автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка процессов получения эмульсий водно-спиртовых растворов в бензине в роторных аппаратах с модуляцией потока и их коагуляция

На правах рукописи

Акулов Николай Иванович

Разработка процессов получения эмульсий водно-спиртовых растворов в бензине в роторных аппаратах с модуляцией потока и их коагуляция

Специальность 05.18.12 - «Процессы и аппараты пищевых производств»

(технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования « Московский государственный университет технологий и управления» на кафедре «Процессы и аппараты

пищевых производств»

УДК 541.182; 532.66.0

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Юдаев Василий Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Паронян Владимир Хачикович

доктор технических наук, профессор Плаксин Юрий Михайлович

Ведущая организация: ОАО «Биотехнология»

Защита диссертации состоится » декабря 2005г. в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.122.03 в Московском государственном университете технологий и управления (МГУТУ) по адресу: 109004, Москва, ул. Земляной вал, 73.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУТУ Автореферат разослан ноября 2005г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор технических наук, профессор ^Жиров М.В.

йоои тп

ал ь тэ-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В тридцатых годах прошлого столетия экспериментально было доказано, что добавление воды в жидкое углеводородное топливо двигателей внутреннего сгорания улучшает процесс горения: уменьшаются коэффициенты механического и химического недожша и как следствие этого возрастает их КПД; в отходящих газах уменьшается концентрация окислов азота, серы, ароматических углеводородов. Появление лос-анджелесского смога и борьба с ним привели к тому, что стали использовать смесь не только бензина со спиртом, но и бензина с водно-спиртовым раствором (ВСР). В последнем случае дополнительно решалась проблема экономии невозобновляемого углеводородного топлива путем частичной замены его синтетическими спиртами, а также экологическая задача уменьшения антропогенной нагрузки на воздушный бассейн мегаполиса. Применение моторного топлива на основе подобных эмульсий сдерживалось из-за его недостаточной стабильности.

Диссертационная работа является решением одной из основных задач получения моторного топлива на основе стабильных эмульсий водно-спирговых растворов в бензине на промышленных установках. Она проводилась в соответствии с планом НИР кафедры «Процессы и аппараты пищевых производств» МГУТУ - «Совершенствование тепломассообменных процессов в условиях эффективной гидродинамической обстановки» (гос. решетрация № 1960010987), постановлением 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 ог27 мая 2003г.), постановлением Государственной Думы № 400 2-Ш ГД от 14 мая 2003г. «О проекте Федерального закона № 153828-3 «О внесении и дополнении в Федеральный закон «О государственном регулировании производства и оборота этилового спита, алкогольной и

/

спиртосодержащей продукции», совещанием в Пищепромдепартаменте Минсельхоза РФ от 23 мая 2003г. «Получение моторного топлива на основе смеси бензина и спирта».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка процессов получения стабильных эмульсий водно-спиртовых растворов в бензине в роторных аппаратах с модуляцией потока и их коа1уляция.

В соответствии с поставленной целью задачами исследования являются:

- разработка физической модели дробления капель дисперсной фазы на основе теории гидродинамической неустойчивости стационарных и периодических релаксационных течений;

- разработка алгоритма решения системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих физическую модель дробления капель;

- обоснование полярности используемых незаполненных импульсов давления для возбуждения кавитации в аппаратах-эмульгаторах;

- изучение свойств компонентов получаемого моторного топлива с целью исследования образования эмульсий и их коагуляции;

- определение констант коагуляции эмульсии при различных механизмах столкновения частиц;

- исследование влияния свойств компонентов эмульсии на ее стабильность.

- исследование процессов эмульгирования и коагуляции моторного топлива на основе бензинов и ВСР;

- разработка рекомендаций по проектированию роторного аппарата с модуляцией потока (РАМП) для промышленного производства моторного топлива.

Методическая база и методы исследования. Решение поставленных задач проведено на основе применения теории периодических 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, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных.

Научная новизна исследований. Разработаны научно-методологические основы механизмов эмульгирования и коагуляции капель дисперсной фазы в стационарных и 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 алгоритм решения системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих движение дисперсной фазы в дисперсионной среде через модулятор РАМП;

- теоретически обосновано использование отрицательного незаполненного импульса давления жидкости с целью возбуждения эффективной кавитации для интенсификации процесса эмульгирования;

- исследованы константы коагуляции частиц дисперсной фазы эмульсии при броуновском и гравитационном механизмах;

- 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;

- разработана экспериментальная установка для получения эмульсий ВСР в бензине (моторного топлива) в РАМП в пожаровзрывобезопасном исполнении;

- получено модифицированное моторное топливо, при использовании которого уменьшается концентрация ароматических углеводородов в отходящих газах, а концентрация оксида углерода уменьшается более чем в два раза;

- применение модифицированного моторного топлива на основе исследованной эмульсии уменьшает расход невозобновляемого углеводородного сырья за счет использования возобновляемых спиртов;

- разработаны рецептура модифицированного моторного топлива, 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.

Реализация результатов исследований. Научные и практические результаты диссертационной работы реализованы в ряде хоздоговорных НИР по плану Федерального агентства по сельскому хозяйству; использованы при написании монографии «Акустическая коагуляция аэрозолей и её аппаратурное оформление». М.:Пищепромиздат.2003, 232 с. Они апробированы в лабораторных условиях на пилотной установке при непрерывном получении модифицированного моторного топлива до 3 м3/ч. и использованы при проектировании роторного аппарата с модуляцией потока производительностью 600 м3/су1ки, составлении 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 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.: МГУТУ 27-28 мая 2004 г.; на совещании 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, и 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, формулируются цель и задачи исследования, их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе рассмотрены теоретические аспекты образования эмульсий и их свойства: механические, физико-химические, тепловые, а также ультразвуковые методы и аппараты для эмульгирования с ПАВ и без ПАВ, зависимость расхода удельной энергии от типа аппарата для получения эмульсии, ее качества, производительности, гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ), ПАВ, температурного режима.

На основе теории гидродинамической неустойчивости течений несмешивающихся жидкостей на границе раздела дисперсной фазы и

дисперсионной среды разработана физическая модель дробления частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде при их обтекании и в потоке периодических переходных гидродинамических процессов.

