Способ и устройство для эмульгирования

 

Изобретение предназначено для эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки взаимно не смешивающихся жидкостей. Способ предусматривает совместную подачу подлежащих обработке жидкостей в полость вращающегося рабочего колеса, прерывистый выпуск смеси обрабатываемых жидкостей из полости рабочего колеса через ряд каналов, выполненных в его кольцевой периферийной стенке, непосредственно в секционированную резонансную полость статора, образованную отдельными резонансными камерами по числу каналов рабочего колеса, и отвод эмульсии из резонансных камер через сообщающееся с ними выпускное отверстие статора. Радиальная протяженность резонансных камер соизмерима с радиальной протяженностью каналов рабочего колеса и определяется по формуле. Изобретение позволяет простыми и высокопроизводительными техническими средствами получать из взаимно не смешивающихся жидкостей длительно устойчивые высокодисперсные эмульсии широкого спектра применения, включающего нефтедобывающую, нефтеперерабатывающую, теплоэнергетическую, топливную, дорожно-строительную и смежные отрасли промышленности, а также любые другие отрасли, связанные с производством и/или применением подобного рода эмульсий, 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 4 табл., 2 ил.

Изобретение относится к технологии приготовления высокодисперсной длительно устойчивой эмульсии из взаимно не смешивающихся жидкостей и непосредственно касается способа и устройства для эмульгирования таких жидкостей, в частности, углеводородных жидкостей и воды, путем их совместной гидроакустической обработки. Область промышленного применения изобретения охватывает нефтедобывающую, нефтеперерабатывающую, теплоэнергетическую, топливную, дорожно-строительную и смежные отрасли промышленности, а также любые другие отрасли, связанные с производством и/или применением подобного рода эмульсий.

Известно устройство для трехступенчатого приготовления водомазутной эмульсии, содержащее средство для приготовления исходной грубодисперсной смеси воды и мазута путем ее многократного перемешивания, насос высокого давления для предварительного эмульгирования водомазутной смеси и гомогенизатор для окончательного эмульгирования путем продавливания эмульсии через капиллярную решетку (авт. св. СССР N 1236287, 1986). Дисперсность воды в мазуте составляет несколько десятков микрометров после предварительного эмульгирования и до 10 мкм после окончательного эмульгирования. Однако сравнительно высокая дисперсность достигается здесь сложными техническими средствами при низкой производительности. Устойчивость эмульсии к расслоению в данном случае некритична, поскольку приготовленная эмульсия сразу же подается к топочной форсунке.

Известен смеситель (патент США N 4915509, 1988) для смешивания по крайней мере двух свободно текущих субстанций, который содержит ротор, включающий установленный в подшипниках вал и неподвижно соединенные с валом по крайней мере один рабочий диск с двойным рядом нормальных к нему пальцев, равномерно распределенных по окружности, и по крайней мере одно лопастное рабочее колесо; статор, вмещающий упомянутые рабочий диск и рабочее колесо и имеющий по крайней мере одну нормальную к оси ротора стенку с двойным рядом нормальных к ней пальцев, концентрично противолежащих по отношению к двойному ряду пальцев рабочего диска, а также впускные отверстия для подачи обрабатываемых жидкостей к концентричным противолежащим рядам пальцев рабочего диска и статора и выпускное отверстие для отвода эмульсии, сообщенное с выходом лопастного рабочего колеса; кольцевую камеру, ограниченную в радиальном направлении наружным рядом пальцев статора и его противолежащей концентричной стенкой и сообщенную со входом лопастного рабочего колеса; средство для привода ротора. Поскольку здесь рабочий диск по потоку предвключен лопастному рабочему колесу, такой смеситель в исполнении с одним рабочим диском и одним рабочим колесом обеспечивает дисперсность получаемой эмульсии порядка нескольких десятков микрометров, что недостаточно с точки зрения устойчивости эмульсии к расслоению, и для повышения дисперсности требуется соответственно увеличивать количество рабочих дисков и рабочих колес, т.е. существенно усложнять такое устройство в техническом отношении. При увеличенном количестве рабочих дисков и рабочих колес соответственно повышается гидродинамическое сопротивление системы, что существенно ограничивает возможности повышения производительности такого устройства.

