Способ приготовления растворов с добавками и поверхностно-активными веществами

Способ приготовления растворов с добавками и поверхностно-активными веществами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение относится к способу приготовления растворов с добавками и поверхностно-активными веществами, в частности к способу приготовления таких растворов, в которых одна или несколько добавок обладают склонностью к образованию геля.

В настоящее время существует большое количество технологических процессов, которые требуют использования предназначенных для различных целей добавок. В продажу такие добавки поступают в очень концентрированном виде, и при использовании их обычно разбавляют жидкостью, в частности водой, до необходимой концентрации.

Однако простое разбавление таких добавок не всегда эффективно, поскольку прямое перемешивание некоторых добавок с водой часто сопровождается образованием геля. Такие добавки характеризуются определенным профилем температуры гелеобразования (перехода добавки из жидкого состояния в гелеобразное состояние), и поэтому проблема гелеобразования становится особенно актуальной в тех случаях, когда смесь находится при температуре, меньшей температуры гелеобразования.

Поверхностно активные вещества представляют собой добавки определенного типа, которые используются, например, для приготовления эмульсий и других жидких смесей, и при перемешивании с водой при температуре, меньшей температуры гелеобразования, образуют в воде гели. Такая особенность поверхносто-активных веществ существенно затрудняет их использование в промышленных целях и создает определенные проблемы, требующие их разрешения.

Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ эффективного перемешивания жидких добавок с основной жидкостью, при котором не происходило бы образования геля.

Задача настоящего изобретения состояла также в разработке такого способа, для осуществления которого можно было бы использовать недорогое и надежное оборудование, легко устанавливаемое в различных местах технологической линии.

Другие задачи и преимущества настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже.

Краткое изложение сущности изобретения

Предлагаемое в настоящем изобретении решение позволяет успешно решить указанные выше задачи и разработать способ, обладающий целым рядом существенных преимуществ.

В настоящем изобретении предлагается способ приготовления раствора жидкой добавки в основной жидкости, в которой при ее перемешивании с добавкой при температуре, меньшей температуры T_G гелеобразования добавки, образуется гель, заключающийся в том, что поток основной жидкости нагревают до температуры Т_С, большей температуры окружающего воздуха и меньшей температуры Т_G гелеобразования добавки, подают этот поток жидкости в смеситель, на входе в который потоку жидкости передается энергия, и добавляют за входом в смеситель в протекающий через него поток основной жидкости жидкую добавку, при этом жидкая добавка перемешивается в смесителе с основной жидкостью, а указанная энергия препятствует образованию геля из добавляемой к основной жидкости жидкой добавки.

Такой способ особенно эффективен при приготовлении водных растворов поверхностно-активных веществ, обладающих склонностью к образованию геля при обычных температурах. В качестве одного из примеров такого поверхностно-активного вещества можно назвать этоксилированный нонилфенол.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - технологическая схема предлагаемого в настоящем изобретении способа,

на фиг.2 - кривая температуры гелеобразования для обычного поверхностно-активного вещества при различных концентрациях в воде,

на фиг.3 - иллюстрация возможного способа приготовления раствора добавки, в котором проблема образования геля решается только за счет нагревания основной жидкости,

на фиг.4 - иллюстрация предпочтительного варианта осуществления предлагаемого в изобретении способа, в котором во избежание образования геля жидкость не только нагревают до определенной температуры, но и передают ей на входе в смеситель энергию, которая препятствует образованию геля в перемешанной с добавкой основной жидкости, и

на фиг.5 - схема предпочтительного варианта выполненного в соответствии с настоящим изобретением смесителя с оптимально расположенным на входе в смеситель инжектором для подачи добавки.

Предпочтительные варианты изобретения

Настоящее изобретение относится к способу приготовления растворов добавок и поверхностно-активных веществ, в котором во избежание образования в основной жидкости из добавляемых к ней добавок геля используют нагрев и статический смеситель.

Как уже было отмечено выше, различные добавки выпускаются в концентрированном виде и при разбавлении или добавлении к ним воды или других основных жидкостей склонны к образованию гелей, которые влияют на эффективность перемешивания раствора.

На фиг.1 показана схема технологического процесса, в котором к потоку 16 воды добавляют несколько различных добавок 10, 12, 14. В этом варианте добавки 10 и 14 растворяются в воде без образования геля, и поэтому их можно добавлять к воде в любой точке технологической линии.

Добавка 12, однако, при ее перемешивании с водой при обычной температуре воды обладает склонностью к образованию геля. Поэтому поток 16 воды пропускают через нагреватель 18, в котором температура воды увеличивается от температуры окружающего воздуха до температуры Т_С, большей температуры окружающего воздуха и предпочтительно меньшей максимальной температуры T_G гелеобразования добавки 12. Нагретую воду 20 подают через вход 24 в статический смеситель 22, в котором потоку перемешиваемой в смесителе воды передается определенная энергия. Статический смеситель имеет еще один схематично показанный на фиг.1 вход 26, через который в него подают смешиваемую с водой добавку 12.

