Способ и устройство для эмульгирования
Изобретение предназначено для эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки взаимно не смешивающихся жидкостей. Способ предусматривает совместную подачу подлежащих обработке жидкостей в полость вращающегося рабочего колеса, прерывистый выпуск смеси обрабатываемых жидкостей из полости рабочего колеса через ряд каналов, выполненных в его кольцевой периферийной стенке, непосредственно в секционированную резонансную полость статора, образованную отдельными резонансными камерами по числу каналов рабочего колеса, и отвод эмульсии из резонансных камер через сообщающееся с ними выпускное отверстие статора. Радиальная протяженность резонансных камер соизмерима с радиальной протяженностью каналов рабочего колеса и определяется по формуле. Изобретение позволяет простыми и высокопроизводительными техническими средствами получать из взаимно не смешивающихся жидкостей длительно устойчивые высокодисперсные эмульсии широкого спектра применения, включающего нефтедобывающую, нефтеперерабатывающую, теплоэнергетическую, топливную, дорожно-строительную и смежные отрасли промышленности, а также любые другие отрасли, связанные с производством и/или применением подобного рода эмульсий, 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 4 табл., 2 ил.
Изобретение относится к технологии приготовления высокодисперсной длительно устойчивой эмульсии из взаимно не смешивающихся жидкостей и непосредственно касается способа и устройства для эмульгирования таких жидкостей, в частности, углеводородных жидкостей и воды, путем их совместной гидроакустической обработки. Область промышленного применения изобретения охватывает нефтедобывающую, нефтеперерабатывающую, теплоэнергетическую, топливную, дорожно-строительную и смежные отрасли промышленности, а также любые другие отрасли, связанные с производством и/или применением подобного рода эмульсий.
Известно устройство для трехступенчатого приготовления водомазутной эмульсии, содержащее средство для приготовления исходной грубодисперсной смеси воды и мазута путем ее многократного перемешивания, насос высокого давления для предварительного эмульгирования водомазутной смеси и гомогенизатор для окончательного эмульгирования путем продавливания эмульсии через капиллярную решетку (авт. св. СССР N 1236287, 1986). Дисперсность воды в мазуте составляет несколько десятков микрометров после предварительного эмульгирования и до 10 мкм после окончательного эмульгирования. Однако сравнительно высокая дисперсность достигается здесь сложными техническими средствами при низкой производительности. Устойчивость эмульсии к расслоению в данном случае некритична, поскольку приготовленная эмульсия сразу же подается к топочной форсунке. Известен смеситель (патент США N 4915509, 1988) для смешивания по крайней мере двух свободно текущих субстанций, который содержит ротор, включающий установленный в подшипниках вал и неподвижно соединенные с валом по крайней мере один рабочий диск с двойным рядом нормальных к нему пальцев, равномерно распределенных по окружности, и по крайней мере одно лопастное рабочее колесо; статор, вмещающий упомянутые рабочий диск и рабочее колесо и имеющий по крайней мере одну нормальную к оси ротора стенку с двойным рядом нормальных к ней пальцев, концентрично противолежащих по отношению к двойному ряду пальцев рабочего диска, а также впускные отверстия для подачи обрабатываемых жидкостей к концентричным противолежащим рядам пальцев рабочего диска и статора и выпускное отверстие для отвода эмульсии, сообщенное с выходом лопастного рабочего колеса; кольцевую камеру, ограниченную в радиальном направлении наружным рядом пальцев статора и его противолежащей концентричной стенкой и сообщенную со входом лопастного рабочего колеса; средство для привода ротора. Поскольку здесь рабочий диск по потоку предвключен лопастному рабочему колесу, такой смеситель в исполнении с одним рабочим диском и одним рабочим колесом обеспечивает дисперсность получаемой эмульсии порядка нескольких десятков микрометров, что недостаточно с точки зрения устойчивости эмульсии к расслоению, и для повышения дисперсности требуется соответственно увеличивать количество рабочих дисков и рабочих колес, т.