超声波对柴油乳化的影响

超声波对柴油乳化的影响类别：石油工业作者：吕效平韩萍芳关键词：超声波,柴油,乳化,乳化剂【内容】柴油燃烧不完全造成的环境污染,越来越受到人们的关注｡复合柴油及柴油添加剂等防污､节油技术得到迅速发展和推广使用｡其中最重要的是柴油掺水乳化技术,它具有节能效率高､明显减少尾气污染等特点｡乳化柴油的微爆效应使油滴更加微小,扩大与空气接触面积,强化燃烧过程,还可降低过剩空气系数｡而燃烧过程的水煤气反应,将沉积的炭转化为有利于燃烧的CO和H2,同时也阻止炭粒的沉积和生成,提高燃烧效率｡掺水还可调节乳化柴油含氢量,减少SOx､NOx等有害气体的排放和大气中的酸污染｡我国柴油消耗量约为20Mt/a左右,如果能够全部采用超声波柴油掺水乳化技术,按节油率10%计,约可以节省2Mt/a｡不仅可以缓解国内柴油紧张状况,还可以带来上亿元的经济效益,而且可以大大减少柴油燃烧不完全而造成的环境污染｡对于柴油乳化技术,早在20世纪40年代已着手研究,至今已取得较大进展｡如美､日､德等国的柴油乳化剂都早已作为商品销售于市场,现已开发第三代或第四代产品,乳化柴油已在工业上应用,并有多项专利发表｡我国柴油乳化技术研究最近几年发展较迅速,许多研究结果表明,柴油掺水10%~20%,加入一定量的乳化剂(0.1%~2%左右)的情况下,乳化柴油的节油率在5%~16%左右,还大大降低有害气体的排放｡已开发许多较好的乳化剂配方并研究了复合乳化剂的亲水-亲油值(HLB值)､乳化温度､极性添加物､搅拌方式､乳化时间､水质等对乳状液稳定性的影响｡超声波乳化与其它乳化技术比较,可使液滴分散细而分布窄,效率高,分散效果好,增加乳液的稳定性｡但目前超声波各工艺参数对柴油乳化影响研究不多,因此本工作着重研究功率､处理时间､静置时间及乳液含水量等对柴油乳化的影响,使用了稳定时间和平均粒径这两个指标评测柴油乳化液稳定效果｡1试验部分1.1主要仪器及试验流程H061超声波处理仪,20kHz,1kW(无锡超声电子设备厂);XSS-2生物光学显微摄影仪(江南光学仪器厂)｡试验流程示意图见图1｡1.2复配乳化剂的配制及乳化剂加入方式制备乳化液应根据乳化对象､乳化液类型选择适当的乳化剂,其依据是选择与被乳化物有相近HLB值的乳化剂｡按HLB值表选择Span-80失水山梨醇单油酸酯(属非离子型表面活性剂,其HLB值为43)和十二烷基苯磺酸钠(属阴离子型表面活性剂,其HLB值为117)和亚甲基纤维素钠(作为柴油乳化液的稳定剂)｡根据下式计算HLB值:HLB值=7+∑(亲水基基团数)-∑(亲油基基团数)十二烷基苯磺酸钠(C12H25—C6H4—SO3Na)的HLB值根据上式计算:HLB值=7+11-1.662-0.475*12=10.638即十二烷基苯磺酸钠的HLB值为10.638｡试验中加入了亚甲基纤维素钠,因其具有较大的表面活性和保护胶体的性能,故乳化稳定性很好｡加入亚甲基纤维素钠有助于延长柴油乳化剂的稳定时间｡根据柴油乳化形成油包水(W/O)型乳化液的HLB值应在43~75之间,最好在5~65之间计算Span-80失水山梨醇单油酸酯和十二烷基苯磺酸钠的配比｡当混合乳化剂的HLB值取5时,则4.3x+10.638(1-x)=5,x=89%;当混合乳化剂的HLB值为6.5时,则4.3x+10.638(1-x)=65,x=65%｡即Span-80失水山梨醇单油酸酯在混合乳化剂中的质量分数应在65~89%之间｡经试验,基准为200ml柴油时,复合型乳化剂配比为:Span-80失水山梨醇单油酸酯045g(Span-80失水山梨醇单油酸酯在混合乳化剂中的含量为75%,满足质量分数应在65%~89%之间的要求);十二烷基苯磺酸钠0.15g;亚甲基纤维素钠0.3g｡为试制最佳复合型乳化剂,固定超声波发生器电功率为700W,频率为20±1kHz｡乳化剂的加入方式采用剂在油中法｡2结果与讨论2.1超声波作用功率对乳化液水滴平均粒径的影响使用200ml柴油､10ml水,并加入复合乳化剂,制成混合乳化液｡超声波处理时间10min,作用电功率500~900W｡结果由图2所示｡