CN116212671A - 一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置及乳化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置及乳化方法，应用于乳化柴油的制备过程中，涉及节能加工技术领域，其中结构单元包括压力筒体和置于压力筒体内的可拆卸式有机膜、无机膜或金属膜，本发明利用膜乳化技术，可实现跨膜压力下乳液粒径的精确调控，保证液滴的粒径均一性、稳定性和批次重复性，制备过程所需能耗较低、条件温和，可以制备各种类型粒径的单分散乳状液，纳米‑微米级乳化柴油用于柴油发动机时，可以有效的降低内燃机缸内燃烧碳烟的生成以及抑制NOx的形成，在柴油发动机节能减排研究方向有极大的意义，本发明可实现，纳米‑微米级乳化柴油的连续制备，产量高，结构简单，安全稳定，可重复利用，成本较低。

Description

一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置及乳化方法

技术领域

本发明属于属于节能加工技术领域，尤其涉及一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置及乳化方法。

背景技术

随着人类科学技术的迅猛发展，柴油机凭借其在热效率、经济性、可靠性等方面的优势备受重视，并且己经广泛地应用在汽车、船舶、铁路、发电设备等领域。虽然柴油机的使用极大地促进了社会的发展与进步，但是其使用过程中也会带来能源消耗枯竭和环境污染等一系列问题。

使用新型燃烧技术只可以可以较好地控制氮氧化物污染物的排放,其中掺水、甲醇等柴油发动机燃烧技术成为近年来的研究热点。掺水燃烧可以形成微爆效果，微爆反应可以提高油滴的雾化效果,促进油气混合，提高燃烧效率；此外，掺水乳化油可以延长滞燃期，且水分蒸发可以降低燃烧温度，从而抑制NOx生成。但是该方法需要配置乳化剂，价格较高，且静态乳化油保质期较短，长时间的放置会导 致水油分层；在线乳化油则需要添加控制系统，开发成本增加。

常见乳化法有机械搅拌法、定子-转子法、高压剪切法、超声波法等, 分散相液滴的大小取决于所输入的机械能产生的涡流剪切力对分散相的破碎程度, 这些方法不易控制分散相液滴大小, 使得大小分布较宽, 难以制得单分散型乳液, 能耗大。

“用于制备纳米-数十微米级乳液的膜组件以及乳液制备方法”（CN201010259838.4），该方法将连续相和分散相预先混合，然后经过膜孔，形成第二乳液，需要加入引发剂或者表面活性剂，该工艺过程复杂，不适合批量生产乳液。“一种连续制备甲醇乳化柴油的单反射超重力装置及工艺”（CN201410481283.6 ），该装置通过装有驱动装置带动旋转填料床转动，需加入乳化剂，使甲醇与柴油发生乳化，制备出的乳液粒径较大。该工艺耗能，过程复杂。

探索工艺简单，连续操作，乳液粒径均且稳定好的技术工艺及相关设备的开发是生产高产量与高质量乳化柴油的关键所在。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、节能环保、安全可靠的用于柴油发动机的柴油快速乳化装置及乳化方法，可实现，纳米-微米级乳化柴油的连续制备，产量高，结构简单，安全稳定，可重复利用，成本较低。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置，包含压力筒体、膜管、管程和壳程，所述膜管置于压力筒体内，壳程内水或甲醇在预定的压差下通过膜管扩散进入管程的原料柴油中，形成具有一定结构的乳化柴油；

作为本发明一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置的进一步优选方案，所述压力筒体是能够耐压的压力容器，其材质为碳钢或不锈钢。

作为本发明一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置的进一步优选方案，所述膜管为有机膜、无机膜或金属膜，其具有多孔结构；

作为本发明一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置的进一步优选方案，所述水或甲醇为水、甲醇或两种组合。

作为本发明一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置的进一步优选方案，所述预定的压差为0.05~0.40 MPa，用于通过控制压差，使分散相以射流方式透过膜孔。

作为本发明一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置的进一步优选方案，所述有机膜、无机膜或金属膜乳化通量大于50 L·m-2·h-1·bar-1；

其中，有机膜是PVDF膜、PTFE膜、PES膜、PET膜中的任意一种或任意几种复合；

无机膜是TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2和SiC膜等，其中的任意一种。

作为本发明一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置的进一步优选方案，所述压力筒体的一侧侧壁上设有压力表和水或甲醇的进料孔；所述压力筒体上设有柴油进出孔。

