CN109364807B - 一种乳化生物柴油制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种乳化生物柴油制备装置，包括：液液静电分散装置，具有引流段、乳化段和出流段；方形柱体，设置于乳化段内；四个肋板，分别连接方形柱体的侧边与乳化段的内壁；电极板，设置于方形主体的四个侧面；至少一个多孔喷嘴组，设置于乳化段的侧面，多孔喷嘴组具有四个多孔喷嘴，沿圆周方向均匀分布，多孔喷嘴淹没在连续相液体中；高压静电发生器，与多孔喷嘴连接；离散相液体储液罐，与多孔喷嘴连接；连续相液体储液罐，与引流入口连接；本发明荷电离散相液体经多孔喷嘴雾化后喷向电极板，形成对称环状流动，离散相液滴均匀弥散在连续相液体中，本发明无需任何乳化剂及助乳化剂或搅拌装置，对不同密度的离散相液体具有普遍适用性。

Description

一种乳化生物柴油制备装置

技术领域

本发明涉及生物柴油乳化领域，尤其涉及一种乳化生物柴油制备装置。

背景技术

随着石油资源逐渐枯竭与燃油燃烧引起的环境污染问题日益突出，世界各国都开始致力于开发可再生的、环保的替代燃料，以节约能源并缓解环境危机。

与石化柴油相比，燃用生物柴油可以显著降低一氧化碳CO、碳氢化物HC和颗粒物PM10的排放量，不足之处在于氮氧化物NOx排放量有所增加。氮氧化物参与臭氧层的破坏，也是产生酸雨、光化学烟雾的主要原因之一，降低氮氧化物排放已成为国际环保领域的主要研究方向。现有研究表明，燃油掺水形成乳化燃油，可以提高燃油燃烧效率、降低油耗、减少燃烧废气中氮氧化物的含量，因此生物柴油掺水形成乳化生物柴油，可以解决生物柴油氮氧化物排放问题，成为石化柴油的优质替代燃料。

乳化生物柴油的制备方法主要采用机械搅拌、膜乳化、超声乳化等方式，乳化剂由多种表面活性剂和助表面活性剂复配而成，且复配过程复杂。为提高乳化生物柴油的稳定性，通常使用高浓度的乳化剂来实现乳化和微乳化，乳化剂质量百分比有时高达10～20％。离子型表面活性剂含有硫，燃烧后往往形成硫化物增加大气污染，非离子型的表面活性剂Span和Tween系列成本昂贵，乳化剂复配过程复杂，这些原因使乳化生物柴油的推广使用范围十分有限，现有技术中利用静电将蒸馏水雾化形成小液滴后沉入柴油中形成乳化柴油，试图减少乳化剂用量，但是其乳化过程仍然需要使用磁力搅拌器进行搅拌，需要多种乳化剂及助乳化剂，复配难度高、用量大，因此，现有技术中静电发挥的作用有限，微乳化柴油的生成更多地依赖传统的搅拌法及添加多种乳化剂。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种乳化生物柴油制备装置，乳化过程中无需采用搅拌器搅拌，也无需采用乳化剂，便即可实现生物柴油的乳化或微乳化。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种乳化生物柴油制备装置，包括：

液液静电分散装置，具有从下至上依次设置并依次连通的引流段、乳化段和出流段，所述引流段的底部具有引流入口，所述出流段具有出口，所述乳化段呈中空圆柱状；

方形柱体，设置于所述乳化段内；

四个肋板，设置于所述乳化段内，分别连接所述方形柱体的侧边与所述乳化段的内壁，将所述乳化段的内腔分隔为四个截面为扇形的乳化腔体；

电极板，所述方形柱体的四个侧面上均设有电极板，所述电极板接地；

至少一个多孔喷嘴组，设置于所述乳化段的侧面，所述多孔喷嘴组具有四个多孔喷嘴，四个所述多孔喷嘴以所述乳化段的轴线为中心沿圆周方向均匀分布，所述多孔喷嘴与所述乳化腔体一一对应，所述多孔喷嘴与所述电极板正对，所述多孔喷嘴的喷雾方向指向所述电极板；

