсационного аппарата.

Конструкция последнего из перечисленных устройств [LV 15040, 2009] в части роторно-пульсационного аппарата является наиболее совершенной и выбрана прототипом изобретения. При ее работе среда эмульсии и вода в нужных пропорциях подаются сначала в предварительный смеситель, а затем в роторно-пульсационный диспергатор. Эти устройства, в том числе и прототип, имея отдельный свободный вход для воды, позволяют подготовить непосредственно ее, в том числе воздействуя на нее акустической кавитацией, то есть используя эффекты сонохимии, перед смешиванием с мазутом и диспергированием смеси. Однако в конструкции прототипа технические средства для такой обработки - акустические излучатели - размещены так, что не могут воздействовать на воду, а излучают упругие колебания в уже смешанную с мазутом воду. Известно, что такое воздействие на бинарную смесь, содержащую кроме воды неполярную жидкость, ослабляет кавитацию в воде [RU 2341967, 2008; RU 2304460, 2007; 16]. Кроме того, без управления интенсивностью излучаемых акустических волн в зависимости от удельного акустического сопротивления смеси, которое зависит от соотношения компонентов, дает разные результаты дисперсности. Эти недостатки, особенно первый, препятствуют получению с помощью прототипа технического результата изобретения.

Сущность изобретения в части конструкции устройства заключается в следующем. Известен эффект, который используется при производстве эмульсий в пищевой и фармацевтической промышленности [RU 2172207, 2001; RU 2341967, 2008; RU 2391848, 2010], но никогда не использовался при производстве мазутно-водных эмульсий. Это образование непосредственно в процессе эмульгирования веществ-эмульгаторов, имеющих двойственную растворимость. В преимущественной области применения этих устройств ими являются фосфолипиды, а также ди- и моноглицериды содержащихся в органических маслах жирных кислот [16]. Он позволяет не использовать искусственно вводимые эмульгаторы или ПАВ для повышения дисперсности и стабильности эмульсий. Подобный эффект может быть применен и в производстве топливных эмульсий. В мазуте тоже есть вещества, являющиеся его тяжелыми фракциями, которые имеют в составе полярные молекулы - это нафтеновые кислоты, смолы и асфальтены. В естественных условиях их обладающие противоположными зарядами полярные центры, притягиваясь друг к другу, образуют надмолекулярную структуру [2], образованную диполь-дипольными взаимодействиями, которая может быть разрушена гидродинамической кавитацией в роторно-пульсационном аппарате, подготавливая их к вступлению в реакцию гидратации. Высвобождающиеся из структурных связей полярные центры способны вступать во взаимодействие с диполями, которые представляют собой отдельные молекулы фазы эмульсии - воды [17]. Но для этого сама вода, также имеющая даже при достаточно высоких температурах и тем более находясь под высоким давлением собственную структуру [18], должна быть предварительно деструктурирована. Известно, что лучше всего для разрушения структуры воды и временного выведения ее из термодинамического равновесия, то есть подготовки ее к реакции гидратации, подходит сонохимическая обработка в кавитационном реакторе [19]. Чтобы получить технический результат изобретения, достаточно соединить входной патрубок механического смесителя прототипа с выходным патрубком такого реактора. Также известно, что неравновесное состояние воды, сопровождающееся ее высокой химической активностью, сохраняется в течение определенного отрезка времени, а релаксация его происходит асимптотически [19, 20]. То есть приобретенная в результате сонохимической обработки аномально высокая растворяющая способность воды, позволяющая ей интенсивнее, чем обычно, вступать в реакцию гидратации должна быть использована тот час же после обработки. Для этого обработанная вода должна с определенной требуемым ее содержанием в эмульсии скоростью непрерывно подаваться в смеситель вместе с мазутом. В условиях непрерывного приготовления эмульсии в таком включающем кавитационный реактор устройстве для получения технического результата изобретения становится необходимым согласование скорости смешивания мазута и воды в смесителе и диспергирования смеси в роторно-пульсационном аппарате со скоростью сонохимической обработки воды в реакторе. Поэтому последний должен иметь заданную производительность, зависящую от затрачиваемой энергии. Для ее определения нужно знать удельную (на единицу объема воды) энергию сонохимической обработки. Диапазон варьирования этого параметра и будет являться отличительным признаком изобретения в части способа.

