CN101665727B - 连续制备甲醇乳化柴油的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于甲醇乳化柴油的技术领域，具体涉及一种连续制备甲醇乳化柴油的方法和装置，解决了现有甲醇乳化柴油的装置成本高、间歇生产、产品稳定性差等问题。方法的步骤为：甲醇加入亲水性乳化剂，形成水相，柴油加入亲油性乳化剂，形成油相；油相和水相由动量作用实现初步乳化，然后由超重力作用实现精度乳化。装置，包括乳化器，其外壳内设置丝网制成的可高速旋转的环状填料，环状填料的中空处设置出口相对的水相喷嘴和油相喷嘴。本发明的有益效果：能够制备稳定性好、粒径分布均匀的高质量的乳化液，可以实现连续操作，做到现做现用，可以根据需求，调整乳化剂用量，节省乳化剂用量，达到降低甲醇乳化柴油的目的；装置结构简单，易操作。
Description
技术领域
本发明属于甲醇乳化柴油的技术领域，具体涉及一种连续制备甲醇乳化柴油的方法和装置。
背景技术
由于石油资源日趋短缺和环境污染日益严重，发展低排放代油燃料已引起了世界各国的重视，特别是醇类燃料的研究一直是广大科技工作者十分关注的课题之一。在众多的代用燃料中，甲醇以其资源丰富、价格适宜、容易制取和良好的物化特性在内燃机替代燃料应用研究中越来越受到重视。原因在于我国在煤炭资源上的优势，开发煤制燃料是重要选择。其中以煤制甲醇技术较为成熟，生产成本低，并且环境效益好，推广使用可大大降低汽车燃料成本，且甲醇在常温下是液体，沸点比柴油低，混合气形成较快且比较均匀，有利于完全燃烧；甲醇含氧量占50％，其着火极限较柴油宽，燃烧速度快，有利于降低排烟；甲醇的汽化潜热比柴油大，有助于降低缸内温度，从而抑制了NOx的生成；因此，甲醇作为代用燃料已得到国内外的充分重视。其中甲醇乳化柴油是一种很有发展前途的节能降污燃料。很多专家预测，乳化油必将成为21世纪世界主要能源之一。如复合柴油及柴油添加剂等节油防污染技术相应产生，出现各种代用燃料包括醇类、植物油、氢气、天然气、液化石油气和二甲醚等，其中以柴油机燃用乳化燃料是比较容易实现的一种方式。据报道，乳化燃料的方式可以不改变柴油机的结构，用较简单的技术措施和较低的经济代价实现替代部分柴油，既节约了柴油，又降低了环境污染。其中柴油掺水乳化及微乳化技术具有节能(10～20％)、燃烧效率高、明显减少尾气污染(NOx、CO、HC)等优点，因此最受人们重视。
甲醇乳化柴油的性能除与乳化剂的类型及配方外，其性能和稳定性与乳化方式有重要关系。乳化柴油的乳化方式主要有搅拌法乳化装置、高压均质器、高剪切均质机、胶体磨等。这些乳化装置的主要缺点是不能连续性生产，设备体积大、能耗高，并且由于其构造简单生产出来的乳化柴油颗粒不细，油、水两相混合不均，乳化过程中所有流体受力不均，存在死区，从而使“油包水”型乳状液的稳定性不好，容易分层，特别是在运输过程中由于震荡容易颗粒破碎出现析水现象，严重影响其使用效果。所以为了保证其稳定性在其制造过程中需加入大量的表面活性稳定剂和乳化稳定剂，这将大大提高生产成本，影响其经济效益。超声波乳化装置在线性的交振动、周期性激波和空化的协同作用下，原来不相容的油和醇在瞬间发生了质变，形成比较均匀的乳化油。利用超声波进行乳化，就比一般的机械搅拌式、静态混合器等方法更加实用和有效；尤其是使用流体动力式超声波液哨，利用流体产生超声波，同时利用超声波对流体自身进行乳化，使乳化油更加均匀，保存时间也较长，起到了事半功倍的效果。因此超声波乳化方式以其具有体积小、重量轻、效率高的特点，目前应用较多。但是由于超声波设备的能耗较高，并且设备制备贵，所以多用于乳化的后续阶段或者实验室，很少用于大规模生产应用。
发明内容
