Содержание к диссертации
Основные обозначения и сокращения 6
Введение 10
Глава 1. Теоретические основы образования эмульсий и их
свойства 17
1.1. Теоретические модели образования эмульсий и их
реализация в аппаратах-диспергаторах 17
Механические методы эмульгирования 18
Ультразвуковые методы эмульгирования 26
Расход мощности на эмульгирование в различных аппаратах 37
Влияние физико-химических свойств дисперсной
фазы, дисперсионной среды и ПАВ на образование эмульсии 41
Гидрофильно-липофильный баланс 43
Поверхностно-активные вещества 46
Температурный режим получения эмульсии 49
1.1.5. Модели эмульгирования 50
Гидродинамическая неустойчивость 50
Диспергирование капель при их обтекании 54
Физическая модель дробления капли эмульсии в
потоке периодических переходных гидродинамических процессов 56
Особенности возбуждения кавитации в гармоническом и импульсном акустических полях 71
Свойства эмульсии 80
Общие вопросы 80
Функция распределения частиц эмульсии по размерам 81
Методы анализа дисперсности эмульсии 82
Обработка результатов приборного анализа дисперсных систем 86
L4. Выводы 90
Глава 2. Топливные дисперсные смеси и их компоненты 94
Назначение топливных дисперсных смесей и их состав 94
Физические и тепловые свойства водно-спиртовых растворов 96
Плотность ВСР 98
Температура кипения и замерзания 98
Температура воспламенения паров 99
Теплота сгорания 100
Удельная теплоемкость 100
Вязкость 101
2.3. Физические и теплофизические свойства бензинов 106
Бензин 106
Прокачиваемость бензина 108
Испаряемость 111
Детонационная стойкость 111
2.4. Особенности топливных дисперсных систем на
основе безводного спирта и водно-спиртового раствора 115
Экономические и экологические аспекты 115
Реологические свойства дисперсных систем 118
2.5. Выводы 121
Глава 3. Экспериментальное исследование процесс-
сов получения моторного топлива на основе бензина и
водно-спиртового раствора 123
3.1. Основные характеристики экспериментального роторного
аппарата с модуляцией потока 123
3.2. Принципиальная схема экспериментальной установки
на базе РАМП 123
Результаты экспериментов 129
Обсуждение результатов и заключение 130
Глава 4. Кинетика коагуляции частиц эмульсий
и их стабильность 132
Роль адсорбционного слоя в стабилизации эмульсии 132
Силы, действующие на частицы дисперсной фазы эмульсии 133
Константа коагуляции капель эмульсии 137
4.3Л. Броуновский механизм коагуляции 138
Константа кинетики гравитационной коагуляции 139
Кинетика коагуляции частиц эмульсии при их столкновении 141
4.4. Выводы 142
Глава 5. Факторы, влияющие на стабильность эмульсии 144
Влияние геометрических и режимных параметров гидродинамических аппаратов-эмульгаторов на образование и стабильность эмульсии 144
Зависимость стабильности от температуры 151
Явления на границе раздела фаз 155
Влияние эмульгаторов на реологию и стабильность эмульсий 158
5.5. Выводы 160
Глава 6. Экспериментальное исследование кинетики
коагуляции эмульсии 162
Техническая характеристика экспериментального роторного аппарата 162
Методы определения стойкости эмульсии и влияния ТДС на
состав выхлопных газов 163
6.3. Результаты экспериментов 164
6.4. Обсуждение результатов и заключение 166
Основные выводы и результаты 167
Список использованной литературы 169
Приложения: 177
Приложение 1. Диаметр капли, образуемой при конденсации пара
в жидкой дисперсионной среде 178
Приложение 2. Рекомендации по проектированию роторного
5
аппарата с модуляцией потока-эмульгатора 180
Приложение 3. Рекомендуемая рецептура моторного топлива 187
Приложение 4. Калькуляция моторного топлива на основе смеси бензина А-72, водно-спиртового раствора и изопропилового спирта и экономический эффект от внедрения установки для
получения моторного топлива 189
Приложение 5. Постановление Государственной Думы №4002 - III ГД
от 14 мая 2003 г 192
Приложение 6. Акт об использовании рекомендаций по разработке роторных аппаратов с модуляцией потока для получения моторного