Количество энергии, передаваемой в смесителе 22 потоку 20 воды, должно быть достаточным для того, чтобы в образующейся в смесителе смеси воды и добавки 12 не происходило образования геля даже в том случае, когда температура потока 20 воды меньше температуры T_G гелеобразования.

Поток 28 воды на выходе из статического смесителя 22 представляет собой по существу однородную, не содержащую геля хорошо перемешанную смесь воды 16 и добавки 12, в которой при необходимости могут присутствовать и другие добавки 10 и различные добавляемые к воде вещества.

Как уже было отмечено выше, добавки 10 и 14 растворяются в воде, и поэтому их можно добавлять к воде в любой точке технологической линии. В варианте, показанном на фиг.1, добавку 10 добавляют к потоку 16 воды до нагревателя 18 и статического смесителя 22, а добавку 14 добавляют к воде в точке, расположенной за смесителем 22.

Как показано на фиг.1, поток 28, содержащий добавки и нагретую до температуры Т_С воду, можно использовать на других технологических операциях, например при приготовлении эмульсии, особенно в тех случаях, когда эти операции должны выполняться именно при температуре, равной температуре Т_C. Преимуществом такого варианта является возможность использования тепла, затраченного на приготовление раствора, для приготовления эмульсии и повышения за счет этого эффективности и экономичности всего технологического процесса.

В других случаях, когда для выполнения дальнейших технологических операций смешанная с добавками вода должна иметь более низкую температуру, выходящий из смесителя поток 28 воды с растворенной в ней добавкой подают в показанный на схеме охладитель 30, в котором температура Т_С раствора снижается до температуры Т_р, что повышает эффективность процесса.

На фиг.2-4 и, в частности, на фиг.2 изображена кривая температуры T_G гелеобразования (кривая перехода из жидкого состояния в гелеобразное) обычной склонной к образованию геля добавки в зависимости от концентрации добавки в растворе. На этом графике видно, что при больших концентрациях добавка остается жидкой при любой температуре. Однако при уменьшении количества добавляемой к воде добавки и снижении ее концентрации при температурах, меньших температуры гелеобразования, добавка превращается в гель, создающий целый ряд серьезных проблем.

К добавкам, для которых характерна кривая температуры гелеобразования, показанная на фиг.2, относятся поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые используют при приготовлении эмульсий типа "масло в воде". В качестве примера добавки с такой кривой температуры гелеобразования (кривой изменения состояния) можно назвать этоксилированный нонилфенол (ЭНФ). ЭНФ, который, как правило, выпускают в виде концентрированного водного раствора, имеет концентрацию, превышающую 80%, обычно 90%, что соответствует показанной на фиг.2 точке 32. Обычно такое поверхностно-активное вещество используют при концентрации, меньшей 1% и предпочтительно равной 0,2%, что соответствует показанной на фиг.2 точке 34. Предлагаемый в настоящем изобретении способ позволяет избежать образования геля в растворе при его разбавлении и уменьшении концентрации поверхностно-активного вещества от исходной (точка 32) до рабочей (точка 34), не нагревая раствор до температуры, большей температуры Т_G. К числу добавок, которые обладают такой же склонностью к образованию геля, относятся тридецилэтоксилированные спирты, растворимые в воде полимеры и ряд других аналогичных добавок.

На фиг.3 проиллюстрирован известный способ приготовления растворов с такого рода добавками, когда при изменении температуры добавки от температуры окружающего воздуха до более высокой рабочей температуры во избежание образования геля концентрированный раствор добавки сначала нагревают до температуры, превышающей температуру T_G образования геля, а затем после разбавления охлаждают до рабочей температуры. Недостатком такого способа, который фактически позволяет избежать образования геля в растворе, является его высокая трудоемкость и большие затраты на нагревание и охлаждение.

На фиг.4 проиллюстрирован предпочтительный вариант осуществления предлагаемого в изобретении способа, в котором добавку разбавляют водой, нагретой до температуры Т_C, большей температуры окружающего воздуха, но меньшей максимальной температуры T_G гелеобразования, при которой добавка переходит из жидкого состояния в гелеобразное. Точка перехода добавки из жидкого состояния в гелеобразное при такой температуре расположена достаточно высоко на кривой перехода, что позволяет при воздействии в статическом смесителе на нагретую воду энергией избежать образования геля и хорошо перемешать добавку с основной жидкостью или водой.

