Сепарирование топлива

Метод сепарации топлив является в настоящее время наиболее распространенным способом очистки топлив от различных примесей и воды.

Топливо из цистерны отстоя перекачивается с прохождением через фильтр и сепаратор в расходную цистерну. В случае очень вязких топлив может оказаться необходимым увеличить температуру предварительного нагрева до ≈ 98°С в зависимости от начальной вязкости.

Все выпускаемые сепараторы можно разделить по принципу очистки барабан от шлами на две группы:

- с периодической разгрузкой барабана от шлама;

- с непериодической разгрузкой барабана от шлама.

Отделение из топлива механических примесей и воды происходит в барабане сепаратора. Непрерывно поступающий в барабан загрязнений нефтепродукт также получает вращательное движение. Под действием центробежной силы, которая в тарельчатых сепараторах превышает в 4000÷8000 раз силу тяжести, вода и механические примеси, вода и механические примеси, имеющие большую плотность, чем топливо отбрасываются к стенкам барабана, а очищенный нефтепродукт – ближе к оси вращения. Протекая между тарелками барабана, он отводится через кольцевое отверстие в верхней части барабана.

По способу очистки барабана от загрязнений различают сепараторы самоочищающиеся и с ручной очисткой.

Наибольшее распространение получили самоочищающиеся сепараторы фирмы «Лаваль» (Швеция), «Вестфалия» (ФГР), «Титан» (Дания). Отходы сепарации скапливаются в грязевых цистернах, а затем удаляются в специальные емкости хранения отходов.

На рисунке 10.2.1 показан разрез барабана центробежного сепаратора.

Рис. 10.2.1 – Конструкция центробежного сепаратора.

1 – корпус барабана; 2 – затвор; 3 – уплотнитель кольца; 4 – гайка корпуса; 5 – гайка крышки; 6 – регулировочное кольцо; 7 – водяная горловина; 8 – грязевая горловина; 9 – защитная тарелка; 10 – крышка барабана; 11 – пакет тарелок; 12 – тарелкодержатель; 13 – кольцо.

Разгрузка барабана сепаратора от загрязнений производится через пазы, имеющиеся на внутренней цилиндрической части барабана. Во время сепарации эти пазы перекрыты затвором 2, который может перемещаться в вертикальном направлении. В верхнем положении он закрывает разгрузочные пазы, в нижнем положении – открывает. Между затвором 2 и тарелкодержателем 12 находится кольцевая полость А, а между затвором и основанием корпуса – кольцевая полость В. В затворе имеется отверстие а,в корпусе барабана – отверстия б. Вследствие того, что отверстие анаходится ближе к оси вращения, чем отверстие б, давление воды над затвором больше, чем давление воды под ним.

Когда частота вращения барабана сепаратора достигает наибольшего значения (затвор при этом находится в нижнем положении), для перемещения затвора, в верхнее положение открывают кран в магистрали буферной воды. По каналам в и г вода попадает в полости А и В. Из полости А по каналу д вода вытекает. В полости В вода остается, а ее излишки вытекают через отверстие б. Давлением воды затвор перемещается в верхнее положение, перекрывая загрузочные пазы. После этого в барабан подается загрязненное топливо.

По мере очистки у стенок барабана начинает накапливаться шлам, который необходимо периодически удалять. Во время разгрузки барабана от шлама подачу топлива в барабан прекращают и подают вода, нагретую до температуры сепарируемой жидкости, которая вытесняет эту жидкость из барабана, затем открывают кран буферной воды. Так как диаметр отверстий (каналов) (в) больше диаметра отверстия (г), то основная масса воды поступит в полость (А). Поскольку в полость (А) поступает больше количество воды, чем вытекает из отверстия (д), давление над затвором в полости (А) станет выше, чем в полости (В), и затвор опустится в нижнее положение, открывая загрузочные пазы. Произойдет «выстрел» – шлам вылетит из барабана. После этого подача буферной воды прекратится. Вода из полости (А) вытекает по каналу (д) и давление ее падает. Давление в полости (В) затвор перемещается в верхнее положение, разгрузочные пазы перекрываются, и сепарируемое топливо подается в барабаном. Время работы сепаратора между его разгрузками определяется степенью загрязнения топлива. Однако во всех случаях разгрузки барабана следующий производительностью заполнено шламом, в противном случае качество сепарирования значительно ухудшается.

