-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Öl-Wasser Emulsion ohne Zuhilfenahme von Emulgatoren, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: Vereinigen von Öl und Wasser unter Druck zu eine zweiphasigen Mischung, Durchleiten der zweiphasigen Mischung durch mindestens zwei Mischdüsen und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Öl-Wasser-Emulsion.
-
Es ist bekannt, herkömmliche Verbrennungskraftmaschinen mit einer Öl-Wasser-Emulsion zu betreiben. Obwohl die Präsenz von Wasser im Verbrennungskraftstoff zunächst leistungsmindernd erscheint, weil die Verdampfung von Wasser einen erheblichen Anteil an der Verbrennungsenthalpie zur Überführung des Wassers in die Dampfphase erfordert, die zur Gewinnung von mechanischer Energie nicht mehr zur Verfügung steht, überwiegen die Vorteile, die sich durch die Präsenz von Wasser im Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine ergeben. Zum einen ist eine Verbrennung mit geringem bis gar keinem Kohlenmonoxid-Ausstoß möglich und auch die Entstehung von Ruß wird unterdrückt. Es wird vermutet, dass durch die Präsenz von Wasser die Oberfläche des im Verbrennungsraum verbrennenden Kraftstoffes erhöht und damit reaktiver ist. Des Weiteren findet die Verbrennung im Verbrennungsraum langsamer statt, wodurch Motoren mit geringerer Drehzahl ein höheres Drehmoment und damit eine dennoch erhöhte Leistung erreichen, obwohl die gesamte, für die Umwandlung zur mechanischen Energie verfügbare Verbrennungsenthalpie geringer ist als wenn der Kraftstoff wasserfrei verbrannt würde. Schließlich sind durch Verwendung einer Öl-Wasser-Emulsion auch Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren einsetzbar, die in bisherigen Verbrennungsmaschinen nicht zum Einsatz kommen können, beispielsweise wegen erhöhter Klopfneigung, wie Naphta, oder wegen zu geringer Zündfreudigkeit, wie beispielsweise Schweröl. Die Vorteile der Verwendung von Öl-Wasser-Emulsionen als Kraftstoff werden in der
DE 199 17 753 A1 detailliert dargelegt.
-
In der deutschen Offenlegungsschrift
DE 26 04 610 A1 wird ein verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines unmittelbar verbrennbaren, emulgierbaren Öl-Wassergemisches offenbart. Nach der dort stehenden Lehre ist vorgesehen, dass Öl und Wasser aus getrennten Behältern im gewünschten Volumenverhältnis angesaugt und als Gemisch unter hohem Druck in einem Rohr-Düsensystem in kurzen Abständen mehrmals von einer etwa gleichbleibenden geringen Grundgeschwindigkeit auf eine etwa zehn- bis zwanzigfache Fließgeschwindigkeit beschleunigt und verzögert wird und danach zum Verbrennen unmittelbar in den Brennraum gesprüht wird.
-
In der europäischen Patentschrift
EP 1 023 118 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Silikonemulsionen offenbart. Nach der in der europäischen Patentschrift stehenden Lehre wird eine Vorrichtung zum Herstellen einer Silicon- und/oder Silanemulsion aus einer silicon- und/oder silanhaltigen Wirkstoffkomponente und einer wäßrigen Phase vorgeschlagen mit einer ersten Mischstation für die über Pumpen aus Vorratsbehältern zugeführten Emulsionskomponente. Es ist dabei vorgesehen, dass die erste Mischstation eine Mischeinrichtung aufweist, in der Düsen einen Wirkstoffstrahl mit der wäßrigen Phase zu einer Voremulsion vermischen, der Abstand der Düsen voneinander das 1- bis 10-fache beträgt, der Durchmesser der zweiten nachgeschalteten Düse ca. 2 bis 3 mal so groß ist wie der Durchmesser der ersten Düse und die Mischstation mit einem Strahldispergator verbunden ist, wobei der Strahldispergator die aus der Mischstation austretende Voremulsion erhält und der Druckabfall im Strahldispergator zwischen 2 und 1000 bar, vorzugsweise zwischen 5 und 600 bar liegt und dass ein als Puffergefäß dienender Zwischenbehälter mit der Mischeinrichtung verbunden ist und dass er Strahldispergator die Voremulsion über den Zwischenbehälter erhält.
