CN104232192A - 一种连续制备甲醇乳化柴油的单反射超重力装置及工艺 - 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单反射超重力装置及工艺，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。超重力装置，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，包括管径不同的主进料管和套管以及液体挡板，套管开口端部与主进料管喷嘴端部形成环缝，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撞击流结构碰撞迅速完成初步混合，后进入旋转的填料，形成油包水型甲醇柴油乳液。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单反射超重力装置及工艺

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单反射超重力装置及工艺。

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：

一种连续制备甲醇乳化柴油的单反射超重力装置，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，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以及液体挡板，套管的管径大于主进料管的管径，套管套于主进料管之外，主进料管远离挡板的一端设置主进料管进料口、靠近挡板的另一端设置扩口型主进料管喷嘴，主进料管喷嘴端部中心开有出料孔，套管对应主进料管进料口的一端也设置有套管进料口，套管对应主进料管喷嘴的另一端开口、套管开口端部与主进料管喷嘴端部形成环缝，出料孔与环缝设置于同一平面，挡板相对于主进料管以及套管的轴线方向垂直设置，挡板中心位于主进料管以及套管的轴线上；所述的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，主进料管喷嘴以及环缝与挡板之间中心线位于转子空腔的中央，转子位于壳体的中部，填料在转子空心圆环中；主进料管进料口与柴油储槽相连，套管进料口和甲醇储槽相连，旋转填料床的液体出口与产品储槽连接。

套管直径d₂与主进料管直径d₃与比值为2-10；套管长度L₁与套管直径d₂比值为1-10；主进料管的内径d₃与主进料管喷嘴出料孔直径D₂的比为1-100；环缝宽度D₁与喷嘴出料孔直径D₂之比为1-10，套管直径d₂与旋转填料床填料内缘到套管距离d₁之比范围为1-200，挡板到非限定性撞击流结构距离d₄与进料管喷嘴出料孔直径D₂比值范围为1-50。

挡板为圆形或方形，挡板相对主进料管和套管旋转设置或者与主进料管和套管连接，挡板为向外凸起，挡板表面粗糙。

连续制备甲醇柴油乳液的工艺，基于上述的连连续制备甲醇乳化柴油的单反射超重力装置，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撞击流结构碰撞迅速完成初步混合，初步混合后的液体离开撞击平面中心后进入旋转的填料，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均匀混合过程，形成油包水型甲醇柴油乳液。

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。 

与其他方法比，本发明具有以下显著不同：

（1）本发明采用撞击流-旋转填料床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甲醇柴油乳液制备的搅拌器、均质器等混合器结构：(a)没有混合腔，液体对置碰撞后直接形成无限制发散的扇面；(b)套管采用环隙喷嘴，从环隙喷嘴喷出的液体与主进料管喷嘴喷出的液体在圆周方向混合，保证了各个方向混合均匀；(c)喷嘴前端设置有挡板，两股液体在挡板上碰撞、反溅混合，两股液体在此动能转化成静压能，形成高湍动区。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。

（2）本发明的工艺把混合过程的强化分为两步，首先让物料短时间内达到宏观混合，然后强化其进一步混合过程，在撞击流-旋转填料床液体出口处，通过性能检测，体积流量比1-15范围内，甲醇柴油乳液制备的稳定性可达60天以上，且实现了连续操作，可根据实验要求实现“现做现用”的要求，可进一步少用乳化剂。

（3）本方法反应体积流量比适用范围宽，实验验证在体积流量比1-15范围内具有高的混合效率。与现有技术相比，本发明的新型撞击流-旋转填料床装置采用两根直管的结构，减少了弯头的个数，减少了动量损失。以10m/s撞击初速度为例，传统结构增加2个90°弯头，阻力损失为75J/kg，动能仅为没有弯头的1/4，撞击速度随之极大地减小。根据Newton定律，较大的撞击初速度形成了较强烈的动量传递，能量耗散增强，加上液体处于分子紧密聚集的凝聚状态，两股相向撞击的流体间必然发生强烈地相互作用，包括流团或/和分子间相互碰撞、挤压、剪切等作用，产生强烈的微观混合。由于撞击面的边缘效应，微观混合并不像撞击面中心区域理想，通过旋转填料床的高速旋转，对边缘液体剪切，进行二次混合，从而进一步强化了混合效果。