е. существенно усложнять такое устройство в техническом отношении. При увеличенном количестве рабочих дисков и рабочих колес соответственно повышается гидродинамическое сопротивление системы, что существенно ограничивает возможности повышения производительности такого устройства. Известны способ и устройство (патент России N 2081691, 1997), принятые за прототип для эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки взаимно не смешивающихся жидкостей, заключающиеся в следующем: Способ эмульгирования включает совместную подачу подлежащих обработке жидкостей через подводящее отверстие статора в полость вращающегося внутри него рабочего колеса, прерывистый выпуск обрабатываемой смеси жидкостей из полости рабочего колеса в концентричную резонансную полость статора через ряд отверстий, равномерно распределенных в периферийной кольцевой стенке рабочего колеса и в примыкающей концентричной стенке статора, и отвод эмульсии из резонансной полости через выпускное отверстие статора. Соответствующее этому способу эмульгирования устройство содержит ротор, включающий соединенное с валом рабочее колесо, выполненное в виде диска с периферийной кольцевой стенкой, в которой выполнен ряд равномерно распределенных отверстий для прохождения обрабатываемой смеси жидкостей, статор, вмещающий рабочее колесо и имеющий подводящее отверстие для подлежащих обработке жидкостей, сообщенное с полостью рабочего колеса, концентричную стенку, примыкающую с минимальным зазором к периферийной кольцевой стенке рабочего колеса и имеющую ряд равномерно распределенных отверстий для прохождения обрабатываемой смеси жидкостей, и концентричную резонансную полость, сообщенную с выпускным отверстием для эмульсии, средство для приведение ротора во вращение. Согласно описанию к указанному патенту России, это изобретение направлено на решение задачи достижения резонансных колебаний в полости ротора и полости корпуса, условием чего должно являться соотношение (Rк - Rс)(Rр)-1 = (0,22 + m)-1, где Rк - радиус внутренней поверхности корпуса, Rс - радиус внешней поверхности статора, Rр - радиус внутренней поверхности ротора, m = 1, 2, 3 ... - любое целое число. Однако в приведенном соотношении отсутствуют параметры, которые могли бы характеризовать колебательный процесс как таковой, а именно частота вращения ротора и количество отверстий в рабочем колесе и статоре. Это не позволяет говорить в данном случае о решении задачи достижения какого-либо резонанса, тем более при указании неограниченного числа m. С учетом вышеизложенного, в основе изобретения лежит задача создания таких способа и устройства для эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки по крайней мере двух взаимно не смешивающихся жидкостей, которые позволили бы простыми и высокопроизводительными техническими средствами осуществить эффективное эмульгирование с получением длительно устойчивых высокодисперсных эмульсий. Указанная задача решается тем, что в способе эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки по крайней мере двух взаимно не смешивающихся жидкостей, включающем, как и известный способ, совместную подачу подлежащих обработке жидкостей через подводящее отверстие статора в полость вращающегося внутри него рабочего колеса, прерывистый выпуск обрабатываемой смеси жидкостей из полости рабочего колеса в концентричную резонансную полость статора через ряд каналов, равномерно распределенных в периферийной кольцевой стенке рабочего колеса, и отвод эмульсии из резонансной полости через выпускное отверстие статора, согласно основному воплощению изобретения, прерывистый выпуск обрабатываемой смеси жидкостей из полости рабочего колеса осуществляют непосредственно в секционированную резонансную полость статора, образованную равномерно распределенными отдельными резонансными камерами, сообщенными с выпускным отверстием статора, количество которых равно количеству каналов рабочего колеса, а их радиальная протяженность соизмерима с радиальной протяженностью каналов рабочего колеса. В предпочтительном воплощении изобретения радиальную протяженность L каналов рабочего колеса задают согласно следующей зависимости: L = (1,35 ... 1,65)mc(Nn)-1![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
n - частота вращения рабочего колеса, об/мин. В наиболее предпочтительном воплощении изобретения величину параметра L задают согласно следующей зависимости:
L = 1,5c(Nn)-1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
согласно основному воплощению изобретения, резонансная полость статора выполнена секционированной в виде равномерно распределенных отдельных резонансных камер, сообщенных с выпускным отверстием статора, количество которых равно количеству каналов рабочего колеса, а их радиальная протяженность соизмерима с радиальной протяженностью каналов рабочего колеса. В предпочтительном воплощении изобретения радиальная протяженность L каналов рабочего колеса составляет величину согласно зависимости (I). В наиболее предпочтительном воплощении изобретения параметр L составляет величину согласно зависимости (II). В основном воплощении способа и устройства для эмульгирования согласно изобретению благодаря выпуску обрабатываемой смеси жидкостей из каналов рабочего колеса непосредственно в отдельные соизмеримые с каналами рабочего колеса резонансные камеры статора осуществляется двойная гидроакустическая обработка жидкостей, а именно как в объеме каналов рабочего колеса, так и в объеме резонансных камер статора. Тем самым принципиально достигается эффективная гидроакустическая обработка жидкостей с получением длительно устойчивой высокодисперсной эмульсии. В предпочтительном воплощении изобретения благодаря заданию радиальной протяженности каналов рабочего колеса, примерно (
