Установка для приготовления водно-топливной эмульсии

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДНО-ТОПЛИВНОЙ ЭМУЛЬСИИ(71) Заявители Смешек Эдуард ЮлиановичГоняев Игорь ФилипповичМутаев Александр Александрович(72) Авторы Смешек Эдуард Юлианович Гоняев Игорь ФилипповичМутаев Александр Александрович(73) Патентообладатели Смешек Эдуард ЮлиановичГоняев Игорь ФилипповичМутаев Александр Александрович(57) Установка для приготовления водно-топливной эмульсии, содержащая емкости для углеводородного сырья и воды, насос-дозатор, соединенные гидравлическим трубопроводом со статическим кавитационным устройством предварительного смешения, гидродинамическое устройство, в корпусе которого размещена статорно-роторная кавитационная система гомогенизации эмульсии с входными и выходным патрубками, электропривод и накопительную емкость готовой эмульсии, отличающаяся тем, что дополнительно содержит электролизер, электролитическая камера которого разделена пористой перегородкой на катодное К и анодное А пространства, причем анодное и катодное пространства гидравлически соединены со статическим кавитационным устройством предварительного смешения, а также обратными трубопроводами с емкостью для воды,при этом корпус гидродинамического кавитационного устройства выполнен с кольцевой вихревой камерой, на периферийной внутренней поверхности которой смонтированы ультразвуковые излучатели с рабочей частотой 19,9-22 кГц.(56) 1.2223815 С 1, МПК 7 В 01 11/00, (22)2002.06.19, (14)2004.02.20, (54) Способ приготовления эмульсии, система и устройство для его осуществления. 2.26197 , МПК 7 В 01 11/02, (22)2002.07.05, (45)2002.11.20, (54) Гидродинамический диспергатор. 3.95116412 А, МПК 7 В 01 11/02, (22)1995.09.21, (43)1997.09.10, (54) Ультразвуковой смеситель для приготовления эмульсий. 4.54816 , МПК 7 В 01 5/00, 7/00, (22)2006.01.20, (14)2006.07.27, (54) Устройство приготовления водно-мазутной эмульсии. 5.2650 С 1, МПК 6 В 01 3/08, С 10 1/00, 10/00, (22)1996.12.06, (46)1999.03.30, (54) Устройство для приготовления топливо-водяной эмульсии. 6.2202406 С 2, МПК 7 В 01 3/08, (22)2001.01.12, (14)2003.04.20, (54) Способ приготовления водотопливной эмульсии, статическое кавитационное устройство для эмульгирования и гидродинамическое многосекционное кавитационное устройство гомогенизации эмульсии (прототип). Полезная модель относится к энергетике, в частности к оборудованию для топливной,химической, нефтедобывающей и некоторых других отраслей промышленности, и предназначена для получения на основе жидких углеводородных продуктов и воды топливных эмульсий методом гидродинамической кавитации. Известна система и устройство для приготовления водно-топливной эмульсии с помощью гидродинамической кавитации (1, 2). Система включает два последовательно соединенных гидродинамических диспегаторов, один из которых работает в диапазоне частот 0,5-15 кГц, а второй на частоте 15-365 кГц. Каждый диспергатор содержит корпус,сопло и консольную резонансную пластину, которая выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении для обеспечения резонансной настройки пластины с колебаниями потока эмульсии. Выходное отверстие сопла выполнено в виде щели, а задняя стенка корпуса имеет форму вогнутой криволинейной поверхности. Система позволяет возбуждать в обрабатываемой эмульсии несколько зон кавитации. Недостатком системы является неэффективное смешение, которое не позволяет получать высоко гомогенные эмульсии. Предложен ультразвуковой смеситель для приготовления эмульсий (3). Смеситель содержит корпус с входным и выходным патрубками. В корпусе установлен ротор с закрепленными на нем лопатками, соединенный с приводом. На внутренней поверхности корпуса также закреплены лопатки. По меньшей мере, часть лопаток ротора и/или корпуса выполнена в виде консольно закрепленных под углом к оси вращения ротора прямоугольных пластин из упругого материала, удовлетворяющего условию(3,52/ 2)/18000,где Е - модуль упругости материала пластин, Па- осевой момент инерции поперечного сечения пластин, м 4- длина консольных участков пластин, м- плотность материала пластин, кг/м 3- площадь поперечного сечения пластин, м 2. Недостатком такого смесителя является низкая плотность энергии ультразвукового излучения, что снижает эффективность гомогенизации эмульсии и приводит к ее быстрому расслоению. Известно устройство приготовления водно-мазутных эмульсий роторно-статорного типа (4). Устройство содержит электродвигатель, вал которого соединен с ротором, помещенным в статор с вихревой камерой. Камера подсоединена к выходному патрубку с манометром, при этом входной патрубок с манометром подсоединен к