CN111888957A - 一种分散相超细微粒径乳化油制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃动力燃油相关技术领域，并公开了一种分散相超细微粒径乳化油制备装置。该装置包括乳化罐、搅拌机构、超声乳化机构、滑动机构和温度控制机构，乳化罐的罐体用于盛装待细微化处理液体，搅拌机构设置在罐体中，用于对罐体中的待细微化处理液体进行搅拌，滑动机构设置在罐体外，其与搅拌机构连接，用于调整搅拌机构在罐体中的高度，超声乳化机构设置在罐体的下方，用于发出超声波对罐体中的待细微化处理液体进行超声高频剪切和粉碎，温度控制机构用于调控罐体内的温度，使其满足表面活性剂活性及精确组分含量的要求；通过本发明，实现乳化油的超细微粒径，有利于实现喷雾液滴的微爆，促进油气混合，提高燃烧效率并降低有害气体的排放。

Description

一种分散相超细微粒径乳化油制备装置

技术领域

本发明属于内燃动力燃油相关技术领域，更具体地，涉及一种分散相超细微粒径乳化油制备装置。

背景技术

随着内燃动力数量的增加，能源的消耗也日益增加，与之俱来的还有环境问题。内燃动力尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物等都会对人体造成危害，因此替代燃油、合成燃油逐渐被重视。发展内燃动力的清洁替代燃油，不但可以减少对环境的污染，还可以缓解我国的化石燃料危机。乳化油作为替代燃油，在喷雾燃烧中能够产生微爆现象，引起燃油液滴的二次破碎，从而能使燃油雾化质量更佳，燃烧更充分，进而可以提高燃料的燃烧效率，并可以减少有害气体的排放。

目前针对乳化油的制备也取得了不少成果，但还存在以下问题：1.目前的乳化装置工作时，往往会产生高温，乳化油温度的升高会导致沸点较低的分散相组分蒸发，从而影响乳化油分散相组分含量的精确性；2.制备的乳化油中，分散相粒径尺寸较大且粒径分布范围大，因此乳化油稳定性较差，无法较长时间存放，难以投入实际使用，需要新的制备方法；3.乳化装置使用过后难以排净乳化液，并清洗干净，影响制备效率和下次制备精度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分散相超细微粒径乳化油制备装置，在表面活性剂的基础作用下，通过采用低频机械搅拌和高频超声乳化相结合的方式，实现乳化油的超细微粒径，有利于实现喷雾液滴的微爆，促进油气混合，提高燃烧效率并降低有害气体的排放。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种分散相超细微粒径乳化油制备装置，其特征在于，该装置包括乳化罐、搅拌机构、超声乳化机构、滑动机构和温度控制机构，其中：

该装置包括乳化罐、搅拌机构、超声乳化机构、滑动机构和温度控制机构，其中：

所述乳化罐的罐体用于盛装待细微化处理液体，所述搅拌机构设置在所述罐体中，用于对所述罐体中的待细微化处理液体进行搅拌，所述滑动机构设置在所述罐体外，其与所述搅拌机构连接，用于调整所述搅拌机构在所述罐体中的位置，并在乳化过程中带动搅拌轴上下移动实现乳化液的整体混合，所述超声乳化机构用于发出超声波对所述罐体中的待细微化处理液体进行超声高频剪切和粉碎，所述温度控制机构用于调控所述罐体内的温度，使其满足表面活性剂活性要求及精确的组分含量需求；

所述搅拌机构包括搅拌轴、搅拌叶片和刮液单元，其中，所述搅拌轴为所述搅拌叶片和刮液单元的中心旋转轴，所述搅拌叶片和刮液单元交错分布在所述搅拌轴上，所述刮液单元包括叶轮和刮液头，所述叶轮沿所述罐体截面的圆周上均匀分布着多根轮毂，所述刮液头设置在轮毂的末端，与所述罐体的内壁接触，用于刮除粘附在所述罐体内壁上的乳化液。