При малых числах Рейнольдса, определяемых скоростью движения капли дисперсной фазы относительно дисперсионной среды, баланс сил вязкого сопротивления и сил инерции капли дисперсной фазы с учетом присоединенной массы имеет вид

+ + (1) 2 р, р, А1 2р, М

Относительные ускорение £)У/сИ' и скорость V' течения дисперсной

системы в модуляторе роторных аппаратов с модуляцией потока рассчитывали по уравнению Бернулли для нестационарного течения с учетом инерции

-^-=Но (2)

сИ

Так как коэффициент гидравлического сопротивления есть

периодическая функция времени: 2КВ(0 = Zкв(t'+T'), то в качестве краевых

условий для дифференциальных уравнений принята периодичность

относительных скоростей потока дисперсной системы

У'(0=У(Г+Г) (3)

и дисперсной фазы в дисперсионной среде

и'(1')=и'(1'+Т'). (4)

Систему уравнений (1)-К4) решали численно методом итерации (Рунге-

Кутта) до некоторых наперед заданных относительных ошибок £] и £2

ШЫ^Гыы, (5)

/>Г)

где = V; /2(Ч') = II. п = 1; 2; 3. . Счет велся до тех пор пока не выполнялись оба условия (¡ = 1,1 = 2). Для начала счета принимали в (2), что при 1=0 сГУ'/с1Г = О, V' (0) = (гкв(0))"2,а в уравнении (1) - Щ0) = 0.

Из расчетных графиков ЩО (приведенных в диссертации) и значения критического числа Вебера \Укр = гтш и2крДр/с1>2 определена критическая скорость обтекания капли с минимальным радиусом частицы, при котором становится возможным процесс ее дробления

™екрои

1/2

V ГтшДР

Счет велся в широких пределах значений: начального радиуса частиц (0,5 мкм -г 10 мкм); величины критерия гомохронности (0,0125 -г 0,125); относительной величины зазора между ротором и статором 5' = 5/ас = 0,005-0,02; частоты вращения ротора (314 и 628 с"1).

(6)

Рис 1. Конструктивная схема аппарата типа РАМП: 1- выходной патрубок, 2 - крышка, 3 - отверстие статора, 4 - статор, 5 - ротор, 6 -отверстия ротора, 7 - входной патрубок, 8 - фланец, 9 - прокладки для регулирования величины зазора. А - облучаемая камера, Б - зазор между ротором и статором, В -полость ротора

Анализ результатов расчета показывает, что все исследованные режимы обтекания капли в периодических переходных гидромеханических процессах обеспечивают ее дробление при радиусах > 2,5 мкм, а режимы с значениями Но = 0,125 и 0,063 - с радиусом > 1,75 мкм.

Разработанная физическая модель апробировалась на экспериментальной установке на базе роторного аппарата с модуляцией потока (рис. 1). Действительно, эмульсия содержит не более 1% частиц (от общего числа

наблюдаемых в поле микроскопа) с диаметрами от 3 до 5 мкм. Частицы с диаметром больше 5 мкм в поле микроскопа при увеличении в 630 раз не были обнаружены.

Как следует из формулы (6), физическая модель дробления капель жидкости является универсальной и применимой для любой пары жидкостей, таким образом выражения (1) - (6) является репрезентативными.

С пелыо получения более тонких эмульсий анализируются кавитационные явления как важнейший фактор интенсификации процессов, в частности, эмульгирования.

Рис. 2. Зависимость кави гационного эффекта (Э) в обрабатываемой жидкости от меры кавитационного воздейевия воздействия Р Где А — докавитационный, В — кавитационный, С - суперкавитационный режимы работы излучателя, ОП - оптимальная мера воздейсгвия. П - порог кавитации, П и Гт ~ границы режимов работы аппарата с кавигационным воздействием на процесс

Установлено, что независимо от вида кавитации (гидродинамической, акустической, импульсных: гидродинамической или акустической) Существует оптимальное значение критерия кавитации, при котором процесс эмульгирования максимально интенсифииируются (рис.2). Границы режимов работы аппарата определяли по точкам перегиба П и Г2, где с12Э/с1Р2 = 0.

Во второй главе анализируются топливные дисперсные смеси и их компоненты, которые используют с целью:

- экономии невозобновляемого углеводородного жидкого топлива;

- широкого использования возобновляемых источников энергии промышленно получаемых спиртов;

- улучшения экологии,(особенно в мегаполисах) путем использования ингибиторов химических реакций образования оксидов азота N0* и поглотителей оксидов серы БОх в камере горения;

- уменьшения коэффициентов механического и химического недожига, когда в отходящих газах уменьшается концентрация оксида углерода, ароматических углеводородов, бензапирена и т.д., что ведет к дополнительному улучшению экологической обстановки как в окрестности мощных стационарных энергетических установок, так и нестационарных, например, автомобилей, которые в г. Москве загрязняют атмосферу до 90%;

- увеличения ресурса работы автомобилей в зависимости от состава допущенных к применению синтетических компонентов топлива и стабилизаторов эмульсии;

- уменьшения стоимости топливной дисперсной смеси путем уменьшения стоимости отдельных её компонентов.

Приведены физические и теплофизические свойства водно-спиртовых растворов и бензина (плотность, температура кипения, замерзания, воспламенения паров), теплота сгорания, удельные теплоемкости, коэффициенты динамической и кинематической вязкости, прокачиваемость автомобильных бензинов и их фракционный состав, испаряемость, детонационная стойкость.

Рассчитана взаимосвязь степени сжатия £, октанового числа (04) по

исследовательскому методу и термодинамического коэффициента полезного действия (КПД) идеального цикла Карно. Из полученной взаимосвязи следует, что детонационную стойкость можно повышать путем: изменения химического состава основы бензина; добавления в бензин компонентов с высокой детонационной стойкостью; применения антидетонаторов.

По известному среднему показателю адиабаты продуктов топливовоздушной смеси карбюраторного двигателя х> предполагая, что продуктами горения в двигателе автомобиля являются преимущественно двухатомные молекулы с возбужденными колебательными степенями свободы, получено выражение для доли молекул с невозбужденными колебательными степенями свободы гн = 5

(1„+2)/|„-(».+2)/|.

Величина (1-0) есть доля молекул с возбужденными колебательными степенями свободы 1„ = 7. По известному % = 1,3, получили значение © = 0,125.

Связанный объем дисперсионной среды (с чаешцей дисперсной фазы диаметром с1) определяется по формуле:

АУ = лсИ1((1+-^) = кй2Ь, (8)

где И - толщина адсорбционного слоя с дисперсионной средой на поверхности дисперсной фазы, который определяет вязкость эмульсии.