本发明为了解决现有甲醇乳化柴油的装置成本高、间歇生产、产品稳定性差等问题，提供了一种连续制备甲醇乳化柴油的方法及装备，其优点在于实现在线乳化，故所需要的乳化剂量很小，乳液稳定性对内燃机的影响很小，可达到现做现用的目的。
本发明采用如下的技术方案实现：
连续制备甲醇乳化柴油的方法，其步骤为：甲醇在搅拌状态下加入亲水性乳化剂，形成水相，柴油在搅拌状态下加入亲油性乳化剂，形成油相；所述的油相和水相由动量作用实现初步乳化，然后由超重力作用实现精度乳化，初步乳化和精度乳化连续进行，形成油包水型甲醇乳化柴油。所述油相和水相的质量分数比为(10～30)∶(90～70)，其HLB值为4～6.2。亲水乳化剂和亲油乳化剂的总质量分数占甲醇和柴油总质量的0.1％～3％。
所述的HLB值的计算方法为：HLB＝Xa(HLB)A+Xb(HLB)B
Xa-A表面活性剂在混合表面活性剂中所占的质量分数，
Xb-B表面活性剂在混合表面活性剂中所占的质量分数。
专用于上述的连续制备甲醇乳化柴油的方法而设计的装置，包括乳化器，所述的乳化器包括外壳，外壳顶部设有水相进口和油相进口，底部开有产品出口，外壳内设置丝网制成的环状填料，环状填料与电机的输出轴相连，环状填料的中空处设置出口相对的水相喷嘴和油相喷嘴，水相喷嘴与水相进口相连，油相喷嘴与油相进口相连，水相进口与带有搅拌装置的甲醇贮槽相连而且其连接管路上设置水相输送泵和流量计，油相进口和带有搅拌装置的柴油贮槽相连而且其连接管路上设置油相输送泵和流量计，外壳底部的产品出口与产品贮槽连接。
所述水相喷嘴和油相喷嘴的开孔直径为0.5～5mm，形状为圆孔或者长条形孔。环状填料为不锈钢丝网或者塑料丝网。
在上述装置中完成的连续制备甲醇乳化柴油的方法，其步骤为：水相经水相输送泵送入水相进口，油相经油相输送泵送入油相进口，然后水相和油相分别从水相喷嘴和油相喷嘴高速喷射而出，形成相向撞击，撞击初速为1～20m/s，撞击作用将水相和油相形成了以喷嘴为中心的空间双伞型液雾混合乳化，水相和油相得到初级乳化；撞击形成的空间双伞型液雾同时进入以300rpm～5000rpm的转速旋转的环状填料，环状填料的巨大剪切作用，使得水相和油相进一步得到精度乳化，形成油包水型甲醇乳化柴油，然后经产品出口流入产品贮槽。水相和油相分别形成两股高速射流相向撞击使得油相和水相得到初步乳化的作用为动量作用；借助于环状填料所形成的超重力对初步乳化柴油进行精度乳化的作用为超重力作用。
本发明具有如下有益效果：
1、所述的方法是利用可实现动量作用和超重力作用的乳化器内进行撞击接触方式初步乳化和多孔填料旋转方式精度乳化，从而能够制备稳定性好、粒径分布均匀的高质量的乳化液，更重要的是该乳化器可以实现连续操作，做到现做现用，弥补了传统方法间歇制备乳化柴油存在稳定性差的不足，而且可以根据用户的需求(所需要的甲醇乳化柴油稳定时间)，调整乳化剂用量，节省乳化剂用量，达到降低甲醇乳化柴油的目的。
2、所述的装置结构简单，易操作，其制备的乳化柴油与传统技术制备乳化柴油技术相比，具有乳化效率高、稳定性好、粒径分布均匀、可连续运行、可现做现用等优点。
附图说明
图1为本发明所述连续甲醇乳化柴油制备装置示意图；
图2为乳化器结构示意图
图中：1-甲醇贮槽，2-水相输送泵，3-柴油贮槽，4-油相输送泵，5-乳化器，6-产品贮槽，
5.1-电机，5.2-密封，5.3-环状填料，5.4-水相喷嘴，5.5-油相喷嘴，5.6-水相进口，5.7-油相进口，5.8-产品出口，5.9-外壳。
具体实施方式
本发明为一种连续制备甲醇乳化柴油的方法，其在乳化器中发生由动量作用的初步乳化和超重力作用的精度乳化两步，具体步骤为：
A：水相溶液准备：带搅拌装置的甲醇贮槽内为甲醇，加入亲水性乳化剂，该亲水乳化剂可以是Tween系列(Tween20、Tween40、Tween60、Tween80和Tween85)；
