Патент на изобретение №2349631

(54) СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ЭМУЛЬСИИ ВОДЫ В ЖИДКОЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ СРЕДЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к процессу приготовления мелкодисперсных наноразмерных эмульсий типа “вода в жидком топливе”, а также “вода в масле” и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, тепловых машинах, котлах, печах, а также в фармацевтике и в пищевой промышленности, например, при производстве влажных кремов, гелей, маргаринов там, где требуется экологичная технология обводнения жидкой органической основы. Способ состоит в смешивании органической фазы и водной фазы с добавками или без добавок поверхностно активных веществ (ПАВ) под действием СВЧ-электромагнитного поля. Воздействие СВЧ-поля прекращается сразу после закипания водной фазы, при этом температура органической фазы остается практически без изменения. Поскольку водная фаза, обладающая большей плотностью по сравнению с органической, находится внизу, быстрый нагрев водной фазы приводит к ее быстрому вскипанию, пары воды попадают в органическую фазу, конденсируются и образуется мелкодисперсная эмульсия воды в органической фазе, причем размер водяных капель составляет от 100 до 400 нм. Технический результат – способ не требует большой мощности СВЧ-поля, является эффективным, экономичным и безопасным. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к процессу приготовления мелкодисперсной эмульсии типа “вода в жидком топливе или масле” и предназначено для использования в двигателях внутреннего сгорания, котлах, печах, тепловых машинах, а также при производстве коллоидных и обводненных полимерных дисперсий, в пищевой промышленности при производстве маргаринов, кремов, пивного сусла, медицинской и парфюмерной промышленности.

Использование эмульгированного водой топлива хорошо тем, что вода при сгорании топлива играет роль ингибитора, то есть вещества, препятствующего образования окислов азота и серы при горении, и тем самым сокращающего количество загрязняющих выбросов. Кроме того, при сжигании эмульсии повышается теплоотдача топлива за счет взрывообразного испарения воды и ее большей теплоемкости, что приводит к увеличению КПД двигателя и тем самым уменьшает расход топлива.

Известны способы и устройства для получения топливных эмульсий [1, 2, 3]. В этих эмульсиях дисперсионная среда является водной, с возможным инвертированием эмульсии путем разбавления органической фазой. Эмульсия содержит менее 20% по объему воды, причем дисперсионную среду образует водная фаза. К недостаткам этих методов следует отнести то, что в случае эмульгированных моторных топлив, у которых дисперсионная среда является водной, возможна коррозия и ускоренный износ деталей топливной системы двигателя.

Мелкодисперсная эмульсия воды в топливе более совместима с частями топливной системы и деталями двигателя, поскольку дисперсионная среда идентична среде топлива, для которого рассчитан двигатель. Кроме того, сжигание мелкодисперсной эмульсии воды в топливе предпочтительнее, поскольку быстрое испарение капель воды, диспергированных в топливе, существенно улучшают дисперсию углеводородов в камере сгорания [4, 5]

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ подготовки жидкого топлива к распылению в камере сгорания [6], состоящий в том, что в жидкое топливо добавляют воду, перемешивают, затем либо водную составляющую эмульсии, либо топливную нагревают. Водную составляющую эмульсии нагревают с помощью СВЧ-поля, а топливную нагревают до температур, превышающих температуру кипения при давлении в камере сгорания, после этого либо подогретую эмульсию впрыскивают в камеру сгорания, либо топливную составляющую эмульсии нагревают до температуры деструкции топлива, и после этого получившуюся смесь впрыскивают в камеру сгорания.

Недостаток этого способа состоит в том, что необходима большая мощность СВЧ-поля, чтобы нагревать эмульсию до температур выше 130-350°С, что приводит к высоким давлениям 100 атмосфер, а это предъявляет повышение требований к материалам топливной системы, чтобы избежать опасности ее воспламенения вне камеры сгорания.

Задачей данного изобретения является создание экономичной, эффективной и безопасной технологии приготовления мелкодисперсной эмульсии типа вода в масле или вода в топливе, в которой дисперсионная среда идентична среде, для которой рассчитан двигатель.

Поставленная задача решается следующим образом.

В топливо или масло добавляют воду в соотношении не более 1:2 и воздействуют СВЧ-полем. Это соотношение выбрано для того, чтобы топливная фаза не успевала нагреваться от водной фазы. Поскольку плотность воды выше плотности топлива либо масла, водная фаза оказывается внизу. СВЧ-поле воздействует одновременно на топливную и водную фазы без предварительного смешивания, водная фаза быстро нагревается до температуры кипения, при этом органическая фаза практически не нагревается. Пары воды, проходя через органическую фазу, конденсируются и образуют мелкодисперсную эмульсию воды в топливе, причем размер капель воды в органической фазе составляет 100-400 нм. Крупные капли из эмульсии отбираются на повторную обработку СВЧ-полем. После этого эмульсия подается в камеру сгорания. Для увеличения количества эмульсионной воды в органической среде добавляют воду, содержащую поверхностно активные вещества.

Сущность предлагаемого способа продемонстрирована следующим примером.

В стеклянную 100 мл емкость наливалось дизельное топливо и дистиллированная вода (либо в других случаях – масло и вода) в соотношении не менее 2:1, (температура воды и топлива первоначально была 15-20°С), поскольку плотность воды выше плотности топлива или масла, вода оказывалась внизу емкости. Затем образец, в котором топливо и вода были разделены на две фазы, облучался СВЧ-полем частотой 2,4 ГГц в резонаторе объемом 20 л, при средней мощности поля 2,4 Вт/см³.

