Инновационные элементы в принципе действия и конструкции устройств для мгновенного приготовления эмульсий в динамическом потоке её компонентов



Эмульсификация жидкостей и топливных смесей применима в различных видах промышленности. В настоящей статье автор предлагает рассмотреть уникальные свойства эмульсий, созданных на инновационном устройстве

Ключевые слова: эмульсии, устройство для приготовления эмульсий, гомогенизация в динамическом потоке, гидропоника, приготовление топливных смесей

Общая характеристика эмульсий, которые могут быть получены при помощи инновационного устройства для динамического смешивания игидродинамического активирования жидкостей вразвитом турбулентном потоке:

‒ эмульсии могут быть получены в динамически активном потоке одной из жидкостей, входящих в эмульсию;

‒ для изготовления эмульсии нет необходимости применять технологические ёмкости, устройство для приготовления эмульсии является частью трубопровода;

‒ для приготовления эмульсии нет необходимости применять высокое и сверхвысокое давление;

‒ для изготовления эмульсии нет необходимости в применении ультразвуковых технологий;

‒ время приготовления эмульсии не превышает долей секунды;

‒ параметры эмульсии, в том числе и размеры частиц её компонентов определяются геометрией соответствующих секций и деталей устройства для динамического активирования жидкостей в развитом турбулентном потоке;

‒ процесс приготовления эмульсии происходит в одно и то же время с гомогенизацией не только по размерам частиц компонентов эмульсии, но и по уровню турбулентности потока.

Типы эмульсий, производимых при помощи устройства для динамического активирования жидкостей вразвитом турбулентном потоке:

1. Эмульсии, в которых содержание органических компонентов превышает содержание неорганических компонентов.

Такая эмульсия называется эмульсией типа вода в масло. Такие виды эмульсий в основном применяются для топливных смесей и в качестве органического компонента включают в себя различные типы дизельного топлива.

Ввиду того, что в последнее время ученые всё больше пытаются получить дополнительную энергию испарения при сжигании эмульсии, воду перед производством эмульсии смешивают с метанолом в различной пропорции (метанол имеет наивысшую энергию испарения). При сжигании такой эмульсии получают существенное снижение концентрации загрязнений в выхлопных газах, особенно окислов азота.

Кроме того, примесь метанола снижает концентрацию серы в выхлопных газах пропорционально концентрации метанола в смеси с водой.

2. Эмульсии, в которых содержание органических компонентов меньше чем содержание неорганических компонентов.

Такая эмульсия называется эмульсией типа масло в воду. Такие виды эмульсий в основном применяются в фармацевтике, косметологии, пищевой промышленности и в последнее время, как средство для полива в теплицах, включая и гидропонные системы. Для получения таких эмульсий необходимо применение химических реагентов и стабилизаторов.

3. Эмульсии, в которых содержание органических и биологических компонентов превышает содержание неорганических компонентов. Такая эмульсия также называется эмульсией типа вода в масло. Такие виды эмульсий в основном применяются для топливных смесей и в качестве органического компонента, как правило, включают в себя различные типы дизельного топлива. Такую эмульсию получают в развитом, динамическом потоке компонентов.

Эмульсия, полученная таким способом, имеет развитые и устойчивые свойства реэмульсификации и имеет развитую трёхмерную капсулированную структуру. Для приготовления эмульсии не требуются химические реагенты и кроме того уровень внутренних свойств и кондиций эмульсии весьма гомогенный.

4. Эмульсии, в которых содержание органических и биологических компонентов меньше чем содержание неорганических компонентов. Такая эмульсия называется эмульсией типа масло в воду. Такие виды эмульсий в основном применяются в фармацевтике, косметологии, пищевой промышленности и в последнее время, как средство для полива в теплицах, включая и гидропонные системы. Для получения таких эмульсий нет необходимости в применении химических реагентов и стабилизаторов.

Такую эмульсию получают в развитом, динамическом потоке компонентов, причём количество компонентов может быть 4 и более.

Эмульсия, полученная таким способом, имеет развитые и устойчивые свойства реэмульсификации и имеет развитую трёхмерную капсулированную структуру.

Рис. 1. Устройство для приготовления эмульсий в динамическом потоке

Новая версия технологии приготовления эмульсий и топливных эмульсий представлена на рисунке 2.