входному отвер 2 39392007.10.30 стию корпуса устройства. Внутри ротора встроена шестилопастная крыльчатка насоса,разделяющая его на две полости. Ротор выполнен в виде головки с двумя рядами радиальных, прямоугольных, равномерно расположенных по окружности, отверстий. Статор выполнен в виде цилиндрического стакана, с двумя рядами радиальных, прямоугольных,равномерно расположенных по окружности, отверстий и закреплен внутри вихревой камеры. Отличительной особенностью устройства является то, что отверстия ротора и статора выполнены соосно и расположены под некоторым углом к радиальному направлению. Внутренняя поверхность вихревой камеры выполнена с дополнительно внесенными и пространственно распределенными впадинами и выпуклостями различных размеров и форм. Устройство позволяет реализовать эффективное гидродинамическое воздействие на обрабатываемую эмульсию, выражающееся в больших сдвиговых напряжениях в жидкости, развитой турбулентности, пульсациях давления и скорости потока жидкости. Недостатком известного технического решения является не высокая устойчивость получаемой эмульсии к расслоению. Предложено устройство для приготовления топливо-водяной эмульсии в звуковом поле (5). Устройство включает фильтр, емкость для жидкого топлива, связанную посредством трубопровода и запорной арматуры с емкостью смешения, снабженной измерителем уровня. Емкость смешения связана посредством трубопровода, циркуляционного насоса и запорной арматуры с входом смесителя и трубопроводом подачи эмульсии. Устройство дополнительно снабжено емкостями для воды и накопительной емкостью с измерителями уровней, а также трубопроводами с запорной и запорно-регулировочной арматурой и насосами для подачи из соответствующих емкостей топлива и воды к емкости смешения. Смеситель выполнен в виде звукового излучателя, выход которого сообщается посредством трубопроводов и запорной арматуры с емкостями смешения и накопительной емкостью. Накопительная емкость установлена на трубопроводе для подачи эмульсии,снабженном насосом и дозатором, а емкость для топлива оснащена измерителями уровней. Звуковой излучатель обеспечивает создание звукового поля с характеристиками частотой 15-365 кГц, переменным звуковым давлением 0,5-2,0 кГс/см 2 и силой звука 0,16270 Вт/см 2 в прокачиваемой жидкости, что в сочетании со статическим давлением позволяет существенно увеличить уровень кавитационной активности. Выбранный диапазон частот повышает коэффициент поглощения звуковой энергии в жидкости, что ведет к росту скоростей акустических течений и улучшает качество получаемой эмульсии. К недостатку устройства следует отнести относительно не высокую дисперсность получаемых водяных глобул в эмульсии, что приводит к ее расслоению. Наиболее близка к предлагаемой полезной модели система гидродинамической кавитационной гомогенизации для приготовления водотопливной эмульсии, которая и выбрана в качестве прототипа (6). Система обеспечивает смешение жидкого топлива и воды путем эмульгирования в статическом кавитационном устройстве, а также очистку и окончательную обработку в гидродинамическом кавитационном многосекционном устройстве,содержащем ротор и статор. Статическое кавитационное устройство выполнено в виде трубы с внутренней трубчатой перегородкой. Кавитаторы из пластин размещены в кольцевой полости и внутри центральной трубы. Между корпусом и цилиндрической перегородкой размещен внешний кавитатор, выполненный из пластин, образующих каналы для прохода жидкой смеси в одном направлении. По внутренней окружности цилиндрической перегородки размещен внутренний кавитатор, выполненный также из пластин, образующих каналы для прохода жидкости в обратном направлении. С другой стороны корпуса в месте ввода для подачи жидкого топлива выполнена вихревая камера, образованная ее корпусом, закрепленным на торце корпуса устройства, и частью цилиндрической перегородки, входящей в корпус вихревой камеры. Гидродинамическое кавитационное устройство системы содержит несколько секций со встречно-направленными конфузорами статоров и диффузорами роторов. На корпусе 3 39392007.10.30 смонтированы входные и выходные патрубки. Каждая секция содержит наружный кольцевой элемент и вращающийся на валу ротор. Входной патрубок выполнен в виде двух входных патрубков, введенных с обеих сторон корпуса в свободные полости по меньшей мере, в одной паре секций размещен встречно-направленно своими выходами к двум входам с противоположных сторон одной центральной секции, соединенной с боковым выходным патрубком устройства. На наружном элементе каждой секции установлен статор, ротор каждой секции, имеющий по окружности диффузоры, размещен