B：油相溶液准备：带搅拌装置的柴油贮槽内为柴油，加入亲油性乳化剂，该亲油乳化剂可以是油酸、Span系列(Span60、Span80和Span85)；
亲水乳化剂和亲油乳化剂的总质量分数占甲醇和柴油总质量的0.1％～3％。
C：乳化过程：然后按水相∶油相＝(10～30)∶(90～70)的质量分数比，其HLB值为4～6.2。由输送泵将水相和油相送入乳化器的两喷嘴，两股液体相向高速撞击，撞击初速为1～20m/s，形成撞击面水相和油相在撞击过程及撞击面上发生初级乳化。撞击面边缘液体进入以300rpm～5000rpm的转速旋转的环状填料中，在强大离心力作用下反应液进一步精度乳化，形成油包水型甲醇乳化柴油。
专用于实现上述连续制备甲醇乳化柴油的方法的装置：其特征在于包括乳化器5，所述的乳化器包括外壳5.9，外壳5.9顶部设有水相进口5.6和油相进口5.7，底部开有产品出口5.8，外壳5.9内设置丝网制成的环状填料5.3，环状填料5.3与电机5.1的输出轴相连，环状填料5.3的中空处设置出口相对的水相喷嘴5.4和油相喷嘴5.5，水相喷嘴5.4与水相进口5.6相连，油相喷嘴5.5与油相进口5.7相连，水相进口5.6与带有搅拌装置的甲醇贮槽1相连而且其连接管路上设置水相输送泵2和流量计，油相进口5.7和带有搅拌装置的柴油贮槽3相连而且其连接管路上设置油相输送泵4和流量计，外壳5.9底部的产品出口5.8与产品贮槽6连接。水相喷嘴5.4和油相喷嘴5.5的开孔直径为0.5～5mm，形状为圆孔或者长条形孔。环状填料5.3为不锈钢丝网或者塑料丝网。
在上述装置中完成的连续制备甲醇乳化柴油的方法，其步骤为：水相经水相输送泵送入水相进口，油相经油相输送泵送入油相进口，然后水相和油相分别从水相喷嘴和油相喷嘴高速喷射而出，形成相向撞击，撞击初速为1～20m/s，撞击作用将水相和油相形成了以喷嘴为中心的空间双伞型液雾混合乳化，水相和油相得到初级乳化；撞击形成的空间双伞型液雾同时进入以300rpm～5000rpm的转速旋转的环状填料，环状填料的巨大剪切作用，使得水相和油相进一步得到精度乳化，形成油包水型甲醇乳化柴油，然后经产品出口流入产品贮槽。
实施例1
在甲醇贮槽1中配制含亲水性乳化剂的甲醇溶液，在柴油贮槽3中配制含亲油性乳化剂的柴油溶液。按水相∶油相＝10∶90的比例下进入乳化器，喷嘴的开孔直径为0.5mm，是长条形孔，填料为塑料丝网，水相、油相的撞击初速为1m/s，环状填料的转速为300rpm，乳化剂为Span60和Tween80复配，HLB值为5.2，乳化剂含量为甲醇和柴油总质量的0.1％。制备的甲醇乳化柴油平均粒径为30μm，室温条件下保持10天不析水，甲醇乳化柴油外观清澈透亮。
实施例2
在甲醇贮槽1中配制含亲水性乳化剂的甲醇溶液，在柴油贮槽2中配制含亲油性乳化剂的柴油溶液。按水相∶油相＝15∶85的比例进入乳化器，喷嘴的开孔直径为2mm，是圆孔，填料为不锈钢丝网，进料撞击初速为5m/s，转速为800rpm，乳化剂为Span80和Tween60复配，HLB值为5.0，乳化剂含量为甲醇和柴油总质量的0.5％。制备的甲醇乳化柴油平均粒径为15μm，室温条件下保持20天不分层，甲醇乳化柴油外观清澈透亮。
实施例3
在甲醇贮槽1中配制含亲水性乳化剂的甲醇溶液，在柴油贮槽2中配制含亲油性乳化剂的柴油溶液。按水相∶油相＝20∶80的比例进入乳化器，喷嘴的开孔直径为3mm，是长条形孔，填料为塑料丝网，进料撞击初速为10m/s，转速为1600rpm，乳化剂为油酸和Tween60复配，HLB值为4.0，乳化剂含量为甲醇和柴油总质量的2％。制备的甲醇乳化柴油平均粒径为10μm，室温条件下保持40天不分层，甲醇乳化柴油外观清澈透亮。
实施例4