-
Zur Verwendung einer Öl-Wasser-Emulsion in einer Verbrennungskraftmaschine ist es notwendig, dass das Wasser demineralisiert ist, damit sich keine Salze im Verbrennungsraum ablagern und die Verbrennungsmaschine zusetzen. Die Herstellung einer lagerstabilen Öl-Wasser-Emulsion erfordert in der Regel aber Emulgatoren, die als amphiphile Substanzen zum Teil ionischen Charakter aufweisen und daher Salze bilden können. Diese können daher in Verbrennungskraftmaschinen nicht eingesetzt werden. Des Weiteren ist der Einsatz von Emulgatoren mit hohen Kosten verbunden, welcher den Kostenvorteil des Einsatzes günstiger Kraftstoffe zu Nichte machen würde, wenn man die eingangs erwähnten Kraftstoffe, wie Naphta oder Schweröl als Ersatzkraftstoffe einsetzen möchte. Es hat sich daher als vorteilhaft erwiesen, die Öl-Wasser-Emulsion erst kurz vor dem Einsatz ohne Einsatz von Emulgatoren herzustellen. Eine solche Emulsion ohne Emulgatoren ist zwar nicht langzeitstabil. Es gibt aber Unterschiede in der Haltbarkeit von Öl-Wasser-Emulsionen, was auf die Größe und die Größenverteilung der mikroskopischen Öl-Tröpfchen im Wasser oder umgekehrt zurück geführt wird.
-
Untersuchungen der Verhältnisse bei der Herstellung von Öl-Wasser-Emulsionen werden in Chem. Ing. 2004, 76, No. 4, S. 396–399 von Aguilar dargelegt. Demnach ist die Vorstellung, dass die zweiphasige Mischung beim Durchtritt durch eine Düse eine laminare Strömung ausbildet und dabei werden die makroskopischen Öl-Tropfen in die Länge gezogen und teilweise geschert. Erst an der Grenzfläche von laminarer Strömung zu turbulenter Strömung wird sodann der zu einem Öl-Faden lang gezogene, mikroskopische Öl-Tropfen in eine Vielzahl von kleinen Öl-Tröpfchen zerkleinert. Eine Kavitationswirkung sei nach Aguilar für die Bildung der Öl-Wasser-Emulsion förderlich. In dem eingangs erwähnten Artikel von Aguilar werden verschiedene Geometrien von Blendenöffnungen diskutiert, durch welche der Mischstrahl geleitet wird und die zu verschiedenen Strahltypen führen und daher unterschiedliche Wirkung auf die Emulsionsbildung zeigen. Wesentlich erscheint das allen Geometrien gemeinsame, nämlich das der laminare Strahlteil sich hinter der Düse verjüngt, wobei sich um den Strahlkegel aus der laminaren Strömung eine turbulente Strahlung bildet, innerhalb derer die Zerkleinerung der mikroskopisch kleinen Öl-Tröpfchen geschieht.
-
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Öl-Wasser-Emulsion mit hoher Effizienz, das bedeutet mit wenig Energieeinsatz zur Verfügung zu stellen.
-
Die erfindungsgemäße Verfahrensaufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch eins. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben. Das Verfahren wird durchgeführt mit einer dazu korrespondierenden Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9.