一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置的乳化方法，具体包含如下步骤：

步骤1，通过水或甲醇的进料孔在一定的跨膜压差下将水或甲醇注入壳程；

步骤2，通过原料柴油进出孔将原料柴油连续注入管程；

步骤3，壳程的水或甲醇可以通过有机膜、无机膜或金属膜进行扩散进入管程被原料柴

油快速切割成纳米液滴，在极短时间内实现径向完全充分混匀，形成稳定的油包水结构，以此制备高分散、稳定性好的乳化柴油；

步骤4，实现乳化柴油的连续制备。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明利用有机膜、无机膜或金属膜多孔特性，压力筒体内的水或甲醇可以在其中扩散进入有机膜、无机膜或金属膜管程内的原料柴油中，形成具有一定结构的乳化柴油，此乳化柴油具有粒径分布均一，稳定性好等特点；

2、本发明在有机膜、无机膜或金属膜壳程中的水或甲醇可以是水、甲醇或两种组合，可以制备乳化柴油，易于实现；

3、本发明乳化装置压力筒设计，可以连接各种原料柴油设备，实现乳液连续制备，产量高；

4、本发明物理过程不涉及复杂的化学反应，设备结构简单，安全稳定，节能环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对技术方案描述中所使用的附图作简单的说明。显而易见，下述附图仅仅是本发明的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种用于柴油发动机的柴油快速乳化方法的结构示意图。

图中，1-筒体；2-膜管；3-管程；4-壳程；5-压力表；6-水或甲醇的进料孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置，如图1所示，包含压力筒体1、膜管2、管程3和壳程4，所述膜管2置于压力筒体1内，壳程4内水或甲醇在预定的压差下通过膜管2扩散进入管程3的原料柴油中，形成具有一定结构的乳化柴油；

所述压力筒体1是能够耐压的压力容器，其材质为碳钢或不锈钢。

所述膜管2为有机膜、无机膜或金属膜2，其具有多孔结构；

所述水或甲醇为水、甲醇或两种组合。

所述预定的压差为0.05~0.40 MPa，用于通过控制压差，使分散相以射流方式透过膜孔。

所述有机膜、无机膜或金属膜2乳化通量大于50 L·m-2·h-1·bar-1；

其中，有机膜是PVDF膜、PTFE膜、PES膜、PET膜中的任意一种或任意几种复合；

无机膜是TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2和SiC膜等，其中的任意一种。

所述压力筒体1的一侧侧壁上设有压力表5和水或甲醇的进料孔6；所述压力筒体1上设有柴油进出孔。

一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置的乳化方法，具体包含如下步骤：

步骤1，通过水或甲醇的进料孔6在一定的跨膜压差下将水或甲醇注入壳程4；

步骤2，通过原料柴油进出孔将原料柴油连续注入管程3；

步骤3，壳程4的水或甲醇可以通过有机膜、无机膜或金属膜2进行扩散进入管

程3被原料柴油快速切割成纳米液滴，在极短时间内实现径向完全充分混匀，形成稳定的油包水结构，以此制备高分散、稳定性好的乳化柴油；

步骤4，实现乳化柴油的连续制备。

以下实施例对本发明的内容做进一步的详细说明，本发明的保护范围包含但不限于下述各实施例。

实施例1

一种用于柴油发动机的柴油快速乳化方法的结构示意图：

包括筒体1和置于筒体内的膜管2；膜管2内部为管程3，筒体1内壁与膜管2外壁之间形成壳程4；膜管2为100nm Al2O3陶瓷膜；筒体1上设有柴油进出孔；筒体1一侧侧壁上设有一进水孔6。

将水连续注入壳程4，使得水压稳定在 0.1MPa；通过原料液进出孔将柴油注入膜管管程3，控制膜面流速为1m/s；壳程4内的水可以在压力驱动下通过100nm Al2O3陶瓷膜管2中扩散进入管程3的柴油中，乳化通量为147L·m-2·h-1·bar-1，制得乳化柴油，在膜管的另外一端为乳化柴油的出口。

实施例2

一种用于柴油发动机的柴油快速乳化方法的结构示意图：

包括筒体1和置于筒体内的膜管2；膜管2内部为管程3，筒体1内壁与膜管2外壁之间形成壳程4；膜管2为200nm Al2O3陶瓷膜；筒体1上设有柴油进出孔；筒体1一侧侧壁上设有一进水孔6。

将水连续注入壳程4，使得水压稳定在 0.1MPa；通过原料液进出孔将柴油注入膜管管程3，控制膜面流速为1m/s；壳程4内的水可以在压力驱动下通过200nm Al2O3陶瓷膜管2中扩散进入管程3的柴油中，乳化通量为365L·m-2·h-1·bar-1，制得乳化柴油，在膜管的另外一端为乳化柴油的出口。

