DE19917156B4 - Process for the preparation of a water-in-diesel oil emulsion as fuel and its uses - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Herstellung einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion als Kraftstoff,
das folgende Schritte umfaßt:
a)
Aufspalten eines Wasser-Flüssigkeitsstroms
in räumlich getrennte
Wasser-Fluidlamellen einer Breite < 100 μm,
b)
Leiten der Wasser-Fluidlamellen in mindestens einen Dieselöl-Flüssigkeitsstrom,
wobei eine Fragmentation der Wasser-Fluidlamellen in Wassertröpfchen stattfindet.Process for the preparation of a water-in-diesel oil emulsion as a fuel, comprising the following steps:
a) splitting a water-liquid stream into spatially separated water-fluid lamellae of width <100 μm,
b) directing the water-fluid lamellae into at least one diesel oil liquid stream, whereby fragmentation of the water-fluid lamellae into water droplets takes place.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion als Kraftstoff sowie Verwendungen dieses Verfahrens.The The invention relates to a process for the preparation of a water-in-diesel oil emulsion as fuel and Uses of this method.
Die Verwendung von Wasser-in-Dieselöl-Emulsionen als Kraftstoff zur Herabsetzung der Verbrennungstemperatur und damit zur Reduktion des Ruß- und Stickoxidanteils im Abgas ist bekannt. Weiterhin ist bekannt, daß die rasche Verdampfung von Wassertröpfchen im Verbrennungsraum zu einer Vergrößerung der Oberfläche der Dieselöl-Tröpfchen und damit einer Erhöhung der spezifischen Leistung führt. Solche Wasser-in-Dieselöl-Emulsionen weisen feinste Wasser-Tröpfchen in einer kontinuierlichen Phase in Dieselöl auf. Gewünscht sind hierbei möglichst feindisperse Systeme, d. h. eine möglichst enge Größenverteilung der Wasser-Tröpfchen.The Use of water-in-diesel emulsions as a fuel to reduce the combustion temperature and thus to reduce the soot and nitrogen oxide content in the exhaust is known. Furthermore, it is known that the rapid evaporation of water droplets in the combustion chamber to increase the surface of the Diesel droplets and thus an increase the specific performance leads. Such water-in-diesel emulsions have the finest water droplets in a continuous phase in diesel oil. Desired are possible fine dispersed systems, d. H. the smallest possible size distribution the water droplet.
Im
Stand der Technik werden unterschiedliche Verfahren zur Herstellung
solcher Emulsionen genannt. So wird ein Einspritzen von Wasser in
eine rotationssymmetrische Wirbelkammer in den
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Wasser-in-Dieselöl-Emulsion als Kraftstoff, das keiner konstruktiv aufwendigen Vorrichtungen, insbesondere keiner weglichen Teile, bedarf, mit dem eine schnelle Änderung der Zusammensetzung der Emulsion und eine enge Wassertröpfchengrößenverteilung erzielt werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung Verwendungen des Verfahrens aufzuzeigen.task The invention is the provision of a method for the production a water-in-diesel emulsion as a fuel that does not require any structurally complex devices, In particular, no moving parts, needs, with a quick change the composition of the emulsion and a narrow water droplet size distribution can be achieved. Furthermore, it is an object of the invention uses of the procedure.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im ersten Schritt ein Wasser-Flüssigkeitsstrom in räumlich getrennte Wasser-Fluidlamellen einer Breite < 100 μm aufgespalten wird. Anschließend werden diese Wasser-Fluidlamellen in mindestens einen Dieselöl-Flüssigkeitsstrom geleitet, wobei eine Fragmentation der Wasser-Fluidlamellen in Wassertröpfchen stattfindet.The Task is solved by that in the first step a water-liquid flow in spatial separated water-fluid slats of a width <100 microns is split. Then be these water-fluid fins in at least one diesel oil fluid stream directed, wherein a fragmentation of the water-fluid lamellae takes place in water droplets.
