DE2505490A1

DE2505490A1 - Verfahren und vorrichtung zum emulgieren von mindestens zwei miteinander nicht mischbaren fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2505490A1
Application number: DE19752505490
Authority: DE
Inventors: Vito Agosta
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-02-11
Filing date: 1975-02-10
Publication date: 1975-08-14
Also published as: JPS50142475A; US3937445A; CA1024979A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Emulgieren von mindestens zwei miteinander nicht mischbaren Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Emulgieren von mindestens zwei miteinander nicht mischbaren Flüssigkeiten.

Es ist seit einiger Zeit bekannt, daß die Brenneigenschaften von bestimmten flüssigen Brennstoffen, wie beispielsweise üblichem Heizöl Nr. 2, durch Emulgieren mit Wasser beträchtlich verbessert werden können. Zu diesem Zweck wurden verschiedene mechanische Oszillatoren entwickelt und vorgeschlagen, um die heftige Mischung zwischen dem öl und dem Wasser zu bewerkstelligen, die notwendig ist, um die gewünschte Emulsion herzustellen. Eine bekannte Vorrichtung dieser Art weist einen Ultraschallschwinger auf, der die Öl-Wassermischung mit einer Frequenz von 20 000 Hz in Schwingungen versetzt, um die zur Herstellung der gewünschten Emulsion notwendige Agitation zu erhalten. Diese Oszillatoren arbeiten für manche Anwendungsfälle zufriedenstellend, während sie in einer Vielzahl von anderen Fällen weder wirtschaftlich noch technisch den Ansprüchen genügen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe'zugrunde, ein'verbessertes Ver-

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fahren zum Emulgieren von zwei oder mehreren nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, die möglichst mit einem geringen Aufwand an Kosten und Zeit in bestehende Heiz- oder Krafanlagen eingebaut werden kann und keinerlei äußere Antriebskraft benötigt, also vollständig passiv ist.

Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß der Druck mindestens eine der Flüssigkeiten unter seinen Clausius-Clapeyron-Druck gesenkt wird, wodurch in der Flüssigkeit das Bestreben besteht, Blasen oder Bläschen bilden, und es dann diesen Bläschen gestattet wird, in Gegenwart der anderen Flüssigkeit (en) heftig zu kontrahieren und zu expandieren. Dieser Vorgang geht mit einer ausreichenden Kavitation vor sich, um die gewünschte Emulsion zu bilden. Passive feste Partikel, wie beispielsweise Kohlepulver zur· Anreicherung der Öl-Wasser-Emulsion, oder nicht passive feste Teilchen, die sublimieren, wie beispielsweise Trockeneis, können zusammen mit den nicht mischbaren Flüssigkeiten eingeführt werden, um eine Suspension mit der sich ergebenden Emulsion zu bilden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen passiven kavitationserzeugenden Vorrichtung zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 ein^schematisches Flußdiagramm eines die vorliegende Erfindung benutzenden Systems, und

Fig. 3 eine Seitenansicht ähnlich Fig. 1 mit Mitteln zur Veränderung des Masseflusses bei konstantem Vordruck.

Wie erwähnt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Emulgieren von mindestens zwei

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nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten. Die folgende Beschreibung bezieht sich speziell auf die Emulgierung einer Mischung eines Brennstoffes wie Benzin oder öl mit Wasser, obgleich die Erfindung ausdrücklich auch für die Emulgierung anderer nicht miteinander mischbarer Flüssigkeiten anwendbar ist.

Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in welcher ein Veturi 10 dargestellt ist, das in der Lage ist, die Kavitation zu erzeugen, die nötig ist, die Emulgierung von öl und Wasser zu verwirklichen. Das Venturi IO weist einen Einlaß 18, einen Abschnitt 12 mit einem konvergierenden Kanal, einen Abschnitt 1*1 mit einem divergierenden Kanal, der in einem Auslaß 20 endet, und einen Halsabschnitt 16 mit einem Kanal konstanten Querschnitts auf, der zwischen den beiden erstgenannten Abschnitten 12 und 14 angeordnet ist. Die Venturiabschnitte haben vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt, um den Anschluß an andere Leitungen 21 eines Systems zu erleichtern.

