способ приготовления эмульгированного топлива и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ приготовления в промышленном масштабе эмульгированного топлива из воды в органическом соединении (соединениях), причем дисперсионная среда топлива является органической и оно содержит менее 20% по объему воды и, по меньшей мере, одну добавку, необходимую для формирования эмульсии, отличающийся тем, что состоит, по существу, из следующих операций: (а) ввода добавки (добавок) в емкость, снабженную, по меньшей мере, одной мешалкой с осевым прокачивающим перемещением и содержащую, по меньшей мере, органическое соединение (соединения), (б) гомогенизации результирующего объема V жидкости, т.е. органических соединений и добавок, посредством мешалки при следующем отношении Qc/V, Q_c/V100 ч^-1, предпочтительно Q_c/V 250 ч^-1, наиболее предпочтительно 1000 ч^-1 Q_c /V 300, где Q_c - это скорость циркуляции жидкости внутри емкости, (в) обеспечения циркулирования жидкости, гомогенизированной посредством мешалки, в ветви циркуляции, отходящей от емкости, и через, по меньшей мере, одну эмульгирующую систему, расположенную в указанной ветви, с такой скоростью, чтобы отношение V/Q_circ составляло: 0 ч < V/Q_circ 2 ч, предпочтительно 0 ч < V/Q_circ 1,8 ч, и наиболее предпочтительно 0 ч < V/Q_circ 1,5 ч, где Q_circ - это скорость циркуляции жидкости в ветви циркуляции, (г) подачи водной фазы, необходимой для образования эмульсии, в ветвь циркуляции, перед эмульгирующей системой и (е) поддерживания гомогенизации в емкости и циркулирования жидкости в ветви циркуляции до тех пор, пока эмульсия не приобретет желательные характеристики в отношении стабильности при хранении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он предусматривает выполнение перед операцией (а) операции (ап), во время которой добавки, необходимые для образования эмульсии, смешивают, по меньшей мере, с одним растворителем в порядке, соответствующим уменьшению вязкости добавок, причем эти разбавления выполняют в емкости, снабженной, по меньшей мере, одной мешалкой с осевым прокачивающим перемещением и, желательно, также средствами для нагрева и охлаждения.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что растворитель, используемый на операции (ап), выбирают из группы, содержащей органическое соединение (органические соединения), используемое (используемые) для формирования эмульсии, выбранное(ые) из спирта, кетона, простого или сложного эфира и одной из добавок, которая способна выполнять роль растворителя по отношению к другим добавкам.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что органическое соединение выбирают из топлив на основе нефти, бензинов, газойлей, керосинов и топлив для индивидуальных жилищ, причем эти продукты предпочтительно обрабатывают кислородосодержащими соединениями, такими как трет-амилметиловый эфир (ТАМЭ) или метил трет-бутиловый эфир (МТБЭ) применительно к бензинам, или такими, как диметиловый эфир (ДМЭ), диметоксиметан (ДММ) или триэтоксипропан (ТЭП) применительно к газойлям, или рафинированные или нерафинированные масла растительного или животного происхождения или их этерифицированные производные.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что водную фазу инжектируют в гомогенизированную жидкость с расходом Q_e, пропорциональным скорости циркуляции объема V жидкости в указанной емкости, причем отношение Q_e/Q_c варьируют от 0 до 1.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что водную фазу инжектируют в гомогенизированную жидкость с расходом Q_e, выбранным таким образом, что Q_e/Q_c варьируют от 0,05 до 0,20.

7. Устройство для осуществления способа по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что содержит закрытую емкость, снабженную мешалкой с осевым смещением и тремя трубопроводами подачи текучей среды, соответственно для органического соединения (соединений), добавок и эмульсии, трубопроводом для выпуска текучей среды и, возможно, нагревательной и/или охлаждающей системой, причем последние два трубопровода присоединены к трубопроводу циркуляции, определяющему ветвь циркуляции, которая содержит также входной трубопровод и эмульгирующую систему, и, в довершение, трубопроводом выдачи эмульгированной жидкости, который размещен либо на емкости, либо на ветви циркуляции, выше или ниже по направлению потока по отношению к эмульгирующей системе.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что трубопровод для органического соединения (соединений) служит для инжектирования смеси добавок, предварительно приготовленной и гомогенизированной во второй емкости, снабженной мешалкой с осевым перемещением для гомогенизации указанной смеси добавок и имеющей входные трубопроводы и выходной трубопровод для смеси, а также, возможно, систему нагрева и/или охлаждения указанной емкости.

