Регенерація спрацьованих минеральних мастил

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Анохін Петро Георгійович

УДК 635.54

Регенерація спрацьованих минеральних мастил

Спеціальність 05.05.13. - Машини та апарати хімічних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківському державному політехнічному університеті Міністерства освіти України

Науковий керівник: заслужений винахідник України, доктор технічних наук, професор Ткач Григорій Анатольович.

Харківський державний політехнічний університет, зав. кафедрою хімічної техніки та промислової екології.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, ст. наук. співр. Фокін Віталій Сергійович Харківський державний політехнічний університет, професор кафедри теплотехніки;

кандидат технічних наук, ст. наук. співр. Молчанов Володимир Іванович Харківський державний науково дослідний та проектний інститут основної хімії, директор.

Провідна установа: Український державний хіміко-технологічний університет, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться: “28 ” жовтня 1999 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої ради Д64050.05 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою 310002, м. Харків, вул. Фрунзе 21.

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий “ 27 ” вересня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Тимченко В.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Народне господарство України потребує у великій кількості енергії, мастильних матеріалів. Наявні паливні ресурси не покривають і половини потреб і 60-70 % мінеральних джерел енергії країна імпортує. От чому особливо актуальним стає питання ефективного, а по можливості, повторного використання мінеральних ресурсів - зокрема регенерації відпрацьованих нафтових масел. У розвинених країнах регенерується і повторно використовується від чверті до 40 % відпрацьованих мінеральних масел. У вісімдесяті роки в Радянському Союзі починалися спроби рішення даної проблеми. Були побудовані значні комплекси з регенерації, але через складність збору і транспортування робота цих комплексів виявилася не рентабельною. Це призвело до рішення створення малотоннажних установок продуктивністю 50-100 л/г, які можна розміщувати безпосередньо біля споживача (теплові станції, АЗС, депо). До того ж регенерація і повторне використання масел дозволяють запобігти забрудненню навколишнього середовища (скидання масел у водойоми і викид шкідливих речовин при спалюванні).

Зв'язок наукової праці з програмами, планами, темами. Науковий напрямок роботи узгоджується з “Пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки”, затвердженими постановами Верховної Ради України від 16.10.92 р. та від 25.02.94 р., і указами Президента України та постановами Кабінету Міністрів України з питань ресурсо- та енергозбереження в галузі споживання і переробки вуглеводної сировини.

Мета роботи і задача дослідження. Мета даної роботи є розробка нового типу роторного апарата (із спеціальною конструкцією елемента, що створює плівку), який дозволяє ефективно здійснити регенерацію машинних масел на малотоннажних установках.

Для досягнення даної мети вирішувалися такі задачі:

обгрунтування і пропозиції нового рішення елементу, який створює плівку, що дозволяє вести процес регенерації машинних масел із високою ефективністю;

проведення досліджень по вивченню гідродинамічної обстановки, створеної елементами різноманітної конструкції, яка утворює плівку, визначення часу перебування рідини на елементах апарата, який створює плівку, і в цілому в апараті;

одержання математичних моделей гідродинамічних процесів, що протікають у роторному апараті при використанні різноманітних конструкцій елементів при регенерації відпрацьованих масел;

проведення досліджень і вивчення процесів теплообміну, що протікають у роторному апараті при регенерації машинних масел при високій турбулізації потоку;

одержання критеріальних рівнянь, що визначають процеси теплообміну на всіх стадіях розгонки відпрацьованих машинних масел із застосуванням різноманітних конструкцій елементів, які створюють плівку;

аналізу технологічного процесу регенерації відпрацьованих машинних масел;

одержання рівнянь регресії, що дозволяють прогнозувати кількість відігнаних машинних масел при використанні декількох конструкцій елементів, які створюють плівку, а також визначити вплив вхідних змінних на утворення цільового продукту;

створення малотоннажної установки для регенерації відпрацьованих машинних масел;

дослідження економічної ефективності застосування малотоннажних установок для регенерації відпрацьованих масел.