进一步优选地，所述叶轮中的轮毂与所述刮液头之间的夹角为90°～180°，根据乳化油种类、属性以及液核直径目标来选择不同的搅拌速度，并根据搅拌轴的不同搅拌速度选择合适的夹角，并选择与之对应的刮液头。

进一步优选地，所述刮液头的材料为聚苯醚、聚四氟乙烯、聚丙烯等树脂材料中的一种，该刮液头测截面呈平行四边形或三角形，其侧边与所述搅拌轴的夹角为30°～60°，便于向下刮液。

进一步优选地，所述罐体的上端设置有切向注液口，下端设置有出液口，所述切向注液口可以实现注液绕壁面平缓流入，并形成定向流动的液体漩涡，有利于实现所注液体的初步混合，所述罐体的底部设置有隔板，该隔板向所述出液口端倾斜，使得所述罐体中的乳化液更易流出。

进一步优选地，所述超声乳化机构包括超声发生器和与该超声发生器连接的超声换能器，所述超声换能器设置在所述罐体的底面，通过所述隔板与罐体中的乳化液隔开，超声发生器发出超声波后通过所述超声换能器传递给所述罐体中的乳化液，超声发生器的发出的超声波频率20kHz～300kHz，功率范围为1kW～100kW，时间为0～99min，可以根据乳化油种类、属性以及液核直径目标来选择不同的超声乳化参数。

进一步优选地，所述温度控制机构包括冷却水管、测温元件和加热棒，所述冷却水管缠绕在所述罐体的外表面，或通过钻孔方式嵌套在罐体壁面中间，所述测温元件设置在所述罐体的内侧面，所述加热棒设置在所述罐体内部的底端，当所述测温元件测量所述罐体中乳化液温度低于预设温度时，所述加热棒开始加热，以提高表面活性剂的活性，直至所述罐体中温度达到预设值，当所述测温元件测量所述罐体中的温度高于预设温度时，所述冷却水管中的水量增加，增强冷却效果，以确保表面活性剂的活性，并抑制乳化液各组分相的蒸发量，确保组分精确，直至所述罐体中温度达到预设值。

进一步优选地，所述冷却水管与恒温水箱连接，该恒温水箱上设置有补给水入口，该补给水入口设置在所述恒温水箱的中上部，补充的补给水从上流至底部，加快所述恒温水箱的降温，当所恒温水箱中的温度高于预设温度时，将该恒温水箱中的水释放，并从所述补给水入口补充水，否则，不进行冷却水的更换。

进一步优选地，所述搅拌叶片呈斜面，倾斜角为10°～80°，用于使得液体上下翻动，搅拌更充分。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中在基于复合表面活化剂，充分降低不同极性相的表面张力的基础上，设置切向注液口，使得罐内乳化油形成旋转层流，有利于乳化油的初步混合，设置可上下移动的搅拌机构，一方面将罐体上部的液体搅拌至罐体下部，一方面将罐体内壁和远离罐体中心的液体搅拌至罐体中心，从而使整体乳化油都能乳化得更加充分，设置超声乳化机构，产生局部微观高频剪切和粉碎，进行乳化液中不同相的彻底融合。以上机械和超声设置，使乳化油在宏观上和微观上分别承受了低频搅动和高频剪切，乳化油分散相粒径更加均匀；随着超声乳化参数的增加，乳化油的分散相粒径会逐步减小，但乳化油的温度会随之增加，表面活化剂活性降低，乳化效果也会适当下降，本发明的温度控制机构可以控制乳化过程中罐内乳化液温度在一定范围内波动，拟制超声乳化导致的高温缺陷，从而保证了表面活性剂始终具有良好的活性以及乳化油中分散相含量的准确性，从而可以在满足稳定性和组分精确地的基础上，通过增加乳化参数而达到减小分散相粒径的目的；