СВЧ-поле нагревало только водную фазу, температура органической фазы практически не менялась. Быстрый нагрев водной фазы приводил к ее быстрому вскипанию, пары воды загонялись в топливную фазу и конденсировались. В момент вскипания водной фазы СВЧ-поле выключалось, эмульсия переливалась в кювету, размером 20 см³, после этого измерялся радиус водяных капель в дисперсной среде дизельного топлива либо вазелинового масла методом корреляционной спектроскопии рассеянного света, описанной [7].

В качестве водной фазы в дизельном топливе использовалась дистиллированная вода и вода с различными добавками АОТ (поверхностно-активное вещество би(2-этилгексил) сульфосацинат). На фиг.1 приведены данные измеренного среднего радиуса R_ср водных капель в дизельном топливе в зависимости от времени t после облучения СВЧ-полем для следующих образцов: 1 – в чистой воде, и с концентрацией АОТ в воде: 2-3%, 3-1%. Экспериментальные данные показывают, что после прекращения воздействия СВЧ-поля размеры водных капель растут в течение 25 минут и достигают максимального размера 350 нм. Обработка по специальной программе корреляционных функций дала возможность определять распределение по размерам взвешенных водных капель в дисперсионной среде. И оказалось, что в эмульсии первоначально содержались капли размером более 2000 нм, которые в течение нескольких минут осаждались. Стабильность сохранялась с водными каплями размером от 300 до 400 нм эмульсии более 1 часа.

На фиг.2 приведена зависимость измеренного среднего радиуса R_ср водных капель в дизельном топливе в зависимости от времени t после облучения СВЧ-полем для образцов с каплями воды, содержащей АОТ в количестве 1-0,3% и 2-0,1% в воде. Во время обработки СВЧ-полем этих образцов поле после вскипания воды сразу не выключилось, и за счет конвективных потоков происходил нагрев дизельного топлива до 70°С. Эти данные показывают, что устойчивый размер капель воды в нагретом топливе составляет 180 нм.

На фиг.3 изображена концентрационная зависимость средних размеров водяных капель R_ср с различными добавками АОТ в дизельном топливе, через 20 мин после облучения СВЧ-полем.

Измерения интенсивности рассеянного свата позволяют судить о концентрациях капель воды в дизельном топливе. На фиг.4 изображена интенсивность рассеяния света I (интенсивность измерялась в счетах фотонов ФЭУ) для этих же образцов. 3 – в чистой воде, с концентрацией АОТ в воде: 1-3%, 2-1%.

Данные показывают, что существует оптимальная концентрация АОТ в воде, которая составляет 1%, при этой концентрации в дизельном топливе содержится максимальное количество эмульгированной воды.

Устойчивость эмульсии зависит от плотности и вязкости органической фазы. Для вазелинового и трансформаторного масла этим методом можно создавать устойчивую эмульсию, в которой наноразмерные капли воды не выпадают в осадок в течение 1 месяца.

Устройство для эмульгирования водой топлива изображено на фиг.5.

Устройство содержит: 1 – поддон для воды, 2 – емкость для дизельного топлива, 3, 4, 5, 6 – трубки, 7 – СВЧ-резонатор, 8 – насос, 9 – отстойник.

Дизельное топливо либо масло через трубку 3 подается в емкость 2, которая находится в СВЧ-резонаторе 7, через трубку 4 подается вода либо с добавками, либо без добавок в поддон 2 емкости 1. После облучения СВЧ-поля органическая фаза эмульгируется, затем большие капли осаждаются в отстойнике 9, и готовая эмульсия выводится по трубке 5. Часть топлива вместе с крупными каплями воды по трубке 6 с помощью насоса 8 подается обратно в емкость 2.

Способ эмульгирования водой маргарина аналогичен. В случае необходимости предусматривается возможность предварительного подогревания масла и жиров, составляющих основу маргарина, для того, чтобы уменьшить вязкость для оптимизации условий эмульгации.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент DE 19704874.

2. Патент DD 216863.

3. Патент WO 95/33023 THE REDUCTION OF NITROGEN OXIDES EMISSIONS FROM VEHICULAR DIESEL ENGINES 31.05.1994 US.

4. Патент SAE 890449.

5. Патент SAE 920464.

6. Патент RU 2266470 (Способ подготовки жидкого топлива к распылению в камеру сгорания) – прототип.

7. Патент RU 2306970, Способ приготовления коллоидных растворов и устройство для его осуществления.

Формула изобретения

1. Способ приготовления мелкодисперсной эмульсии воды в жидкой органической среде, заключающийся в том, что к органической среде добавляют воду и воздействуют СВЧ-полем, отличающийся тем, что воду и органическую среду берут в соотношении не более 1:2, воздействие СВЧ-полем осуществляют одновременно на органическую и водную фазу до момента вскипания водной фазы, затем это воздействие прекращают и отбирают мелкодисперсную наноразмерную эмульсию.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что крупные капли из эмульсии подают на повторную обработку СВЧ-полем.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что к органической среде добавляют воду, содержащую поверхностно-активные вещества.

РИСУНКИ