CN104226179A - 一种连续制备甲醇乳化柴油的装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于甲醇乳化柴油生产的技术领域，具体涉及一种连续制备甲醇乳化柴油的装置及工艺，解决了现有甲醇柴油乳液的生产工艺中物料体积流量比差异较大的情况下，混合效果不理想、不均匀的问题。装置，包括撞击流结构和旋转填料床，撞击流结构为非限定性撞击流结构，设置于转子的空腔内并沿转子轴线方向设置。工艺，不等体积比的水相和油相通过非限定性撞击流反应器对置碰撞迅速完成宏观混合与初步微观混合，进入高速旋转的填料，形成油包水型甲醇乳化柴油。本发明改变两相流的撞击形式，提高两相流撞击的效果，同时可以实现大流量的制备乳液和连续化操作。

Description

一种连续制备甲醇乳化柴油的装置及工艺

技术领域

本发明属于甲醇乳化柴油生产的技术领域，具体涉及一种连续制备甲醇乳化柴油的装置及工艺。

背景技术

由于石油资源日趋短缺及其价格上涨和环境污染日益严重，发展低排放代油燃料已引起了世界各国的重视，特别是醇类燃料的研究一直是广大科技工作者十分关注的课题之一。在众多的代用燃料中，甲醇以其资源丰富、价格适宜、容易制取和良好的物化特性在内燃机替代燃料应用研究中越来越受到重视。原因在于我国在煤炭资源上的优势，开发煤制燃料是重要选择。其中以煤制甲醇技术较为成熟，生产成本低，并且环境效益好，推广使用可大大降低汽车燃料成本，且甲醇在常温下是液体，沸点比柴油低，混合气形成较快且比较均匀，有利于完全燃烧；甲醇含氧量占50%，其着火极限较柴油宽，燃烧速度快，有利于降低排烟；甲醇的汽化潜热比柴油大，有助于降低缸内温度，从而抑制了NOx的生成；因此，甲醇柴油乳化燃料作为一种节能、环保燃料，在能源紧缺、环境日益严重的今天越来越受到科研工作者的重视。

甲醇柴油乳液的性能除与乳化剂的类型及配方外，其性能和稳定性与乳化方式有重要关系。乳化柴油的乳化方式主要有搅拌法乳化装置、高压均质器、高剪切均质机、胶体磨等。这些乳化装置的主要缺点是不能连续性生产，设备体积大、能耗高，并且由于其构造简单生产出来的乳化柴油颗粒不细，油、水两相混合不均，乳化过程中所有流体受力不均，存在死区，从而使“油包水”型乳状液的稳定性不好，容易分层，特别是在运输过程中由于震荡容易颗粒破碎出现析水现象，严重影响其使用效果。所以为了保证其稳定性在其制造过程中需加入大量的表面活性稳定剂和乳化稳定剂，这将大大提高生产成本，影响其经济效益。这些乳化装置存在粒径分布不均、稳定性差、不能连续性生产，设备体积大、能耗高等缺点。利用超声波进行乳化，由于其具有体积小、重量轻、效率高的特点，目前应用较多。但是由于超声波设备的能耗较高，并且设备昂贵，所以多用于乳化的后续阶段或者实验室，很少用于大规模生产应用。专利(200910075113.7)提出了一种连续制备甲醇乳化柴油装置，该装置具有结构简单，易操作，其制备的乳化柴油与传统技术制备乳化柴油技术相比，具有乳化效率高、稳定性好、粒径分布均匀、可连续运行、可现做现用等优点，但由于甲醇和柴油的体积分数差异较大（10~30:90~70），两根进料管的撞击初速相同，但体积流量差异很大，使得两股物料撞击的初始能量差异悬殊，体积小的物料在两股物料撞击交汇区域碰撞减弱，产生的涡流或卷席强度变小，使得两股物料的混合效果不理想、不均匀，要实现撞击雾面径向并垂直于填料所需的弯头多，增大了阻力，从而增加了动能的损失，减小了反应初速度，影响了混合效果。物料撞击时产生的撞击面，由于其边缘由于湍动耗散率与中心相比较小，因此，撞击面边缘混合效果并不理想；同时当需要制备流量大的甲醇乳化柴油时，须将两股物料管路的喷嘴直径变大，这时的放大效应很明显，致使两股物料均匀混合程度降低，使得乳化柴油的稳定性变差，所以该专利的撞击流-旋转填料床一般适用于小流量的甲醇柴油乳液制备。因此，对撞击流的液体初始分布的研发成为解决此问题的关键。