-
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Emulsion im Zwangsdurchlauf herzustellen, wobei eine zweiphasige Mischung von Öl und Wasser durch mindestens zwei Mischdüsen geleitet wird, wobei die Ausgänge der mindestens zwei Mischdüsen so ausgerichtet sind, dass die Mischdüsenstrahlen frontal aufeinander prallen und die Mischdüsenstrahlen durch Prallbleche abgelenkt werden. Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass bereits nach sehr kurzer Zeit auf diese Weise eine Emulsion erhalten lässt, die weit stabiler ist als bisher bekannte Öl-Wasser-Emulsionen ohne Emulgator. Dadurch, dass nur sehr wenige Zwangsdurchläufe notwendig sind, ist das Verfahren auch weniger energieintensiv. Es wird im Rahmen der Erfindung vermutet, dass die über Prallbleche ineinander gerichteten laminaren Mischdüsenstrahlen der Mischdüsenausgänge zu einer erheblichen Turbulenzbildung am Rand der laminaren Mischdüsenstrahlen zeigen, wobei die Turbulenz die im laminaren Anteil der Mischdüsenstrahlen entstehenden Öl-Fäden zerreißt. Bisherige Verbesserungen von Verfahren zur Herstellung einer Öl-Wasser-Emulsion haben sich stets auf die Ausformung der Mischdüsen zum Gegenstand konzentriert, wodurch der laminare Anteil des Mischdüsenstrahls stabilisiert wurde. Jedoch wurde die Ausbildung des turbulenten Teils im Stand der Technik bisher vernachlässigt oder dieser wurde weniger Beachtung geschenkt. Es wird vermutet, dass das Aufeinanderprallen der Mischdüsenstrahlen über Prallbleche zu einer besonders intensiven Scherkräften führt, wenn die gegeneinander gerichteten Mischdüsen so nah beieinander stehen, dass die Scherkräfte innerhalb des Kollisionsraumes der beiden Strahlen entsteht. Andererseits führt vermutungsgemäß das Aufeinanderprallen außerhalb des Kollisionsraumes zu einem sehr plötzlichen Aufbrechen der Öl-Fäden, so dass die Öl-Fäden während der Entstehung des turbulenten Strahls keine Zeit zur Rückbildung zur Kugelform mehr haben und daher regelrecht und in erwünschter Weise zerreißen.
-
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Strahlen symmetrisch aufeinander prallen. Dies bedeutet, wenn die Strahlen in Bezug auf eine Umlaufkammer oder Mischkammer, in welche die Mischstrahlen geleitet werden, in identischem Winkel eingeleitet werden, so dass die Umlaufkammer eine symmetrische Form aufweist.
-
Um die emulgierende Wirkung zu erhöhen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mehr als eine Stufe vorzusehen, in welcher mindestens zwei Mischdüsenstrahlen durch frontales Aufeinandertreffen miteinander gemischt werden. Hierdurch ist ein erhöhter Druck zum Unterhalt des Prozesses der Mischvorrichtung notwendig, aber die Umlaufzahl wird dadurch erheblich verringert und eine schmalere Größenverteilung der mikroskopischen Tröpfchen wird so erhalten, weil mutmaßlich die Öl-Kleinsttröpfchen einer nachrangigen Stufe nicht in direktem Kontakt stehen mit größeren Tröpfchen einer vorgeschalteten Mischstufe, mit der sie sich wieder vereinigen könnten.
-
Neben dem direkten Ineinanderleiten der Mischdüsenstrahlen in Form des frontalen Aufeinandertreffens hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Strahlen zusätzlich abgelenkt werden. Dies geschieht gemäß der Erfindung durch Prallbleche oder Umlenkvorrichtungen in der Mischapparatur geschehen. An dem Prallblech bildet sich mutmaßlich eine laminare Strömung aus, die zu einer Verlängerung des laminaren Strömungsanteils und daher zu einer Unterstützung zur Bildung der Emulsion bei der zu einem Faden ausgezogenen Öl-Tröpfchen führt. Wenn diese sehr lang gezogenen Öl-Tröpfchen durch die dann frontal ineinander treffenden Mischdüsenstrahlen plötzlich in eine turbulente Zone überführt werden, dann werden diese mutmaßlich besonders intensiv zerkleinert, was zur stabilen Emulsionsbildung mit geringem Energieeinsatz führt.
