Способ получения нанодисперсной водотопливной эмульсии и устройство для его осуществления

Способ получения нанодисперсной водотопливной эмульсии и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области топливно-энергетического комплекса, а именно получению водотопливной эмульсии, используемой в качестве жидкого топлива.

Как известно, при горении жидкого топлива в реакцию вступает только его газовая фаза (см., напр.: Павлов, Штейнер "Условия оптимизации процессов сжигания жидкого топлива и газа в энергетических и промышленных установках", Ленинград, Энергоатомиздат, 1984, стр.37-40).

По этой причине при сжигании топлива применяют специальные меры для повышения его испарения и эффективности сгорания. Во-первых, с целью повышения скорости испарения топливо подогревают, во-вторых, его распыляют для увеличения поверхности. Подачу топлива в топки осуществляют, например, форсунками различных типов: механическими, центробежными, струйными, паровыми и пневматическими, создавая давление на форсунках, доходящее до 10 атм. Для дополнительного увеличения поверхности, а значит и увеличения степени измельчения частиц топлива применяют форсунки со специальными насадками. Распыление топлива относится к процессам диспергирования, поэтому форсунка является своеобразным диспергатором топлива.

Недостатки форсунок связаны с тем, что распыление жидкого топлива даже при давления 10 атм не приводит к полному сгоранию. Неполнота сгорания связана с тем, что капля топлива в процессе горения испаряется и уменьшается в диаметре, нагревается, а затем перегревается и подвергается разложению-крекингу. Следствием неполного сгорания является возникновение несгорающих отложений на внутренних узлах топки, которые уменьшают коэффициент теплопередачи, повышают температуру отходящих газов, уменьшают кпд топки и ухудшение экологии окружающей среды.

Для повышения эффективности сгорания требуется более эффективное распыление топлива, в процессе которого диаметр сгорающих частиц доводится до значения 0,1 мкм и менее.

Степень распыления и размеры частиц топлива зависят преимущественно от скорости соударения капель между собой или со стенкой. В топках котельных агрегатов, например, с помощью форсунки достигают скоростей, при которых размер частицы не может быть меньше 10 мкм. Дальнейшее измельчение капли топлива требует создания специальных устройств, обеспечивающих ускорение частиц распыляемого топлива до нескольких сот метров в секунду. Прямое решение задачи по увеличению скорости частиц представляет значительные технические трудности и сопряжено с большими потерям энергии.

Теоретическое рассмотрение процессов диспергирования жидкости основано на использовании критерия Вебера. На основании критерия Вебера вероятность W_e диспергирования капель взаимно нерастворимых жидкостей (эмульсии) до заданных размеров выбирается из равенства

где ρ - плотность сталкивающейся частицы эмульсии;

υ - скорость частицы эмульсии относительно другой сталкивающейся частицы;

d - диаметр исходной сталкивающейся частицы;

σ - межфазное поверхностное натяжение.

Численный анализ критерия Вебера показывает, например, что при достижении W_e=10 каждая капля жидкости разбивается на две части, а при увеличении до W_e=14 капля разбивается уже на 10 частей. Далее по мере роста числа Вебера на порядок примерно на порядок увеличивается число измельченных частиц (см., Волынский М.С. "Необыкновенная жизнь обыкновенной капли". Издательство "Знание", Москва, 1986, стр.67). Теоретические расчеты подтверждают, что для повышения степени диспергирования необходимо увеличивать скорости столкновения.

Другое техническое решение задачи по повышению степени диспергирования основано на уменьшении размера распыляемых частиц топлива за счет сил поверхностного натяжения жидкости. В начале 60-х годов было установлено, смесь топлива с небольшими добавками водяных капель сгорала значительно эффективнее, чем чистое топливо (см. напр.: В.М.Иванов "Топливные эмульсии", М., изд-во Академии наук СССР, 1962). Последующие работы позволили более детально изучить этот эффект и даже дать практические рекомендации по промышленному использованию явления. Однако в процессе практической реализации возникли проблемы, связанные с особенностями смешивания двух разнополярных жидкостей и расслоением жидкой смеси на исходные компоненты в процессе длительного хранения. В конечном итоге было выяснено, что присутствие воды в топливе приводит к увеличению степени диспергирования частиц топлива и повышению эффективности сгорания, но при этом возникает проблема устойчивости топлива или поддержания воды в каплеобразном состоянии. В полном объеме возникшая проблема не решена, но известно, что для ее решения необходимо уменьшать размеры капель воды, входящей в состав топлива, и применять поверхностно-активные вещества (ПАВ), способствующие сохранению капельной структуры эмульсии. В состав водотопливной эмульсии обычно входят жидкое углеводородное топливо - 80-90%, вода - 10-20%, ПАВ - 1-2%. В качестве топлива используют, например, мазут, дизельное топливо, бензин, в качестве ПАВ - вещества дифильного типа, способные размещаться на границе раздела топлива и воды мономолекулярным слоем, например олеат натрия, нефтенол.

