Предлагаемое изобретение относится к способу приготовления эмульсии, в которой содержится первая жидкость и вторая жидкость, причем указанный способ включает стадию диспергирования первой жидкости во второй жидкости.
В области техники приготовления эмульсий общеизвестным является тот факт, что чем меньше капли по размеру, тем дольше эмульсия будет оставаться стабильной.
Известны различные способы приготовления эмульсии из несмешивающихся жидкостей, в некоторых случаях - с использованием стабилизатора для повышения стабильности приготовленной эмульсии. Один из таких способов включает в себя распыление первой жидкости на мелкие капли, например, путем вращения лопастной мешалки в резервуаре, в котором содержится первая жидкость и вторая жидкость, или путем использования ультразвука на предварительной смеси указанных жидкостей.
Способ в соответствии с преамбулой известен из патента US 7629390, в котором представлено описание процесса получения стабильной эмульсии типа «вода в масле» с помощью перемешивания и перекачки.
Целью настоящего изобретения является предоставление другого возможного способа.
В связи с этим, отличительные характеристики способа в соответствии с преамбулой заключаются в том, что такой способ включает в себя:
- перекачивание первой жидкости через впрыскивающее сопло для создания распыленной струи водяных капель первой жидкости, где первая жидкость впрыскивается в сосуд, обеспечивая свободную длину пути для распыленной струи из сопла, которая превышает глубину проникновения распыленной струи во второй жидкости, и впрыск первой жидкости выполняется за несколько стадий впрыска; и
- впрыскивание созданных таким образом капель первой жидкости во вторую жидкость так, чтобы значение Q, где Q равно квадрату скорости капель, где скорость представляет собой скорость первой жидкости на выходе из сопла в воздушной среде при стандартной температуре (20°С) и давлении окружающего воздуха (1 атм),
составляет не менее 225 м2/с2;
со значением W, где
W представляет sg*Q*d, разделенное на St, а
- sg - удельная плотность первой жидкости в кг/м3
- d - средний диаметр капель по Заутеру на участке распыленной струи длиной один метр, вылетающей из впрыскивающего сопла в воздушной среде, и
- St - поверхностное натяжение первой жидкости в ньютонометрах;
составляет как минимум 250 кг*м/Н*с2.
Высокая скорость вызывает нагнетание капель распыленной струи с помощью сопла для дальнейшего рассеивания во второй жидкости, то есть в объеме самой второй жидкости, уменьшая или устраняя необходимость подвергать полученную эмульсию дополнительному воздействию эмульгирующих сдвигающих усилий с использованием дополнительных средства механизации (такие как лопастная мешалка, шестерни шестеренчатого насоса, эмульсификатор, и т.д.), что также привело бы к повышению температуры второй жидкости, и, соответственно, к снижению энергоэффективности. Этот процесс приводит к тому, что капли первой жидкости, например, воды, которые рассеиваются во второй жидкости, например, в топливе, таком, как дизельное топливо, даже без перемешивания, хотя предпочтительной является одновременная или последующая гомогенизация. Этот способ позволяет получать эмульсию относительно быстро и в значительных количествах. Объем необходимого оборудования относительно небольшой.
Поскольку распыление первой жидкости происходит почти сразу после впрыска, время обработки для приготовления эмульсии может быть уменьшено. Кроме того, этот способ позволяет при необходимости получать эмульсии в малых объемах в каждый отдельно взятый момент времени. Этот способ также подходит для непрерывного приготовления, что будет предпочтительно для многих сфер применения, в которых используются эмульсии во всем мире.
Используя сосуд, обеспечивающий свободную длину пути для распыленной струи из сопла, которая превышает глубину проникновения распыленной струи во второй жидкости, предотвращается оседание первой жидкости на стенке, противоположной соплу. Ширина контейнера должна быть выбрана таким образом, чтобы она была больше ширины распылительного конуса сопла. Количество, вводимое во время впрыска, обычно составляет менее 5 мл за впрыск (импульс), предпочтительно менее 2 мл за впрыск, более предпочтительно менее 1 мл за впрыск. Такое низкое дозирование путем впрыска первой жидкости выполняется в более чем одной стадии впрыскивания и полезно в случае непрерывного впрыскивания и импульсного впрыскивания, с рециркуляцией или нет, и, по-видимому, приводит к более высокой стабильности полученной эмульсии. В настоящее время рециркуляция предпочтительна.
Распределение размера капель следует определять с помощью фазового доплеровского анализатора частиц, в частности, путем использования фазового доплеровского анализатора частиц производства компании TSI Incorporated. Используя значение плотности первой жидкости, можно рассчитать массу для капель такого размера. С помощью такого устройства подобным образом определяют средний диаметр капель по Заутеру.
Впрыск первой жидкости во вторую жидкость можно осуществлять через просвет, как например воздушный просвет, между соплом и второй жидкостью, но было установлено, что впрыск между соплом и второй жидкостью осуществляется эффективнее, т.е. когда сопло погружено во вторую жидкость. Было обнаружено, что это уменьшает образование пены.
В важной сфере применения предлагаемого изобретения первая жидкость представляет собой водосодержащую жидкость, предпочтительно воду, а вторая жидкость представляет собой жидкость, содержащую углеводород, в частности, топливо, такое как жидкое топливо. К предпочтительным видам топлива относятся бензин и керосин, а наиболее предпочтительным является дизельное топливо. Приготовленные эмульсии можно использовать для достижения значительной экономии топлива. Например, дизельная эмульсия будет содержать от 0,2 до 10 объемных процентов воды, предпочтительно от 1 до 7 объемных процентов. А бензиновая эмульсия, к примеру, будет содержать 0,1-2 объемных процента, предпочтительно 0,2-1,5 объемных процента.
В целом, перепад давления над соплом составит как минимум 10 бар, а предпочтительно - как минимум 15 бар, позволяя осуществлять впрыск создаваемых капель относительно небольшого размера. На практике используемые перепады давления будут намного выше, например, как минимум 20 бар, предпочтительно - как минимум 30 бар.
Эта важная сфера применения вовсе не означает, что другие сферы применения не являются важными. В действительности, способ, основанный на изобретении, может при необходимости использоваться для приготовления эмульсий для пищевой или фармацевтической промышленности.
В том случае, когда вторая жидкость включает в себя топливо, способ был признан предпочтительным в том случае, если топливная эмульсия содержит маннит, который, согласно результатам исследований, стабилизирует эмульсию и помогает поддерживать стабильность эмульсии при температуре ниже 0°С.
Если первая жидкость является водой, вода может быть любой, но, в частности, в случае использования топлива в качестве второй жидкости, предпочтительно использовать воду с электропроводностью более 50 пСм/см, предпочтительно более 100 пСм/см (оба значеня были измерены при температуре 25°С. Обнаружено, что это оказывает стабилизирующее действие по сравнению с водой с более низкой электропроводностью.
При использовании способа, основанного на изобретении, рекомендуется не допускать локальных высоких концентраций первой жидкости во второй жидкости. Этому может способствовать импульсный впрыск, поскольку импульс впрыска переносит вторую жидкость, в результате чего свежая вторая жидкость перемещается к передней части впрыскивающего сопла. Однако предпочтительной является активная гомогенизация и/или удаление эмульсии, образованной на входе сопла. Это может быть достигнуто путем перемешивания, перекачки и т.д.