9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что емкости, снабженные мешалками, обеспечивают перемешивание в продольном направлении по отношению к оси вращения, создавая переменный заданный уровень сдвига.

10. Устройство по любому из пп.7-9, отличающееся тем, что эмульгирующая система содержит, по меньшей мере, один эмульгирующий насос и/или одну или более динамических мешалок, снабженных парой ротор/статор с малой воздушной щелью (фиксированной или переменной) и высокой скоростью вращения, которая предпочтительно превышает 2000 об/мин.

11. Устройство по любому из пп.7-10, отличающееся тем, что вместо эмульгирующей системы или перед или за этой системой по направлению потока предусмотрены одна или более статических мешалок и/или одна или более эмульгаторных машин, действующих на основе механического воздействия или ультразвука, или СВЧ излучения.

12. Устройство по любому из пп.7-9, отличающееся тем, что трубопровод для инжектирования воды в ветвь снабжен, по меньшей мере, одной системой диспергирования капель.

13. Способ приготовления эмульгированных моторных топлив из воды в нефтепродукте, особенно эмульсий воды в газойле или воды в бензине для сжигания в стационарных или транспортируемых двигателях внутреннего сгорания, отличающийся тем, что способ осуществляют в соответствии с любым из пп.1-6.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу приготовления эмульгированного топлива, т.е. эмульсионной смеси воды, и, по меньшей мере, одного органического соединения, причем эта смесь предназначена для поставок точно таким же образом, как и другие жидкие топлива, прежде всего моторные топлива на основе нефти и топлива для отопления индивидуального жилья. В топливах подобного типа органическая фаза представляет собой нефтепродукт, масло растительного или животного происхождения или любое другое топливо, используемое преимущественно в автомашинах и котлах домашних отопительных систем или, в более общем случае, в двигателях внутреннего сгорания и аналогичных двигателях и в энергетическом оборудовании. Изобретение также относится к устройству для промышленной реализации указанного способа в форме стационарных или передвижных промышленных модулей.

Уровень техники

Использование эмульгированного топлива хорошо известно специалистам в данной области техники. Однако его практическое применение затруднительно из-за отсутствия стабильности применяемых топливных эмульсий. Требования по стабильности подобных эмульсий при хранении были определены Директоратом по углеводородам Министерства промышленности Франции. В соответствии с его распоряжением эмульсия воды в газойле считается стабильной при хранении при комнатной температуре, если в течение, по меньшей мере, четырех месяцев не наблюдается никакого разделения фаз.

Способы и устройства для получения топливных эмульсий типа дизельного топлива, устанавливаемые на наземных транспортных средствах, описаны, в частности, в патентных документах DE 19704874, DD 216863 и WO 95/33023. Указанные топлива получают смешиванием компонентов и эмульгированием полученной смеси непосредственно на транспортном средстве. Описанные эмульсии относятся к типу, в котором дисперсионная среда может быть водной, с возможностью инвертирования эмульсии путем разбавления органической фазой (см. DE 19704874). Эмульсия, описанная в документе WO 95/33023, содержит менее 20% по объему воды, причем дисперсионную среду образует водная фаза.

Международная заявка WO 92/11927 относится к приготовлению концентрированной эмульсии, содержащей от 40 до 80% по объему воды, причем это приготовление состоит в раздельном приготовлении смеси нефтяное топливо/эмульгатор и смеси вода/спирт и во вводе этих двух смесей в двух различных точках в петлю циркуляции, содержащую эмульгирующий насос, служащий также для обеспечения циркуляции всех ингредиентов по указанной петле. Получаемая концентрированная эмульсия отбирается еще из одной точки петли.