Необходимо отметить, что предлагаемый в изобретении способ позволяет существенно снизить по сравнению с известным способом, проиллюстрированным на фиг.3, затраты на нагревание и охлаждение. Кроме того, используемый при осуществлении предлагаемого в изобретении способа для передачи жидкости энергии перемешивания статический смеситель отличается эффективной и надежной работой и имеет сравнительно небольшую стоимость.

На фиг.5 показана схема предпочтительного варианта выполнения устройства, предназначенного для подачи в статический смеситель добавки. Схематично показанный на фиг.5 статический смеситель 22 имеет несколько расположенных в ряд закручивающих поток жидкости элементов 36, каждый из которых имеет длину L_m, на которой протекающая вдоль оси смесителя 22 жидкость поворачивается на 90°. Смеситель 22 и закручивающие поток жидкости элементы 36 имеют диаметр, равный d₀. Для осуществления предлагаемого в изобретении способа ПАВ или добавку подают в смеситель через один или предпочтительно несколько входов 38, которые предпочтительно должны быть расположены по ходу потока в начале третьего закручивающего поток жидкости элемента 36 на расстоянии L_b, равном приблизительно четверти его длины L_m. Кроме того, добавки следует подавать в смеситель через вход или входы 38, выполненные в виде инжекторов, которые входят внутрь смесителя 22 на расстояние h, предпочтительно равное четверти диаметра d_o смесителя. Выполненные таким образом входы в смеситель позволяют инжектировать добавки в поток основной жидкости или воды в точке, в которой количество передаваемой потоку жидкости энергии достаточно для того, чтобы при температурах, меньших температуры гелеобразования, добавки оставались жидкими и не переходили в гелеобразное состояние. Такое осуществление предлагаемого в настоящем изобретении способа позволяет получить очень хорошие результаты.

Необходимо подчеркнуть, что предлагаемый в настоящем изобретении способ можно положить в основу непрерывного процесса использования раствора добавок для получения различных продуктов, таких как водные эмульсии вязких углеводородов высокого качества с равномерно распределенным в водной фазе поверхностно-активным веществом. К наиболее существенным преимуществам предлагаемого в изобретении способа относятся также минимальный расход энергии на нагревание и/или охлаждение и использование простого и надежного смесителя, требующего минимального обслуживания.

Приведенные ниже примеры свидетельствуют о высоких результатах, добиться которых позволяют решения, предлагаемые в настоящем изобретении.

Пример 1

В этом примере для перемешивания этоксилированного нонилфенола с водой при температуре 35°С использовали смеситель Kenics™ с 12 закручивающими поток жидкости элементами диаметром ³/₄ дюйма. Воду с температурой окружающего воздуха предварительно нагревали до 35°С.

Перемешивание добавки с водой проводили при разных расходах воды и добавки, а энергию, передаваемую воде статическим смесителем, определяли в зависимости от количества подаваемых в смеситель материалов, рабочей температуры и параметров смесителя. Результаты нескольких опытов (количество растворенного поверхностно-активного вещества) приведены ниже в таблице 1.

Таблица 1
Расход воды (л/с)	Расход добавки (мл/мин)	Энергия, передаваемая воде в смесителе (Вт/кг)	Степень растворения добавки (отношение количества растворенной добавки в г к общему количеству добавки в г)
0,42	303	199	0,99
0,33	240	104	0,98
0,24	180	40	0,94
0,12	84	4	0,78

Приведенные в таблице данные подтверждают высокую эффективность растворения добавки в воде предлагаемым в изобретении способом при перемешивании и передаче воде энергии, большей 40 Вт/кг. При энергии, передаваемой воде в процессе перемешивания, равной 4 Вт/кг, в ней растворяется только 78% добавки. Таким образом, предлагаемое в настоящем изобретении использование статического смесителя для передачи энергии перемешиваемой с добавкой воде позволяет избежать образования геля и способствует более полному растворению в воде добавляемого к ней поверхностно-активного вещества.

Пример 2

В этом примере для перемешивания с водой, нагретой до 35°С, того же самого поверхностно-активного вещества использовали смеситель SMX типа Sulzer™ с 8 закручивающими поток жидкости элементами диаметром 1,5 дюйма. Расход воды, расход добавки, энергия, передаваемая воде, и степень растворения добавки указаны в приведенной ниже таблице 2.

Таблица 2
Расход воды (л/с)	Расход добавки (мл/мин)	Энергия, передаваемая воде в смесителе (Вт/кг)	Степень растворения добавки (отношение количества растворенной добавки в г к общему количеству добавки в г)
1,42	1052	341	0,92
1,24	894	231	0,94
0,92	666	99	0,69
0,57	408	85	0,63

Приведенные в этой таблице данные свидетельствуют о том, что использованный в этом примере смеситель оказался менее эффективным, чем смеситель, использованный в примере 1. Связано это с тем, что смесители имеют разные перемешивающие элементы, геометрия которых, как следует из полученных результатов, существенно влияет на эффективность растворения добавки.