Bei der Aufspaltung des Wasser-Flüssigkeitsstroms sind keine beweglichen Teile erforderlich. Hierfür eignen sich beispielsweise miniaturisierte statische Mischer mit kapillarartigen Kanälen einer Breite < 100 μm, wie sie beispielsweise in V. Hessel, et al., Gas/Liquid Dispersion Processes in Micromixers: The Hexagonal Flow, in Process Miniaturization: 2nd International Conference on Microreaction Technology, New Orleans, 1998 sowie W. Ehrfeld et al., Anwendungspotentiale chemischer und biologischer Mikroreaktoren, in Jahrbuch 1997 – Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, VDI-GVC 1997 beschrieben werden. Mittels solcher miniaturisierten Mischer konnten auch stabile gerahmte Emulsionen speziell aus Silikonöl mit Wasser oder einer wäßrigen Farbstofflösung erzeugt werden (V. Hessel, et al., Mehrphasenprozesse in Mikroreaktoren – Konzept, Systeme und Charakterisierung, in Chemie Ingenieur Technik 1998, 9, 1074 sowie W. Ehrfeld, et al., Mikroreaktoren – eine Herausforderung für die Verfahrenstechnik in Chemie und Biotechnologie, in GIT Labor-Fachzeitschrift 1998, 4, 346 – 350). Hierbei wurde das Prinzip der Multilamination ausgenutzt, bei dem die Fluidströme jeweils in eine Vielzahl von Teilströmen aufgespalten werden und die abwechselnd nebeneinander angeordnet werden. Der Einsatz des Prinzips der Multilamination bzw. von miniaturisierten statischen Mischern zur Herstellung von Kraftstoff-Emulsionen, insbesondere von Wasser-in-Dieselöl-Emulsionen, ist jedoch nicht bekannt.at the splitting of the water-liquid stream No moving parts are required. For this example, are suitable miniaturized static mixers with capillary channels of a Width <100 μm, like her for example in V. Hessel, et al., Gas / Liquid Dispersion Processes in Micromixers: The Hexagonal Flow, in Process Miniaturization: 2nd International Conference on Microreaction Technology, New Orleans, 1998 and W. Ehrfeld et al., application potentials of chemical and biological Microreactors, in Yearbook 1997 - Process Engineering and Chemical Engineering, VDI-GVC 1997 described. By means of such miniaturized Mixers were also able to get stable framed emulsions specially made from silicone oil with water or an aqueous dye solution Hessel, et al., Multiphase Processes in Microreactors - Concept, Systems and Characterization, in Chemie Ingenieur Technik 1998, 9, 1074 and W. Ehrfeld, et al., Microreactors - A Challenge for the Process engineering in chemistry and biotechnology, in GIT Labor-Fachzeitschrift 1998, 4, 346-350). Here, the principle of multilamination was exploited, in the the fluid streams each split into a plurality of sub-streams and which are arranged alternately next to each other. The use of the Principle of multilamination or of miniaturized static mixers for the production of fuel emulsions, in particular of water-in-diesel oil emulsions, is not known.
In den bekannten Experimenten mit Mikromischern wurden Wasser-Silikonöl-Emulsionen in Volumenverhältnissen von 1 : 1 bis 35 : 1 genau charakterisiert. Der Grund für die Beschränkung auf Volumenverhältnisse größer als 1 : 1 lag darin, daß bei einem Überschuß an Silikonöl im Vergleich zu Wasser keine gewünschten feindispersen Systeme erhalten wurden. Vielmehr erhielt man Silikonöl-Tröpfchen mit einer unerwünscht sehr breiten Größenverteilung, die in einer kontinuierlichen Phase aus Wasser vorlagen. In all diesen Experimenten wurde kein feindisperses System von Wassertröpfchen in einer kontinuierlichen Silikonöl-Phase erhalten.In In the known experiments with micromixers, water-silicone oil emulsions were prepared in volume ratios from 1: 1 to 35: 1 exactly characterized. The reason for the restriction volume ratios greater than 1: 1 was that at an excess of silicone oil in comparison no desired water finely dispersed systems were obtained. Rather, silicone oil droplets were obtained one very undesirable wide size distribution, which were in a continuous phase of water. In all In these experiments no finely dispersed system of water droplets was observed a continuous silicone oil phase receive.
Darüber hinaus erfolgten die Experimente zur Herstellung von Silikonöl-Wasser-Emulsionen unter statischen Bedingungen. Eine rasche Änderung der Zusammensetzung der erhaltenen Emulsionen wurde nicht angestrebt.In addition, the experiments for the preparation of silicone oil-water emulsions under static conditions. A rapid change in the composition of the resulting emulsions did not sought.
Ausgehend von dieser vorliegenden experimentellen Erfahrung wären bei einer Übertragung auf ein System aus Wasser und Dieselöl eine Emulsion von Dieselöl-Tröpfchen in einer kontinuierlichen Wasser-Phase zu erwarten gewesen, die eine sehr breite Größenverteilung aufweist. Damit wäre die Verwendung von Mikromischern zur Herstellung von als Kraftstoff geeigneten Wasser-in-Dieselöl-Emulsionen völlig ungeeignet gewesen.outgoing from this experimental experience would be at a transmission On a system of water and diesel an emulsion of diesel droplets in a continuous water phase has been expected, the one very wide size distribution having. That would be the use of micromixers for the production of fuel suitable water-in-diesel emulsions completely unsuitable.
Hieraus war es nun gänzlich unerwartet und völlig überraschend, mit bekannten Mikromischern eine Emulsion von Wassertröpfchen in einer kontinuierlichen Phase von Dieselöl auch bei einem Volumenverhältnis von Wasser zu Dieselöl von kleiner als 1 : 1 erhalten. Zudem erwies sich die erhaltene Emulsion als feindispers, d. h. es wurden im Gegensatz zu den Silikonöl-Wasser-Systemen eine wesentlich engere Größenverteilung erhalten. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, daß mit solchen Mikrovermischern ein rascher Wechsel der Emulsionszusammensetzung bei Wasser-in-Dieselöl-Emulsionen erzielt werden kann, was bei einem Einsatz im Bereich von Verbrennungskraftmaschinen mit wechselnder Last erforderlich ist.From this It was now completely unexpected and completely surprising, with known micromixers an emulsion of water droplets in a continuous phase of diesel oil even at a volume ratio of Water to diesel oil of less than 1: 1. In addition, the preserved Emulsion as finely dispersed, d. H. it was in contrast to the silicone oil-water systems a much narrower size distribution receive. About that In addition, it has been shown that with such micromixers a rapid change of the emulsion composition in water-in-diesel emulsions can be achieved, which is a use in the field of internal combustion engines with changing load is required.