Наукова новизна полягає в такому:

вперше отримані результати експериментальних і теоретичних досліджень руху плівки рідини, утвореної різноманітними елементами, які створюють плівку на поверхні роторного апарата, що обігрівається, які враховують перерозподіл рідини в плівці в залежності від конструкції цього пристрою і створення найбільш ефективної, стосовно до фізичних і фізико-хімічних властивостей досліджуваних рідин, конструкції цього пристрою;

розроблено математичну модель, що дозволяє в широких межах досліджувати вплив основних параметрів на гідродинамічну обстановку, утворену в апараті елементами, які створюють плівку;

отриманні критеріальні рівняння, які визначають ефективність теплообміну на різноманітних стадіях процесу розгонки відпрацьованих машинних масел при застосуванні декількох елементів, які створюють плівку;

розроблено апаратурно-технологічну схему процесу регенерації відпрацьованих машинних масел стосовно до малотоннажних установок.

Практична цінність полягає в такому:

отримані емпіричні залежності, що дозволяють розраховувати роторно-плівкові апарати для процесів регенерації відпрацьованих машинних масел;

створено малотоннажну промислову установку для регенерації відпрацьованих машинних масел, яка розміщується безпосередньо у споживача цих масел, установка продуктивністю 100 л/г виготовлена в АТ “УкрНДІХІММАШ” і пройшла там випробування, розрахунковий економічних ефект від застосування установки складає 329000 грн.;

отримані результати будуть використані при підготовці до створення параметричного ряду малотоннажних установок для регенерації відпрацьованих трансформаторних масел електростанцій.

Особистий внесок здобувача.

Особистий внесок аспіранта лежить у розробці нового типу роторного апарату і проведенні експериментальних досліджень процесів гідродинаміки і теплообміну при регенерації машинних масел, у реалізації на ЕОМ математичних моделей цих процесів із метою обгрунтування вибору конструкції елемента, який створює плівку, на малотоннажних установках, у застосуванні нової технології обробки машинних масел, у розробці й експлуатації промислової установки і проведенні робіт випробування з регенерації машинних масел на ній.

Особистий внесок здобувача в роботі, що опублікована у співавторстві, наступний:

у праці [1] автор сформулював проблему регенерації відпрацьованих машинних масел, запропонував нові методи регенерації відпрацьованих масел на основі тонкоплівкової технології;

у праці [2] автор проаналізував розвиток технології та обладнання, яке використовується для регенерації відпрацьованих масел у країнах Заходу, запропонував нову технологію обробки відпрацьованих машинних масел;

у праці [4] автором були створені математичні моделі процесів гідродинаміки і теплообміну при регенерації відпрацьованих масел застосовно різноманітних плівкостворюючих елементів, внаслідок чого було визначено вплив елементів на процес теплопередачі в апараті;

у праці [5] автор запропонував нову конструкцію плівкостворюючого елементу, яка задовольняє наступні вимоги: створює плівку, обчищає поверхню, виключає ерозію та бризговиніс, створює додаткову турбулентність плівки;

у праці [7] автор запропонував двухстадійну схему регенерації машинних масел з застосуванням тонкоплівкової технології.

Апробація роботи. Основні положення та результати дисертації доповідалися та обговорювались на наукових семінарах кафедри ХТПЕ Харківського політехнічного університету, на засіданнях науково-технічної ради АТ “УкрНДІХІММАШ”, а також на науковій технічній конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я” 12-14 травня 1997 р. Харків, Мішкольц, Магдебург та на міжнародному симпозіумі “Техніка і технологія екологічно чистих виробництв” 12-14 травня 1998 р. Москва.

Публікації. Основний зміст роботи опубліковано у 8 друкованих працях.