Для получения максимального выхода эмульсии нельзя допускать, чтобы капли, вылетающие из сопла и перемещающиеся через вторую жидкость, попали на противоположную стенку резервуара или другой камеры, в которой осуществляется впрыск. Тем не менее, в соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, эмульсия, которая образуется относительно близко к впрыскивающему соплу, отделяется от первой жидкости, которая переместилась на определенную длину пути от сопла. Эффект заключается в наличии возможности выбора относительно более мелких капель, вылетающих из сопла, скорость которых снижается быстрее в сравнении с более крупными каплями.
Предпочтительным является вариант, в котором первая жидкость представляет собой водосодержащую жидкость. Вторая жидкость предпочтительно является жидкостью, которая не смешивается с водой.
Способ может включать добавление присадок, таких как стабилизатор эмульсии, которые являются хорошо известными в этой области техники.
Значение Q можно рассчитать, используя значение скорости первой жидкости на выходе из сопла в воздушной среде при стандартной температуре (20°С) и давлении окружающего воздуха (1 атм). Эту скорость на выходе можно рассчитать, используя значения расхода через впрыскивающее сопло и площади поперечного сечения отверстия впрыскивающего сопла.
Распыленная струя не является сплошной струей жидкости, даже в том случае, когда сплошная струя, на большой скорости вылетающая из сопла, может сопровождаться каплями. Распыленная струя состоит из капель. В любом случае более 90% по объему первой жидкости, впрыскиваемой соплом для создания распыленной струи, будет в виде капель, предпочтительно - более 98% по объему, а предпочтительнее и типичнее всего вся первая жидкость должна быть в виде капель.
Предпочтительным является вариант, в котором капли впрыскиваются на более высокие скорости, чтобы значение Q составляло как минимум 900 м2/с2, а еще предпочтительнее - как минимум 2209 м2/с2. Это приводит к образованию эмульсий, которые будут оставаться стабильными в течение более длительных периодов времени.
Как правило, диаметр капель распыленной струи не превышает 200 микрометров. Предпочтительно, чтобы диаметр капель распыленной струи составил не больше 100 микрометров, еще предпочтительнее - не больше 75 микрометров, и предпочтительнее всего - не больше 50 микрометров.
Предпочтительно, чтобы капли распыленной струи имели средний диаметр капель по Заутеру меньше 100, предпочтительнее - меньше 40 микрометров, еще более предпочтительнее - меньше 15 микрометров, и предпочтительнее всего - меньше 6 микрометров. Это позволяет получить эмульсии, которые достаточно долго сохраняют стабильность для использования в качестве топлива. К тому же, это уменьшает риск попадания капель на противоположную стенку, что может привести к коалесценции.
WO 2012011873 и GB 2233572 раскрывают способ приготовления эмульсии путем впрыскивания из сопла сплошной струи воды, то есть не распыленной струи воды, в высокотурбулентную вторую жидкость. Условия высокотурбулентного перемешивания требуют значительного количества энергии, что приводит к повышению температуры полученной эмульсии. Это оказывает негативное воздействие на ее стабильность.
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, температура первой жидкости как минимум на 10°С превышает температуру второй жидкости.
Таким образом, снижается вязкость и/или поверхностное натяжение первой жидкости, что способствует распылению во второй жидкости. Предпочтительная разность температур должна составлять не меньше 20°.
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, перед распылением выполняется как минимум одна операция из: i) нагревается первая жидкость, и ii) охлаждается вторая жидкость.
Повышение температуры обычно производится при температуре не ниже 5°С, предпочтительно - как минимум 10°С, а еще предпочтительнее - как минимум 20°С.
Аналогично этому, понижение температуры обычно будет производиться при температуре не ниже 5°С, предпочтительно - как минимум 10°С, а еще предпочтительнее - как минимум 20°С. В случае, когда способ применяется с устройством на транспортном средстве, таком как легковой или грузовой автомобиль, для охлаждения второй жидкости (включая эмульсию, в которой содержится вторая жидкость), в которую впрыскивается первая жидкость, можно использовать кондиционер. Тепло от двигателя может использоваться для нагревания первой жидкости.
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, значение W составляет как минимум 500 кг*м/Н*с2, предпочтительно - как минимум 960 кг*м/Н*с2, предпочтительнее - как минимум 1250 кг*м/Н*с2, еще более предпочтительнее - как минимум 2500 кг*м/Н*с2, а предпочтительнее всего - как минимум 5000 кг*м/Н*с2.
В результате этого получаем более стабильную эмульсию. Этот вариант является еще более предпочтительным, если значение W превышает 8*103 кг*м/Н*с2, в частности, превышает 104 кг*м/Н*с2. Для значений W, превышающих 960 кг*м/Н*с2 или больше, предпочтительным является вариант, в котором значение Q равно как минимум 900 м2/с2.
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, впрыск осуществляется с колеблющимся расходом первой жидкости, перекачиваемой к впрыскивающему соплу.
За счет колебания впрыска первой жидкости во вторую жидкость, предпочтительно циклично, было установлено, что стабильность полученной эмульсии повысилась. Это может быть вызвано снижением риска локальных высоких концентраций впрыскиваемой первой жидкости, например, обусловленным тем, что впрыскиваемая первая жидкость удалилась от сопла и ее заменила свежая вторая жидкость. Термин «колебания» означает, что на любом отрезке времени длительностью 1 минута наименьший расход не превышает 30% от максимального расхода за этот интервал времени, предпочтительно меньше 10%, а предпочтительнее всего - 0%. Предпочтительно наличие множества периодов, в которые наблюдается такой низкий расход, с длительностью импульса, например, меньше 1 секунды, предпочтительно меньше 0,2 секунды, а еще предпочтительнее - меньше 0,05 секунды. Количество, которое впрыскивается за один импульс, обычно не превышает 5 мл за период, предпочтительно меньше 2 мл за период (импульс), а еще предпочтительнее - меньше 1 мл за период.
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, вторая жидкость проходит через впрыскивающее сопло.
Это активное движение второй жидкости снижает риск локальных относительно высоких концентраций первой жидкости, что может привести к ее коалесценции и снизить тем самым стабильность эмульсии, в частности, к отделению первой жидкости от эмульсии.
Приемлемым способом работы является непрерывное распыление первой жидкости, при котором расход второй жидкости является относительно высоким по сравнению с расходом первой жидкости, например, в соотношении как минимум 70, предпочтительно - как минимум 120, предпочтительнее - как минимум 200, а предпочтительнее всего - как минимум 400. Относительные низкие соотношения подходят для однопроходного впрыска, тогда как более высокие соотношения предпочтительны для многопроходных впрысков с рециркуляцией образованной эмульсии или для образования однопроходной эмульсии с несколькими последовательными впрысками на выходе друг друга. Предпочтительным является вариант, в котором в месте в месте впрыска первой жидкости число Рейнольдса второй жидкости не превышает 25000, еще предпочтительнее - меньше 22000, еще более предпочтительнее - меньше 17000, а предпочтительнее всего - меньше 12000, чтобы уменьшить энергию, необходимую для приготовления эмульсии и/или не допустить значительного повышения температуры, которое может оказывать негативное воздействие на стабильность полученной эмульсии.
