Способ получения топливной эмульсии
Изобретение относится к способу получения топливной эмульсии из углеводородной топливной основы и воды, имеющей в своем составе поверхностно-активное вещество и модификатор, включающий смешение углеводородной основы с водой, поверхностно-активным веществом и модификатором, и характеризуется тем, что в качестве модификатора используют водорастворимые окислители и их смешивают с водой перед вводом в топливную эмульсию. Способ позволяет получить агрегатно стабильную во времени топливную эмульсию, а также уменьшить количество вредных и токсичных веществ в отходящих газах, образующихся после сгорания эмульсии. 5 табл.
Изобретение относится к области нефтепереработки и нефтехимии и может использоваться в задачах более эффективного применения нефтепродуктов, в частности тяжелых газойлей и мазута в качестве топлива.
При использовании таких видов топлив в быту и промышленности первостепенной задачей является уменьшение вредных выбросов в отходящих газах из топок, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин. В частности - это несгоревший мелкодисперсный углерод (сажа), токсичный оксид углерода (II) - угарный газ. Данные вредные выбросы являются опасными веществами и, естественно, ухудшают экологическую обстановку в месте использования углеводородного топлива. Не менее важной задачей является экономия топлива при использовании его по прямому назначению.
До настоящего времени эти задачи полностью не решены, хотя известны пути их частичного решения путем создания топливно-спиртовых и водно-топливных эмульсий.
Цель изобретения - улучшение стабильности водно-топливной эмульсии, улучшение экологических параметров за счет снижения вредных выбросов в отходящих газах, экономия топлива - углеводородной топливной основы.
Аналогом данного способа является способ получения топливно-водной эмульсии, включающей смешение углеводородного топлива и воды при помощи ультразвуковых кавитационных воздействий [1].
Аналогом данного способа является способ получения водно-топливной эмульсии путем смешения углеводородной основы и воды, осуществляемый при помощи различных диспергирующих устройств, путем барботажа воздухом либо паром [2].
Аналогом данного способа является способ получения и применения водно-топливных эмульсий в дизельных двигателях при помощи поверхностно-активных веществ (ПАВ) [3].
Аналогом данного способа является способ получения водно-углеводородных эмульсий электрическими и электрофизическими способами [4].
Аналогом данного способа является способ получения топливно-спиртовых, в частности топливно-метанольных, эмульсий при помощи поверхностно-активных веществ (ПАВ) и различных дополнительных приемов интенсивного перемешивания [5].
Прототипом данного технического решения является способ получения топливной эмульсии, описанной в [6].
Данный способ предусматривает процесс эмульгирования воды в углеводородной основе при помощи поверхностно-активных веществ. Согласно его осуществлению в углеводородную основу, например керосин, мазут, тяжелый газойль и т.д., и в воду вводят различные виды ПАВ, после чего осуществляют процесс получения эмульсии путем механического перемешивания, перемешивания при помощи различных диспергирующих устройств либо при помощи барботажной техники - сжатым воздухом.
Недостатками прототипа можно считать
1. Недостаточную агрегативную стабильность эмульсии во времени - ее расслоение в течение некоторого времени с потерей полезных целевых свойств.
2. Наличие вредных и токсичных веществ в отходящих газах после сгорания, ухудшающих экологическую обстановку в местах использования эмульсии.
3. Недостаточный уровень топливных характеристик эмульсий, приводящий к увеличению норм расхода при обогреве целевой единицы массы либо площади.
Указанные недостатки преодолеваются, если используют способ получения топливной эмульсии из углеводородной топливной основы и воды, имеющий в своем составе поверхностно-активное вещество и модификатор, включающий смешение углеводородной основы с водой, ПАВ и модификатором, отличающийся тем, что в качестве модификатора используют водорастворимые окислители и их смешивают с водой перед вводом в топливную эмульсию.
Указанные модификаторы - водорастворимые окислители - относятся к различным классам неорганических соединений.
Известен нитрат аммония [7] - NH4NO3 - водорастворимый окислитель, используемый при производстве смесевых твердых ракетных топлив, взрывчатых веществ и в качестве минерального удобрения.
Известен перхлорат аммония [8] - NH4CLO4 - водорастворимый окислитель, используемый при производстве смесевых твердых ракетных топлив, взрывчатых веществ и пиротехнических составов.
Известен пероксид водорода [9] - H2O2 - водорастворимый окислитель, используемый в ракетных топливах.
Известен хлорид натрия [10] - NaClO3 - водорастворимый окислитель, используемый в производстве взрывчатых веществ, пиротехнических составах, а также в спичечном производстве.
Известен нитрат калия [11] - KNO3 - водорастворимый окислитель, используемый в производстве черного (дымного) пороха, взрывчатых веществ и в качестве минерального удобрения.
В последние годы в связи с сокращением военных заказов очень остро встала задача ассимиляции этих окислителей, т.е. их использование в других отраслях промышленности, в силу сокращения производства ракетных топлив и взрывчатых веществ. Использование этих водорастворимых окислителей в качестве модификаторов топливных эмульсий согласно патентуемого способа ранее описано не было.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.
Пример 1.
Осуществляют изготовление топливных эмульсий по прототипу путем ввода окислителя непосредственно в топливную эмульсию и по заявляемому способу. В качестве углеводородной основы используют керосин; в качестве поверхностно-активного вещества - смесь солей высших жирных кислот магния, кальция и аммония, в качестве водорастворимого окислителя - нитрат аммония.
Сжигание топливных эмульсий проводили при коэффициенте избытка воздуха 1.0, подаваемый в экспериментальную печь воздух был комнатной температуры, водно-топливная эмульсия прогревалась до температуры 50°С с целью снижения вязкости.
Содержание сажи в отходящих газах оценивали по шкале Боша; уровень СО - по показателю оценки оксида углерода (II) в газах при помощи газоанализатора.
Топливные характеристики эмульсии оценивали по величине нормы расхода эталонной топливной эмульсии (л/ч; либо % расходуемого топлива по массе по отношению к номиналу), необходимый для доведения определенного количества воды (примерно 10 кг) от комнатной температуры до 100°С.
Результаты испытаний топливных эмульсий по прототипу, при простом вводе в нее окислителя, и по заявленному решению представлены в таблице
| Таблица 1 | ||||
| Вариант исследования | Показатели | |||
| Время расслоения эмульсии, час | «СО» в отходящих газах, % | «С» в отходящих газах, % | Норма расхода эмульсии, % | |
| Прототип | 20 | 4,5 | 1,3 | 100 |
| Непосредственный ввод окислителя NH4NO3 в топливную эмульсию | 1, далее - гетерогенная система, которую невозможно было дозировать для сжигания | Не определялось из-за невозможности сжигания | Не определялось из-за невозможности сжигания | Не определялось из-за невозможности сжигания |
| Заявляемое решение | 50 | менее 0,05 | Практически 0,05 | 78 |
Из данных таблицы 1 видны преимущества заявляемого технического решения в сравнении с прототипом.
Пример 2.
Осуществляют изготовление топливной эмульсии по прототипу путем ввода окислителя непосредственно в топливную эмульсию и по заявляемому способу. В качестве углеводородной основы используют тяжелый газойль, в качестве ПАВ - смесь оксиэтилированных алкилфенолов и спиртов, в качестве модификатора - водорастворимого окислителя - перхлорат аммония.
Сжигание топливных эмульсий и оценку параметров отходящих газов агрегативной устойчивой эмульсии и нормы расхода осуществляем аналогично примеру 1.
Результаты испытаний топливных эмульсий по прототипу при простом вводе в нее окислителя и по заявляемому решению представлены в таблице.
| Таблица 2 | ||||
| Вариант исследования | Показатели | |||
| Время расслоения эмульсии, час | «СО» в отходящих газах, % | «С» в отходящих газах, % | Норма расхода эмульсии % | |
| Прототип | 16 | 3,8 | 1,0 | 100 |
| Непосредственный ввод окислителя NH4ClO4 в топливную эмульсию | Уже через 1 час гетерогенная система, которую невозможно дозировать | Не определялось из-за невозможности сжигания | Не определялось из-за невозможности сжигания | Не определялось из-за невозможности сжигания |
| Заявляемое решение | не менее 24 | менее 0,05 | менее 0,05 | 71 |
Пример 3.
Осуществляют изготовление топливных эмульсий по прототипу путем ввода окислителя непосредственно в топливную эмульсию и по заявляемому способу. В качестве углеводородной основы используют мазут марки М 40, в качестве ПАВ - смесь стеаратов, олеатов и пальмитератов натрия и калия, в качестве модификатора - водорастворимого окислителя - пероксид водорода.
Сжигание топливных эмульсий и оценку параметров отходящих газов, агрегативной устойчивости и нормы расхода осуществляли аналогично примеру 1.
Результаты испытаний топливных эмульсий по прототипу при простом вводе в нее окислителя и по заявляемому решению представлены в таблице.
| Таблица 3 | ||||
| Вариант исследования | Показатели | |||
| Время расслоения эмульсии, час | «СО» в отходящих газах, % | «С» в отходящих газах, % | Норма расхода эмульсии % | |
| Прототип | 10 | 5,8 | 2,0 | 100 |
| Непосредственный ввод окислителя H2O2 в топливную эмульсию | Уже через 1 сутки - гетерогенная система, которую невозможно дозировать | Не определялось из-за невозможноси сжигания | Не определялось из-за невозможности сжигания | Не определялось из-за невозможности сжигания |
| Заявляемое решение | более 30 | менее 0,05 | менее 0,05 | 92 |
Из данных таблицы 3 видны преимущества заявляемого технического решения в сравнении с прототипом.
Пример 4.
Осуществляют изготовление и испытания топливной эмульсии аналогично примера 1 с той разницей, что в качестве окислителя используют хлорат натрия. Результаты испытаний представлены в таблице.
| Таблица 4 | ||||
| Вариант исследования | Показатели | |||
| Время расслоения эмульсии, час | «СО» в отходящих газах, % | «С» в отходящих газах, % | Норма расхода эмульсии % | |
| Прототип | 20 | 4,5 | 1,3 | 100 |
| Непосредственный ввод окислителя NaClO3 в топливную эмульсию | Уже через 1 час гетерогенная система, которую невозможно дозировать | Не определялось из-за невозможности сжигания | Не определялось из-за невозможности сжигания | Не определялось из-за невозможности сжигания |
| Заявляемое решение | 56 | менее 0,05 | менее 0,05 | 73 |
Из данных таблицы 4 виды преимущества заявляемого технического решения в сравнении с прототипом.
Пример 5.
Осуществляют изготовление и испытание топливных эмульсий аналогично примеру 2, с той разницей, что в качестве модификатора используют нитрат калия. Результаты испытаний представлены в таблице.
| Таблица 5 | ||||
| Вариант исследования | Показатели | |||
| Время расслоения эмульсии, час | «СО» в отходящих газах, % | «С» в отходящих газах, % | Норма расхода эмульсии % | |
| Прототип | 16 | 3,8 | 1,0 | 100 |
| Непосредственный ввод окислителя KNO3 в топливную эмульсию | Уже через 1 час гетерогенная система, которую невозможно дозировать | Не определялось из-за невозможноси сжигания | Не определялось из-за невозможности сжигания | Не определялось из-за невозможности сжигания |
| Заявляемое решение | более 24 час | менее 0,05 | менее 0,05 | 79 |
Таким образом, из представляемых примеров ясно видны преимущества заявляемого технического решения по сравнению с прототипом в плане обеспечения стабильности по времени топливной эмульсии, лучших экологических показателей по отходящим топливным газам, меньшим норм расхода топлива при его использовании.
Предлагаемые топливные эмульсии имеют в среднем на одну тысячу рублей более низкую цену в сравнении и серийно применяемыми топливами. Наряду с этим обеспечивается решение вопроса об ассимиляции окислителей - компонентов спецпродуктов - перхлората, нитрата аммония, нитрата калия, хлората натрия, пероксида водорода - в гражданскую отрасль промышленности. Реализация данного технического решения в промышленности даст существенные экономический, экологический и социальный эффект.
Литература
1. Б.Б.Кудрявцев. Диспергирующее действие кавитации. Коллоидный журнал. 1959 г. вып.1.
2. И.И.Левш, О.Б.Баландина. Барботаж воздуха через слой вязкой жидкости. Журнал прикладной химии. 1959. Вып.5.
3. В.П.Шкаликова. Применение нетрадиционных топлив в дизелях. М.: 1986. с.37-41.
4. Ред. А.А.Абрамзон. Эмульсии. Перевод с англ. Л.: 1972. С. 35-60.
5. В.А.Лиханов. Снижение токсичности и улучшение эксплуатационных показателей тракторных дизелей путем применения метанола. Киров. 2001, с.137-145.
6. В.Н.Иванов. Топливные эмульсии. М.: 1962, с.43-72.
7. Ред. В.М.Олевский. Технологии аммиачной селитры. М.: 1978.
8. Химическая энциклопедия. T.1. M.: 1988. с.154.
9. И.Шалиб, Ч.Сеттерфилд, Р.Ветворс. Перекись водорода. Пер. с англ. М. 1958.
10. Химическая энциклопедия. Т.3 М., 1992. стр.188-189.
11. М.Е.Позин. Технология минеральных солей. Ч.2. Л. 1974.
Способ получения топливной эмульсии из углеводородной топливной основы и воды, имеющей в своем составе поверхностно-активное вещество и модификатор, включающий смешение углеводородной основы с водой, поверхностно-активным веществом и модификатором, отличающийся тем, что в качестве модификатора используют водорастворимые окислители и их смешивают с водой перед вводом в топливную эмульсию.