Известны способ и устройство (патент России N 2081691, 1997), принятые за прототип для эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки взаимно не смешивающихся жидкостей, заключающиеся в следующем: Способ эмульгирования включает совместную подачу подлежащих обработке жидкостей через подводящее отверстие статора в полость вращающегося внутри него рабочего колеса, прерывистый выпуск обрабатываемой смеси жидкостей из полости рабочего колеса в концентричную резонансную полость статора через ряд отверстий, равномерно распределенных в периферийной кольцевой стенке рабочего колеса и в примыкающей концентричной стенке статора, и отвод эмульсии из резонансной полости через выпускное отверстие статора.

Соответствующее этому способу эмульгирования устройство содержит ротор, включающий соединенное с валом рабочее колесо, выполненное в виде диска с периферийной кольцевой стенкой, в которой выполнен ряд равномерно распределенных отверстий для прохождения обрабатываемой смеси жидкостей, статор, вмещающий рабочее колесо и имеющий подводящее отверстие для подлежащих обработке жидкостей, сообщенное с полостью рабочего колеса, концентричную стенку, примыкающую с минимальным зазором к периферийной кольцевой стенке рабочего колеса и имеющую ряд равномерно распределенных отверстий для прохождения обрабатываемой смеси жидкостей, и концентричную резонансную полость, сообщенную с выпускным отверстием для эмульсии, средство для приведение ротора во вращение.

Согласно описанию к указанному патенту России, это изобретение направлено на решение задачи достижения резонансных колебаний в полости ротора и полости корпуса, условием чего должно являться соотношение (R_к - R_с)(R_р)^-1 = (0,22 + m)^-1, где R_к - радиус внутренней поверхности корпуса, R_с - радиус внешней поверхности статора, R_р - радиус внутренней поверхности ротора, m = 1, 2, 3 ... - любое целое число.

Однако в приведенном соотношении отсутствуют параметры, которые могли бы характеризовать колебательный процесс как таковой, а именно частота вращения ротора и количество отверстий в рабочем колесе и статоре. Это не позволяет говорить в данном случае о решении задачи достижения какого-либо резонанса, тем более при указании неограниченного числа m.

С учетом вышеизложенного, в основе изобретения лежит задача создания таких способа и устройства для эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки по крайней мере двух взаимно не смешивающихся жидкостей, которые позволили бы простыми и высокопроизводительными техническими средствами осуществить эффективное эмульгирование с получением длительно устойчивых высокодисперсных эмульсий.

Указанная задача решается тем, что в способе эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки по крайней мере двух взаимно не смешивающихся жидкостей, включающем, как и известный способ, совместную подачу подлежащих обработке жидкостей через подводящее отверстие статора в полость вращающегося внутри него рабочего колеса, прерывистый выпуск обрабатываемой смеси жидкостей из полости рабочего колеса в концентричную резонансную полость статора через ряд каналов, равномерно распределенных в периферийной кольцевой стенке рабочего колеса, и отвод эмульсии из резонансной полости через выпускное отверстие статора, согласно основному воплощению изобретения, прерывистый выпуск обрабатываемой смеси жидкостей из полости рабочего колеса осуществляют непосредственно в секционированную резонансную полость статора, образованную равномерно распределенными отдельными резонансными камерами, сообщенными с выпускным отверстием статора, количество которых равно количеству каналов рабочего колеса, а их радиальная протяженность соизмерима с радиальной протяженностью каналов рабочего колеса.