В третьей главе приведены экспериментальные исследования процессов эмульгирования на примере получения моторного топлива «бензин - водно-спиртовой раствор с ПАВ» в роторном аппарате с модуляцией потока. Основные технические характеристики экспериментального аппарата-эмульгатора типа РАМП (рис. 1) приведены в табл. 1. Основными элементами экспериментальной установки являются (рис. 3.):

I) цилиндрическая емкость вместимостью 40 л с коническим дном для загрузки компонентов обрабатываемой смеси для получения эмульсии моторного топлива, 2) кран пробковый, 3) насос шестеренчатый, 4) вентиль на входе аппарата для регулирования расхода жидкости через аппарат, 5) расходомер типа РС-10, 6) и 8) манометры образцовые до 1,5 МПа и до 1 МПа, 7) входной патрубок аппарата, 9) аппарат-эмульгатор типа РАМП с уплотнениями для обработки легколетучего топлива, 10) выходные патрубки,

II) вентиль на выходе аппарата для регулирования давления жидкости

Таблица 1 - Технические характеристики экспериментального аппара га-эмульгатора типа РАМП

Производительность по топливной дисперсной смеси на основе водно-спиртового раствора и бензина, м3/ч (л/с) 12(3,3)

Рабочее давление жидкости на входе аппарата, МПа 0,40,8

Д авление в камере аппарата, МПа 0,14),2

Радиус внешней (внутренней) рабочей поверхности ротора (статора), мм 90

Ширина отверстия на рабочей боковой поверхности *, мм

ротора 2

сгагора 4

Ширина промежутка между отверстиями на рабочей боковой поверхности *, мм

ротора 5,85

статора 19,55

Конусность ротора равная кон>сност статора, ° 9,8

Время открывания и закрывания отверстия статора, мс 0,28

Длительность отрицательного импульса даатения, мс 0,05

Электродвигатель - привод ротора З-фазный асинхронный

мощность, кВт 4,0

частота вратдамя, об/мин (с') 2880(314)

Число отверстий в роторе, шт. 72

Число отверстий в статоре, шт. 24

Вьсога отверстий в роторе и статоре, мм 5

Основная частота следования акустических импульсов, кГц 3,6

Габаритные размеры, мм

длина 900

ширина 320

высота 440

Масса, кг 110

* Вычисляются по формулам Ь, = 2тгЯ - X, а, , где Ь, - ширина промежутка между отверстиями в роторе (Ьр) или в статоре (Ь,), К - радиус внешней поверхности ротора, который принимается равным радиусу внутренней поверхности статора = Я, + б

= Ир, где 8 - величина зазора между ротором и статором), 7., - число отверстий в роюре 7,Р и ]и статоре а, - ширина отверстия в роюре аР или статоре ас.

л /'"А

Рис. 3. Принципиальная схема установки в камере аппарата, 12) вентиль для отбора проб, 13) патрубок для отбора эмульсии (на анализ и слива готовой эмульсии), 14) вентиль для регулирования расхода через отборник 13), 15) тройник, 16) вентиль на байпасной линии, 17) патрубок на выходе из емкости, 18) выходной патрубок с фланцем, 19) отбойник в виде сетки для выравнивания потока с

целью предотвращения тангенциального движения жидкости в емкости и образования воронки на выходе из нее в выходной патрубок, 20) термометр для регистрации температуры обрабатываемых компонентов и возможного изменения их температуры в процессе эмульгирования.

Установка работала следующим образом. В емкость 1 заливали компоненты в заданных пропорциях. ПАВ и, при необходимости, стабилизаторы. предварительно растворяли в одном из двух основных компонентов - в ВСР или бензине. При этом кран 2 был закрыт

Обобщенное значение критерия кавитации определяли по формуле

Хг=ХаХ/(Ха+Хг). (9)

где

X Р, (Т„)+2аЛ*оп)/Ит (10)

- критерий акустической импульсной кавитации,

_ Л.-д(Г.)+2<7/Д0„

рш^+щг^?) и

- критерий гидродинамической импульсной кавитации.

По вычисленному % (9) определялся режим работы аппарата; х > I -докавитационный; 0,1 ^ % ¿1 - кавитационный; у < 0,1 - суперкавитацио-нный.

Оптимальный режим работы РАМП находится в области режима импульсной кавитации. При этом значение величины критерия кавитации зависит от объемной концентрации свободного газа в обрабатываемой эмульсии. С увеличением концентрации свободного газа оптимальное значение х увеличивается. Поэтому РАМП необходимо рассчитывать так. чтобы можно было варьировать значение критерия хв (пределах 0,15ч-0,23) такими параметрами, как объемный расход, входное и выходное давления жидкости при изменении газосодержания, температуры, коэффициента межфазного поверхностного натяжения.

Исследование эмульсий путем микроскопирования показали, что дисперсионная среда (бензин + этанол) быстро испаряется при фокусировке

света на подложку. Диаметр максимальных капель достигал 10 мкм. Максимум кривой распределения наблюдался при диаметре частиц воды (4,5±0,5) мкм. Было усыновлено, что образующиеся эмульсии полученные методом встряхивания при всех составах моторного топлива быстро расслаиваются.

На экспериментальной установке полупромышленного назначения (рис. 3) было получено моторное топливо, которое не рассеивало свет, т.е. не наблюдался эффект Тиндаля (табл. 2).

Таблица 2 - Результаты экспериментов по получению спиртобензиновой смеси

NN п.п Бензин Этиловый спирт Вода 2-пропанол Объем смеси, л

объём, л % объём, л % объём, л % объём, л %

1 19 96,0 0,72 3,64 0,03 0,16 0 0 19,75

2 19 95,0 0,72 3,60 0,03 0,15 0,25 1,25 20,0

3 19 90,0 1,81 8,60 0,0756 0,36 0,21 1,0 21,1

По уровню детонационной стойкости бензин А-66 с 5-ю % об. водно-спиртового раствора соответствует бензину АИ-76, а бензин А-76 с 5-ю % об. соответствует бензину АИ-93.

В результате приведенных опытов по получению моторного топлива были сделаны следующие выводы:

- в роторном аппарате-эмульгаторе типа РАМП получили стабильную спирзобензиновую смесь с водой;

- бензины А-76 4- АИ-93 с 54-7 % об. ВСР и стабилизаторами по уровню коррозионной активности совместимы с резиной прокладок, патрубков агрегатов системы питания современных автомобилей;

- при больших концентрациях ВСР резину следует заменить на композиционные материалы или фторсодержащие синтетические каучуки;

- детонационная стойкость полученных смесей моторного топлива возрастает с увеличением концентрации этилового спирта;

- роторные аппараты - эмульгаторы могут обеспечивать получение стабильных топливных смесей на основе этилового спирта, бензина всех

товарных марок и воды с производительностью более 1000 т моторного топлива в месяц.

В четвертой главе рассмотрена роль адсорбционного слоя в стабилизации эмульсии. Из приведенных стабилизирующих действий ПАВ, основным является структурно-механическое свойство адсорбированных слоев (структурные вязкость, упругость, механическая прочность).