В зависимости от степени загрязнения сепарируемой жидкости водой или механическими примесями барабан может быть собран для работы в режиме пурификации (левая часть рис. 10.2.1) и кларификации (правая часть рис. 10.2.1). В первом случае вода непрерывно удаляется из топлива через щель в регулировочной шайбе (гравитационном диске). Во втором ставит глухую регулировочную шайбу, и вода удаляется из сепаратора только во время его разгрузки от шлама. Поэтому работа сепаратора на режиме кларификации возможна только при необводненных нефтепродуктах или при условии предварительной очистки их отводы на режиме пурификации. В противном случае вода быстро заполнит весь грязевой объем барабана и перекроет доступ частного топлива в межтарельчатое пространство.

Для установки водяного затвора в правильное положение и обеспечение оптимальной сепарации важно выполнить следующее:

- выбрать гравитационный диск в соответствии с плотностью жидкости, ее вязкостью и расходом. Следует выбирать наибольший диск, который может использоваться без нарушения водяного затвора;

- обеспечить работу сепаратора при постоянной температуре.

Для обработки тяжелого топлива обычно используют два сепаратора, для дизельного – один или два. В зависимости от тяжелого топлива оба сепаратора включают параллельно – работа в режиме пурификации, или последовательно – певый сепаратор работает в режиме пурификации, а второй – кларификатора. После сепараторов навешанными на них насосами топливо подается в расходную цистерну.

В процессе очистки топлива грязь и шлам скапливаются внутри барабана, и по мере его заполнения во избежание нарушения сепарации барабан следует очищать. В современных сепараторах очистка осуществляется автоматически с периодичностью 2-4ч при сепарации топлива вязкостью 120-380 мм²/с. Для более вязки топлив, содержащих большое количество механических примесей, время между разгрузками не должно превышать 12'. При сепарации обводненного топлива, образующего с водой стойкую эмульсию содержание, которой в скапливающемся в барабане шламе может достигать 80%. В этой ситуации надо стремиться избегать «перемалывания» топлива насосами и обеспечить наиболее эффективное его отставание в отстойных цистернах.

При обработке тяжелых топлив вязкостью от 120 до 380 мм²/с при 50°С сепаратор следует опорожнить после работы в течение 2-4ч. Для мазутов, вязкостью до 600 мм²/с при 50°С максимальное время интервала между автоматическими удалениями осадка не должно превышать 1-2ч.

В режиме кларификации сепаратор работающие без водяного затвора, выход воды из сепаратора перекрывается, и топливо очищается лишь от механических примесей. Обычно, кларификатор, устанавливаемый последовательно с пурификатором, служит второй ступенью очистки.

При последовательной работе сепараторов основная очистка осуществляется в пурификаторе(до 70% примесей собирается в нем) и лишь 10% приходится на долю кларификатора. Таким образом, роль кларификатора сводится к удалению из топлива оставшихся в нем более мелких частей механических примесей и роли «сторожа» на случай прорыва механических загрязнений через пурификатор. При работе на тяжелых низкосортных топливах, получаемых компаундированием остатков каталитического крекинга и вибреакингас керосино-газойлевыми фракциями, сепарацию рекомендуется осуществлять в режиме: два параллельно рабоатющих на малой производительности пурификаторас последовательно включенным кларификтором. Эффективность очистки в этом варианте достигает 80-90%, в то время как в варианте пурификатор-кларификатор она составляет 70%.

Выбор режима сепарации приобретает особо важное значение при очистке топлив, содержащих алюмосиликатную мелочь, которая может вызвать буквально катастрофический износ двигателей. Здесь важно сепарацию вести с малыми подачами топлива в сепараторы (15-20% паслортной) и по последовательной схеме с использованием кларификатора в качестве последней ступени. При сепарации классических мазутов (прямогонных остатков) возможны менее жесткие требования к выбору режима.

Центробезные сепараторы обеспечивают удаление примесей неорганического происхождения с размерами частиц 5 мм и менее и органического происхождения 7 мм и менее, а также воды (до следов). Потери горючей части топлива вместе с отсепарированной водой и с осадком при удалении не превышают 1%, при очистке остаточных мазутов – 3%.

Метод очистки топлив (фильтрация, сепарация, гомогенизация) оказывает влияние на износ цилиндров. Исследования фирмы «Бурмейстер и Вайн» показали, что наиболее эффективным методом очистки топлива в настоящее время является центробежное сепарирование. Для средне – и высоковязких топлив рекомендуется комплекс средств очистки: фильтры грубой очистки, центробежный сепаратор, фильтры тонкой очистки. Фильтры, удаляющие загрязнения, размером до 1 мкм, на практике отсутствуют, поэтому они не могут быть равноэффективны сепараторам.