-
Trotz der Maßnahmen zur Verringerung der Durchlaufzeiten hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Emulsion zu Beginn des Verfahrens im Umlaufverfahren hergestellt wird. Hierzu kann ein Teil Emulsion an bestimmten Stellen vor der der Mischapparatur abgezogen werden, wobei eine noch nicht emulgierte, zweiphasige Öl-Wasser-Mischung durch die Mischdüsen zugeführt wird.
-
Zur Herstellung der Emulsion ist eine entsprechende Temperierung vorteilhaft. Diese findet statt bei Temperaturen, bei welchen das eingesetzte Wasser nicht siedet. Da die Mischapparatur unter Druck steht, wäre prinzipiell eine Temperatur über 100°C denkbar. Dies aber hätte einen erheblichen Energieeinsatz zum Aufheizen der Emulsion zur Folge. Temperaturen im Bereich von 10°C bis 115°C haben sich je nach eingesetztem Öl, bevorzugt Pflanzenöl zur Herstellung von Biokraftstoffen, als vorteilhaft erwiesen. Im praktischen Einsatz eignen sich Temperaturen von 20°C bis 60°C, besonders jedoch nicht hoch über Normaltemperatur erhitzte Emulsionen im Bereich von 20°C bis 50°C. Um die Emulsion so lange wie möglich zu stabilisieren, ist es daher notwendig, den Temperatursprung zwischen Herstellung und kurzzeitiger Zwischenlagerung im Bereich der zeitlichen Stabilität der Emulsion möglichst gering zu halten.
-
Als Mischdüsen eignen sich schlichte Lochblenden, die zu einer Emulsion mit feinen Öl-Tröpfchen führen, jedoch kann die nicht immer vermeidbare Kavitation im Nahfeld der Lochblenden die Lochblenden allmählich vergrößern, wodurch eine Anlage zur Herstellung der Emulsion vergleichsweise schnell an Wirkung verlieren kann. Der Einsatz einer Lochblende ist aber sehr kostengünstig. Es werden parallel viele Mischdüsenstrahlen erzeugt, wodurch schnell ein größeres Volumen einer Emulsion hergestellt werden kann. Die Verwendung einer Venturi-Düse führt zu weniger Materialabtragung in der Mischdüse selbst und die erwünschte Scherung der Öl- und Wasser-Tröpfchen in der Emulsion findet in der laminaren Strömung statt.
-
Um die Emulsion herzustellen, wird eine Vorrichtung verwendet, in welcher eine zweiphasige Mischung aus Öl und Wasser unter Druck durch mindestens zwei Mischdüsen tritt, wobei die Ausgänge der Mischdüsen so aufeinander gerichtet sind, dass die Mischdüsenstrahlen frontal aufeinander prallen. Dadurch wird das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt. In vorteilhafter Weise ist die Vorrichtung so ausgeführt, dass die eingangs erwähnten Variationen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden, also die symmetrische Anordnung der Mischdüsenstrahlen, die Mehrstufigkeit der aufeinander prallenden Mischdüsenstrahlen, die Ablenkung der Mischdüsenstrahlen, vorzugsweise an Prallblechen, die Herstellung im Umlaufverfahren, die Temperierung der Emulsion, der Einsatz eines Venturi-Rohrs oder der Einsatz einer Lochblende.
-
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
-
Es zeigt:
-
1 eine Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer Öl-Wasser-Emulsion,
-
2 eine Skizze des Verfahrens in einer ersten Ausgestaltung,
-
3 eine Skizze des Verfahrens in einer zweiten Ausgestaltung,
-
4 eine Skizze des Verfahrens in einer dritten Ausgestaltung,
-
5 eine Skizze des Verfahrens in einer vierten Ausgestaltung.