В 80-х годах для получения высокодисперсных эмульсий стали применяться устройства, использующие эффект гидродинамической кавитации. В устройствах этого типа в жидкости различными способами создают отрицательные давления и условия для развития кавитационных полостей (пузырей) с последующим схлопыванием этих полостей. При схлопывании кавитационного пузыря его противоположные стенки за счет стягивания силами поверхностного натяжения движутся навстречу друг к другу с высокой скоростью и сталкиваются. В результате движения и столкновения развивается высокое давление, которое обеспечивает диспергирование жидкости с высокой степенью. Необходимое увеличение скорости сталкивающихся частиц достигается за счет высокой скорости схлопывания кавитационных полостей.

Среди устройств, созданных для кавитационного диспергирования жидких сред, наибольшее распространение получили аппараты роторного типа. Роторные аппараты и способы, основанные на использовании роторных устройств, известны и могут быть использованы в качестве аналогов предлагаемого способа.

К известным способам и аппаратам относятся следующие.

1. Способ создания акустических колебаний в жидкой или газообразной среде и устройство для его осуществления (авт.св. №493991, В06 1/18), заключающийся в том, что в протекающей жидкости создают ряд последовательных сжатий и разрежений путем прикладывания на внутреннюю поверхность кольцеобразного тела (рабочей камеры) равнорасположенных и последовательно чередующихся сил давления и разрежения жидкости.

Устройство для осуществления этого способа содержит ротор и статор с выполненными по их образующей щелями в один и более рядов, где каждый из рядов статора свободно закрыт по наружной поверхности свободно посаженным и ограниченным от перемещения кольцевым излучателем в виде тонкой замкнутой ленты из материала с упругой деформацией, а количество щелей в роторе и статоре выполнены так, чтобы при совпавших щелях ротора и статора в промежутке между двумя щелями ротора находилась одна или несколько щелей статора.

2. Активатор физико-химических процессов, использующий эффекты гидродинамической кавитации - кавитационный смеситель (авт.св. №1358140, МКИ В01F 11/02).

3. Ультразвуковой кавитационный активатор (РСТ №94/09894, МКИ В01F 7/00, 11/00 В).

4. Роторно-пульсационный аппарат (авт.св. №13333954, В01F 7/28) для диспергирования и гомогенизации многокомпонентных смесей с жидкой сплошной фазой.

5. Кавитационный аппарат (RU №2166987, С1 В01F 7/10, 11/02).

Основным недостатком известных способов и аппаратов является невысокая средняя скорость схлопывания кавитационных пузырей, которая составляет 35÷50 м/с и ограничена размером кавитационных пузырей, получаемых на этих аппаратах (см., напр.: Саранин В.А. «О кавитационном механизме формирования высоковольтного пробоя в жидких диэлектриках», Журнал прикладной механики и технической физики, 3. Изд-во "Наука", Сибирское отделение АН, Новосибирск, 1988, стр.45). Минимальный размер дисперсной частицы, который достигается с использованием аналогов, составляет 0,5 мкм.

В качестве прототипа предлагаемого способа может быть выбран способ получения топливных смесей (RU 2256696 C1 от 20.07.2005, Жирноклеев И.А., Сидоров В.В.), основанный на прохождении жидкости через последовательно расположенные пластины с уменьшающимся диаметром отверстий. Недостатком прототипа является ограничение по дисперсности, связанное с минимальным размером отверстий, через которые проникает жидкость. Ограничение связано с наличием сил поверхностного натяжения и образованием упругого приграничного слоя жидкости, который ограничивает проницаемость отверстий диаметром 100 нм и менее. Механизм ограничения проницаемости описан в публикациях: 1) Валиев Б.Г., Технический отчет Т38-18/66 «Исследование процессов истечения рабочих жидкостей из микроотверстий сплава АМг6», держатель отчета - ФГУП «Государственный ракетный центр им. академика В.П.Макеева», г.Миасс. 1966; 2) Базарон У.Б., Дерягин Б.В., Булгодаева А.В. «Исследование сдвиговой упругости жидкостей», статья в сборнике «Исследования в области поверхностных сил», изд-во «Наука», Москва, 1967.