根据超声波作用功率对水滴直径的影响,可以看出,在油水比一定的情况下,随着超声波作用功率增大,乳化液中水滴平均粒径随之减小｡超声波作用功率的增大,使乳化液内部产生激烈的颗粒运动及空化作用,使乳化液内部产生了高温､高压､高湍动流场,内部小液滴相互碰撞､撕裂,使乳化液中分散相(小水滴)的平均粒径减小,水滴平均粒径在1~2.2μm左右,使乳化液稳定时间延长｡由图可见,超声波作用功率越大乳化效果越好｡2.2超声波作用时间对乳化液水滴平均粒径的影响在超声波作用功率700W时,使用200ml柴油和10ml水,并加入复合乳化剂,制成混合乳化液｡采用不同超声波处理时间,得图3｡根据超声波作用时间对乳化水滴直径的关系,可以看出:在油水比一定的情况下,随着超声波作用时间的增大,乳化液的平均粒径随之减小后又增大,这说明超声波作用存在最佳作用时间｡对于超声波作用功率为700W时,最佳作用时间为10min｡这是因为用超声波处理乳化液时,在乳化液内部存在着小液滴相互碰撞的过程,在碰撞过程中小液滴存在着被合并与被击碎的可能,这两个过程达到平衡时,乳化液中水滴平均粒径才趋于稳定,最佳时间即为这两个过程达到平衡的最短时间｡2.3乳化液静置时间对乳化液水滴平均粒径的影响超声波作用功率700W,作用时间为10min,使用200ml柴油和10ml水,加入复合乳化剂,制成混合乳化液｡仅改变静置时间来考察平均粒径的变化｡不同的乳化液静置时间下,对乳化平均粒径变化的分析,表明在相同复配乳化剂､超声波作用功率､处理时间和油水比条件下,随着乳化液静置时间的延长,在乳化液内部存在着大液滴破裂成小液滴的过程,反映在图4中即为平均粒径随静置时间延长而减小｡图5为超声波作用700W､作用时间为10min､掺水为10ml水/200ml柴油､静置时间为3天取样､放大1800倍的显微摄影照片,经过统计平均得1758μm｡而由图4可见静置时间为60min时的平均粒径为1834μm｡这是由于超声波刚作用完后的乳化液还处于不稳定状态,乳化液表面吉布斯函数G很大｡乳化液要趋于稳定,其表面吉布斯函数G必有减小的趋势,这只能通过减小乳化液内部小液滴平均粒径来实现表面吉布斯函数G的减小｡随静置时间的延长,乳化液趋于稳定,液滴平均粒径的变化也趋于稳定｡2.4乳化液中含水量对乳化液水滴平均粒径及其稳定时间的影响在超声波作用功率700W､作用时间为10min时,选用不同的柴油和水的配比(其中柴油的量固定为200ml,现仅改变乳化液中水量)并加入复合乳化剂制成混合乳化液｡在不同的柴油和水的配比下,对乳化水滴平均粒径的分析,由表1可见在确定的复配乳化剂､超声波作用功率和作用时间的条件下,乳化液中含水量有一个极限值｡在本试验条件下,极限(即在60天内没有发生油水分层)含水量为125ml｡这是由于超声波作用时,在乳化液内部存在着小液滴相互碰撞的过程,在碰撞过程中小液滴存在着被合并与被击碎的可能,含水量过大使小液滴被合并成大液滴的机会增多,大液滴过多使乳化液平均粒径增大,最终使其稳定时间缩短｡3结论(1)在相同油水比情况下,超声波作用功率大乳化效果好｡(2)在相同油水比情况下,超声波作用存在最佳作用时间｡对于超声波作用功率为700W时,最佳作用时间为10min｡(3)复配乳化剂､超声波作用功率和作用时间一定的条件下,乳化液中含水量有一个极限值｡在本试验条件下,极限含水量为125ml/200ml柴油｡(4)复配乳化剂､超声波作用功率､作用时间和油水比一定的条件下,随着乳化液静置时间的延长,在乳化液内存在着大液滴破裂的过程,表现为随着静置时间的延长,平均粒径随之减小｡(5)试验复合型柴油乳化剂为:Span-80失水山梨醇单油酸酯045g;十二烷基苯磺酸钠015g;亚甲基纤维素钠03g(作为乳化液稳定剂加入)｡超声波处理后的掺水乳化柴油经150天静置仍未出现分层现象,基本满足乳化柴油稳定性的要求｡[参考文献][1]陈贵荣,陈志杰,姚明勤.[J].河北工业科技,1999,16(3):24-26.[2]钟北京,傅维标.[J].燃烧科学与技术,1998,(4):333-341.[3]阎冬青,吴立成.[J].河北工业科技,1999,16(3):46-52