Содержание к диссертации
Введение 2
Глава 1. Литературный обзор 6
1.1. Типы эмульсий, их состояние и свойства 6
1.2. Условия образования эмульсий типа в/м и м/в 9
1.3. Физико-химические свойства водо-топливных эмульсий 12
1.3.1. Устойчивость водо-топливных эмульсий 12
1.3.1.1. Кинетическая устойчивость эмульсии в/м 12
1.3.1.2. Агрегативная устойчивость эмульсии в/м 13
1.3.1.3. Уравнения для описания кинетической устойчивости эмульсий в/м 14
1.3.1.4. Структурная вязкость 16
1.3.1.5. Зависимость структурной вязкости от концентрации воды в эмульсии, типа и температуры 18
1.3.1.6. Плотность эмульсии в/м 21
1.3.1.7. Поверхностное натяжение эмульсии обратного типа (в/м) . 21
1.4. Теплота сгорания эмульсии в/м 23
1.5. Механизм образования эмульсии в/м 23
1.6. Природные эмульгаторы 24
1.7. Кинетика изменения размеров частиц д.ф. эмульсии в/м 27
1.8. Закономерности инверсии эмульсии 29
1.9. Методы получения эмульсий 31
1.10. Получение природных эмульгаторов 34
І ] і Промышленное применение эмульсий, условия и механизмы их сжигания 37
1.11.1. Промышленное применение обратных эмульсий 37
1.11.2. Механизм сжигания водо-мазутных и водо-топливных эмульсий 39
1.12. Цели и задачи диссертации 42
Глава 2. Экспериментальная часть 44
2.1. Основные методы получения эмульсий и их анализа 44
2.1.1. Анализ содержания воды в эмульсии 44
2.2. Физико-химические свойства мазута 44
2.3. Получение эмульсии в диспергаторе Хотунцева - Пушкина.. 49
24. Аэрогидрокавитационная лабораторная технология получения эмульсий 51
2.5. Определение вязкости эмульсий типа в/м 54
2.6. Определение плотности эмульсии 57
2.7. Метод Дина - Старка для определения воды в мазуте 58
2.8. Метод ИМИДЖ-анализа 59
2.9. Расчёт ошибки опыта по отгонке воды из эмульсии в/м 60
2.10. Расчёт ошибки при определении вязкости в приборе Оствальда 62
2.11. Методики проведения экспериментов по приготовлению эмульсии в/м 63
Глава 3. Плотность эмульсии и её стабильность 66
3.1. Стабильность эмульсии 66
3.2. Кинетическая модель коалесценции эмульсий в/м 69
3.3. Влияние концентрации дисперсной фазы на плотность эмульсии 71
3.4. Математическая модель для зависимости плотности от стабильности эмульсии, концентрации и температуры 74
Глава 4. Вязкость эмульсии в/м 76
Влияние кратности перемешивания
4.1. на динамическую вязкость обратной эмульсии при постоянной концентрации воды 76
Влияние температуры на динамическую вязкость эмульсии,
4-2- приготовленной при / = 60°С, с изменением кратности диспергирования 79
4.3. Влияние концентрации воды на вязкость эмульсии 85
4.4. Математическая модель зависимости вязкости от температуры 89
Глава 5. Влияние температуры, концентрации воды и кратности перемешивания на распределение частиц по размерам 95
5.1. Метод определения линейных размеров частиц дисперсной фазы 95
5.2. Влияние концентрации воды и кратности перемешивания 96
5.3. Распределение частиц дисперсной фазы по количественному содержанию и размерам в эмульсиях, приготовленных при / =60°С
5.4. Влияние количества водной фазы на распределение частиц д.ф. по размерам 101
5.5. Влияние температуры на распределение частиц по размерам 103
5.6. Приготовление эмульсии диспергатором и аэрогидрокавитатором при / = 50°С.
Сравнительные данные 104
5.7. Приготовление эмульсии диспергатором и кавитатором при / = 60°С 107
5.8. Влияние температуры приготовления эмульсии в/м на степень дисперсности 110
5.9. Опыт сжигания эмульсии в/м, приготовленной кавитацией... 111
5.10. Закономерности приготовления эмульсии вода/мазут.
Общее обсуждение 113
Общие выводы 116
Литература 118
Приложения 132
Оглавление 134
Введение к работе
В мировой промышленности добывают 2,24-2,4 млрд. тонн нефти в год. При первичной переработке нефти из нее выделяют 50-55% светлых, т.е.фра-кцию нк-350°С. Остаток в объеме 40-30% представляет собой мазуты, которые используют по различным направлениям.
Их используют при соответствующей дообработке в качестве флотских мазутов в судовых двигателях. Получают мазуты марок М20ч-М80. Мазуты применяют в металлургической промышленности в доменных и мартеновских производствах.
Эмульсии применяют для печей на нефтеперерабатывающих, нефтехимических предприятиях, на заводах сахарной промышленности, в цементной промышленности, на электростанциях и в других промышленных производствах.