внутри статора, имеющего по окружности конфузоры, причем число диффузоров роторов равно числу конфузоров статоров. Устройство может содержать несколько пар встречнонаправленных секций с одной центральной секцией, размещенной между ними. Статор каждой секции установлен с возможностью радиального смещения. И входные патрубки с обеих сторон корпуса соединены трубопроводом, имеющим кран. В предлагаемой конструкции устройства, обрабатываемая жидкость, подаваемая во входные патрубки с двух сторон, засасывается роторами-насосами за счет действия системы диффузор-конфузор и после обработки в одной паре секций поступает в каждую последующую пару секций до выхода из центральной секции. Таким образом, устройство гомогенизации работает как центробежный насос и не требует дополнительного насоса. При прохождении жидкости через секции, в результате периодического перекрывания диффузоров роторов и конфузоров статоров, создаются условия для развития кавитации с преобразованием механической энергии в тепловую с нагреванием среды, в энергию гидродинамического удара,производящую диспергацию и гомогенизацию среды, в энергию химического взаимодействия компонентов жидкой среды, производящую активацию частиц. Наличие множества диффузоров ротора и конфузоров статора в каждой секции позволяет значительно увеличить интенсивность обработки, а условие равенства числа диффузоров и конфузоров дает возможность создать импульс гидродинамических ударов и движения среды с высоким и крутым фронтом. Встречно-направленное расположение пар секций, с одной стороны, позволяет увеличить интенсивность обработки за счет встречно-направленного движения жидкости в центральной секции, а с другой стороны, компенсировать действие осевых сил встречно-направленных потоков и исключить осевое смещение вала и, следовательно, повысить надежность конструкции. Недостатком прототипа является отсутствие самосогласования в работе статического и гидродинамического устройств системы, сложность конструктивного исполнения устройств, что снижает надежность их работы, и не достаточно высокая степень диспергации глобул воды в эмульсии, что снижает ее качественные показатели. Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков и повышение качества водно-топливной эмульсии. Технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности установки для приготовления водно-топливной эмульсии и получение эмульсий со степенью дисперсности глобул воды порядка 2-5 мкм. Поставленная задача решена тем, что установка для приготовления водно-топливной эмульсии, содержащая емкости для углеводородного сырья и воды, насос-дозатор, соединенные гидравлическим трубопроводом со статическим кавитационным устройством предварительного смешения, гидродинамическое устройство, в корпусе которого размещена статорно-роторная кавитационная система гомогенизации эмульсии с входными и выходным патрубками, электропривод и накопительную емкость готовой эмульсии, согласно полезной модели, дополнительно содержит электролизер, электролитическая камера которого разделена пористой перегородкой на катодное К и анодное А пространства, причем анодное и катодное пространства гидравлически соединены со статическим кавитационным устройством предварительного смешения, а также обратными трубопроводами с емкостью для воды, при этом корпус гидродинамического кавитационного устройства выполнен с кольцевой вихревой камерой, на периферийной внутренней 4 39392007.10.30 поверхности которой смонтированы ультразвуковые излучатели с рабочейчастотой 19,922 кГц. Сущность полезной модели поясняется чертежами на фиг. 1-3. На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки. На фиг. 2 - фрагмент гидродинамического устройства с ультразвуковыми излучателями. На фиг. 3 - вид в разрезе А-А гидродинамического кавитационного устройства согласно фиг. 2. Установка 1 включает автоматическую систему управления 2, емкости 3, 4 для углеводородного сырья и воды соответственно, гидравлический трубопровод с дозирующим краном 6 для углеводородного сырья, краном 23 для воды, краном 10 для смеси предварительного смешения и краном 22 готовой эмульсии электролизер 7 с пористой перегородкой 18, разделяющей анодное пространство А с фильтром 17 для анолита, которое трубопроводом 19 соединено со статическим кавитационным устройством 8 обратный трубопровод с краном-дозатором 33 связывает емкость для воды 4 с анодным пространством А через фильтр 17 для анолита обратный трубопровод 13 связывает католитное пространство К через самоочищающийся фильтр 12 с емкостью для воды 4, а трубопроводом - с краном-дозатором 32, католитное пространство К соединено статическим