В большинстве известных способов гидратации, а при использовании для этого кавитационных методов обработки воды они известны лишь в отношении полярных молекул биополимеров [20], энергоемкость обработки прямо не установлена. Например, в способе гидратации биополимеров [RU 2331478, 2008], в котором воду или водный раствор перед смешиванием с биомассой подвергают обработке ультразвуковой кавитацией, задан только нижний предел отношения интенсивности ультразвука к квадрату гидростатического давления, который определяет только требуемую мощность. Время же воздействия кавитации, то есть количество энергии, необходимой для обеспечения сонохимических преобразований в воде, остается произвольным параметром. Это препятствует, даже при наличии в составе устройства приготовления мазутно-водных эмульсий какого-либо технического средства для кавитационной обработки воды, получению таким способом технического результата изобретения.

Наиболее близким аналогом заявленного является способ гидратации, в котором также исключено непосредственное сонохимическое воздействие на гидратируемое вещество, а обработке подвергается только вода [WO 2007111524, 2006; RU 2279918, 2006]. В нем кавитацию вызывают излучая в воду ультразвук с амплитудой звукового давления, не меньшей 5,5 значений статического давления в кавитационном реакторе, а необходимую для разрушения структуры воды и синтеза в ней перекиси водорода энергию задают через производительность процесса, которая не должна превышать 450 объемов реактора в час. Существует аппарат мощностью 4000 Вт частотой 20 КГц, с давлением воды 2,5 атм, производительностью 0,6 м³/ч [21].

Известно, что при амплитуде звукового давления порядка пяти значений гидростатического реализуется так называемый синпериодический режим кавитации в воде, а при увеличении этой амплитуды эрозионная мощность кавитации, которая определяет ее деструктурирующее действие, остается практически постоянной [22]. В описании прототипа сказано, что продолжительность кавитационной обработки воды установлена путем исследования зависимости динамической вязкости воды в термостатических условиях от времени кавитационного воздействия. Полагалось, что вязкость воды определяется соотношением объемов ее структурированной и неструктурированной составляющих и подчиняется уравнению Эйнштейна-Смолуховского. Однако исследования, выполненные в Лейденском университете К.Цинешем и Дж.Френкеном в 2008 г. [18], заставляют предположить, что основанное на этой гипотезе значение производительности процесса, указанное в описании прототипа, занижено. На практике это может привести к излишним затратам энергии на водоподготовку, что не дает возможности получить технический результат изобретения с помощью прототипа.

Сущность изобретения в части способа гидратации полярных молекул компонентов среды при приготовлении олеофильных эмульсий состоит в следующем. В работах У.Шамба [14] и Г.Флинна [23] установлено, что при ультразвуковом синтезе выход H₂O₂ зависит от переданной в воду акустической энергии и выражается в моль/Дж. Обнаружен факт наличия максимума у функции этого выхода [24], который объясняется рассеянием акустической энергии на внутреннем трении в воде [25] в разлагающее H₂O₂ и ослабляющее кавитацию тепло [17]. Затраты энергии на кавитационный синтез перекиси водорода больше, чем энергоемкость разрушения надмолекулярной структуры воды, но пропорциональны им [24]. Следовательно, и зависимость степени дезинтеграции структуры воды от затраченной энергии имеет максимум. Поэтому диапазон удельных энергий сонохимической обработки воды перед ее эмульгированием с неполярной жидкостью, в котором она будет в меньшую сторону отличаться от прототипа, может быть найден практической оптимизацией [26] процесса. Этот диапазон будет являться общим для всей области предмета изобретения в соответствии с принципом подобия кавитационных процессов [22]. Ясно, что здесь имеется в виду акустическая энергия, поскольку существует множество обладающих определенными коэффициентами полезного действия способов преобразования электрической энергии в энергию упругих колебаний. В устройстве по [21] используется способ преобразования за счет обратного пьезоэффекта, КПД которого равен 90% [27]. Поэтому у прототипа удельная производительность составляет 0,6 м³/ч:(4 кВт·0,9)=0,17 м³/кВт·ч. Чтобы удовлетворять отличительным признакам прототипа способа реактор там, как следует из теории акустики [28], должен иметь объем 0,6 м³/ч:450 ч^-1=1,33·10^-3 м³ и радиус излучающей поверхности {4000 Вт·0,9·2·Z:[π·(5,5·2,5·10⁵ Па)²]}^0,5=0,043 м, где Z=1,5·10⁶ кг/(м²с) - удельное акустическое сопротивление воды. Размер реактора по лучу акустической волны, на котором будет действовать кавитация, при соответствующей синпериодическому режиму кавитации в воде амплитуде звукового давления равен длине акустической волны [22]. Тогда в соответствии с теорией подобия и признаком прототипом способа изображенный на Фиг.1 реактор электрической мощностью 630 Вт, который работает от магнитострикционного преобразователя частотой 22 кГц (КПД=50%), будет иметь производительность по воде, равную 0,117 м³/ч или 1,95 дм³/мин, при гидростатическом давлении, равном 1,6 атм.