Мазуты также используют для производства минеральных масел различного применения, гудронов и битумов на их основе.
Широкое использование мазутов в качестве топлива отражает как положительные стороны их применения, так и отрицательные.
По сравнению с каменным углем и торфом мазут обладает почти в два раза более высокой теплотворностью. Теплотворная способность мазута в зависимости от его углеводородного состава (высоко- или низкопарафинистый, высоко- или низкосмолистый) лежит в пределах 9000-Ї-9700 ккал/кг. Поэтому расход мазута на обогрев нагревательных печей почти в два раза ниже, чем каменного угля.
На некоторых обогревательных печах применяют для сжигания с меси природного или промышленного углеводородного газа с мазутом, а также воды.
К отрицательным сторонам применения мазута в обогревательных печах или двигателях можно отнести следующие:
- недостаточная полнота сгорания капелек мазута в топках печей из-за недостаточно быстрого их испарения в нагретой зоне;
- достаточно высокое сажеобразование вследствие процессов термопиролиза ядер капелек мазута, выбрасываемых форсунками, в зонах высо-кого нагрева; высокое содержание СО и N0 в дымовых газах или отходящих газах из дизельных двигателей,
- возможная забивка выходных отверстий форсунок твердыми пленками и частицами, образующимися в результате коксования асфальтенов и смол.
В промышленности для снижения отрицательных явлений при сжигании мазута в топках и двигателях начали применять не чистые мазуты, а во-до-мазутные эмульсии.Такие эмульсии называют обратными и обозначают их символом в/м (вода/масло в общем случае).
Водо-мазутные эмульсии получают с концентрацией воды (дисперсной фазы) в мазуте (дисперсионная среда) в пределах от 5 до 50 масс. % в расчете на эмульсию.
Было установлено, что содержание воды в эмульсии в/м в количестве до 7 масс.% практически не снижает теплотворную способность смеси по сравнению с исходным мазутом. Только при более высоком содержании воды в эмульсии -до 50 масс. %, теплотворная способность снижается на 25%.
При сжигании водо-мазутных эмульсий можно выделить следующие положительные стороны такого процесса в обогревательных устройствах и двигателях.
При сжигании водо-мазутных эмульсий повышается степень сгорания мазута вследствие изменения механизма горения. В дымовых газах снижается содержание СО и ЪЮХ. Это определяется более высокой полнотой сгорания мазута в топке при распылении эмульсии типа в/м форсунками.
В этих условиях горения эмульсии в/м происходит минимальное сажеобразование в камере сгорания.Температура в печах при сжигании водо-мазутных эмульсий может снижаться в радиантной части на Дґ=70-г200°С, понижается температура отходящих дымовых газов, что также благоприятно действует на состав дымовых газов.
Улучшается также работа форсунок, подающих эмульсию в камеру сгорания.
Необходимо отметить, что качество обратной эмульсии в/м зависит от многих факторов:
- температуры приготовления эмульсии;
- наличия в эмульсии поверхностно-активных (гидрофильных) соединений, которые снижают устойчивость эмульсии в/м к расслоению;
- наличия в эмульсии поверхностно-неактивных (олеофильных или гидрофобных) соединений, которые повышают устойчивость эмульсии к расслоению (коалесценции);
- вязкости мазута, зависящей от состава мазутов, т.е. содержания в них парафинов, нафтенопарафиновых и других углеводородов;
- концентрации в мазуте смол и асфальтенов;
- поверхностного натяжения на границе в/м;
- степени дисперсности д.ф.эмульсии, определяемой распределением микрочастиц воды в мазуте по радиусам;
- возможности образования тройных эмульсий типа в/м/в;
- времени хранения эмульсии.
Наиболее важное влияние на качество эмульсии (р, v, г, трассмЛг)) отзывает распределение частиц дисперсной фазы (воды) по радиусам или диаметрам.
С повышением степени дисперсности и наличием в мазуте природных олеофильных (поверхностно-инактивных) соединений - смол, асфальтенов, металлорганических, серу - и азотсодержащих органических соединений повышается защита эмульсий в/м от коалесценции, повышается устойчивость обратной эмульсии и ее качество при хранении и применении в качестве топлива для нагревательных устройств.
В настоящей работе будет уделено основное внимание изучению распределения частиц дисперсной фазы (воды) в эмульсии в/м по диаметрам.
Будут предприняты попытки теоретического обоснования связи распределения частиц воды в мазуте по размерам с качеством эмульсии. Рассматриваются проблемы по хранению и сжиганию обратных эмульсий.
В заключение этого раздела, пользуясь предоставленной возможностью, выражаю благодарность заведующему кафедрой физической и коллоидной химии, профессору, доктору химических наук, академику РАЕН Винокурову В.А., заведующему лабораторией « Промышленная кинетика и катализ », к.х.н. Колесникову СИ. и сотрудникам лаборатории - с.н.с, к.х.н.Киль-янову М.Ю., с.н.с, к.х.н. Яблонскому А.В.