2.本发明在确定的最佳复合表面活性剂的亲连续相亲分散相平衡值时，乳化液的稳定性更好；控制一定的超声乳化参数，该乳化油分散相粒径分布更加均匀，平均粒径更细微，且乳化油在燃烧过程中表现出的微爆效果也较好，有利于促进油气混合，提高燃烧效率并降低有害气体的排放。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的分散相超微细粒径乳化油乳化装置结构图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的乳化罐盖俯视图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的乳化罐体俯视图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的搅拌叶片、叶轮和刮液头的结构图，其中，(a)是搅拌叶片的俯视图，(b)是叶轮和刮液头的俯视图，(c)是罐体中搅拌叶片和叶轮的俯视图，(d)是罐体中搅拌叶片和叶轮的侧视图，(e)刮液头的截面图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的搅拌电机支撑座截面局部放大图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的乳化装置冷却水管路图；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的温度控制机构的结构框图；

图8是按照本发明的优选实施例所构建的恒温水箱工作流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-乳化罐盖，2-注液口，3-支撑座，4-罐体，5-连通式液位计，6-出液阀，7-出液口，8-隔板，9-超声波发生器，10-超声波换能器，11-搅拌电机，12-搅拌轴，13-刮液单元，14-搅拌叶片，15-步进电机，16-滑块，17-滑台，18-冷却水管，19-测温元件，20-加热棒，21-底座；

301-花键，302-密封圈，1301-叶轮1302-刮液头，1801-水泵，1802-电磁阀I，1803-步进电机，1804-冷却水阀，1806-恒温水箱，1807-电磁阀II，1808-补给水入口，1809-电磁阀III，1810-高温水出口，1811-散热肋片，1812-散热风扇。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种制备分散相超细微粒径乳化油的制备装置，该制备装置包含有乳化罐、超声乳化机构、搅拌机构、滑动机构和温度控制机构。

如图1所示，其中乳化罐包括半圆形罐盖1和罐体4，半圆形罐盖4上方开有切向注液口2，并在中央设置搅拌电机支撑座3；搅拌电机支撑座3内放有母旋转式LTR型滚珠花键301、密封圈302；罐体4一侧开有连通式液位计5观测罐内乳化液高度，可作为设定滑块16位移范围的参考，另一侧开设出液口7收集乳化液并排出废液，底部设置倾斜3～5°的倾斜铁片隔板8，保证乳化液的重力分量大于其粘附力，使乳化液可以自然流出。

其中，如图2所示，注液口2为沿圆周切线方向的切向入口，注入的液体可以沿壁面平缓流入，防止注液飞溅，并形成定向流动的液体漩涡，有利于实现所注液体的初步混合。半圆形罐盖1有利于部分汽化和飞溅到罐盖内壁的液体迅速回流，保证乳化油内低沸点分散相组分含量与设计值相一致，确保组分精确。

其中，母旋转式LTR型滚珠花键301将转动方向的间隙控制到零间隙式过盈，可以高速运行，高速旋转；该结构不仅可以密封乳化罐，防止杂质进入罐内，影响乳化油纯度，还可以减小摩擦、定位轴心，减少运行时搅拌轴在径向的震动。

其中，超声乳化机构中超声波发生器9连接超声波换能器10，超声波换能器10置于乳化罐体4底部，以倾斜铁片隔板8与罐内乳化液隔离开。超声波产生的频率、功率、时间可在一定范围内进行调节，频率范围为20～300kHz，功率范围为1kW～100kW，时间范围为0～99min，具体可以根据乳化油种类、属性以及液核直径目标来选择不同的超声乳化参数。

其中，超声波的空化作用被认为是粉碎不溶液体的机制。超声波的空化作用是在超声波的作用下，在液体内产生高频的低压和高压交互状态，低压下液体产生大量气泡，高压下气泡消亡，随着时间的增加小气泡也随超声震动逐渐生长，然后破灭和分裂，气泡的循环生长和分裂从而微观层面上形成了大量剪切力，该剪切力能破碎乳化液中不同相的表面张力，促进不同相的融合。不同超声参数，在微观层面上能产生不同分散相液核直径程度的剪切和破碎。