发明内容

本发明为了解决现有甲醇柴油乳液的生产工艺中物料体积流量比差异较大的情况下，混合效果不理想、不均匀的问题，提出了一种新型撞击流—旋转填料床装置连续制备甲醇柴油乳液的工艺及装备，其优点是在于改变两相流的撞击形式，提高两相流撞击的效果，同时可以实现大流量的制备乳液和连续化操作。

本发明采用如下的技术方案实现：

连续制备甲醇乳化柴油的装置，包括撞击流结构和旋转填料床，旋转填料床包括壳体、空心圆环形的转子、填料以及转轴，其特征在于撞击流结构为非限定性撞击流结构，包括管径不同的主进料管和套管，套管的管径大于主进料管的管径，主进料管为倒置的T形管结构、包括互相垂直连接的送料段和出料段，套管套于主进料管的送料段之外，主进料管送料段远离出料端的一端端部设置主进料管进料口，主进料管出料段靠近套管的一侧开有若干主进料管出料孔，套管远离主进料管出料段的一端设置有套管进料口，套管底部对应主进料管出料段、并开有若干与主进料管出料孔上下一一对应、同轴设置的套管出料孔，非限定性撞击流结构设置于转子的空腔内并沿转子轴线方向设置，主进料管出料孔和套管出料孔之间的对称轴位于转子空腔的中心位置，主进料管进料口与甲醇储槽相连，套管进料口与柴油储槽相连，旋转填料床的液体出口与产品储槽连接。

主进料管出料孔和套管出料孔为若干圆心位于同一圆周且相对于其管轴线中心圆周均布的孔，分别形成环式孔。

主进料管直径d₁与主进料管出料孔直径D₁比为2-50；套管直径d₂与主进料管直径d₁的比值为1-5；主进料管长度L₁与主进料管直径d₁比值为10-20；套管长度L₂与套管直径d₂比值1-10；主进料管出料孔到套管出料孔的距离d₃与主进料管出料孔直径D₁之比为1-50；转子内径d₄与套管直径d₂之比为1-20。

连续制备甲醇乳化柴油的工艺，基于所述的连续制备甲醇乳化柴油的装置完成，步骤如下：

在甲醇储槽中加入亲水性乳化剂和助乳化剂，通过搅拌作用，使其混匀，形成水相；柴油储槽中在搅拌状态下加入亲油性乳化剂，形成油相，不等体积比的水相和油相通过非限定性撞击流反应器对置碰撞迅速完成宏观混合与初步微观混合，液体离开撞击平面中心后进入高速旋转的填料，强大的剪切力保持物料一直具有高的湍能耗散率，未达到混合的液体迅速完成微观混合过程，形成油包水型甲醇乳化柴油。

所述的亲水性乳化剂和亲油性乳化剂的总质量分数占甲醇和柴油总质量的0.1%-4%，水相和油相的质量分数之比为10~30:90~70，其HLB值为5~6；助乳化剂占甲醇和柴油总质量分数的0.2-2%。

填料转速范围为100-2800r/min；撞击初速为4-25m/s。 

与现有技术相比，本发明具有以下显著不同：

本发明结构不同于传统混合器，其由撞击流和超重力结构两部分组成。撞击流结构也不同于已公开的生产乳化柴油的搅拌器、均质器等混合器结构：(1)本发明没有混合腔，液体对置碰撞后直接形成无限制发散的扇面；(2)本发明采用多个喷嘴结构，对置的两个喷嘴孔径不同，适应了物料非等体积流量比的混合，并且保证碰撞后的液体瞬间进入超重力结构中完成混合过程。采用公认的搅拌器、均质器对甲醇柴油乳液制备进行表征，结果优于传统混合器一个数量级，并且在体积流量比1-15内，混合性能无显著下降。

附图说明

图1为连续制备甲醇乳化柴油的工艺流程图，

图2为撞击流-旋转填料床中撞击流结构图，

图3为套管出料孔结构图，

图4为主进料管出料孔结构图，

图中：1-撞击流结构，2-水相输送泵，3-柴油储槽，4-油相输送泵，5-甲醇储槽，6-产品储槽，7-旋转填料床，1.1-主进料管；1.2-套管；1.3-主进料管进料口；1.4-套管进料口；1.5-主进料管出料孔；1.6-套管出料孔；1.7-壳体；1.8-填料；1.9-转子；1.10-电机；1.11-转轴；1.12-液体出口。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