топлива и его состава с добавкой спирта 196
Приложение 7. Протокол №1 Совещания в Пищепром-
департаменте Минсельхоза России от 23 мая 2003 г 200
Приложение 8. Пилотная установка с роторным аппаратом с
модуляцией потока 202
Основные обозначения и сокращения
Э — эффективность работы излучателя;
а- ширина патрубка модулятора, м;
в - ширина между отверстиями по дуге рабочей поверхности ротора или
статора, м;
С - удельная теплоемкость, Дж/кг-К;
с — концентрация массовая; доля; скорость звука, м/с;
D — коэффициент диффузии, м /с;
d — диаметр частиц дисперсной фазы, м;
F - сила, Н;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
h — высота, м;
і - число степеней свободы молекулы; целое число;
J - интенсивность турбулентных пульсаций скорости;
j -летучесть жидкости; поток субстанций, ед.субст./м с;
к - постоянная Больцмана, Дж/К; волновой вектор, м"1; целое число;
1-длина, м;
М - момент сил, Н м; молекулярная масса, кг/моль;
m - масса, кг;
N — скорость образования частиц в единицу времени, с"1; число частиц;
п-число периодов (1.1.39); единичный нормальный вектор;
Р - мощность, Вт;
р - давление, Па;
Q - объёмный расход, м3/с;
q - теплота, Дж;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль'К; радиус рабочих
поверхностей ротора и статора, м;
г-радиальная координата, м; радиус частиц, м;
7 S - площадь, м2;
Т - абсолютная температура, К; период колебаний, с;
t- время, с;
U - относительная скорость, м/с;
V-объём, м3;
V - скорость, м/с;
Z - коэффициент гидравлического сопротивления; целое число;
z - координата, м;
а - объёмное содержание свободного газа, доля; коэффициент аккомодации
при столкновении частиц дисперсной фазы;
5 - величина зазора между ротором и статором, м; символ Кронекера;
є - энергия, диссипируемая в единице массы жидкости при турбулентном
режиме течения, Дж/кг; наперёд заданное малое число (1.1.39); степень
сжатия; коэффициент захвата;
г\ - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па с;
0 - доля молекул с возбужденными колебательными степенями свободы;
X - длина волны, м;
ц - гидравлический коэффициент расхода;
v - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с;
П - коэффициент (5.3Л);
р - плотность вещества, кг/м3;
ст - коэффициент межфазного поверхностного натяжения, Н/м; линейный
размер турбулентного вихря, м; тензор напряжений, Па;
т - тангенциальное напряжение, Па;
X - показатель адиабаты;
со - круговая частота, с";
Но- - - критерий гомохронности;
і dP TT
Lp = число Лапласа;
d vdP - о -
Re=—- - критерии Реинольдса;
Л Та=— \/RBHVT5 - критерий Тейлора;
Z=~~ - критерий Жуковского; г
rU2Ap „
We= критерии Вебера;
P0o-pv(To) + 2o/R0
Z= і Г - критерий кавитации.
Индексы
Нижние А — амплитуда величины; а— акустическая величина; АП - пороговая амплитуда;
ар — среднее арифметическое значение величины; г- среднее геометрическое значение величины; к - кавитационная;
кв - величина, характеризующая квадратическую область течения или развитый турбулентный режим течения; кр - критическое значение величины; об - объёмная концентрация; п - присоединённая величина;
Р -линейная геометрическая характеристика ротора; с - линейная геометрическая характеристика статора; среды; тр - транзитный расход, скорость; эф - эффективная величина; 1 - среднее линейное значение величины;
Ік-двухкомпонентный символ Крокенера; тензор напряжений; max - максимальное значение величины;
9 min - минимальное значение величины;
S — среднее поверхностное ЗЕїачение;
и - характеристика излучателя;
v - среднее объёмное значение величины; пар; газ;
VS — среднее объёмно-поверхностное значение величины;
x,y,z — проекция величины на соответствующую ось декартовой системы
координат;
О - характерная, начальная величина;
1;2 — характеристики 1-ой и 2-ой фаз гетерогенной среды;
оо - величина вдали от источника излучения акустических волн.
