Способ получения микроэмульсий

 

Сущность изобретения: способ получения микроэмульсий включает смешение реагентов с 15 - 85 мас.% воды и виброкавитационную обработку полученной композиции в гомогенизаторе, имеющем статор и ротор, при расходе композиции не более 0,2 м³/с² на единицу поверхности ротора и окружной скорости его вращения не менее 12 м/с. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике смешения реагентов и может быть использовано в химической технологии, в частности для приготовления водотопливных эмульсий.

Известен способ получения топливной микроэмульсии, обеспечивающей при использовании в двигателях внутреннего сгорания уменьшение вредных выбросов (ЕПВ N 0372353, кл. C 10 B 1/32, опубл. 13.06.90). Способ заключается в добавлении в топливо 10 42% воды и смазочного антифризного активатора в количестве 0,5 2% и попеременному воздействию на смесь отрицательного и положительного давления в турбинном преобразователе, осуществляющем электромагнитно-механическое воздействие на топливную композицию и сложностью осуществления.

Известен способ подготовки высоковязких углеводородных жидких топлив для использования в котлотурбинных энергетических установках (авт. св. 1726290, 1992), включающий фильтрование, подогрев композиции, продавливание в струйнокавитационном режиме со скоростью 20 40 м/с при давлении в топливной системе на выходе из регулируемого зазора 0,5 0,7 кгс/см². Применение полученной топливной композиции обеспечивает снижение канцерогенных веществ в продуктах сгорания.

К недостаткам данного способа следует отнести его недостаточную универсальность, т.е. возможность применения только для конкретных композиций. Кроме того, для осуществления способа требуется выбор определенных параметров подготовки и средств ее осуществления для дальнейшей обработки топливной композиции.

Известен способ получения эмульсий, по которому смешение ингредиентов производят путем кавитационной обработки, которая создается при протекании через кавитатор потока с постоянной скоростью (авт. св. 781240, кл. D 21 B 1/36, 1980). Кавитатор представляет собой усеченный конус с прорезями, установленный неподвижно в трубопроводе.

Недостатком указанного способа является низкое качество эмульгирования, т. к. диспергирование смеси производится одним интексифицирующим фактором - кавитацией.

Известен способ получения эмульсий, включающий кавитационную обработку смешиваемых материалов при постоянной скорости их протекания через кавитатор и воздействие по всему объему вибрацией с частотой, равной или кратной частоте колебаний хвостовой части образуемой каверны (авт. св. 1713628, кл. B 01 F 3/08, 1992). В качестве кавитатора используется суперкавитационная крыльчатка. Для реализации способа применяется устройство для наложения вынужденных колебаний. Водотопливная эмульсия содержит 10% воды и 90% дизельного топлива. Размер частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде составляет 1,5 6,2 мкм.

К недостатками данного способа можно отнести достаточную сложность его осуществления, необходимость применения дополнительного оборудования для наложения вынужденных колебаний.

Задачей изобретения является разработка универсального способа получения стабильных устойчивых во времени, ультрадисперсных микроэмульсий. При получении топливных микроэмульсий из применение в двигателях внутреннего сгорания, обеспечивает высокие экономические и экологические характеристики последних.

Это достигается тем, что после предварительного смешения виброкавитационную обработку смешиваемых материалов дисперсионной среды с дисперсной фазой осуществляют в гомогенизаторе с неподвижным рабочим элементом стартом и подвижным ротором, имеющим перфорированные отверстия при расходе композиции не более 0,2 м³/с м² на единицу поверхности ротора и окружной скорости вращения последнего не менее 12 м/с.

Увеличение расхода композиции на единицу поверхности вращающегося рабочего элемента ротора более 0,2 м³/с м² приведет к ухудшению гомогенности и стабильности эмульсий, что ухудшает эксплуатационные и мощностные характеристики двигателя при ее применении.

Уменьшение окружной скорости вращения ротора также снизит гомогенность эмульсии и ухудшит равномерное распределение дисперсной фазы в дисперсной среде.

Для реализации способа используют механический гомогенизатор (фиг. 1 и 2), представляющий собой корпус 1, внутри которого коаксиально расположены неподвижный элемент статор 2 и подвижный рабочий элемент ротор 3, выполненные в виде набора колец. Ротор и статор имеют перфорированные отверстия 4. Для получения микроэмульсии смесь необходимых ингредиентов подают по патрубку 5 в верхней части гомогенизатора и готовую микроэмульсию получают из бокового патрубка 6.

Пример 1. Готовят микроэмульсию на основе мазута IFO-180, в который вводят 15, 30, 60 мас. воды в аппарате с мешалкой и далее осуществляют виброкавитационную обработку в гомогенизаторе с диаметром 0,06 м, рабочая поверхность ротора 2 10^-3 м².

Результаты опытов приведены в табл. 1.