Дисперсная фаза, движущаяся относительно дисперсионной среды, испытывает суммарное силовое воздействие со стороны этой среды

1Цр,с18,п. (12)

При броуновском механизме коагуляции в соответствии с теорией Эйнштейна-Смолуховского константа тепловой диффузионной коагуляции частиц с диаметром с1| и с! 1 Дс1 имеет вид

2кТ

ке - -г-

3ti

d.+Ad, d,

d, d,+Ad ;

(13)

При равенстве диаметров капель (Дс1 = 0) коэффициент коагуляции будет

равен максимальному значению

Кь.-ИЛУЭЛ. (14)

если диаметры капель резко отличаются, то коэффициент коагуляции находиться по формуле

2кТ,. (1

limK, = -——lim — + п + 2 -»<*>, (15)

™->~ Зг| "-»"V n J

где n = d2/dh стремится к бесконечности с увеличением (n > 1) или уменьшением (n < 1) отношения диаметров капель (15). С увеличением диаметра капель влияние теплового механизма коагуляции уменьшается. Константа гравитационной Koai уляции для эмульсий имеет вид

K(d,d„uX) = ugAd3mas(d2ma, - d V144П- (16)

Вычисление коэффициента захвата е основано на решении уравнений Навье-Стокса с гравитационными внешними и внутренними гидродинамическими силами, зависящими от концентрации и дисперсности эмульсии. При столкновении двух частиц их концентрация уменьшается по закону

п=п0/(1+Ап0г), (17)

где Л - постоянная коагуляции, п(0) = п0.

Рассмотренная кинетика коагуляции учитывает коэффициент межфазного поверхностного натяжения, коэффициент тепловой диффузии в вязкой дисперсионной среде и разности плотностей компонентов эмульсии.

В пятой главе рассмотрены факторы влияющие на дисперсность эмульсии и ее стабильность. К ним относятся: значение величин критериев кавитации (9) + (11); разности давлений жидкости на модуляторе РАМП, коэффициент модуляции объема.

Вычисленная эффективность полярности импульса давления, возбуждающего кавитацию, равна отношению потенциальных энергий

пузырька в стадии максимального (А+) и (А.) радиуса пузырька при

положительном (А+) и отрицательном (А.) импульсах давления

к = А- = = 9(Р.+ЬП^+РРЛ; , , (19)

At /?яш,р„ 9(РИ-Д/>)2Г,2 +рР„Я1

Отсюда следует, что отрица1ельный импульс, расширяя пузырек, совершает

большую рабогу и сообщает ему энергию в к раз больше, чем

положительный.

Результаты исследований показали, что топливные дисперсные смеси по составу можно классифицировать следующим образом (рис. 4):

- эмульсии типа вода в масле (вода в бензине, вода в мазуте, где вода -дисперсная фаза, углеводородное жидкое топливо - дисперсионная среда);

- сложная суспензия типа частицы твердого адсорбера (дисперсная фаза) в капле воды как в дисперсионной среде, а капля воды с адсорбером как дисперсная фаза в углеводородном жидком топливе - дисперсионной среде;

- вода и твердые частицы суспензии - адсорберы - две независимые дисперсные фазы в жидком углеводородном топливе (дисперсионная среда).

Рис 4. Классификация ютыивныч дисперсны\ систем А вола в \ I юводородноч топливе (В/\1). Б 1нсрлыс чааицы суспензии в вою. вола в >1 ювотородноч топливе (Т/В/М). В- твердые частицы и вота- лве дисперсные фазы в упеводо-рошоч топливе- дисперсионной среде 1- капля воды. 2- катя топлива. 3- твердая частица адсорбера

Повышение температуры эмульсии двояко влияет на коэффициенты коагуляции - уменьшаются коэффициенты: динамической вязкости дисперсионной среды и адсорбционного слоя; межфазного поверхностного натяжения; увеличиваются - взаимная растворимость дисперсной фазы, адсорбционного слоя (ПАВ) и дисперсионной среды. Потенциальная энергия взаимодействия частии уменьшается по сравнению с возрастающей энергией теплового движения молекул и частиц дисперсной фазы. Отсюда следует, что существует оптимальная температура, при которой стабильность эмульсии максимальна. Так как физические свойства жидкостей зависят от температуры, то некоторые эмульсии с эмульгаторами при нагревании обращаются из эмульсий типа М/В в эмульсии типа В/М. При кратковременном выдерживании на холоде происходит восстановление типа первоначальных эмульсий (М/В—>В/М—>М/В).

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований кинетики коагуляции эмульсий на основе бензина, ВСР и изопропилового спирта полученных в роторном аппарате с модуляцией потока.

Так как при хранении, транспортировке и использовании моторного топлива на основе эмульсии типа вода в спиртобензиновой смеси коагуляция происходит в гравитационном поле, то и методы определения стабильности наблюдались в гравитационном поле в широком диапазоне температур: (-20 -г +25) "С. Температура поддерживалась постоянной в процессе наблюдения в течение 7 месяцев.

Эмульсии исследовались тремя методами: микроскопирование (при помощи микроскопа МБИ-3); рассеяние (эффект Тиндаля); сидементация.

Для экспериментального определения влияния топливной дисперсной смеси (ТДС) на состав выхлопных газов использовали отечественный автомобиль ВАЗ 21903 в качестве стендового двигателя. Предварительно автомобиль работал на бензине А-92, а затем бензобак промывался моторным топливом на основе эмульсии, после чего его заливали в бензобак. В том и другом случае определяли усредненную, по методу Стьюдеша концентрацию оксида углерода при помощи газоанализатора ГИАМ-23.

В результате проведенных экспериментов было показано, что при получении спиртобензиновых смесей в качестве стабилизатора наиболее эффективным является изопропиловый спирт (2-пропанол) табл. 2.

С целью исследования стойкости моторного топлива, его пробы хранили в термосштах при температурах (-8 ± 0,5) °С и (-20 ± 0,5) °С. Наблюдения проб в течении 8 месяцев показали, что расслоения воды и спиртобензиновой смеси не наблюдалось. Увеличение содержания спирта повышает стабильность моторного топлива.

При возбуждении импульсной акустической кавитации были получены стабильные эмульсии следующего состава, % об.: воды - 7; 2-пропанола - 40; бензин А-73 - 53. Второй состав: воды - 2,8; 2-пропанола - 7,3; бензин А-76 - 89,8.

В составе отходящих газов автомобиля ВАЗ 21903 концентрация оксида углерода снизилась с 1,9 % (бензин АИ-95) до 0,9 % (моторное

топливо, % об.: бензин АИ-92 - 90,5; спирт этиловый - 8,3 %; вода - 1,2) при холостом режиме работы двигателя.