Верхние
' - пульсирующая величина в турбулентном потоке; относительная величина;
Основные сокращения (аббревиатуры)
АПЭГТТ - аппарат плёночного эмульгирования погружного типа;
В/М - эмульсия типа «вода (дисперсная фаза) в масле (дисперсионная
среда)»;
ВСР — водно-спиртовой раствор;
ГЛБ - гидрофильно-липофильный баланс;
КПД - коэффициент полезного действия;
М/В - эмульсия типа «масло (дисперсная фаза) в воде (дисперсионная
среда)»;
ОЧ - октановое число;
ОЭ - оксиэтиленовые группы;
ПАВ - поверхностное активное вещество;
ПДК - предельно допустимая концентрация;
РАМП - роторный аппарат с модуляцией потока;
РПА — роторно-пульсационный аппарат;
ТДС — топливные дисперсные смеси.
Введение к работе
Актуальность исследований. В тридцатых годах прошлого столетия и в последующие годы экспериментально было доказано, что добавление воды в жидкое углеводородное топливо двигателей внутреннего сгорания, котельных установок улучшает процесс горения: уменьшаются коэффициенты механического и химического недожига и как следствие этого возрастает их КПД; уменьшается концентрация окислов азота, серы, ароматических углеводородов в отходящих газах. Появление лос-анджелезского смога и борьба с ним привели к тому, что стали использовать смесь бензина со спиртом или бензина с водно-спиртовым раствором. В этом случае решалась дополнительно проблема экономии невозобнавляемого углеводородного топлива путем частичной замены его синтетическими спиртами. Широкому распространению применения моторного топлива на основе подобных эмульсий сдерживалось из-за недостаточной их стабильности.
Данная работа является частью решения одной из основных задач получения моторного топлива на основе стойких стабильных эмульсий бензина и водно-спиртового раствора на установках промышленных производительностей. Она проводилась в соответствии с планом НИР кафедры «Процессы и аппараты пищевых производств» МГУТУ «Совершенствование тепломассообменных процессов в условиях эффективной гидродинамической обстановки» (гос.регистрация № 1960010987), постановление Правительства Российской Федерации «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей продукции» (письмо Правительства Российской Федерации в адрес Минсельхоза России № 3527 п-П1 от 27 мая 2003г., постановление Государственной Думы № 400 2-Ш ГД от 14 мая 2003г. «О проекте Федерального закона № 153828-3 «О внесении и дополнений в Федеральный закон «О государственном регулировании производства и оборота этилового спирта, алкогольной и спиртосодержащей
продукции», совещание в Пищепромдепартаменте Минсельхоза РФ от 23 мая 2003г. «Получение моторного топлива на основе смеси бензина и спирта».
Цель и задачи исследования. Получение стойких эмульсий на основе бензина и водно-спиртового раствора используемых в качестве моторного топлива.
В соответствии с поставленной целью задачами исследования являются:
- разработать теоретические модели дробления капель дисперсной
фазы на основе теории гидродинамической неустойчивости течения
стационарных периодических релаксационных течений дисперсионной
среды с дисперсной фазой;
разработать алгоритм решения системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих физическую модель дробления капель;
- обосновать полярность используемых незаполненных импульсов
давления для возбуждения кавитации в аппаратах-эмульгаторах;
- изучить свойства компонентов моторного топлива с целью
исследования образования и коагуляции эмульсий;
- определить константы коагуляции частиц дисперсной фазы эмульсии
при различных механизмах коагуляции: броуновском, гравитационном, при
их столкновении;
выявить влияние свойств компонентов эмульсии и термодинамических параметров на ее стабильность.