Полученная эмульсия может быть гомогенизирована перед выполнением впрыска дополнительного количества первой жидкости, например, путем расположения двух или большего количества впрыскивающих сопел на пути потока для обеспечения постадийного впрыска с целью постепенного получения необходимой концентрации первой жидкости в эмульсии. Количество последовательных впрысков составляет, например, не меньше 5, предпочтительно - не меньше 10.
Вторая жидкость может проходить в первом направлении вдоль по соплу, а впрыск первой жидкости выполняется во втором направлении, причем первое направление имеет угол наклона ко второму направлению, который составляет от 30 до 180 градусов (где 180° - угол, при котором среднее направление распыленной струи является таким же, как среднее направление потока второй жидкости), предпочтительно между 45 и 135 градусами.
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, впрыск первой жидкости выполняется за несколько стадий впрыска.
Такая низкая дозировка полезно в случае непрерывного впрыска и импульсного впрыска, с рециркуляцией или без рециркуляции, и, по всей видимости, приводит к повышенной стабильности полученной эмульсии. Как правило, рециркуляция является предпочтительной. Количество, впрыскиваемое за один импульс, обычно не превышает 5 мл за период, предпочтительно - меньше 2 мл за период (импульс), а еще предпочтительнее - меньше 1 мл за период.
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, используется циркуляционный контур, содержащий участок впрыска, на котором выполняется впрыск первой жидкости, а способ включает в себя стадию циркуляции эмульсии, в которой содержится вторая жидкость, через циркуляционный контур перед впрыском в указанную эмульсию большего количества первой жидкости.
Таким образом, концентрация первой жидкости постепенно возрастает, и было установлено, что она благоприятна для образования относительно более стабильных эмульсий. Количество стадий впрыска предпочтительно составляет как минимум 5, а предпочтительнее - как минимум 10. Рециркуляция способствует гомогенизации и снижает риск локальных высоких концентраций, которые могут гораздо скорее привести к коалесценции первой жидкости. Гомогенизацию можно улучшить любым образом, например, с помощью статического смесителя (например, ниже по потоку или на участке впрыска, но слегка выше по потоку также подойдет), насоса, используемого для рециркуляции, средства для активного перемешивания, такого как низкоскоростная лопастная мешалка. Циркуляционный контур представляет собой контур, который включает в себя один или несколько трубопроводов, насос, а также один или несколько регулирующих клапанов, известных в этой области техники.
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, используется циркуляционный контур, который включает в себя:
- участок впрыска, на котором выполняется впрыск первой жидкости, а также
- отстойник;
и способ включает в себя стадию слива отделенной первой жидкости из указанного отстойника.
Если первая жидкость будет отделяться от эмульсии, она будет накапливаться в отстойнике. Такой отстойник, например, является полезным в том случае, если циркуляционный контур в течение длительного времени не используется, но при этом в нем содержится эмульсия. Если плотность первой жидкости ниже плотности второй жидкости, она всплывет на поверхность, а термин «отстойник» участок циркуляционного контура, в котором накапливается первая жидкость.
Предпочтительно выполняется повторный впрыск отделенной первой жидкости. Это обеспечивает повторное использование отделенной первой жидкости, уменьшая тем самым количество вырабатываемых отходов.
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, как минимум одна из жидкостей, либо i) первая жидкость, либо ii) вторая жидкость, проходят стадию дегазации перед впрыском капель во вторую жидкость.
Обнаружено, что, по всей видимости, это приводит к улучшению образования более мелких капель. Дегазацию (удаление воздуха) можно выполнять любым образом, например, путем изменения температуры и/или снижения давления. В любом случае предпочтительным является вариант, в котором свободный газ отсутствует. Еще более предпочтительным является вариант, в котором как минимум одна из жидкостей - либо первая, либо вторая - не насыщена газами; предпочтительно, чтобы обе жидкости не были насыщены газами.
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, первая жидкость впрыскивается в сосуд, обеспечивая свободную длину пути для распыленной струи из сопла, которая превышает глубину проникновения распыленной струи во второй жидкости.
Таким образом избегают коалесценции первой жидкости у стенки, противоположной соплу. Ширину резервуара следует подобрать таким образом, чтобы она превышала ширину конуса распыленной струи из сопла.
Кроме того, предлагаемое изобретение имеет отношение к устройству для приготовления эмульсии, в которой содержится первая жидкость и вторая жидкость; указанное устройство включает следующие компоненты:
- камера, и
- орган для диспергирования первой жидкости во второй жидкости, причем орган содержит впрыскивающее сопло с впускным отверстием для первой жидкости и выпускным отверстием для возникающих капель первой жидкости, впрыскивающее сопло, которое открывается в камере, причем устройство также содержит насос для перекачивания первой жидкости к впрыскивающему соплу, а насос и впрыскивающее сопло способны создавать струю водяных капель в воздушной среде со скоростью на выходе Q, где Q равно квадрату скорости капель на выходе и составляет как минимум 225 м2/с2.
Такое устройство подходит для практического применения способа, основанного на изобретении. Устройство, основанное на изобретении, подходит для прерывистой эксплуатации и в непрерывном режиме в необходимом объеме.
Необходимо отметить, что в рассматриваемой сфере применения в сочетании с впрыскивающим соплом термин «насос» является функциональным термином и означает любые средства, которые способны передать первую жидкость через сопло и в то же время образовать распыленную струю капель, например, поршневой насос, лопастная мешалка, и/или резервуар со сжатым воздухом. Типичный перепад давлений, необходимый для достижения вышеупомянутого минимального значения Q через впрыскивающее сопло, составляет 7 бар или выше, как например 10 бар или выше. Если впрыскивающее сопло содержит стопорный клапан для предотвращения утечки, значения давления упоминаются перед «чистыми» значениями, то есть значениями перепада давлений, которое можно измерить в пределах впрыскивающего сопла, минус значение давления, необходимого для преодоления стопорного клапана.
В отношении этого независимого пункта формулы изобретения термин «воздушная среда» означает воздух при атмосферном давлении (1 бар) при температуре 20°С.
Предпочтительным является вариант, в котором устройство способно впрыскивать капли со значением Q как минимум 900 м2/с2, предпочтительно - как минимум 2209 м2/с2. Такое устройство способно готовить эмульсии, которые являются более стабильными, чем эмульсии, приготовленные устройствами, которые способны достигнуть меньших значений Q.
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, устройство содержит:
- гидравлический клапан, устанавливаемый между насосом и впрыскивающим соплом, а также
- блок управления, предназначенный для управления указанным гидравлическим клапаном для изменения расхода первой жидкости, перекачиваемой к впрыскивающему соплу.
Это позволяет эксплуатировать устройство в импульсном режиме.
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, устройство содержит дополнительный насос для перекачивания второй жидкости через камеру.