-
In 1 ist eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Herstellung einer Emulsion abgebildet, in welcher ein zweiphasiges Gemisch aus Öl und Wasser eine Mischapparatur 10 durchfließt und dabei im Zwangsdurchlauf zu einer Emulsion E vermischt wird. Dabei durchströmt die Emulsion E im Zwangsdurchfluß die Mischapparatur 10 über einen Umlauf 11, durch den die Emulsion E zu einer Pumpe 12 fließt, die mit hohem Druck die Emulsion E über zwei Zuleitungen 13 und 14 zu gleichen Teilen zu jeweils einer Mischdüse 15 und einer Mischdüse 16 leitet. In den Mischdüsen 15, 16 wird das zweiphasige Gemisch aus Öl und Wasser, bzw. die Emulsion E mit hohem Druck so durch die Mischdüsen 15, 16 geleitet, dass deren Ausgangsrichtung in einen Kollisionsraum zeigen. Beim Durchtritt der Emulsion E durch die Mischdüsen 15, 16 entsteht jeweils ein laminarer Mischdüsenstrahl 30, 31, der in das Mischgefäß 10 eingeleitet wird und sich dort mit der vorhandenen Emulsion E vermischt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Mischdüsenstrahlen 30, 31 frontal aufeinander prallen. Beim Eintritt der Mischdüsenstrahlen 30, 31 in die Emulsion E im Mischgefäß 10 verjüngt sich der laminare Mischdüsenstrahl 30, 31, wobei der äußere Rand des Mischdüsenstrahls 30, 31 mit der im Mischgefäß 10 vorhandenen Emulsion E eine turbulente Grenzschicht 32 und 33 bildet. Es wird vermutet, dass die Öl-Tröpfchen der Emulsion E beim Durchgang durch die Mischdüsen 15, 16 im laminaren Strahlanteil durch Scherung zu einem Faden ausgezogen werden und anschließend beim Übergang in die turbulente Grenzschicht 32 und 33 zu kleinen Mikrotröpfchen zerlegt werden. Die so neu gebildete Emulsion E verlässt die Stoßfront der beiden frontal aufeinander prallenden Mischdüsenstrahlen 30, 31 auf dem mit 34 und 35 markierten Weg. Die Emulsion E verlässt die Kollisionsraum über den Auslauf 11 und 21, wobei der Abfluss von Emulsion E durch über den Zufluss 20 nachgelieferte, zweiphasige Öl-Wasser-Mischung aufgefüllt wird. Die Emulsion E wird also im Zwangsdurchlaufverfahren hergestellt.
-
In Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß 2 vorgesehen, dass mehr als eine Stufe von aufeinander prallenden laminaren Mischdüsenstrahlen 30, 31, 130, 131 vorgesehen sind. Um die 2 nicht mit Bezugszeichen zu überladen, sind nur die Bezugszeichen der neu dazu gekommenen Stufe in Form des Mischgefäßes 110 mitsamt den dazu gehörigen Aggregaten dargestellt. Statt, wie in 1 dargestellt, die aus dem ersten Mischgefäß abfließende Emulsion E über einen Abfluss 21 abfließt, fließt in dieser Skizze nach 2 die Emulsion E über die Pumpe 112, von wo es in zwei Zuleitungen 113 und 114 in eine zweite Mischapparatur 110 fließt und einen erneuten Mischzyklus durchläuft, der auf identische Weise wie in 1 beschrieben abläuft. Die Präsenz der Pumpe 112 ist dabei optional und kann zur Erhöhung des Drucks in den Mischdüsen 115 und 116 der zweiten Stufe eingesetzt werden. Aus dieser zweiten Stufe fließt sodann die Emulsion E, nachdem sie zwei Mischzyklen durchlaufen hat, über den Abfluss 121 ab, wobei auch die zweite Stufe im Zwangsdurchlauf betrieben wird, wenn ein zweiter Pumpenzulauf vom Mischgefäß 110 zur Pumpe 112 vorgesehen ist. Die Anzahl der eingesetzten Stufen ist dabei beliebig wählbar.