öl und Wasser können gemeinsam durch den Einlaß 18 in das Venturi 10 eingeführt werden, obgleich es auch möglich ist, nur das öl oder nur das Wasser einzuführen. Im letzteren Falle wird die andere Flüssigkeiten in den divergierenden Abschnitt 14 oder in den Halsabschnitt 16 des Venturi eingeführt, wie dies noch später beschrieben wird. Das Auslaßende 22 des konvergierenden Abschnittes 12 des Venturi ist so ausgebildet, daß in der Flüssigkeit, die durch diesen Abschnitt fließt, eine Druckverminderung entsteht, die ausreicht, um die Flüssigkeit zu verdampfen. Der konvergierende Abschnitt 12 sollte also so entworfen werden, daß der Druck einer oder mehrerer der nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten unter den Gleichgewichtsdruck bei der gegebenen Flüssigkeitstemperatur sinkt. Dieser Druck wird durch die Clausius-Clapeyron-Gleichung für die Flüssigkeit für die Temperatur, mit welcher die Flüssigkeit durch das Venturi strömt, bestimmt. Aus praktischen Gründen ist die Temperatur der Flüssigkeit vorzugsweise Raumtemperatur.

Der Druckabfall einer Flüssigkeit, die durch eins konvergierende Leitung strömt, ist abhängig von dem Verhältnis der Flächen am

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Eingang und am Ausgang der Leitung. Dementsprechend ist der konvergierende Abschnitt 12 des Venturi so ausgebildet, daß ein ausreichender Druckabfall entsteht, um eine Verdampfung eines oder mehrerer Flüssigkeiten zu erreichen. Die Verringerung des Druckes der Flüssigkeit unter ihren Dampfdruck führt zu einer Verdampfung der Flüssigkeit und damit zu einer beginnenden Bläschenbildung.

Unter den Bedingungen eines thermodynamischen Gleichgewichts sollte die Bläschenbildung unmittelbar am Auslaß 22 des konvergierenden Abschnittes 12 stattfinden. Ein thermodynamisches Gleichgewicht existiert jedoch in der Praxis nicht, und Untersuchungenhaben ergeben, daß eine Entspannungszeit notwendig ist, damit sich die Bläschen bilden können. Zu diesem Zweck ist der Halsabschnitt 16 mit konstantem Querschnitt vorgesehen. In diesem Halsabschnitt 16 schreitet der Prozeß der Verdampfung des Öls und oder des Wassers fort, um eine große Anzahl von kleinen Bläschen in der Flüssigkeit bzw. den Flüssigkeiten zu bilden. Die mit Bläschen beladene Flüssigkeit strömt dann durch den Auslaß 24 des Halsabschnittes 16 in den -divergierenden Abschnitt 14 des Venturi. Zusätzlich werden die Flüssigkeiten der Emulsion, die nicht durch den ersten Abschnitt 12 des Venturi hindurchgeführt wurden, durch einen Einlaß 26 in den zweiten Abschnitt 14 eingeführt. Mit ansteigendem Druck kontrahieren und expandieren die Bläschen in dem divergierenden Abschnitt 14. Die folgenden Oszillationen der Bläschen verursachen große Spannungen in der Flüssigkeitsmischung, welche die Komponenten des Flüssigkeitsstromes in Fäden und auf Grund der Oberflächenspannung schließlich in kleine Tröpfchen zerteilen. Diese zerteilende Kraft auf das öl und das Wasser in der Mischung erzeugt die gewünschte Emulsion.

Wie erwähnt, kann der öl- und Wasserbestandteil der gewünschten Emulsion gemeinsam durch den Einlaß 18 in den konvergierenden Abschnitt 12 des Venturi eingeführt werden. Dieser Abschnitt kann so ausgelegt werden, daß in ihm eine Druckabsenkung unter den kritischen Clausius-Clapeyron-Druck sowohl für das Wasser als auch für das öl oder nur für den Wasser- oder den ölbestand-

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stattfindet.