如图1、图2所示，连续制备甲醇乳化柴油的装置，包括撞击流结构和旋转填料床，旋转填料床包括壳体1.7、空心圆环形的转子1.9、填料1.8以及转轴1.11，撞击流结构为非限定性撞击流结构，包括管径不同的主进料管1.1和套管1.2，套管1.2的管径大于主进料管1.1的管径，主进料管1.1为倒置的T形管结构、包括互相垂直连接的送料段和出料段，套管1.2套于主进料管1.1的送料段之外，主进料管1.1送料段远离出料端的一端端部设置主进料管进料口1.3，主进料管1.1出料段靠近套管的一侧开有若干主进料管出料孔1.5，套管1.2远离主进料管出料段的一端设置有套管进料口1.4，套管1.2底部对应主进料管出料段、并开有若干与主进料管出料孔1.5上下一一对应、同轴设置的套管出料孔1.6，非限定性撞击流结构设置于转子1.9的空腔内并沿转子轴线方向设置，主进料管出料孔1.5和套管出料孔1.6之间的对称轴位于转子1.9空腔的中心位置。主进料管进料口1.3与带有搅拌装置的甲醇储槽5相连且其连接管路上设置水相输送泵2和流量计，套管进料口1.4和带有搅拌装置的柴油储槽3相连而且其连接管路上设置油相输送泵4和流量计，旋转填料床的液体出口1.12与产品储槽6连接。

主进料管出料孔1.5和套管出料孔1.6为若干圆心位于同一圆周且相对于其管轴线中心圆周均布的孔，分别形成环式孔。

主进料管直径d₁与主进料管出料孔直径D₁比为2-50；套管直径d₂与主进料管直径d₁的比值为1-5；主进料管长度L₁与主进料管直径d₁比值为10-20；套管长度L₂与套管直径d₂比值为1-10；主进料管出料孔到套管出料孔的距离d₃与主进料管出料孔直径D₁之比为1-50；转子内径d₄与套管直径d₂之比为1-20。

连续制备甲醇乳化柴油的工艺，过程如下：在甲醇储槽中加入亲水性乳化剂和助乳化剂，通过搅拌作用，使其混匀，形成水相；柴油储槽中在搅拌状态下加入亲油性乳化剂，形成油相；油相和水相分别从主进料管进料口1.3和套管进料口1.4，进入撞击流结构，然后从主进料管出料孔1.5和套管出料孔1.6中喷出，在转子1.9的空腔中撞击混合，进行首次撞击，达到撞击混合目的，实现快速宏观混合与初步微观混合。然后液体从转子1.9的空腔进入到填料1.8中，转子1.9在高速转轴1.11的带动下转动，由超重力场产生的强大的离心力使得物料在通过填料层的径向和轴向过程中进行二次混合，强大的剪切力保持物料一直具有高的湍能耗散率，未达到混合的液体迅速完成微观混合过程，最后从液体出口1.12排出，制得甲醇柴油乳液。

所述的亲水性乳化剂和亲油性乳化剂的总质量分数占甲醇和柴油总质量的0.1%-4%，水相和油相的质量分数之比为10~30:90~70，其HLB值为5~6；助乳化剂占甲醇和柴油总质量分数的0.2-2%；填料转速范围为100-2800r/min；撞击初速为4-25m/s。

实施例1：

在甲醇储槽中配制含亲水性乳化剂的水相，在柴油储槽中配制含亲油性乳化剂的油相。制备40吨/h的甲醇柴油乳液，按水相：油相=10：90的比例下进入新型撞击流-旋转填料床乳化装置，采用新型撞击流-旋转填料床装置结构尺寸及特征为：主进（柴油）料管出料孔和套管出料孔为若干圆心位于同一圆周且相对于其管轴线中心圆周均布的孔，分别形成环式孔。主进料管直径d₁与主进料管出料孔直径D₁比为2；套管直径d₂与主进料管直径d₁的比值为2；主进料管长度L₁与主进料管直径d₁比值为20；套管长度L₂与套管直径d₂比值1；主进料管出料孔到套管出料孔的距离d₃与主进料管出料孔直径D₁之比为20；转子内径d₄与套管直径d₂之比为20。乳化剂为Span20、Tween60、油酸复配，HLB值为5，乳化剂含量0.1%，助乳化剂为正丁醇，含量为0.2%，填料转子转速为100r/min，水相的撞击初速为25m/s，制备的甲醇乳化柴油平均粒径为25μm，室温条件下保持13天不析水，甲醇乳化柴油外观清澈透亮。

