CC BY
156
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 534 Р. Ш. Аюпов
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДНО-ТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ И РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ УЛЬТРАТОНКИХ ЭМУЛЬСИЙ
Ключевые слова: ультратонкие эмульсии ,роторно-пульсационные аппараты(РПА),роторно-пульсационно акустические
аппараты (РПАА).
Исследованы водо-мазутные эмульсии, изготовленные с использованием различных конструкций диспергато-ров, и разработаны аппараты оптимальной конструкции
Keywords: ultra-thin emulsion, rotary-pulsation apparatus (RPA), rotary pulsating acoustic devices (RPAA).
Studied water-oil emulsions made with the use of various dispersants structures and devices designed optimal design
Перспективность использования водотопливных эмульсий в энергетических установках давно из-вестна(1,2).Так как при этом можно достичь следующих положительных результатов:
1. Исчезает проблема замазученных вод, поскольку именно эту воду эмульгируют в первую очередь.
2. Увеличивается надежность топливоподачи, поскольку отсутствуют водяные пробки в мазутопро-водах .
3. Облегчается переход со сжигания газа на мазут и обратно.
4. Выбросы N0 снижаются на 25-44% в зависимости от конкретных производственных условий .
5. Снижается выброс СО при работе с теми коэффициентами избытка воздуха, что и при сжигании не эмульгированного мазута или снижается коэффициент избытка воздуха при одинаковых значениях концентрации СО.
Таким образом, использование водотопливных эмульсий позволило бы полностью утилизировать все сточные воды, загрязненные нефтепродуктами, а с другой стороны, улучшить состав газовых выбросов. Как известно, чем тоньше распыливание мазута ,тем быстрее и полнее происходит его сгорание.
Тонкость распыливания зависит от конструкции и типа форсунки, от вязкости и качества жидкой водно-топливной эмульсии.
Горючая смесь, состоящая из капель и паров жидкого топлива с каплями воды и воздуха, продвигаясь от форсунки по направлению ее оси, нагревается от лучеиспускания кладки горящего факела и от соприкосновения с горячими продуктами горения. При достижении горючей смесью температуры вос-паменения, она загорается и образует факел. Если в топку к корню факела поступает чрезмерно большое количество холодного воздуха, факел отрывается от форсунки. Такое же явление наблюдается при сжигании сильно увлажненной грубодисперсной воднотопливной эмульсии.
Для получения «идеального» процесса сгорания эмульсии в топке необходимы следующие условия: во-первых, состав эмульсий должен быть гомогенным по распределению водной фазы в мазутной
среде, во-вторых, размеры частиц дисперсной водной фазы должны быть минимальными, т.е. менее 0.1мкм.
Таким образом, для широкого внедрения использования водно-топливных эмульсий в энергетических установках, было необходимо решать задачу их приготовления в промышленных масштабах. Свои исследования мы начали с использования для приготовления эмульсий роторно-пульсационных аппаратов (РПА, ГАРТ), которые довольно широко описаны в литературе (3,4,5,6). Их отличие от быстроходных мешалок заключается в том, что в самом аппарате существует несколько направляющих устройств, чередующихся в радиальном направлении с коаксиальными рядами плохо обтекаемых лопаток ротора. Один коаксиальный ряд плохо обтекаемых лопаток ротора и, расположенный в непосредственной к нему близости (радиальный зазор между ними иногда достигает 0.02мм) коаксиальный ряд плохо обтекаемых лопаток статора, образует ступень аппарата. Таких ступеней может быть до 10 (рис.1).
Рис. 1 - Ступень РПА (вид в разрезе)
На рис. 1 поз.21,22-это непрофилированные, плохообтекаемые лопатки ротора, поз.23-это непро-
филированные, плохо обтекаемые лопатки статора. Эти аппараты можно назвать лопаточными машинами (аппаратами) (ЛМ, ЛА). Такие устройства типа ЛМ позволяют осуществлять не только перемешивание
в жидкотекучих системах, но и проводить процессы диспергирования с целью получения различных эмульсий, суспензий. В этих аппаратах достигается высокий градиент скоростей, они способны измельчать (размалывать) твердые частицы в жидкотекучих средах. Однако в аппаратах этого типа получить эмульсии с размерами дисперсной фазы менее 500 мкм не удавалось. Впоследствии это мы объяснили отсутствием в аппаратах типа РПА акустической составляющей, так как только за счет градиента скоростей, как мы убедились после проведения многочисленных экспериментов, получить ультратонкие эмульсии размером частиц менее 1 мкм не удается. Объяснение этому фактору нами приводится в лите-ратуре(7).
В дальнейшем, при исследованиях различных конструкций аппаратов для диспергирования , авторам удалось соединить в одном аппарате акустическое излучение УЗДНов и высокую эффективность перемешивания РПА.
В результате получены аппараты, обладающие совершенно новыми уникальными технологическими свойствами, которые мы назвали роторно-пульсационными акустическими аппаратами (РПАА).
Рис. 2 - РППА (вид в разрезе)
Теперь рассмотрим, как работает РПАА в отличии от РПА. В РПАА (рис.2) статоры 4 с лопатками 7, упругими лопатками 5 с помощью которых они установлены в корпусе 1 с зазором к этому корпусу и ротор 9 с упругими лопатками 10, втулкой (ступи-цей)11 и лопатками 12 изготовлены целиком из титанового сплава. Титан и его сплавы имеют максимальную акустическую добротность. См. табл.1.