Alternativ kann nur entweder die öl- oder die Wasserkomponente durch den konvergierenden Abschnitt 12 des Venturi hindurchgeführt werden, während die andere Komponente stromabwärts durch die öffnung 26 zugeführt wird, so daß die heftige Mischung, die zu der gewünschten Emulsion führt, im divergierenden Abschnitt 14 des Venturi stattfindet. Falls gewünscht, können zusätzlich passive feste Teilchen, wie Kohlepulver oder -granulat zusammen mit der öl- und / oder Wasserkomponente zugeführt werden, um die Nützlichkeit des sich daraus ergebenden Brennstoffes zu erhöhen. In diesem Zusammenhang hat sich die Beimengung von Kohlepulver (100 bis 300 sieve = ca. 0,15 bis 0,05 mm Korngröße) zu emulgiertem Heizöl Nr. 2,4 oder 6 vorteilhaft für die Erhöhung der Nützlichkeit des Brennstoffes ergeben. Es können.auch aktive feste Teilchen, beispielsweise Partikel aus Trockeneis, eingeführt werden, welche sublimieren und dabei Bläschen bilden für die nachfolgende Kavitation der nicht mischbaren-Flüssigkeiten.

In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung· eines Systems mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. In diesem System werden öl'und Wasser einem Mischventil 32 durch Leitungen 34 und 36 zugeführt. Das Gemisch strömt durch eine Leitung 38 zu einer Pumpe 40,welche durch eine Leitung 48 einen Brenner versorgt. In der Leitung 48 ist die passive kavitationserzeugende Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 eingesetzt. Diese erzeugt eine Öl-Wasseremulsion, die von der Vorrichtung 10 durch die Leitung 48 in üblicher Weise zum Brenner 44 gelangt.

Bei einer erfolgreichen Ausführung der Erfindung wurde Heizöl mit Wasser emulgiert, indem Wasser und öl durch ein Venturi in einer Menge von etwa 26 l/h hindurchgeführt wurde. Der konvergierende Abschnitt 12 des Venturi war 6 mm lang, der divergierende Abschnitt 14 war 12 mm lang und der Halsabschnitt 16 war ebenfalls 12 mm lang. Der Durchmesser des Einlasses 18 des divergierenden Abschnittes 12 betrug 4,74 mm, der Durchmesser

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des Halsabschnittes 16 betrug 0,5^ mm und der Durchmesser des Auslaßendes 20 des konvergierenden Abschnittes 14 betrug wiederum 4,7** mm. Die sich ergebende Emulsion bestand zu 70 % aus öl und zu 30 % aus Wasser. Die Größe der Tröpfchen lag zwischen 2 und 12 Mikron.

In Fig. 3 ist ein Venturi 50 ähnlich demjenigen, das in Fig. dargestellt ist, gezeigt. Das Venturi 50 ist mit einem Düsenstift 52 versehen, welcher axial in den konvergierenden Abschnitt des Venturi hinein- und aus diesem herausbewegt werden kann, um den minimalen Strömungsquerschnitt in das Venturi zu verändern. Dies gestattet es, den Massefluß durch das Venturi bei konstantem Vordruck zu verändern. Eine solche Veränderung ist z. B. notwendig, um einerseits Startbelastnngen und andererseits Spitzenbelastungen zu berücksichtigen, bei denen die Durchflußmenge erheblich von derjenigen -bei normalem Betrieb abweicht.

Für die Erfindung ist es wesentlich, daß die Emulgierung von zwei oder mehreren nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten ausschließlich darauf beruht, daß mindestens eine der nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten durch eine passive Kavitationsvorrichtung strömt. Keine äußere Kraft ist notwendig, um die gewünschte Kavitation zu erreichen. Es sind keine Teile vorhanden, die zerbrechen könnten, verschlissen oder auf andere WEise funktionstüchtig werden.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines Venturi als kavitationserzeugende Vorrichtung beschränkt. Es können auch andere passive Vorrichtungen, wie ein kavitationserzeugendes Flügelprofil oder ein Keil vorgesehen werden, welches die Drucksenkung und den Druckanstieg hervorruft, der für die Erzeugung einer Kavitation nötig ist, um eine Emulgierung entsprechend der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Die Erfindung ist auch nicht auf die Emulgierung von öl und Wasser beschränkt, sondern es können auch andere nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten, wie Benzin und Wasser, zwei nicht mitein-