其中，搅拌机构中搅拌轴12上端开有花键槽，下端为光轴，且刮液单元13和搅拌叶片14交叉固定在搅拌轴12上。

其中，如图4中(a)～(e)所示，所述搅拌叶片14具有一定角度的斜面，用于把液体上下搅动，刮液单元13包括叶轮1301和刮液头1302，刮液头1302与叶轮1301固定成90°～180°的钝角θ，三组刮液单元相差角度α为60°，叶片14为三叶桨式叶片，三组叶片14相差角度β为40°，不同的角度可以使罐内液体的剪切和扰流更大，搅拌更加均匀，可制备粒径更小且均匀的乳化油，刮液单元13和叶片14交叉固定在搅拌轴12上，使刮料更加均匀，减小附着在乳化罐体18内壁上的残留乳化油含量，确保细微化处理的乳化液组分更精确，液核直径更均匀。

其中，刮液头1302采用聚四氟乙烯材料，具有高润滑性、不粘性、良好的抗老化性能的特点，与乳化罐体4内壁柔性接触。且刮液头1302侧面与搅拌轴12的夹角γ为30°～60°，该角度保证搅拌过程中刮液的液体是向下流动，如果角度过大阻力也会增加，角度太小的话这个刮液头的高度也就越小，刮液不明显，本发明的实施例中为45,且该侧面沿搅拌方向的法线朝下，保证了刮下的液体有向下运动的运动分量。

其中，滑动机构中步进电机15控制滑块16上下移动，滑块16置于双线轨滚珠丝杆导轨滑台17上，并固定连接搅拌电机11，搅拌电机11的下限位置位于搅拌电机支撑座3上平面处，下部连接搅拌轴12。搅拌轴跟随滑块16上下运动，上下移动的作用在于：一方面，适应不同液位高度，乳化过程中上下搅拌，使各部分液体都能有达到液体底层的机会，底部超声乳化强度高，从而可以使液体各部分的乳化能力相似，使整个乳化液的液核直径更均匀；另一方面，上下刮液，防止壁面液体由于粘性作用，不会搅动到中心部位而未被超声乳化，清洁乳化罐更干净。搅拌结束时，复位至搅拌电机支撑座3处。

其中，切向注液口、机械搅拌和超声乳化结合对液体的乳化效果更好，切向注液口可以实现注液绕壁面平缓流入，并形成定向流动的液体漩涡，有利于实现所注液体的初步混合；机械搅拌，实现宏观上的混合，使每个部位的液体，都有机会获得高强度超声波乳化，超声乳化，微观上的剪切和破碎，破坏乳化油中不同相液体的表面张力，促进部分部位的液体中各个相的互溶。机械搅拌会导致液体温度上升，超声的乳化作用也会在气泡内形成高温，因此需要乳化罐液体的温度控制机构。乳化适宜温度为20～35℃。

其中，温度控制机构确保表面活化剂的活性确保没有液体蒸发，包括冷却水管18、水泵1801、电磁阀I1802、步进电机1803、冷却水阀1804、测温元件19、恒温水箱1806、电磁阀II 1807、补给水入口1808、电磁阀III1809、高温水出口1810、散热肋片1811、散热风扇1812、加热棒20。冷却水管18缠绕在乳化罐体4外，如图3所示，加热棒20置于罐体4底部。

其中，如图6所示，冷却水管18的流量由电磁阀1802和冷却水阀1804控制，冷却水阀1804的开度由步进电机1803控制。恒温水箱1806外接水源作为低温补给水，保证冷却水的温度始终低于罐内乳化液温度；补给水的流入由电磁阀II控制，高温水流出由电磁阀III控制。补给水入口1808置于恒温水箱1806中上部，由于冷水密度大，冷水可以从上流至底部，加快恒温水箱的降温过程，其中，冷却水管可以是缠绕在罐体外，也可以是在罐体旁边设置的冷却水腔，与罐体为一体的结构。

