Способ получения стабильной бимодальной эмульсии - RU2091444C1
Код документа: RU2091444C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способу образования эмульсий вязкого углеводорода в водном буферном растворе, более конкретно, способу получения бимодальных эмульсий вязкого углеводорода в водном буферном растворе, которые применяют в качестве воспламеняющихся топлив.
Вязкие углеводороды с низкой плотностью обнаруживают в виде больших запасов в Канаде, России, Соединенных штатах, Китае и Венесуэле, они являются обычно жидкостями с вязкостью в пределах от 10000 СПз до более чем 500000 СПз при температуре окружающей среды. Эти углеводороды обычно получают различными способами, включая закачку водяного пара, механическую перекачку, шахтные техники и комбинации этих способов.
В свое время полученные, такие углеводороды применяют в качестве воспламеняемых топлив, если только их обессоливают и дегидратируют и обрабатывают для удаления других нежелательных компонентов. Однако, для практического применения в качестве жидкого топлива эти углеводороды слишком вязкие. Поэтому из таких вязких углеводородов образуют водные эмульсии, которые имеют улучшенную вязкость и соответственно улучшенные характеристики текучести. Когда эти эмульсии получают с высоким отношением углеводородного материала к воде, они являются превосходным воспламеняющимся топливом. Однако, эта эмульсия нестабильна и быстро разрушается, если не стабилизирована поверхностно-активными веществами или эмульгаторами. К сожалению, коммерческие эмульгаторы дорогие и цены эмульсии поэтому возрастает. Эта увеличенная цена явно неблагоприятно действует на возможность применения вязких углеводородов для образования воспламеняющихся топливных эмульсий.
Известно, что вязкие углеводороды в природе содержат материалы, которые являются потенциальными поверхностно-активными веществами. Было бы, конечно, желательно активировать такие материалы, чтобы обеспечить природные поверхностно-активные вещества для стабилизации эмульсии без дополнительного расхода на коммерческие эмульгаторы, посредством этого обеспечивая более практичную альтернативу применения вязких углеводородов в получении воспламеняющихся топливных эмульсий. Эти материалы, содержащиеся в природе в вязких углеводородах и являющиеся потенциальными поверхностно-активными веществами, включают различные карбоновые кислоты, сложные эфиры и фенолы, которые при значениях основного характера pH среды могут активироваться как природные поверхностно-активные вещества. Для обеспечивания подходящего pH в качестве добавки применяют гидроксид натрия. Однако, гидроксид натрия не способен поддерживать pH водной фазы постоянным, так что подходящее значение pH, активированное поверхностно-активное вещество и сама эмульсия существуют короткое время.
Естественно, что очень желательно предложить способ получения стабильных эмульсий, которые используют природные поверхностно-активные вещества, присутствующие в вязких углеводородах, обсужденных выше.
В соответствии с этим основной целью изобретения является создание способа получения эмульсий вязких углеводородов в воде с использованием природных поверхностно-активных веществ, присутствующих в вязких углеводородах, чтобы придать стабильность эмульсии.
Еще одной целью изобретения является создание указанного выше способа, который, в частности, пригоден для получения бимодальных эмульсий.
Еще одной целью изобретения является создание указанного выше способа, при помощи которого полученная эмульсия пригодна для применения в качестве воспламеняющегося топлива.
Другие цели и преимущества изобретения будут показаны ниже.
В соответствии с изобретением указанные выше цели и преимущества легко достигаются.
Изобретение содержит способ образования стабильных мономодальных и бимодальных эмульсий, предпочтительно бимодальных эмульсий, вязких углеводородов в водных буферных растворах. В соответствии с изобретением вязкий углеводород, содержащий неактивное поверхностно-активное вещество, смешивают с водным буферным раствором в регулируемых условиях, чтобы получить мономодальную эмульсию. Водный буферный раствор содержит воду, щелочную добавку в количестве, превышающем или равном около 30 ч/млн, и буферную добавку в количестве, превышающем или равном около 4000 ч/млн, и имеет значение pH, превышающее или равное около 11. Вязких углеводород смешивают с водным буферным раствором при энергии смешивания, достаточной для образования мономодальной эмульсии вязкого углеводорода в водном буферном растворе, в которой средний размер капелек углеводорода меньше или равен 5 мкм. Буферная добавка в водном буферном растворе экстрагирует неактивное природное поверхностно-активное вещество из вязкого углеводорода, чтобы стабилизировать мономодальную эмульсию. Можно затем получить бимодальную эмульсию в соответствии с изобретением разбавлением мономодальной эмульсии и последующим смешиванием дополнительного вязкого углеводорода с разбавленной мономодальной эмульсий при предпочтительной скорости перемешивания, достаточной для образования стабильной бимодальной эмульсии вязкого углеводорода в водном буферном растворе. В соответствии с изобретением полученная бимодальная эмульсия является стабильной эмульсией, имеющей отношение углеводорода к водному буферному раствору между около 60 40 и 80 20, средний размер маленьких углеводородных капелек (DS), меньший чем или равный около 5 мкм, и средний размер больших углеводородных капелек (DI), меньший чем или равный около 30 мкм.