Рис.2. Устройство для приготовления топливной эмульсии

Основное отличие предлагаемой версии получения эмульсии заключается в том, что:

‒ эмульсия формируется в устройстве для динамического смешивания и активирования жидкостей и газов, в динамичном потоке 60 % одного из компонентов эмульсии в который также в виде динамического потока противоположном направлении, вводятся 40 % этого же компонента эмульсии и после этого в место соединения 60 и 40 процентов одного из компонентов эмульсии вводится второй компонент эмульсии, также в виде динамического потока;

‒ потоки 60 и 40 процентов одного из компонентов эмульсии являются коаксиальными и соосными в трёхмерном пространстве, в котором эти фрагменты потоков движутся;

‒ линейные скорости движения потока из 40 % одного из компонентов эмульсии как минимум в 4 раза превышают линейные скорости потока из 60 % этого же компонента эмульсии;

‒ физические условия в месте соединения этих потоков, включая концентрические эффекты Бернулли в каждом из потоков обеспечивают гомогенизацию турбулентности объединённого потока (турбулентную гомогенизацию);

‒ динамический поток второго компонента эмульсии вводится в зону в которой уже осуществлена турбулентная гомогенизация;

‒ интегрированный поток полученной эмульсии приобретает состояние гомогенизации уровня турбулентности по всему объёму интегрированного потока во всех точках сечения этого потока;

‒ время этого процесса формирования гомогенизированной по уровню турбулентности эмульсии по расчётам составляет не более 0,1 секунды;

‒ выход из устройства для динамического смешивания и активирования жидкостей и газов в интегрированном (изобретённом) устройстве напрямую соединён со входом в стандартный насос высокого давления (применяемый на любом современном двигателе внутреннего сгорания как дизельном так и бензиновом);

‒ интервал времени, необходимого для перехода первичной эмульсии с гомогенизированным уровнем турбулентности в рабочие цилиндры насоса высокого давления не превышает по расчётам также 0,1 секунды;

‒ в насосе высокого давления эмульсия с гомогенизированным уровнем турбулентности сжимается до давления более 2000 атмосфер, что позволяет предположить, что следуя определению нано — эмульсии, при таком уровне сжатия происходит ещё один цикл гомогенизации эмульсии, возникающей при её сжатии в замкнутом объёме, что может квалифицироваться как процесс получения нано эмульсии со всеми свойствами и преимуществами нано эмульсии;

‒ ввиду того, что от момента возникновения гомогенизации по уровню турбулентности до момента возникновения гомогенизации от сжатия проходит не более 0,2 секунды, с учётом инертности этих процессов в потоке жидкости, можно считать процесс полной гомогенизации полностью однородным;

‒ указанный интегральный процесс формирования двойной и трёхмерной гомогенизации в непрерываемом динамическом однородно — турбулентном потоке смешиваемых в эмульсию жидкостей таким образом можно считать последовательным процессом гомогенизации эмульсии и её переходом в конце процесса в категорию нано эмульсий.

По этому методу исследовательской группой с участием автора настоящей публикации была в потоке сформирована эмульсия из дизельного топлива и водопроводной воды, которая при сжигании в камере сгорания дизельного двигателя показала необычные показатели, не встречающиеся в публикациях, и не отмеченные в опубликованных результатах научных экспериментов и исследований. Это позволяет предположить, что во время указанных экспериментов была получена именно нано — эмульсия, что косвенно подтверждается и при анализе фотографий эмульсии под микроскопом.

Интегрированное устройство, состоящее из системы смешивания и гомогенизации уровня турбулентности эмульсии, связанной напрямую с насосом высокого давления как объектом размерной геометрической гомогенизации эмульсии под давлением, за предельно малое время между этапами гомогенизации, при максимальной однородности распределения частиц одного компонента эмульсии в объёме гомогенизированного по уровню турбулентности второго компонента эмульсии, позволяет квалифицировать последовательный процесс формирования эмульсии как новый и позволяющий получить двойную гомогенизацию эмульсии с переходом этой эмульсии в категорию нано — эмульсий, но с новыми критериями однородности как по трёхмерной геометрии так и по уровню турбулентности потока эмульсии в центре потока и в области внутренней поверхности трубопровода.

Эти факты говорят о том, что описанный процесс и интегральное устройство для его реализации являются новыми и не очевидными.

Что изобретено в этой серии инновационных технических решений:

‒ новый вид наноэмульсии с двойной трёхмерной гомогенизацией в динамическом потоке, как по уровню турбулентности так и по геометрии частиц в её объёме;

‒ новый вид и конфигурация аппарата для последовательной гомогенизации в развитом динамическом потоке жидкостей — компонентов эмульсии.

Более подробно освойствах новой эмульсии

Новая эмульсия представляет собой эмульсию, в которой компоненты органического происхождения смешаны с водой. В таких эмульсиях компоненты органического происхождения введены в воду. Компонентами органического происхождения могут быть углеводородные жидкости, жидкости, содержащие высокие концентрации жиров, масла, ароматических углеводородов, органических удобрений и т. д.

В эмульсиях этого типа содержание органических компонентов в воде не превышает 50 % от веса всей эмульсии, но в большинстве случаев это 10–20 % от веса всей эмульсии.

Наиболее важные параметры таких эмульсий:

‒ размеры частиц или капель жидкости органического происхождения в воде;

‒ равномерность распределения частиц органического происхождения в воде;

‒ устойчивость размеров частиц или капель жидкости органического происхождения, повторяемость этих размеров и период времени, в течении которого сохраняется равномерность распределения этих частиц в объёме воды.

Испытания эмульсий этого типа могут иметь непосредственный характер измерений, при котором эмульсии формируются на устройстве для формирования эмульсий и полученная эмульсия исследуется на предмет измерения:

‒ размеров частиц или капель жидкого компонента органического происхождения в воде;

‒ равномерности и однородности распределения частиц органического происхождения в воде;

‒ длительности периода устойчивости размеров частиц или капель жидкости органического происхождения, сохранение геометрической повторяемости этих размеров за определённый период времени, и, период времени в течении которого сохраняется равномерность распределения этих частиц в объёме воды.

Эмульсии иих отличия взависимости от размерных факторов

Размеры частиц жидких компонентов эмульсий определяют основные свойства и характеристики эмульсий. Чем меньше размеры частиц, тем выше качество эмульсии. Производство эмульсий по технологии и на устройстве для динамического смешивания, гомогенизации и активирования, позволяет получить минимальные значения размеров частиц. Этот параметр является основным при квалификации эмульсии как миниэмульсия, как микроэмульсия и как наноэмульсия.

При первых испытаниях процесса приготовления эмульсии на устройстве для динамического смешивания, гомогенизации и активирования были получены признаки многоуровневого капсулирования частиц компонентов. Этот фактор требует более подробной и детальной проверки при последующих испытаниях.

Рис.

3. Устройство для динамического смешивания, гомогенизации и активирования

В классических технологиях приготовления эмульсий для гомогенизации применяются различные химические реагенты. При применении для приготовления эмульсии устройства для динамического смешивания, гомогенизации и активирования оба этапа гомогенизации осуществляются только за счёт геометрии устройства без каких-либо химических реагентов, при улучшении основных свойств и качества эмульсии.

В эмульсиях классического типа отсутствует гомогенизация по уровню турбулентности. В устройстве для динамического смешивания, гомогенизации и активирования как эксклюзивное свойство и преимущество имеется возможность в процессе приготовления эмульсии заодно и осуществить гомогенизацию по уровню турбулентности.

Одним из важнейших свойств в рабочем цикле устройства для динамического смешивания, гомогенизации и активирования является возможность создать в зоне формирования эмульсии однородного фона по турбулентности по всему поперечному сечению потоков компонентов эмульсии.

Кроме того, что однородный фон турбулентности формирует однородный размерный фон частиц, одинаковые гидродинамические условия в зоне приготовления эмульсии позволяют снизить время необходимое для полного приготовления эмульсии, что очень важно при формировании эмульсии в динамическом потоке её компонентов.

Возможность последовательной работы устройства для динамического смешивания, гомогенизации и активирования с насосом высокого давления позволяет создать исключительные равномерные условия для гомогенизации под воздействием высокого давления, так как в насос высокого давления поступает эмульсия с однородным фоном турбулентности по всему объёму.

Временная пауза между процессом гомогенизации турбулентности и гомогенизации под давлением, благодаря свойствам устройства для динамического смешивания, гомогенизации и активирования, составляет не более 10 миллисекунд. Такой малый временной интервал позволяет считать последовательный процесс гомогенизации непрерывным и обеспечивает стабильность и качество процесса двойной гомогенизации.

Как показали первые испытания устройства для динамического смешивания, гомогенизации и активирования при формировании эмульсии, ввод в канал, по которому эмульсия выводится из устройства для динамического смешивания, гомогенизации и активирования, стимулятора гидравлического сопротивления позволяет интенсифицировать процесс приготовления эмульсии.

Приложение 1

United States Patent Application	20120085428
Kind Code	A1
	April 12, 2012

EMULSION, APPARATUS, SYSTEM AND METHOD FOR DYNAMIC PREPARATION

Abstract

The invention relates to a fluid composite, a device for producing the fluid composite, and a system for producing an aerated fluid composite therewith, and more specifically a fluid composite made of a fuel and its oxidant for burning as part of different systems such as fuel burners or combustion chambers and the like. The invention also relates to an emulsion, an apparatus for producing an emulsion, a system for producing an emulsion with the apparatus for producing the emulsion, a method for producing a dynamic preparation with the emulsion, and more specifically to a new type of a stable liquid/liquid emulsion in the field of colloidal chemistry, such as a water/fuel or fuel/fuel emulsion for all spheres of industry.

Приложение 2

United States Patent Application	20100243953
Kind Code	A1
	September 30, 2010

Method of Dynamic Mixing of Fluids

Abstract

Methods are provided for achieving dynamic mixing of two or more fluid streams using a mixing device. The methods include providing at least two integrated concentric contours that are configured to simultaneously direct fluid flow and transform the kinetic energy level of the first and second fluid streams, and directing fluid flow through the at least two integrated concentric contours such that, in two adjacent contours, the first and second fluid streams are input in opposite directions. As a result, the physical effects acting on each stream of each contour are combined, increasing the kinetic energy of the mix and transforming the mix from a first kinetic energy level to a second kinetic energy level, where the second kinetic energy level is greater than the first kinetic energy level.

Приложение 3

United States Patent Application	20100281766
Kind Code	A1
	November 11, 2010

Dynamic Mixing of Fluids

Abstract

Methods, systems, and devices for preparation and activation of liquids and gaseous fuels are disclosed. Method of vortex cooling of compressed gas stream and water removing from air are disclosed.

Приложение 4

United States Patent Application	20110030827
Kind Code	A1
	February 10, 2011

FLUID COMPOSITE, DEVICE FOR PRODUCING THEREOF AND SYSTEM OF USE

Abstract

The current disclosure relates to a new fluid composite, a device for producing the fluid composite, and a method of production therewith, and more specifically a fluid composite made of a fuel and its oxidant for burning as part of different systems such as fuel burners, where the fluid composite after a stage of intense molecular between a controlled flow of a liquid such as fuel and a faster flow of compressed highly directional gas such as air results in the creation of a three dimensional matrix of small hallow spheres each made of a layer of fuel around a volume of pressurized gas. In an alternate embodiment, external conditions such as inline pressure warps the spherical cells into a network of oblong shape cells where pressurized air is used as part of the combustion process. In yet another embodiment, additional gas such as air is added via a second inlet to increase the proportion of oxidant to carburant as part of the mixture.

Приложение 5

United States Patent Application	20140232021
Kind Code	A1
	August 21, 2014

FLUID COMPOSITE, DEVICE FOR PRODUCING THEREOF AND SYSTEM OF USE

Abstract

The current disclosure relates to a new fluid composite, a device for producing the fluid composite, and a method of production therewith, and more specifically a fluid composite made of a fuel and its oxidant for burning as part of different systems such as fuel burners, where the fluid composite after a stage of intense molecular between a controlled flow of a liquid such as fuel and a faster flow of compressed highly directional gas such as air results in the creation of a three dimensional matrix of small hallow spheres each made of a layer of fuel around a volume of pressurized gas. In an alternate embodiment, external conditions such as inline pressure warps the spherical cells into a network of oblong shape cells where pressurized air is used as part of the combustion process. In yet another embodiment, additional gas such as air is added via a second inlet to increase the proportion of oxidant to carburant as part of the mixture.

Литература:

1. Заявка на патент США 20120085428;
2. Заявка на патент США 20100243953;
3. Заявка на патент США 20100281766;
4. Заявка на патент США 20110030827;
5. Заявка на патент США 20140232021.