高压静电发生器，与所述多孔喷嘴连接；

离散相液体储液罐，与所述多孔喷嘴连接；

连续相液体储液罐，与所述引流入口连接，连续相液体由引流入口进入液液静电分散装置内，所述多孔喷嘴的出口淹没在连续相液体中。

优选地，所述多孔喷嘴位于相邻两个肋板之间的中心线上。

优选地，所述多孔喷嘴组的个数为三个，三个所述多孔喷嘴组沿所述乳化段的轴向均匀分布。

优选地，所述电极板为铜电极板。

优选地，所述引流段从下至上为扩散状，所述出流段从下至上为渐缩状。

优选地，所述液液静电分散装置由不导电材料制成，所述多孔喷嘴由金属材料制成。

优选地，所述多孔喷嘴单孔孔径为0.3mm，单孔流量为0.001ml/s。

优选地，所述离散相液体为水，所述多孔喷嘴与所述电极板之间的荷电电压为15kV。

优选地，所述离散相液体为乙醇水溶液，所述乙醇水溶液中的乙醇浓度为80％，所述多孔喷嘴与所述电极板之间的荷电电压为3kV。

本发明的有益效果：

1)本发明中生物柴油作为连续相，水或者水与乙醇的混合溶液作为离散相，连续相液体从下往上流动，离散相液体经多孔喷嘴在连续相液体内发生液液静电雾化，形成的小液滴沿径向喷向乳化段方形柱体上的电极板，可以保证装置的普遍适用性，而不用考虑离散相液体密度与连续相密度的大小关系。这一设计解决了现有技术中离散相液体在空气中竖直向下喷雾时，雾化形成的液滴要能够沉入连续相液体，必须保证离散相液体密度高于连续相液体的问题。因此，在本发明中，即使离散相液体的密度低于连续相液体的密度，离散相液体雾化形成的液滴也不会在连续相液体表面聚集，依然可以实现高效乳化，适用性强。并且，本发明而无需现有技术中的任何乳化剂和搅拌装置，即可实现生物柴油的乳化或微乳化，本发明成本低、能耗少，有利于乳化生物柴油的推广应用。

2)本发明充分应用非匀强电场作用下的EHD流动特性，实现离散相液滴在连续相液体中的均匀分布。

3)本发明结构简单，便于燃油锅炉等设备的油路改造，生物柴油在线乳化后带有静电，传热传质得到强化，燃烧更加充分。

附图说明

图1为本发明实施例的乳化生物柴油制备装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的液液静电分散装置的横截面示意图。

图3为本发明实施例的液液静电分散装置内EHD流动示意图。

图4为本发明实施例中荷电电压为9kV时水在生物柴油中分散形态照片。

图5为本发明实施例中荷电电压为15kV时水在生物柴油中分散形态照片。

图6为本发明实施例中荷电电压为3kV时水/乙醇混合液在生物柴油中分散形态照片。

附图标记：

1.引流入口；2.引流段；3.乳化段；4.多孔喷嘴；5.出流段；6.出口；7.高压静电发生器；8.离散相液体用泵；9.连续相液体用泵；10.离散相液体储液罐；11.连续相液体储液罐；12.电极板；13.方形柱体；14.肋板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种乳化生物柴油制备装置。

请参阅图1和图2，根据本发明实施例的一种乳化生物柴油制备装置，包括：液液静电分散装置、方形柱体13、四个肋板14、电极板12、至少一个多孔喷嘴组、高压静电发生器7、离散相液体储液罐10、连续相液体储液罐11。

具体的，液液静电分散装置由不导电材料制成，本实施例中的液液静电分散装置由聚四氟乙烯支撑，液液静电分散装置具有从下至上依次设置并依次连通的引流段2、乳化段3和出流段5，所述引流段2的底部具有引流入口1，所述出流段5的顶部具有出口6，所述乳化段3呈中空圆柱状，引流段2从下至上为扩散状，所述出流段5从下至上为渐缩状，使过流断面面积变化较小，流动平顺。

方形柱体13设置于所述乳化段3内，方形主体的中心线与乳化段3的轴线位于同一条直线上。四个肋板14均匀设置于所述乳化段3内，四个肋板14分别用于将所述方形柱体13的四个侧边与所述乳化段3的内壁连接，将所述乳化段3的内腔分隔为四个截面为扇形的乳化腔体。所述方形柱体13的四个侧面上均固定设有电极板12，所述电极板12为铜电极板，电极板12接地。

多孔喷嘴组设置于所述乳化段3的侧面，所述多孔喷嘴组具有四个多孔喷嘴4，四个所述多孔喷嘴4以所述乳化段3的轴线为中心沿圆周方向均匀分布，所述多孔喷嘴4与所述乳化腔体一一对应，所述多孔喷嘴4位于相邻两个肋板14之间的中心线上，多孔喷嘴4与乳化段3壁面用螺纹连接。所述多孔喷嘴4与所述电极板12正对，所述多孔喷嘴4的喷雾方向指向所述电极板12，适用于离散相液体密度高于或者低于连续相液体密度的各种情况。本实施例中的多孔喷嘴组的个数为三个，三个所述多孔喷嘴组沿所述乳化段3的轴向均匀分布。