Для обеспечения удовлетворительной сепарации в обычных сепараторах плотность тяжелых топлив не должно превышать 0,99 г/см³ при 15 ⁰С. Максимальная разница в плотностях топлива и воды находится в диапазоне 80-90 ⁰С. Вязкость топлива при сепарации должна быть 12-16 мм²/с (двухтактные дизели) и 9,5-14 мм²/с (четырехтактные дизели).

Фирма «Альфа-Лаваль» рекомендует соблюдать следующие оптимальные соотношения производительности сепаратора и температуры сепарации в зависимости от вязкости:

Вязкость, мм²/с при 50 ⁰С	Температура сепарации, ⁰С	Пропускная способность, %
	70-98
	80-98
	80-98
	90-98
	90-98

Для эффективной работы сепараторов предпочтительно выполнять следующие мероприятия:

- оптимально подбирать пропускную способность сепаратора;

- поддерживать температуру сепарации в пределах 2 ⁰С с помощью автоматического регулирования подачи пара на подогреватель;

- оптимизировать режим работы сепараторов;

- избегать дросселирования и рециркуляции топлива перед сепарацией.

Подогрев топлива

Для хорошего распыливания топлива его следует подогревать перед впрыском. Необходимая температуры подогрева зависит от относительной вязкости применяемого топлива. Поэтому важным моментом в подготовке топлива к сжиганию является обеспечение необходимой вязкости. Если для дизельных топлив необходимость в подогреве для снижения вязкости отпадает, то для тяжелых топлив предварительный подогрев в паровых илиэлектрических подогревателях является обязательным условием их подготовки, т.к. этим путем можно достигнуть требуемой вязкости. Влияние вязкости и сжимаемости на характеристику впрыска в зависимости от конструкции топливной аппаратуры различно, но во всех случаях оно в той или иной мере отражается на качестве распыливания и последующего сгорания топлива. Вязкость, определяемая силами внутреннего сцепления топлива, и силы его поверхностного натяжения оказывают непосредственное влияние на распад вытекающей из форсунки струи топлива. Эти силы стремятся удлинить сплошную часть струи и тем самым сохранять её целостность, поэтому с их увеличением длина сплошной части струи растёт, а тонкость распыливания снижается.

Опытным путём установлено, что оптимум вязкости топлив для дизелей лежит в пределах 12-20 мм²/с. Это значение вязкости и должно быть обеспечено соответствующим подогревом топлива перед его использованием. Контроль за заданной вязкостью и управлением подогревателем осуществляет встраиваемый в систему топливоподачи автоматический регулятор вязкости – вискозиметр. За ним устанавливают фильтры тонкой системы с тонкостью отсева 6-15 мкм.

Чтобы предотвратить остывание топлива в системе топливоподачи все трубы изолируются и снабжаются паровыми спутниками или обвиваются электронагревательными элементами, а смесительная цистерна снабжается паровым змеевиком. При кратковременной остановке двигателя циркуляционные насосы должны продолжать работать, поддерживая циркуляцию горячего топлива в замкнутом контуре.

Фильтрация топлива

Износ прецизионных пар топливоподающей аппаратуры зависит как от абразивных свойств механических примесей топлива, так и от размеров частиц. Наибольший износ вызывают частицы загрязнений размером 6-12 мкм. Более крупные частицы не могут сразу пройти в зазоры, и таким образом, оказывают меньшее абразивное действие. Основным техническим требованием к фильтрам тонкой очистки является обеспечение отсева частиц не крупнее указанных наиболее опасных размеров. Поэтому наряду с сепарацией в комплекс топливообработки входит фильтрование топлива с использованием фильтров грубой и тонкой очистки. Фильтры грубой очистки устанавливают перед всеми насосами: топливоперекачивающими, подкачивающими насосами сепараторов, бустерными и циркуляционыыми), в целях предупреждения их повреждения при попадании крупных частиц. Фильтры тонкой очистки устанавливают непосредственно перед дизелями для защиты прецизионных элементов топливной аппаратуры от частиц механических примесей, не задержанных в сепараторе. Принцип действия фильтра основан на отделении от нефтепродукта загрязняющих примесей при его пропускании через фильтрующую перегородку, размеры ячеек которой меньше размеров отфильтровываемых частичек. Наибольший размер частиц загрязнений, пропускаемых фильтром, определяет тонкость отсева. По этому показателю имеются три группы фильтров очистки топлива:

- предварительной – для предохранения топливной системы от попадания случайных крупных загрязнений (фильтры перед топливо-перекачивающими насосами);

- грубой – для удаления из топлива частиц, размером более 40 мкм;

- тонкой – для удаления примесей, размерами более 6-15 мкм, а при применении бумажных элементов – более 4-5 мкм.