Это позволяет снизить риск локальных повышенных концентраций первой жидкости, что может привести к ее коалесценции и повлечь за собой сниженную стабильность образовавшейся эмульсии. Насос может быть любым насосом, и для большинства сфер применения ему необходимо будет работать только при пониженном давлении, например, меньше 1 бар избыточного давления (по сравнению с атмосферным давлением).
В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением, устройство включает в себя циркуляционный контур, а указанный циркуляционный контур, в свою очередь, включает в себя:
- циркуляционный насос для обеспечения циркуляции эмульсии,
- впускное отверстие для жидкости, в которой содержится вторая жидкость, а также
- выпускное отверстие для слива эмульсии.
Участок впрыска может находиться между впускным отверстием для жидкости, в которой содержится вторая жидкость, и/или он может быть частью циркуляционного контура. Последнее конструктивное исполнение предусматривает постепенное повышение концентрации первой жидкости в эмульсии в циркуляционном контуре, предотвращая тем самым локальные высокие концентрации указанной первой жидкости. В этом случае вышеупомянутый дополнительный насос будет циркуляционным насосом. Оба конструктивных исполнения предусматривают возможность гомогенизации в циркуляционном контуре. Используется уже известная циркуляционная система для передачи топлива в двигатель внутреннего сгорания транспортного средства, такого как грузовой автомобиль. Эта циркуляционная система предпочтительно является частью устройства, основанного на изобретении.
И наконец, предлагаемое изобретение относится к транспортному средству, которое включает в себя двигатель внутреннего сгорания для приведения транспортного средства в движение, причем транспортное средство содержит устройство, соответствующее любому из пунктов формулы изобретения 10-13, а отверстие для выпуска эмульсии устройства подсоединено для передачи жидкости к топливоподводу указанного двигателя внутреннего сгорания.
Примерами типов транспортных средств, в которых устройство может быть успешно применено, являются, в частности, мотоциклы, легковые автомобили, грузовые автомобили, суда и самолеты.
Далее изобретение будет наглядно показано со ссылкой на приведенный ниже раздел с примерами и со ссылкой на чертежи в них.
На фигуре 1 показана принципиальная схема первого конструктивного исполнения устройства, основанного на изобретении, подготовленного для изготовления партиями.
На фигуре 2 показана принципиальная схема второго конструктивного исполнения устройства, основанного на изобретении, подготовленного для изготовления партиями.
На фигуре 3а показана схема боковой проекции по высоте третьего конструктивного исполнения устройства, основанного на изобретении, подготовленного для изготовления партиями.
На фигуре 3b показана схема поперечного сечения устройства, представленного на фигуре 3а.
На фигуре 4 показана схема четвертого конструктивного исполнения устройства, основанного на изобретении, подготовленного для изготовления партиями.
На фигуре 5 показана схема боковой проекции транспортного средства, в котором содержится устройство, основанное на изобретении.
На фигуре 1 показано устройство 100 для приготовления эмульсии, в котором содержится первый сосуд 101, выступающий в качестве технологического аппарата и оборудован питающим трубопроводом 102 для водосодержащей первой жидкости, питающим трубопроводом 103 для второй жидкости, и нагнетательным трубопроводом 104 для эмульсии. Питающий трубопровод 102 для водосодержащей первой жидкости содержит питающий насос 105, в данном примере рассматривается центробежный насос, и заканчивается инжектором 106. В показанном конструктивном исполнении инжектор представляет собой серийно выпускаемый инжектор, предоставленный компанией ERL ltd из Суссекса, BN10BHF, Великобритания, номер детали 806-508В.
Нагнетательный трубопровод 104 для эмульсии содержит клапан 107 для обеспечения прерывистой эксплуатации способа в первом сосуде 101.
Когда устройство эксплуатируется, технологический аппарат 101 сначала частично заполняется второй жидкостью, в этом примере - дизельным топливом, через питающий трубопровод 103, причем клапан 107 в это время перекрыт. В этом примере поверхностный уровень второй жидкости превышает поверхностный уровень нижнего края инжектора 106, на конце которого находится впрыскивающее сопло 108 (Aquamist 806-508 В, Aquamist, UK), расположенное внутри первого сосуда 101.
Далее запускается питающий насос 105, а водосодержащая первая жидкость, которая в этом примере является водопроводной водой, нагнетается и подается к инжектору 106, и, в частности, к его впрыскивающему соплу 108, а затем впрыскивается в дизельное топливо в первом сосуде 101.
Питающий насос 105 выбран и эксплуатируется для подачи достаточно высокого давления 10 к жидкости на выходе из питающего насоса 105, чтобы придать каплям воды, которые образуются с помощью впрыскивающего сопла 108, высокую скорость, т.е. кинетическую энергию, для распределения первой жидкости во второй жидкости в виде очень мелких частиц, и создания за счет этого относительно стабильной эмульсии.
Впрыск воды в дизельное топливо запускает циркуляцию дизельного топлива в первом сосуде 101, таким образом освежая вторую жидкость на входе впрыскивающего сопла 108. Тем не менее, длительный впрыск может привести к локальной относительно высокой концентрации капель воды и тем самым вызвать коалесценцию. Вторую жидкость предпочтительно следует перемешивать, чтобы не допустить этого.
Для улучшения контроля над процессом впрыска устройство 100 также оборудовано клапаном 109 и баком для хранения нагретой воды 110. Клапан 109 (серийно выпускаемый компанией ERL ltd из Суссекса, BN10BHF, Великобритания, номер детали 806-243В) приводится в действие компьютером 25 (не показан) для того, создавая возможность выполнять короткие импульсы, или дозы впрыска, в сосуд 101. Это дает больше времени на перемещение закачиваемой воды от сопла. Бак для хранения нагретой воды 110 служит для уменьшения воздействия от резкого открытия и закрытия клапана 109 на случай, если это может отрицательно сказаться на сроке службы 30 насоса 105.
Емкость первого сосуда 101 должна быть достаточно большой для того, чтобы не допустить сталкивания впрыскиваемой водосодержащей первой жидкости со стенкой указанного сосуда и/или не допустить такого размещения и ориентированности впрыска, при котором капли, вылетающие из сопла, могут попасть на стенку, поскольку там может накапливаться вода, что может привести к отделению воды вместо ее диспергирования в дизельном топливе.
Следует также понимать, что выбранное количество водосодержащей первой жидкости, которая впрыскивается в технологический аппарат, будет настолько малым, чтобы не допустить немедленной коалесценции воды, что снизило бы эффективность способа.
На фигуре 2 показано устройство 200, предназначенное для непрерывной обработки. Здесь сосуд 101 заменен на трубку 201, и показана только ее часть. Питающий трубопровод 202 для водосодержащей первой жидкости проходит от бака для хранения указанной первой жидкости 210 через питающий насос 205, и клапан 209 к трубе 201. На конце питающего трубопровода 202 находится инжектор 206 с впрыскивающим соплом 208. Вторая жидкость проходит через впрыскивающее сопло 208, которое направлено поперек направления, в котором осуществляется впрыск капель, обеспечивая тем самым осуществление впрыска в свежую вторую жидкость.