所有的多孔喷嘴4通过管路连接在一起后与离散相液体用泵8、离散相液体储液罐10依次相连。液液静电分散装置的引流入口1通过管道与连续相液体用泵9、连续相液体储液罐11依次相连。液液静电分散装置的出口6与油泵油嘴相连，在线形成的乳化生物柴油静电带电量充足，燃烧过程中静电将强化传热传质，应用常规的喷雾燃烧装置即可进一步提升燃烧效率，改善排放情况。

多孔喷嘴4由金属材料制成，使其能够导电，高压静电发生器7与所有多孔喷嘴4连接，离散相液体经多孔喷嘴4后带上电荷，在连续相液体内发生液液静电雾化，形成的小液滴沿径向喷向乳化段3方形柱体13上的电极板12，无需乳化剂的参与，液滴粒径可通过改变流量和荷电电压进行调节。多孔喷嘴4与铜板电极12间形成非匀强电场，在液液静电乳化装置的反应腔内形成了对称环状流动，使离散相液滴均匀地弥散在连续相中，不需要任何乳化剂或者助乳化剂，也无需搅拌器进行搅拌。

离散相液滴的粒径大小可以通过调节多孔喷嘴4中单个喷孔平均流量以及调节多孔喷嘴4与电极板12之间的荷电电压来进行改变，液滴粒径可以细至几微米甚至是纳米级，连续相液体加水乳化后依然保持清澈透明。作为优选，多孔喷嘴4的单孔孔径为0.3mm，单孔流量为0.001ml/s。所述离散相液体为水或乙醇水溶液，当离散相液体为水时，所述多孔喷嘴4与所述电极板12之间的荷电电压为15kV。当所述离散相液体为乙醇水溶液，所述乙醇水溶液中的乙醇浓度为80％，所述多孔喷嘴4与所述电极板12之间的荷电电压为3kV。

本发明实施例的一种乳化生物柴油制备装置的工作原理：

生物柴油作为连续相液体，水或者水与乙醇的混合溶液作为离散相液体。连续相液体在液液静电分散装置中从下往上流动，离散相液体经多孔喷嘴4在连续相液体内发生液液静电雾化，形成的小液滴沿径向喷向对应的电极板12，可以保证装置的普遍适用性，而无需考虑离散相液体密度与连续相密度的大小关系。这一设计解决了现有技术中离散相液体在空气中竖直向下喷雾时，为了使雾化形成的液滴要能够沉入连续相液体，必须保证离散相液体密度高于连续相液体的问题。而本发明中，即使离散相液体的密度低于连续相液体的密度，离散相液体雾化形成的液滴也不会在连续相液体表面聚集，依然可以实现高效乳化。

现有技术在空气中将离散相液体静电雾化形成小液滴，其粒径可调，但是离散相液滴粒径越小，液滴越不容易向下沉，在不采用乳化剂的情况下，纳米级的离散相液滴下沉速度极其缓慢甚至无法沉入连续相液体，更不能够在连续相中的均匀分布，为了让离散相液滴均匀弥散在连续相液体中，该过程不可避免地需要用搅拌器进行搅拌和乳化剂及助乳化剂。

本发明由于多孔喷嘴4与高压静电发生器7相连，电极板12接地，在多孔喷嘴4与方形柱体13上的电极板12之间形成非匀强电场，离散相液滴在连续相中弥散并不依赖于重力的作用，而是取决于静电力，离散相液滴粒径越小，越容易沿着电力线运动分散。另外，在非匀强电场的作用下，沿喷嘴轴线方向电场强度高，液滴受到的静电力大，液滴运动速快，而连续相液体是有粘性的，运动的离散相液滴带动连续相液体运动；外侧的电场强度低，液滴的运动速度慢一些，连续相液体的运动受液滴运动的影响就小。这样，在连续相液体内部，由于静电的参与，发生了复杂的液液两相流动，如图3所示，在反应腔内形成了对称环状流动，使离散相液滴均匀地弥散在连续相中，该过程中不需要任何乳化剂或者助乳化剂，也无需搅拌器进行搅拌。

本发明中离散相液滴粒径大小可以通过调节多孔喷嘴4中单个喷孔平均流量、荷电电压来进行改变，液滴粒径可以细至几微米甚至是纳米级，连续相液体加水乳化后依然保持清澈透明。由液液静电分散装置在线形成的乳化生物柴油静电带电量充足，经常规的油泵油嘴雾化燃烧时，除了乳化作用产生微爆“二次雾化效应”使得燃料与空气混合更加充分放外，静电的参与会进一步强化传热传质，排放参数将更加优化。