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
L = (1,35 ... 1,65)mc(Nn)-1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
где m - выбранное нечетное число в интервале 1 ... 7,
c - скорость звука в эмульсии, м/с,
N - количество каналов рабочего колеса,
n - частота вращения рабочего колеса, об./мин. В этом случае радиальная протяженность каналов 6 рабочего колеса 2 является величиной, примерно (с точностью
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
L = 1,5c(Nn)-1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
F = 0,0167Nn [Гц]. Описанное устройство для эмульгирования работает следующим образом. Подлежащие обработке жидкости совместно подаются в направлении стрелки (фиг. 1) через подводящее отверстие 3 статора 4 в полость 1 рабочего колеса 2. Ротор 11 с рабочим колесом 2 через муфту 16 приводится с расчетной частотой вращения n с помощью электродвигателя 17. Из полости 1 рабочего колеса 2 обрабатываемая смесь жидкостей под развиваемым рабочим колесом 2 напором выходит через его каналы 6 и поступает в резонансные камеры 9 секционированной резонансной полости 5 статора 4. При этом истекающие из каналов 6 потоки жидкости претерпевают периодические резкие прерывания вследствие периодического перекрывания каналов 6 перемычками 10 резонансных камер 9. Из резонансных камер 9 полученная эмульсия отводится через сообщающееся с ними выпускное отверстие 8 статора 4 в направлении, показанном стрелкой. Устройство работоспособно в любом пространственном положении. Обработке согласно изобретению могут быть успешно подвергнуты практически любые взаимно не смешивающиеся естественные и искусственные жидкости, а также всевозможные растворы, эмульсии, суспензии и т.п. в широком диапазоне вязкости и других физико- химических свойств. Одним из компонентов жидкой обрабатываемой смеси с успехом может быть твердое вещество, вводимое как в сухом предварительно измельченном виде, так и в виде суспензии. Способ и устройство для эмульгирования согласно изобретению могут быть применены для приготовления эмульсий как с отсроченным, так и с непосредственным использованием в определенных технологических процессах при рациональном совмещении с операцией перекачивания к месту потребления. Например, устройство согласно изобретению для приготовления водомазутной эмульсии, непосредственно потребляемой котельным отопительным агрегатом, может быть встроено в систему топливоподачи к топливным форсункам. При отсроченном использовании эмульсии, приготовленной согласно изобретению, она может транспортироваться и/или храниться в течение достаточно длительного срока, который может исчисляться многими месяцами при нормальной и повышенной температуре и до месяца и более при максимальной допустимой температуре (99oC). Ниже приведены конкретные примеры (табл. 1 - 4) практической реализации способа и устройства для эмульгирования согласно изобретению применительно к приготовлению топливной водомазутной эмульсии (скорость звука в эмульсии 1360 м/с). При этом термин "устойчивость эмульсии" здесь означает ее устойчивость к расслоению, выражаемую сроком ее хранения при определенной температуре до неспровоцированного выделения из эмульсии свободной воды в условном количестве 10% (об.) от ее исходного содержания.
Формула изобретения
L = (1,35 ... 1,65)mc(Nn)-1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
где m - выбранное нечетное число в интервале 1 - 7,
c - скорость звука в эмульсии, м/с;
N - количество каналов рабочего колеса;
n - частота вращения рабочего колеса, об/мин. 3. Способ эмульгирования по п.2, отличающийся тем, что предпочтительную величину параметра L задают согласно следующей зависимости:
L = 1,5c (Nn)-1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
L = (1,35 ... 1,65)mc(Nn)-1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
где m - выбранное нечетное число в интервале 1 - 7;
c - скорость звука в эмульсии, м/с;
N - количество каналов рабочего колеса;
n - частота вращения рабочего колеса, об/мин. 6. Устройство для эмульгирования по п.5, отличающееся тем, что предпочтительная величина параметра L составляет
L = 1,5c(Nn)-1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6