实施例3

一种用于柴油发动机的柴油快速乳化方法的结构示意图：

包括筒体1和置于筒体内的膜管2；膜管2内部为管程3，筒体1内壁与膜管2外壁之间形成壳程4；膜管2为50nm ZrO2陶瓷膜；筒体1上设有柴油进出孔；筒体1一侧侧壁上设有一进水孔6。

将水连续注入壳程4，使得水压稳定在 0.1MPa；通过原料液进出孔将柴油注入膜管管程3，控制膜面流速为1m/s；壳程4内的水可以在压力驱动下通过50nm ZrO2陶瓷膜管2中扩散进入管程3的柴油中，乳化通量为72L·m-2·h-1·bar-1，制得乳化柴油，在膜管的另外一端为乳化柴油的出口。

实施例4

一种用于柴油发动机的柴油快速乳化方法的结构示意图：

包括筒体1和置于筒体内的膜管2；膜管2内部为管程3，筒体1内壁与膜管2外壁之间形成壳程4；膜管2为100nm PVDF膜；筒体1上设有柴油进出孔；筒体1一侧侧壁上设有一进水孔6。

将水连续注入壳程4，使得水压稳定在 0.1MPa；通过原料液进出孔将柴油注入膜管管程3，控制膜面流速为1m/s；壳程4内的水可以在压力驱动下通过100nm PVDF膜管（2）中扩散进入管程3的柴油中，乳化通量为723L·m-2·h-1·bar-1，制得乳化柴油，在膜管的另外一端为乳化柴油的出口。

实施例5

一种用于柴油发动机的柴油快速乳化方法的结构示意图（如图1所示）：

包括筒体1和置于筒体内的膜管2；膜管2内部为管程3，筒体1内壁与膜管2外壁之间形成壳程4；膜管2为500nm 金属膜；筒体1上设有柴油进出孔；筒体1一侧侧壁上设有一进水孔5。

将水连续注入壳程4，使得水压稳定在 0.1MPa；通过原料柴油进出孔将柴油注入膜管管程3，控制膜面流速为1m/s；壳程4内的水可以在压力驱动下通过500nm 金属膜管2中扩散进入管程3的柴油中，乳化通量为3423L·m-2·h-1·bar-1，制得乳化柴油，在膜管的另外一端为乳化柴油的出口。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (8)

1.一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置，其特征在于：包含压力筒体（1）、膜管（2）、管程（3）和壳程（4），所述膜管（2）置于压力筒体（1）内，壳程（4）内水或甲醇在预定的压差下通过膜管（2）扩散进入管程（3）的原料柴油中，形成具有一定结构的乳化柴油。

2.根据权利要求1所述的一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置，其特征在于：所述压力筒体（1）是能够耐压的压力容器，其材质为碳钢或不锈钢。

3.根据权利要求1所述的一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置，其特征在于：所述膜管（2）为有机膜、无机膜或金属膜（2），其具有多孔结构。

4.根据权利要求1所述的一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置，其特征在于：所述水或甲醇为水、甲醇或两种组合。

5.根据权利要求1所述的一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置，其特征在于：所述预定的压差为0.05~0.40 MPa，用于通过控制压差，使分散相以射流方式透过膜孔。

6.根据权利要求1所述的一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置，其特征在于：所述有机膜、无机膜或金属膜（2）乳化通量大于50 L·m-2·h-1·bar-1；

其中，有机膜是PVDF膜、PTFE膜、PES膜、PET膜中的任意一种或任意几种复合；

无机膜是TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2和SiC膜等，其中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种用于柴油发动机的柴油快速乳化装置，其特征在于：所述压力筒体（1）的一侧侧壁上设有压力表（5）和水或甲醇的进料孔（6）；所述压力筒体(1)上设有柴油进出孔。

8.一种基于权利要求1至7任一项用于柴油发动机的柴油快速乳化装置的乳化方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

步骤1，通过水或甲醇的进料孔（6）在一定的跨膜压差下将水或甲醇注入壳程（4）；步骤2，通过原料柴油进出孔将原料柴油连续注入管程（3）；

步骤3，壳程（4）的水或甲醇可以通过有机膜、无机膜或金属膜（2）进行扩散进入管

程（3）被原料柴油快速切割成纳米液滴，在极短时间内实现径向完全充分混匀，形成稳定的油包水结构，以此制备高分散、稳定性好的乳化柴油；

步骤4，实现乳化柴油的连续制备。

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