Структура та обсяг роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку цитованої літератури, який нараховує 115 назв та додатків. Дисертація викладена на 120 сторінках машинописного тексту, містить рисунків 35 і 28 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проведений аналітичний огляд літератури з основних проблем, яким присвячена дана дисертаційна робота. Розглянуті та проаналізовані основні напрямки з технології регенерації відпрацьованих нафтових масел, їх апаратурні оформлення та шляхи інтенсифікації цих процесів.

Встановлено, що існує кілька технологічних рішень регенерації відпрацьованих машинних масел: фізичні, хімічні та фізико-хімічні методи регенерації. В роботі пропонується використовувати фізико-хімічні методи регенерації, так як вони дозволяють розв'язати поставлену задачу - поновлення відпрацьованих нафтових масел.

Аналіз літератури дозволив виробити пропозиції з розробки та створення малотоннажної установки на основі роторного тонкоплівкового апарату, де процес одержання товарного масла, яке регенерується, проходить за трьохблочною схемою.

У першому блоці відпрацьоване масло зменшується з визначеною кількістю нейтралізатора (гашене вапно) для доведення кислотності продукту до величини, яка відповідає стандартним показникам.

У другому блоці, який є основним, здійснюються дві стадії перегонки відпрацьованого масла на роторному випарнику. На першій стадії відганяються легколеткі компоненти, включаючи бензинову фракцію (2-4 % від вихідного продукту), дизельну фракцію (4-5 %), веретенне масло (5-9 %). При цьому дистилят, який відганяється, використовується як промивний матеріал для працюючих двигунів, а потім може бути використаним як пальне в котельних. На другій стадії вихідним продуктом є кубовий залишок першої стадії, яка з ємкості насосом подається в роторний плівковий апарат.

У роторному апараті за відповідних вакууму і температурі умовах проходить перехід до пари дистиляту середньої та важкої фракцій відпрацьованого масла, відповідно 30-40 % і 30-35 %. Одержаний кубовий залишок (гудрон) має широке застосування в будівельній індустрії (додаток до асфальту).

У третьому блоці одержані дистиляти з'єднуються з присадками, що дозволяє довести їх до значень, відповідних стандартам.

Проведений аналіз літературних джерел показав, що найбільш ефективним апаратурним виконанням регенерації відпрацьованих масел є роторні тонкоплівкові апарати з вмонтованим конденсатором, і що основними елементами, які визначають стабільність і ефективність ведення процесу, є елементи, що створюють плівку. Установлено, що їх вплив на гідродинаміку і теплообмін є основними задачами вивчення даної роботи. В дисертаційній роботі цю задачу передбачалося розв'язувати як методами експериментального, так і математичного моделювання цих процесів. У зв'язку з цим у першому розділі проведений літературний огляд теоретичних положень, які визначають гідродинаміку і теплообмін у тонких плівках, і математичних моделей, які описують ці процеси. Метою моделювання цих процесів є можливість розв'язувати такі задачі: проектування апарату на основі моделювання; порівняння різноманітних конструкцій за вибраним критерієм ефективності; оптимізація конструкцій різного типу, як апаратів в цілому, так і їх основних вузлів.

Для оцінки доцільності створення малотоннажних установок з регенерації відпрацьованих нафтових масел проведений аналіз сучасних методів розрахунку економічної ефективності з точки зору внесків засобів у виробництво установок на Україні.

У зв'язку з цим у першому розділі проведений маркетинговий аналіз ринку обладнання з регенерації відпрацьованих масел. Метою аналізу було визначення ємкості ринку на Україні та в СНД. Даний аналіз послужив основою для виробки стратегії розвитку виробництва. Базою для розрахунку стала Харківська область, і результати екстраполювались на регіони з врахуванням потенціального потребування нафтових масел.

Другий розділ присвячен розробці роторного тонкоплівкового випарника з системою вмонтованого конденсатора. Основна увага приділялася системі генерації рідинної плівки на поверхні теплообміну і її перемішуванню. Крім того, так як процеси в роторному апараті можуть супроводжуватись створенням твердої речовини (коксоутворення), було вирішене питання про їх зняття з внутрішнього корпусу апарата і виключення викиду на поверхню вмонтованого конденсатора. Це досягалося конструкцією елемента, що створює плівку, - “ніж, що зрізає”. В зв'язку з тим, що роторний пристрій не має нижнього центрувального підшипника, а сам роторний пристрій консольного типу системи “біляче колесо”, було вирішене питання про створення плівкової течії на вході в камеру теплообміну з допомогою розподільної тарілки. Основною проблемою в процесах регенерації відпрацьованих масел є зниження температури їх переробки, так як бездія високих температур призводить до деструктивних змін вуглеводневих з'єднань. В зв'язку з цим дані технологічні процеси повинні проводитись при глибокому вакуумі, що призводить до зниження температур фазового переходу складових фракцій відпрацьованих масел. Для вирішення цього питання в конструкції було передбачено застосування магнітних муфт, які забезпечують не тільки передачу обертання на роторний пристрій, але й дозволяють герметизувати внутрішній об'єм апарату від атмосферного тиску.

У третьому розділі подано описання експериментальної установки з вивчення гідродинаміки плівкової течії в роторному апараті, методик досліджень і обробки результатів експерименту.

Експериментальна установка являє собою роторний тонкоплівковий апарат, корпус якого виконаний з органічного скла, без камери теплообміну, вихідної і напірної ємкості, витратоміра на основі ротаметра РС-5, голчатого регулювального вентиля, відцентрового насоса.

Досліджувались 4 види елементів, що створюють плівку (шарнірна суцільна лопатка, шарнірна сітчаста лопатка з розміром комірки 2х2 мм, шарнірна зчистна рамка, яка одержала назву “ніж, що зрізає”).

Для стабілізації витратної характеристики вихідної витрати, яка надходить, система напірної ємкості забезпечувалась байпасом з переливом. Фіксація витрати здійснювалась посередництвом ротаметра РС-5 і вентиля, який регулює. Рідина, яка пройшла через модель апарата, поверталася або в ємкість вихідного продукту або направлялася на злив (скид). Забезпечення швидкості обертання роторного пристрою здійснювалось за рахунок застосування двигуна постійного струму N = 0,4 квт/год і системи реостатів.

За основний напрямок досліджень бралося визначення часу перебування на елементах, що створюють плівку, різноманітних конструкцій різних модельних розчинів (вода, гліцерин 50 % при t = 16С).

В зв'язку з вищеозначеним модельна установка була дообладнана системою для вимірювання кривих відгуку при проведенні експериментальних досліджень, яка складалася з пристрою вводу трасера, системи підсвічення і фіксації світлового потоку і системи регістрації, яка складається з підсилювача і трьохканального самописного приладу. Дане вимірювання грунтується на концепції світлопроникності потоку рідини за умови вводу в нього трасера. За інтенсивністю вимивання барвника, якій пропорціональна сила струму, який протікає через фотоопір, визначалася зміна кількості (концентрація) трасера в рідинній фазі, що знаходиться в моделі апарату.

Система посилення і запису кривих відгуку дала можливість фіксувати всі характерні зміни в гідродинаміці течії рідинних потоків в моделі апарату.

Так було виявлено, що сітчасті лопатки двох видів наближаються за видом кривих до шарнірних суцільних лопаток, це пояснюється наявністю носових хвиль, тільки менших розмірів, перед краями лопаток. З цієї причини досліджувались тільки два види лопаток - шарнірна суцільна лопатка та “ніж, що зрізає”.

У процесі експериментальних досліджень було одержано 26 кривих відгуку при різних витратних характеристиках, при різних частотах обертання і при різних моделях вихідного продукту, 10 з яких представлені в додатку до дисертації.