Международная заявка WO 95/27021 описывает эмульгированное водосодержащее топливо типа "углеводород в воде", содержащее от 20 до 80% по объему воды, составляющей дисперсионную фазу, и от 3 до 20% спирта, с углеводородами и неионным эмульгатором, составляющими баланс. Согласно данной заявке углеводород представляет собой бензин, керосин, газойли, синтетические топливные масла и производные масел растительного и животного происхождения. В указанной заявке заявлен также способ крупномасштабного приготовления этого эмульгированного топлива, которое стабильно, по меньшей мере, в течение трех месяцев и состоит, с одной стороны, из смеси углеводорода и эмульгатора и, с другой стороны, из смеси воды и спирта.

Ни один из названных патентных документов не описывает способ промышленного приготовления стабильных эмульгированных топлив, в которых органическая фаза составляет дисперсионную среду эмульсии. В то же время, по очевидным соображениям совместимости топлива с частями, расположенными между топливным баком и системой подачи топлива в двигатель, предпочтительно использовать топливо, у которого дисперсионная среда идентична среде того топлива, для которого были рассчитаны названные части. В случае эмульгированных моторных топлив, у которых дисперсионная среда является водной, могут иметь место такие явления, как коррозия металлических поверхностей и/или ускоренный износ эластомерных материалов. Кроме того, сжигание эмульсии "вода в топливе" предпочтительнее, чем эмульсии "топливо в воде", поскольку быстрое испарение капелек воды, диспергированных в топливе, существенно улучшает дисперсию углеводородов в камере сгорания (см. документы SAE 890449, SAE 920464 to M. Tsukuhara et al., SAE 920198 to N. Sawa et al.).

Подобное топливо было предложено заявителем настоящего изобретения в международной заявке WO 97/34969.

Настоящее изобретение относится к приготовлению подобных эмульгированных топлив, дисперсионную среду в которых образует органическое соединение и которые могут быть стабильны в течение достаточного длительного периода, например, более 4 месяцев, с тем чтобы обеспечить возможность их хранения в промышленных объемах с последующей выдачей с использованием насоса, т.е. аналогично моторным и другим топливам.

Сущность изобретения

Таким образом, изобретение относится к способу приготовления в промышленных масштабах эмульгированного топлива из воды в органическом соединении (соединениях), причем дисперсионная среда топлива является органической, и оно содержит менее 20% по объему воды и, по меньшей мере, одну добавку, необходимую для формирования эмульсии. Данный способ характеризуется тем, что состоит, по существу, из следующих операций:

(а) ввода добавки (добавок) в емкость, снабженную, по меньшей мере, одной мешалкой с осевым прокачивающим перемещением и содержащую, по меньшей мере, органическое соединение (соединения);

(б) гомогенизации результирующего Q_c/V100 час^-1, объема V жидкости, т.е. органических соединений и добавок, посредством мешалки при следующем отношении Q_c/V, предпочтительно Q_c/V250 час^-1 и наиболее предпочтительно 1000 час^-1 Q_c/V300, где Q_c - это скорость циркуляции жидкости внутри емкости;

(в) обеспечения циркулирования жидкости, гомогенизированной посредством мешалки, в ветви циркуляции, отходящей от емкости, и через, по меньшей мере, одну эмульгирующую систему, расположенную в указанной ветви, с такой скоростью, чтобы отношение V/Q_circ составляло:

0 час<V/Q 2 час,

предпочтительно 0 час<V/Q 1,8 час и наиболее предпочтительно 0 час<V/Q 1,5 час, где Q_circ - это скорость циркуляции жидкости в ветви циркуляции;

(г) подачи водной фазы, необходимой для образования эмульсии, в ветвь циркуляции перед эмульгирующей системой и

(е) поддерживания гомогенизации в емкости и циркулирования жидкости в ветви циркуляции до тех пор, пока эмульсия не приобретет желательные характеристики в отношении стабильности при хранении.

