CN112755826B - 一种强化液-液乳化的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种强化液液乳化的装置，所述装置包括喷射部分和与所述喷射部分连接的混合部分，所述喷射部分包括用于进料的进料三通，所述进料三通的第一端口用于主相的进料，第二端口设置一喷射器，用于分散相进料；所述喷射器包括喷射器外壳、进口段和依次连接的螺旋结构、导流结构和顶针结构；所述混合部分包括混合器，所述混合器包括圆筒状的混合器外壳、混合器进口段、混合器出口段和用于强化乳化液破碎和弥散的螺旋段、空腔段和变径段。经过本发明的装置和方法产生的乳化液，分散均匀，稳定时间长，且装置结构紧凑、能耗低，特别适用于化工、食品、涂料、化妆品等领域中的液液乳化过程。

Description

一种强化液-液乳化的装置和方法
技术领域
本发明属于化工、制药、生物等的液液混合领域，具体涉及一种强化液-液乳化的装置和方法。
背景技术
液液乳化是将两种或两种以上不互溶或不完全互溶的液体高度分散、均匀混合，以产生稳定乳化液的过程，是石油、化工、医药、食品等生产中重要的单元操作之一。传统的乳化方法一般是将主相和分散相放入搅拌釜中充分搅拌，但是这种方法耗时长，分散度低且均匀性较差，且耗能高。
近年来，越来越多的新型设备，如高剪切乳化机、静态混合器等应用于液液乳化中，而静态混合器混合效果差，分散相粒径大、乳化液不稳定；动态的高剪切混合器难以用于高温高压的混合工况，且能耗较大。
CN201921281523.2公开了一种混合乳化机，采用电机带动搅拌桨对两相进行搅拌乳化，随着搅拌桨转速的提高，乳化效果也随提高，但随之也会带来能耗的增加，尤其针对高粘度的非均相混合；CN201721238474.5公开了一种复合型管式静态混合器，在流动前段设置了翼片结构，加速了主相和分散相的流体扰动，但是其混合本质仍处于弱湍流状态，混合效果较差，分散相分布不均匀；CN201410748822.8公开了一种超声波静态混合器，在流动管道外部设置超声波发生器，可以有效避免因混合长度短而导致混合效果差的问题，但是超声波的使用也会带来能耗的增加。因此开发具有良好混合效果的微混器具有实际的意义。
发明内容
针对传统乳化不充分和耗能高的问题，本发明提供了一种强化液-液乳化的装置和方法，利用喷射部分的分散和混合部分强化混合的方式强化乳化效果。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种强化液液乳化的装置，所述装置包括喷射部分和与所述喷射部分连接的混合部分，其中，
所述喷射部分包括用于主相和分散相进料的进料三通，所述进料三通包括第一端口、第二端口和第三端口，其中第一端口用于主相的进料，第二端口设置一喷射器，用于分散相进料；所述喷射器包括一侧开口，另一侧为半球结构的圆筒状的喷射器外壳，所述喷射器外壳的开口一侧为所述喷射器的进口段，所述喷射器内部，沿进口段向内，依次设有相互连接的螺旋结构、导流结构和顶针结构；所述喷射器外壳的半球结构一侧设置一喷射口；
所述混合部分包括混合器，所述混合器包括圆筒状的混合器外壳、位于所述混合器外壳内两端的混合器进口段、混合器出口段和用于强化乳化液破碎和弥散的螺旋段、空腔段和变径段，所述混合器进口段与所述第三端口通过法兰连接。
根据本发明的优选实施例，所述进口段的直径为D1；所述进口段具有内螺纹或外螺纹，用于与分散相管道相连接；所述螺旋结构包括位于轴心的圆柱状支撑杆和与所述喷射器外壳的内壁及所述支撑杆相连接的第一螺旋叶片，用于将分散相产生旋流，提高湍动能；所述导流结构包括圆柱状导流段和直径渐缩的圆台状导流段，所述圆柱状导流段的直径为进口段直径D1的1/2-3/4，所述圆台状导流段的底角α为30°-50°；所述顶针结构为圆柱状结构；所述喷射口的直径为0.2-12mm；所述顶针结构的直径为喷射口的直径的4/5-6/5，所述顶针结构与所述喷射口的距离为1-5mm。