На выходе участка впрыска устройства 200 расположен статический смеситель 260, в данном случае - сетка, которая позволяет улучшить гомогенизацию эмульсии, приготовленной на участке впрыска, где сопло впрыскивает первую жидкость.
На фигурах 3а и 3b устройство 300 представляет собой модифицированную версию устройства 200, предназначенного для непрерывной обработки, показанного на фигуре 2; устройство 300 предназначено для массового производства эмульсии.
Питающий трубопровод 302 для водосодержащей первой жидкости оборудован питающим насосом 305 и заканчивается множеством (18) инжекторов 306, причем инжекторы 306 открываются в трубе 301 ив трех разных плоскостях А, В и С поперечного сечения трубы 301, по шесть в каждой плоскости, равномерно распределенные по всей длине окружности трубы 301 в соответствующей плоскости А, В или С.
Если смотреть вдоль продольного направления трубы 301, то инжекторы в плоскости В несколько смещены относительно инжекторов 306 в плоскости А, а инжекторы в плоскости С несколько смещены относительно инжекторов 306 в плоскости В. Это смещение служит для снижения риска локальных высоких концентраций первой жидкости.
Подача в трубу 301 осуществляется с помощью питающего насоса 351.
На фигуре 3b показан поперечный разрез вдоль плоскости I-I на фигуре 3а. Инжекторы 306 визуально заметны как распределенные по окружности трубы 301.
На фигуре 4 показана модифицированная версия устройства 100 для прерывистой обработки в соответствии с фигурой 1. Устройство 400 состоит из первого сосуда 401, который выступает в качестве технологического аппарата, второго сосуда 411, который выступает в качестве вторичного сосуда для отстаивания, и третьего сосуда 412, который выступает в качестве резервуара для хранения приготовленной эмульсии. Первый сосуд 401 оборудован питающим трубопроводом 402 для водосодержащей первой жидкости, который, в свою очередь, оборудован клапаном 418, питающим насосом 405, и клапаном 409, а на конце находится инжектор 406 с впрыскивающим соплом 408, которое расположено внутри первого сосуда 401.
Питающий трубопровод 403 для второй жидкости оборудован заправочным клапаном 413. Нагнетательный трубопровод 404 оборудован нагнетательным клапаном 407 и нагнетательным насосом 407а. Нагнетательный трубопровод 404 заканчивается на втором сосуде 411, а этот второй сосуд 411, в свою очередь, оборудован обратным трубопроводом 414, который заканчивается на первом сосуде 401. Кроме того, второй сосуд 411 оборудован спускным трубопроводом 415, который соединяет отстойник 480 второго сосуда 411 с дренажным насосом 416 и заканчивается, проходя через клапан 417, на питающем трубопроводе 402 для водосодержащей первой жидкости, после клапана 418 и перед питающим насосом 405.
Кроме того, устройство 400 оборудовано трубопроводом 419, который начинается во втором сосуде 411 и заканчивается в резервуаре 412, проходя через клапан 420 и насос 421.
Нагнетательный трубопровод 422 с клапаном 423 подсоединен к резервуару 412.
Принцип функционирования устройства 400 аналогичен принципу функционирования устройства 100 в отношении впрыска водосодержащей первой жидкости в первый сосуд 401 через питающий трубопровод 402 и его соединительные детали.
Принцип функционирования устройства 400 отличается от принципа функционирования устройства 100 в том плане, что жидкость в первом 401 циркулирует через второй сосуд 411.
В первую очередь первый сосуд 401 и второй сосуд 411 заполняют дизельным топливом через питающий трубопровод 403 и нагнетательный насос 404, причем нагнетательный насос 407а запущен. Спускной клапан 481 в спускном трубопроводе 415, а также клапан 417, в это время перекрыты.
Второй сосуд не заполняется полностью, чтобы оставить место для впрыскиваемой жидкости. Теперь запускается питающий насос 405 и выполняется впрыск водосодержащей первой жидкости (водопроводной воды) в первый сосуд 401. Нагнетательный насос 407а обеспечивает непрерывную рециркуляцию жидкости из первого сосуда 401 через нагнетательный трубопровод 404 ко второму сосуду 411 и обратно через обратный трубопровод 414 с помощью возвратного насоса 414а.
После впрыска необходимого количества водосодержащей первой жидкости во вторую жидкость и получения требуемой эмульсии открывается клапан 420 и запускается насос 421, в результате чего выполняется слив из двух сосудов 401 и 411 в резервуар 412. Оттуда жидкость перекачивается по нагнетательному трубопроводу 422.
Идея устройства 400 и, в частности, рециркуляции в нем, заключается в том, что количество водосодержащей первой жидкости, которая впрыскивается во вторую жидкость, в расчете на единицу времени является небольшим по сравнению с общим количеством впрыскиваемой водосодержащей первой жидкости, в частности, воды, и что это уменьшит риск коалесценции воды и, таким образом, увеличит процент воды, которая может удерживаться в эмульсии, не становясь нестабильной. Это было продемонстрировано в экспериментах, рассматриваемых ниже.
Если при любых обстоятельствах, например, когда эмульсия была приготовлена, а затем некоторое время постояла, вода отделилась от эмульсии во втором сосуде 411, эта вода опустится на дно, собирается в отстойнике 480 и может быть удалена через спускной клапан с помощью спускного трубопровода 415 и дренажного насоса 416, а также может быть введена снова через инжектор 406, через клапан 417.
Первый сосуд 401, второй сосуд 211, а также трубопроводы, соединяющие эти сосуды, вместе образуют циркуляционный контур 470.
Альтернативное устройство циркуляционного контура представляет собой трубу, концы которой замкнуты между собой. Впрыск капель первой жидкости и введение второй жидкости автоматически приводят к выбросу вырабатываемой эмульсии. Это позволяет задействовать способ приготовления эмульсии без присутствия газообразного (нерастворенного) газа. Необходимо проявлять осторожность, чтобы не допустить попадания капель на стенку трубы, например, путем введения под наклонным углом меньше 10° с направлением потока второй жидкости и соплом с относительно узким конусом распыленной струи.
На фигуре 5 схематически и в качестве примера показан грузовой автомобиль 599 как самоходное транспортное средство 599, которое состоит из двигателя внутреннего сгорания 530 и устройства, основанного на изобретении 500.
Кроме того, The truck 599 содержит бак для воды 572 и бак для дизельного топлива 571, которые подсоединены к устройству 500. В баке для воды 572 содержится нагретая вода, которая нагревается, в частности, за счет работающего двигателя 530. Эта вода используется для образования эмульсии типа «вода в дизельном топливе» с помощью устройства 500. Она временно хранится в баке для эмульсии типа «вода в дизельном топливе» 580.
Повышенная температура первой жидкости, в данном случае - воды, способствует рассеиванию воды при распылении, что, в свою очередь, способствует образованию относительно более стабильной эмульсии. Вместо этого или дополнительно может присутствовать средство нагрева, такой как электронагревательный элемент. Это также удобно для предотвращения замерзания воды.