在甲醇贮槽1中配制含亲水性乳化剂的甲醇溶液，在柴油贮槽2中配制含亲油性乳化剂的柴油溶液。按水相∶油相＝20∶80的比例进入乳化器，喷嘴的开孔直径为4mm，是圆孔，填料为不锈钢丝网，进料撞击初速为10m/s，转速为1600rpm，乳化剂为油酸和Tween80复配，HLB值为4.7，乳化剂含量为甲醇和柴油总质量的2％。制备的甲醇乳化柴油平均粒径为6μm，室温条件下保持90天不分层，甲醇乳化柴油外观清澈透亮。
实施例5
在甲醇贮槽1中配制含亲水性乳化剂的甲醇溶液，在柴油贮槽2中配制含亲油性乳化剂的柴油溶液。按水相∶油相＝25∶75的比例下进入乳化器，所述的喷嘴的开孔直径为2mm，是长条形孔，填料为塑料丝网，进料撞击初速为20m/s，转速为3000rpm，乳化剂为Span80和Tween80复配，HLB值为6.2，乳化剂含量为甲醇和柴油总质量的3％。制备的甲醇乳化柴油平均粒径为9μm，室温条件下保持64天不分层，甲醇乳化柴油外观清澈透亮。
实施例6
在甲醇贮槽1中配制含亲水性乳化剂的甲醇溶液，在柴油贮槽2中配制含亲油性乳化剂的柴油溶液。按水相∶油相＝30∶70的比例下进入乳化器，嘴的开孔直径为5mm，是圆孔，填料为不锈钢丝网，进料撞击初速为18m/s，转速为5000rpm，乳化剂为Span60和Tween60复配，HLB值为5.5，乳化剂含量为甲醇和柴油总质量的1.8％。制备的甲醇乳化柴油平均粒径为11μm，室温条件下保持58天不分层，甲醇乳化柴油外观清澈透亮。
Claims (3)
1.一种连续制备甲醇乳化柴油的方法，其特征在于步骤为：甲醇在搅拌状态下加入亲水性乳化剂，形成水相，柴油在搅拌状态下加入亲油性乳化剂，形成油相，其中所述的亲水性乳化剂和亲油性乳化剂的总质量分数占甲醇和柴油总质量的0.1％～3％，水相和油相的质量分数比为10～30∶90～70，其HLB值为4～6.2；所述的水相经水相输送泵送入水相进口，油相经油相输送泵送入油相进口，然后水相和油相分别从水相喷嘴和油相喷嘴高速喷射而出，形成相向撞击，撞击初速为1～20m/s，撞击作用将水相和油相形成了以喷嘴为中心的空间双伞型液雾混合乳化，水相和油相得到初级乳化；撞击形成的空间双伞型液雾同时进入以300rpm～5000rpm的转速旋转的环状填料，环状填料的巨大剪切作用，使得水相和油相进一步得到精度乳化；其中初步乳化和精度乳化连续进行，形成油包水型甲醇乳化柴油；
其中所述的HLB值的计算方法为：HLB＝Xa(HLB)A+Xb(HLB)B
Xa-A表面活性剂在混合表面活性剂中所占的质量分数，
Xb-B表面活性剂在混合表面活性剂中所占的质量分数。
2.一种专用于实现如权利要求1所述的连续制备甲醇乳化柴油的方法而设计的装置，其特征在于包括乳化器(5)，所述的乳化器包括外壳(5.9)，外壳(5.9)顶部设有水相进口(5.6)和油相进口(5.7)，底部开有产品出口(5.8)，外壳(5.9)内设置丝网制成的环状填料(5.3)，环状填料(5.3)与电机(5.1)的输出轴相连，环状填料(5.3)的中空处设置出口相对的水相喷嘴(5.4)和油相喷嘴(5.5)，水相喷嘴(5.4)与水相进口(5.6)相连，油相喷嘴(5.5)与油相进口(5.7)相连，水相进口(5.6)与带有搅拌装置的甲醇贮槽(1)相连而且其连接管路上设置水相输送泵(2)和流量计，油相进口(5.7)和带有搅拌装置的柴油贮槽(3)相连而且其连接管路上设置油相输送泵(4)和流量计，外壳(5.9)底部的产品 出口(5.8)与产品贮槽(6)连接。
3.根据权利要求2所述的连续制备甲醇乳化柴油的装置，其特征在于环状填料(5.3)为不锈钢丝网或者塑料丝网。
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