Проведенные исследования позволяют сделать заключение о том, что в РАМП можно получать 20 - 25 м3/ч моторного топлива на основе смсси бензина с водно-спиртовым раствором. Наиболее эффективным стабилизатором является изопропиловый спирт (СН!);СНОН. Ориентировочная суммарная потребляемая мощность двух электродвигателей (привод ротора аппарата и насоса) не превышает 15 кВт. Установка разместится на площади 4 м2, а ее масса не превысит 500 кг. Как показывают расчеты, установка окупится за 1 неделю без учета перспективной экономии за счет существенного улучшения экологии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи, заключающейся в создании физической и математической моделей эмульгирования и коагуляции высокодисперсных эмульсий, и разработке рекомендаций по проектированию роторного аппарата с модуляцией потока, работающего в режиме оптимального значения критерия акустической импульсной кавитации.

На основе теоретических и экспериментальных исследований получено стабильное моторное топливо на основе эмульсии бензина, водно-спиртового раствора и ПАВ (в виде 1 % изопропилового спирта) и разработаны рекомендации по проектированию роторного аппарата с модуляцией потока.

1. Разработана физическая модель механизма эмульгирования жидкости в периодическом потоке с переходными гидромеханическими процессами на основе уравнений течения жидкости через модулятор роторного аппарата и обтекания частицы эмульсии в дисперсионной среде. На основе модели получено значение критической скорости обтекания частицы.

2. Показано, что из трех видов акустической кавитации, возбуждаемой гармоническими волнами, заполненными и незаполненными импульсами давления жидкости, целесообразно использовать импульсную кавитацию с отрицательными незаполненными импульсами давления.

3. Разработанные в процессе экспериментальных исследований топливные дисперсные смеси позволяют решить следующие задачи:

- частично заменить невозобновляемое углеводородное сырьё водно-спиртовыми растворами;

- улучшить состав отходящих 1азов из камеры юрения за счет уменьшения концентрации оксида углерода, оксидов азота и серы, ароматических углеводородов.

4. В роторном аппарате с модуляцией потока полупромышленного назначения получено стабильное моторное топливо - спиртобензиновая смесь с водой, которую хранили до 8 месяцев в интервале температур -20 -г +30 °С, при этом топливная дисперсная смесь на основе низкооктановых бензинов становится высокооктановой. Разработана и предложена наиболее целесообразная рецептура моторного топлива.

5. Вычислены и проанализированы константы коагуляции капель эмульсии при броуновском и гравитационном механизмах коагуляции; уаановлено что, константа тепловой коагуляции не зависит от диаметров чаешц, а только о г их отношений.

6. Разработана калькуляция моторного топлива на основе смеси бензина с водно-спиртовым раствором. Рассчитано, что рабочая установка производительностью 600 м3/сутки моторного топлива окупится меньше, чем за одну неделю, при этом существенно улучшается экологическая обстановка в городах и мегаполисах (кош ют рация оксида углерода в отходящих газах автомобилей уменьшается более чем в два раза).

Обозначения: ас - ширина отверстия в статоре по ду1е рабочей боковой поверхности, м; С[ - концентрация дисперсной фазы, доля об.; <1 - диаметр частицы дисперсной фазы, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; Ь -

высота, м; к - постоянная Больцмана, Дж/К; / - длина модулятора, м; Р -давление среды, Па; |Р|т - модуль отрицательной амплитуды импульса давления жидкости, излучаемого модулятором, Па; Р,(Т„) - давление парогазовой смеси в пузырьке в начальный момент времени при абсолютной температуре окружающей жидкости Т«,, Па; Р„ - давление жидкости в камере роторного аппарата с модуляцией потока. Па; АР - разность давлений жидкости на модуляторе РАМП, Па; Q - объёмный расход жидкости через аппарат, м3/с; R - радиус рабочей внешней боковой поверхности ротора, м; Rori - начальный радиус пузырька, м; г - радиус частицы дисперсной фазы, м; Sc - площадь проходного сечения отверстия статора, м2; S - замкнутая площадь поверхности интегрирования при определении силы, действующей на частицу дисперсной фазы, м2; Т - период модуляции, с; абсолютная температура, К; T=T/t0; t - время, с; t^ac/wR; t'=t/to; U - относительная скорость движения частиц дисперсной фазы в

дисперсионной среде, м/с; U'=U/V 0; V — скорость жидкости, м/с; V'=v/Vo;

Vo=(2AP/p)1/2; V'mi„=Vmi„/Vo; Vmm - минимальная скорость в патрубке статора

за период модуляции площади проходного сечения модулятора, м/с; Zc -число отверстий на боковой поверхности статора; ZkB - коэффициент гидравлического сопротивления модулятора в квадратичной области при турбулентном режиме течения жидкости; 5 - величина зазора между ротором и статором РАМП, м; rj — коэффициент динамической вязкости жидкости, Па с; ц - коэффициент расхода; P=C[P|+(1-C|)P:; pit р? - плотность вещества дисперсной фазы и дисперсионной среды, кг/м3; Ар = pi - рз; (т -коэффициент поверхностного или межфазного натяжения обрабатываемой жидкости, Дж/м2; со - частота вращения ротора, с '; Ho=T]to/2/p - критерий гомохронности; Z=t]to/pd2 - критерий Жуковского; КПД - коэффициент полезного действия; 04 - октановое число; ВСР - водно-спиртовой раствор, ТДС - топливно- дисперсная смесь, М/В - масло в воде, В/М - вода в масле .

»24598

2006-4 24472

Основное содержание диссертации опубликовано в работа

1. Акулов Н.И., Юдаев В.Ф. Физическая модель дробления лаплп дисперсной фазы в потоке нестационарного течения дисперсной системы / Хранение и переработка сельхозсырья. 2005. № 5, С. 21-24.

2. Акулов Н.И., Юдаев В.Ф. Акустическая коагуляция аэрозолей и ее аппаратурное оформление. М.: Пищепромиздат, 2003,232 с.

3. Акулов Н.И., Юдаев В.Ф. Получение моторного топлива на основе бензина и водно-спиртового раствора / Производство спирта и ликероводочных изделий. № 3,2004. С. 19-21.

4. Акулов Н.И., Юдаев В.Ф. Использование спиртобензиновой смеси в качестве моторного топлива / Производство спирта и ликероводочных изделий. № 4, 2004. С.31.

5. Акулов Н.И., Юдаев В.Ф. Стабильность смеси бензина с водно-спиртовым раствором / Производство спирта и ликероводочных изделий.

№ 1,2005. С.34.

6. Акулов Н.И., Червяков В.М., Юдаев В.Ф., Воробьёв Ю.В., Чичёва-Филатова JI.B. Режимы работы технологического оборудования с возбуждением кавитации / Вестник II ГУ. № 2,2005.