В предпочтительном воплощении изобретения радиальную протяженность L каналов рабочего колеса задают согласно следующей зависимости: L = (1,35 ... 1,65)mc(Nn)^-1·10⁴ [мм], где m - выбранное нечетное число в интервале 1 ... 7; c - скорость звука в эмульсии, м/с; N - количество каналов рабочего колеса;
n - частота вращения рабочего колеса, об/мин.

В наиболее предпочтительном воплощении изобретения величину параметра L задают согласно следующей зависимости:
L = 1,5c(Nn)^-1·10⁴ [мм].

Способ эмульгирования согласно изобретению осуществляется с помощью устройства для эмульгирования согласно изобретению, образующего неотъемлемую составную часть общего изобретательского замысла.

В устройстве для эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки жидкостей, реализующем вышеописанный способ эмульгирования и содержащем, как и известное устройство, ротор, включающий опирающийся на подшипники вал и по крайней мере одно соединенное с валом рабочее колесо, выполненное в виде диска с периферийной кольцевой стенкой, в которой выполнен ряд равномерно распределенных каналов для прохождения обрабатываемой смеси жидкостей, статор, вмещающий рабочее колесо и имеющий подводящее отверстие для подлежащих обработке жидкостей, сообщенное с полостью рабочего колеса, и концентричную рабочему колесу резонансную полость, примыкающую с минимальным зазором к периферийной кольцевой стенке рабочего колеса и сообщенную с выпускным отверстием для эмульсии, средство для привода ротора с заданной частотой вращения,
согласно основному воплощению изобретения, резонансная полость статора выполнена секционированной в виде равномерно распределенных отдельных резонансных камер, сообщенных с выпускным отверстием статора, количество которых равно количеству каналов рабочего колеса, а их радиальная протяженность соизмерима с радиальной протяженностью каналов рабочего колеса.

В предпочтительном воплощении изобретения радиальная протяженность L каналов рабочего колеса составляет величину согласно зависимости (I).

В наиболее предпочтительном воплощении изобретения параметр L составляет величину согласно зависимости (II).

В основном воплощении способа и устройства для эмульгирования согласно изобретению благодаря выпуску обрабатываемой смеси жидкостей из каналов рабочего колеса непосредственно в отдельные соизмеримые с каналами рабочего колеса резонансные камеры статора осуществляется двойная гидроакустическая обработка жидкостей, а именно как в объеме каналов рабочего колеса, так и в объеме резонансных камер статора. Тем самым принципиально достигается эффективная гидроакустическая обработка жидкостей с получением длительно устойчивой высокодисперсной эмульсии.

В предпочтительном воплощении изобретения благодаря заданию радиальной протяженности каналов рабочего колеса, примерно (±10%) кратной четверти длины звуковой волны согласно зависимости (I), достигается двойной резонансный эффект и соответственно повышается эффективность эмульгирования. Вне указанных пределов эффективность эмульгирования сохраняется на уровне основного воплощения изобретения.

В наиболее предпочтительном воплощении изобретения благодаря заданию радиальной протяженности каналов рабочего колеса, равной четверти длины звуковой волны согласно зависимости (II), достигается наиболее высокая эффективность эмульгирования.

На фиг. 1 представлен продольный разрез I-I (фиг. 2) устройства для эмульгирования, на фиг. 2 - поперечное сечение II-II (фиг. 1) устройства для эмульгирования.

Способ эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки по крайней мере двух взаимно не смешивающихся жидкостей (фиг. 1) предусматривает совместную подачу подлежащих обработке жидкостей в полость 1 рабочего колеса 2 через сообщенное с ней подводящее отверстие 3 статора 4. Посредством вращения рабочего колеса 2 обрабатываемая смесь жидкостей прерывисто выпускается из его полости 1 в концентричную резонансную полость 5 статора 4 через ряд каналов 6, равномерно распределенных в окружном направлении в периферийной кольцевой стенке 7 рабочего колеса 2. Обработанная смесь жидкостей в виде эмульсии отводится из резонансной полости 5 через сообщающееся с ней выпускное отверстие 8 статора 4.