кавитационным устройством 8 статическое кавитационное устройство 8 трубопроводом с дозирующим краном 10 связано с гидродинамическим кавитационным устройством 9 электропривод 11 связан посредством вала 30 с ротора 24 гидродинамическое кавитационное устройство 9 снабжено кольцевой вихревой камерой 27 высотой , образованной между внутренней поверхностью корпуса 15, крышкой 29 и внешней поверхностью статора 32 статор содержит прямоугольные каналы-отверстия 28 высотойротор 24 выполнен с прямоугольными каналами-отверстиями 26, высота которых также равна высотевысота вихревой камеры 27 выполнена существенно больше высоты отверстий ротора 24 и статора 31 . По образующей цилиндрического корпуса 15 гидродинамического кавитационнного устройства 9 вмонтированы ультразвуковые излучатели 14,размещенные с заданным интервалом, обеспечивающим резонансный режим. Установка 1 работает следующим образом. Емкости 3, 4 наполняют углеводородным сырьем, например топочным мазутом или соляркой, и водой соответственно. Приводят в рабочую готовность систему автоматического управления 2. Далее, из емкости 2 насосом(на чертеже не показано) по трубопроводу с краном дозатором 23 подают в электролизер 7 воду, где осуществляют ее электрохимическую обработку, регулируяпутем разделения посредством пористой перегородки 18 продуктов электролиза. Продукты электролиза воды анолит или католит подают на предварительное смешение с углеводородным сырьем в статическое кавитационное устройство 8. В режиме получения эмульсии для долговременного хранения воду из анолитной камеры А, обогащенную ионами ОН- и обладающую щелочными свойствами, направляют на самоочищающийся фильтр 17 и после очистки, по трубопроводу 19, подают на предварительное смешение в статическое кавитационное устройство 8, куда одновременно посредством насоса 25 подают на смешение углеводородное сырье из емкости 3 через дозирующий кран 6. Из статического кавитационного устройства 8 после предварительного смешения водно-топливная эмульсия поступает на гомогенизацию в гидродинамическое кавитационное устройство 9. Вода из католитного пространства К после прохождения через самоочищающийся фильтр 12 подается обратно в емкость для воды 4,где смешивается со свежей водой и возвращается в рабочий цикл установки 1. В режиме получения эмульсии для непосредственного сжигания вода из католитного пространства К с повышенной кислотностью (избытком ионов водорода Н) из электролизера 7, после прохождения через самоочищающийся фильтр 12, по трубопроводу с регулировочно-запорным краном 32 подают на предварительное смешение с углеводо 5 39392007.10.30 родным сырьем в статическое кавитационное устройство 8. При этом вода из анолитного пространства А по трубопроводу с запорно-регулировочным краном 33 подается обратно в емкость для воды 4, где смешивается со свежей водой и возвращается в рабочий цикл установки 1. После предварительного смешения в статическом кавитационном устройстве 8 эмульсия насосом-дозатором 25 подается в гидродинамическое кавитационное устройство 9 через входной патрубок 9 крышки 29 в полость ротора 24, где проходит через отверстия 26 ротора 24, далее через отверстия 28 статора 31 попадает в вихревую камеру 27 и через выходные патрубки 21, по трубопроводу с краном дозатором 22, поступает в накопительную емкость 16. В гидродинамическом кавитационном устройстве 9, при вращении ротора 24 посредством электропривода 11, отверстия 26 ротора 24 периодически совмещаются с отверстиями 28 статора 31. Выходя из отверстий 28 статора 31, эмульсия попадает в вихревую камеру 27, где дополнительно подвергается воздействию ультразвукового облучения излучателей 14 и далее выводится через выходные патрубки 21 по трубопроводу с краном дозатором 22 в накопительную емкость 16. В период времени, когда отверстия 26 ротора 24 перекрыты стенкой статора 31, в полости ротора 24 давление возрастает, а при совмещении отверстия ротора 24 с отверстием 28 статора 31 давление за короткий промежуток времени сбрасывается и в результате этого в отверстие 28 статора 31 распространяется импульс давления. Таким образом, скорость потока жидкости в отверстиях 28 статора 31 является переменной величиной. При распространении в каналах-отверстиях 28 статора 31 импульса избыточного давления вслед за ним возникает кратковременный импульс пониженного (отрицательного) давления, так как совмещение каналов-отверстий 26 ротора 24 и статора 31 завершилось, и подача жидкости в каналы-отверстия 28 статора 31 происходит только за счет транзитного течения из радиального зазора между ротором 24 и статором 31. Ультразвуковые излучатели 14 настроены на частоту 19,9-22 