Акустическая добротность - это безразмерный параметр, характеризующий во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе больше амплитуды колебаний на частотах значительно меньше резонансных, при одинаковой амплитуде вынуждающей силы. В таблице 1 приведены акустические добротности некоторых конструкционных материалов
Таблица 1 - Величина акустических добротностей различных конструкционных материалов
Материал Доброт- ность Матери- ал Доброт- ность
Сталь 45 8000 Сталь 30ХГСА 10000
Сталь 25ХВА 6300 Никель 100
Титан ВТ-1 22000 Феррит 350
Титановый сплав ВТ-3 21000 Алюми- ниевый сплав АМГ 10000
Медь М2 6300 Латунь Л59 13000
Как отмечалось выше, вращающийся диск ротора 9 будет совершать своею плоскостью вынужденные колебания (см.рис.2) различной формы, частоты, амплитуды, интенсивности. При частоте колебаний £=215Гц колебания будут листовыми, при частотах колебаний £ соответственно равных 1425; 1948;2222;2641 ;3291 ;8974Гц будут веерные колебания, при частоте колебаний £=8974Гц будут веерные колебания, при частоте колебаний £=16003Гц - комбинированные веерно -зонтичные колебания.
Частотно-энергетическая характеристика
и (Вт/см3) ДБ
Рис. 3 - График замера интенсивности акустического излучения РПАА, УЗДН, РПАА
На рис.3 представлены в графическом виде результаты замера интенсивности акустического излучения РПА, УЗДНа, РПАА. Из этого графика наглядно видно, какими акустическими возможностями обладает РПАА по сравнению с УЗДНом и РПА. На модельных водомасляных эмульсиях, приготовленных искусственно со следующими параметрами: межфазное поверхностное натяжение о=10-4-10-3 (Н/м), р«1000(кг/м3),объемная кон-ценрация дисперсной фазы порядка 25%, при интенсивности акустического излучения
1~105(Вт/см2) были получены эмульсии с диаметром частиц дисперской фазы ^^Дмн^^Ш^м) .В дальнейшем при приготовлении водотопливных эмульсий использовались РПАА, как лабораторные, так и пилотные установки.
Исследовались реологические свойства водотопливных эмульсий с различным содержанием воды, до 25%,температура воспламенения и тепловой КПД , как в лабораторных условиях с использованием стандартных методик, принятых на ТЭЦ-3 г. Казани, так и в опытно-промышленных условиях.
Для опытно-промышленных испытаний было выбрано оптимальное содержание воды-20%. Результаты проведенных исследований обобщены в табл. 2. Таблица 2 - Результаты сравнительных испытаний
Наименование параметра РПА ОАЯТ РПАА
Производительность (т/час) (без дополни-тель-ного насоса) 20 18 20
Потребляе-мая мощность (квт) 120 130 75
Минимальный размер капель эмульсии (мкм) 500 600 0,15
Срок хранения 2дня 1день 2года
Частота акустических колеба-ний,(КГц) Отсут- свует Отсут- ствует До 100
Тип горения полученной эмульсии Вибраци- онное Вибраци- онное Устойчивое
Понижение теп- Снижение Снижение Повышение
лотворной способности 20% эмульсии в % относительно чистого мазута на1 на 2 на 2
Количество патентов защищающих способ и конструкцию Отсутству- ет Нет данных 21
Стоимость аппарата (условно принято, что стоимость РПА=1) 1 3 0,5
Рабочее давление (ат) 30 5 50
Схема привода Станция управле-ния-эл. двига-тельдву-ступенч. мультипликатор -РПА Станция управле- ния-эл. двигатель двухсту- пенчмуль- типлика- тор-РПА Эл.двигате ль одно-ступенчатый муль-типлика-тор-РПАА
В заключение приводится перечень основных патентов, полученных и использованных при изготовлении РПАА:
Патенты РФ
№№2140813,2142843,2144423,2145255,2145517,21
46170,2146967,2305005,
2366497,2354445.
Литература
1. Иванов В.М. Топливные эмульсии. М., Издательство Академии наук СССР.,1962.
2. Булгаков Б.Б. О применении водомазутной эмульсии для сжигания в котельных установках. М., Энергетическое строительство,1995 №6/Булгаков А.Б., Преснов Г.В., Турченко В.И.и др.
3. Балабудкин М. А. Роторно-пульсационные аппараты в
химико-фармацевтической промышленности.-
М,Медицина,1983.160с.
4. Фомин В.М., Аюпов Р.Ш. и др. Массообменные, перемешивающие и диспергирующие устройства ротор-но-пульсационного типа./Химическое и нефтяное ма-шиностроение-М:1989,№12-с.4-6.
5. Авторское свидетельство 1674942 СССР, МКИ В0№ 7/28 Роторный аппарат Червяков В.М., Промтов М.А. и др.
6. Павлов Г.И., Кочергин А.В.и др. /Установка для обеззараживания отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей./Вестник Казанского технологического университета.2011 №19 с168-174
7. Фомин В.М., Аюпов Р.Ш. и др./О механизме воздействия акустических колебаний на жидкие сре-ды./Вестник КГТУ им. Туполева. Казань 2002г.№3.
8. Вихарев С.Н., Сиваков В.П., Вихарева Ю.С./Динамика ротора дисковой машины/Вестник Казанского технологического университета.2012,т.15 с 148-151.
© Р. Ш. Аюпов - канд. техн. наук, доцент каф. ТКМ КНИТУ, rami21@yandex.ru.