-
In 3 ist ein weiteres Verfahrensmerkmal dargestellt, wobei der Weg des Mischdüsenstrahls 230, 231 hier in einem vereinfachten Diagramm dargestellt ist. Die laminaren Mischdüsenstrahlen 230 und 231 treten von je einer Seite in das Mischgefäß 210 ein. Dabei wird der von links kommende Mischdüsenstrahl 230 auf den von rechts kommenden Mischdüsenstrahl 231 gelenkt, so dass die Mischdüsenstrahlen 230 und 231 frontal aufeinander prallen und dabei eine heftige Turbulenz bilden. Mutmaßlich führt die anschließende Umlenkung der laminaren Mischdüsenstrahlen 230 und 231 über Prallbleche 240, 241, 242 und 243 zu einer Verlängerung der laminaren Strömung, wodurch die Öl- und Wassertröpfchen in dieser laminaren Strömung einerseits zu längeren Fäden ausgezogen werden oder wodurch andererseits ein größerer Anteil der Öl- und Wassertröpfchen zu Fäden ausgezogen wird. Diese zu Fäden ausgezogenen Öl-Tröpfchen werden sodann in der turbulenten Zone zerrissen, so dass sich mit jeder Umlenkung stets kleinere Öl-Wassertröpfchen bilden, bis die Scherkraft in den Mischdüsenstrahlen nicht mehr ausreicht, die immer kleiner werdenden Öl-Wassertröpfchen zu einem Faden auszuziehen und zu zerreißen.
-
Um die Durchlaufzeit der Emulsion zu verringern, ist vorgesehen, dass nicht eine einzelne Mischdüse die Mischdüsenstrahlen erzeugt, sondern – wie in 4 dargestellt –, eine Lochblende 515, 516 mit einer Vielzahl von kleinen Durchtrittslöchern erzeugt eine Schar von laminaren Strömungen als Mischdüsenstrahl 530, 531, deren turbulente Grenzschicht zum Zerreißen der Öl-Wasserfäden führt. In 5 ist schließlich skizziert, dass eine Lochblende 515, 516 auf je einer Seite eine Vielzahl von laminaren Mischdüsenstrahlen 530, 531 erzeugt, die anschließend jeweils durch Prallbleche abgelenkt werden und wobei mehr als eine Stufe hintereinander geschaltet ist, um die Durchlaufzeit der Emulsion optimal auszunutzen, wodurch die Effizienz der Emulsionsbildung stets erhöht wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- E
- Emulsion
- 10
- Mischgefäß
- 11
- Umlauf
- 12
- Pumpe
- 13
- Zuleitung
- 14
- Zuleitung
- 15
- Mischdüse
- 16
- Mischdüse
- 20
- Zufluss
- 21
- Abfluss
- 30
- laminarer Mischdüsenstrahl
- 31
- laminarer Mischdüsenstrahl
- 32
- turbulente Grenzschicht
- 33
- turbulente Grenzschicht
- 34
- Wirbel
- 35
- Wirbel
- 110
- Mischgefäß
- 112
- Zufluss
- 113
- Zuleitung
- 114
- Zuleitung
- 115
- Mischdüse
- 116
- Mischdüse
- 120
- Zufluss
- 121
- Abfluss
- 130
- laminarer Mischdüsenstrahl
- 131
- laminarer Mischdüsenstrahl
- 132
- turbulenter Übergang
- 133
- turbulenter Übergang
- 134
- Wirbel
- 135
- Wirbel
- 210
- Mischgefäß
- 230
- laminarer Mischdüsenstrahl
- 231
- laminarer Mischdüsenstrahl
- 240
- Prallblech
- 241
- Prallblech
- 242
- Prallblech
- 243
- Prallblech
- 515
- Lochblende
- 516
- Lochblende
- 530
- laminarer Mischdüsenstrahl
- 531
- Laminarer Mischdüsenstrahl