其中，如图7所示，温度控制的流程为：先确定预设的温度范围20～35℃，然后判断初始乳化液温度是否低于预设温度下限25℃，若低于该值则开启加热棒20至高于该温度值或者达到预设的乳化时间，若高于该值则保持加热棒20关闭状态，并使电磁阀I1802保持通电状态，由于随着乳化的进行温度会越来越高，因此需要保持电磁阀I1802处于开启状态。判断乳化液温度是否高于预设温度上限35℃，若高于该值则利用步进电机1803带动冷却水阀1804逆时针旋转90°，增大冷却水流量，若处于预设温度范围内则保持其开度不变。至时间达到乳化时间后，电磁阀I1802断电，并使冷却水阀1804复位。冷却水阀1804的初始位置流量较小。

其中，如图8所示，恒温水箱1806的工作原理为：先预设一个低于乳化液温度即低于20℃的水箱温度，当测温元件19显示的水箱温度高于该值时，电磁阀III1809通电打开至恒温箱内液面到达下限位点，电磁阀III1809断电并给电磁阀II1807通电，当液面达到上限位点时，电磁阀II1807断电。当水箱内温度低于该值时，电磁阀II1807、III1809始终保持断电状态。

其中，恒温水箱1806也是散热水箱，采用的散热铝板为铝制钢板，两侧设有散热肋片1811，外置散热风扇1812，便于水箱内的散热。该恒温水箱1806可以减少冷却水管路中气体的存在，减少了空蚀现象的出现，确保了冷却水的流阻不变，也可以确保冷却水恒温。

进一步地，所述乳化油制备方法步骤如下：

S1、在烧杯中将连续相燃油和亲油性表面活性剂按一定比例混合，并搅拌均匀；

S2、在烧杯中将分散相液体和亲分散性表面活性剂按一定比例混合，并搅拌均匀；

S3、将制好的两种混料倒入乳化罐中，控制乳化罐内液体的温度范围，控制合适的超声乳化参数，进行乳化；

S4、将乳化后的透明液体导出，即得分散相超细微粒径乳化油。

下面结合具体实施例，对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

分散相水超细粒径乳化柴油复合表面活性剂采用Span-80和Op-10，而其最佳亲水亲油平衡值HLB为5～6。其中Span-80的HLB为4.5，Op-10的HLB为14.5，Span-80和Op-10的质量比为11.5:1。乳化柴油由以下重量份原料制备获得：87.8份柴油，9.8份去离子水，2.2份Span-80，0.2份Op-10。

某种乳化油分散相水超细粒径乳化柴油制备方法如下：

在烧杯中加入87.8份柴油，2.2份Span-80，搅拌至溶液变清澈；然后在另一烧杯中加入9.8份去离子水和0.2份Op-10，搅拌至溶液清澈。将其从切向注液口倒入乳化罐内。

乳化温度设置为20～35℃，搅拌电机转速为3600r/h，通过不同的超声波乳化参数找到满足分散相粒径达到超细粒径乳化油的参数。

其中，可以示例设置超声波发生器的功率为3、4、5、6、7kW，频率为40、60、80、100、120kHz，搅拌和震荡时间为20、25、30、35、40min，按正交实验方法制备不同超细粒径的乳化油。

制备好的乳化油静置3h后，利用光学显微镜和CCD相机对粒径进行观察拍摄,最后利用计算机软件对分散水核粒径进行测量、统计，当平均粒径小于0.5微米时，该组乳化油即为所需分散相超细微粒径乳化油，其所对应的超声波乳化参数即为制备分散相超细微粒径乳化油的适宜乳化参数。

其中，该方法采用了大量数据进行统计，可重复性强，可根据所需乳化油分散相粒径的平均值及粒径分布范围，寻求适宜的乳化参数进行制备。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分散相超细微粒径乳化油制备装置，其特征在于，该装置包括乳化罐、搅拌机构、超声乳化机构、滑动机构和温度控制机构，其中：