Um ein Verstopfen von kapillarartigen Kanälen bei miniaturisierten statischen Mischern zu vermeiden, kann es von Vorteil sein, ein vorgereinigtes, beispielsweise gefiltertes Dieselöl zu verwenden. Hierbei kann es ebenfalls von Vorteil sein, die Emulgiervorrichtung zu temperieren, insbesondere bei Außentemperaturen von unter 0°C, um beispielsweise ein Ausflocken von Bestandteilen des Dieselöls zu verhindern.Around a clogging of capillary-like channels in miniaturized static To avoid mixers, it may be beneficial to have a pre-cleaned, For example, to use filtered diesel oil. Here can it may also be advantageous to temper the emulsifier, especially at outdoor temperatures from below 0 ° C, for example, to prevent flocculation of components of the diesel oil.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahren können Wasser-in-Dieselöl-Emulsionen einfach, d. h. ohne aufwendige Vorrichtungen und ohne bewegbare Teile, erhalten werden. Das Verfahren kann damit in unmittelbarer Nähe zum Verwendungsort, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine oder eines Ölbrenners, eingesetzt werden. Hierfür ist es weiterhin von großem Vorteil, daß die Zusammensetzung der Emulsion mittels dieses Verfahrens rasch, d. h. ohne wesentliche zeitliche Verzögerung, an die im jeweiligen Lastzustand optimale Zusammensetzung angepaßt werden kann. Hierzu ist einfach der Volumenstrom des Wasser-Flüssigkeitsstroms im Verhältnis zum Dieselöl-Flüssigkeitsstrom einzustellen. Daher bedarf es nach diesem Verfahren auch keines Vorspeichers, in dem die Emulsion vor der Verbrennung zwischengespeichert wird.through the method according to the invention can Water-in-diesel emulsions easy, d. H. without elaborate devices and without moving parts obtained become. The method can thus be in close proximity to the place of use, For example, an internal combustion engine or an oil burner used become. Therefor it is still of great importance Advantage that the Composition of the emulsion by this method quickly, d. H. with no significant time delay to which in the respective Load state optimal composition can be adjusted. This is simply the volume flow of the water-liquid flow in relation to Diesel-liquid flow adjust. Therefore, there is no need for this method Vorspeichers in which the emulsion cached prior to combustion becomes.
Nach einer bevorzugten Variante wird auch der Dieselöl-Flüssigkeitsstrom vor dem Einleiten der Wasser-Fluidlamellen in Fluidlamellen einer Breite < 1 mm aufgespalten, wobei jeweils eine Wasser-Fluidlamelle mit jeweils mindestens einer Dieselöl-Fluidlamelle zusammengeführt wird. Dies ermöglicht beispielsweise ein gezieltes Zusammenführen einzelner Wasser- und Dieselöl-Fluidlamellen. So kann es vorteilhaft sein, jeweils eine Wasser-Fluidlamelle sowie mindestens eine Dieselöl-Fluidlamelle in einen gemeinsamen Kanal zu leiten. Hierbei wird jeweils ein Wasser-in-Dieselöl-Emulsionsteilstrom gebildet. Die Emulsionsteilströme werden zu einem Emulsionsstrom zusammengeführt.To A preferred variant is also the diesel oil liquid stream before the introduction the water-fluid lamella split into fluid lamella width <1 mm, wherein in each case a water-fluid lamella each having at least one Diesel oil fluid lamella together becomes. this makes possible For example, a specific merging of individual water and Diesel oil fluid lamellae. So It may be advantageous, in each case a water-fluid blade as well at least one diesel oil fluid blade to lead into a common channel. Here, in each case a water-in-diesel oil emulsion partial stream educated. The emulsion partial streams are combined to form an emulsion stream.
Vorteilhaft
werden mehrere Wasser-Fluidlamellen und mehrere Dieselöl-Fluidlamellen derart
gemeinsam in einen Raum geleitet, daß jeweils eine Wasser-Fluidlamelle
benachbart mit mindestens einer Dieselöl-Fluidlamelle in diesen Raum
austritt. Die Fluidlamellen können
derart schachbrettartig zueinander versetzt in den Raum geleitet
werden, daß jede
Wasser-Fluidlamelle
von beispielsweise vier Dieselöl-Fluidlamellen
umgeben ist und umgekehrt. Die resultierende Emulsion wird kontinuierlich
aus dem Raum abgeleitet. Hierfür
geeignete miniaturisierte Mischer werden beispielsweise in der
Die Strömungsrichtung einer Wasser-Fluidlamelle kann im wesentlichen gleichgerichtet mit oder entgegengerichtet der Strömungsrichtung des Dieselöl-Flüssigkeitsstroms bzw. der Dieselöl-Fluidlamelle sein, in den bzw. die die Wasser-Fluidlamelle geleitet wird. Es ist jedoch auch denkbar, eine Wasser-Fluidlamelle in einem Winkel von 0° bis 180° dem Dieselöl-Flüssigkeitsstrom bzw. der Dieselöl-Fluidlamelle zuzuleiten.The flow direction a water-fluid blade may be substantially rectified with or opposite to the flow direction of the diesel oil fluid stream or the diesel oil-fluid lamella be, in which or the water-fluid lamella is passed. It However, it is also conceivable, a water-fluid blade at an angle of 0 ° to 180 ° the diesel oil liquid stream or the diesel oil-fluid lamella be forwarded.
