Мелкодисперсная эмульсия на основе воды и водонерастворимых веществ и способ ее получения

Изобретение относится к способу получения устойчивых во времени мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий для экологически безопасных топливных присадок и битумного вяжущего в дорожном строительстве из воды и углеводородных составляющих, предварительно очищенных от механических примесей. Способ характеризуется тем, что смешивание и гомогенизация водо-углеводородных эмульсий происходит с использованием способа микровихревого измельчения и реструктуризации в вязкой среде в микровихревых гидродинамических структурах, образующихся в пограничном слое при перемещении вязкой жидкой среды относительно твердой поверхности и/или перемещении вязкой среды относительно самой себя, в диапазоне температур от 0°С до 95°С, при этом процесс проходит в диапазоне давлений от 0,5 кг/см² до 10000 кг/см². Настоящее изобретение предоставляет возможность получения устойчивых по времени водо-углеводородных эмульсий с высоким содержанием воды и высокой степенью ее дисперсности. Также изобретение относится к эмульсии, полученной указанным способом. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 пр.

 

Область техники, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение относится к области создания устойчивых во времени по своим физико-химическим свойствам мелкодисперсных эмульсий из воды и водонерастворимых веществ, водо-углеводородных эмульсий, производства экологически безопасных топливных присадок, представляющих интерес в химической, пищевой промышленности, ЖКХ, дорожном строительстве и эксплуатации автомобильной техники.

Предлагаемое изобретение также относится к области переработки и утилизации водонерастворимых веществ, нефтяных остатков, углеводородных компонентов и водосодержащих компонентов (замазученных вод, отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей и др.) и может найти применение для переработки и использования отходов жидких и загустевших углеводородов (нефть, мазут, дизельное топливо, растительные и минеральные масла, нефтешламы, шламы мазута, парафины, асфальтены и т.п.).

Способ получения устойчивых во времени водо-углеводородных эмульсий и экологически безопасных топливных присадок из воды и углеводородного компонента заключается в их очистке от механических примесей с последующим смешиванием в дезинтеграторе в микровихревых гидродинамических структурах. При этом продукт смешивания одновременно подвергают деструкции и гомогенизации в дезинтеграторе, а максимальный размер частиц дисперсной фазы не превышает 10 мкм при среднем размере 0,01-1 мкм. Для повышения временной устойчивости в водо-углеводородную эмульсию могут добавляться эмульгаторы.

Суммарное содержание воды в горючей и устойчивой во времени водо-углеводородной эмульсии может колебаться в интервале 1-95%. При этом вредные выбросы сокращаются в 5-1000 раз. В качестве воды можно использовать замазученные воды, энергонесущие водные стоки, отработанные СОЖ, техническую воду.

Уровень техники.

Известны роторные излучатели, состоящие из двух или более коаксиальных цилиндров или конусов, со щелевыми отверстиями. Цилиндры торцевой поверхностью закреплены на взаимно вращающихся дисках (Г.А. Аксельруд, А.Д. Молчанов «Растворение твердых веществ», М., Химия, 1977, (стр.230-232)). Работа роторных излучателей основана на возникновении кавитационных эффектов.

Известны конусные коллоидные мельницы, рабочие поверхности которых имеют конусообразную форму с рифлеными поверхностями, как ротора, так и статора. Известны бильные коллоидные мельницы, рабочими частями которых являются биллы и контрударники. Известны коллоидные мельницы с конусным решетчатым ротором, на внутренней поверхности статора имеются продольные борозды. Известны виброкавитационные коллоидные мельницы, статор и ротор которых имеет на рабочих поверхностях направленные вдоль оси канавки. Известны коллоидные мельницы типа «Реактрон», рабочими частями которых являются ряды пальцев, расположенные в виде коаксиальных кругов одни подвижные, другие неподвижные. )П.М. Сиденко «Измельчение в химической промышленности», М., Химия, 1977, (стр.238-243)).