根据本发明的优选实施例，所述混合器内的螺旋段、空腔段和变径段位于所述混合器进口段和混合器出口段间依次连接，且为重复结构，所述螺旋段、空腔段和变径段重复的数量n为混合级数，n≥1。
根据本发明的优选实施例，所述混合器的整体长度为L，所述螺旋段的长度为混合器长度L的1/8n～1/2n，变径段的长度为混合器长度L的1/8n～1/2n。
根据本发明的优选实施例，所述混合器内的轴心处设有圆柱形的支撑结构；所述螺旋段包括与所述混合器外壳的内壁和所述支撑结构相连接的第二螺旋叶片，用于产生旋转湍流场，增强乳化液间的碰撞和分散；所述空腔段为圆筒状的空腔结构；所述变径段为内径渐缩的结构，变径角度β为5°-10°，用于强化乳化液的破碎和弥散，进一步强化乳化程度。
根据本发明的优选实施例，混合器进口段的直径为d1；所述螺旋段包括与所述混合器外壳的内壁相连接的第三螺旋叶片，用于产生旋转湍流场，增强乳化液间的碰撞和分散；所述空腔段为内径渐扩的双瓣形结构，用于形成涡流撞击，均化分散相的粒径和液滴，所述空腔段的高度为混合器进口段的直径为d1的1.2-1.4倍，所述空腔段的高度与长度之比为0.8-1.2；所述变径段为内径渐扩的结构，变径角度γ为5°-10°，用于进一步均化分散相的分布。
利用上述装置的强化液液乳化的方法，所述方法的步骤如下：
(1)用于液液乳化的主相通入所述喷射部分的第一端口；分散相通入所述喷射器的进口段；
(2)进入喷射器的分散相经过所述螺旋结构产生旋流，沿着所述导流结构导流后，在顶针结构和喷射器外壳间经剪切破碎作用，从喷射口喷射而出弥散在主相中，形成初步的乳化液；
(3)初步的乳化液进入混合部分，依次经过所述螺旋段、空腔段和变径段，产生旋转湍流和湍动破碎，进一步强化乳化液的破碎和弥散，形成稳定的乳化液。
根据本发明的优选实施例，分散相经过所述喷射器后分散为粒径为30-200μm的液滴；分散相经过所述混合部分处理后分散为粒径为5-50μm的液滴。
根据本发明的优选实施例，所述喷射部分中分散相和主相接触的方式为顺流式、逆流式或对流式。
根据本发明的优选实施例，所述分散相和主相的流量之比为0-0.8，根据实际处理需求，所述喷射部分采用单个喷射器或数个喷射器并联连接的方式，用于调整分散相和主相的流量比。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种强化液液乳化的装置和方法，通过喷射部分的喷射器将分散相压缩剪切产生湍动能，从喷射器喷射出后均匀分散在主相中，实现乳化主相和分散相的初步混合乳化；通过混合部分的混合器将初步乳化的乳化液强化混合，通过螺旋段产生旋转湍流场，增强乳化液间的碰撞和分散，通过变径段强化乳化液的破碎和弥散，进一步强化乳化程度。经过所述装置和方法产生的乳化液，分散均匀，稳定时间长，且装置结构紧凑、能耗低，特别适用于化工、食品、涂料、化妆品等领域中的液-液乳化过程。
附图说明
图1为本发明所涉及的强化液液乳化的装置结构示意图；
图2为本发明所涉及的喷射器的结构示意图；
图3为本发明所涉及的第一混合器的结构示意图；
图4为本发明所涉及的第二混合器的结构示意图；
图5为本发明所涉及的喷射部分的接触方式为逆流式的示意图；
图6为本发明所涉及的喷射部分的接触方式为对流式的示意图；
图7为本发明所涉及的喷射器并联的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。应理解，以下实施例仅用于对本发明作进一步说明，不应理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
图1为本发明的强化液液乳化的装置，所述强化液液乳化的装置包括喷射部分1和与所述喷射部分1连接的混合部分2，其中，
所述喷射部分1包括用于乳化的主相和分散相进料的进料三通11，所述进料三通11包括第一端口111、第二端口112和第三端口113，其中第一端口111用于乳化主相的进料，第二端口112设置一喷射器12，用于将分散相压缩剪切产生湍动能，通过所述喷射器12喷射进入所述进料三通11，将分散相均匀分散在主相中，实现乳化主相和分散相的初步乳化；
初步乳化的主相和分散相经所述第三端口113进入所述混合部分2，所述混合部分2包括混合器21，所述混合器21包括圆筒状的混合器外壳211、位于所述混合器外壳211内两端的混合器进口段212、混合器出口段213和用于强化乳化液破碎和弥散的螺旋段214、空腔段215和变径段216，所述混合器进口段212与所述第三端口113通过法兰连接。
进一步的，如图2所示，所述喷射器12包括一侧开口，另一侧为半球结构的圆筒状的喷射器外壳121，所述喷射器外壳121的开口一侧为所述喷射器12的进口段122，所述进口段122具有内螺纹或外螺纹(图中未示出)，用于与分散相管道相连接；所述进口段122的直径为D1；所述喷射器12内部，沿进口段122向内，依次设有相互连接的螺旋结构123、导流结构124和顶针结构125；所述螺旋结构123包括位于轴心的圆柱状支撑杆126和与所述喷射器外壳121的内壁及所述支撑杆126相连接的第一螺旋叶片127，用于将分散相产生旋流，提高湍动能；所述导流结构124包括圆柱状导流段128和直径渐缩的圆台状导流段129，所述圆柱状导流段128的直径为进口段122直径D1的1/2-3/4，所述圆台状导流段129的底角α为30°-50°；所述顶针结构125为圆柱状结构；所述喷射器外壳121的半球结构一侧设置一喷射口13，所述喷射口13的直径为0.2-12mm；所述顶针结构125的直径为喷射口13的直径的4/5-6/5，所述顶针结构125与所述喷射口13的距离为1-5mm。
进一步的，所述混合器21内的螺旋段214、空腔段215和变径段216位于所述混合器进口段212和混合器出口段213间依次连接，且为重复结构，依次重复排列，所述螺旋段214、空腔段215和变径段216重复的数量n为混合级数，n≥1。
进一步的，所述混合部分2的混合器21根据强化乳化液破碎和弥散的螺旋段214、空腔段215和变径段216结构的不同，分为第一混合器22和第二混合器23。
当混合部分2的混合器为第一混合器22时，如图3所示，所述第一混合器22内的轴心处设有圆柱形的支撑结构221；所述螺旋段214包括与所述混合器外壳211的内壁和所述支撑结构221相连接的第二螺旋叶片222，用于产生旋转湍流场，增强乳化液间的碰撞和分散；所述空腔段215为圆筒状的空腔结构；所述变径段216为内径渐缩的结构，变径角度β为5°-10°，所述变径段216通过内径渐缩的变径结构强化乳化液的破碎和弥散，进一步强化乳化程度。
当混合部分2的混合器为第二混合器23时，如图4所示，混合器进口段212的直径为d1；所述螺旋段214包括与所述混合器外壳211的内壁相连接的第三螺旋叶片231，用于产生旋转湍流场，增强乳化液间的碰撞和分散；所述空腔段215为内径渐扩的双瓣形结构，用于使乳化液在所述空腔段215内形成涡流撞击，均化分散相的粒径和液滴，所述空腔段的高度d2为混合器进口段212的直径为d1的1.2-1.4倍，所述空腔段的高度与长度之比d2/l1为0.8-1.2；所述变径段216为内径渐扩的结构，变径角度γ为5°-10°，所述变径段216通过内径渐扩的变径结构进一步均化分散相的分布，产生分散均匀，稳定时间长的乳化液。
进一步的，所述混合器21的整体长度为L，所述螺旋段214的长度为混合器长度L的1/8n～1/2n，变径段216的长度为混合器长度L的1/8n～1/2n。
利用上述装置强化液液乳化的方法，所述方法的步骤如下：
(1)用于液液乳化的主相通过泵通入所述喷射部分1的第一端口111，并通过转子流量计来测量主相流量；分散相通过计量泵通入所述喷射器12的进口段122，并通过浮子流量计来测量分散相流量；
(2)进入喷射器12的分散相经过所述螺旋结构123产生旋流，沿着所述导流结构124导流后，在顶针结构125和喷射器外壳121间经剪切破碎作用，从喷射口13喷射而出弥散在主相中，形成初步的乳化液；