Практическую оптимизацию осуществляли с помощью такого реактора в порционном режиме на стенде (Фиг.2), состоящем из диспергатора 6, в качестве которого использовали насос-эмульгатор НЭ-0,25 производства ИБП РАН, кавитационного реактора 7 (Фиг.1) и смесителя 8. Скорость подачи в смеситель воды поддерживали неизменной, для чего использовали стабилизатор 9, состоящий из коаксиально помещенных одна в другой емкостей и дросселя 10, установленного на соосно выходящем из них патрубке и отрегулированного на минимальный расход воды в эксперименте. Во внутреннюю емкость стабилизатора из расходного патрубка реактора 7 через трехходовой кран 11 непрерывно подавали прошедшую сонохимическую обработку воду. Производительность и гидростатическое давление регулировали установленными на входе и выходе реактора дросселями 12 и 13 с помощью манометра 14 и мерной емкости. Таким образом, реактор мог работать с любой заданной производительностью при гидростатическом давлении 1,6 атм, а из стабилизатора 9 в смеситель 8 обработанная вода всегда подавалась с одинаковой скоростью. Излишек воды вытекал по заполнении внутренней емкости через сливной патрубок 15, установленный в дне внешней. В смесителе 8 емкостью 0,06 м³ (до сделанной в нем отметки уровня 16) для эффективного механического перемешивания среды и фазы эмульсии был установлен импеллер 17. Смеситель 8 был включен в схему рециркуляции эмульсии через диспергатор с заданной дросселем 18 скоростью. Эксперимент проводили при комнатной температуре. Приготавливали пять образцов 15%-ной эмульсии воды в мазуте марки Ф5 по ГОСТ 10585-99 (по объему), изменяя производительность в соответствии с номером i образца как p_i=i дм³/мин (i=1, 2, … 5). Для этого с помощью дросселя 13 и мерной емкости предварительно устанавливали скорость слива воды 1 дм³/мин из стабилизатора 9 в смеситель 8. Затем при включенном реакторе 7 и трехходовом кране 11, поставленном на сброс воды через сливной патрубок 19, при помощи дросселей 12, 13 и манометра 14 устанавливали нужную производительность p_i, используя мерную емкость. Гидростатическое давление оставляли неизменным и равным 1,6 атм. В смеситель заливали 51 дм³ мазута, включали импеллер 17, диспергатор и через 5 секунд переводили трехходовой кран в положение подачи обработанной воды в стабилизатор 9. По заполнении смесителя до отметки 16 переключали кран 11 на сброс воды через сливной патрубок 19, прекращали ее подачу в реактор, отключали его, но продолжали перемешивание и диспергирование еще в течение 25 мин. Вязкость полученных образцов эмульсий измеряли при комнатной температуре ротационным вискозиметром и относили к измеренной таким же образом вязкости чистого мазута. Полученные дискретные зависимости относительной вязкости от производительности реактора приближали методом наименьших квадратов полиномом второго порядка . Вектор его коэффициентов при этом нашли как - прямая и транспонированная матрицы базисных функций [26] соответственно; µ_r - вектор полученных экспериментально относительных вязкостей, равных 2,48; 2,77; 2,91; 2,86 и 2,64. Максимум приближающей функции соответствует оптимальной производительности реактора при сонохимической обработке воды. Он в числовом выражении найден как и оказался больше, чем у прототипа. Так как функция вязкости является квадратичным полиномом, то точка µ_pr=2,77, соответствующая производительности прототипа 1,95 дм³/мин, лежащая на ветви параболы по другую сторону от максимума функции, имеет абсциссу . Внутри полученного таким образом диапазона 1,95…4,51 дм³/мин вязкость, а следовательно, и дисперсность эмульсий, больше, чем у прототипа. Этому диапазону соответствует диапазон удельных производительностей процесса 0,37…0,86 м³/кВт·ч, который, как следует из теории подобия, является общим для кавитационных процессов, осуществляемых вблизи синпериодичности и при более высоких амплитудах звукового давления [21]. Ему же соответствует диапазон удельных энергий, необходимых для сонохимической обработки воды с целью подготовки ее к вступлению в реакцию гидратации полярных молекул компонентов мазута и синтеза в ней пероксида водорода 4,2…9,7 МДж/м³. Однако это справедливо только для обработки, производимой при комнатной температуре и давлении в реакторе, близком к атмосферному. Чтобы условия термодинамического равновесия в воде были сохранены при любом отклонении ее температуры t от комнатной, зависящая от этой температуры упругость паров воды должна быть уравновешена гидростатическим давлением в реакторе. Известно, что именно упругость паров воды внутри кавитационных пузырьков определяет параметры кавитации [29]. Так как оптимизация проделана при комнатной температуре 22°C, то ясно, что гидростатическое давление процесса в общем случае должно выбираться из выражения p_h=p_at-p_ν(22)+p_ν(t), где p_ν(t) - функция зависимости упругости паров воды от температуры t в °C [30], в реальных условиях (5,5 p_h до 400 атм) с достаточной точностью приближаемая экспонентой с показателем в виде полинома Известно, что рассеиваемая в среде акустическая мощность пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления распространяемой в ней упругой гармонической волны [28]. Поэтому искомый диапазон представляет собой функцию температуры