Во всех перечисленных устройствах измельчение происходит за счет того, что рабочие поверхности, перемещаясь относительно друг друга, имеют разнонаправленные канавки, дискретные конструктивные элементы, от соударения о которые частицы разнородных жидкостей дробятся и смешиваются. Во многих коллоидных мельницах генерируются кавитационные процессы, которые приводят к повышенному износу рабочих поверхностей коллоидных мельниц. Во всех этих машинах, устройствах для получения коллоидных эмульсий реализуется принцип ударного разрушения гидродинамических структур и/или кавитационного перемешивания под воздействием кумулятивных струй.

Указанные машины и механизмы имеют один существенный недостаток. Они не в состоянии с высокой производительностью изготовить коллоидную эмульсию с характерными размерами частичек меньше 1×10⁵…5×10^-6 метра.

Известен способ получения топлива путем смешивания отработанного масла с водой или водосодержащим компонентом и нефтяным остатком, их гомогенизацию, причем отработанные масла предварительно подвергают механообработке (Патент №2150489 RU).

Однако этот способ не предусматривает возможность получения водо-топливных эмульсий с высоким содержанием воды, обладающих высокой устойчивостью к расслоению.

Известен способ микровихревого измельчения и реструктуризации в вязкой среде. (Патент №2343003 RU).

Известны коллоидные мельницы мокрого помола, измельчающие твердые частицы суспензии, находящиеся между перемещающимися относительно друг друга коническими поверхностями (А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химических технологий». Государственное научно-техническое издательство химической литературы, Москва. 1961 г. (стр.796-797)).

Известен эмульгатор для получения однородных смесей несмешивающихся жидкостей, таких как нефть и вода, углеводород и вода и т.д., включающий сложные эфиры кислот таллового масла и триэтаноламина. (Патент №2062142 RU).

Известен эмульгатор для получения однородных смесей несмешивающихся жидкостей, таких как нефть и вода, углеводород и вода и т.д., включающий маслорастворимое поверхностно-активное вещество, углеводородный растворитель и добавки. (Патент №2166988 RU).

Раскрытие изобретения.

Задачей данного изобретения является получение устойчивых во времени водо-улеводородных эмульсий с высоким содержанием воды (до 95%) и высокой степенью ее дисперсности.

Мною предлагается способ получения устойчивых во времени по физико-химическим свойствам мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий, что осуществляется путем подбора соотношения вода-углеводородная составляющая. С целью стабилизации во времени предлагается введение в водо-углеводородную эмульсию эмульгатора, при этом смешение и гомогенизация осуществляются с использованием способа микровихревого измельчения и реструктуризации в вязкой среде, который может в частности реализовываться в коллоидных мельницах мокрого помола. Также предлагается определенная последовательность технологических операций, обеспечивающая получение устойчивых во времени по своим физико-химическим свойствам мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий.

Для реализации способа микровихревого измельчения и реструктуризации в вязкой среде в микровихревых гидродинамических структурах необходимо генерировать микровихри, что может быть реализовано либо в пограничном слое при перемещении вязкой жидкой среды относительно твердой поверхности, либо в результате перемещения вязкой среды относительно самой себя. При этом необходимо выполнять условия не только существования микровихрей, но и условия при которых с одной стороны углеводородные составляющие водо-углеводородных эмульсий переходят в жидкое состояние, а с другой стороны вода не переходит в газообразное состояние. Этим условиям соответствует температурный диапазон от 0°С до 95°С. Для выполнения условий возникновения микровихрей и их существования в период деструкции молекулярных объединений в воде и углеводородных составляющих в зоне возникновения и существования микровихрей необходимо поддерживать давление в диапазоне от 0,5 кг/см² до 10000 кг/см². Это связано с предотвращением кавитационных процессов, разрушающих микровихревые структуры и препятствующих молекулярной деструкции и гомогенизации.

С целью интенсификации процесса эмульгирования на зону существования микровихрей целесообразно воздействовать переменным электромагнитным полем, при этом частота изменения величины поля от ноля до максимального значения по абсолютной величине варьируется от 5 Гц до 10¹⁰ Гц. Такой диапазон частот выбран ввиду большого разброса размеров микровихрей от 1 мм до 10^-5 мм, так как определенная частота воздействия электромагнитного импульса интенсифицирует только микровихри определенного размера.