В основном воплощении способа эмульгирования согласно изобретению прерывистый выпуск обрабатываемой смеси жидкостей из полости 1 рабочего колеса 2 осуществляют непосредственно в секционированную резонансную полость 5 статора 4, образованную равномерно распределенными в окружном направлении отдельными резонансными камерами 9, сообщенными с выпускным отверстием 8 статора 4. Количество резонансных камер 9 статора 4 равно количеству каналов 6 рабочего колеса 2, а радиальная протяженность резонансных камер 9 соизмерима с радиальной протяженностью каналов 6. Периодическое резкое прерывание потоков, исходящих из каналов 6 вращающегося рабочего колеса 2, осуществляется перемычками 10 между резонансными камерами 9 статора 4, периодически перекрывающими каналы 6. Тем самым в протекающей жидкости возбуждаются механические колебания звуковой частоты, зависящей от частоты вращения рабочего колеса 2 и количества его каналов 6.

В предпочтительном воплощении способа радиальную протяженность L (фиг. 2) каналов 6 рабочего колеса 2 задают согласно следующей зависимости:
L = (1,35 ... 1,65)mc(Nn)^-1·10⁴ [мм],
где m - выбранное нечетное число в интервале 1 ... 7,
c - скорость звука в эмульсии, м/с,
N - количество каналов рабочего колеса,
n - частота вращения рабочего колеса, об./мин.

В этом случае радиальная протяженность каналов 6 рабочего колеса 2 является величиной, примерно (с точностью ±10%) кратной четверти длины звуковой волны, чем достигается двойной резонансный эффект как в объеме каналов 6 рабочего колеса 2, так и в объеме резонансных камер 9 статора 4, радиальная протяженность которых соизмерима с радиальной протяженностью каналов 6 рабочего колеса 2.

В наиболее предпочтительном воплощении способа радиальную протяженность L каналов 6 рабочего колеса 2 задают согласно следующей зависимости:
L = 1,5c(Nn)^-1·10⁴ [мм].

В этом случае радиальная протяженность каналов 6 рабочего колеса 2 составляет четверть длины звуковой волны, благодаря чему достигается наиболее выраженный двойной резонансный эффект в объемах каналов 6 рабочего колеса 2 и резонансных камер 9 статора 4.

Устройство для осуществления вышеописанного способа эмульгирования (фиг. 1) содержит ротор 11 с валом 12, опирающимся на подшипники 13 и 14, и по крайней мере одно неподвижно соединенное с валом 12 рабочее колесо 2, выполненное в виде диска 15 с периферийной кольцевой стенкой 7. В последней выполнен ряд равномерно распределенных в окружном направлении каналов 6 для прохождения обрабатываемой смеси жидкостей. Окружная ширина каналов 6, с одной стороны, и перемычек между ними, с другой стороны, на внешней поверхности рабочего колеса 2 одна и та же. Вмещающий рабочее колесо 2 статор 4 имеет подводящее отверстие 3 для подлежащих обработке жидкостей, сообщенное с полостью 1 рабочего колеса 2, и выпускное отверстие 8 для эмульсии. Статор 4 имеет также концентричную рабочему колесу 2 резонансную полость 5, примыкающую с минимальным зазором к периферийной кольцевой стенке 7 рабочего колеса 2.

В основной форме воплощения устройства согласно изобретению резонансная полость 5 статора 4 выполнена секционированной в виде равномерно распределенных в окружном направлении отдельных резонансных камер 9, сообщенных с выпускным отверстием 8 статора 4, количество которых равно количеству каналов 6 рабочего колеса 2, а их радиальная протяженность соизмерима с радиальной протяженностью каналов 6 рабочего колеса 2. Радиальная протяженность L (фиг. 2) каналов 6 рабочего колеса 2 объективно не превышает половины радиуса R периферийной кольцевой поверхности рабочего колеса 2.