Sind die Strömungsrichtungen im wesentlichen entgegengerichtet zueinander, so wird der resultierende Wasser-in-Dieselöl-Emulsionsstrom bevorzugt im wesentlichen senkrecht zu den beiden Strömungsrichtungen abgeleitet. Hierfür besonders geeignete Mikromischer werden beispielsweise beschrieben in: V. Hessel et al., Potentials and Realisation of Microreactors, Proc. of Internat. Symposiom of Microsystems, Intelligent Materials and Robots, Sendai, Japan, Sept. 1995 sowie V. Hessel, et al., Characterization of mixing in micromixers by a test reaction: Single mixing units and mixer arrays, Industrial and Engineering Chemistry Research 1999, (38) 3, 1075–1082.are the flow directions essentially opposite one another, the resulting Water-in-oil emulsion diesel power preferably substantially perpendicular to the two flow directions derived. Therefor Particularly suitable micromixers are described, for example in: V. Hessel et al., Potentials and Realization of Microreactors, Proc. of boarding school. Symposium of Microsystems, Intelligent Materials and Robots, Sendai, Japan, Sept. 1995 and V. Hessel, et al., Characterization of mixing in micromixers by a test reaction: Single mixing units and mixer arrays, Industrial and Engineering Chemistry Research 1999, (38) 3, 1075-1082.
Bevorzugt sind Breiten der Dieselöl-Fluidlamellen < 500 μm, vorzugsweise < 100 μm. Je kleiner die Breiten der Dieselöl-Fluidlamellen, desto enger benachbart können die Wasser-Fluidlamellen, jeweils beabstandet durch mindestens eine Dieselöl-Fluidlamelle, eingeleitet werden. Dies ermöglicht es, unter Beibehaltung kleiner Wasser-Tröpfchengrößen ein großes Volumenverhältnis Wasser zu Dieselöl zu erzielen.Preferably, widths of the diesel oil-fluid lamella <500 microns, preferably <100 microns. The smaller the Widths of the diesel oil-fluid fins, the closer the water-fluid fins, each spaced by at least one diesel oil-fluid lamella, can be introduced. This makes it possible to achieve a large volume ratio of water to diesel oil while maintaining small water droplet sizes.
Bevorzugt wird nach dem Verfahren eine Wasser-in-Dieselöl Emulsion erhalten, die eine mittlere Größe der Wassertröpfchen im Bereich von 0,1 μm bis 50 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,5 μm bis 15 μm, aufweist. Solche Emulsionen weisen vorteilhaft eine Standardabweichung der Wassertröpfchengrößen < 10 μm, insbesondere < 5 μm auf. Besonders vorteilhaft beträgt die Standardabweichung kleiner gleich der mittleren Größe der Wassertröpfchen in μm.Prefers is obtained by the method, a water-in-diesel emulsion containing a mean size of water droplets in the Range of 0.1 μm up to 50 μm, particularly preferably in the range of 0.5 .mu.m to 15 .mu.m. Such emulsions advantageously have a standard deviation of the water droplet sizes <10 .mu.m, in particular <5 .mu.m. Especially is advantageous the standard deviation is less than or equal to the mean size of the water droplets in μm.
Für solche Emulsionen wird die Breite der Wasser-Fluidlamellen bevorzugt < 50 μm, besonders bevorzugt < 10 μm, gewählt.For such Emulsions, the width of the water-fluid lamellae is preferably <50 microns, especially preferably <10 μm, chosen.
Während eine möglichst kleine Breite der Wasser-Fluidlamellen bevorzugt wird, ist eine bevorzugte Höhe der Wasser- oder/und Dieselöl-Fluidlamellen größer gleich der Breite der Wasser- bzw. Dieselöl-Fluidlamellen, besonders bevorzugt > 250 μm. Aufgrund der im Vergleich zur Breite größeren Höhe kann bei im wesentlichen gleicher Tröpfchengrößenverteilung ein größerer Stoffdurchsatz erzielt werden.While one preferably small width of the water-fluid blades is preferred is a preferred height the water or / and diesel oil fluid fins greater or equal the width of the water or diesel oil fluid fins, especially preferably> 250 μm. by virtue of which can be larger in height compared to the width at substantially the same droplet size distribution a larger substance throughput be achieved.
Zur Erzeugung von Wasser-in-Dieselöl-Emulsionen als Kraftstoff ist das Volumenverhältnis des Wasser-Flüssigkeitsstroms zum Dieselöl-Flüssigkeitsstrom entsprechend dem zu erzielenden Wasser-zu-Diesel-Verhältnis einzustellen. Bevorzugt ist der Bereich von 1 : 1000 bis 1 : 1, besonders bevorzugt im Bereich von 1 : 500 bis 1 : 3.to Generation of water-in-diesel emulsions as fuel is the volume ratio of the water-liquid flow to the diesel oil fluid stream according to the water-to-diesel ratio to be achieved adjust. Preferably, the range is from 1: 1000 to 1: 1, more preferably in the range of 1: 500 to 1: 3.