В соответствии с изобретением буферной добавкой, применяемой в водном буферном растворе, является растворимый в воде амин, присутствующий в концентрации между около предпочтительно 4000 ч/млн и около 15000 ч/млн.
Способ изобретения позволяет получить стабильные бимодальные эмульсии путем способа достаточной энергии, который предпочтительнее известных способов.
Изобретение поясняется фиг. 1 6.
Фиг. 1 является технологической схемой, иллюстрирующей способ получения бимодальной эмульсии в соответствии с изобретением.
Фиг. 2 является графическим изображением, иллюстрирующим распределение размера капелек при получен и мономодальной эмульсии и бимодальной эмульсии в соответствии со способом изобретения.
Фиг. 3 является графическим изображением, иллюстрирующим влияние энергии смешивания на размер капелек в мономодальной эмульсии, образованной в соответствии с изобретением, по сравнению с известным способом.
Фиг. 4 является графическим изображением, иллюстрирующим влияние энергии смешивания на размер капелек в бимодальной эмульсии, образованной в соответствии с изобретением, по сравнению с известным способом.
Фиг. 5 является графическим изображением, иллюстрирующим влияние энергии смешивания на размер капелек масла в мономодальной эмульсии, образованной в соответствии со способом изобретения.
Фиг. 6 является графическим изображением, иллюстрирующим влияние энергии смешивания на размер капелек масла в бимодальной эмульсии, образованной в соответствии со способом изобретения.
Изобретение относится к способу образования эмульсий вязкого углеводорода в водном буферном растворе и, более конкретно, способу получения бимодальных эмульсий вязкого углеводорода в водном буферном растворе, которые применяются в качестве воспламеняющихся топлив.
Природные вязкие углеводородные материалы, полезно применяемые в способе изобретения, характеризуются следующими химическими и физическими свойствами.
Эти природные вязкие углеводородные материалы содержат неактивные поверхностно-активные вещества, включающие карбоновые кислоты, фенолы и сложные эфиры, которые при подходящих условиях могут активироваться как поверхностно-активные вещества.
В соответствии с изобретением буферную добавку в водном буферном растворе применяют для экстракции неактивного природного поверхностно-активного вещества в вязком углеводороде, чтобы образовать стабилизированную эмульсию. В соответствии с изобретением водный буферный раствор содержит воду, щелочную добавку и буферную добавку и значение pH его регулируют так, чтобы оно было выше или равнялось около 11. Буферной добавкой, применяемой в водном растворе, является растворимый в воде амин. Найдено, что при образовании мономодальной эмульсии буферная добавка должна присутствовать в количестве, превышающем или равном 1000 ч/млн. Однако, когда получают бимодальную эмульсию в соответствии со способом изобретения, буферная добавка должна присутствовать в количестве, превышающем или равном 4000 ч/млн. Концентрация буферной добавки предпочтительна между 4000 ч/млн и 15000 ч/млн, идеально между 4000 ч/млн и 10000 ч/млн. Растворимый в воде амин может иметь одну алкильную группу или, по меньшей мере, две алкильные группы. Конкретно, пригодные растворимые в воде амины для применения в способе изобретения включают этиламин, диэтиламин, триэтиламин, н-бутиламин, триизобутиламин, диметиламин, метиламин, пропиламин, дипропиламин, втор-пропиламин, бутиламин, втор-бутиламин и их смеси.
Кроме буферной добавки водный буферный раствор включает щелочную добавку в количестве, превышающем или равном 30 ч/млн, предпочтительно от 30 ч/млн до 500 ч/млн, идеально от 30 ч/млн до 100 ч/млн. Применение щелочной добавки в комбинации с буферной добавкой в способе изобретения приводит к появлению синергического эффекта. Когда применяют вместе щелочную добавку и буферную добавку, энергия смешивания, требуемая для образования эмульсий, имеющих желаемый размер капелек, значительно снижается. Конкретно, пригодные щелочные добавки для применения в водном буферном растворе, применяемом в способе изобретения, включают растворимые в воде соли щелочных металлов, соли щелочноземельных металлов, гидроксиды щелочных металлов, гидроксиды щелочноземельных металлов, аммониевые соли, гидроксиды алкиламмония и их смеси. Конкретно пригодные щелочные добавки включают хлорид натрия, хлорид калия, нитрата натрия, нитрата калия, гидроксид натрия, гидроксид калия, нитрат кальция, хлорид кальция, хлорид магния, нитрат магния, хлорид аммония, гидроксид аммония, гидроксид тетрааммония, гидроксид тетрапропиламмония и их смеси.
Вязкий углеводород затем смешивают с водным буферным раствором при скорости перемешивания, достаточной для образования мономодальной эмульсии вязкого углеводорода в водном буферном растворе, в которой средний размер углеводородных капелек меньше чем или равен около 5 мкм. Буферная добавка в водном буферном растворе экстрагирует неактивное природное поверхностно-активное вещество из вязкого углеводорода, стабилизируя эмульсию. В соответствии с настоящим изобретением найдено, что для образования мономодальной эмульсии, имеющей желаемый размер масляных капелек, требуется энергия смешивания между около 60000 и 200000 Дж/м3, предпочтительно между 60000 и 150000 Дж/м3.
Для образования бимодальной эмульсии мономодальную эмульсию разбавляют добавлением воды и затем дополнительный вязкий углеводород смешивают с разбавленной мономодальной эмульсией при скорости смешивания, достаточной для образования стабильной бимодальной эмульсии, имеющей следующие физические и химические свойства. Отношение углеводорода к водному буферному раствору между 60 40 и 80 40, средний размер маленьких углеводородных капелек (DS), меньший чем или равный около 5 мкм, средний размер больших углеводородных капелек (D1), меньший чем или равный около 30 мкм, отношение (D1), к (DS) большее чем или равное около 4, предпочтительно большее чем или равное около 10, в капельках большего размера содержится 70 90% вязкого углеводорода. В соответствии с изобретением найдено, что энергия смешивания, требуемая для получения бимодальной эмульсии, определенной выше, находится между около 80000 и 1000000 Дж/м3, предпочтительно между около 80000 и около 800000 Дж/м3. Вязкость полученной бимодальной эмульсии меньше чем или равна около 500 сП при 30oC и 1 с-1.
Фиг. 1 является схематической диаграммой, иллюстрирующей способ изобретения. Со ссылкой на фиг. 1, воду и буферную добавку смешивают, чтобы получить водный буферный раствор. Затем в водный буферный раствор добавляют битум и смешивают в смесителе первой стадии для образования мономодальной эмульсии. Мономодальную эмульсию первой стадии затем разбавляют водой и в разбавленную мономодальную эмульсию добавляют дополнительный битум. Смесь затем направляют на вторую стадию, где применяют энергию смешивания для образования бимодальной эмульсии в соответствии с изобретением.
Пример 1. Этот пример демонстрирует получение стабильной бимодальной эмульсии буферном растворе в соответствии с изобретением.
Получали водный буферный раствор, содержащий 7000 ч/млн этилендиамина и 400 ч/млн NaOH и имеющий pH около 11. Вязкий углеводородный битум, имеющий характеристики, приведенный в табл. 1, нагревали до около 70oC и смешивали с буферным раствором в статическом (неподвижном) смесителе в соответствии с технологической схемой, показанной на фиг. 1.
Отношение битума к водному буферному раствору, устанавливали как 60 40. Применяли статический смеситель SMX 40c достаточными перемешивающими элементами для обеспечивания энергии смешивания около 80000 Дж/м3. Полученная мономодальная эмульсия из первой стадии имела распределение размера частиц, как показано на фиг. 2. Средний размер частиц был менее 2 мкм при отношении битума к водному буферному раствору как 60 40. Мономодальную эмульсию разбавляли водой, чтобы достичь отношение битума к разбавленному водному буферному раствору около 40 60. Разбавленную эмульсию смешивали с дополнительным битумом при 70oC во втором статическом смесителе при таком отношении битума к разбавленной эмульсии, чтобы получить эмульсию 80 20. Применяли статический смеситель с достаточными смешивающими элементами для обеспечивания энергии смешивания около 300000 Дж/м3. Эмульсия, которая выходила из второго статического смесителя имела распределение размера бимодальных капелек, указанное на фиг. 2. Средний диаметр совокупности больших капелек имел величину около 20 мкм, тогда как средний диаметр совокупности маленьких капель имел величину около 2 мкм. Вязкость этой эмульсии была около 450 сП при 30oC и 1 с-1.
Пример 2. Этот пример демонстрирует синергический эффект щелочной добавки и буферной добавки в энергии смешивания, необходимой для получения желаемого среднего диаметра капелек.
Эмульсии получали с применением различных количеств щелочных и буферных добавок для активирования природных пверхностно-активных веществ в битуме. Битум и буферный раствор смешивали при соотношении битума и буферного раствора 60 40, применяя смеситель с энергией смешивания 120000 Дж/м3. Размеры капелек полученных мономодальных эмульсий приводятся в табл. 2.
Капельки меньшего размера получают с применением той же энергии смешивания, используя буферный раствор, содержащий как буферную добавку, таки щелочную добавку, чем те, которые получают, применяя буферный раствор, который содержит только одну из добавок.
Пример 3. Этот пример демонстрирует влияние энергии смешивания на образование бимодальной эмульсии в соответствии со способом изобретения.
Эмульсии получали, как описано в примере 1, за исключением того, что для обеспечивания желаемой энергии смешивания на стадиях 1 и 2 применяли динамический смеситель, как показано на фиг. 1. Для контроля получали также бимодальную эмульсию в соответствии с патентом США 4776977 с применением того же смесителя. Результаты приводятся на фиг. 3 и 4.
Как можно увидеть на фиг. 3 и 4, способ изобретения требует значительно меньшую энергию для образования эмульсии с подобным размером частиц. Для получения эмульсии с частицами малого размера новый способ требовал в 60 раз меньше энергии, чем требуется ее в способе патента США 4776977. Аналогичный результат получали при образовании эмульсии с капельками большого диаметра с применением известного способа и способа изобретения. Более чем в 10 раз больше энергии требовалось для получения эмульсии с подобным средним размером капелек при применении поверхностно-активного вещества известным способом, чем способом изобретения.
Пример 4. Этот пример демонстрирует влияние энергии смешивания на средний диаметр капелек на стадии 1 и стадии 2 получения бимодальной эмульсии способом изобретения.
Эмульсии получали как в примере 1, применяя статический смеситель Sulzer Model SMX40, который можно модифицировать изменением числа смешивающих элементов. Число смешивающих элементов в статическом смесителе определяет прилагаемую энергию смешивания. Результаты можно увидеть на фиг. 5 и 6. Можно увидеть, что в стадии 1 статический смеситель, способный обеспечивать энергию смешивания около 60000 Дж/м2, был необходим для получения частиц со средним размером ниже 3 мкм. Во второй стадии для получения второй совокупности частиц со средним диаметром ниже 30 мкм требовалась энергия смешивания менее 300000 Дж/м3.
Пример 5. Этот пример включен для демонстрации получения мономодальной эмульсии битума в водном буферном растворе с применением различных аминов.
Мономодальные эмульсии получали как в примере 2. Концентрацию амина устанавливали 9000 ч/млн, в буферный раствор добавляли 400 ч/млн NaOH. Буферный раствор имел pH 11. Ниже, в табл.3, приведены результаты для различных буферных добавок.
Результаты показывают, что эмульсию с размером частиц, меньшим чем или равным 5, можно получить способом изобретения с использованием различных растворимых в воде буферных добавок.
Пример 6. Этот пример демонстрирует влияние различных щелочных добавок на образование мономодальной эмульсии.
Применяли методику, описанную в примере 5. Различные буферные растворы получали с применением 9000 ч/млн этилендиамина, pH 11 и различных щелочных добавок. Результаты приводятся в табл. 4.
Результаты что эмульсии с размером частиц, меньшим или равным 5, можно получить способом настоящего изобретения с применением различных растворимых в воде щелочных добавок вместе с буферным раствором.
Реферат
Способ получения стабильной бимодальной эмульсии предусматривает смешивание вязкого углеводорода с водным буферным раствором при регулируемых условиях для образования первой мономодальной эмульсии, имеющей средний размер углеводородных капелек меньше чем 5 мкм. Мономодальную эмульсию затем разбавляют водой и дополнительный вязкий углеводород смешивают с разбавленной мономодальной эмульсией при энергии второго смешивания, достаточной для получения бимодальной эмульсии, в которой средний размер маленьких углеводородных капелек меньше чем или равен 5 мкм и средний размер больших углеводородных капелек меньше чем или равен 30 мкм. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил, 4 табл.