Кроме того, или в дополнение к этому, вода может содержать маннит (например, как минимум 1 г/л), чтобы понизить температуру замерзания.
Грузовой автомобиль 599 включает в себя топливный циркуляционный контур 522, который, в свою очередь, является известным в этой области техники, соединяющим двигатель 530 с промежуточным топливным баком 570 для хранения топлива, предназначенного для использования в двигателе. Этот промежуточный топливный бак 580 подсоединен к баку для эмульсии типа «вода в дизельном топливе» 580 через топливный циркуляционный контур 523.
Кроме того, промежуточный топливный бак 570 подсоединен напрямую к баку для дизельного топлива 571 с помощью соединительного трубопровода 524.
При нормальном режиме функционирования двигатель 530 грузового автомобиля 599 работает на эмульсии типа «вода в дизельном топливе», которая подается из промежуточного топливного бака 570, который, в свою очередь, был заполнен из бака для эмульсии типа «вода в дизельном топливе» 580.
Если грузовой автомобиль на протяжении длительного времени стоял на месте, возможно, произошло отделение воды в промежуточном топливном баке 580. В таком случае содержимое промежуточного топливного бака 570 можно смыть в бак для эмульсии типа «вода в дизельном топливе» 580, откуда его можно передать через циркуляционный контур 525 к устройству 500 для повторной обработки. Кроме того, такое конструктивное исполнение позволяет смешивать чистое дизельное топливо с эмульсией типа «вода в дизельном топливе», чтобы предоставить возможность увеличить нагрев двигателя при управлении двигателем транспортного средства, тем самым изменив состав отработавших газов.
ЭКСПЕРИМЕНТ I
Установка, фактически соответствующая схеме на фигуре 4, использовалась для приготовления эмульсии типа «вода в дизельном топливе» путем использования способа из изобретения. Внутренние размеры первого сосуда 401 составили 80×25×110 мм (высота × ширина × глубина). Таким образом, первый сосуд 401 имел первую вертикальную стенку (шириной 25 мм и высотой 80 мм), а напротив первой вертикальной стенки - вторую вертикальную стенку аналогичных размеров.
По сравнению с фигурой 4, в экспериментальной установке были следующие отличия:
- Для подачи свежего дизельного топлива используется питающий трубопровод 403, который заканчивается на втором сосуде 411.
- Возвратный контур 414 и нагнетательный трубопровод 404 были подсоединены к первой вертикальной стенке, причем возвратный контур 414 был расположен в 2 см от верхней части, а нагнетательный трубопровод 404 был расположен в 2 см от уровня дна первого сосуда 401.
- Инжектор 406 был установлен во второй вертикальной стенке в 2 см от дна, т.е. лицевой частью к отверстию питающего трубопровода 414. Это дало возможность эксплуатации в противотоке с направлением распыленной струи из инжектора 406.
Первый сосуд 401 изготовлен из плексигласа с целью обеспечения возможности наблюдения за ходом эксперимента. Емкость второго сосуда 411 составила 3 литра.
Рециркуляционный насос 407а и возвратный насос 414а представляли собой мембранно-клапанные насосы такого типа, которые выпускаются серийно как бензонасосы для автомобилей с номинальным расходом примерно 100 мл/с.
Насосы и клапаны управлялись электронным способом с помощью компьютера 485 для контроля технологического процесса.
Сосуды 401 и 411 заполнялись дизельным топливом, и после этого заполнения между этими сосудами была запущена рециркуляция на низкой скорости, чтобы дать выйти воздуху и заполнить сосуд 401 полностью.
Затем скорость насоса была увеличена до расхода 100 мл/с и начался впрыск при перепаде давлений 11 бар.
Этот перепад давлений позволил получить распыленную струю мелких капель (т.е. не сплошную струю) со скоростью 47 м/с (скорость вычисляют, разделив значение расхода на значение диаметра сопла), которая была введена в дизельное топливо.
Впрыск был импульсным, с длительностью импульсов по 0,25 секунды и временем ожидания между последующими импульсами по 3 секунды. Полученная таким образом подача воды составляла приблизительно 0,64 мл на каждый импульс.
Данные по сущности изобретения:
1) Сопло производства Aquamist (Великобритания) с диаметром сопла 0,3 мм.
2) Рабочее давление: 11,5 бар.
3) Длительность импульса распыленной струи воды: 0,25 с.
4) Общая длительность циклов импульсов: включено-выключено: 0,25+1,50 с=1,75 с.
5) Температура воды: 21°С.
6) Температура дизельного топлива: 23°С.
7) Скорость потока дизельного топлива сквозь сопло: 5 см/с в противоположном направлении в виде распыленной струи.
8) Значение W определялось следующим образом: 1,5*103 кг*м/Н*с2.
Таким образом, объем воды, введенной на единицу времени, составил около 0,29% от объема расхода (который измерялся в одной единице времени), а конечная концентрация воды была увеличена до 5% воды по объему; для этого потребовалось выполнить рециркуляцию примерно 17 раз.
В ходе эксперимента была получена эмульсия типа «вода в дизельном топливе» зелено-белого цвета, которая не отделялась на протяжении всего процесса рециркуляции. После деактивации рециркуляционного насоса 407а и возвратного насоса 411а 20% воды в эмульсии отделилось через 10 минут. Из неотделенного остатка через один час отделилось примерно 15%, а из оставшейся смеси через 24 часа в итоге отделилось еще 10%. Оставшаяся неотделенная часть на тот момент имела желтый цвет и была светлой и слегка прозрачной. Она оставалась стабильной до самого конца эксперимента, который был завершен через две недели. Последние свойства также известны тем, что в эмульсиях типа «вода в дизельном топливе» размер капли воды не превышает 200 нанометров; это указывает на то, что через 24 часа отделились более крупные капли.
При использовании в дизельном двигателе легкового автомобиля эмульсия продемонстрировала потенциал снижения расхода топлива, даже когда доля воды в эмульсии составляла всего лишь 0,2% по объему. Добавление воды к горючей жидкости имеет известные полезные эффекты для работы двигателя внутреннего сгорания, работающего на таком топливе, в числе которых снижение уровня выбросов окислов азота и снижение расхода топлива, что, соответственно, приводит к сокращению затрат. Полезные эффекты, обусловленные присутствием воды в топливе, таком как дизельное топливо или бензин, возникают уже при относительно низкой концентрации воды. На приготовленной эмульсии типа «вода в дизельном топливе» всего в 0,25% от объема в соответствии с предлагаемым изобретением двигатель автомобиля Audi А2 работал заметно более плавно, причем уменьшилось количество сажи от сгорания топлива (выхлопов твердых частиц) и снизился расход топлива.
Эффект при относительно низкой концентрации воды является достаточно полезным, поскольку можно предположить, что любое коррозионное воздействие топливной эмульсии, основанной на изобретении, будет меньшим благодаря пониженному содержанию воды.
Вышеуказанный эксперимент был проведено повторно со следующими измененными параметрами:
- Длительность импульса: 0,07 секунды (равно 0,27 мл воды).
- Увеличенное количество импульсов для компенсации уменьшенного объема воды, подаваемой импульсами.
