СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИИ,
СИСТЕМА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение относится к области получения и гомогенизации дисперсных систем с жидкой средой, а именно для получения эмульсий с заданной концентрацией компонентов, например, водотопливных, и может быть использовано в топливной, энергетической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.
Известен способ приготовления эмульсии и система для его осуществления по патенту Российской Федерации N°2033851, кл. В 01 F 3/08, 1995 г., включающий смешивание компонентов эмульсии в гидродинамическом диспергаторе, в качестве которого используют кавитационный «cвepxзвyкoвoй» смеситель, причём один смеситель размещают в магистрали одного из компонентов, а другой в магистрали эмульсии и в качестве управляющего воздействия на дозирующие устройство подачи другого компонента используют разность давлений насыщенных паров в кавитационных полостях этих смесителей. Перед смешиванием компонентов их температуры уравнивают, а избыточное давление жидкости за смесителями поддерживают меньшим в 2 раза и более, чем давление перед ними.
Система для приготовления эмульсии содержит магистраль одного компонента с дозирующим устройством, магистраль другого компонента и магистраль эмульсии с насосом и гидродинамическим диспергатором, образующую замкнутый контур рециркуляции, связанный с магистралью первого компонента через диспергатор. Магистраль второго компонента снабжена установленными в ней последовательно насосом и гидродинамическим диспергатором и замкнута с образованием контура рециркуляции, а кавитационные полости гидродинамических диспергаторов снабжены дозирующим устройством подачи первого компонента. Привод дозирующего устройства подачи первого компонента осуществлён от давления насоса в магистрали второго компонента.
Недостатком данного решения является недостаточное качество приготовленной эмульсии, используемой в качестве топлива.
Известен аппарат для обработки жидкостей по авторскому свидетельству СССР NsIOl 112, кл. 12 е, состоящий из сосуда, в который через сопло с большой скоростью пропускается обрабатываемая жидкость, и вибратора, создающего
ультразвуковые колебания в этой жидкости. В качестве указанного вибратора применена пластинка с заострёнными кромками, установленная перед выходным отверстием сопла в направлении струи обрабатываемой жидкости и вибрирующая под действием давления последней. Пластина выполнена переставной относительно сопла.
Недостатком этого устройства является невозможность введения в жидкость акустических колебаний различных частот.
Известен способ приготовления эмульсии, система и устройство для его осуществления по патенту Российской Федерации N°2223815, кл. B Ol F l 1/00, 2004 г., принятый заявителем за прототип. Способ приготовления эмульсии включает предварительную обработку компонентов и дальнейшее их смешивание в первом гидродинамическом диспергаторе, а затем в дополнительном гидродинамическом диспергаторе, причём приготовленную смесь обрабатывают звуковым полем. Система для приготовления эмульсии содержит магистраль одного компонента, магистраль другого компонента, магистраль эмульсии с первым гидродинамическом диспергатором, выход которого соединен со входом дополнительного гидродинамического диспергатора, смеситель, установленный на входе первого гидродинамического диспергатора. Гидродинамический диспергатор содержит корпус, сопло и резонансную пластину, закрепленную с возможностью перемещения в сторону сопла, элементы крепления которой размещены на сопле.
Однако, данное решение не позволяет получить эмульсию высокого качества, используемую в качестве топлива.
Технической задачей предлагаемого решения является повышение качества эмульсии, получаемой из водомазутной и вододизельной смеси, путём введения первичной, предварительной обработки и активации мазута, дизельного топлива и воды для создания в конечном итоге, топлива с минимальным содержанием токсичных выбросов при его сжигании.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом решении предварительно проводят первичную обработку и активацию звуковым полем каждого компонента раздельно в первичном гидродинамическом диспергаторе.
Кроме того, магистраль каждого компонента снабжена первичным гидродинамическим диспергатором и накопительной ёмкостью, которая установлена последовательно с первичным гидродинамическим диспергатором, а
магисτраль приготовления эмульсии снабжена, по меньшей мере, одним основным гидродинамическим диспергатором.
Кроме того, выход каждой накопительной ёмкости магистрали каждого компонента соединен со входом смесителя.
Кроме того, сопло выполнено подвижным с возможностью настройки, а резонансная пластина установлена жёстко.
Кроме того, сопло размещено в направляющем канале, причём оно установлено с возможностью перемещения и регулировки относительно резонансной пластины, а резонансная пластина посредством стоек жёстко закреплена на направляющем канале.