В предпочтительной форме воплощения устройства радиальная протяженность L каналов 6 рабочего колеса 2 составляет величину согласно зависимости (I).

В наиболее предпочтительной форме воплощения устройства радиальная протяженность L каналов 6 рабочего колеса 2 составляет величину согласно зависимости (II).

Во всех формах воплощения устройства согласно изобретению вал 12 ротора 11 с помощью муфты 16 соединен со средством для привода ротора 11 с заданной частотой вращения n, например, с электродвигателем 17. Привод ротора 11 может осуществляться также от других подходящих двигателей известных типов как непосредственно, так и с использованием известных передаточных механизмов, в том числе с возможностью регулирования частоты вращения известными способами.

Для решения обычных практических задач эмульгирования достаточно применения устройства с одним рабочим колесом 2. В случаях эмульгирования труднообрабатываемых исходных жидкостей и/или повышенных требований к свойствам эмульсии ротор 11 может содержать два и более обычным образом установленных на общем валу 12 рабочих колес 2, которые по потоку жидкой среды соединены последовательно. Рабочее колесо 2 по аналогии с центробежными насосными колесами закрытого типа может быть выполнено с лопатками 18 и покрывающим диском 19, как показано на чертежах. Однако без изменения сущности изобретения лопатки 18 и покрывающий диск 19 могут отсутствовать.

Количество N каналов 6 рабочего колеса 2 выбирается в зависимости от желаемой звуковой частоты F вынужденных колебаний в жидкой среде с учетом оптимальных для конкретных практических случаев габаритных размеров устройства, приемлемой частоты вращения n ротора 11 и технологически выполнимой окружной ширины каналов 6 рабочего колеса 2 и резонансных камер 9 статора 4. Частота F звуковых колебаний определяется следующим соотношением:
F = 0,0167Nn [Гц].

Описанное устройство для эмульгирования работает следующим образом.

Подлежащие обработке жидкости совместно подаются в направлении стрелки (фиг. 1) через подводящее отверстие 3 статора 4 в полость 1 рабочего колеса 2. Ротор 11 с рабочим колесом 2 через муфту 16 приводится с расчетной частотой вращения n с помощью электродвигателя 17. Из полости 1 рабочего колеса 2 обрабатываемая смесь жидкостей под развиваемым рабочим колесом 2 напором выходит через его каналы 6 и поступает в резонансные камеры 9 секционированной резонансной полости 5 статора 4. При этом истекающие из каналов 6 потоки жидкости претерпевают периодические резкие прерывания вследствие периодического перекрывания каналов 6 перемычками 10 резонансных камер 9. Из резонансных камер 9 полученная эмульсия отводится через сообщающееся с ними выпускное отверстие 8 статора 4 в направлении, показанном стрелкой. Устройство работоспособно в любом пространственном положении.

Обработке согласно изобретению могут быть успешно подвергнуты практически любые взаимно не смешивающиеся естественные и искусственные жидкости, а также всевозможные растворы, эмульсии, суспензии и т.п. в широком диапазоне вязкости и других физико- химических свойств. Одним из компонентов жидкой обрабатываемой смеси с успехом может быть твердое вещество, вводимое как в сухом предварительно измельченном виде, так и в виде суспензии.

Способ и устройство для эмульгирования согласно изобретению могут быть применены для приготовления эмульсий как с отсроченным, так и с непосредственным использованием в определенных технологических процессах при рациональном совмещении с операцией перекачивания к месту потребления. Например, устройство согласно изобретению для приготовления водомазутной эмульсии, непосредственно потребляемой котельным отопительным агрегатом, может быть встроено в систему топливоподачи к топливным форсункам. При отсроченном использовании эмульсии, приготовленной согласно изобретению, она может транспортироваться и/или храниться в течение достаточно длительного срока, который может исчисляться многими месяцами при нормальной и повышенной температуре и до месяца и более при максимальной допустимой температуре (99^oC).