- Общая продолжительность цикла импульсов: 5 секунд, больше чем необходимо для полной промывки первого сосуда 101.
По сравнению с первым экспериментом улучшились результаты процесса эмульгирования.
После деактивации насосов 407а и насоса 411а через 10 минут отделилось 15% воды в эмульсии. Из неотделенного остатка через один час отделилось примерно 10%, а из оставшейся смеси через 24 часа в итоге отделилось еще 5%.
При повторении эксперимента с водой при температуре 50°С и W=1,6*103 кг*м/Н*с2 была получена эмульсия, продемонстрировавшая еще меньшее расслоение.
Еще одним преимуществом эмульсии типа «вода в дизельном топливе», которую можно эффективно приготовить за счет использования способа, основанного на изобретении, является повышение теплоты сгорания удельного объема топлива, и, соответственно, дополнительное снижение расхода топлива.
Не желая привязываться к какой-либо конкретной теории, можно полагать, что капли воды в эмульсии настолько мелкие, что они способствуют рассеиванию топлива при впрыске в горячий цилиндр двигателя.
Топливо с водой, как например эмульсия типа «вода в дизельном топливе», можно приготовить путем использования станции, установленной на земле (например, на автогазозаправочной станции или на нефтеперерабатывающем заводе по производству жидкого углеводородного топлива). В таком случае топливо не расходуется сразу же; кроме того, полезно добавлять стабилизаторы эмульсии, которые являются хорошо известными в этой области техники.
ЭКСПЕРИМЕНТ НА ГЛУБИНУ ПРОНИКНОВЕНИЯ
Стеклянный стакан высотой 24 см и диаметром 16 см, был наполнен дизельным топливом при температуре 20°С. Использовалось вышеупомянутое сопло Aquamist 806-508 В диаметром 0,3 мм. Воду распыляли одиночным импульсом в течение 0,07 с (что соответствовало 0,27 мл жидкости при давлении 10 бар и 0,54 мл жидкости при давлении 40 бар).
По представленной выше таблице видно, что при использовании предлагаемого изобретения глубина проникновения является весьма ограниченной, и этот способ можно осуществлять, используя относительно небольшие сосуды.
В таблице также показано, что при более высоких значениях давления (40 бар) наблюдается повышенная интенсивность рассеивания. Полученная эмульсия оказалась намного более стабильной, поскольку спустя сутки не наблюдалось никаких признаков коалесценции.
Эксперимент повторили с использованием цилиндрической трубы (диаметром 10 cm) с впускным отверстием и выпускным отверстием для дизельного топлива. Полученные результаты оказались практически аналогичными представленным выше, что соответствовало ожиданиям, поскольку расход дизельного топлива в цилиндрической трубе был относительно низким (2,9 см/с) по сравнению с начальной скоростью капель на выходе из сопла.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЭМУЛЬСИИ ТИПА «ВОДА В ДИЗЕЛЬНОМ ТОПЛИВЕ»
Для приготовления эмульсии типа «вода в дизельном топливе» использовались условия проведения эксперимента с цилиндрической трубой, соплом и длительностью распыления.
Полезная емкость второго сосуда 411 составила 25 литров.
Производительность циркуляционного насоса 407А составила 15 литров в минуту; возвратный насос 414а был извлечен и заменен на возвратный трубопровод большей длины.
Трубопроводы циркуляции дизельного топлива были установлены на плоских сторонах цилиндра, один в середине и один между соплом и стенкой цилиндра.
В систему закачали 20 литров дизельного топлива.
При гидравлическом давлении 40 бар значение W, как указано выше, составило 7,4*10 кг*м/Н*с2. Длительность импульса составила 0,07 секунды. 200 импульсов воды по 0,54 мл каждый, с паузами по 10 секунд между двумя последовательными импульсами, позволили получить 0,5% (объемного процента) воды в дизельном топливе.
Через один час отделилось меньше 5% добавленной воды по сравнению с 30% в первом эксперименте.
ЭКСПЕРИМЕНТ II
Дополнительные эксперименты проводились с использованием ряда растительных масел (соевое масло, подсолнечное масло, оливковое масло, масло из рисовых отрубей, рапсовое масло), а также с использованием минерального масла (машинное масло 5W30).
Эксперименты проводились при следующих условиях:
- конечная концентрация воды составляет 0,5% (объемный процент воды/объемный процент эмульсии).
- вторую жидкость хранили в относительно широком стеклянном сосуде (диаметром 12 см и высотой 13 см; объемом около 860 мл) или относительно высоком стеклянном сосуде (диаметром 6 см и высотой 20 см; объемом около 500 мл).
- вторую жидкость перемешивали вручную лопаткой после каждого импульса с целью предотвращения локальных высоких концентраций капель воды.
- распыление осуществлялось с использованием сопла Aquamist (диаметр канала сопла - 0,4 мм; артикул 806.501С).
Глубина распыления воды (40 бар; около 40°С, v около 103 м/с) во второй жидкости (при комнатной температуре) составила от 12 до 20 см. Значение W составило 4,3*103 кг*м/Н*с2. Длительность импульса составила 0,04 секунды со скоростью 0,52 мл/импульс.
Для машинного масла глубина распыления составила всего лишь 5-8 см, и использовалась вода при температуре 70°С и давлении 70 бар. По 0,39 мл на импульс; конечная концентрация воды - 0,25% (объемный процент воды/объемный процент эмульсии).
Что касается растительных масел, от введенного объема воды через один час отделилось меньше 2%, а через 20 часов отделилось меньше 15%) воды. Результаты, полученные при использовании растительных масел, превзошли результаты, полученные при использовании дизельного топлива, благодаря относительно более высокой вязкости этих масел, что влияет на скорость отстаивания. Необходимо отметить, что эти результаты являются весьма удовлетворительными, учитывая тот факт, что никаких стабилизаторов эмульсии не добавлялось.
При использовании машинного масла отделилось 15% воды через 100 часов.
ЭКСПЕРИМЕНТ III
Эксперимент II повторили с бензином в стеклянном сосуде диаметром 22 см и высотой 20 см; общий объем - примерно 1,7 литра.
Когда эксперимент проводился с водой при температуре 40°С и давлением 40 бар, глубина распыления составляла около 20 см. (Значение W составило 4,3*10 кг*м/Н*с2). Конечная концентрация воды составляла 0,25% (объемный процент воды/объемный процент эмульсии).
Через 3 минуты отделилось 10% (объемных процентов) впрыскиваемой воды, а через 30 минут отделилось более 90% (объемных процентов) воды.
На результаты несколько негативно повлиял тот факт, что распыленная струя достигла дна резервуара.
При использовании более высоких значений W были получены более оптимальные результаты.
При давлении 50 бар и температуре 50°С (значение W составило 5,1*103 кг*м/Н*с2), конечная концентрация воды составила 0,036%) (объемных процентов); через 3,5 часа отделилось меньше 1% (объемного процента) воды.