кГц, которая выбрана из условий повышения и понижения давления в каналах-отверстиях 28 статора 31 с резонансной частотой высокочастотных импульсов порядка 880 кГц. Технический результат достигается за счет одновременного воздействия на обрабатываемую в установке эмульсию следующих факторов получение для смешения воды с регулируемыми параметрами в реакторе-электролизере путем создания волновой резонансной синхронизации. При этом в воду, как в динамическую энергонесущую структуру, накачивают энергию и придают ей заданные щелочные или кислотные свойства (изменяя значенияв широких пределах), регулируют окислительно-восстановительный потенциал (от -1200 мВ до 1200 мВ), величину поверхностного натяжения механического воздействия на частицы гетерогенной среды (вода - углеводородное сырье), заключающееся в ударных и истирающих нагрузках с рабочими частями статического кавитационного устройства на стадии предварительного смешения гидродинамическое воздействие, выражающееся в больших сдвиговых напряжениях в жидкости, развитой турбулентности, пульсациях давления и скорости потока жидкости на стадии гомогенизации в гидродинамическом кавитационном устройстве гидроакустическое воздействие за счет мелкомасштабных пульсаций давления, интенсивной кавитации, ударных волн и вторичных нелинейных акустических эффектов в резонансном режиме в результате дополнительного ультразвукового облучения. Объем жидкости, вошедший в каналы-отверстия 28 статора 31, стремится к выходу из этих каналов, и инерционные силы создают растягивающие напряжения в жидкости, что вызывает интенсивную кавитацию. Кавитационные пузырьки растут при понижении давления до давления насыщенных паров обрабатываемой жидкости при данной температуре, и схлопываются или пульсируют при увеличении давления в каналах статора. Часть кавитационных пузырьков выносится в вихревую камеру 27, где происходит дополни 6 39392007.10.30 тельная обработка эмульсии в поперечном ультразвуковом поле с частотой 19,9-22 кГц,направление распространения волн которого ортогональна потоку жидкости в вихревой камере 27. Резонансно-импульсная обработка обеспечивает полет капель жидкости со скоростями в три и более раза превышающими скорость звука, что обеспечивает при одновременной обработке в поперечном ультразвуковом поле в режиме резонанса эффективное диспергирование воды с получением глобул в эмульсии размерами порядка 2-5 мкм, что подтверждено соответствующими структурными физико-химическими исследованиями образцов полученной эмульсии. Установка отличается повышенной эксплуатационной надежностью, что достигается также за счет предварительной электролитической обработки воды. При этом эмульсию,предназначенную для долговременного хранения, получают смешением с анолитной водой, где избыток ионов гидроксила ОН- способствует стабилизации эмульсии за счет дополнительного связывания ими свободных радикалов. При получении эмульсии, которая непосредственно подается на сжигание, в нее добавляют католитную воду, характеризующуюся повышенным содержанием водородных ионов , что обеспечивает получение легких углеводородных фракций, тем самым улучшаются качественные характеристики топливной эмульсии. В таблице приведены данные результатов испытаний по сжиганию водно-мазутной эмульсии, полученной на предлагаемой установке, в паровом котельном агрегате ДЕ 10-14 котельной Березинский спиртзавод. Испытания парового котла проводились при давлении пара в барабане котла 6,0 кгс/см 2 и температуре питательной воды на входе в экономайзер 102 С. Параметры Коэффициент полезного действия котла Коэффициент избытка воздуха за котлом с ростом нагрузки Температура уходящих газов за котлом Удельный расход условного топлива Содержаниев уходящих газах за котлом Примечание При испытаниях котельного агрегата были сняты нагрузки 49-95 Дн. при надежной и устойчивой работе горелочных, тягодутьевых и питательных устройств. Испытания показали, что форсунки котла на водно-мазутной эмульсии работают устойчиво и обеспечивается ее качественное сжигание. Водно-топливные эмульсии, полученные на предлагаемой установке, характеризуются повышенным коэффициентом сжигания, что экономит топливо и уменьшает вредные выбросыи СО в атмосферу при его сжигании. Замена традиционного топлива на водно-топливную эмульсию, полученную на установке, согласно полезной модели, обеспечивает экономию топлива на 11-18 практически неограниченное время хранения эмульсии улучшение качественных характеристик топлива снижение выброса токсичных продуктов , серы, сажи на 70-75 уменьшение пережога и нагара топлива в топках котлов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8