Ниже приведены конкретные примеры (табл. 1 - 4) практической реализации способа и устройства для эмульгирования согласно изобретению применительно к приготовлению топливной водомазутной эмульсии (скорость звука в эмульсии 1360 м/с). При этом термин "устойчивость эмульсии" здесь означает ее устойчивость к расслоению, выражаемую сроком ее хранения при определенной температуре до неспровоцированного выделения из эмульсии свободной воды в условном количестве 10% (об.) от ее исходного содержания.

Формула изобретения

1. Способ эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки по крайней мере двух взаимно не смешивающихся жидкостей, включающий совместную подачу подлежащих обработке жидкостей через подводящее отверстие статора в полость вращающегося внутри него рабочего колеса, прерывистый выпуск обрабатываемой смеси жидкостей из полости рабочего колеса в концентричную резонансную полость статора через ряд каналов, равномерно распределенных в периферийной кольцевой стенке рабочего колеса, и отвод эмульсии из резонансной полости через выпускное отверстие статора, отличающийся тем, что прерывистый выпуск обрабатываемой смеси жидкостей из полости рабочего колеса осуществляют непосредственно в секционированную резонансную полость статора, образованную равномерно распределенными отдельными резонансными камерами, сообщенными с выпускным отверстием статора, количество которых равно количеству каналов рабочего колеса, а их радиальная протяженность соизмерима с радиальной протяженностью каналов рабочего колеса.

2. Способ эмульгирования по п.1, отличающийся тем, что радиальную протяженность L каналов рабочего колеса задают согласно следующей зависимости:
L = (1,35 ... 1,65)mc(Nn)^-1 · 10⁴, мм,
где m - выбранное нечетное число в интервале 1 - 7,
c - скорость звука в эмульсии, м/с;
N - количество каналов рабочего колеса;
n - частота вращения рабочего колеса, об/мин.

3. Способ эмульгирования по п.2, отличающийся тем, что предпочтительную величину параметра L задают согласно следующей зависимости:
L = 1,5c (Nn)^-1 · 10⁴, мм.

4. Устройство для эмульгирования путем совместной гидроакустической обработки жидкостей, содержащее ротор, включающий опирающийся на подшипники вал и по крайней мере одно соединенное с валом рабочее колесо, выполненное в виде диска с периферийной кольцевой стенкой, в которой выполнен ряд равномерно распределенных каналов для прохождения обрабатываемой смеси жидкостей, статор, вмещающий рабочее колесо и имеющий подводящее отверстие для подлежащих обработке жидкостей, сообщенное с полостью рабочего колеса, и концентричную рабочему колесу резонансную полость, примыкающую с минимальным зазором к периферийной кольцевой стенке рабочего колеса и сообщенную с выпускным отверстием для эмульсии, средство для привода ротора с заданной частотой вращения, отличающееся тем, что резонансная полость статора выполнена секционированной в виде равномерно распределенных отдельных резонансных камер, сообщенных с выпускным отверстием статора, количество которых равно количеству каналов рабочего колеса, а их радиальная протяженность соизмерима с радиальной протяженностью каналов рабочего колеса.

5. Устройство для эмульгирования по п.4, отличающееся тем, что радиальная протяженность L каналов рабочего колеса составляет
L = (1,35 ... 1,65)mc(Nn)^-1 · 10⁴, мм,
где m - выбранное нечетное число в интервале 1 - 7;
c - скорость звука в эмульсии, м/с;
N - количество каналов рабочего колеса;
n - частота вращения рабочего колеса, об/мин.

6. Устройство для эмульгирования по п.5, отличающееся тем, что предпочтительная величина параметра L составляет
L = 1,5c(Nn)^-1 · 10⁴, мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6