DE4041005A1

DE4041005A1 - Verfahren zur herstellung einer emulsion aus dieselkraftstoff und wasser und vorrichtung zur herstellung einer emulsion

Info

Publication number: DE4041005A1
Application number: DE4041005A
Authority: DE
Inventors: Heino Stache
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-12-20
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 1992-06-25

Description

Unter einer Emulsion sind Systeme zu verstehen, in denen zwei nicht mischbare flüssige Phasen miteinander vermengt werden. Wegen der feinen Verteilung der dispersen Phase besitzt eine Emulsion in der Regel eine extrem große Grenzflächenenergie mit der Folge, daß ein derartiges isothermes System bestrebt ist, seine freie Energie zu reduzieren, was leicht zu einer Instabilität des Systems führt.

Aus diesem Grunde ist es bekannt, derartige Systeme mittels Dispergiermittel zu stabilisieren, die die Aufgabe haben, die einmal getrennten Teilchen gegen Agglomeration zu schützen. Vielfach ist dieses mit einer einzigen Substanz nicht optimal erreichbar. Neben ionogenen Hilfsstoffen sind auch nichtionogene Hilfsstoffe bekannt, wobei im letzteren Fall jeweils mit Hilfe des HLB-Wertes abgeschätzt werden kann, welche nichtionogenen Tenside sich für bestimmte Anwendungsgebiete eignen. So kommen zum Beispiel für die Emulgierung von Wasser in Öl Tenside mit HLB-Werten zwischen 3 und 6 in Frage. Soll dagegen Öl in Wasser emulgiert werden, so werden Tenside in einem HLB- Bereich zwischen 8 und 18 angewandt.

Eine Vorrichtung zum Herstellen einer Emulsion ist als Homogenisator (Patentnummer P 3 63 350.2-23) bekannt, mit welchem eine Emulsion aus Schweröl und Wasser hergestellt werden kann, die eine Standzeit von 6 bis 10 Minuten erreicht. Bislang ist es jedoch noch nicht gelungen, eine verbrennungstaugliche Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser herzustellen, die eine genügend lange Standzeit erreichen kann, um sie der Verbrennung zuzuführen.

Beim Einsatz von Dieselmotoren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn im Verbrennungsvorgang extrem kleine Wasserpartikel mit einem dünnen Mantel Dieseltreibstoff umgeben sind, die unverzüglich auf eine Verbrennungstemperatur von 1200 bis 1300 Grad Celsius aufgeheizt werden. Die Wasserpartikel verwandeln sich dabei in überhitzten Dampf und die folgende Mikro-Explosion zerstäubt das Schweröl in Moleküle, wodurch eine bessere Verbrennung erreicht wird ("Öl+Wasser", Energie Jahrgang 31, Nr. 2, Februar 1979).

Bislang ist es noch nicht gelungen, eine verbrennungstaugliche Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser herzustellen, die eine Standzeit erreicht, die es ermöglicht, diese Emulsion in einem Dieselmotor als Treibstoff einzusetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Emulgieren zu schaffen, mit der extrem kleine Partikel erzeugt werden, sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer langzeitbeständigen Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser zu entwickeln.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung ist im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bis 10 definiert und wird dadurch gekennzeichnet, daß Dieselkraftstoff und Wasser unter Zusetzung eines biologischen Additives in einem Homogenisator emulgiert werden.

Die Vorrichtung zur Herstellung der Emulsion ist dadurch gekennzeichnet, daß Rotor und Stator des weiterentwickelten Homogenisators walzenförmig ausgestaltet sind und daß die Oberfläche des Rotors und die Innenmantelfläche des Stators in Drehrichtung des Stators verlaufende nutenförmige Vertiefungen aufweisen, mit einem Steg zwischen beiden Nuten, dessen Breite die der Nuten etwas übertrifft, und der regelmäßig durch Bohrungen, deren Durchmesser die Stegbreite übertrifft, unterbrochen wird, wobei die Bohrungen der nebeneinanderliegenden Stege systematisch zueinander versetzt werden und bei dem der zwischen Rotor und Stator gebildete Mahlspalt eine konstante Größe aufweist. Die Drehzahl des Rotors liegt zwischen 2500 Upm und 5000 Upm. Die beiden Phasen der zu bildenden Emulsion werden durch Pumpendruck durch den Homogenisator gedrückt. Die Abdichtung der einseitig austretenden Welle erfolgt mit einem Simmerring, der auf der drucklosen Seite durch einen Teflonring verstärkt wird, dessen an den Simmerring angrenzende Oberfläche passend zur angrenzenden Oberflächenform des Simmerrings geformt ist.