Целью настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и повышение степени диспергирования частиц водотопливной эмульсии.

Поставленная цель достигается следующими способами.

1. Первоначально формируют поток жидкости с заданными поперечным сечением и скоростью движения. Затем этот поток направляют в канал, имеющий много меньшее поперечное сечение (узкий канал). В результате резкого торможения потока жидкости возрастают давление на входе в узкий канал и скорость течения через канал. Далее узкий канал перекрывают, под воздействием инерционных сил в полости узкого канала образуются зоны с отрицательным давлением и создаются условия для роста кавитационных пузырей и их схлопывания. После чего снова формируют поток жидкости с заданными поперечным сечением и скоростью движения для повторного гидроудара. Эффект повышенного разрежения и повышенного размера кавитационной полости создается за счет перехода жидкости из широкого канала в узкий и повышения скорости движения внутри узкого канала. Для повышения эффективности гидравлического удара каналы выполняют в форме прямоугольных щелей, высота которых одинакова и в несколько раз превышает значение ширины (в 5-10 раз). Ширина щели определяет величину поперечного сечения канала. Для формирования исходного потока жидкости используют увеличенное значение ширины щели (широкий канал), а для образования ускоренного потока - уменьшенное значение ширины щели (узкий канал). Соотношение потоков и поперечных сечений широкого и узкого каналов определяется соотношением ширин щелей, например для 5-кратного соотношения потоков ширину узкой щели выбирают равной 0,5-1 мм, а широкой щели - 3-5 мм.

Как показывают экспериментальные данные, при перепаде давления в канале на 600 кг/см² предельное значение диаметра кавитационного пузыря может составлять 100 мкм. При этом число Вебера равно 5000, а размер диспергированной частицы жидкости находится на уровне тысячных долей микрона. Средняя скорость схлопывания кавитационных пузырей в этом случае существенно превышает достигнутое в аналогах значение 50 м/с и может в конечном итоге приблизиться к предельному значению 1435 м/с, соответствующему скорости звука в водной среде.

Рассмотрим более детально процессы, происходящие в узком канале, и оценим возможные численные значения параметров в предлагаемом способе. Перекрытие канала потоком жидкости, даже частичное, приводит к гидроудару, если время перекрытия t составляет не более

где ω - скорость звука в жидкости;

l - длина канала в роторе.

Допустим, что условие для возникновения гидроудара выполняется, тогда максимальная величина давления ΔР при гидравлическом ударе рассчитывается по формуле Жуковского

Δρ=ω·ρ·υ,

где ρ - плотность жидкости;

υ - линейная скорость прохождения жидкости через канал.

Используем исходные данные:

ω=1435 м/с;

ρ=1000 кг/м³;

υ=45 м/с

В результате получим, что величина давления на входе в канал малого сечения при гидроударе

ΔР=659 кг/см²

Расчетное значение совпадает с ожидаемым и подтверждает, что размер диспергированной частицы жидкости может быть снижен до тысячных долей микрона.

2. Поставленная задача решается также тем, что в способ вводят дополнительные средства - статор и ротор с рядом широких каналов, при этом широкие каналы ротора располагаются напротив широких каналов статора, образуя сквозной канал. Кроме того, в статоре в промежутках между широкими каналами вводят узкие каналы, а промежутки между каналами в роторе выполняют с возможностью периодического перекрытия узких каналов статора.

3. Поставленная задача дополнительно решается тем, что в статоре выполняют две раздельные полости для приема жидкости. С первой полостью соединяют все широкие каналы и полость гидравлически соединяют с входом в насос, который возвращает жидкость в рабочую камеру устройства. Со второй полостью соединяют все узкие каналы, а саму полость гидравлически соединяют с емкостью, которая является накопителем готовой продукции.

4. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1, 1А, 2 и 2В изображено устройство с каналами, расположенными по образующей цилиндрической поверхности ротора и статора, а также показаны полости, соединенные с широкими и узкими каналами статора; на фиг.3 и 4 в увеличенном масштабе показан в сечении порядок расположения широких и узких каналов; на фиг.5 показаны гидравлические связи между рабочей камерой аппарата и подающим насосом.

Устройство для реализации способа содержит статор 1, выполненный в виде цилиндра (фиг.1, 2) и коаксиально размещенный в нем с минимальным зазором δ ротор 2. Статор 1 и ротор 2 установлены в герметичный корпус 3, имеющей входной патрубок 4, выходной патрубок 5, патрубок возврата 8 и перегородку 9, которая делит полость статора на две составляющие, первая из которых (6) соединена с широкими каналами, а вторая (7) - с узкими каналами.

Рабочий цикл устройства делится на два полупериода, в первом полупериоде широкие каналы ротора размещаются напротив широких каналов статора (фиг.1А), во втором - широкие каналы ротора размещаются напротив узких каналов статора (фиг.2В).

Кроме того, устройство содержит (фиг.5) насос 10 с входным патрубком 11 и трубопровод 12 возврата необработанной жидкости в насос 10 через патрубок 8, а также трубопровод 13 подачи жидкости в камеру 3 через входной патрубок 4.

На цилиндрической поверхности статора 1 (фиг.3,4) выполнены чередующиеся сквозные каналы (широкие и узкие). Широкие каналы К_шс статора 1 с поперечным размером λ равномерно расположены по окружности. Также равномерно расположены по окружности узкие каналы статора К_ус. Ширину промежутков между широкими каналами статора выбирают равной сумме двойной ширины широкого канала плюс ширина узкого канала статора. Каналы ротора К_р располагают равномерно по окружности. Ширину каналов ротора также выбирают равной λ, а промежуток между каналами ротора также равен сумме двойной ширины широкого канала плюс ширина узкого канала статора.

Кроме того, в статоре 1 (фиг.1) выполнены две раздельные полости 6 и 7. С полостью 6 соединены все широкие каналы с проходными сечениями λ, а сама полость 6 гидравлически соединена через патрубок 8 трубопроводом 12 (фиг.5) с входом в насос 10, подающим жидкость в рабочую камеру через трубопровод 13 и патрубок 4.

С полостью 7 соединены все узкие каналы с проходным сечением β, и сама полость 7 гидравлически соединена посредством выходного патрубка 5 с емкостью-накопителем готовой продукции.

Устройство работает следующим образом. Ротор 2 раскручивается до заданных оборотов от электродвигателя (на фиг.5 не показан), включается насос 10 (фиг.5). Через входной патрубок 4 рабочей камеры 3 под давлением подают жидкость (например, смесь - топливо 80%, вода 20% и ПАВ). Жидкость заполняет полости ротора 2 и каналы с поперечным размером λ (фиг.3, 4) по всему объему. При совпадении широких каналов ротора 2 и статора 1 начинается истечение жидкости из полости ротора 2 в полость статора 1 через все широкие каналы ротора 2 (фиг.3), откуда жидкость поступает в полость 6 (фиг.1), а затем через патрубок 8 и трубопровод 12 (фиг.5) в насос 10 и далее циркулирует по замкнутому контуру.

При дальнейшем повороте ротора 2 по часовой стрелке (фиг.4) происходит перекрытие широких каналов с поперечным размером λ и открытие узких каналов статора 1 с поперечным размером β.

Таким образом, при вращении ротора 2 в каждом из узких каналов с проходным сечением β создается дополнительный перепад давления, например, равный 659 кг/см². Учитывая, что в момент гидроудара канал с проходным сечением β статора 1 открыт, и формирование гидроудара происходит непосредственно у входа в канал статора 1, то основная энергия гидроудара приходится на увеличение кинетической энергии потока жидкости, проходящей через узкий канал.

После перекрытия узкого канала с проходным сечением β статора 1 жидкость продолжает движение по инерции, создавая зоны с отрицательными давлениями. Это приводит к разрыву потока жидкости, образованию кавитационных пузырей большого диаметра и схлопыванию, которое является причиной диспергирования жидкости с образованием наноразмерных капель. По окончании кавитационной обработки диспергированная жидкость попадает в полость 7 (фиг.1), а затем в емкость для готовой продукции.