Этот способ приготовления в соответствии с настоящим изобретением позволяет приготавливать эмульсии в промышленных объемах, причем отношение воды к жидкости, гомогенизированной в емкости, регулируется в процессе приготовления с тем, чтобы достичь желаемого содержания воды в окончательном составе топливной эмульсии.

Для того чтобы получить эмульсию высокого качества и стабильную во времени, очень большое, если не решающее, значение имеют операции приготовления гомогенизированной жидкости, т.е. смеси органического соединения (соединений) и добавок, а также эмульгирования жидкости с водой.

При этом во время выполнения операций гомогенизации и эмульгирования оказывается возможным нагревать и охлаждать жидкость в гомогенизационной емкости.

Наилучший вариант осуществления изобретения

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения способ по изобретению предусматривает выполнение, перед операцией (а), операции (ап), во время которой добавки, необходимые для образования эмульсии, смешивают, по меньшей мере, с одним растворителем.

Смесь добавок, получаемых на операции (ап) желательно получать разбавлением добавок в, по меньшей мере, одном растворителе, начиная с добавки, имеющей наибольшую вязкость, и кончая добавкой, имеющей наименьшую вязкость, причем для получения высокой гомогенизации каждое из этих разбавлений предпочтительно выполняется в емкости, снабженной, по меньшей мере, одной мешалкой с осевым прокачивающим перемещением и, желательно, также средствами для нагрева и охлаждения емкости для того, чтобы повысить эффективность разбавления и гомогенизации указанных добавок.

При выполнении операций ввода и гомогенизации добавок и органических соединений в гомогенизационной емкости важно, чтобы добавки были диспергированы однородно по объему получаемой таким образом жидкости с тем, чтобы при добавлении воды все добавки, необходимые для образования и сохранения эмульсии, присутствовали бы в достаточных и идентичных количествах по всему объему органического соединения. Не исключена возможность ввода либо в органическую, либо в водную фазу сформированной эмульсии добавок, способствующих улучшению одного или более из требуемых свойств топлива согласно настоящему изобретению.

В соответствии с настоящим изобретением растворитель, используемый на операции (ап), выбирают из группы, содержащей органическое соединение (органические соединения), используемое (используемые) для формирования эмульсии, растворитель, выбранный из спирта, кетона, простого или сложного эфира и одной из добавок для эмульсии, которая способна выполнять роль растворителя по отношению к другим добавкам.

Органическое соединение или соединения в соответствии с настоящим изобретением выбирают из топлив на основе нефти, бензинов, газойлей, керосинов и топлив для индивидуальных жилищ, причем эти продукты предпочтительно обрабатывают кислородосодержащими соединениями, такими как третамилметиловый эфир (ТАМЭ) или метилтретбутиловый эфир (МТБЭ), применительно к бензинам, или такими как диметиловый эфир (ДМЭ), диметокисметан (ДММ) или триэтоксипропан (ТЭП), применительно к газойлям, или рафинированные или нерафинированные масла растительного или животного происхождения или их этерифицированные производные.

Согласно предпочтительной характеристике изобретения эмульгирующая система содержит, по меньшей мере, одно устройство для обеспечения циркуляции жидкости в ветви циркуляции.

Водную фазу инжектируют в гомогенизированную жидкость, т.е. в смесь органического соединения (соединений) и добавок с расходом Q_e, пропорциональным скорости циркуляции объема V жидкости в указанной емкости, причем отношение Q_e/Q_c варьирует от 0 до 1.

Предпочтительно отношение Q_e/Q_c варьирует от 0,05 до 0,20.

Водная фаза может содержать также специфические добавки, направленные на предотвращение загрязнения воды, такие как биоциды, или антифризы, особенно зимой, для предотвращения кристаллизации воды с разрушением эмульсии.