Das Verfahren zur Herstellung einer verbrennungstauglichen Emulsion wird dadurch gekennzeichnet, daß dem Dieselkraftstoff ein Tensid beigemischt wird, vorzugsweise mit einem HLB-Wert von etwa 8 in einer Menge von lediglich 0,1-1% und daß die wäßrige Phase der Emulsion mit dem biologischen Additiv "BWC" versetzt wird, vorzugsweise in einem Mengenverhältnis von 0,1% der wäßrigen Phase.

Eine Verlängerung der Standzeit der so hergestellten Emulsion kann durch Behandlung der Emulsion in einem handelsüblichen Ionenstabilisator erreicht werden.

Mit einem derartigen Verfahren und Vorrichtung ist die Herstellung langzeitbeständiger Dieselkraftstoff/ Wasser-Emulsionen möglich, die aufgrund ihrer hohen Langzeitbeständigkeit nicht gleich einem Verbrauch zugeführt werden müssen, sondern eine Zwischenlagerung für eine längere Zeit erlaubt, ohne sich dabei zu ent mischen.

Die Standzeit der Emulsion, die auf diese Weise erzeugt wird, beträgt mehrere Tage. Der erhaltene Emulsions feinheitsgrad beträgt 1 µm und weniger bei hoher, gleichmäßiger Verteilung der beiden Phasen der Emulsion.

Durch die Verbrennung der Emulsion im Motor wird der Anfall von Rußpartikeln und Stickoxyd unter das vom Gesetzgeber vorgeschriebene Maß reduziert. Es wird so verhindert, daß der HC-Gehalt des Abgases über eine kritische Grenze hinaus ansteigt, da durch die Verbrennung der mit diesem Verfahren hergestellten Emulsion eine nahezu rückstandfreie Verbrennung erreicht wird.

Abhängig von der Belastung des mit dieser Emulsion betriebenen Motors soll das Verhältnis des beizumischenden Wassers im unteren Lastbereich bei ca. 10%, im oberen Lastbereich bei ca. 20% der Emulsion liegen, wobei gelegentlich auch ein höherer Wasseranteil wünschenswert sein kann.

Völlig überraschend hat es sich gezeigt, daß eine Standzeit einer derartigen Emulsion von mehreren Tagen durch Beifügung des biologischen Additives "BWC" in einer Größenordnung von 0,1% des emulgierten Wassers erreicht wird. Dabei werden optimale Ergebnisse erzielt, wenn dem Dieselkraftstoff ein Tensid mit dem HLB-Wert 8 in einer Menge von 0,1 bis 1% beigefügt wird. Dieses kann sowohl in der Anlage als auch vorher geschehen.

Es hat sich weiter gezeigt, daß die Standzeit der so entstandenen Emulsion mittels Behandlung in einem herkömmlichen Ionenstabilisator verlängert werden kann, welcher die Moleküle in eine Richtung lenkt und dadurch die Bewegungen im Kraftstoff unterdrückt, welche sonst einen Zerfall der Emulsion beschleunigen würden.

Untersuchungen haben ergeben, daß durch den Einsatz der Emulsion als Kraftstoff von Dieselmotoren eine Brennstoffersparnis von bis zu 15% ermöglicht wird und der Verschleiß an Kolbenringen und Ventilen erheblich abnimmt.

Die Anlage eignet sich hervorragend dazu, das für den Betrieb von Dieselkraftfahrzeugen benötigte Gemisch direkt am Motor herzustellen.