Кроме того, сопло снабжено устройством перемещения и регулировки.
Кроме того, устройство перемещения и регулировки выхода сопла жёстко связано с соплом и размещено в направляющем канале, а привод устройства размещён на наружной поверхности направляющего канала.
На фиг. 1 изображена система приготовления эмульсии кинематическая схема;
на фиг. 2 - гидродинамический диспергатор с устройством перемещения и регулировки сопла, продольный разрез;
на фиг. 3 - узел I на фиг. 2, устройство перемещения и регулировки выхода сопла, продольный разрез;
на фиг. 4 - вид А на фиг. 2, щелевая насадка.
Система для приготовления эмульсии состоит из магистрали 1 одного компонента, например, мазута, дизельного топлива магистрали 2 другого компонента, например, воды, соединенных через смеситель 3 с магистралью 4 приготовления эмульсии.
Магистраль 1 одного компонента, например, мазута, дизельного топлива включает последовательно установленные кран 5, счётчик 6 подаваемого количества мазута или дизельного топлива обратный клапан 7, датчик давления 8 с краном 5 и датчик температуры 9. За датчиком температуры 9 также последовательно установлены первичный гидродинамический диспергатор 10 и накопительная ёмкость 11 , а между ними установлен ещё один датчик давления 8 с краном 5.
- A -
Магистраль 2 другого компонента, например, воды включает последовательно установленные кран 12, фильтр 13 очистки воды, счётчик 14 подаваемого количества воды, обратный клапан 15, датчик давления 16 с краном 12. За датчиком давления 16 также последовательно установлены первичный гидродинамический диспергатор 17 и накопительная ёмкость 18, а между ними установлен ещё один датчик давления 16 с краном 12.
Выход каждой накопительной ёмкости И и 18 магистралей 1 и 2 каждого компонента соединён со входом смесителя 3.
Магистраль 4 приготовления эмульсии включает две параллельно установленные ветки 19 и 20, в каждую из которых входят краны 21, насос 22 для подачи эмульсии, обратный клапан 23. Вход веток 19 и 20 соединён с выходом смесителя 3, а их выход через датчик давления 24 с краном 25 соединён со входом основного гидродинамического диспергатора 26. На выходе основного гидродинамического диспергатора 26 последовательно установлены датчик давления 27 с краном 28, датчик температуры 29 и кран 30, соединённый с технологической линией 31. Две параллельные ветки 19 и 20, встроенные в магистраль 4 приготовления эмульсии обеспечивают бесперебойную работу системы, работая попеременно, или в случае отказа оборудования в одной из них.
Магистраль 4 приготовления эмульсии снабжена каналом рециркуляции 32, соединяющим выход основного гидродинамического диспергатора 26 со входом двух параллельных веток 19 и 20. Канал рециркуляции 32 снабжён краном 33 и обратным клапаном 34. Наличие канала рециркуляции 32 позволяет создавать дополнительное разряжение на выходе из основного гидродинамического диспергатора 26, улучшая, таким образом, работу как самого основного гидродинамического диспергатора 26, так и работу всей системы.
Для обеспечения бесперебойного снабжения полученным топливом технологической магистрали 31 в случае отказа оборудования система снабжена обходной магистралью 35. Вход обходной магистрали 35 соединён со входом магистрали 1 одного компонента, например, мазута или дизельного топлива, а её выход через кран 36 соединен с технологической линией 31.
Система для приготовления эмульсии может содержать дополнительный резервный гидродинамический диспергатор 37, который устанавливают параллельно основному гидродинамическому диспергатору 26 и подключают его в
работу в случае необходимости: или профилактики основного, или его ремонта. Отключение основного гидродинамического диспергатора 26 осуществляют посредством задвижек 38, а подключение резервного гидродинамического диспергатора 37 в работу осуществляют посредством задвижек 39.
Каждый из гидродинамических диспергаторов: и основной 26, и первичные 10 и 17, и резервный 37, имеют одну и ту же конструкцию. Каждый из них состоит из корпуса 40, сопла 41 со щелевой насадкой 42 и резонансной пластины 43, причём сопло 41 выполнено подвижным с возможностью настройки, а резонансная пластина 43 установлена жёстко.
Сопло 41 размещено в направляющем канале 44 с возможностью перемещения и регулировки относительно резонансной пластины 43, а резонансная пластина 43 посредством стоек 45 жёстко закреплена на направляющем канале 44. Щелевая насадка 42 сопла 41 выполнена сменной и закреплена в сопле 41 от возможности проворота или выпадения. Сопло 41 снабжено устройством перемещения и регулировки выхода, которое жёстко связано с соплом 41 и размещено также в направляющем канале 44, а привод устройства размещён на наружной поверхности направляющего канала 44. Для этого сопло 41 выполнено в виде трубы с фланцем 46, в котором жёстко закреплена резьбовая втулка 47, сквозь которую пропущен резьбовой шток 48. Один конец резьбового штока 48 размещён внутри направляющего канала 44 и упирается в его вертикальную стенку, а другой конец выходит наружу и выполнен, например, с гранями под ключ. Причём наружный конец резьбового штока 48 уплотнён и с внутренней стороны, и с наружной стороны направляющего канала 44, а также снаружи закреплён гайкой 49, используемой в дальнейшем для регулировки выхода сопла и его настройки, а также от произвольного отворачивания.
Способ приготовления эмульсии осуществляют следующим образом.
В магистраль 1 подают мазут или дизельное топливо, один из компонентов, который попадает в первичный гидродинамический диспергатор 10, где предварительно проводят его первичную обработку и активацию звуковым полем раздельно от воды. Здесь на первой стадии подготовки компонента эмульсии, мазута или дизельного топлива, тяжёлые углеводороды мазута или дизельного топлива дробятся и получается гомогенная смесь со свободными связями. Прошедший таким образом первичную обработку мазут или дизельное топливо из
первичного гидродинамического диспергатора 10 подают в накопительную ёмкость 11.
Одновременно в магистраль 2 подают воду, второй из компонентов, которая, пройдя по системе, попадает в первичный гидродинамический диспергатор 17, где предварительно проводят её первичную обработку и активацию звуковым полем, подобно мазуту или дизельному топливу, раздельно от него. Здесь на первой стадии подготовки компонента эмульсии, воды, вода активируется и диссоциирует на ионы H+ и ОН", и молекулы воды, которые образуют кластеры H2 ]SO , H\6O , а они дробятся на более мелкие. Прошедшую таким образом первичную обработку воду из первичного гидродинамического диспергатора 17 подают в накопительную ёмкость 18.
Затем предварительно обработанные мазут или дизельное топливо и воду подают из накопительных ёмкостей, соответственно 11 и 18, в смеситель 3, где они смешиваются. Из смесителя 3 смешанные компоненты по одной из веток 19 или 20 под давлением, создаваемым насосом 21, подают на вход основного гидродинамического диспергатора 26, в котором смесь компонентов подвергают обработке также в звуковом поле. Основной гидродинамический диспергатор 26 предназначен для получения стабильной коллоидной смеси за счёт взаимодействия компонентов этой смеси с резонансно настроенной резонансной пластиной 43. Полученную в основном гидродинамическом диспергаторе 26 эмульсию через кран 30 направляют в технологическую линию 31 потребителю как готовое топливо.
В результате диспергирования водомазутной или вододизельной смеси, наличие свободных связей углеводородов мазута или дизельного топлива и ионов воды позволяет создавать новые углеводородные цепи, которые насыщаются ионами водорода H+ и гидроксильной группой ОН", что увеличивает энергетическую ценность создаваемого топлива. Подготовленная таким образом водомазутная или вододизельная эмульсия - это синтетическое жидкое топливо, представляющее собой дисперсную систему из двух нерастворимых друг в друге жидкостей. Водомазутная или вододизельная эмульсия отличается от чистого мазута и дизельного топлива как физико-химическими свойствами, так и особенностями горения и теплообмена. При сжигании в топке или двигателе внутреннего сгорания водомазутной или вододизельной эмульсии процессы горения ускоряются и происходит снижение токсичных выбросов.
Гидродинамический диспергатор первичный или основной, работает следующим образом.
При истекании струи одного компонента, мазута, дизельного топлива или воды в первичном гидродинамическом диспергаторе, соответственно 10 и 17, или смеси компонентов водомазутной или вододизельной эмульсии в основном гидродинамическом диспергаторе 26 из сопла 41 через щелевую насадку 42, вследствие её высокой скорости и соударении внутри корпуса 40 гидродинамического диспергатора наблюдается гидродинамическая кавитация, сопровождаемая интенсивными ультразвуковыми колебаниями.
А при набегании потока или отдельного компонента, или смеси компонентов, эмульсии, в зоне гидродинамической кавитации на острый срез резонансной пластины 43, в ней возбуждаются колебания, передающиеся в окружающую среду. При настройке сопла 41, то есть её регулировке путём перемещения относительно резонансной пластины 43 в резонанс с колебаниями потока в смеси компонентов, эмульсии, возникают интенсивные акустические колебания, необходимые для измельчения частиц. Резонансная пластина 43 так же испытывает воздействие истекающей из щелевой насадки 42 сопла 41 струи потока.
Гидродинамический диспергатор, каждый из первичных 10 и 17 и основной 26, выполнен с возможностью настройки режима работы в низкочастотном и высокочастотном звуковом поле. Настройку осуществляют посредством перемещения сопла 41 относительно резонансной пластины 43, за счёт чего и происходит изменение частоты звукового поля.
Для настройки сопло 41 снабжено устройством перемещения и регулировки, привод которого выполнен в виде резьбового штока 48. Наружный конец резьбового штока 48 выполнен с гранями под ключ и зажат в направляющем канале 44 гайкой 49. Чтобы отрегулировать выход сопла 41 относительно резонансной пластины 43, необходимо отвернуть гайку 49 на столько витков, на сколько нужно переместить сопло 41 (тарируется). Затем ключом проворачивают резьбовой шток 48, на котором установлена резьбовая втулка 47, жёстко связанная с фланцем 46 сопла 41. Вращение резьбового штока 48 заставляет линейно перемещаться по нему резьбовую втулку 47, действуя как винтовая пара, которая перемещая фланец 46, перемещает сопло 41.
Такая конструкция гидродинамического диспергатора позволяет легко перестраивать частоты колебаний не разбирая сам диспергатор.
Использование предлагаемого технического решения позволило получить эмульсию высокого качества из водомазутной и вододизельной смеси путём введения предварительной первичной обработки раздельно мазута, дизельного топлива и воды в первичном гидродинамическом диспергаторе и использования дальнейшей обработки уже полученной водомазутной или вододизельной смеси в основном диспергаторе. Кроме того, предлагаемое решение позволило создать несложное по конструкции, но надёжное устройство перемещения и регулировки сопла относительно резонансной пластины, осуществляя это снаружи, не разбирая и не останавливая работу системы. Это тоже влияет на получение эмульсии высокого качества, определяющей собой категорию альтернативного топлива.
Испытания топлива, полученного с использованием предлагаемого способа показали, что он позволяет:
- снизить содержание в дымовых газах NOx на 20-40%, СО на 50%, сажи на 70-80%;
- обеспечить полное сгорание топлива, вследствие чего уменьшаются золовые отложения по газовому тракту, повышается надёжность работы котельного оборудования и двигателей внутреннего сгорания;
- обеспечить надёжный распыл и горение при низких температурах, уменьшить длину факела до размеров, соответствующих техническим требованиям, повысить срок службы котельного оборудования и двигателей внутреннего снорания до 40%;
- обеспечить надёжную работу котла и двигателя внутреннего сгорания при обводнении исходного мазута или дизельного топлива до 50%;
- снизить интенсивность низкотемпературной сернокислотной коррозии оборудования;
- утилизировать замазученные воды;
- получить дополнительную энергию за счёт уменьшения энергозатрат на собственные нужды (исключить из технологии топливоподготовки операции отстаивания, слива подтоварной воды);
- использовать более дешёвые низкокачественные сорта мазутов и дизельного топлива.
Сравнительные данные о горении безводного и эмульгированного топлива показывают, что эмульгированное топливо сгорает значительно быстрее безводного. Скорость горения увеличивается за счёт увеличения поверхности горения топлива.
В результате проведённых расчётов был сделан вывод, что к использованию в качестве топлива лучше всего подходит эмульсия мазут-вода в соотношении 80/20. Так как количество теплоты, получаемое от сжигания 1 кг чистого мазута (неэмульгированного) - 9370 ккал/кг сопоставимо с количеством теплоты, получаемым от сжигания эмульгированного топлива в соотношении мазут-вода 80/20 - 9431,58 ккал/кг.
Расчётами было показано, что использование эмульгированного топлива позволяет уменьшить выбросы загрязняющих веществ, сэкономить количество подаваемого мазута или дизельного топлива на сжигание без потерь тепла, уменьшить экологические платежи.