实施例2：

在甲醇储槽中配制含亲水性乳化剂的水相，在柴油储槽中配制含亲油性乳化剂的油相。制备5吨/h的甲醇柴油乳液，按水相：油相=30：70的比例下进入新型撞击流-旋转填料床乳化装置，采用新型撞击流-旋转填料床装置的特征尺寸及特征为：主进（柴油）料管出料孔和套管出料孔为若干圆心位于同一圆周且相对于其管轴线中心圆周均布的孔，分别形成环式孔。主进料管直径d₁与主进料管出料孔直径D₁比为25；套管直径d₂与主进料管直径d₁的比值为5；主进料管长度L₁与主进料管直径d₁比值为10；套管长度L₂与套管直径d₂比值3；主进料管出料孔到套管出料孔的距离d₃与主进料管出料孔直径D₁之比为50；转子内径d₄与套管直径d₂之比为1。乳化剂为Span40、Tween60、油酸、十二烷基磺酸钠复配，HLB值为6，乳化剂含量4%，助乳化剂为正丁醇，含量为1%，填料转子转速为2800r/min，油相的撞击初速为4m/s，制备的甲醇乳化柴油平均粒径为12μm，室温条件下保持32天不析水，甲醇乳化柴油外观清澈透亮。

实施例3：

在甲醇储槽中配制含亲水性乳化剂的水相，在柴油储槽中配制含亲油性乳化剂的油相。制备10吨/h的甲醇柴油乳液，按水相：油相=20：80的比例下进入新型撞击流-旋转填料床乳化装置，采用新型撞击流-旋转填料床装置的特征尺寸及特征为：主进（柴油）料管出料孔和套管出料孔为若干圆心位于同一圆周且相对于其管轴线中心圆周均布的孔，分别形成环式孔。主进料管直径d₁与主进料管出料孔直径D₁比为50；套管直径d₂与主进料管直径d₁的比值为1；主进料管长度L₁与主进料管直径d₁比值为15；套管长度L₂与套管直径d₂比值10；主进料管出料孔到套管出料孔的距离d₃与主进料管出料孔直径D₁之比为1；转子内径d₄与套管直径d₂之比为12。乳化剂为Span80、Tween80、十二烷基磺酸钠复配，HLB值为5.3，乳化剂含量2%，助乳化剂为正丁醇，含量为2%，填料转子转速为1300r/min，水相的撞击初速为10m/s，制备的甲醇乳化柴油平均粒径为12μm，室温条件下保持57天不析水，甲醇乳化柴油外观清澈透亮。

实施例4：

在甲醇储槽中配制含亲水性乳化剂的水相，在柴油储槽中配制含亲油性乳化剂的油相。制备5吨/h的甲醇柴油乳液，按水相：油相=15：85的比例下进入新型撞击流-旋转填料床乳化装置，采用新型撞击流-旋转填料床装置的特征尺寸及特征为：主进（柴油）料管出料孔和套管出料孔为若干圆心位于同一圆周且相对于其管轴线中心圆周均布的孔，分别形成环式孔。主进料管直径d₁与主进料管出料孔直径D₁比为22；套管直径d₂与主进料管直径d₁的比值为3；主进料管长度L₁与主进料管直径d₁比值为14；套管长度L₂与套管直径d₂比值6；主进料管出料孔到套管出料孔的距离d₃与主进料管出料孔直径D₁之比为18；转子内径d₄与套管直径d₂之比为10。乳化剂为Span80、Tween80、Tween40、油酸、十二烷基磺酸钠复配，HLB值为5.1，乳化剂含量3%，助乳化剂为正丁醇，含量为1.6%，填料转子转速为1600r/min，水相的撞击初速为25m/s，制备的甲醇乳化柴油平均粒径为8μm，室温条件下保持4个月天不析水，甲醇乳化柴油外观清澈透亮。