(3)初步的乳化液进入混合部分2，依次经过所述螺旋段214、空腔段215和变径段216，产生旋转湍流和湍动破碎，进一步强化乳化液的破碎和弥散，形成稳定的乳化液。
进一步的，分散相经过所述喷射器12后分散为粒径为30-200μm的液滴，弥散在主相内；分散相经过所述混合部分2处理后进一步分散为粒径为5-50μm的液滴。
进一步的，分别如图1、图5和图6所示，所述喷射部分1中分散相和主相接触的方式为顺流式(图1)、逆流式(图5)或对流式(图6)；其中，顺流式为主相的流动方向和分散相的喷射为同一方向，逆流式为主相的流动和分散相的喷射方向相反，对流式为主相的流动方向和分散相的喷射方向对流。
进一步的，所述分散相和主相的流量之比为0-0.8，根据实际处理需求，分别如图1和图7所示，所述喷射部分采用单个喷射器12或数个喷射器12并联连接的方式，用于调整分散相和主相的流量比。
实施例2
采用实施例1所述的装置和方法对主相为水，分散相为柴油的体系进行液液乳化，其中主相流量500L/h，分散相流量30L/h，并对比了传统的静态混合器和高剪切混合器的混合效果。
喷射部分采用顺流式，单个喷射器，所述喷射器的结构尺寸为：入口段直径为12mm；螺旋结构长度为10mm；导流结构中圆柱状导流段直径为8mm，圆台状导流段的底角为30°；顶针结构直径为1mm，喷射口直径为1mm；顶针结构与喷射口的距离为1mm。混合部分采用第一混合器，混合器的结构尺寸：混合级数为2，混合器入口段直径为8mm，混合器整体长度为60mm，变径段的变径角度为5°。
分别通过实施例1所述装置、静态混合器SH、静态混合器SV、转速为1500r/min的高剪切混合器进行液液乳化，分别稳定运行一定时间后对乳化液取样，并通过浊度沉降和粒径分析来评价乳化效果。
各装置乳化液取样的浊度(单位NTU)沉降对比如下表所示。
Figure BDA0002883696530000071
各装置在装置稳定运行5min后对乳化液取样，乳化液中分散相平均粒径(μm)的对比如下表所示。
混合器种类 平均粒径(μm)
静态混合器SH 48
静态混合器SV 32
高剪切混合器 33
实施例1所述装置 22
从浊度沉降和平均粒径来看，采用实施例1所述装置和方法的浊度显著高于其他装置，平均粒径明显小于其他装置，乳化效果显著优于常规的静态混合器SH、静态混合器SV和高剪切乳化器。
实施例3
采用实施例1所述的装置和方法对主相为水，分散相为柴油的体系进行液液乳化，条件与实施例2保持一致。其中主相流量为400L/h，分散相流量为24L/h，待装置稳定运行一定时间后对乳化液取样，并通过浊度沉降对乳化效果进行评价，结果如下表所示，主相流量从500L/h将至400L/h，浊度略有下降，仍具有较优的乳化效果。
Figure BDA0002883696530000081
实施例4
某油田由于开采的原油中富含硫化氢，对输送的管道和设备具有较强的腐蚀，因此需要脱硫剂来脱除原油中含有的硫化氢物质。但是，由于脱硫剂和原油中的硫化氢混合不均匀，为了保证硫化氢的含量脱除至15mg/kg以下，通常会通入过量的脱硫剂来反应硫化氢，因此导致原油中存在大量的脱硫剂分子，同时由于脱硫剂的存在，导致油水乳化效果增强，不利用下游油水分离。因此在原有的流程中，增加本实施例1所述装置，其中喷射器多个并联，混合器的长度为2m，混合级数为2，对脱硫剂和原油进行混合强化处理。改造前，硫化氢的含量为20mg/kg，脱硫剂与原油的相比为2％；经改造后，硫化氢的含量为15mg/kg，脱硫剂与原油的相比为1％。经过改造强化了原油和脱硫剂的液液混合乳化，在减少脱硫剂用量的条件下满足了脱除指标。

Claims (10)

1.一种强化液液乳化的装置，其特征在于，所述装置包括喷射部分和与所述喷射部分连接的混合部分，其中，