При давлении 70 бар и температуре 70°С длительность импульса составила 0,034 секунды со скоростью 0,52 мл/импульс. (Значение W составило 6,7*103 кг*м/Н*с2). Конечная концентрация воды составила 0,25% (объемный процент воды/объемный процент эмульсии); через 30 минут отделилось меньше 1% (объемного процента) воды (т.е. с конечной концентрацией воды, которая в 14 превысила значение, полученное в ходе предыдущего испытания).
Эти результаты оказались похожими на результаты, полученные в экспериментах с дизельным топливом, но при более низких концентрациях воды и с более высокими значениями числа Винера W. Способ был выбран из-за более низкой вязкости бензина и относительно низкой массовой плотности бензина со сравнению с дизельным топливом. Другими словами, разница с массовой плотностью воды больше. Оба фактора оказывают негативное воздействие на стабильность. Опять же, необходимо отметить, что в этом эксперименте не предполагалось использование стабилизатора эмульсии.
Указанные температуры были оценочными показателями, потому что насос влияет на температуру воды.
Изобретение относится к способу приготовления эмульсии, в которой содержится первая жидкость и вторая жидкость, причем указанный способ включает стадию диспергирования первой жидкости во второй жидкости. Способ приготовления эмульсии, в которой содержится первая жидкость и вторая жидкость, включает стадию диспергирования первой жидкости во второй жидкости, перекачивание первой жидкости через впрыскивающее сопло для создания распыленной струи водяных капель первой жидкости, где первая жидкость впрыскивается в сосуд, обеспечивая свободную длину пути для распыленной струи из сопла, которая превышает глубину проникновения распыленной струи во второй жидкости, и впрыск первой жидкости выполняется за несколько стадий впрыска; и впрыскивание созданных таким образом капель первой жидкости во вторую жидкость так, чтобы квадрат значения скорости капель составил не менее 225 м2/с2. Изобретение обеспечивает расширение арсенала средств. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.
1. Способ приготовления эмульсии, в которой содержится первая жидкость и вторая жидкость, причем указанный способ включает стадию диспергирования первой жидкости во второй жидкости, отличающийся тем, что способ включает:
- перекачивание первой жидкости через впрыскивающее сопло (108) для создания распыленной струи водяных капель первой жидкости, где первая жидкость впрыскивается в сосуд, обеспечивая свободную длину пути для распыленной струи из сопла, которая превышает глубину проникновения распыленной струи во второй жидкости, и впрыск первой жидкости выполняется за несколько стадий впрыска; и
- впрыскивание созданных таким образом капель первой жидкости во вторую жидкость так, чтобы значение Q, где Q равно квадрату скорости капель, где скорость представляет собой скорость первой жидкости на выходе из сопла в воздушной среде при стандартной температуре (20°С) и давлении окружающего воздуха (1 атм), составляет не менее 225 м2/с2; со значением W, где W представляет sg*Q*d, разделенное на St, а
- sg - удельная плотность первой жидкости в кг/м3
- d - средний диаметр капель по Заутеру на участке распыленной струи длиной один метр, вылетающей из впрыскивающего сопла в воздушной среде, и
- St - поверхностное натяжение первой жидкости в ньютонометрах;
составляет как минимум 250 кг*м/Н*с2.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температура первой жидкости по меньшей мере на 10°С выше, чем температура второй жидкости.
3. Способ по п. 1 или п. 2, отличающийся тем, что перед распылением выполняется по меньшей мере одна операция, выбранная из: i) нагревается первая жидкость, и ii) охлаждается вторая жидкость.
4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что значение W составляет по меньшей мере 500 кг*м/Н*с2, предпочтительно по меньшей мере 960 кг*м/Н*с2, более предпочтительно по меньшей мере 1250 кг*м/Н*с2, еще более предпочтительно по меньшей мере 2500 кг*м/Н*с2 и наиболее предпочтительно по меньшей мере 5000 кг*м/Н*с2.
5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что впрыск осуществляется с колеблющимся расходом первой жидкости, перекачиваемой к впрыскивающему соплу (108).
6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что вторая жидкость проходит через впрыскивающее сопло (108).
7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что используется циркуляционный контур (470), содержащий участок впрыска, на котором выполняется впрыск первой жидкости, и этот способ включает в себя стадию циркуляции эмульсии, в которой содержится вторая жидкость, через циркуляционный контур (470) перед впрыском в указанную эмульсию большего количества первой жидкости.
8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что используется циркуляционный контур (470), включающий в себя:
- участок впрыска, на котором выполняется впрыск первой жидкости, и
- отстойник (480);
и способ включает в себя стадию слива отделенной первой жидкости из указанного отстойника (480).
9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из жидкостей, либо i) первая жидкость, либо ii) вторая жидкость, проходят стадию дегазации перед впрыском капель во вторую жидкость.
10. Устройство для приготовления эмульсии, содержащее первую жидкость и вторую жидкость, причем указанное устройство содержит:
- камеру, и
- орган для диспергирования первой жидкости во второй жидкости, отличающийся тем, что орган содержит впрыскивающее сопло (108) с впускным отверстием для первой жидкости и выпускным отверстием для возникающих капель первой жидкости, впрыскивающее сопло (108), которое открывается в камере, причем устройство дополнительно содержит насос для перекачивания первой жидкости к впрыскивающему соплу (108), насос и впрыскивающее сопло (108), способных создавать распыленную струю водяных капель в воздушной среде со скоростью на выходе Q, где Q равно квадрату скорости капель на выходе и составляет не менее 225 м2/с2 со значением W, где W представляет sg*Q*d, разделенное на St, a
- sg - удельная плотность первой жидкости в кг/м
- d - средний диаметр капель по Заутеру на участке распыленной струи длиной один метр, вылетающей из впрыскивающего сопла в воздушной среде, и
- St - поверхностное натяжение первой жидкости в ньютонометрах;
составляет как минимум 250 кг*м/Н*с2.
11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что устройство содержит:
- гидравлический клапан, устанавливаемый между насосом и впрыскивающим соплом (108),
- блок управления, предназначенный для управления указанным гидравлическим клапаном для изменения расхода первой жидкости, перекачиваемой к впрыскивающему соплу (108).
12. Устройство по любому из пп. 10-11, отличающееся тем, что устройство содержит циркуляционный контур (470), где указанный циркуляционный контур (470) включает в себя:
- циркуляционный насос для обеспечения циркуляции эмульсии,
- впускное отверстие для жидкости, в которой содержится вторая жидкость, и
- выпускное отверстие для слива эмульсии.
13. Транспортное средство (599), содержащее двигатель внутреннего сгорания (530) для приведения транспортного средства (599) в движение, отличающееся тем, что транспортное средство (599) содержит устройство по любому из пп. 10-12 с отверстием для выпуска эмульсии устройства, подсоединеного для передачи жидкости к топливоподводу указанного двигателя внутреннего сгорания (530).
| WO 2011040837 A1, 07.04.2011 | |||
| DE 19650559 C1, 26.03.1998 | |||
| Зонд для электролитических моделирующих ванн | 1961 |
|
SU143472A1 |
| Смеситель | 1989 |
|
SU1764685A1 |
| Способ приготовления эмульсии и устройство для его осуществления | 1986 |
|
SU1669519A1 |
| WO 9100139 A1, 10.01.1991. | |||