Техническим результатом изобретения является получение, в том числе в непрерывном режиме, обладающей высокой дисперсность фазы эмульсии за счет гидратации полярных молекул компонентов среды сонохимически обработанной перед смешиванием с ней водой с минимальной для любой температуры процесса затратой энергии на обработку ее в кавитационном реакторе.

Этот технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве для приготовления олеофильной эмульсии, включающем магистрали подвода среды и фазы (воды) и отвода готовой эмульсии, предварительный смеситель, а также роторно-пульсационный диспергатор смеси, отличие состоит в том, что в магистраль подачи воды перед предварительным смесителем встроен кавитационный реактор, а в способе гидратации полярных молекул компонентов среды эмульсии в процессе ее приготовления в устройстве по п.1, когда перед смешиванием со средой воду сонохимически обрабатывают в кавитационном реакторе при амплитуде звукового давления в ней, не меньшей, чем амплитуда синпериодического режима кавитации, отличие состоит в том, что на обработку 1 м³ воды с температурой t°C затрачивают акустической энергии.

На Фиг.1 в аксонометрии показан общий вид кавитационного реактора, с помощью которого была осуществлена практическая оптимизация процесса приготовления мазутно-водной эмульсии, описанная в изложении сущности изобретения. На виде обозначены детали реактора: 1 - корпус, 2 - согласующий акустический трансформатор, присоединяемый резьбовым соединением к источнику колебаний (акустическому излучателю), 3 - резонансный рефлектор, 4 - шторки диафрагмы для профилирования потока воды через реактор относительно зоны действия кавитации, 5 - напорный (внизу) и расходный штуцеры. Пунктиром в плоскости диафрагмы показаны изолинии плотности эрозионной мощности кавитации [22]. Цифрами на них указаны относительные значения (относительно среднего по объему, занимаемому упругой волной) этой величины.

На Фиг.2 изображена схема экспериментального стенда, на котором были получены экспериментальные данные для практической оптимизации процесса сонохимической обработки воды для гидратации полярных молекул компонентов мазута в процессе приготовления мазутно-водных эмульсий.

На Фиг.3 приведена фотография с сайта излучателя аппарата UIP4000 с согласующим волноводом. Цифрами обозначены: 20 - электроакустический преобразователь в корпусе; 21 - волновод гантельного типа для передачи колебаний в жидкую среду; 22 - одна гантель из шести принадлежащих монолитному волноводу (обведена пунктиром).

Приведенное в описании сущности изобретения сравнение его с наиболее близким аналогом, характеризующим уровень техники в области предмета изобретения в части способа, показывает, что отличительный признак его является существенным по отношению к техническому результату и реализуется только в совокупности с отличительным признаком изобретения в части устройства. Заявителем не выявлено каких-либо известных решений, касающихся аналогичных требований к устройству для приготовления мазутно-водных эмульсий в отношении наличия в его составе технического средства для сонохимической обработки воды, используемой в качестве фазы водно-мазутных эмульсий, и в отношении удельной энергии такой обработки.