Untersuchungen an Kesselbrennern haben ergeben, daß die oben geschilderte Wirkung auch bei Verfeuern einer so hergestellten Emulsion in Kesselbrennanlagen im gleichen Maße eintritt.

Mit dem Homogenisator gemäß Patentnummer P 3 63 350.2-23 war es bislang allenfalls möglich, flüssige Phasen in einer Partikelgröße von etwa 120 µm zu erzeugen. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß mit dem beschriebenen Homogenisator in dünnflüssigen Phasen Partikelgrößen von 10-4 µm erreicht werden können. Eine derartige Verringerung der Partikelgröße ist für die Herstellung von Emulsionen ein erheblicher Vorteil, da durch die Verringerung der Partikelgröße die Standzeit der Emulsion verlängert wird.

Insbesondere in der Kosmetikindustrie ist es erforderlich, langzeitbeständige Emulsionen oder Suspensionen herzustellen, da der Gesetzgeber eine Langzeithaltbarkeit der Kosmetika vorschreibt.

Auch bei der Herstellung von Arzneimitteln ist die Dauer der erreichbaren Standzeit einer Emulsion wesentlich. Das gleiche gilt für Emulsionen, die aus Lebensmitteln hergestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel für den eingesetzten Homogenisator zeigen die Zeichnungen, dabei enthält die Abb. 1 eine unmaßstäbliche Abwicklung der Rotoroberfläche, die Abb. 2 den Rotor ohne die Oberflächenstruktur in einer Länge von 83 mm und einem Durchmesser von ca. 65 mm. Die Abb. 3 zeigt einen Schnitt durch das Statorgehäuse, in dem die Bohrungen für Zuleitungen und Ableitungen erkennbar sind, während die Abb. 4 die Austrittsöffnung der Rotorwelle zeigt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß Dieselkraftstoff und Wasser unter Zusetzung eines biologischen Additives in einem weiterentwickelten Homogenisator emulgiert werden.

2. Verfahren zur Herstellung einer Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dieselkraftstoff ein Tensid beigemischt wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des zugesetzten Tensides lediglich 0,1-1% des Dieselkraftstoffes beträgt und der HLB-Wert etwa 8 beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung einer Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Phase der Emulsion mit dem biologischen Additiv "BWC" versetzt wird.

5. Verfahren zur Herstellung einer Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des biologischen Additives "BWC" etwa 0,1% der wäßrigen Phase beträgt.

6. Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor und Stator des weiterentwickelten Homogenisators gemäß Patentnummer P 3 53 350.2-23 walzenförmig ausgestaltet sind, (Abb. 2 und 3).

7. Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Rotors und die Innenmantelfläche des Stators in Drehrichtung des Stators verlaufende nutenförmige Vertiefung aufweisen, mit einem Steg zwischen beiden Nuten, dessen Breite die der Nuten etwas überrifft und der regelmäßig durch Bohrungen, deren Durchmesser die Stegbreite übertrifft, unterbrochen wird, wobei die Bohrungen der nebeneinanderliegenden Stege systematisch zueinander versetzt angebracht werden (Abb. 1).

8. Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 6 und 7, dadurch kennzeichnet, daß der zwischen Rotor und Stator gebildete Mahlspalt eine konstante Größe aufweist, dessen Drehzahl zwischen 2500 Upm und 5000 Upm betragen soll und in den die beiden Phasen der zu bildenden Emulsion mit Druck in einer gemeinsamen oder mit getrennten Zuführungsleitungen eingeleitet wird.

9. Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 sowie 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung der einseitig auftretenden Welle mit einem Simmerring erfolgt, der auf der drucklosen Seite durch einen Teflonring verstärkt wird, dessen an den Simmerring angrenzende Oberfläche passend zur angrenzenden Oberflächenform des Simmerrings geformt ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Emulsion aus Diesel kraftstoff und Wasser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Homogenisator austretende Emulsion mittels eines handelsüblichen Ionenstabilisators stabilisiert wird.