- исследовать процессы эмульгирования и коагуляции моторного
топлива на основе бензина и водно-спиртового раствора;
разработать рекомендации по проектированию роторного аппарата
с модуляцией потока-эмулъгатора на заданную промышленную
производительность.
Методическая база и методы исследования. Решение поставленных
задач проведено на основе применения теории периодических
12 релаксационных переходных гидромеханических процессов при течении
жидкости через модулятор, механики гетерогенных сред, фундаментальных законов сохранения энергии и импульса при механических и тепловых процессах, физико-химических поверхностных явлений, методов измерительной техники и математической статистики при обработке результатов измерений. Достоверность полученных результатов и границы применимости теоретических положений подтверждены необходимыми и достаточными экспериментальными исследованиями.
Научная новизна исследований. Разработаны научно-методологические основы механизмов эмульгирования и коагуляции капель дисперсной фазы в стационарных релаксационных потоках дисперсионной среды:
разработана физическая модель дробления капель в периодических релаксационных гидромеханических процессах и построена математическая модель в виде двух нелинейных дифференциальных уравнений: течения жидкости через модулятор и ламинарного режима обтекания частицы дисперсной фазы в дисперсионной среде;
уточнён диаметр капель, образующихся при конденсации паровых пузырьков дисперсной фазы в дисперсионной среде с использованием термодинамических параметров пара и жидкости дисперсной фазы;
- разработан метод решения и анализа системы нелинейных
дифференциальных уравнений, описывающих движение дисперсной фазы в
дисперсионной среде через модулятор РАМП, и на основе критического
значения критерия Вебера найдена критическая скорость обтекания частицы
минимального диаметра, когда она ещё разрушается с образованием двух
капель;
- получено теоретическое обоснование использования отрицательного
незаполненного импульса давления жидкости с целью возбуждения
13 эффективной кавитации для интенсификации процесса эмульгирования,
получен коэффициент эффективности отрицательного импульса давления
жидкости по сравнению с положительным;
- разработан метод введения компонентов моторного топлива в аппарат
на основе изучения их свойств в зависимости от растворимости
поверхностно - активных веществ и стабилизаторов;
- теоретически определены и исследованы константы коагуляции
частиц дисперсной фазы эмульсии при броуновском и гравитационном
механизмах коагуляции и при столкновении частиц;
- определено влияние адсорбционного слоя высокомолекулярных ПАВ
и стабилизаторов на стабильность эмульсии.
Практическая ценность работы:
разработан метод расчета взаимосвязи между диаметром разрушаемой минимальной частицы дисперсной фазы эмульсии и критической скорости её обтекания, когда частица ещё разрушается;
разработана экспериментальная установка для получения эмульсий водно - спиртового раствора в бензине (моторного топлива) в роторном аппарате с модуляцией потока в пожаровзрывобезопасном исполнении;
получено модифицированное моторное топливо, при использовании которого в отходящих газах уменьшается концентрация ароматических углеводородов, а концентрация оксида углерода уменьшается более чем в два раза, что особенно важно при использовании его в мегаполисах;
применение моторного топлива на основе исследованной эмульсии уменьшает расход невозобновляемого углеводородного топлива и позволяет использовать возобновляемые спирты;
разработаны рецептура модифицированного моторного топлива, его калькуляция, установка для получения моторного топлива производительностью 600 м3/сутки, которая может окупиться не более чем через неделю;
- разработаны рекомендации по проектированию роторного аппарата с
модуляцией потока для получения модифицированного моторного топлива. На защиту выносится:
физическая и математическая модели дробления капель дисперсной фазы в периодических релаксационных гидромеханических процессах;
метод расчета диаметра капли, полученной при конденсации парового пузыря, когда пар рассматривается как реальный газ, термодинамические параметры которого определяются по справочной литературе;
- алгоритм решения системы нелинейных дифференциальных
уравнений течения жидкости через модулятор и обтекания частицы
дисперсной фазы в дисперсионной среде и полученная зависимость между
минимальным диаметром частицы, которая может разрушиться, и
критической скоростью ее обтекания;
определение констант коагуляции при броуновском и гравитационном механизмах коагуляции и их анализ.
