Способ получения гидратированного топлива
Владельцы патента RU 2635664:
Ефимова Наталья Леонидовна (RU)
Покровский Александр Владимирович (RU)
Зубакин Сергей Иванович (RU)
Кумар Анил (RU)
Пименов Юрий Александрович (RU)
Изобретение описывает способ получения гидратированного топлива на основе дизельного топлива с добавлением воды и эмульгатора путем обработки в виброкавитационном гомогенизаторе с вращающимся рабочим элементом – ротором с перфорированной поверхностью и неподвижным рабочим элементом – статором, при этом дизельное топливо предварительно смешивают с ПАВ, представляющим собой продукт высокотемпературной конденсации смеси растительных масел и моно- или диэтаноламина в количестве 1,0-1,5 масс. %, полученную смесь подают в виброкавитационный гомогенизатор при удельном расходе смеси не более 2,5 г/см2 рабочей поверхности ротора в секунду и окружной скорости его вращения не менее 20 м/с, после чего в полученную смесь вводят водную фазу в количестве 10-20 масс. % от общего количества топлива с ПАВ с предварительно растворенным в водной фазе карбамидом в количестве 30-35 масс. %, после чего смесь подают в потоке в упомянутый гомогенизатор порциями, не превышающими 10% за один проход с указанными выше параметрами. Технический результат заключается в получении стабильных топливных эмульсий, устойчивых до температуры - 10°C. 1 з.п. ф-лы, 2 пр., 2 табл.
Изобретение относится к новым топливным эмульсиям, в которых дисперсионной средой служит углеводородное топливо, а дисперсной фазой - вода, преимущественной областью применения которых являются двигатели внутреннего сгорания транспортных средств.
Разрабатывается способ получения водно-топливных эмульсий, которые являются моторным топливом, в котором дисперсионной среды представлены дизельным топливом и различными марками бензина.
Актуальность получения устойчивых водно-топливных эмульсий и их использования объясняется необходимостью решения задач энергосбережения и экологической безопасности при работе энергетических топливных машин.
Многочисленными экспериментами установлено, что вода оказывает следующее влияние на рабочий процесс в двигателях внутреннего сгорания (ДВС):
- снижает температуру горения и скорость горения топливовоздушной смеси;
- тормозит развитие предпламенного окисления углеводородов;
- ускоряет превращение выделяемой окиси углерода в нейтральную двуокись;
- уменьшает содержание в выхлопных газах окислов азота;
- испаряясь, повышает давление в цилиндрах;
- взаимодействуя с поверхностью рабочей камеры, очищает ее от нагара посредством микровзрывного действия;
- увеличивает полноту сгорания топливовоздушной смеси;
- выравнивает изменение крутящего момента по углу поворота ДВС и тем самым способствует увеличению мощности двигателя.
С этим связаны многочисленные попытки подачи воды различными способами в цилиндры двигателя. Как указано в патентах US 1701621 и US 4696638, наукой признана возможность производить начальную концентрированную эмульсию воды с тяжелым гидрокарбонатным маслом и затем разбавлять этой эмульсией моторное топливо, например бензин, с тем, чтобы получить конечную композицию топлива.
Использование водно-топливных эмульсий возможно при условии, что водно-топливная эмульсия является устойчивой в течение 72 часов при эксплуатации транспортного средства, не менее месяца - при периодическом простаивании транспортного средства или не менее 3-х месяцев - при хранении.
Кроме того, водно-топливная эмульсия должна иметь ощутимо более высокие по сравнению с чистым топливом экологические показатели и желательно более низкую стоимость, чем чистое топливо.
Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) является достаточно апробированным подходом к получению эффективных эмульгирующих систем и водно-топливных эмульсий. В настоящее время насчитывается множество составов ПАВ, предназначенных для применения в пищевой и косметической отраслях, а также в производстве моющих средств. Некоторые из них используются и для получения водно-топливных эмульсий. Кроме этого имеются патенты, в которых представлены эмульсии, предназначенные специально для использования в качестве моторного топлива. Примерами служат патенты US: 1498340; 1533158; 1701691; 3587581; 3807973; 3876391; 4199316; 4244702; 4696638, в которых ПАВ включают в себя любой эмульгатор или смесь эмульгаторов, применяемых в технике. Более подробно патент US 3527581 содержит описание эмульсии воды в бензине. Применяемая смесь ПАВ состоит, по крайней мере, из двух компонентов, один из которых растворяется преимущественно в воде, другой - в углеводородной фазе. В качестве ПАВ используется смесь жирных кислот C12-C20, аминов, алкиламиноспиртов с C3-C5 и алкилфенолов с C8-C12 в алкильной группе. Патент US 3807973 содержит ПАВ - диэтаноламид жирной кислоты, моноэфир триэтаноламина и жирной кислоты триэтаноламина и жиров кислоты триэтаноламина.
Из других патентов можно отметить следующие. Патент SU 699005 содержит ПАВ - смесь диэфира пентаэритрита и олеиновой кислоты с полиэтиленгликолевым эфиром ангидросорбата и олеиновой кислоты или с тетраэтиленгликолевым эфиром изооктилфенола.
Из патенте RU 2213768 известен способ приготовления эмульгатора для получения водотопливных эмульсий путем смешивания поверхностно-активного вещества с водой, нагреву полученной смеси подвергают до температуры, не превышающей 90°C, с последующим перемешиванием в аппарате, использующем принцип электромагнитного вихревого слоя ферромагнитных элементов при частоте вращения магнитного поля 1400-3000 об/мин и энергонапряженности 2-5 кВт/дм3 в рабочей зоне. предусмотрены варианты смешивания ПАВ с алифатическим спиртом.
В патенте №2365618 описана водно-топливная эмульсия, предназначенная для двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком углеводородном топливе.
Способ получения водно-топливной эмульсии заключается в том, что смешивают дисперсионную среду - углеводородное топливо и дисперсную фазу - воду. Эмульгирующая система, предназначенная для получения указанной водно-топливной эмульсии, содержит: первую группу компонентов, представленную низкомолекулярным анионным поверхностно-активным веществом и неионным поверхностно-активным веществом в соотношении от 3:1 до 6:1 соответственно, компонент или смесь компонентов из второй группы, представленной гидрофобизатором и высокомолекулярным поверхностно-активным веществом, вещество из третьей группы, выбранное из бетаина, пропанола-2, сорбита, дистиллятов нефти, и вещество или смеси веществ из четвертой группы, являющихся маслокомпенсирующими агентами. Технический результат - получение устойчивых водно-топливных эмульсий не менее 72 часов.
Известен способ получения водоэмульсионного топлива по патенту №2566306 от 20.10 2015. Способ заключается в циркуляции смеси углеводородов с водой через виброкавитационный гомогенизатор не менее трех раз при относительном центробежном ускорении ротора не менее 1200 g, и зазором между ротором и статором не более 0,25 мм.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ получения водно-топливной эмульсии, включающий смешение топлива, воды и стабилизатора-поверхностно-активного вещества. Смешение осуществляют в узле эмульгирования при одинаковом исходном массовом соотношении топлива и воды или избытке воды с принудительной циркуляцией формируемой эмульсии при постепенном введении в нее топлива до заданного соотношения топлива и воды. (Патент РФ №2100413 от 27.12.1997)
Расслоение эмульсии дизельного топлива, приготовленной по предлагаемому способу, не наблюдается в течение 4 мес., смеси эмульсии и бензина - в течение 1 мес.
К недостаткам способов получения указных обратных топливных эмульсий относятся нестабильность полученной эмульсии гидратированного топлива при отрицательных температурах. Все известные эмульсии при отрицательных температурах разрушаются, т.к. при этом происходит фазовый переход воды - она замерзает. Происходит разрушение слоя ПАВ на границе вода-топливо и при оттаивании эмульсия расслаивается на компоненты.
Задачей изобретения является разработка способа получения высокоэффективного гидратированного водоэмульсионного топлива с хорошими эксплуатационными характеристиками.
Техническим результатом от использования изобретения является разработка способов получения стабильных топливных эмульсий, устойчивых до температуры -10°C.
Задача решается и технический результат достигаются тем, что для получения высокоэффективного гидратированного топлива используют поверхностно-активное вещество (ПАВ), полученное путем высокотемпературной конденсации смеси растительных масел и моно- или диэтаноламина, а также карбамид (мочевину), которые в совокупности обеспечивают экологичность отработанных газов при использовании топлива, а в также позволяют получать устойчивые эмульсии до температуры -10°C.
Разработанный способ получения гидратированного топлива заключается в том, что в качестве ПАВ используют продукт высокотемпературной конденсации смеси растительных масел и моно- или диэтаноламина, который в количестве 1,0-1,5 масс. % предварительно смешивают с дизельным топливом и обрабатывают в виброка-витационном гомогенизаторе с вращающимся рабочим элементом - ротором с перфорированной поверхностью и неподвижным рабочим элементом - статором при удельном расходе смеси не более 2,5 г/см2 рабочей поверхности ротора в секунду и окружной скорости его вращения не менее 20 м/сек, после чего в полученную смесь вводят водную фазу в количестве 10-20 масс. % от общего количества топлива с ПАВ, с предварительно растворенным в количестве 30-35 масс. % карбамидом, и общую смесь подают в потоке в упомянутый гомогенизатор порциями, не превышающими 10% за один проход с указанными выше параметрами.
Для дизельного топлива с низким цетановым числом одновременно с ПАВ дополнительно вводится в качестве промотора горения, например, циклогексилнитрат в количестве 0,05-0,5 масс. %.
Порядок ввода компонентов в композицию в разработанном способе обусловлен необходимостью получения высококачественной эмульсии с одновременным сокращением технологического цикла. Кроме того, карбамид - это твердое кристаллическое вещество и его невозможно ввести в воду при одновременном вводе воды в дизельное топливо (ДТ), т.к. он нерастворим в неполярных растворителях. Необходимо предварительное введение ПАВ в ДТ для его равномерного распределения по объему композиции.
В качестве ПАВ используют продукт высокотемпературной конденсации смеси растительных масел и моно- или диэтаноламина.
Из литературного источника "ВЕСТНИК ВГУ, СЕРИЯ: ХИМИЯ. БИОЛОГИЯ. ФАРМАЦИЯ, 2013, №2 с. 39-41), И.Э. Карпеева и другие «Синтез амидов жирных кислот подсолнечного масла» известен способ получения ПАВ путем высокотемпературной конденсации смеси растительных масел и моно- или диэтаноламина.
Моноэтаноламиды получают путем нагревания триглицеридов и моноэтаноламина при мольном соотношении 1:3 в течение 3-х часов при 120-130°C. Полученные по окончании нагревания моноэтаноламиды содержат глицерин (около 10%). Глицерин является веществом, широко используемым в различных косметических, моющих и др. средствах в качестве смягчающего агента.
Из патента РФ №2451666 также известен каталитический способ получения алкилоламидов из триглицеридов жирных кислот и моно- или диэтаноламина в присутствии едкого натрия.
Получают моноэтаноламиды со следующими качественными показателями: содержание основного вещества 86,7-87,2 мас. %, содержание моноэтаноламина 0,7-1,0 мас. % содержание глицерина 10,0-10,5 мас. %
Ниже приведены примеры приготовления гидратированного топлива с применением разработанного способа.
ПРИМЕР 1
Гидратированное топливо получают следующим образом. Дизельное топливо марки Л или З смешивают с продуктом высокотемпературной конденсации смеси растительных масел и моно- или диэтаноламина, который взят в количестве 1,0-1,5 масс. %, полученную смесь направляют в виброкавитационный гомогенизатор с вращающимся рабочим элементом - ротором с перфорированной поверхностью и неподвижным рабочим элементом - статором при удельном расходе смеси 2,5 г/см2 рабочей поверхности ротора в секунду и окружной скорости его вращения 20 м/с. После обработки в гомогенизаторе в полученную смесь вводят водную фазу в количестве 10-20 масс. % от общего количества топлива с ПАВ, с предварительно растворенным в количестве 30-35 масс. % карбамидом.
Общую смесь подают в потоке порциями, не превышающими 10% за один проход с указанными выше параметрами, удельном расходе смеси 2,5 г/см2 рабочей поверхности ротора в секунду и окружной скорости его вращения 20 м/сек.
Наработаны образцы гидратированного топлива с содержанием воды 5,0-30,0%, содержащие ПАВ в количестве 0,5-2,0%. Их свойства приведены в сводной таблице 1.
Стабильность полученных образцов значительно различается и лежит в пределах от 1 суток до 90 суток и более, что позволяет синтезировать эмульсии с различными свойствами. Наиболее оптимальными являются эмульсии гидратированного топлива с содержанием воды 10-20% и содержанием ПАВ 1,0-1,5%.
ПРИМЕР 2
Способ получения гидратированного топлива аналогичен примеру 1.
Наработаны образцы гидратированного топлива с содержанием воды в пределах 5-30%. В воде предварительно растворено максимальное количество (30-35%) карбамида. Полученные образцы испытывались в морозильной камере при -10°С в течение 4 суток. Гидратированное топливо представляет собой белую непрозрачную маслянистую жидкость с характерным запахом.
Температура вспышки гидратированного топлива (ГТ) на 2-5 градусов Цельсия выше температуры вспышки исходного ДТ.
Максимальный размер капель воды в ГТ до и после выдержки при температуре -10 градусов Цельсия не превышает 2 мкм
Стабильность эмульсий не изменилась.
Введение циклогексилнитрата в количестве до 1,0% не сказывается на свойствах таких эмульсий. (М.О. Лернер. Химические регуляторы горения моторных топлив, Москва, изд. Химия, 1979)
На предварительных испытаниях проверялась работоспособность двигателя 2Ч8,5/11 при работе на гидратированном топливе различной рецептуры. На всех режимах, в том числе и при горячих пусках, двигатель работал устойчиво.
Использование композиций с испытанными рецептурами позволяет снизить удельный эффективный расход топлива до 15% по массе.
Использование гидратированного топлива с испытанными рецептурами позволяет значительно улучшить экологические характеристики дизельной установки, особенно значительный эффект наблюдается по снижению эмиссии окислов азота (до 45%).
1. Способ получения гидратированного топлива на основе дизельного топлива с добавлением воды и эмульгатора путем обработки в виброкавитационном гомогенизаторе с вращающимся рабочим элементом-ротором с перфорированной поверхностью и неподвижным рабочим элементом-статором, отличающийся тем, что дизельное топливо предварительно смешивают с поверхностно-активным веществом ПАВ, представляющим собой продукт высокотемпературной конденсации смеси растительных масел и моно- или диэтаноламина в количестве 1,0-1,5 масс. %, полученную смесь подают в виброкавитационный гомогенизатор при удельном расходе смеси не более 2,5 г/см2 рабочей поверхности ротора в секунду и окружной скорости его вращения не менее 20 м/с, после чего в полученную смесь вводят водную фазу в количестве 10-20 масс. % от общего количества топлива с ПАВ, с предварительно растворенным в воной фазе карбамидом в количестве 30-35 масс. %, после чего смесь подают в потоке в упомянутый гомогенизатор порциями, не превышающими 10% за один проход с упомянутыми выше параметрами.
2. Способ получения гидратированного топлива по п. 1, отличающийся тем, что для дизельного топлива с низким цетановым числом одновременно с ПАВ дополнительно вводят в качестве промотора горения циклогексилнитрат в количестве 0,05-0,5 масс. %.