所述乳化罐的罐体(4)用于盛装待细微化处理液体，所述搅拌机构设置在所述罐体中，用于对所述罐体中的待细微化处理液体进行低频搅拌，所述滑动机构设置在所述罐体外，其与所述搅拌机构连接，用于调整所述搅拌机构在所述罐体中的位置，并在乳化过程中带动搅拌轴上下移动实现乳化液的整体混合，所述超声乳化机构用于发出超声波对所述罐体中的待细微化处理液体进行超声高频剪切和粉碎，所述温度控制机构用于调控所述罐体内的温度，使其满足表面活性剂活性要求及精确的组分含量需求；

所述搅拌机构包括搅拌轴(12)、搅拌叶片(14)和刮液单元(13)，其中，所述搅拌轴(12)为所述搅拌叶片和刮液单元的中心旋转轴，所述搅拌叶片和刮液单元交错分布在所述搅拌轴上，所述刮液单元(13)包括叶轮(1301)和刮液头(1302)，所述叶轮(1301)沿所述罐体截面的圆周上均匀分布着多根轮毂，所述刮液头(1302)设置在轮毂的末端，与所述罐体的内壁接触，用于刮除粘附在所述罐体内壁上的乳化液。

2.如权利要求1所述的一种分散相超细微粒径乳化油制备装置，其特征在于，所述叶轮(1301)中的轮毂与所述刮液头(1302)之间的夹角为90°～180°。

3.如权利要求1所述的一种分散相超细微粒径乳化油制备装置，其特征在于，所述刮液头(1302)的材料为聚苯醚、聚四氟乙烯、聚丙烯等树脂材料中的一种，该刮液头测截面呈平行四边形或三角形，其侧边与所述搅拌轴的夹角为30°～60°，便于向下刮液。

4.如权利要求1所述的一种分散相超细微粒径乳化油制备装置，其特征在于，所述罐体的上端设置有切向的注液口(2)，该切向注液口使得进入的液体形成旋转层流，下端设置有出液口(7)，所述罐体的底部设置有隔板(8)，该隔板向所述出液口端倾斜，使得所述罐体中的乳化液更易流出。

5.如权利要求4所述的一种分散相超细微粒径乳化油制备装置，其特征在于，所述超声乳化机构包括超声发生器(9)和与该超声发生器连接的超声换能器(10)，所述超声换能器设置在所述罐体的底面，通过所述隔板与罐体中的乳化液隔开，超声发生器发出超声波后通过所述超声换能器传递给所述罐体中的乳化液，超声发生器的发出的超声波频率20kHz～300kHz，功率范围为1kW～100kW，时间为0～99min。

6.如权利要求1所述的一种分散相超细微粒径乳化油制备装置，其特征在于，所述温度控制机构包括冷却水管(18)、测温元件(19)和加热棒(20)，所述冷却水管(18)缠绕在所述罐体的外表面，或嵌套在罐体壁面中间，所述测温元件(19)设置在所述罐体的内侧面，所述加热棒(20)设置在所述罐体内部的底端，当所述测温元件测量所述罐体中乳化液温度低于预设温度时，所述加热棒开始加热，以提高表面活性剂的活性，直至所述罐体中温度达到预设值，当所述测温元件测量所述罐体中的温度高于预设温度时，所述冷却水管中的水量增加，增强冷却效果，以确保表面活性剂的活性，并抑制乳化液各组分相的蒸发量，确保组分精确，直至所述罐体中温度达到预设值。

7.如权利要求6所述的一种分散相超细微粒径乳化油制备装置，其特征在于，所述冷却水管(18)与恒温水箱(1806)连接，该恒温水箱上设置有补给水入口(1808)，该补给水入口设置在所述恒温水箱的中上部，补充的补给水从上流至底部，加快所述恒温水箱的降温，当所述恒温水箱中的温度高于预设温度时，将该恒温水箱中的水释放，并从所述补给水入口补充水，否则，不进行冷却水的更换。

8.如权利要求6所述的一种分散相超细微粒径乳化油制备装置，其特征在于，所述搅拌叶片(14)呈斜面，倾斜角为10°～80°，用于使得液体上下翻动，搅拌更充分。

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