综上所述，本发明的新型撞击流-旋转填料床混合装置保持了传统两根管撞击流装置连续操作、处理能力强、处理量大、维修方便的优点，克服了目前传统两根进料管撞击流结构不等量进料混合效果差的缺点，具有不等量进料均匀混合、快速反应、反应时间短、处理量大的优点；出料孔喷出的物料与挡板碰撞，形成径向并垂直与填料的雾面，与旋转填料床耦合，通过旋转填料床的切割，能够使物料进一步均匀的混合，尤其适用于工业上反应体系物料比不为1的不等量进料的混合过程反应以及有一定黏度特性的混合体系。

附图说明

图1为连续制备甲醇乳化柴油的单反射超重力装置示意图，

图2为撞击流结构及旋转填料床结构示意图，

    图3环式喷嘴截面图，

图4是向外凸起的挡板结构示意图，

图5是平板的挡板结构示意图，

图6是向内凹陷的挡板结构示意图。

   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，1.1-主进料管进料口，7-旋转填料床，1.1-主进料管进料口，1.2-套管进料口，1.3-主进料管，1.4-套管，1.5-主进料管喷嘴，1.6-环缝，1.7-壳体，1.8-填料，1.9-转子，1.10-电机，1.11-转轴，1.12-挡板，1.13-液体出口。

具体实施方式

如图1、2所示，连续制备甲醇乳化柴油的单反射超重力装置，包括撞击流结构1和旋转填料床7，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1.3和套管1.4以及液体挡板1.12，套管1.4的管径大于主进料管1.3的管径，套管1.4套于主进料管1.3之外，主进料管1.3远离挡板1.12的一端设置主进料管进料口1.1、靠近挡板1.12的另一端设置扩口型主进料管喷嘴1.5，主进料管喷嘴1.5端部中心开有出料孔，套管1.4对应主进料管进料口的一端也设置有套管进料口1.2，套管对应主进料管喷嘴的另一端开口、套管开口端部与主进料管喷嘴端部形成环缝1.6，出料孔与环缝设置于同一平面，挡板1.12相对于主进料管以及套管的轴线方向垂直设置，挡板中心位于主进料管以及套管的轴线上；所述的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，主进料管喷嘴以及环缝1.6与挡板之间中心线位于转子1.11空腔的中央，转子1.9位于壳体的中部，填料在转子空心圆环中；主进料管进料口与带有搅拌装置的柴油储槽相连且其连接管路上设置油相输送泵和流量计，套管进料口和带有搅拌装置的甲醇储槽相连而且其连接管路上设置水相输送泵和流量计，旋转填料床的液体出口与产品储槽连接。

套管直径d₂与主进料管直径d₃与比值为2-10；套管长度L₁与套管直径d₂比值为1-10；主进料管的内径d₃与主进料管喷嘴出料孔直径D₂的比为1-100；环缝宽度D₁与喷嘴出料孔直径D₂之比为1-10，套管直径d₂与旋转填料床填料内缘到套管距离d₁之比范围为1-200，挡板到非限定性撞击流结构距离d₄与进料管喷嘴出料孔直径D₂比值范围为1-50。

如图4、5、6所示，挡板为圆形，也可以为方形，挡板为平板、向内凹陷或向外凸起，挡板表面为平滑或粗糙。优先选择微观混合效果较好的向外凸起、表面粗糙的圆形挡板。挡板固定于旋转填料床上，与转子内缘连接，与其一起旋转；也可以与撞击流结构连接。

如图1所示，一种连续制备甲醇柴油乳液的工艺，基于所述的连续制备甲醇乳化柴油的单反射超重力装置完成，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撞击流结构碰撞迅速完成初步混合，初步混合后的液体离开撞击平面中心后进入旋转的填料，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均匀混合过程，形成油包水型甲醇柴油乳液。