Фильтр характеризуется также коэффициентом очистки и степенью фильтрации, которая представляет собой отношение массы удаленных примесей к её исходному значению:

, (10.2.3)

где – масса примесей, оставшихся в продукте, прошедшем фильтрацию;

– масса примесей её исходном значении.

На судах применяют фильтры и самоочищающиеся фильтрационные установки. В зависимости от принципа действия фильтрующие элементы могут быть поверхностными, либо объемными (емкостными). В поверхностном фильтре топливо очищается путем осаждения примесей на поверхности элементов, кромках ячеек, или щелей. В качестве фильтрующего материала используют сетку, листовую бумагу, ткань либо фильтрующий элемент образуется пластинками, витками проволоки или ленты (щелевые фильтры).

В объемном фильтре нефтепродукт пропускается через фильтрующий материал, содержащий множество каналов и пор, в которых и откладываются загрязняющие примеси. Для изготовления объемных элементов используют фетр, древесноволокнистые материалы, металлокерамику, пористую бронзу. Объёмные фильтры в отличии от поверхностных способны удерживать большое количество грязи, имеют более высокий коэффициент фильтрации и не способны к внезапному засорению. Малый срок службы любых фильтрующих элементов из-за забивания их асфальтосмолистыми соединениями при фильтрации тяжелых топлив, не возможность отделения воды, потребность в ручной очистке – послужили серьёзным препятствием к использованию подобных фильтров на современных судах. На смену им пришли самоочищающиеся фильтрационные установки, имеющие, по сравнению с сепараторами, существенные достоинства: малые энерго- и трудозатраты по их обслуживанию; возможность автоматизации; простоту конструкции и более высокую надежность в работе; независимость процесса очистки от разности плотностей топлива и удаляемых из него частиц механических примесей; меньшие потери горючей массы.

Гомогенизация топлива.

Гомогенизация топлива заключается в гидродинамическом возмущении топливной среды, в результате которого в среде возникают кавитационные зоны. Захлопывания кавитационных каверн сопровождается локальными гидравлическими ударами высокой мощности, разрушающими не только желеобразные сгущения, но и твердые агломераты. В результате топливо становится гомогенным, смолы равномерно распределяются в топливной среде, твердые частицы освобождаются от «смолистой шубы», а глобулы воды диспергируются.

Такое топливо сепарируется и фильтруется с минимальными потерями горючей части. Гомогенизированное топливо обладает повышенной абразивностью, в связи с чем его необходимо пропускать через ФТО. В практике находят применение гомогенизаторы следующих типов:гидродинамический, вибромеханический, ультразвуковой, вихревой и др.

Гомогенезаторы не удаляют механические примеси, золу и асфальтовые включения, а уменьшают размеры находящихся в топливе частиц различных включений до неопасных для двигателя размеров.

Использование гомогенизаторов требует предварительного удаления из топлива воды, так как в гомогенизаторах она не отделяется. Необходимым условием является также установка за гомогенизатором фильтра тонкой очистки топлива.

10.3. Нетрадиционные способы обработки топлива

К нетрадиционным способам обработки топлива относятся: химическая, гидродинамическая и магнетичная обработки, а также воздействие электрическим разрядом и радиоактивным излучением.

Химическая обработка

Химическая обработка заключается в вводе в топливо композиций присадок с различными функциями, снижающих испаряемость и улучшающих низкотемпературные свойства топлива, интенсифицирующих процесс сгорания и снижающих оборудование при сгорании экологически опасных веществ.

Присадки, снижающие испаряемость топлива и улучшающие его низкотемперные свойства, целесообразно вводить при бункеровке судна. Присадки, снижающие склонность топлива к осадкообразованию, также целесообразно вводить при бункеровке или непосредственно в танки запаса сразу же после завершения процесса бункеровки.

Присадки, защищающие топливную аппаратуру от коррозии и образования лаковых пленок, а также присадки, улучшающие сгорание и предотвращающие образование экологические опасных веществ в процессе сгорания, следует вводить перед подачей топлива к дизелю.

Применение на судах дешевых тяжелых топлив привело к необходимости создания присадок, которые решили бы проблемы хранения и обработки, сгорания топлив, борьбы с нагарама и высокотемпературной коррозией, а также с низкотемпературной сернистой коррозией.