实施例5：

在甲醇储槽中配制含亲水性乳化剂的水相，在柴油储槽中配制含亲油性乳化剂的油相。制备120吨/h的甲醇柴油乳液，按水相：油相=22：78的比例下进入新型撞击流-旋转填料床乳化装置，采用新型撞击流-旋转填料床装置的特征尺寸及特征为：主进（柴油）料管出料孔和套管出料孔为若干圆心位于同一圆周且相对于其管轴线中心圆周均布的孔，分别形成环式孔。主进料管直径d₁与主进料管出料孔直径D₁比为26；套管直径d₂与主进料管直径d₁的比值为3；主进料管长度L₁与主进料管直径d₁比值为16；套管长度L₂与套管直径d₂比值5；主进料管出料孔到套管出料孔的距离d₃与主进料管出料孔直径D₁之比为30；转子内径d₄与套管直径d₂之比为2。乳化剂为Span80、Tween80、Span20、油酸、十二烷基磺酸钠复配，HLB值为5.3，乳化剂含量3.4%，助乳化剂为正丁醇，含量为1.8%，填料转子转速为600r/min，水相的撞击初速为20m/s，制备的甲醇乳化柴油平均粒径为8μm，室温条件下保持86天不析水，甲醇乳化柴油外观清澈透亮。

Claims (6)

1.一种连续制备甲醇乳化柴油的装置，包括撞击流结构和旋转填料床，旋转填料床包括壳体（1.7）、空心圆环形的转子（1.9）、填料（1.8）以及转轴（1.11），其特征在于撞击流结构为非限定性撞击流结构，包括管径不同的主进料管（1.1）和套管（1.2），套管（1.2）的管径大于主进料管（1.1）的管径，主进料管（1.1）为倒置的T形管结构、包括互相垂直连接的送料段和出料段，套管（1.2）套于主进料管（1.1）的送料段之外，主进料管（1.1）送料段远离出料端的一端端部设置主进料管进料口（1.3），主进料管（1.1）出料段靠近套管的一侧开有若干主进料管出料孔（1.5），套管（1.2）远离主进料管出料段的一端设置有套管进料口（1.4），套管（1.2）底部对应主进料管出料段、并开有若干与主进料管出料孔（1.5）上下一一对应、同轴设置的套管出料孔（1.6），非限定性撞击流结构设置于转子（1.9）的空腔内并沿转子轴线方向设置，主进料管出料孔（1.5）和套管出料孔（1.6）之间的对称轴位于转子（1.9）空腔的中心位置，主进料管进料口（1.3）与甲醇储槽（5）相连，套管进料口（1.4）与柴油储槽（3）相连，旋转填料床的液体出口（1.12）与产品储槽（6）连接。

2.根据权利要求1所述的连续制备甲醇乳化柴油的装置，其特征在于主进料管出料孔（1.5）和套管出料孔（1.6）为若干圆心位于同一圆周且相对于其管轴线中心圆周均布的孔，分别形成环式孔。

3.根据权利要求1或2所述的连续制备甲醇柴油乳液的装置，其特征在于：主进料管直径(d₁)与主进料管出料孔直径(D₁)比为2-50；套管直径(d₂)与主进料管直径(d₁)的比值为1-5；主进料管长度(L₁)与主进料管直径(d₁)比值为10-20；套管长度(L₂)与套管直径(d₂)比值1-10；主进料管出料孔到套管出料孔的距离(d₃)与主进料管出料孔直径(D₁)之比为1-50；转子内径(d₄)与套管直径(d₂)之比为1-20。

4.一种连续制备甲醇乳化柴油的工艺，基于如权利要求3所述的连续制备甲醇乳化柴油的装置完成，其特征在于步骤如下：

在甲醇储槽中加入亲水性乳化剂和助乳化剂，通过搅拌作用，使其混匀，形成水相；柴油储槽中在搅拌状态下加入亲油性乳化剂，形成油相，不等体积比的水相和油相通过非限定性撞击流反应器对置碰撞迅速完成宏观混合与初步微观混合，液体离开撞击平面中心后进入高速旋转的填料，强大的剪切力保持物料一直具有高的湍能耗散率，未达到混合的液体迅速完成微观混合过程，形成油包水型甲醇乳化柴油。

5.根据权利要求4所述的一种连续制备甲醇乳化柴油的工艺，其特征在于：所述的亲水性乳化剂和亲油性乳化剂的总质量分数占甲醇和柴油总质量的0.1%-4%，水相和油相的质量分数之比为10~30:90~70，其HLB值为5~6；助乳化剂占甲醇和柴油总质量分数的0.2-2%。

6.根据权利要求5所述的一种连续制备甲醇乳化柴油的工艺，其特征在于：填料转速范围为100-2800r/min；撞击初速为4-25m/s。