Die Fragmentation und damit die Tröpfchengrößenverteilung kann durch die Wahl des Gesamtvolumenflusses und der Volumenflüsse des Dieselöl- und Wasser-Flüssigkeitsstroms gezielt beeinflußt werden. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Fragmentation wird der Volumenfluß einer Wasser-Fluidlamelle bevorzugt im Bereich von 150 bis 0,1 ml/h, besonders bevorzugt im Bereich von 75 bis 15 ml/h, gewählt.The Fragmentation and thus the droplet size distribution can be determined by the choice of the total volume flow and the volume flows of the diesel oil and water-liquid flow specifically influenced become. To achieve a uniform fragmentation of the Volume flow one Water-fluid lamella preferably in the range of 150 to 0.1 ml / h, especially preferably in the range of 75 to 15 ml / h.
Die Herstellung der Emulsion erfolgt bevorzugt in einem Temperaturbereich von 0°C bis 100°C, besonders bevorzugt von 0°C bis 60°C. Der Druck des Wasser- oder/und Dieselöl-Flüssigkeitsstromes liegt bevorzugt im Bereich von 0 bis 30 bar, besonders bevorzugt von 1 bis 15 bar.The Preparation of the emulsion is preferably carried out in a temperature range from 0 ° C up to 100 ° C, more preferably from 0 ° C up to 60 ° C. The pressure of the water and / or Diesel-liquid stream is preferably in the range of 0 to 30 bar, particularly preferred from 1 to 15 bar.
Die Fragmentation der Wasser-Fluidlamellen zu Wassertröpfchen kann durch unterschiedliche Methoden unterstützt werden.The Fragmentation of the water-fluid lamellae to water droplets can supported by different methods.
Nach
einer Methode werden hierzu mechanische Schwingungen, insbesondere
Ultraschall, angewendet. Die allgemeine Idee, in einer Emulgationsvorrichtung
zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wasser zu Verbrennungszwecken
Ultraschallwellen einzusetzen ist aus der
So kann die gesamte Vorrichtung, in der der Wasserflüssigkeitsstrom mit dem Dieselöl-Flüssigkeitsstrom zusammengebracht wird, mit Ultraschall beaufschlagt werden.So may be the entire device in which the water liquid flow with the diesel oil fluid stream is brought together, be subjected to ultrasound.
Nach einer Verfahrensvariante werden zumindest Bereiche des Dieselöl-Flüssigkeitsstroms, der Wasser-Fluidlamellen oder/und der Dieselöl-Fluidlamellen oder/und der Wasser-in-Dieselöl-Emulsion mechanisch mit Schwingung beaufschlagt. Besonders bevorzugt wird das Teil eines Mikrovermischers mit Schwingungen beaufschlagt, in dem die Bildung der Fluidlamellen erfolgt oder/und in dem die Wasser-Fluidlamellen mit dem Dieselöl-Flüssigkeitsstrom oder den Dieselöl-Fluidlamellen zusammengeführt werden.To a variant of the method, at least portions of the diesel oil liquid stream, the water-fluid lamellae and / or the diesel oil-fluid lamellae and / or the water-in-diesel oil emulsion mechanically vibrated. Particularly preferred the part of a micromixer vibrated, in the formation of the fluid fins takes place and / or in which the water-fluid lamellae with the diesel oil fluid stream or the diesel fluid fins together become.
Bevorzugt erfolgt die mechanische Auslenkung als periodische Auslenkung parallel oder senkrecht zur Strömungsrichtung der Fluidlamellen des Wassers oder/und des Dieselöls.Prefers the mechanical deflection takes place as a periodic deflection parallel or perpendicular to the flow direction the fluid fins of the water and / or the diesel oil.
Die Frequenz der mechanischen Schwingungen wird bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit des Wasser-Flüssigkeitsstroms und/oder Dieselöl-Flüssigkeitsstroms im Hinblick auf die zu erzielende Teilchengröße gewählt. Dies ist dahingehend möglich, daß durch die mechanische Schwingung der Vorgang der Fragmentation gezielt eingeleitet wird. Hierdurch wird zum einen bei gegebener Schwingungsfrequenz eine enge Verteilung der Wassertröpfchengrößen erzielt, zum anderen kann mit Erhöhung oder Erniedrigung der Schwingungsfrequenz das Maximum der Tröpfchengrößenverteilung hin zu kleineren bzw. größeren Werten verschoben werden. Dies ist von besonderem Vorteil bei der raschen Einstellung der Emulsion an die wechselnden Anforderungen bei Verbrennungskraftmaschinen.The Frequency of mechanical vibration is at given flow velocity the water-liquid stream and / or diesel oil fluid stream chosen with regard to the particle size to be achieved. This is possible to the effect that the mechanical vibration of the process of fragmentation targeted is initiated. This is the one for a given vibration frequency a close distribution of water droplet sizes, on the other hand can with increase or lowering the oscillation frequency the maximum of the droplet size distribution towards smaller or larger values be moved. This is of particular advantage in the rapid Adjustment of the emulsion to the changing requirements of internal combustion engines.
Bevorzugt sind mechanische Schwingungen im Frequenzbereich von 1 kHz bis 100 kHz, besonders bevorzugt im Bereich von 10 kHz bis 50 kHz.Prefers are mechanical vibrations in the frequency range from 1 kHz to 100 kHz, more preferably in the range of 10 kHz to 50 kHz.