С целью интенсификации процесса эмульгирования через зону существования микровихрей целесообразно пропускать импульсы электрического тока плотностью до 10000 А на 1 мм² с частотой от 5 Гц до 10¹⁰ Гц. Указанные диапазоны плотности тока и частот также определяются исходя из размеров микровихрей.

С целью интенсификации процесса эмульгирования на зону существования микровихрей целесообразно воздействовать переменным полем давления, при этом частота изменения величины поля от ноля до максимального значения по абсолютной величине варьируется от 5 Гц до 10⁵ Гц

С целью получения стабильных технологических характеристик процесса эмульгирования, скорость относительного перемещения вязкой жидкой среды относительно твердой поверхности варьируется от 10 м/с до 500 м/с, а скорость относительного перемещения вязкой жидкой среды относительно самой себя варьируется от 10 м/с до 15000 м/с. Диапазон относительных скоростей определяется исходя из вязкости и теплоемкости вязкой среды, в которой происходит процесс эмульгирования.

Для упрощения процесса эмульгирования желательно иметь все исходные компоненты водо-углеводородных эмульсий и одном агрегатном состоянии, т.е. в жидком виде. С этой целью твердые при температурах от 0°С до 85°С углеводородные составляющие мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий предварительно растапливаются до жидкого состояния.

В том случае, когда технологически невозможно или нецелесообразно переводить твердые при температурах от 0°С до 85°С углеводородные составляющие мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий в жидкое агрегатное состояние, эти составляющие мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий вводят в зону микровихревой динамики и/или в рабочую зону микровихревого дезинтегратора в виде мелкодисперсных частиц с размерами от 0,001 мм до 5 мм.

Для повышения надежности технологического процесса эмульгирования, целесообразно организовать предварительное смешивание и гомогенизацию компонентов мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий.

С целью получения установок, способных работать в полевых условиях, например в местах разлива нефти, оборудование для получения мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий размещается на универсальных транспортных платформах, при этом управлением процессом получения мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий осуществляется АСУ ТП.

Мелкодисперсные водо-углеводородные эмульсии имеют большое распространение как в промышленности, так и в быту. Эмульсии на основе вода - битум широко применяются в дорожном строительстве. В пищевой, химической промышленности, косметологии применяются эмульсии на основе животных и растительных жиров и воды. Мною предлагается использовать все известные углеводороды, жиры и другие, не смешиваемые с водой жидкости, в композиции с водой, при этом с водой смешивается в массовых долях от 1% до 99,9% вышеуказанных водонерастворимых веществ.

С точки зрения экологии утилизация замазученных вод, энергонесущих водных стоков, отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей представляет серьезную техническую проблему. Разделение воды и углеводородов на сегодняшний день дорого. Поэтому мною предлагается утилизировать мелкодисперсные водо-углеводородные эмульсии в качестве водосодержащего компонента в которые входят замазученные воды, энергонесущие водные стоки, отработанные смазочно-охлаждающие жидкости, техническая вода. Так же в состав водной составляющей мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий могут входить жидкости имеющие в своем составе не только водонерастворимые вещества, но и поверхностно активные вещества. Утилизация может производиться путем сжигания указанных углеводородных отходов в составе водо-углеводородных эмульсий, с выделением при этом тепловой энергии.

С целью увеличения во времени устойчивости мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий последние готовят с использованием эмульгаторов. Действие эмульгаторов основано на способности поверхностно-активных веществ снижать энергию, необходимую для создания свободной поверхности раздела фаз. Концентрируясь на поверхности раздела смешивающихся фаз, эмульгаторы снижают межфазное поверхностное натяжение и обеспечивают длительную стабильность композиции. В зависимости от природы эмльгаторов они ускоряют образование и стабилизируют тип эмульсии, в дисперсионной среде в которой они лучше растворимы.

Таким образом, с целью увеличения временной устойчивости мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий последние готовят с использованием эмульгаторов в массовой доле от 0,05%-5%.

Реализация способа создания устойчивости мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий осуществлялась на ЗАО «Aljara&Co» (Литва) и иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1.

Для создания мелкодисперсной водо-углеводородной эмульсии было взято отработанное минеральное масло, некондиционное дизельное топливо и отработанная смазывающе-охлаждающая жидкость (СОЖ). Отработанное масло, дизельное топливо и СОЖ, отфильтрованные от механических загрязнений, в массовом соотношении 1:1:2 подают в микровихревой дезинтегратор, где происходит их смешивание и гомогенизация в условиях контроля температуры, давления и скорости перемещения вязкой жидкости относительно рабочих поверхностей в рабочей зоне дезинтегратора. В результате получается горючая, устойчивая во времени мелкодисперсная водо-углеводородная эмульсия белого цвета с характерным размером частиц от 0,5 мкм до 8,0 мкм. При работе дизельного двигателя на полученной эмульсии вредные выбросы сократились в 12 раз, а выхлоп визуально не наблюдался.

Пример 2.

Для создания мелкодисперсной водо-углеводородной эмульсии было взято отработанное минеральное масло, мазут М-100 в жидком состоянии и отработанная смазывающе-охлаждающая жидкость (СОЖ). Отработанное масло и мазут М-100, отфильтрованные от механических загрязнений, в массовом соотношении 1:1:3 подают в микровихревой дезинтегратор, где в условиях интенсификации микровихревых процессов происходит их смешивание и гомогенизация в условиях контроля температуры, давления и скорости перемещения вязкой жидкости относительно рабочих поверхностей в рабочей зоне дезинтегратора. Интенсификация микровихревых процессов проводилась путем воздействия на рабочую зону дезинтегратора переменного электромагнитного поля с частотой 50 Гц. В результате была получена горючая, устойчивая во времени мелкодисперсная водо-углеводородная эмульсия белого цвета с характерным размером частиц от 0,4 мкм до 3,5 мкм.

Пример 3.

Для создания мелкодисперсной водо-углеводородной эмульсии было взято отработанное минеральное масло, мазут М-100 в жидком состоянии и отработанная смазывающе-охлаждающая жидкость (СОЖ). Отработанное масло и мазут М-100, отфильтрованные от механических загрязнений, в массовом соотношении 1:1:3 подают в микровихревой дезинтегратор, где в условиях интенсификации микровихревых процессов происходит их смешивание и гомогенизация в условиях контроля температуры, давления и скорости перемещения вязкой жидкости относительно твердых рабочих поверхностей в рабочей зоне дезинтегратора. Интенсификация микровихревых процессов проводилась путем пропускания через рабочую зону дезинтегратора импульсов электрического тока величиной до 200 А с частотой от 50 Гц. В результате была получена горючая, устойчивая во времени мелкодисперсная водо-углеводородная эмульсия белого цвета с характерным размером частиц от 0,2 мкм до 3,0 мкм.

Пример 4.

Для создания мелкодисперсной водо-углеводородной эмульсии был взят парафин в твердом состоянии в виде гранул и водопроводная вода для бытовых целей в соотношении 1:10. В качестве эмульгатора был выбран высокомолекулярный твердый спирт. В воду при температуре 65°С добавлялся парафин и спирт, а затем полученная смесь подавалась в микровихревой дезинтегратор, где происходит их смешивание и гомогенизация в условиях контроля температуры, давления и скорости перемещения вязкой жидкости относительно рабочих поверхностей в рабочей зоне дезинтегратора. В результате в течение 1 минуты была получена пастообразная коллоидная эмульсия (крем) не разлагающаяся на отдельные фракции в течение 30 месяцев.

1. Способ получения устойчивых во времени мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий для экологически безопасных топливных присадок и битумного вяжущего в дорожном строительстве из воды и углеводородных составляющих, предварительно очищенных от механических примесей, отличающийся тем, что смешивание и гомогенизация водоуглеводородных эмульсий происходит с использованием способа микровихревого измельчения и реструктуризации в вязкой среде в микровихревых гидродинамических структурах, образующихся в пограничном слое при перемещении вязкой жидкой среды относительно твердой поверхности и/или перемещении вязкой среды относительно самой себя, в диапазоне температур от 0°С до 95°С, при этом процесс проходит в диапазоне давлений от 0,5 кг/см² до 10000 кг/см².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсификация в микровихревых гидродинамических структурах, образующихся в пограничном слое при перемещении вязкой жидкой среды относительно твердой поверхности и/или перемещении вязкой среды относительно самой себя, происходит под воздействием переменного электромагнитного поля, при этом частота изменения величины поля от ноля до максимального значения по абсолютной величине варьируется от 5 Гц до 10¹⁰ Гц.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсификация в микровихревых гидродинамических структурах, образующихся в пограничном слое при перемещении вязкой жидкой среды относительно твердой поверхности и/или перемещении вязкой среды относительно самой себя, осуществляется пропусканием импульса электрического тока плотностью 10000 А на 1 мм² с частотой от 5 Гц до 10¹⁰ Гц.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсификация в микровихревых гидродинамических структурах, образующихся в пограничном слое при перемещении вязкой жидкой среды относительно твердой поверхности и/или перемещении вязкой среды относительно самой себя, происходит под воздействием переменного поля давления, при этом частота изменения величины поля от ноля до максимального значения по абсолютной величине варьируется от 5 Гц до 10⁵ Гц.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсификация в микровихревых гидродинамических структурах, образующихся в пограничном слое при перемещении вязкой жидкой среды относительно твердой поверхности и/или перемещении вязкой среды относительно самой себя, при этом скорость относительного перемещения вязкой жидкой среды относительно твердой поверхности варьируется от 10 м/с до 500 м/с, а скорость относительного перемещения вязкой жидкой среды относительно самой себя варьируется от 10 м/с до 15000 м/с.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердые при температурах от 0°С до 85°С углеводородные составляющие мелкодисперсных водоуглеводородных эмульсий предварительно растапливаются до жидкого состояния.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердые при температурах от 0°С до 85°С углеводородные составляющие мелкодисперсных водоуглеводородных эмульсий вводят в зону микровихревой динамики и/или в рабочую зону микровихревого дезинтегратора в виде мелкодисперсных частиц с размерами от 0,001 мм до 5 мм.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что компоненты мелкодисперсных водоуглеводородных эмульсий проходят предварительное смешивание и гомогенизируются, а затем измельчаются и смешиваются, вплоть до взаимного растворения, в микровихревых гидродинамических структурах.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что все оборудование для получения мелкодисперсных водоуглеводородных эмульсий мобильно, размещается на универсальных транспортных платформах и может автономно работать в полевых условиях, при этом управлением процессом получения мелкодисперсных водо-углеводородных эмульсий осуществляется АСУ ТП.

10. Устойчивая во времени мелкодисперсная водоуглеводородная эмульсия для экологически безопасных топливных присадок и битумного вяжущего в дорожном строительстве, получаемая при помощи способа микровихревого измельчения и реструктуризации в вязкой среде в микровихревых гидродинамических структурах, отличающаяся тем, что в качестве углеводородных составляющих используют водонерастворимые вещества, битумы, гудроны, асфальтены, отработанные и/или некондиционные нефтепродукты, некондиционное дизельное топливо, керосин и горючесмазочные материалы в том числе животного и растительного происхождения, при этом с водой смешивается в массовых долях от 1% до 99,9% вышеуказанных водонерастворимых веществ.

11. Устойчивая во времени мелкодисперсная водоуглеводородная эмульсия из воды и углеводородных составляющих по п.10, отличающаяся тем, что в качестве воды или водосодержащего компонента используют замазученные воды, энергонесущие водные стоки, техническую воду, отработанные смазочно-охлаждающие жидкости, а также жидкости, имеющие в своем составе не только водонерастворимые вещества, но и поверхностно активные вещества.

12. Устойчивая во времени мелкодисперсная водоуглеводородная эмульсия из воды и углеводородных составляющих по п.10, отличающаяся тем, что мелкодисперсную водоуглеводородную эмульсию готовят с использованием эмульгаторов в массовой доле от 0,05%-5%.