Один из путей борьбы со шламообразованием, с отложениями в подсистемах хранения и переработки топлива состоит ввведении в топливо химических присадок содержащих мощные диспергаторы. Последняя активность диспергаторов существенно повышает поверхностную активность содержащихся в топливе асфальтосмолистых соединений, выступающих в роли естественных коагуляторов и эмульгаторов. Вещества присадок притягивают к себе смолы, обволакивающие структурные системы тяжелых углеводородов, и частично замещают их. Возникающее вследствие этого ослабление поверхностного натяжения тяжелых углеводородов, а также расклинивающее действие введенных с присадкой диспергаторов приводит к разрыву этих структурных систем, их диспергированию и, благодаря этому, к предотвращению шламообразования.

В роли поверхностоно-активных веществ (ПАВ) – диспергаторов используют растворимые в топливе органометаллические соединения, вводимые в хорошо зарекомендовавшие присадки VecomFOT-NW, Perolin 622-DFи др.

Борьба с высокотемпературной коррозией.

Проблемы борьбы с явлениями высокотемпературной коррозии, вызываемой продуктами сгорания топлива, наиболее тесно связана с проблемой обеспечения работоспособности выпускных клапанов дизеля и рабочего аппарата газовой турбины. Образующиеся на рабочем поле клапана рыхлые окисные структуры бомбардируются частицами сажи и золы, летящими мимо клапана в общем потоке продукта сгорания с большой скоростью. Их удары о клапан в дополнение к коррозии вызывают эрозию. В итоге на рабочих фасках и седлах клапана образуются раковина, бороздки, по которым прорываются горячие продукты сгорания. Это приводит к росту температуры металла, активации коррозионо-эрозионных процессов и местному выгоранию металла.

Методом борьбы с коррозией является уменьшение содержания в топливе натрия, для чего при сепарации топливо следует промывать горячей водой, подаваемой в струю топлива перед сепаратором. Вода, смешиваясь с топливом, растворяет соединения натрия и в ходе сепарации удаляются из него. Для повышения ресурса выпускных клапанов используют присадки к топливам, в состав которых входит магний. Продукты взаимодействия MgO с пятнокисью ванадия имеют более низкие температуры плавления, но более высокие, чем натрий-ванадиевые соединения. Это позволяет большей части соединений ванадия в сухом виде покидать дизель вместе с продуктами сгорания, а не прилипать к клапану и другим элементам, как это происходит при более низких температурах плавления.

Гидродинамическая обработка

Гидродинамическая обработка заключается в воздействии на топливо ультразвуковых и кавитационных сил, которое производится с целью разрушения находящихся в нём структурных (агрегативных) систем и, таким образом, обеспечивает его очистку только от твёрдой фазы, не удаляя при этом горючую часть – смолы. При этом обеспечивается более длительная и эффективная работа сепараторов и фильтров.

Топливо, прошедшее гидродинамическую обработку, сгорает с большой полнотой.

Магнитная обработка: воздействие на топливо переменного или постоянного магнитного поля. Топливо обрабатывают с целью разрушения структурных (агрегативных) систем (обработка в переменном магнитном поле) или с целью ориентации молекул топлив (или молекул присадок) в определенном направлении. В ряде случаев магнитная обработка в переменном магнитном поле используется совместно с гидродинамической обработкой для усиления гомогенизирующего (или диспергирующего) эффекта обработки топлива.

Электрический разряд может быть использован для ионизации, как топлива, так и воздушного заряда для интенсификации протекания предпламенных и пламенных процессов. Активизирующим фактором в реакциях, протекающих в электрическом разряде, являются быстрые электроны и в значительно меньшей степени – ионы.

Радиоактивное излучение стимулирует протекание ценных разветвленных реакций и сводится, в конечном счете, к образованию свободных атомов и радикалов. Отличительной особенностью данного способа стимулирования цепных реакций является возможность управлять процессом облучение. При обработке топлива радиоактивным излучением ядра радиоактивных элементов испускают различные частицы и электроны. Наибольшим активирующим действием обладают α-частицы и электроны, которые производят ионизацию и диссоциацию молекул топлива.

Литература: [12];[20]; [11].

Вопросы самопроверки

1. Какие методы обработки топлива применяются в судовых условиях?

2. Объясните метод очистки топлива посредством отстоя. Какова его эффективность?

3. Объясните сущность метода очистки топлива посредством фильтрации?

4. Как обеспечивается работа сепаратора в режиме пурификации?

5. Какие способы гомогенизации топлива применяются в судовых условиях?

6. Какое влияние оказывает химическая обработка топлива в судовых условиях на его физико-химические свойства?