Реализация результатов исследовании. Диссертационная работа выполнялась автором в 2000-2005гг. в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет технологий и управления» на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств».
Научные и практические результаты диссертационной работы реализованы в ряде фундаментальных и хоздоговорных НИР по плану Федерального агентства по сельскому хозяйству; апробированы в лабораторных условиях на пилотной установке при непрерывном получении модифицированного моторного топлива до 3 м3/ч. В разработке рекомендации по проектированию роторного аппарата с модуляцией потока производительностью 600 м3/сутки, рецептуры и калькуляции моторного топлива. Результаты проведённых исследований используются в учебном процессе по дисциплинам «Процессы и аппараты пищевых производств», «Технология и оборудование пищевых производств» на кафедре «Процессы
15 и аппараты пищевых производств» Московского государственного
университета технологий и управления.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных форумах: IX научная конференция ТГТУ 29-30 апреля 2004 г.; IX Международная научно-практическая конференция «Стратегия развития пищевой промышленности» М.: МГУ ТУ 27-28 мая 2004 г.; на Совещании в Пищепромдепартаменте Минсельхоза РФ 23 мая 2003 г.
Публикации. Результаты работы по теме диссертации опубликованы в одной монографии, 6-ти научных статьях, получен один патент РФ и поданы две заявки на патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из основных обозначений и сокращений, введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка использованной литературы, 8 приложений. Работа изложена на 204 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 20 рисунков и 80 наименований литературных источников.
Содержание диссертационной работы. Во введении обосновывается актуальность темы, формируются цель и задачи исследования, их научная новизна и практическая ценность.
В первой главе проведен анализ теоретических основ образования эмульсий в механических и гидродинамических аппаратах - эмульгаторах, сравниваются их технические характеристики. На основе изученных свойств компонентов эмульсий рассмотрены три механизма образования и дробления частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде: конденсация пузырьков реальных паров в дисперсионной среде; стационарного и нестационарного обтекания дисперсной фазы в дисперсной среде. Сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе рассмотрены свойства компонентов топливных дисперсных смесей; гидродинамические, физические и тепловые свойства водно-спиртового раствора, бензина; особенности топливных систем на
основе безводного спирта и водно-спиртового раствора с экономической и экологической точек зрения, а также их реологических свойств.
В третьей главе приведены основные характеристики экспериментального роторного аппарата с модуляцией потока, принципиальная схема экспериментальной установки, методика проведения экспериментов по получению эмульсий, результаты экспериментов, их обсуждение и заключение.
В четвертой главе рассмотрены адсорбционный двухмерный слой на границе раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды, теоретически вычислены константы коагуляции дисперсной фазы в эмульсии при броуновском и гравитационном механизмах коагуляции капель. Полученные константы коагуляции математически проанализированы.
В пятой главе рассмотрена взаимосвязь геометрических и режимных параметров роторных аппаратов — эмульгаторов на образование и стабильность эмульсии. Теоретически вычислена эффективность полярности импульса давления жидкости, возбуждающего кавитацию. Показано, что отрицательный импульс давления жидкости, расширяя пузырек, совершает большую работу и сообщает ему энергию больше, чем отрицательный, т.е. кавитация, как интенсифицирующий фактор, при возбуждении отрицательными импульсами давления жидкости более эффективна, чем при возбуждении положительными импульсами.
В шестой главе приведена методика определения стойкости эмульсии и влияния моторного топлива на основе эмульсии бензина и водно-спиртового раствора на концентрацию оксида углерода выхлопных газов автомобиля. Приведены результаты экспериментов и их обсуждение.
В Komfe диссертации приведены 8 приложений: диаметр капли, образуемой при конденсации реального пара в жидкой дисперсионной среде; рекомендуемая рецептура моторного топлива; рекомендации по проектированию роторного аппарата с модуляцией потока - эмульгатора; калькуляция моторного топлива.