下面分别以水为离散相液体和以无水乙醇为离散相液体为例，讲述利用本发明实施的乳化生物柴油制备装置制备柴油的过程。

以水为离散相液体，生物柴油为连续相液体，依次启动离散相液体用泵8、连续相液体用泵9、高压静电发生器7，使离散相液体进入各多孔喷嘴4，在静电作用下雾化分散在生物柴油中。合理调配多孔喷嘴4的流量以及多孔喷嘴4与电极板12之间的荷电电压，设置多孔喷嘴4的喷孔为0.3mm，单孔流量为0.001ml/s，当荷电电压为3-9kV范围内，随着荷电电压的增加，如图4所示，用高速摄像仪拍下的图片显示，生物柴油中的离散相液滴粒径越来越小，液滴密度也逐渐增加；如图5所示，当荷电电压高于9kV以后，流量不变，同样的视场中可见的液滴数减少，其原因在于：电压增大，在离散相液滴形成过程中形成二次雾化，形成非常细小的纳米级液滴数大幅度增多，生物柴油变得更加透明清澈。根据实际使用需要，调整荷电电压生成乳化生物柴油或微乳化生物柴油，从液液静电分散装置的出口6接收或经油泵油嘴雾化燃烧。

无水乙醇是一种可再生、环境友好的燃料，能与生物柴油互溶，但是乙醇与水为共沸混合物，在乙醇生产过程中，高纯度乙醇通常用蒸馏法获得，该过程需要耗费大量的能量。因此，将含水乙醇与生物柴油混合形成新型混合燃料将具备更加优良的经济价值。含水乙醇与生物柴油可溶性很差，实验室中以85％、80％、70％乙醇溶液作为离散相液体，应用高速摄像仪拍摄观察液液分散形态，结果表明浓度为80％的乙醇溶液进行液液静电分散乳化生物柴油效果最佳。依次启动离散相液体用泵8、连续相液体用泵9、高压静电发生器7，使离散相液体进入各多孔喷嘴4，在静电作用下雾化分散在生物柴油中。设置多孔喷嘴4的喷孔为0.3mm，单孔流量为0.001ml/s，荷电电压为3kV，液液静电分散形态如图6所示，生物柴油已实现微乳化。利用液液静电分散，80％浓度的乙醇溶液可以实现生物柴油的微乳化，大幅度减少了蒸馏过程中的能源消耗，改善了乙醇的能量收支情况，并且荷电电压仅为3kV，其乳化过程的能耗比以水作为离散相液体更低，其热值比水-生物柴油形成的乳化燃料更高，除二氧化碳和水外没有额外的污染物排放。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种乳化生物柴油制备装置，其特征在于，包括：

液液静电分散装置，具有从下至上依次设置并依次连通的引流段、乳化段和出流段，所述引流段的底部具有引流入口，所述出流段具有出口，所述乳化段呈中空圆柱状；

方形柱体，设置于所述乳化段内；

四个肋板，设置于所述乳化段内，分别连接所述方形柱体的侧边与所述乳化段的内壁，将所述乳化段的内腔分隔为四个截面为扇形的乳化腔体；

电极板，所述方形柱体的四个侧面上均设有电极板，所述电极板接地；

至少一个多孔喷嘴组，设置于所述乳化段的侧面，所述多孔喷嘴组具有四个多孔喷嘴，四个所述多孔喷嘴以所述乳化段的轴线为中心沿圆周方向均匀分布，所述多孔喷嘴与所述乳化腔体一一对应，所述多孔喷嘴与所述电极板正对，所述多孔喷嘴的喷雾方向指向所述电极板，所述多孔喷嘴位于相邻两个肋板之间的中心线上；

高压静电发生器，与所述多孔喷嘴连接；

离散相液体储液罐，与所述多孔喷嘴连接；

连续相液体储液罐，与所述引流入口连接，连续相液体由引流入口进入液液静电分散装置内，所述多孔喷嘴的出口淹没在连续相液体中。

2.根据权利要求1所述的乳化生物柴油制备装置，其特征在于，所述多孔喷嘴组的个数为三个，三个所述多孔喷嘴组沿所述乳化段的轴向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的乳化生物柴油制备装置，其特征在于，所述电极板为铜电极板。

4.根据权利要求1所述的乳化生物柴油制备装置，其特征在于，所述引流段从下至上为扩散状，所述出流段从下至上为渐缩状。

5.根据权利要求1所述的乳化生物柴油制备装置，其特征在于，所述液液静电分散装置由不导电材料制成，所述多孔喷嘴由金属材料制成。

6.根据权利要求1所述的乳化生物柴油制备装置，其特征在于，所述多孔喷嘴单孔孔径为0.3mm，单孔流量为0.001ml/s。

7.根据权利要求1所述的乳化生物柴油制备装置，其特征在于，所述离散相液体为水，所述多孔喷嘴与所述电极板之间的荷电电压为15kV。

8.根据权利要求1所述的乳化生物柴油制备装置，其特征在于，所述离散相液体为乙醇水溶液，所述乙醇水溶液中的乙醇浓度为80％，所述多孔喷嘴与所述电极板之间的荷电电压为3kV。

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