Пример 3

В этом примере с целью показать эффективность предлагаемого в изобретении расположения инжекторов, предназначенных для подачи в смеситель добавки, проводили опыты, в которых перемешивание поверхностно-активного вещества с потоком нагретой воды происходило в трех различно расположенных вдоль оси смесителя местах.

В первом случае добавку инжектировали в поток воды непосредственно на входе в смеситель. Во втором случае добавку подавали в смеситель через один инжектор в точке, расположение которой показано на фиг.5. И, наконец, в третьем случае для подачи в смеситель добавки использовали два инжектора, расположение которых показано на фиг.5.

При подаче добавки в поток воды непосредственно на входе в смеситель в воде растворялось только 72% всей подаваемой в смеситель добавки. При подаче добавки в смеситель через один инжектор, расположенный на определенном расстоянии за входом в смеситель, количество растворяемой в воде добавки увеличилось до 80%. При использовании для подачи в смеситель добавки двух инжекторов, расположенных за входом по ходу потока, как это показано на фиг.5, количество растворенной в воде добавки возросло до 94%. Таким образом, можно считать, что предлагаемое в изобретении расположение инжектора или патрубка для подачи в смеситель добавки является наиболее оптимальным и обеспечивает эффективное растворение добавки в потоке нагретой воды.

Необходимо подчеркнуть, что рассмотренные выше варианты не ограничивают объема изобретения, а только иллюстрируют наиболее предпочтительные варианты его осуществления и поэтому предполагают возможность их различной модификации касательно формы, размеров и конструкции отдельных деталей и тех или иных особенностей работы. Все такие модификации, возможность осуществления которых предусмотрена настоящим изобретением, должны соответствовать приведенной ниже формуле изобретения и не должны выходить за ее объем.

1. Способ приготовления раствора жидкой добавки в основной жидкости, в которой при ее перемешивании с жидкой добавкой при температуре, меньшей температуры Т_G гелеобразования жидкой добавки, образуется гель, заключающийся в том, что поток основной жидкости нагревают до температуры Т_C, большей температуры окружающего воздуха и меньшей температуры Т_G гелеобразования добавки, подают этот поток жидкости в смеситель, на входе в который потоку жидкости передается энергия, и добавляют за входом в смеситель в протекающий через него поток основной жидкости жидкую добавку, при этом такая жидкая добавка перемешивается в смесителе с основной жидкостью, а переданная потоку жидкости энергия препятствует образованию геля из добавляемой к основной жидкости жидкой добавки.

2. Способ по п.1, в котором основную жидкость с температурой, равной температуре окружающего воздуха, подают в нагреватель, в котором поток основной жидкости нагревают до температуры Т_C.

3. Способ по п.2, в котором к потоку основной жидкости добавляют растворимые в этой жидкости жидкие добавки.

4. Способ по п.1, в котором к основной жидкости добавляют жидкую добавку, концентрация которой составляет по меньшей мере 80% и которую при перемешивании с основной жидкостью разбавляют до концентрации, меньшей 1%.

5. Способ по п.1, в котором в качестве смесителя используют статический смеситель, который позволяет закручивать поток подаваемой в него основной жидкости и который имеет вход для подачи в него потока основной жидкости и расположенный дальше по ходу потока за этим входом вход для подачи в смеситель жидкой добавки.

6. Способ по п.5, в котором статический смеситель содержит элементы для закручивания потока, каждый из которых имеет длину L_m и диаметр d₀, а вход, через который в смеситель подают жидкую добавку, расположен в направлении оси смесителя от закручивающего поток жидкости элемента на расстоянии L_b, равном L_m/4.

7. Способ по п.6, в котором расстояние h от внутренней стенки смесителя до конца входа, через который в смеситель подают жидкую добавку и который проходит внутрь смесителя мимо закручивающих поток элементов, составляет d₀/4.

8. Способ по п.1, в котором в качестве основной жидкости используют воду, а жидкая добавка представляет собой поверхностно-активное вещество.

9. Способ по п.8, в котором поверхностно-активное вещество представляет собой этоксилированный нонилфенол.

10. Способ по п.1, в котором на выходе из смесителя получают по существу однородную жидкую смесь основной жидкости и жидкой добавки.

11. Способ по п.10, в котором полученную в смесителе жидкую смесь в дальнейшем обрабатывают при температуре Т_C.

12. Способ по п.10, в котором полученную в смесителе жидкую смесь охлаждают с получением охлажденной жидкой смеси с температурой Т_р, меньшей температуры Т_C, и эту охлажденную жидкую смесь в дальнейшем обрабатывают при указанной температуре Т_р.