При дальнейшем вращении ротора 2 (фиг.3) и совпадении широких каналов ротора 2 и статора 1 начинается повторное истечение жидкости из полости ротора 2 в полость статора 1 через все широкие каналы. Далее повторяется следующий цикл диспергирования жидкости.

Предлагаемые способ и устройство в сравнении с прототипом обеспечивают следующие преимущества:

- за счет формирования циркулирующего потока обеспечиваются условия для повышения давления и создания гидроудара;

- путем направления потока в узкий канал повышается скорость истечения жидкости;

- перекрытие узкого канала приводит к возрастанию отрицательного давления и образованию кавитационных полостей увеличенного размера и увеличению скорости схлопывания;

- ускоренное схлопывание кавитационных полостей вызывает эффективное диспергирование жидкости;

- разделение потока на два канала позволяет проводить многократную обработку жидкой смеси и отделять готовый диспергированный продукт;

- сочетание широких и узких каналов позволяет реализовать предлагаемый способ в устройстве;

- введение раздельных полостей для жидкой смеси в статоре позволяет выделить готовый диспергированный продукт из циркулирующего потока и поддержать циркуляцию на заданном уровне;

- выполнение каналов в форме прямоугольных щелей позволяет сокращать время перекрытия канала и повышать эффективность гидроудара;

- выбор определенного соотношения между шириной каналов и шириной промежутков между каналами обеспечивает одновременное периодическое затормаживание потока и последующее направление части потока в узкий канал;

- выбор узкого канала с уменьшающимся сечением позволяет увеличить скорость течения жидкости и эффективность диспергирования;

- использование наклонных каналов позволяет разделить жидкость на два потока;

- выбор количества каналов позволяет менять режимы и производительность устройства.

Таким образом, описанная последовательность операций способа и реализация устройства-диспергатора для выполнения этих операций сообщает способу новое свойство - возможность диспергирования жидкости до получения наноразмерных частиц.

1. Способ получения водотопливной эмульсии, включающий предварительное перемешивание топлива с водой и последующую гомогенизацию, отличающийся тем, что из жидкости, состоящей из предварительно перемешанного топлива с водой и поверхностно-активным веществом, формируют циркулирующий поток с заданными поперечным сечением и скоростью движения, периодически этот поток затормаживают и одновременно часть потока направляют в канал, имеющий много меньшее поперечное сечение (узкий канал), чем у сформированного потока жидкости, затем перекрывают узкий канал, создавая в движущейся по инерции жидкости отрицательное давление для образования кавитационных пузырей, при этом циркулирующий поток жидкости после торможения и перекрытия узкого канала разделяют на две части: поток, являющийся нанодисперсной водотопливной эмульсией, прошедший через узкий канал и диспергированный в этом канале, направляют в емкость для готовой продукции, а заторможенный поток, не прошедший через узкий канал, возвращают на обработку по замкнутому контуру.

2. Устройство для получения водотопливной эмульсии по способу, описанному в п.1, содержащее расположенное на одной оси ротор с рядом широких каналов и статор с рядом широких и рядом узких каналов, где широкие каналы ротора при расположении напротив широких каналов статора образуют широкие сквозные каналы, а при расположении напротив узких каналов - узкие сквозные каналы, которые периодически перекрываются промежутками между каналами ротора, отличающееся тем, что в статоре для приема жидкости выполнены две раздельные полости, с первой из которых соединены все выходы широких каналов статора, и полость при этом гидравлически соединена с входом в насос, подающим жидкость в полость ротора, а со второй полостью соединены все выходы узких каналов статора и полость при этом гидравлически соединена с емкостью-накопителем готовой продукции.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что широкие и узкие каналы статора и широкие каналы ротора выполнены в виде щелей прямоугольной формы, расположенных параллельно оси ротора.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в роторе ширину промежутков между щелями выбирают равной сумме двойной ширины широкой щели плюс ширина узкой щели статора, а в статоре ширину промежутка между широкой и узкой щелью выбирают равной ширине широкой щели.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сечение узкой щели статора выбирают уменьшающимся в направлении движения жидкости.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что направление широких и узких каналов в статоре выбирают наклонным с выходом в соответствующую полость.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что количество каналов по окружности выбирают от одного до числа, определяемого геометрическими размерами статора, ротора и каналов.