Предлагаемые устройство и способ в промышленном масштабе могут быть реализованы, например, путем монтажа на магистрали подвода воды установки для приготовления водно-мазутных эмульсий типа ИСУ-7 [15] или прототипа в качестве реактора для сонохимической обработки этой воды ультразвукового индустриального процессора UIP4000 производства фирмы Hielscher Systems GmbH (Германия). Он при КПД 90% имеет акустическую мощность Р_ас=3,6 кВт [29], передаваемую волноводом с шестью гантелями в воду. Излучающими плоские волны поверхностями волновода являются n плоских колец с внутренним диаметром 2R₁=0,05 м, наружным 2R₂=0,065 м и один круг диаметром 0,065 м (Фиг.3). Амплитуда звукового давления у имеющей площадь S плоскости, через которую в воду передается акустическая мощность, равна [28]. Поэтому развиваемая волноводом в воде амплитуда превышает амплитуду, удовлетворяющую синпериодическому режиму кавитации вплоть до температуры воды в 112°C, что можно легко вычислить, пользуясь приведенными данными и формулой изобретения. Из них также можно определить, что UIP 4000 может выполнять даже при такой температуре обработку воды с производительностью 0,3 м³/ч. Зато при 22°C и атмосферном давлении в реакторе его максимальная производительность будет 3,0 м³/ч. Это в рамках номинальной производительности диспергатора [15] позволит приготовлять 20 м³/ч мазутно-водной эмульсии с содержанием 15% воды по объему. А при 60°C и давлении 0,116 МПа производительность по воде будет 1,9 м³/ч, что позволит производить 19 м³/ч 10%-ной эмульсии. При этом ее дисперсность будет выше, чем у полученной из обычной воды. Вещества, составляющие структурно-механический слой на границе фазы в ней, будут в большей степени гидратированы, следовательно, будут обладать большей смачиваемостью и поверхностной активностью.

Горение такой топливной смеси отличается от горения эмульсий, производимых прототипом, и происходит следующим образом. В силу большей дисперсности водной фазы и более плотного стуктурно-механического слоя на ее поверхности давление внутри ее капелек всегда выше. Поэтому их вскипание происходит при более высоких температурах и имеет эксплозивный характер. Это обеспечивает лучшее распыление мазутной среды, следовательно, большую площадь контакта с кислородом при горении, следовательно, более интенсивное горение и более полное сгорание. Кроме того, при еще более высоких температурах будет идти пиролиз воды, вошедшей в состав гидратированных полярных молекул, сопровождающийся выделением водорода. В смеси с продуктами испарения тяжелых компонентов мазутной среды типа угля и смолисто-асфальтеновых соединений этот водород образует различного вида горючие газы, которые имеют теплотворную способность, превышающую энергию, затрачиваемую на пиролиз связанной воды. Если учесть, что, разлагаясь под действием температуры, сонохимически синтезированная в воде перекись водорода выделит сильный окислитель - атомарный кислород, равномерно распределяющийся в парах горючего, то сгорание (окисление) образованных горючих газов повысит теплотворную способность полученной мазутно-водной эмульсии.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения с помощью него технического результата изобретения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фукс Г.И. Вязкость и пластичность нефтепродуктов. - Москва-Ижевск: Изд. ИКИ, 2003.

2. Акбарзаде К. и др. Асфальтены: проблемы и перспективы. // Нефтегазовое обозрение. Лето 2007, с.28-53.

3. Ермаков С.А., Мордвинов А.А. О влиянии асфальтенов на устойчивость водонефтяных эмульсий. // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2007.

4. Сергиенко С.Р., Таимова Б.А., Талалаев Е.И. Высокомолекулярные соединения нефти. - М.: Наука, 1979.

5. Тронов В.П. Промысловая подготовка нефти. - М.: Недра, 1977.

6. Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов. - Л.: Недра, 1989.

7. Шнеэ Я.И., Хайновский Я.С. Газовые турбины. - Киев: Вища школа, 1977.

8. Исаев А.П., Климова Е.В., Колосов К.К. Направления повышения технического уровня судовых энергетических установок. // Вестник Астраханского гос. техн. ун-та. Морская техника и технология, 1, 2009.

9. Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Румынский А.А. Комплексная экосовместимая технология сжигания водо-мазутной эмульсии и природного газа с добавкой сбросных вод. // Теплоэнергетика, 9, 1996.

10. http://www.ship-service.ru/en/20090818171/fuel-mill-mc-homogenizer.html

11. Кройт Г.Р. Наука о коллоидах., т.1. - М.: Изд. ин. литературы, 1955.

12. Ребиндер П.А. Избранные труды. - М.: Наука, 1978.

13. Margulis М.A. Sonochemistry and Cavitation. - London: Gordon & Breach, 1995.

14. Шамб У., Сеттерфильд Ч. и Вентворс Р. Перекись водорода. - М.: ИИЛ, 1958.

15. Установка для приготовления водно-мазутных эмульсий ИСУ-7. // ТУ 5130-003-8194-82-1999.

16. Шестаков С.Д. Кавитационный реактор как средство приготовления и стабилизации эмульсий для хлебопекарной промышленности. // Хранение и переработка сельхозсырья, 3, 2003.

17. Зацепина Г.Н. Свойства и структура воды. - М.: МГУ, 1974.

18. Jinesh K.В., Frenken J.W.М. Experimental evidence for ice formation at room temperature. // Physical Review Letters, 101, 2008, 036101.

19. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: Заблуждения и реальность. // Хранение и переработка сельхозсырья, ч.1, 4, 2004; ч.2, 10, 2004.

20. Шестаков С.Д. Управление гидратацией биополимеров пищевых сред. // в кн. Теоретические основы пищевых технологий. / Под ред. акад. В.А.Панфилова. - М.: КолосС, 2009.

21. Аппарат «Сиринкс» для кавитационной дезинтеграции и жидких пищевых сред и воды. Руководство по эксплуатации СИТБ. 443146.005-01 ТУ.

22. Шестаков С.Д. Многопузырьковая акустическая кавитация: математическая модель и физическое подобие. // Электронный журнал «Техническая акустика», http://www.ejta.org, 2010, 14.

23. Физика акустической кавитации в жидкостях. / Г.Флинн. - в кн.: Методы и приборы ультразвуковых исследований. // Под ред. У.Мэзона. - М.: Мир, т.1, ч.«Б», 1967.

24. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции.- М.: ЕВА-пресс, 2001.

25. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. - М.: Мир, 1974.

26. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. - М.: Мир, 1985.

27. Ультразвуковые преобразователи. // Под ред. Е. Кикучи. - М.: Мир, 1972.

28. Горелик Г.С. Колебания и волны. - М.: ИФ-МЛ. - 1959.

29. Физический энциклопедический словарь. / Под ред. A.M.Прохорова. - М.: Советская энциклопедия, 1984.

30. Краткий справочник по химии. / Под ред. О.Д.Куриленко. - Киев: Наукова думка, 1974.

31. http://www.hielscher.com

32. Шестаков С.Д., Бефус А.П. Формулирование критерия подобия сонохимических реакторов при обработке сред, не обеспечивающих акустического резонанса. // Деп. в ВИНИТИ РАН, №840-В2008.

Изобретение относится к получению обратных (олеофильных) эмульсий и может применяться в энергетике, на транспорте и в строительстве, а также для получения эмульсионных продуктов питания из растительных жиров. В процессе приготовления эмульсии осуществляют предварительное смешивание и обрабатывают смесь в роторно-пульсационном диспергаторе. Перед смешиванием со средой воду сонохимически обрабатывают в кавитационном реакторе при амплитуде звукового давления в ней, не меньшей, чем амплитуда синпериодического режима кавитации. На обработку одного кубического метра воды с определенной температурой затрачивают определяемое по формуле количество мегаджоулей акустической энергии. Техническим результатом изобретения является получение, в том числе в непрерывном режиме, эмульсии с минимальной для любой температуры процесса затратой энергии на обработку ее в кавитационном реакторе. 3 ил.

Способ гидратации полярных молекул среды олеофильной эмульсии в процессе ее приготовления путем предварительного смешивания компонентов и обработки смеси в роторно-пульсационном диспергаторе, когда перед смешиванием со средой воду сонохимически обрабатывают в кавитационном реакторе при амплитуде звукового давления в ней не меньшей, чем амплитуда синпериодического режима кавитации, отличающийся тем, что на обработку одного кубического метра воды с температурой t°C затрачивают
мегаджоулей акустической энергии.