Настоящее изобретение особенно эффективно для приготовления эмульгированных топлив на основе эмульсии воды в нефтепродукте, особенно эмульсий воды в газойле или воды в бензине для сжигания в двигателях внутреннего сгорания, применительно к которым особенно желательно сократить количество загрязняющих выбросов путем прямого воздействия на топливо. Можно также рассматривать использование указанного топлива в качестве моторного топлива на железных дорогах и на морских судах, а также в стационарных котлах или дизельных установках тепловых электростанций.

Вторым объектом настоящего изобретения является устройство для осуществления способа (см. чертеж), характеризующееся тем, что оно содержит закрытую емкость (1), снабженную мешалкой (2) с осевым смещением и тремя трубопроводами (3), (4), (5) подачи текучей среды, соответственно для органического соединения (соединений), добавок и эмульсии, трубопроводом (6) для выпуска текучей среды и, возможно, нагревательной и/или охлаждающей системой, причем трубопроводы (5) и (6) присоединены к трубопроводу циркуляции (7), определяющему ветвь циркуляции, которая содержит также входной трубопровод (9) и эмульгирующую систему (8), и, в довершение, трубопроводом выдачи эмульгированной жидкости. Этот трубопровод (10) может быть размещен либо на емкости (1), либо на ветви циркуляции (7), выше или ниже по направлению потока по отношению к эмульгирующей системе (8).

В устройстве по настоящему изобретению трубопровод (4) служит для инжектирования смеси добавок, которая была предварительно приготовлена и гомогенизирована во второй емкости (11), снабженной мешалкой (12) с осевым перемещением для гомогенизации указанной смеси добавок и имеющей входные трубопроводы (13) и выходной трубопровод (4) для смеси, а также, возможно, систему нагрева и/или охлаждения указанной емкости (11). При наличии нагрева и/или охлаждения допустимо использование теплоизоляции любого типа, приемлемой для емкости промышленных размеров. Трубопроводы (3) и (4) могут быть объединены в единый трубопровод подачи в емкость (1) органических соединений и/или добавок.

Мешалки (2) и (12) в емкостях (1) и (11) должны обеспечивать гомогенизацию всего объема содержащейся в них жидкости и должны способствовать циркуляции жидкости в емкости без создания градиента сдвига между двумя точками, т.е. путем гомогенизации при переменном заданном уровне сдвига. Предпочтительным вариантом мешалок оказываются мешалки с осевым смещением, которые обеспечивают перемешивание в продольном направлении по отношению к оси вращения и имеют высокую прокачивающую способность.

Эмульгирующая система (8) в соответствии с настоящим изобретением содержит, по меньшей мере, один эмульгирующий насос и/или одну или более динамических мешалок, снабженных парой ротор/статор с малой воздушной щелью (фиксированной или переменной) и высокой, т.е. превышающей 2000 об/мин, скоростью вращения.

Перед или за этой эмульсирующей системой по направлению потока или же вместо этой системы в ветви циркуляции (5, 6, 7) могут быть установлены одна или более статических мешалок, и/или одна или более эмульгаторных машин другого типа, действующих на основе механического воздействия или ультразвука, или СВЧ излучения и участвующие в образовании эмульсии.

Для содействия диспергированию капелек воды в углеводородном продукте в трубопроводе для инжектирования воды может быть установлена, по меньшей мере, одна система диспергирования капель, например, в форме патрона или металлического распределителя, изготовленного спеканием или на основе волокна из нержавеющей стали и имеющего очень тонкие поры, от одного до нескольких десятков микрометров.

Краткое описание чертежа

Единственный прилагаемый чертеж представляет собой упрощенное изображение примера предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Далее в настоящем описании будут приведены примеры, иллюстрирующие выявленные проблемы и производственные ограничения в отношении приготовления соответствующих эмульгированных и стабильных топлив; однако эти примеры не могут быть использованы для ограничения объема охраны изобретения.

Пример 1

Данный пример описывает лабораторную процедуру приготовления эмульсии типа "вода в газойле" по способу в соответствии с настоящим изобретением.