Nach einer zweiten Methode wird die Fragmentation der Wasser-Fluidlamellen durch das Anlegen eines elektrischen Feldes unterstützt. Hierzu kann beispielsweise an den den Emulsionsstrom aufnehmenden Bereich als Elektrode gegenüber den die Fluidlamellen bildenden Bereich als Gegenelektrode eine Spannung angelegt werden. Hierbei sind bekannte Techniken zur elektrostatischen Zerstäubung von Flüssigkeiten einsetzbar (H. Wiggers und P. Walzel, Chemie Ingenieur Technik 1997, (69) 8, 1066–1073.To a second method is the fragmentation of the water-fluid lamellae supported by the application of an electric field. For this For example, at the area receiving the emulsion stream as an electrode opposite the area forming the fluid fins as a counter electrode a Voltage to be applied. Here are known techniques for electrostatic atomization of liquids (H. Wiggers and P. Walzel, Chemie Ingenieur Technik 1997, (69) 8, 1066-1073.
Nach einer dritten Methode wird die Fragmentation durch Einleiten eines Gases unterstützt. Das Gas kann hierzu dem Wasser-Fluidstrom, dem Dieselöl-Fluidstrom, den entsprechenden Fluidlamellen oder/und der Wasser-in-Dieselöl-Emulsion zugeleitet werden. Im einfachsten Fall ist das Gas gegebenenfalls gereinigte Luft. Die so erhaltene Dispersion aus Wasser, Dieselöl und Gas kann als Kraftstoff verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, vorher das Gas wieder zumindest teilweise abzutrennen. Zum Zuführen eines Gases, also zum Herstellen von Gas-Flüssigkeits-Dispersionen können bekannte miniaturisierte statische Mischer und bekannte Verfahren eingesetzt werden (V. Hessel, et al., Gas/Liquid Dispersion Processes in Micromixers: The Hexagonal Flow, in Process Miniaturization: 2nd International Conference on Microreaction Technology, 1998, New Orleans).To In a third method, fragmentation is initiated by introducing a Gas supported. The gas can do this the water fluid stream, the diesel oil fluid stream, the corresponding Fluid lamellae and / or the water-in-diesel oil emulsion are fed. In the simplest case, the gas is possibly purified air. The resulting dispersion of water, diesel oil and gas can be used as fuel be used. However, it is also possible before the gas again at least partially separate. For supplying a gas, so to Production of gas-liquid dispersions can known miniaturized static mixers and known methods Hessel, et al., Gas / Liquid Dispersion Processes in Micromixers: The Hexagonal Flow, in Process Miniaturization: 2nd International Conference on Microreaction Technology, 1998, New Orleans).
Ein Gas kann jedoch innerhalb des Wasser- oder/und Dieselöl-Flüssigkeitsstroms dadurch erzeugt werden, daß im Bereich des Mischers die Temperatur so erhöht wird, daß eine leicht flüchtige Komponente der Flüssigkeitsströme zu sieden beginnt und damit Gasblasen in der Flüssigkeit erzeugt werden. Es ist auch denkbar hierzu einem Flüssigkeitsstrom eine leicht flüchtige Flüssigkeit, beispielsweise einen kurzkettigen Kohlenwasserstoff, hinzuzugeben. Die zugemischte Flüssigkeit bzw. deren Gas kann als Bestandteil des Kraftstoffs mit zur Verbrennung beitragen. Es kann sich jedoch auch um einen inerten Stoff handeln, der beispielsweise nach der Erzeugung der Emulsion abgetrennt wird.One However, gas can be within the water or / and diesel oil fluid stream be generated by that in the Range of the mixer, the temperature is increased so that a volatile component to boil the liquid streams begins and thus gas bubbles are generated in the liquid. It is also conceivable this a liquid flow a volatile one Liquid, For example, a short-chain hydrocarbon to add. The admixed liquid or their gas can be used as part of the fuel for combustion contribute. However, it can also be an inert substance which is separated, for example, after the production of the emulsion.
Zur Stabilisierung der zu erzeugenden Emulsion kann es vorteilhaft sein, dem Wasser- oder Dieselöl-Flüssigkeitsstrom mindestens ein die Emulsion stabilisierenden Stoff hinzuzugeben. Vorzugsweise beträgt das Volumenverhältnis Emulgator zu Emulsion bis zu 1 : 10, besonders bevorzugt 1 5000 bis 1 : 20. Geeignete Emulgatoren sind beispielsweise Polyethylenoxide und deren Derivate, beispielsweise Monoether, Polyethylen-Propylen-Copolymere, Naphthensäure und deren Salze, Fettsäuren und deren Salze, Fettalkohole, Alkylsulfate, Alkylsulfonate, Alkylsulfite oder deren Kombinationen.to Stabilization of the emulsion to be produced may be advantageous the water or diesel oil stream Add at least one emulsion stabilizing substance. This is preferably volume ratio Emulsifier to emulsion up to 1:10, particularly preferably 1 to 5000 to 1: 20. Suitable emulsifiers are, for example, polyethylene oxides and their derivatives, for example, monoethers, polyethylene-propylene copolymers, naphthenic acid and their salts, fatty acids and their salts, fatty alcohols, alkyl sulfates, alkyl sulfonates, alkyl sulfites or their combinations.
Bei Temperaturen unterhalb 0°C besteht die Gefahr, daß ein Zuleiten von Wasser durch Kristallbildung verhindert wird. Hierbei kann es von Vorteil sein, dem Wasser-Flüssigkeitsstrom mindestens einen die Kristallisationstemperatur des Wassers herabsetzenden Stoff zuzusetzen. Geeignete Stoffe sind beispielsweise ein- oder mehrwertige Alkohole, wie Methanol, Ethanol oder Ethylenglykol.at Temperatures below 0 ° C there is a risk that a Supply of water is prevented by crystal formation. in this connection it may be advantageous to at least one of the water-liquid flow the crystallization temperature of the water-reducing substance add. Suitable substances are, for example, mono- or polyvalent ones Alcohols, such as methanol, ethanol or ethylene glycol.
Des weiteren kann es vorteilhaft sein, dem Wasser- oder/und dem DieselölFlüssigkeitsstrom mindestens einen dei Kraftstoffeigenschaften verbessernden Stoff, wie beispielsweise Additive gegen Ablagerungen, zuzusetzen.Of Further, it may be advantageous to the water and / or the diesel oil liquid stream at least one fuel property improving substance, such as additives against deposits, add.
Nach einer Verwendung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Emulsion als Kraftstoff aus Dieselöl und einer bzw. einem nicht mit Dieselöl mischbaren Flüssigkeit oder Flüssigkeitsgemisch eingesetzt. Hierzu wird statt eines Wasser-Flüssigkeitsstromes ein Flüssigkeitsstrom der bzw. des nicht mit Dieselöl mischbaren Flüssigkeit oder Flüssigkeitsgemisches, beispielsweise eines oder mehrerer ein- oder mehrwertiger Alkohole, wie Ethanol oder Butanol, eingesetzt.To a use is the inventive method for the preparation an emulsion as fuel from diesel oil and one or not with diesel oil miscible liquid or liquid mixture used. For this purpose, instead of a water-liquid flow, a liquid flow the or not with diesel miscible liquid or liquid mixture, for example, one or more monohydric or polyhydric alcohols, such as ethanol or butanol.
Nach einer weiteren Verwendung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Emulsion als Kraftstoff eingesetzt, wobei anstelle von Dieselöl ein oder mehrere andere flüssige Brennstoffe, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, wie Benzin, Kerosin, Petrolether, Flüssiggas, aliphatische oder aromatische Nitroverbindungen, verwendet werden.To Another use is the process according to the invention for the preparation an emulsion used as a fuel, wherein instead of diesel oil on or several other liquid ones Fuels, such as hydrocarbons, such as gasoline, kerosene, Petroleum ether, LPG, aliphatic or aromatic nitro compounds.
Besonders vorteilhaft wird das Verfahren direkt im Bereich der Kraftstoffzufuhreinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Kraftfahrzeug-Diesel-Motors, eingesetzt. Das Wasser-zu-Dieselöl-Volumenverhaltnis kann hierbei, beispielsweise unter Verwendung einer elektronischen Steuerung, im Hinblick auf die momentane Belastung und/oder Abgaswerte der Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden.Especially Advantageously, the method is directly in the field of fuel supply an internal combustion engine, for example a motor vehicle diesel engine, used. The water to diesel volume ratio can in this case, for example using an electronic Control, with regard to the current load and / or exhaust emissions the internal combustion engine are adjusted.
Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:variants the method according to the invention will be explained in more detail with reference to schematic drawings. It demonstrate:
In
Bei dem bekannten System Silikonöl-Wasser wurde gefunden, daß die Silikonöl-Fluidlamellen beim Zusammenführen mit den Wasser-Fluidlamellen zu Silikonöl-Tröpfchen fragmentieren und eine Emulsion von Silikonöl-Tröpfchen in einer kontinuierlichen Wasser-Phase erhalten wird. Diese Emulsionen waren bei Volumenverhältnissen von Wasser zu Dieselöl von größer 1 : 1 feindispers, bei kleineren Volumenverhältnissen jedoch mit sehr breiter Verteilung der Größen der Silikonöl-Tröpfchen.at the well-known system silicone oil-water was found that the Silicone oil fluid lamellae when merging fragment with the water-fluid lamellae to silicone oil droplets and a Emulsion of silicone oil droplets in a continuous water phase is obtained. These emulsions were at volume ratios from water to diesel from greater than 1: 1 finely dispersed, but with very small volume ratios Distribution of the sizes of the Silicone oil droplets.
Entgegen diesen bekannten Erfahrungen ergaben neue Experimente mit Wasser-Dieselöl-Systemen überraschenderweise feindisperse Emulsionen von Wassertröpfchen in einer kontinuierlichen Dieselöl-Phase, insbesondere bei den für Kraftstoffen gewünschten Volumenverhältnissen von Wasser zu Dieselöl von kleiner als 1 : 1.opposite Surprisingly, new experiences with water-diesel oil systems have resulted from these known experiences finely dispersed emulsions of water droplets in a continuous Diesel oil phase, in particular at the for Desired fuels volume ratios from water to diesel less than 1: 1.