7. Акулов Н.И., Юдаев В.Ф. Роторные аппараты в пищевой технологии // В кн. Тр. Международной конференции «Стратегия развития пищевой промышленности». Т.2. М.: МГТА. 2003. С.420-424.

8. Макаров В.В., Петрыкин A.A., Кайшев В.Г., Акулов Н.И., Баранников В.П., Шамонина A.B., Локтев Е.А. Патент Р.Ф. № 2212434. Модификатор моторного топлива. Опубл. 20.09.2003. Бюл. №26.

Отпечатано в ЗАО "Фаэтон", г.Тверь, ул.Советская, 21, заказ №835, 25.11.2005 г., тираж 100 экз.

Основные обозначения и сокращения.

Введение.10 |

Глава 1. Теоретические основы образования эмульсий и их свойства.

1.1. Теоретические модели образования эмульсий и их реализация в аппаратах-диспергаторах.

1.1.1. Механические методы эмульгирования.

1.1.2. Ультразвуковые методы эмульгирования.

1.1.3. Расход мощности на эмульгирование в различных аппаратах.

1.1.4. Влияние физико-химических свойств дисперсной фазы, дисперсионной среды и ПАВ на образование эмульсии.41 '

1.1.4.1. Гидрофильно-липофильный баланс.

1.1.4.2. Поверхностно-активные вещества.

1.1.4.3. Температурный режим получения эмульсии.

1.1.5. Модели эмульгирования.

1.1.5.1. Гидродинамическая неустойчивость.

1.1.5.2. Диспергирование капель при их обтекании.

1.1.5.3. Физическая модель дробления капли эмульсии в потоке периодических переходных гидродинамических процессов.

1.2. Особенности возбуждения кавитации в гармоническом и импульсном акустических полях.

1.3. Свойства эмульсии.

1.3.1. Общие вопросы. 1.3.2. Функция распределения частиц эмульсии по размерам.

1.3.3. Методы анализа дисперсности эмульсии.

1.3.4. Обработка результатов приборного анализа дисперсных систем.

1.4. Выводы.

Глава 2. Топливные дисперсные смеси и их компоненты.94 |

2.1. Назначение топливных дисперсных смесей и их состав.

2.2. Физические и тепловые свойства водно-спиртовых растворов.

2.2.1. Плотность ВСР. ф 2.2.2. Температура кипения и замерзания.

2.2.3. Температура воспламенения паров.

2.2.4. Теплота сгорания.

2.2.5. Удельная теплоемкость.

2.2.6. Вязкость.101 |

2.3. Физические и теплофизические свойства бензинов.

2.3.1. Бензин.

2.3.2. Прокачиваемость бензина.

2.3.3. Испаряемость.Ill

2.3.4. Детонационная стойкость.

2.4. Особенности топливных дисперсных систем на основе безводного спирта и водно-спиртового раствора.

2.4.1. Экономические и экологические аспекты.

2.4.2. Реологические свойства дисперсных систем.118 I

2.5. Выводы.

Глава 3. Экспериментальное исследование процесссов получения моторного топлива на основе бензина и водно-спиртового раствора.

3.1. Основные характеристики экспериментального роторного аппарата с модуляцией потока.

3.2. Принципиальная схема экспериментальной установки на базе РАМП.

3.3. Результаты экспериментов.

3.4. Обсуждение результатов и заключение.

Глава 4. Кинетика коагуляции частиц эмульсий и их стабильность.

4.1. Роль адсорбционного слоя в стабилизации эмульсии.

4.2. Силы, действующие на частицы дисперсной фазы эмульсии.

4.3. Константа коагуляции капель эмульсии.

4.3.1. Броуновский механизм коагуляции.

4.3.2. Константа кинетики гравитационной коагуляции.

4.3.3. Кинетика коагуляции частиц эмульсии при их столкновении.

4.4. Выводы.

Глава 5. Факторы, влияющие на стабильность эмульсии.

5.1. Влияние геометрических и режимных параметров гидродинамических аппаратов-эмульгаторов на образование и стабильность эмульсии.

5.2. Зависимость стабильности от температуры.

5.3. Явления на границе раздела фаз.

5.4. Влияние эмульгаторов на реологию и стабильность эмульсий.

5.5. Выводы.

Глава 6. Экспериментальное исследование кинетики коагуляции эмульсии.

6.1. Техническая характеристика экспериментального роторного аппарата.

6.2. Методы определения стойкости эмульсии и влияния ТДС на состав выхлопных газов.

6.3. Результаты экспериментов.

6.4. Обсуждение результатов и заключение.

1 - пульсирующая величина в турбулентном потоке; относительная величина;

Основные сокращения (аббревиатуры) АПЭПТ - 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

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-III 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-эмульгатора на заданную промышленную производительность.

Методическая база и методы исследования. Решение поставленных задач проведено на основе применения теории периодических 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 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 исследований. 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 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.: МГУТУ 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 конце 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.

Основные выводы и результаты

На основе теоретических и экспериментальных исследований получено стойкое моторное топливо на основе эмульсии бензина, водно-спиртового раствора и ПАВ (в виде 1 % изопропилового спирта) и разработаны рекомендации по проектированию роторного аппарата с модуляцией потока-эмульгатора.

1. Разработана физическая модель механизма эмульгирования жидкости в периодическом потоке с переходными гидромеханическими процессами на основе уравнений течения жидкости через модулятор роторного аппарата с модуляцией потока и обтекания частицы эмульсии в дисперсионной среде. На основе модели получено значение величины критической скорости обтекания частицы, когда она начинает разрушаться, то есть увеличивается дисперсность эмульсии. С уменьшением критического радиуса частицы возрастает критическая скорость обтекания.

2. Показано, что из трех видов акустической кавитации, возбуждаемой гармоническими волнами, заполненными и незаполненными импульсами давления жидкости, целесообразно использовать импульсную кавитацию с отрицательными незаполненными импульсами давления.

3. Топливные дисперсные смеси решают в настоящее время три основные задачи:

- частичная замена невозобновляемого углеводородного топлива возобновляемым - эмульсией на основе бензина, водно-спиртового раствора и ПАВ;

- улучшение состава отходящих газов из камеры горения за счет уменьшения концентрации оксида углерода, окислов азота и серы, ароматических углеводородов.

- вычисления показали, что продуктами горения являются преимущественно двухатомные молекулы с возбужденными колебательными степенями свободы (87,5 %), а с невозбужденными - 12,5 %.