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：套管直径d₂与主进料管直径d₃与比值为2；套管长度L₁与套管直径d₂比值为5；主进料管的内径d₃与喷嘴出料孔直径D₂的比为100；环缝宽度D₁与喷嘴出料孔直径D₂之比为1，套管直径d₂与超重力结构填料内缘到套管距离d₁之比范围为100，挡板到非限定性撞击流结构距离d₄与主进料管喷嘴直径D₂比值范围为50。液体挡板为向外凸起、表面粗糙的圆形挡板。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10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：套管直径d₂与主进料管直径d₃与比值为5；套管长度L₁与套管直径d₂比值为10；主进料管的内径d₃与喷嘴出料孔直径D₂的比为1；环缝宽度D₁与喷嘴出料孔直径D₂之比为6，套管直径d₂与超重力结构填料内缘到套管距离d₁之比范围为200，挡板到非限定性撞击流结构距离d₄与主进料管喷嘴直径D₂比值范围为1。液体挡板为向外凸起、表面粗糙的圆形挡板。乳化剂为Span60、Tween80、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30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：套管直径d₂与主进料管直径d₃与比值为10；套管长度L₁与套管直径d₂比值为1；主进料管的内径d₃与喷嘴出料孔直径D₂的比为80；环缝宽度D₁与喷嘴出料孔直径D₂之比为10，套管直径d₂与超重力结构填料内缘到套管距离d₁之比范围为1，挡板到非限定性撞击流结构距离d₄与主进料管喷嘴直径D₂比值范围为25。液体挡板为向外凸起、表面粗糙的圆形挡板。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10μm，室温条件下保持62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：套管直径d₂与主进料管直径d₃与比值为4；套管长度L₁与套管直径d₂比值为5；主进料管的内径d₃与喷嘴出料孔直径D₂的比为48；环缝宽度D₁与喷嘴出料孔直径D₂之比为6，套管直径d₂与超重力结构填料内缘到套管距离d₁之比范围为76，挡板到非限定性撞击流结构距离d₄与主进料管喷嘴直径D₂比值范围为20。液体挡板为向外凸起、表面粗糙的圆形挡板。乳化剂为Span80、Tween80、Tween40、十二烷基磺酸钠复配，HLB值为5.2，乳化剂含量3%，助乳化剂为正丁醇，含量为1.3%，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：套管直径d₂与主进料管直径d₃与比值为4；套管长度L₁与套管直径d₂比值为1；主进料管的内径d₃与喷嘴出料孔直径D₂的比为60；环缝宽度D₁与喷嘴出料孔直径D₂之比为5.5，套管直径d₂与超重力结构填料内缘到套管距离d₁之比范围为120，挡板到非限定性撞击流结构距离d₄与主进料管喷嘴直径D₂比值范围为30。液体挡板为向外凸起、表面粗糙的圆形挡板。乳化剂为Span80、Tween80、Span20、油酸、十二烷基磺酸钠复配，HLB值为5.4，乳化剂含量3.6%，助乳化剂为正戊醇，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3个月天不析水，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单反射超重力装置，包括撞击流结构（1）和旋转填料床（7），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（1.3）和套管（1.4）以及液体挡板（1.12），套管（1.4）的管径大于主进料管（1.3）的管径，套管（1.4）套于主进料管（1.3）之外，主进料管（1.3）远离挡板（1.12）的一端设置主进料管进料口（1.1）、靠近挡板（1.12）的另一端设置扩口型主进料管喷嘴（1.5），主进料管喷嘴（1.5）端部中心开有出料孔，套管（1.4）对应主进料管进料口的一端也设置有套管进料口（1.2），套管对应主进料管喷嘴的另一端开口、套管开口端部与主进料管喷嘴端部形成环缝（1.6），出料孔与环缝设置于同一平面，挡板（1.12）相对于主进料管以及套管的轴线方向垂直设置，挡板中心位于主进料管以及套管的轴线上；所述的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，主进料管喷嘴以及环缝（1.6）与挡板之间中心线位于转子（1.11）空腔的中央，转子(1.9)位于壳体的中部，填料在转子空心圆环中；主进料管进料口(1.1)与柴油储槽(3)相连，套管进料口（1.2）和甲醇储槽（5）相连，旋转填料床的液体出口（1.13）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单反射超重力装置，其特征在于套管直径（d₂）与主进料管直径（d₃）与比值为2-10；套管长度（L₁）与套管直径（d₂）比值为1-10；主进料管的内径（d₃）与主进料管喷嘴出料孔直径（D₂）的比为1-100；环缝宽度（D₁）与喷嘴出料孔直径（D₂）之比为1-10，套管直径（d₂）与旋转填料床填料内缘到套管距离（d₁）之比范围为1-200，挡板到非限定性撞击流结构距离（d₄）与进料管喷嘴出料孔直径（D₂）比值范围为1-50。

3.根据权利要求1或2所述的连续制备甲醇乳化柴油的单反射超重力装置，其特征在于挡板（1.12）为圆形或方形，挡板（1.12）相对主进料管（1.3）和套管（1.4）旋转设置或者与主进料管（1.3）和套管（1.4）连接，挡板（1.12）为向外凸起，挡板表面粗糙。

4.一种连续制备甲醇柴油乳液的工艺，基于如权利要求3所述的连续制备甲醇乳化柴油的单反射超重力装置完成，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撞击流结构碰撞迅速完成初步混合，初步混合后的液体离开撞击平面中心后进入旋转的填料，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均匀混合过程，形成油包水型甲醇柴油乳液。

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