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ander mischbare Brennstoffe oder andere Flüssigkeiten miteinander emulgiert werden.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Verfahren, zum Emuglieren von mindestens zwei miteiänder nicht mischbaren Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck mindestens einer der Flüssigkeiten unter seinen Clausius-Clapeyron-Druck gesenkt wird, die Flüssigkeit auf diesem reduzierten Druck gehalten wird, bis sich Blasen bilden, und dann den Blasen gestattet wird, in Gegenwart der anderen Flüssigkeit(en) heftig zu kontrahieren und zu expandieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit zur Druckverminderung durch einen Kanal mit sich verringerndem Querschnitt gefördert wird, dann zur Aufrechterhaltung des reduzierten Druckes durch einen Kanal mit konstantem Querschnitt geführt und darauf zur Ermöglichung einer heftigen Kontraktion und Expansion der Bläschen durch einen Kanal mit sich vergrößerndem Querschnitt geführt wird.
3. Verfahren zum Emulgieren von mindestens zwei miteinander nicht mischbaren Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Flüssigkeiten zwecks Erzeugung von Blasen durch eine passive Kavitationsvorrichtung geführt und darauf den Blasen gestattet wird, in Gegenwart der anderen Flüssigkeit (en) heftig zu kontrahieren und zu expandieren.
4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit durch einen ersten Abschnitt der Kavitationsvorrichtung geführt wird, der so bemessen ist, daß der Druck für die Flüssigkeit unter ihren Clausius-Clapeyron-Druck sinkt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit durch einen zweiten stromabwärts des ersten Abschnittes liegenden Abschnitt der Kavitationsvorrichtung geführt wird, in welcher den Blasen gestattet wird, in Gegenwart der anderen Flüssigkeit(en) heftig zu kontrahieren und zu expandieren zwecks Bildung einer Emulsion der Flüs-

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sigkeiten. . '."-..-■
6. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, . daß alle miteinander zu emulgierenden Flüssigkeiten durch den ersten Abschnitt der Kavitationsvorrichtung geführt werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die andere Flüssigkeit bzw. die anderen Flüssigkeiten stromabwärts des ersten Abschnittes in die passive KavitationsVorrichtung eingeführt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß Partikel von festem Material in einer oder mehreren Flüssigkeiten suspendiert in die passive Kavitationsvorrichtung eingeführt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel in einer Größenordnung zwischen 100 und 300 sieve (ca. 0,15 und 0,05 nim) verwendet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Verwendung Von festen Partikeln aus einem sublimierbaren Material.
11. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß für eine der Flüssigkeiten ein hydrophober Brennstoff und für die andere Flüssigkeit Wasser verwendet wird.
12. Passive Vorrichtung zum Emulgieren von mindestens zwei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten, gekennzeichnet durch einen rohrförmigen Körper (10) mit einem in Strömungsrichtung konvergierenden ersten Abschnitt(12), der so bemessen ist, daß der Druck mindestens einer der durch ihn hindurch geführten Flüssigkeiten am Ende (22) dieses Abschnittes (12) unter ihren Clausius-Clapeyron-Druck abgesenkt ist, wobei sich Blasen in der Flüssigkeit bilden,-und mit einem zweiten Abschnitt (14) stromabwärts des ersten Abschnittes (12), der so bemessen ist, daß in ihm die Blasen heftig

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kontrahieren und expandieren können.
13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Abschnitt (12 bzw. 14) den konvergierenden und den divergierenden Abschnitt eines Venturi (10) bilden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13» gekennzeichnet durch einen Halsabschnitt (16) konstanten Querschnitts zwischen den ersten Abschnitt (12) und dem zweiten Abschnitt (14), wobei dieser Querschnitt gleich dem Querschnitt am Ende (22) des ersten, konvergierenden Abschnittes (12) ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Abschnitt (14) oder im Halsabschnitt (16) ein Einlaß (26) für die Zuführung der übrigen Flüssigkeit (en) vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Mittel (52) zur Veränderung der Querschnittsfläche am Einlaßende (18) des konvergierenden Abschnittes (12).

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