22,9 г смеси добавок, описанных в международной заявке WO 97/34969, наливают в лабораторный стакан. Указанная смесь имеет следующий состав:

полуторный олеат сорбитана - 3 мас.ч.;

PEG 300 моноолеат - 2 мас.ч.;

9 ЕО этоксилированный нонилфенол - 1 мас.ч.;

12 ЕО этоксилированный нонилфенол - 0,5 мас.ч.

После этого наливают 673,1 г газойля, соответствующего европейским спецификациям стандарта EN590. Во второй лабораторный стакан помещают 104 г воды.

В первый лабораторный стакан помещают турбинку Ultra-Turrax, снабженную двигателем Т50 и парой ротор/статор S50 N-G45FF, и приводят ее во вращение с максимальной скоростью, а именно 10000 об/мин, для того, чтобы гомогенизировать смесь за несколько секунд. Затем очень быстро в перемешанную смесь быстро вводят воду из второго лабораторного стакана и продолжают перемешивание еще в течение 5 мин, причем температура получаемой эмульсии не превышает 50°С.

Стабильность при хранении при температуре окружающей среды от 15 до 25°С без появления признаков расслоения или седиментации для эмульсии, полученной описанным образом в лаборатории, превышает 4 месяца.

Пример 2

Данный пример приводится для того, чтобы описать оптимальные условия для промышленного приготовления эмульсии, которая столь же стабильна, что и эмульсия, приготовленная в лаборатории согласно Примеру 1.

На промышленной установке, подобной описанной со ссылкой на чертеж, были приготовлены различные эмульсии. Их составы были идентичны приведенному в Примере 1.

Мешалка (2) представляет собой многоступенчатую мешалку MIXEL, тип ММ, оснащенную трехлопастными валами.

Были опробованы две эмульгирующие системы (8):

- мельница тонкого помола BF 150 (далее называемая "А"), поставляемая фирмой Pierre GUERIN TECNOLOGIES; это коллоидная мельница с парой ротор/статор и с переменной воздушной щелью;

- динамический гомогенизатор типа MS, поставляемый фирмой Silverson (далее называемый "Б") с фиксированной воздушной щелью.

В Таблице перечислены характеристики циркуляции жидкости внутри емкости (1) и в ветви циркуляции (7), возвращающей эмульсию в емкость (1).

Здесь

Q_c=1,5NqpND³ 60,

где Nqp - это числовой параметр прокачки;

N - скорость вращения вала мешалки в емкости;

D - диаметр указанной мешалки;

V - объем жидкости, содержащейся в гомогенизационной емкости (1) во время приготовления эмульсии (объем V вводимой в емкость жидкости измеряется перед ее поступлением в емкость и предварительно выбирается в зависимости от желаемых величин Q_c и Q_circ);

Q_circ - скорость циркуляции жидкости, циркулирующей вне емкости (1), за эмульгирующей системой (8) по направлению потока в ветви циркуляции, показанной на схеме (Q_circ измеряется расходомером, расположенным в ветви циркуляции);

Q_c - скорость циркуляции внутри емкости (1), определяется расчетным путем и зависит от формы и вида используемой мешалки. Величина Q_c и формулы для ее расчета, а также величина Nqp приводятся в технической документации изготовителя, прилагаемой к каждой конкретной мешалке.

Коэффициент 60 в приведенной выше формуле соответствует коэффициенту перевода единиц измерения величин Q_c (из м³/с в м³/ч) и N (из об/с в об/мин).

Значения приведенных выше символов и методика расчета подробно описаны в документах "Techniques de l"Ingenieur", А-5900 и А-5902, в статьях М. Roustand и J.C. Pharamond.

Таблица показывает, что без перемешивания в емкости невозможно получить стабильную эмульсию. Далее, независимо от того, какая эмульгирующая система используется, для повышения стабильности эмульсии и производительности эмульгирования в промышленной установке важно, чтобы отношение Q_с/V было больше 100 и чтобы длительность эмульгирования или циркуляции вне емкости было меньше, чем 1,5 час.

Хотя настоящее изобретение было описано на примерах предпочтительных вариантов, для специалистов в данной области будет понятно, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения.