RU2223815C1

RU2223815C1 - Method of preparation of emulsion and system and device for realization of this method

Info

Publication number: RU2223815C1
Application number: RU2002116182/15A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Салатов; П.Н. Дроботов
Original assignee: Салатов Вячеслав Григорьевич; Дроботов Петр Николаевич; Романеев Валерий Анатольевич; Романеева Нина Евтихиевна
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2004-02-20
Also published as: RU2002116182A

Abstract

FIELD: preparation and homogenization of dispersed systems by means of hydrodynamic cavitation; preparation of emulsions at preset concentration of components; power engineering; chemical and oil-producing industries. SUBSTANCE: proposed method includes mixing components in hydrodynamic disperser connected in series. Frequency range of first disperser is 0.5-15 kHz and that of second disperser is 15-365 kHz. Each disperser has housing, nozzle and cantilever-type resonance plate. Nozzle outlet hole is made in form of slit and rear wall of housing is made in form of concave curvilinear surface. EFFECT: enhanced efficiency due to optimization of cavitation mode. 16 cl, 5 dwg

Description

Данное изобретение относится к области получения и гомогенизации дисперсных систем с жидкой средой с помощью кавитации и может быть использовано для получения эмульсий с заданной концентрацией компонентов, например водотопливных. Данный метод может найти применение в топливной, энергетической, химической, нефтедобывающей, цементоперерабатывающей и других отраслях промышленности. This invention relates to the field of production and homogenization of disperse systems with a liquid medium by means of cavitation and can be used to obtain emulsions with a given concentration of components, for example, water-fuel ones. This method can find application in the fuel, energy, chemical, oil producing, cement processing and other industries.

В топливной промышленности, например, широко известны сравнительные данные о горении безводного и эмульгированного топлива, они показали, что эмульгированное жидкое топливо сгорает значительно быстрее, чем безводное. Содержание 10-20% воды в эмульгированном топливе не ухудшает, а даже интенсифицирует процесс горения за счет дополнительного внутритопочного дробления капель, увеличения поверхности испарения частиц и улучшения перемешивания горючего с воздухом. Уменьшение времени горения эмульгированного топлива благоприятно сказывается на стадии догорания сажистых остатков, улучшая общую полноту сгорания топлива и уменьшает отложения сажи (нагара) на рабочих поверхностях. Механизм горения капель мазутно-водной эмульсии заключается в том, что при прогреве и испарении капель они вначале увеличиваются в диаметре, а затем взрываются, вследствие того, что температура кипения мазута равна примерно 300^oС; т.е. в 2,5-3 раза выше, чем для воды. Установлено, что капля эмульсии размером 2 мм и влажностью 30% сгорает за 2,8 секунды, а капля мазута такого же размера - за 3,7 секунды. Явление внутритопочного разрыва капель ускоряет испарение, улучшает смесеобразование и позволяет значительно интенсифицировать процесс сжигания жидких топлив, что в свою очередь зависит от дисперсии и гомогенизации топливно-водяной смеси. Высокий уровень дисперсности водно-топливной эмульсии определяет также отсутствие отрицательных последствий, а именно высокую устойчивость и длительную нерасслаиваемость эмульсии, химическую инертность входящей в эмульсию воды при последующем ее хранении и контактах с металлическими поверхностями гидроаппаратуры. В промышленности получили распространение следующие способы и устройства для получения топливно-водяных эмульсий: механические мешалки, диспергаторы и барботирующие устройства. Наиболее эффективными из них являются диспергаторы (гидродинамические излучатели). Диспергатор - устройство, преобразующее часть энергии струи жидкости (эмульсии) в энергию акустических волн. В результате работы диспергатора наблюдается явление кавитации. Кавитация - образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (кавитационные пузырьки). Кавитация может сопровождаться рядом физических и химических эффектов, например искрообразованием и люминисценцией. Обнаружено влияние электрического тока и магнитного поля на кавитацию. При кавитации пузырьки, схлопываясь, создают кратковременные импульсы давления, способные разрушать прочные материалы. Схлопывание пузырьков сопровождается нагревом газа в пузырьках, а также ионизацией газа в пузырьках. Для получения высокодисперсной эмульсии необходимо создание в обрабатываемой жидкости упругих звуковых волн с регулярным образованием кавитационных пузырьков в полупериоде разрежения и их схлопыванием в полупериоде сжатия.In the fuel industry, for example, comparative data on the combustion of anhydrous and emulsified fuels are widely known; they showed that emulsified liquid fuel burns much faster than anhydrous. The content of 10-20% of water in emulsified fuel does not worsen, but even intensifies the combustion process due to additional in-line crushing of droplets, increasing the surface of evaporation of particles and improving mixing of fuel with air. Reducing the burning time of emulsified fuel favorably affects the stage of burning of soot residues, improving the overall completeness of fuel combustion and reduces soot deposits (soot) on working surfaces. The combustion mechanism of the droplets of a fuel oil-water emulsion consists in the fact that upon heating and evaporation of the droplets, they first increase in diameter and then explode, due to the fact that the boiling point of the fuel oil is approximately 300 ^o C; those. 2.5-3 times higher than for water. It was found that a drop of emulsion with a size of 2 mm and a humidity of 30% burns out in 2.8 seconds, and a drop of fuel oil of the same size - in 3.7 seconds. The phenomenon of in-line rupture of droplets accelerates evaporation, improves mixture formation and significantly intensifies the process of burning liquid fuels, which in turn depends on the dispersion and homogenization of the fuel-water mixture. The high level of dispersion of the water-fuel emulsion also determines the absence of negative consequences, namely, high stability and long immiscibility of the emulsion, chemical inertness of the water entering the emulsion during its subsequent storage and contacts with metal surfaces of hydraulic equipment. In industry, the following methods and devices for producing water-fuel emulsions have become widespread: mechanical mixers, dispersants, and bubblers. The most effective of them are dispersants (hydrodynamic emitters). Dispersant is a device that converts part of the energy of a liquid jet (emulsion) into the energy of acoustic waves. As a result of the dispersant, cavitation is observed. Cavitation is the formation of cavities in a droplet liquid filled with gas, steam, or a mixture thereof (cavitation bubbles). Cavitation can be accompanied by a number of physical and chemical effects, such as sparking and luminescence. The effect of electric current and magnetic field on cavitation was discovered. During cavitation, the bubbles collapse, creating short-term pressure pulses that can destroy durable materials. The collapse of the bubbles is accompanied by heating of the gas in the bubbles, as well as ionization of the gas in the bubbles. To obtain a finely dispersed emulsion, it is necessary to create elastic sound waves in the liquid being processed with regular formation of cavitation bubbles in the half-period of rarefaction and their collapse in the half-period of compression.

В настоящее время известно множество методов производства жидкодисперсных систем, в частности методы суспензии и эмульсии, использующие эффект гидродинамической кавитации. При данных методах процессы эмульгирования и дисперсии являются результатом воздействий кавитации, специально созданной при обработке потока гидродинамическим руслом в результате прохождения места после сужения потока. Воздействия гидродинамической кавитации на процессы смешения, эмульгирования и дисперсии оказывают большое влияние в результате мощных воздействий на обрабатываемые компоненты при схлопывании кавитационных пузырьков. Currently, there are many known methods for the production of liquid dispersed systems, in particular suspension and emulsion methods using the effect of hydrodynamic cavitation. With these methods, the processes of emulsification and dispersion are the result of the effects of cavitation, specially created during the processing of the flow by a hydrodynamic channel as a result of passing a place after the flow is narrowed. The effects of hydrodynamic cavitation on the processes of mixing, emulsification and dispersion have a great impact as a result of powerful effects on the processed components during the collapse of cavitation bubbles.

Известен способ и устройство по получению эмульгирования несмешивающихся жидкостей, включающий уменьшение статического давления в жидкости в результате ее прохождения в канал Вентури с пережимом, создание давления насыщенных паров жидкости и создание колеблющихся кавитационных пузырьков (см. аналог - патент США 3937445, МПК В 01 F 3/08, 1976 г.). A known method and device for producing emulsification of immiscible liquids, including reducing the static pressure in the liquid as a result of its passage into the Venturi channel with pinch, creating the pressure of saturated vapor of the liquid and the creation of oscillating cavitation bubbles (see analogue - US patent 3937445, IPC B 01 F 3 / 08, 1976).

Указанный способ не дает высокоэффективного эмульгирования, поскольку интенсивность роста пульсационного поля кавитационных пузырьков является низкой. Энергия, эмитированная пульсациями кавитационных пузырьков, всегда ниже энергии, эмитированной схлопыванием кавитационных пузырьков. Более того, в этом случае появляется неконтролируемая кавитация, в результате которой пузырьки распределяются в большом объеме жидкой среды. Это ведет к снижению уровня диссипации энергии в единице массы жидкой среды и не позволяет производить устойчивые жидкие эмульсии. The specified method does not provide highly effective emulsification, since the growth rate of the pulsation field of cavitation bubbles is low. The energy emitted by pulsations of cavitation bubbles is always lower than the energy emitted by the collapse of cavitation bubbles. Moreover, in this case, uncontrolled cavitation appears, as a result of which the bubbles are distributed in a large volume of liquid medium. This leads to a decrease in the level of energy dissipation per unit mass of the liquid medium and does not allow the production of stable liquid emulsions.

Известен способ и устройство для получения свободнодисперсной системы, который включает прохождение гидродинамического потока через проточные каналы с отражателем внутри, обеспечивающее локализованную конструкцию потока и создание его нисходящего потока кавитационного поля (аналог - патент США 5492654, МПК6 В 01 F 3/08, 1996 г.). A known method and device for producing a free-dispersed system, which includes the passage of a hydrodynamic flow through flow channels with a reflector inside, provides a localized flow design and the creation of its downward flow of the cavitation field (analogue - US patent 5492654, IPC 6 01 F 3/08, 1996 )

Недостатком указанного способа является то, что для процесса гомогенизации, когда во время однократного прохождения компонентов через устройство требуется получение тонкодисперсных эмульсий, выполнение данного требования затруднено, а временами невозможно. Это связано с тем, что значительная часть энергии потока стремится к образованию первичной пустоты, которую впоследствии разрушает отражатель, разбивая пузырьки. Пузырьки схлопываются в зоне разрушения первичной пустоты, где наблюдается низкое статическое давление окружающей жидкости. Одновременно статическое давление пузырьков окружающей жидкости фигурирует в качестве главного параметра, который определяет уровень энергии, эмитируемой во время схлопывания кавитационных пузырьков. Чем выше величина статического давления, тем лучше результат кавитационной дисперсии. The disadvantage of this method is that for the homogenization process, when during a single passage of the components through the device, it is necessary to obtain finely dispersed emulsions, this requirement is difficult, and sometimes impossible. This is due to the fact that a significant part of the flow energy tends to the formation of a primary void, which the reflector subsequently destroys, breaking the bubbles. Bubbles collapse in the zone of destruction of the primary void, where there is a low static pressure of the surrounding fluid. At the same time, the static pressure of the bubbles of the surrounding fluid appears as the main parameter that determines the level of energy emitted during the collapse of cavitation bubbles. The higher the static pressure, the better the result of cavitation dispersion.

Известен гидродинамический ультразвуковой эмульгатор, включающий сопло, выполненное в виде прямоугольной щели, и резонансную пластину (см. аналог - а.с. СССР 169907, МПК B 01 F 3/00, 1965 г.). A well-known hydrodynamic ultrasonic emulsifier, including a nozzle made in the form of a rectangular slit, and a resonant plate (see analogue - AS USSR 169907, IPC B 01 F 3/00, 1965).

Недостатком известного эмульгатора являются большие гидродинамические потери на входе струи жидкости, невозможность создания звукового поля с необходимой частотой, давлением и акустической мощностью, а значит и образования высокодисперсной эмульсии. A disadvantage of the known emulsifier is the large hydrodynamic losses at the inlet of the liquid stream, the inability to create a sound field with the necessary frequency, pressure and acoustic power, and hence the formation of a highly dispersed emulsion.

Известен способ получения жидкого топлива и устройство для его изготовления, включающий смешивание мазута с водой и многократную гидродинамическую кавитационную обработку в трех кавитационных смесителях с выдержкой между каждой стадией обработки в течение 12-720 часов, (см. аналог - патент России 2120471, МПК 6 С 10 L 1/32, 1998 г.). A known method of producing liquid fuel and a device for its manufacture, including mixing fuel oil with water and multiple hydrodynamic cavitation treatment in three cavitation mixers with a holding time between each stage of processing for 12-720 hours, (see analogue - Russian patent 2120471, IPC 6 C 10 L 1/32, 1998).

Недостатком известного способа и устройства, при помощи которого данный способ осуществляется, состоит в сложности и громоздкости системы с наличием большого количества дополнительных емкостей, а также в том, что процесс обработки смеси слишком затянут во времени (продолжительность времени выдержки между обработками от 12 до 720 часов), что свидетельствует об опасении получения эмульсии с недостаточно устойчивыми показателями. A disadvantage of the known method and device by which this method is carried out is the complexity and cumbersomeness of the system with a large number of additional containers, and also that the process of processing the mixture is too long in time (the exposure time between treatments from 12 to 720 hours ), which indicates a fear of obtaining an emulsion with insufficiently stable indicators.

Известен способ и система приготовления эмульсии путем смешения ее компонентов в гидродинамическом диспергаторе, при этом предварительно производят обработку одного из компонентов в дополнительном диспергаторе. Система 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, причем магистраль второго компонента снабжена установленными в ней последовательно насосом и гидродинамическим диспергатором и замкнута с образованием контура рециркуляции, а кавитационные полости гидродинамических диспергаторов сообщены с дозирующим устройством подачи первого компонента (см. патент РФ 2033851, МКИ6 B 01 F 3/08, 1995 г.). Данное решение принято за прототип. A known method and system for preparing an emulsion by mixing its components in a hydrodynamic dispersant, while one of the components is preliminarily processed in an additional dispersant. The emulsion preparation system comprises a line of one component with a metering device, a line of the other component and an emulsion line with a pump and a hydrodynamic disperser, forming a closed recirculation loop connected to the line of the first component through the dispersant, and the line of the second component is equipped with a pump and a hydrodynamic disperser installed in it in series closed with the formation of a recirculation loop, and the cavitation cavity of the hydrodynamic dispersants together us with a metering device feeding the first component (see. Russian patent 2033851, MKI6 B 01 F 3/08, 1995 YG). This decision was made as a prototype.

Недостатком указанного решения является то, что для повышения эффективности эмульгирования, дисперсии и гомогенизации необходимо, чтобы вторичной обработке подвергалась высокодисперсная (коллоидная) эмульсия, что не может быть обеспечено обработкой только одного из компонентов. The disadvantage of this solution is that to increase the efficiency of emulsification, dispersion and homogenization, it is necessary that a highly dispersed (colloidal) emulsion is subjected to secondary processing, which cannot be achieved by processing only one of the components.

Известен ультразвуковой диспергатор включающий корпус, резонатор, заостренную пластину, установленную консольно, при этом острие пластины направлено навстречу потоку (см. аналог - а.с. СССР 1000089 МКИ6 B 01 F 11/02, 1983 г.). Known ultrasonic disperser comprising a housing, a resonator, a pointed plate mounted cantilever, while the tip of the plate is directed towards the flow (see analogue - AS USSR 1000089 MKI6 B 01 F 11/02, 1983).

В известном диспергаторе недостаточно используются все возможности звукового поля и акустических колебаний в жидкости, в частности возможность введения в жидкость акустических колебаний различных частот. In the known dispersant, all the possibilities of a sound field and acoustic vibrations in a liquid are not sufficiently used, in particular, the possibility of introducing acoustic vibrations of various frequencies into a liquid.

Известен гидродинамический диспергатор, содержащий корпус, сопло, и резонансную пластину с элементами крепления, консольно закрепленную с возможностью перемещения острием к соплу (см. а.с. СССР 101112) Данное решение принято за прототип. Known hydrodynamic dispersant containing a housing, a nozzle, and a resonant plate with fastening elements, cantilever mounted with the possibility of moving the tip to the nozzle (see AS USSR 101112) This decision was made as a prototype.

Недостатком прототипа является невозможность введения в жидкость акустических колебаний различных частот. The disadvantage of the prototype is the impossibility of introducing into the liquid acoustic vibrations of various frequencies.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, - повышение эффективности эмульгирования, дисперсии и гомогенизации путем создания оптимальных режимов кавитации для обеспечения высокой устойчивости и длительной нерасслаиваемости эмульсии, химической инертности входящей в эмульсию воды при последующем ее хранении и контактах с металлическими поверхностями гидроаппаратуры. The problem solved by the claimed invention is to increase the efficiency of emulsification, dispersion and homogenization by creating optimal cavitation regimes to ensure high stability and long immiscibility of the emulsion, chemical inertness of the water entering the emulsion during its subsequent storage and contacts with metal surfaces of hydraulic equipment.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе приготовления эмульсии путем смешения ее компонентов последовательно в первом гидродинамическом диспергаторе, а затем в дополнительном гидродинамическом диспергаторе, в соответствии с изобретением смесь обрабатывают в первом диспергаторе звуковым полем с частотой 0,5-15 кГц, а в дополнительном диспергаторе звуковым полем с частотой 15-365 кГц, причем звуковые поля возбуждают за счет взаимодействия смеси с соответствующим резонансно настроенным регулируемым источником. The problem is achieved in that in the known method for preparing an emulsion by mixing its components sequentially in the first hydrodynamic dispersant, and then in an additional hydrodynamic dispersant, in accordance with the invention, the mixture is treated in the first disperser with a sound field with a frequency of 0.5-15 kHz, and in additional dispersant sound field with a frequency of 15-365 kHz, and sound fields are excited due to the interaction of the mixture with the corresponding resonant tuned adjustable source.

Компоненты предварительно смешивают в смесителе, например, элеваторного типа. The components are pre-mixed in a mixer, for example, elevator type.

Компоненты предварительно подвергают тепловой обработке. The components are pre-cooked.

Поставленная задача достигается тем, что в системе для приготовления эмульсии, содержащей магистраль одного компонента, магистраль другого компонента, включающую фильтр, дозирующее устройство, магистраль эмульсии с первым гидродинамическим диспергатором, выход которого связан со входом дополнительного гидродинамического диспергатора, причем магистраль одного компонента и магистраль другого компонента соединены с первым диспергатором, в соответствии с изобретением первый диспергатор имеет резонансный диапазон частот 0,5-15 кГц, а дополнительный диспергатор имеет резонансный диапазон частот 15-365 кГц. The problem is achieved in that in a system for preparing an emulsion containing a line of one component, a line of another component, including a filter, a metering device, an emulsion line with a first hydrodynamic dispersant, the output of which is connected to the input of an additional hydrodynamic dispersant, and the line of one component and the line of another the component is connected to the first dispersant, in accordance with the invention, the first dispersant has a resonant frequency range of 0.5-15 kHz, and additional An additional dispersant has a resonant frequency range of 15-365 kHz.

Система снабжена смесителем, установленным на входе первого диспергатора. The system is equipped with a mixer installed at the inlet of the first dispersant.

Магистраль одного компонента включает краны, счетчик, обратный клапан, датчик давления и датчик температуры. The line of one component includes valves, meter, check valve, pressure sensor and temperature sensor.

Магистраль другого компонента включает краны, фильтр, счетчик, насос, обратный клапан, датчик давления. The line of the other component includes valves, a filter, a meter, a pump, a check valve, and a pressure sensor.

Магистраль эмульсии состоит из двух параллельно установленных веток, каждая из которых включает краны, насос для подачи эмульсии, обратный клапан, причем вход указанных веток подсоединен к выходу смесителя, а выход указанных веток через датчик давления подсоединен к входу первого диспергатора, последовательно с которым через датчик давления установлен дополнительный диспергатор, на выходе которого последовательно установлены датчик давления, датчик температуры и кран. The emulsion line consists of two branches installed in parallel, each of which includes taps, an emulsion feed pump, a check valve, the input of these branches being connected to the outlet of the mixer, and the output of these branches through a pressure sensor connected to the input of the first dispersant, in series with which through the sensor An additional dispersant is installed on the pressure, at the output of which a pressure sensor, a temperature sensor and a tap are installed in series.

Система может содержать дополнительную параллельную ветку магистрали эмульсии с последовательно установленными первым и дополнительным диспергаторами. The system may comprise an additional parallel branch of the emulsion line with the first and additional dispersants installed in series.

Магистраль эмульсии снабжена каналом рециркуляции, соединяющим выход дополнительного диспегатора с входом двух параллельных веток и снабженным краном и обратным клапаном. The emulsion line is equipped with a recirculation channel connecting the output of the additional dispersant to the input of two parallel branches and equipped with a tap and a check valve.

Поставленная задача достигается тем, что в известном гидродинамическом диспергаторе, содержащем корпус, сопло и резонансную пластину с элементами крепления, консольно закрепленную с возможностью перемещения острием к соплу, в соответствии с изобретением выходное отверстие сопла выполнено в виде щели, а задняя стенка корпуса выполнена в виде вогнутой криволинейной поверхности. The problem is achieved in that in the known hydrodynamic dispersant containing a housing, a nozzle and a resonant plate with fastening elements, cantileverly mounted with the possibility of moving the tip to the nozzle, in accordance with the invention, the nozzle outlet is made in the form of a gap, and the rear wall of the housing is made in the form concave curved surface.

В зоне перехода отверстия в длинные стороны щели профили продольного сечения сопла имеют форму выпуклых криволинейных поверхностей. In the transition zone of the hole in the long sides of the gap, the profiles of the longitudinal section of the nozzle are in the form of convex curved surfaces.

Пластина установлена с возможностью настройки на диапазон частот 0,5-365 кГц. The plate is installed with the ability to tune to the frequency range 0.5-365 kHz.

Пластина установлена с возможностью замены. The plate is replaceable.

Mежду пластиной и задней стенкой корпуса установлен дополнительный элемент, имеющий форму вогнутой криволинейной поверхности и соединенный с корпусом с образованием зазора между стенкой корпуса и элементом. Between the plate and the rear wall of the casing an additional element is installed, having the form of a concave curved surface and connected to the casing with the formation of a gap between the casing wall and the element.

Элементы крепления пластины вторым концом закреплены на сопле. The fastening elements of the plate with the second end are fixed to the nozzle.

Фиг.1 изображает систему, осуществляющую предложенный способ,
Фиг.2 - гидродинамический диспергатор,
Фиг.3 - вид А фиг.2,
Фиг.4 - сечение В-В фиг.2,
Фиг.5 - сечение Г-Г фиг.2.Figure 1 depicts a system implementing the proposed method,
Figure 2 - hydrodynamic dispersant,
Figure 3 is a view A of figure 2,
Figure 4 - section bb In figure 2,
5 is a cross-section GG of figure 2.

Система состоит из магистрали 1 одного компонента (подачи жидкого углеводородного топлива, например мазута); магистрали 2 другого компонента (подачи воды), соединенных через смеситель 3, например, элеваторного типа с магистралью 4 эмульсии. Магистраль 4 включает первый гидродинамический диспергатор 5 и последовательно установленный дополнительный гидродинамический диспергатор 6. The system consists of line 1 of one component (supply of liquid hydrocarbon fuel, for example fuel oil); line 2 of another component (water supply) connected through a mixer 3, for example, elevator type with line 4 of the emulsion. Line 4 includes a first hydrodynamic dispersant 5 and a sequentially installed additional hydrodynamic dispersant 6.

Магистраль 1 одного компонента (подачи жидкого углеводородного топлива, например мазута) включает краны 7, счетчик 8, обратный клапан 9, датчик давления 10 и датчик температуры 11. The line 1 of one component (liquid hydrocarbon fuel supply, for example fuel oil) includes valves 7, meter 8, check valve 9, pressure sensor 10 and temperature sensor 11.

Магистраль 2 другого компонента (подачи воды) включает краны 12, фильтр 13, счетчик 14, насос 15, обратный клапан 16, датчик давления 17. The line 2 of the other component (water supply) includes taps 12, a filter 13, a counter 14, a pump 15, a check valve 16, a pressure sensor 17.

Магистраль 4 эмульсии состоит из двух параллельно установленных веток 18, 19, каждая из которых включает краны 20, насос 21 для подачи эмульсии, обратный клапан 22. Наличие двух параллельных веток 18, 19 обусловлено требованиями бесперебойной работы системы и позволяет предотвращать сбои в работе системы в случае отказа оборудования одной из них. Вход указанных веток 18, 19 подсоединен к выходу смесителя 3, а выход указанных веток через датчик давления 23 подсоединен к входу первого диспергатора 5, последовательно с которым через датчик давления 24 установлен дополнительный диспергатор 6. На выходе дополнительного диспергатора 6 последовательно установлены датчик давления 25, датчик температуры 26 и кран 27, соединенные с технологической линией 28 и/или емкостью (не показана). The emulsion line 4 consists of two parallel branches 18, 19, each of which includes valves 20, an emulsion pump 21, a non-return valve 22. The presence of two parallel branches 18, 19 is determined by the uninterrupted operation of the system and helps to prevent system malfunctions in in case of failure of the equipment of one of them. The input of these branches 18, 19 is connected to the output of the mixer 3, and the output of these branches through a pressure sensor 23 is connected to the input of the first dispersant 5, in series with which an additional dispersant 6 is installed through the pressure sensor 24. At the output of the additional dispersant 6, a pressure sensor 25 is installed in series a temperature sensor 26 and a faucet 27 connected to the production line 28 and / or capacity (not shown).

Магистраль 4 эмульсии снабжена каналом рециркуляции 29, соединяющим выход дополнительного диспегатора 6 с входом двух параллельных веток 18, 19 и снабженным краном 30 и обратным клапаном 31. Наличие данной магистрали позволяет создавать дополнительное разрежение на выходе из диспергатора 6, улучшая, таким образом, работу как всей системы, так и дополнительного диспергатора 6. The emulsion line 4 is equipped with a recirculation channel 29 connecting the output of the additional dispersant 6 with the inlet of two parallel branches 18, 19 and equipped with a crane 30 and a check valve 31. The presence of this line allows you to create additional vacuum at the outlet of the dispersant 6, thereby improving performance as the entire system and the additional dispersant 6.

Для обеспечения бесперебойного снабжения топливом в случае отказа оборудования система снабжена обходной магистралью 32. Вход обходной магистрали 32 связан с магистралью 1 одного компонента, а ее выход через кран 33 связан с технологической линией. To ensure uninterrupted fuel supply in the event of equipment failure, the system is equipped with a bypass line 32. The input of the bypass line 32 is connected to the line 1 of one component, and its output through the crane 33 is connected to the production line.

Система может содержать дополнительную параллельную ветку магистрали эмульсии с последовательно установленными первым 34 и дополнительным 35 диспергаторами, аналогичными диспергаторам 5, 6 соответственно. The system may contain an additional parallel branch of the emulsion line with the first 34 and additional 35 dispersants installed in series, similar to dispersants 5, 6, respectively.

Гидродинамический диспергатор 5 состоит из корпуса 36, сопла 37, консольно закрепленной сменной резонансной пластины 38. Пластина 38 имеет клиновидный выступ, обращенный в сторону сопла 37. Данная пластина является резонансно настроенным регулируемым источником, при взаимодействии склоси с которым возбуждаются соответствующие звуковые поля. Консольное крепление пластины 38 обеспечено элементами крепления 39. Элементы крепления 39 выполнены в виде плоских пластин, одним концом соединенных с периферийной частью сопла 37, а вторым концом удерживающих резонансную пластину 38 так, что пластина 38 расположена между данными элементами. Входное отверстие 40 сопла 37 - окружность, плавно переходящая на выходе из сопла в щель 41. В зоне сопла от входного отверстия 40 до щели 41 профили продольного сечения сопла, образующие на выходе длинные стороны щели, имеют форму выпуклых криволинейных поверхностей. В зоне сопла от входного отверстия 40 до щели 41 профили сечения, образующие короткие стороны щели, с целью уменьшения трудоемкости изготовления, а также в связи с незначительностью гидравлических потерь могут быть выполнены различным образом, в том числе, например, и прямолинейными. Пластина 38 размещена в плоскости наибольшего сечения щели 41 сопла. The hydrodynamic dispersant 5 consists of a housing 36, a nozzle 37, a cantilever mounted interchangeable resonant plate 38. The plate 38 has a wedge-shaped protrusion facing the nozzle 37. This plate is a resonantly tuned adjustable source, when interacting with the slant, the corresponding sound fields are excited. The cantilever fastening of the plate 38 is provided by the fastening elements 39. The fastening elements 39 are made in the form of flat plates, one end connected to the peripheral part of the nozzle 37, and the second end holding the resonant plate 38 so that the plate 38 is located between these elements. The inlet 40 of the nozzle 37 is a circle smoothly passing at the exit of the nozzle into the gap 41. In the zone of the nozzle from the inlet 40 to the gap 41, the profiles of the longitudinal section of the nozzle forming the long sides of the gap at the exit have the shape of convex curved surfaces. In the zone of the nozzle from the inlet 40 to the slot 41, section profiles forming the short sides of the slot, in order to reduce the complexity of manufacturing, and also due to the insignificance of hydraulic losses, can be performed in various ways, including, for example, straight-line ones. The plate 38 is placed in the plane of the largest section of the nozzle slit 41.

Задняя стенка 42 корпуса выполнена в виде вогнутой криволинейной поверхности с выходным отверстием 43. Возможна установка также дополнительного элемента 44, имеющего форму вогнутой криволинейной поверхности и соединенного с корпусом посредством перемычек 45 с образованием зазора между стенкой цилиндрической части корпуса 36 и элементом 44. Как задняя стенка 42 корпуса 36, так и дополнительный элемент 44 могут быть выполнены либо в виде шарового сегмента, либо в виде параболоида вращения, либо в виде эллиптического параболоида. The rear wall 42 of the casing is made in the form of a concave curved surface with an outlet 43. It is also possible to install an additional element 44 having the shape of a concave curved surface and connected to the casing by means of jumpers 45 to form a gap between the wall of the cylindrical part of the casing 36 and the element 44. Like the rear wall 42 of the housing 36, and the additional element 44 can be made either in the form of a spherical segment, or in the form of a paraboloid of revolution, or in the form of an elliptical paraboloid.

Конструкция диспергатора 6 аналогична вышеописанной и отличается настройками консольно закрепленной сменной пластины 38 для обеспечения собственной частоты 15-365 кГц. The design of the dispersant 6 is similar to that described above and differs in the settings of the cantilever interchangeable plate 38 to provide a natural frequency of 15-365 kHz.

Заявляемый способ осуществляют при использовании описанной выше системы следующим образом. The inventive method is carried out using the above system as follows.

Один из компонентов, например жидкое углеводородное топливо - мазут, предварительно подогревают до температуры 60-70^oС и очищают от крупных твердых примесей. Далее данный компонент с помощью насоса (или насосов, условно не показаны) поступает из магистрали 1 в смеситель 3 элеваторного типа, где он смешивается со вторым компонентом, например с водой, дозированно подаваемой из магистрали 2 и также подвергнутой предварительной очистке. Смесь, выходящая из смесителя 3, является грубодисперсной, т.е. это смесь мазута с водой, частицы которой имеют средний размер от 25 до 60 мкм, не исключено присутствие твердых мелких включений. Из смесителя 3 предварительно обработанные компоненты по одной из веток 18 или 19 под давлением, создаваемым насосом 21, поступают на вход диспергатора 5, где смесь компонентов подвергают обработке в звуковом поле с частотой 0,5-15 кГц, при отсутствии смесителя 3 компоненты могут предварительно смешиваться непосредственно в насосе 21, установленном на входе первого диспергатора 5.One of the components, for example liquid hydrocarbon fuel - fuel oil, is preheated to a temperature of 60-70 ^o C and cleaned of large solid impurities. Further, this component with the help of a pump (or pumps, not shown conditionally) comes from the line 1 to the elevator type mixer 3, where it is mixed with the second component, for example, with water dispensed from the line 2 and also subjected to preliminary cleaning. The mixture leaving the mixer 3 is coarse, i.e. this is a mixture of fuel oil with water, the particles of which have an average size of 25 to 60 microns, the presence of solid small inclusions is not excluded. From the mixer 3, the pre-processed components along one of the branches 18 or 19 under the pressure created by the pump 21 are fed to the input of the dispersant 5, where the mixture of components is processed in a sound field with a frequency of 0.5-15 kHz, in the absence of the mixer 3, the components can be preliminarily mix directly in the pump 21 installed at the inlet of the first dispersant 5.

Первый диспергатор 5 предназначен для получения стабильной коллоидной смеси, которую в дальнейшем подвергают обработке в высокочастотном дополнительном диспергаторе 6, причем величина давления на входе в диспергатор 5 такова, что позволяет полученную на выходе из диспергатора 5 коллоидную смесь подавать непосредственно в дополнительный диспергатор 6. В каждом из диспергаторов звуковые поля возбуждают за счет взаимодействия смеси компонентов с резонансно настроенным регулируемым источником, которым является пластина 38. Кроме того, за счет других конструктивных элементов диспергаторов 5, 6 смесь подвергают воздействию дополнительных звуковых полей. The first dispersant 5 is designed to obtain a stable colloidal mixture, which is subsequently processed in a high-frequency additional dispersant 6, and the pressure at the inlet of the dispersant 5 is such that it allows the colloidal mixture obtained at the outlet of the dispersant 5 to be supplied directly to the additional dispersant 6. In each Of the dispersants, sound fields are excited by the interaction of the mixture of components with a resonantly tuned controlled source, which is the plate 38. In addition, even of other structural elements of dispersants 5, 6, the mixture is exposed to additional sound fields.

Высокочастотный гидродинамический диспергатор 6 создает звуковое поле с частотой звуков 15-365 кГц, переменным звуковым давлением ориентировочно 0,2-10,0 кГс/см². Это оптимальный диапазон в смысле технологического эффекта, экономичности процесса и техники безопасности. При этом работа диспергатора 6 и процессы, протекающие в нем, аналогичны низкочастотному первому диспергатору 5.High-frequency hydrodynamic dispersant 6 creates a sound field with a sound frequency of 15-365 kHz, variable sound pressure of approximately 0.2-10.0 kG / cm ² . This is the optimal range in terms of technological effect, process efficiency and safety. In this case, the work of dispersant 6 and the processes taking place in it are similar to the low-frequency first dispersant 5.

Диспергаторы работают следующим образом. Dispersants work as follows.

При истекании струй смеси компонентов из щелевидного сопла 37 вследствие их высокой скорости и соударений наблюдается гидродинамическая кавитация, сопровождаемая интенсивными ультразуковыми колебаниями (первое ультразвуковое поле). When the jets of the mixture of components from the slit nozzle 37 flow out due to their high speed and collisions, hydrodynamic cavitation is observed, accompanied by intense ultrasonic vibrations (first ultrasonic field).

При набегании потока смеси компонентов (эмульсии) в зоне гидродинамической кавитации на острый срез резонансной пластины 38 в ней возбуждаются колебания, передающиеся в окружающую среду. При настройке пластины 38 в резонанс с колебаниями потока в смеси компонентов (эмульсии) возникают интенсивные акустические колебания ультразвуковой частоты, необходимые для измельчения частиц (второе ультразвуковое поле). Кроме того, пластина испытывает также воздействие первого ультразвукового поля. When the flow of a mixture of components (emulsions) in the zone of hydrodynamic cavitation runs onto a sharp cut of the resonant plate 38, vibrations transmitted to the environment are excited in it. When tuning plate 38 in resonance with flow oscillations in a mixture of components (emulsion), intense acoustic vibrations of ultrasonic frequency arise, which are necessary for grinding particles (second ultrasonic field). In addition, the plate also experiences the influence of the first ultrasonic field.

Резонансная настройка ультразвукового диспергатора осуществляется перемещением пластины 38 в осевом направлении в удерживающих ее элементах крепления 39, имеющих установочные продольные прорези (не показаны). Момент резонанса определяется усилием характерного кавитационного шума. The resonant tuning of the ultrasonic dispersant is carried out by moving the plate 38 in the axial direction in the fastening elements holding it 39, having installation longitudinal slots (not shown). The resonance moment is determined by the force of characteristic cavitation noise.

Выполнение задней стенки 42 корпуса 36 диспергатора в виде вогнутой криволинейной поверхности обеспечивает фокусирование акустической энергии в зоне между основанием крепления пластины 38 и задней стенкой 42 корпуса в диспергируемой смеси компонентов, что обеспечивает дополнительное воздействие. Мощность этого дополнительного воздействия несколько снижается из-за выполнения в задней стенке выходного отверстия 43. Для повышения эффективности дополнительного воздействия возможна установка между пластиной и задней стенкой корпуса дополнительного элемента 44, имеющего форму вогнутой криволинейной поверхности и соединенного с корпусом с образованием зазора между стенкой корпуса 36 и элементом 44. Наличие зазора обеспечивает выход эмульсии без нарушения эффекта кавитации, позволяет достигать максимально эффективных результатов при получении качественных показателей смеси. The implementation of the rear wall 42 of the dispersant housing 36 in the form of a concave curved surface provides focusing of acoustic energy in the area between the base of the plate 38 and the rear wall 42 of the housing in a dispersible mixture of components, which provides an additional effect. The power of this additional effect is somewhat reduced due to the execution of the outlet 43 in the rear wall. To increase the effectiveness of the additional effect, it is possible to install an additional element 44 between the plate and the rear wall of the casing, having the form of a concave curved surface and connected to the casing to form a gap between the casing wall 36 and element 44. The presence of a gap ensures the exit of the emulsion without violating the effect of cavitation, allows you to achieve the most effective results when and obtaining quality indicators of the mixture.

При воздействии гидродинамической кавитации и звуковых полей на смесь компонентов, а именно углеводородного топлива и воды, происходит разрыв углеводородных цепочек топлива и образование свободных радикалов ОН и Н воды, в результате чего свободные радикалы ОН и Н воды и разорванные углеводородные цепочки образуют в кавитационной области устойчивые ассоциаты водотопливной эмульсии. Энергия связей молекул в ассоциатах значительная, поэтому они достаточно устойчивы и не разрушаются механическим путем и при повышении температуры. When hydrodynamic cavitation and sound fields act on a mixture of components, namely hydrocarbon fuel and water, the hydrocarbon chains of the fuel break and the free radicals of OH and H water form, resulting in free OH and H radicals of water and broken hydrocarbon chains form stable in the cavitation region fuel oil emulsion associates. The binding energy of molecules in associates is significant, therefore, they are quite stable and do not break down mechanically and with increasing temperature.

Последовательная обработка компонентов смеси сначала низкочастотным звуковым полем, а затем высокочастотным звуковым полем позволяет получить высококачественную топливную эмульсию, при горении которой снижается количество вредных выбросов в атмосферу. Кроме того, такая обработка позволяет достигнуть высокой устойчивости и длительной нерасслаиваемости эмульсии, а также химической инертности входящей в эмульсию воды при последующем ее хранении и контактах с металлическими поверхностями гидроаппаратуры. Sequential processing of the components of the mixture, first with a low-frequency sound field and then with a high-frequency sound field, allows to obtain a high-quality fuel emulsion, the combustion of which reduces the amount of harmful emissions into the atmosphere. In addition, this treatment allows to achieve high stability and long immiscibility of the emulsion, as well as chemical inertness of the water entering the emulsion during its subsequent storage and contacts with metal surfaces of hydraulic equipment.

Наличие в системе двух последовательно установленных гидродинамических диспергаторов, настроенных на разную звуковую частоту, обеспечивает получение высококачественную смеси устойчивых ассоциатов, которая не подвергается разложению на отдельные компоненты в течение более длительного периода, чем известные смеси, полученные при обработке смеси компонентов в известных системах. The presence in the system of two sequentially installed hydrodynamic dispersants tuned to different sound frequencies ensures a high-quality mixture of stable associates that does not decompose into individual components for a longer period than the known mixtures obtained by processing the mixture of components in known systems.

Предлагаемая система позволяет возбудить в обрабатываемой эмульсии несколько обширных зон кавитации, что резко улучшает качество диспергирования и увеличивает производительность процесса. Кроме того, происходит взаимовлияние акустических колебаний, возникающих в диспергаторах 5, 6. The proposed system allows you to excite in the emulsion being processed several extensive cavitation zones, which dramatically improves the quality of dispersion and increases the productivity of the process. In addition, there is a mutual influence of acoustic vibrations arising in dispersants 5, 6.

Выполнение гидродинамического диспергатора с соплом, профиль выходного отверстия которого выполнен в виде щели, позволяет создать одинаковый скоростной напор по всей ее длине, чем обеспечиваются одинаковые условия обработки всей протекающей смеси компонентов. Форма перехода входной полости сопла в щель по криволинейным выпуклым поверхностям позволяет сформировать плоскую струю с наименьшими потерями энергии на преодоление гидравлического сопротивления, вызванного изменением сечений. The implementation of the hydrodynamic dispersant with a nozzle, the outlet opening of which is made in the form of a slit, allows you to create the same speed head along its entire length, which ensures the same processing conditions for the entire flowing mixture of components. The shape of the transition of the entrance cavity of the nozzle into the slot along curved convex surfaces allows you to form a flat jet with the least energy loss to overcome the hydraulic resistance caused by the change in cross sections.

Ориентировка сопла относительно пластины и размещение пластины в плоскости наибольшего сечения щели сопла позволяет возбудить акустическое колебание максимальной амплитуды за счет создания оптимальных условий возникновения завихрений - источников акустических колебаний при взаимодействии струи с пластиной. The orientation of the nozzle relative to the plate and the placement of the plate in the plane of the largest section of the nozzle slit allows you to excite acoustic oscillations of maximum amplitude by creating optimal conditions for the occurrence of turbulence - sources of acoustic vibrations in the interaction of the jet with the plate.

Наличие плоских элементов 39, обеспечивающих консольное крепление резонансной пластины, позволяет усилить эффект от колебания самой пластины колебанием указанных элементов, что повышает эффективность работы диспергатора. The presence of flat elements 39, providing cantilever mounting of the resonant plate, allows you to enhance the effect of oscillations of the plate itself by the oscillation of these elements, which increases the efficiency of the dispersant.

Выполнение задней стенки корпуса, имеющей форму вогнутой криволинейной поверхности, создает дополнительный эффект отражения акустических волн с образованием продольной волны и усилением воздействия на обрабатываемую смесь в появляющейся особо интенсивной зоне воздействия, образуемой за счет фокусировки продольных волн. The implementation of the rear wall of the housing, having the form of a concave curved surface, creates an additional effect of reflection of acoustic waves with the formation of a longitudinal wave and an increase in the impact on the processed mixture in the emerging particularly intense impact zone formed by focusing the longitudinal waves.

При одновременном введении в жидкость акустических колебаний различных частот возрастает эрозионная активность области кавитации, турбулентность и скорость акустических потоков, т.е. факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс образования эмульсий. When acoustic vibrations of various frequencies are introduced into the liquid, the erosion activity of the cavitation region, turbulence, and the velocity of acoustic flows increase, i.e. factors that have the greatest influence on the process of emulsion formation.

Применение данного способа позволяет с минимальными затратами производить перенастройку систем подачи топлива в топливно-энегретических станциях и повышать эффективность их работы при переходе с газообразного топлива на мазут. The application of this method allows, at minimal cost, to reconfigure the fuel supply systems in fuel-energy stations and increase their efficiency in the transition from gaseous fuel to fuel oil.

Испытания эмульсии, полученной в результате использования заявляемого способа, системы и гидродинамического диспергатора показали ее высокую эффективность горения и устойчивость к разделению на компоненты. Tests of the emulsion obtained by using the proposed method, system and hydrodynamic dispersant showed its high combustion efficiency and resistance to separation into components.

Claims

1. The method of preparation of the emulsion by mixing its components sequentially in the first hydrodynamic dispersant, and then in an additional hydrodynamic dispersant, characterized in that the mixture is treated in the first disperser with a sound field with a frequency of 0.5-15 kHz, and in the additional dispersant with a sound field with frequency of 15-365 kHz, and the sound fields excite due to the interaction of the mixture with the corresponding resonant tuned adjustable source.

2. The method according to claim 1, characterized in that the components are pre-treated in a mixer.

3. The method according to claim 1, characterized in that the components are preliminarily subjected to heat treatment.

4. A system for preparing an emulsion containing a line of one component; a line of another component, including a filter, a metering device; an emulsion line with a first hydrodynamic dispersant, the output of which is connected to the input of an additional hydrodynamic dispersant, the line of one component and the line of the other component being connected to the first dispersant, characterized in that the first dispersant has a resonant frequency range of 0.5-15 kHz, and the additional dispersant has resonant frequency range of 15-365 kHz.

5. The system according to claim 4, characterized in that it is equipped with a mixer installed at the inlet of the first dispersant.

6. The system according to claim 4, characterized in that the line of one component contains taps, a counter, a check valve, a pressure sensor and a temperature sensor.

7. The system according to claim 4, characterized in that the line of the other component contains taps, a filter, a meter, a pump, a check valve, a pressure sensor.

8. The system according to one of paragraphs.4 and 5, characterized in that the emulsion line consists of two parallel branches, each of which includes a tap, an emulsion pump, a check valve, and the input of these branches is connected to the output of the mixer, and the output these branches through a pressure sensor is connected to the input of the first dispersant, and at the output of the additional dispersant, a pressure sensor, a temperature sensor and a tap are installed in series.

9. The system according to claim 4, characterized in that the system comprises an additional parallel branch of the emulsion line with the first and additional dispersants installed in series.

10. The system according to claim 4, characterized in that the emulsion line is equipped with a recirculation channel connecting the output of the additional dispersant to the input of two parallel branches and equipped with a tap and a check valve.

11. Hydrodynamic dispersant containing a housing, a nozzle and a resonant plate with fastening elements, cantileverly mounted with the possibility of moving the tip to the nozzle, characterized in that the nozzle outlet is made in the form of a gap, and the rear wall of the housing is made in the form of a concave curved surface.

12. The hydrodynamic dispersant according to claim 11, characterized in that in the zone of transition of the hole to the long sides of the slot, the profiles of the longitudinal section of the nozzle are in the form of convex curved surfaces.

13. The hydrodynamic dispersant according to claim 11, characterized in that the plate is installed with the possibility of tuning to the frequency range of 0.5-365 kHz.

14. The hydrodynamic dispersant according to claim 11, characterized in that the plate is installed with the possibility of replacement.

15. The hydrodynamic dispersant according to claim 11, characterized in that between the fixed part of the plate and the rear wall of the housing an additional element is installed, having the form of a concave curved surface and connected to the housing with the formation of a gap between the housing wall and the element.

16. The hydrodynamic dispersant according to claim 11, characterized in that the fastening elements of the plate with the second end are fixed to the nozzle.