Способ реализуется при содержании воды в топливной композиции в пределах 15 85 мас.

В качестве дисперсионной среды для приготовления топливной микроэмульсии используют тяжелые фракции углеводородов, например, мазута.

В качестве дисперсионной среды также могут быть использованы легкие фракции углеводородов: дизельное топливо или бензин с поверхностно-активными веществами, например, олеатом натрия, взятым в количестве 0,03 1,5 мас.

При использовании топливной композиции в дизельных двигателях в нее дополнительно вводят перед виброкавитационным воздействием регулятор поршня из класса нитроэфиров, например, циклогексилнитрат (ЦГН) или норбонитрилнитрат в количестве 0,1 0,5% для обеспечения полноты сгорания топлива на переходных режимах двигателя. В случае использования в качестве дисперсионной среды легких фракций углеводородов в топливную композицию добавляют стабилизатор - мазут в количестве 15 40 мас.

Предлагаемый способ отличается новой совокупностью режимов обработки, новым подходом к ускорению массообменных процессов и получению за счет этого стабильных ультрадисперсных микроэмульсий. Данный способ является универсальным для получения топливных микроэмульсий различного состава для работы в двигателях внутреннего сгорания и в дизельных двигателях.

Предлагаемый способ обеспечивает интенсивный кавитационный эффект за счет ступенчатого пульсирующего прохождения композиции в перфорационных отверстиях статора и ротора. Высокое качество микроэмульсий практически не зависит от вида топлива.

Пример 2. Аналогично примеру 1 готовят топливную композицию на основе дизельного топлива Л-05, которое берут в количестве 69,8 мас. к нему добавляют 30 мас. воды с ПАВ олеатом натрия 0,2 мас. Виброкавитационную обработку осуществляют аналогично примеру 1, окружная скорость вращения ротора 12 м/с. Расход композиции на единицу поверхности ротора составляет 0,1 м³/с м². Испытания топливной композиции проводились на дизельном двигателе Д 21 А 1 (частота вращения коленвалов m 1800 мин^-1, мощность двигателя 18 кВт, топливная аппаратура серийная). Дымность отработанных газов на режиме эксплуатации полученной в результате разработанного способа топливной микроэмульсии составляет 8% Удельный выброс окислов азота г/кВт ч. 6,7. При отсутствии воды в топливной микроэмульсии: дымность 25,5% N0_x 10,79 г/кВт ч.

Пример 3. Аналогично примеру 1 готовят топливную композицию, содержащую дизельное топлива 69,44 мас. 0,06 мас. олеат натрия, 0,5 мас. ЦГН, вода 30 мас.

Испытания проводились на дизельном двигателе по примеру 1. Дымность отработанных газов 6,8% Удельный выброс окислов азота 7 г/кВт ч. Полнота сгорания по содержанию CO 7,38 г /кВт ч.

Пример 4. Аналогично примеру 1 готовят топливную композицию, содержащую дизельное топливо Л-5 40 мас. мазут 15 мас. вода 15 мас.

Испытания проводились по примеру 2. Дымность отработанных газов составила 15% Удельный выброс окислов азота 8,6 г/кВт ч.

Как видно из приведенных примеров полученные по разработанному способу микроэмульсии обладают высокой стабильностью малым размером частиц дисперсной фазы воды. При приготовлении топливных микроэмульсий их применение в двигателях внутреннего сгорания уменьшает дымность отработанных газов, выброс окислов азота и обеспечивает высокую полному сгорания топлива. При работе дизеля на эксплуатационной мощности дымность отработанных газов составляет 15 мг/м³, что в 4 раза меньше, чем на мазуте 100.

Формула изобретения

1. Способ получения микроэмульсий, включающий смешение реагентов с водой и виброкавитационную обработку полученной композиции, отличающийся тем, что воду берут в количестве 15 85 мас. и виброкавитационную обработку осуществляют в гомогенизаторе, имеющем статор и ротор, при расходе композиции не более 0,2 м³/с² на единицу поверхности ротора и окружной скорости его вращения не менее 12 м/с.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для приготовления топливной микроэмульсии в качестве дисперсионной среды используют тяжелые фракции углеводородов, например мазут.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для приготовления топливной микроэмульсии в качестве ингредиентов дисперсионной среды берут легкие фракции углеводородов, например дизельное топливо или бензин, с дополнительным введением поверхностно-активного вещества, например олеата натрия, в количестве 0,03 1,5 мас.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для приготовления топливной микроэмульсии в качестве ингредиентов дисперсионной среды берут легкие фракции углеводородов, например дизельное топливо или бензин, и стабилизатор эмульсии, например мазут, в количестве 3 40 мас.

5. Способ по пп. 1 4, отличающийся тем, что в композицию дополнительно вводят регулятор горения, взятый из класса нитроэфиров, например циклогексилнитрат или норборнилнитрат, в количестве 0,1 0,5 мас.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3