Nach
einer anderen Verfahrensvariante wird nur der Wasser-Flüssigkeitsstrom
in Fluidlamellen aufgespalten und diese in einen Dieselöl-Fluidstrom
eingeleitet, wobei eine Fragmentation der einzelnen Wasser-Fluidlamellen
in Wassertröpfchen
stattfindet. Drei entsprechende Elemente
Ein
bekannter Mikrovermischer
Das
Mischelement
In
Die
Bildung von Wassertröpfchen
Der
Vorgang der Fragmentation kann gezielt durch die Anwendung von mechanischen
Schwingungen, wie Ultraschall, unterstützt werden. Hierfür geeignete
Mikrovermischer sowie die damit verbundenen Vorgänge der Fragmentation sind
in den
In
der
Der
Mikrovermischer
Wie
die Bildung von Wassertröpfchen
Ein
weiterer Mikrovermischer
Der
Vorgang der Fragmentation hin zu Wassertröpfchen
Ein
weiterer erfindungsgemäßer Mikrovermischer
AusführungsbeisgielAusführungsbeisgiel
Wasser-in-Dieselöl-Emulsionen
wurden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
unter Verwendung des in
Die Emulsionen wurden bei einer Temperatur von 22°C und ohne die Verwendung eines Emulgators hergestellt.The Emulsions were carried out at a temperature of 22 ° C and without the use of a Emulsifier made.
Bei
dem Mischungsverhältnis
1 : 20 wurde eine mittlere Wasser-Tröpfchengröße von etwa
5 μm bei einer
Standardabweichung von 2,5 μm
erzielt, d. h. 68,3 % der Tröpfchen
wies eine Größe im Bereich
von 5 μm ± 2,5 μm auf. Die
- 11
- Mikrovermischermicromixer
- 22
- Wasser-FlüssigkeitsstromWater liquid stream
- 3a, 3b, ...3a, 3b, ...
- Wasser-FluidlamelleWater fluid lamella
- 44
- Dieselöl-FlüssigkeitsstromDiesel-liquid flow
- 5a, 5b, ...5a, 5b, ...
- Dieselöl-FluidlamelleDiesel oil fluid lamella
- 6a, 6b, ...6a, 6b, ...
- Wasser-TröpfchenWater Droplets
- 77
- kontinuierliche Phase Dieselölcontinuous Phase diesel oil
- 10a10a
- Gehäusebodencaseback
- 10b10b
- Gehäusedeckelhousing cover
- 1111
- Ausnehmungrecess
- 1212
- Mischelementmixing element
- 1313
- InterdigitalstrukturInterdigital structure
- 1414
- Einlaß für Wasser-FlüssigkeitsstromInlet for water-liquid flow
- 1515
- Einlaß für Dieselöl-FlüssigkeitsstromInlet for diesel fluid flow
- 1616
- Zuführung für Wasser-FlüssigkeitsstromFeed for water-liquid flow
- 1717
- Zuführung für Dieselöl-FlüssigkeitsstromFeed for diesel oil-liquid stream
- 1818
- Vermischungsbereichmixing area
- 19a, 19b, ...19a, 19b, ...
- Kanal für Wasser-Fluidlamellechannel for water-fluid lamella
- 20a, 20b, ...20a, 20b, ...
- Kanal für Dieselöl-Fluidlamellechannel for diesel oil-fluid lamella
- 2121
- Element mit Spaltelement with gap
- 2222
- Spaltgap
- 2323
- Abführungremoval
- 2424
- Auslaßoutlet
- 2727
- O-Ring-NutO-ring groove
- 28a28a
- Paßstiftdowel
- 28b28b
- Bohrungdrilling
- 2929
- Bohrung mit Gewindedrilling with thread
- 3030
- Bohrungdrilling
- 4141
- Element mit Vermischungsbereichelement with mixing area
- 4242
- Mischelementmixing element
- 4343
- Abführungremoval
- 4646
- Zuführung für Wasser-FlüssigkeitsstromFeed for water-liquid flow
- 4747
- Zuführung für Dieselöl-FlüssigkeitsstromFeed for diesel oil-liquid stream
- 4848
- Vermischungsbereichmixing area
- 49a, 49b, ...49a, 49b, ...
- Kanäle für Wasser-FluidlamellenChannels for water-fluid louvers
- 5151
- Element mit Spaltelement with gap
- 5252
- Spaltgap
- 6060
- Mikrovermischermicromixer
- 60a60a
- Gehäusebodencaseback
- 60b60b
- Gehäusedeckelhousing cover
- 6161
- Ausnehmungrecess
- 6262
- Mischelementmixing element
- 6363
- Spaltgap
- 6464
- Auslaßoutlet
- 6565
- Ultraschallgeberultrasonic generator
- 6666
- Stiftpen
- 6767
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 6868
- InterdigitalstrukturInterdigital structure
- 70a, 70b, ...70a, 70b, ...
- Wasser-FluidlamelleWater fluid lamella
- 71a, 71b, ...71a, 71b, ...
- Dieselöl-FluidlamelleDiesel oil fluid lamella
- 72a, 72b, ...72a, 72b, ...
- Wassertröpfchenwater droplets
- 7373
- kontinuierliche Dieselöl-Phasecontinuous Diesel oil phase
- 8080
- Mikrovermischermicromixer
- 8181
- Einlaß für Wasser-FlüssigkeitsstromInlet for water-liquid flow
- 8282
- Einlaß für Dieselöl-FlüssigkeitsstromInlet for diesel fluid flow
- 9090
- Mikrovermischermicromixer
- 9191
- Gehäusebodencaseback
- 9292
- Gehäusedeckelhousing cover
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- Mischelementmixing element
- 9494
- Auslaßoutlet
- 95a, 95b, ...95a, 95b, ...
- elektrische Zuleitungenelectrical leads
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- Spannungsquellevoltage source
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