4. В роторном аппарате с модуляцией потока полупромышленного назначения получено стабильное моторное топливо - спиртобензиновую смесь с водой, которую хранили до 7 месяцев при температуре - 20-К30 °С, при этом топливная дисперсная смесь на основе низкооктановых бензинов становятся высокооктановыми. Разработана и предложена наиболее целесообразная рецептура моторного топлива.

5. Вычислены и проанализированы константы коагуляции капель эмульсии при броуновском и гравитационном механизмах коагуляции, константа тепловой коагуляции не зависит от диаметров частиц, а только от их отношений.

6. Разработана калькуляция моторного топлива на основе смеси бензина с водно-спиртовым раствором. Рабочая установка производительностью 600 м3/сутки моторного топлива окупится меньше, чем за одну неделю, не считая улучшения экологической обстановки в городах и тем более в мегаполисах.

1. Автомобильные двигатели. Под ред. д.т.н. Ховах М.С. М.: Машиностроение, 1977. С. 19.

2. Акулов Н.И., Юдаев В.Ф. Роторные аппараты в пищевой технологии // В кн. Тр. Международной конференции «Стратегия развития пищевой промышленности». Т.2. М.: МГТА. 2003. С.420-424.

3. Акулов Н.И., Юдаев В.Ф. Акустическая коагуляция аэрозолей и ее аппаратурное оформление. М.: Пищепромиздат, 2003, 232 с.

4. Акулов Н.И., Юдаев В.Ф. Получение моторного топлива на основе бензина и водно-спиртового раствора // Производство спирта и ликероводочных изделий. № 3, 2004. С. 19-21.

5. Акулов Н.И., Юдаев В.Ф. Использование спиртобензиновой смеси в качестве моторного топлива // Производство спирта и ликероводочных изделий. № 4, 2004. С.31.

6. Акулов Н.И., Юдаев В.Ф. Стабильность смеси бензина с водно-спиртовым раствором. // Производство спирта и ликероводочных изделий.1, 2005. С.34.

7. Акулов Н.И., Червяков В.М., Юдаев В.Ф., Воробьёв Ю.В., Чичёва-Филатова JI.B. Режимы работы технологического оборудования с возбуждением кавитации // Вестник ТГТУ. № 2, 2005.

8. Акулов Н.И., Юдаев В.Ф. Физическая модель дробления капли дисперсной фазы в потоке нестационарного течения дисперсной системы // Хранение и переработка сельхозсырья. 2005. № 5, С. 21-24.

9. Алексеев В.А., Чичёва-Филатова JI.B., Юдаев В.Ф. Течение неньютоновской жидкости между коаксиальными цилиндрами // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2005.4. С. 76

10. Алексеев В.А., Юдаев В.Ф. Границы режимов работы аппаратов с возбуждением кавитации // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2004, № 10. С.57.

11. Балабышко A.M., Чичева-Филатова Л.В., Алексеев В.А. Нестационарное течение вязкой сжимаемой жидкости через модулятор роторного аппарата с учетом коэффициентов усреднения // Научные сообщения ИГД им. А.А. Скочинского. № 329, 2005. С. 133-139.

12. Балабышко A.M., Юдаев В.М. Роторные аппараты с модуляцией потока и их применение в промышленности. М.: Недра, 1992, 177 с.

13. Балабудкин М.А. Роторно-пульсационные аппараты в химико-фармацевтической промышленности.-М.: Медицина, 1983, 160 с.

14. Бергман JI. Ультразвук. М.: ИЛ, 1957

15. Биглер В.И., Юдаев В.Ф. Нестационарное течение реальной жидкости через отверстия гидродинамической сирены. // Акуст. журн. 1978. Т. 24. Вып. 2. С. 289.

16. Биглер В.И., Юдаев В.Ф. Импульсная акустическая кавитация в аппаратах типа гидродинамической сирены. //Акуст. журн., 1989. Т. 35. Вып. З.С. 409-412.

17. Бузуков А.А., Тимошенко Б.П. Диспергирование высоконапорной струи водотопливной эмульсии // Прикл. Механика и техн. физика. 1995. Т. 36, №2. С. 106-111.

18. Гершгал Д. А., Фридман В.М. Ультразвуковая аппаратура промышленного назначения. Изд. 2-е переработанное и дополненное. М.: Энергия, 1967, 264 с.

19. Гладышев В.Н., Римский-Корсаков А.В. Мощная динамическая сирена звукового диапазона. // Тр. VI Всесоюзной акустической конференции. М.: АКИН АН СССР. 1968.

20. Гулин Е.И., Горенков А.Ф., Лесников А.П., Новиков В.К. Эксплуатационные свойства и применение горючего, смазочных материалов и специальных жидкостей. JI.: Военная ордена Ленина академия тыла и транспорта. 1974. 368 с.

21. Донелли Р. Дж. Экспериментальное определение пределов устойчивости: Гидродинамическая неустойчивость. М.: Мир, 1964. С. 54-67.

22. Дунаев А. Отлучение «свинцового дьявола». Нефть России, 2002, № 11.

23. Иванов В.М. Топливные эмульсии. М.: АН СССР. 1962.

24. Кардашев Г.А., Муслимов Н.С., Салосин А.В. К теории кумулятивного эффекта кавитации и ее приложения к акустическому эмульгированию жидкостей. Тр. АКИН АН СССР, вып. VII. 1969.

25. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: ГИТТЛ. 1953. 788 с.

26. Лебедев С.Р., Азеев B.C., Лунев В.В. Перспективы техники МЧС // В кн. Тезисы докладов научно-практической конференции «Безопасность больших городов». М.: 1997 г. 126 с.

27. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: Учеб. Пособие для вузов. -М.: Высшая школа, 1981. 400 с.

28. Матаушек И. Ультразвуковая техника. М.: Металлургиздат, 1962.

29. Гладышев В.Н., Римский-Корсаков А.В. Мощная динамическая сирена звукового диапазона. // Тр. VI Всесоюзной акустической конференции. М.: АКИН АН СССР. 1968.

30. Монахов В.Н., Пешковский С.А., Яковлев А.Д. и др. К вопросу о втором пороге кавитации в воде. // Акуст.журн. 1975. Т. 21. № 3. С. 432.

31. Юдаев В.Ф. Получение частно-модулированного звука динамическими сиренами. В кн.: Применение физических методов в технологических процессах : Науч. тр. МИС и С. М.: Металлургия, 1990, С. 36-40.

32. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч.1.-М.: Наука, Гл. ред. физ. мат. лит., 1987 - 464 с.

33. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. 4.II. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат., лит., 1987. - 360 с.

34. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. М.: Химия, 1983. 192 с.

35. Панченков Г.М., Цабек JI.K. Поведение эмульсий во внешнем электрическом поле. М.: Химия 1969. 190 с.

36. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика. М.: Машиностроение-1, 2001, 260 с.

37. Резников М.Е. Топлива и смазочные материалы для летательных аппаратов. Под редакцией Столярова В.Г. М.: Воениздат. 1973. 232 с.

38. Релей. Теория звука. Т.2, М.: ИЛ, 1955, 351 с.

39. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие // Пер. с англ. Под ред. Б.И. Соколова. Л.: Химия, 1982. 592 с.

40. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1971. 704 с.

41. Севик, Пак. Дробление капель и пузырьков в турбулентном потоке. Труды американского общества инженеров-механиков. Теоретические основы инженерных расчетов, 1973. № 1. С.122-129.

42. Скучик Е. Основы акустики. T.l. М.: Мир, 1976.

43. Скучик Е. Основы акустики. Т.2. М.: Мир, 1976, 542 с.

44. Стабников В.Н., Райтер И.М., Процюк Т.Б. Этиловый спирт. М.: Пищевая промышленность. 1976 г.

45. Ультразвук. Гл.редактор Голямина И.П. М.: «Советская энциклопедия», 1979, 400 с.

46. Ультразвуковые преобразователи. Под ред. Е. Кикучи. Пер. с англ. под ред. И.П. Голяминой М.: Мир., 1972. 424 с.

47. Физическая акустика. Под ред. У.Мэзона. Т IV. Применения физической акустики в квантовой физике и физике твердого тела. Ч.А. Пер. с англ. под ред. Л.Г. Меркулова и Л.Д. Розенберга. М.: Мир, 1969. 436 с.

48. Физическая акустика. Под ред. У. Мэзона. Т IV. Применения физической акустики в квантовой физике и физике твердого тела. Ч.Б. Пер. с англ. под ред. Л.Г. Меркулова и В.А. Шутилова. М.: Мир, 1970. 440 с.

49. Физическая акустика. Принципы и методы. Под ред. У. Мезона Т. V./ Пер. с англ. под ред. В.В. Леманова. М.: Мир, 1973. 334 с.

50. Фридман В.М. Физико-химическое воздействие ультразвука на гетерогенные процессы // Ультразвуковая техника . 1967. № 6. С. 47-58.

51. Червяков В.М., Юдаев В.Ф. Кавитационные явления в газожидкостной смеси // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2004, № 4. С. 73-77.

52. Чулков П.В., Чулков И.П. Топлива и смазочные материалы: ассортимент, качество, примеси, экономия, экология. Справ, изд. М.: Политехника. 1996. 304 с.

53. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. Теория кавитационного реактора и ее приложения в производстве хлебопродуктов. М.: ЕВА пресс, 2001. 273 с.

54. Юдаев В.Ф. Получение частно-модулированного звука динамическими сиренами. // В кн.: Применение физических методов в технологических процессах : Науч. тр. МИС и С. М.: Металлургия, 1990. С. 36-40.

55. Юдаев В.Ф. Использование аппаратов с кавитационной зоной для подготовки топлива к сжиганию. В кн. Динамика процессов и аппаратовхимической технологии. Тезисы докладов IV Всероссийской научной конференции 18-19 октября 1994г. Ярославль. 1994 г. С. 222.

56. Юдаев В.Ф. Гидродинамические процессы в роторных аппаратах. // Теор. основы хим. технол. 1994. Т. 28. № 6. С. 581.

57. Юдаев В.Ф. Критерий границ между процессами кавитации и кипения. Теор. основы хим. технол. 2002. Т. 36. № 6. С. 599.

58. Юдаев В.Ф. Переходный режим течения жидкости через модулятор роторного аппарата. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002. № 12. С. 27.

59. А.с. 1422443 СССР / В.Ф. Юдаев, С.Ф. Бреденко, С.С. Елаков. Роторный аппарат. Приоритет 14.07.1986 г.

60. А.с. 1444999 СССР / В.Ф. Юдаев, С.К. Карепанов, С.С. Лавров и др. (всего 4 автора). Роторный аппарат. Приоритет 29.05.1987.

61. А.с. 1522520 СССР / В.Ф. Юдаев, С.С. Лавров, С.Ф. Бреденко. Устройство для обработки текущих сред. Приоритет 14.03.1988.

62. А.с. 1580637 СССР / В.Ф. Юдаев, В.И. Биглер, С.Ф. Бреденко и др. Устройство для создания акустических колебаний в проточной среде. Приоритет 04.07.1988

63. А.с. 1522520 СССР / В.Ф. Юдаев, С.С. Лавров, С.Ф. Бреденко. Устройство для обработки текучих сред. Приоритет 14.03.1988.

64. А.с. 1620122 СССР А1 / В.А. Лавров, В.И. Биглер, Е.Ю. Шереметьева и др. (всего 6 авторов). Гомогенизатор. Опубл. 15.01.91. Бюл. №2.

65. А.с. 1671362 СССР А1 / В.Ф. Юдаев, В.А. Лавров, В.И. Биглер и др. (всего 6 авторов). Акустический излучатель. Опубл. 23.08.91. Бюл. №31.

66. Способ сжигания топлива / В.Ф. Юдаев. Бюл. № 9527 27.09.1995.1. С.34

67. Юдаев В.Ф., Подъяпольский В.П., Овсейчук Г.И. и др. Способ снижения вредных веществ в установках сжигания топлива. Заявка на патент Р.Ф. № 97107980 от 27.05.1997.

68. Заявка на патент 2001114084/12(015229) от 28.05.2001 / В.Ф. Юдаев, В.И. Биглер, В.А. Дзусов и др. Способ обработки жидкой проточной среды и роторный аппарат для его осуществления. Решение о выдаче патента 09.01.2003.

69. Мир химии. httr//chemistry/.narod.ru/

70. А.с. 649451 СССР / В.Ф. Юдаев. Роторный дипергатор. Опубл. 29.03.1979. Бюл. № 8.

71. Allen G.H., Rudnick J., A powerful higuhcy siren. JASA, V. 19, 1947, p. 857.

72. Davies J.T. Proceedings of the 2nd international Congress on Surface Activity, vol. 1,1957, P. 426.

73. Пупынин В.П., Панин B.B. О стабильности жидких металлических систем, содержащих дисперсную окисную фазу. Сб.трудов ОКТБ: «Ультразвук в машиностроении. Синтетические дисперсные сплавы» вып.2. М.: ЦНИИПИ, 1969. С. 182-192.

74. Макаров В.В., Петрыкин А.А., Кайшев В.Г., Акулов Н.И., Баранников В.П., Шамонина А.В., Локтев Е.А. Патент Р.Ф. № 2212434. Модификатор моторного топлива. Опубл. 20.09.2003. Бюл. №26.