所述喷射部分包括用于主相和分散相进料的进料三通，所述进料三通包括第一端口、第二端口和第三端口，其中第一端口用于主相的进料，第二端口设置一喷射器，用于分散相进料；所述喷射器包括一侧开口，另一侧为半球结构的圆筒状的喷射器外壳，所述喷射器外壳的开口一侧为所述喷射器的进口段，所述喷射器内部，沿进口段向内，依次设有相互连接的螺旋结构、导流结构和顶针结构；所述导流结构包括圆柱状导流段和直径渐缩的圆台状导流段，所述顶针结构为圆柱状结构；所述喷射器外壳的半球结构一侧设置一喷射口；
所述混合部分包括混合器，所述混合器包括圆筒状的混合器外壳、位于所述混合器外壳内两端的混合器进口段、混合器出口段和用于强化乳化液破碎和弥散的螺旋段、空腔段和变径段，所述混合器进口段与所述第三端口通过法兰连接。
2.根据权利要求1所述的强化液液乳化的装置，其特征在于，所述进口段的直径为D1；所述进口段具有内螺纹或外螺纹，用于与分散相管道相连接；所述螺旋结构包括位于轴心的圆柱状支撑杆和与所述喷射器外壳的内壁及所述支撑杆相连接的第一螺旋叶片，用于将分散相产生旋流，提高湍动能；所述圆柱状导流段的直径为进口段直径D1的1/2-3/4，所述圆台状导流段的底角α为30°-50°；所述喷射口的直径为0.2-12mm；所述顶针结构的直径为喷射口的直径的4/5-6/5，所述顶针结构与所述喷射口的距离为1-5mm。
3.根据权利要求1所述的强化液液乳化的装置，其特征在于，所述混合器内的螺旋段、空腔段和变径段位于所述混合器进口段和混合器出口段间依次连接，且为重复结构，所述螺旋段、空腔段和变径段重复的数量n为混合级数，n≥1。
4.根据权利要求3所述的强化液液乳化的装置，其特征在于，所述混合器的整体长度为L，所述螺旋段的长度为混合器长度L的1/8n～1/2n，变径段的长度为混合器长度L的1/8n～1/2n。
5.根据权利要求3所述的强化液液乳化的装置，其特征在于，所述混合器内的轴心处设有圆柱形的支撑结构；所述螺旋段包括与所述混合器外壳的内壁和所述支撑结构相连接的第二螺旋叶片，用于产生旋转湍流场，增强乳化液间的碰撞和分散；所述空腔段为圆筒状的空腔结构；所述变径段为内径渐缩的结构，变径角度β为5°-10°，用于强化乳化液的破碎和弥散，进一步强化乳化程度。
6.根据权利要求3所述的强化液液乳化的装置，其特征在于，混合器进口段的直径为d1；所述螺旋段包括与所述混合器外壳的内壁相连接的第三螺旋叶片，用于产生旋转湍流场，增强乳化液间的碰撞和分散；所述空腔段为内径渐扩的双瓣形结构，用于形成涡流撞击，均化分散相的粒径和液滴，所述空腔段的高度为混合器进口段的直径为d1的1.2-1.4倍，所述空腔段的高度与长度之比为0.8-1.2；所述变径段为内径渐扩的结构，变径角度γ为5°-10°，用于进一步均化分散相的分布。
7.利用权利要求1-6中任一装置的强化液液乳化的方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：
(1)用于液液乳化的主相通入所述喷射部分的第一端口；分散相通入所述喷射器的进口段；
(2)进入喷射器的分散相经过所述螺旋结构产生旋流，沿着所述导流结构导流后，在顶针结构和喷射器外壳间经剪切破碎作用，从喷射口喷射而出弥散在主相中，形成初步的乳化液；
(3)初步的乳化液进入混合部分，依次经过所述螺旋段、空腔段和变径段，产生旋转湍流和湍动破碎，进一步强化乳化液的破碎和弥散，形成稳定的乳化液。
8.根据权利要求7所述的强化液液乳化的方法，其特征在于，分散相经过所述喷射器后分散为粒径为30-200μm的液滴；分散相经过所述混合部分处理后分散为粒径为5-50μm的液滴。
9.根据权利要求7所述的强化液液乳化的方法，其特征在于，所述喷射部分中分散相和主相接触的方式为顺流式、逆流式或对流式。
10.根据权利要求7所述的强化液液乳化的方法，其特征在于，所述分散相和主相的流量之比为0-0.8，根据实际处理需求，所述喷射部分采用单个喷射器或数个喷射器并联连接的方式，用于调整分散相和主相的流量比。
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