Це пояснюється практично відсутністю носових хвиль у випадку “ножа, що зрізає”, і переваження хвиль у випадку шарнірної лопатки. Це було також підтверджено при слідкуванні за роботою цих елементів, що створюють плівку, в стробоскопічному освітленні. Так як у носових хвилях основні швидкості більше, ніж у плівці, то виникає прокид продукту по вертикалі. В зв'язку з цим більш ефективна лопатка - “ніж, що зрізає”, так як середній час перебування рідини на ній більший, ніж на суцільній шарнірній лопатці.

Для аналізу одержаних експериментальних кривих відгуку була проведена математична обробка результатів експерименту.

Емпірична крива розподілу - це графік функції відгуку на імпульсний сигнал, записаної в безрозмірних змінних. Емпірична функція розподілу - S (t) (концентрація і час) має смисл ймовірності (функція щільності ймовірності), дозволяє аналізувати гідродинаміку процесів в роторному апараті.

Якщо задається дискретна функція відгуку

(1)

(2)

числові характеристики емпіричної функції розподілу використовуються для побудови теоретичної функції розподілу. Для одержання теоретичної кривої розподілу була обрана найбільш широко використовувана коміркова модель. Коміркова модель базується на уявленні про ідеальне переміщування в межах n комірок ланок, розташованих послідовно і у відсутності перемішування між ними.

Математичне описання коміркової моделі:

, ( 3 )

де V - об'єм апарата, Vc - об'ємна швидкість, Ck-1 - концентрація на вході в к-у комірку в безрозмірних змінних; Сk - концентрація на виході з к-ї в безрозмірних змінних.

Розв'язок системи методом операційного числення дає рівняння теоретичної функції розподілу часу перебування потоків в апараті.

( 4 )

Для дробових значень параметра n рівняння можна представити за допомогою гамма-функції Ейлера

у вигляді гамма-розподілу:

. ( 5 )

Згідно з літературними джерелами при n = 1 коміркова модель - модель ідеального змішування, а при - модель ідеального витіснення. Якщо n дорівнює проміжному значенню, то апарат відповідає проміжній моделі між ідеальним змішуванням і витісненням.

Параметр коміркової моделі тісно зв'язаний з основною фізичною характеристикою гідродинамічного процесу - критерієм Пекле:

( 6 ), ( 7 )

де L - лінійний розмір апарату; W - середня швидкість руху потоку;

DL - коефіцієнт повздовжнього перемішування.

В результаті математичної обробки кривих відгуку, одержаних при експериментальних дослідженнях, були розраховані числові характеристики і параметри емпіричних і теоретичних функцій розподілу, визначені значення критерію Пекле, побудовані емпіричні і теоретичні криві розподілу для різних плівкотворних елементів і різних стадій.

Аналіз результатів показав, що значення критерію Пекле вище для “ножа, що зрізає”, ніж для шарнірної лопатки.

Одержані значення критерію Пекле для всіх досліджень, проведених у роботі, були використані в процесі теплообміну при побудові критеріальних рівнянь, що дозволить нарешті визначити ефект кожної з запропонованих конструкцій.

У четвертому розділі приділена увага експериментальному і теоретичному дослідженню теплообміну в моделі роторного тонкоплівкового апарата при регенерації відпрацьованих машинних масел. Процес експериментального дослідження здійснювався на вдосконаленій лабораторній установці “Karl Kanzler” в АТ “УкрНДІХІММАШ”. Визначення впливу різноманітних параметрів на ступінь відгонки легколетких фракцій вельми ускладнене, тому досліджувались два етапи розгонки. На першому етапі - відгону підлягали легколетучі компоненти (бензинові, дизельні фракції, веретенне масло). На другому етапі відгону підлягали цільові фракції (середні та важкі масляні фракції).

Робота з пуску установки здійснюється таким чином: в приймальну ємкість заливається досліджувальний продукт (відпрацьоване масло). На вмонтований в модель роторного апарату конденсатор-холодильник подається на протік охолоджувальна вода. З допомогою регулятора завдається необхідний температурний режим розгонки і включається обігрів (м'яка електронагрівальна муфта, яка охоплює корпус моделі). До системи виносного конденсатора (вловлювач вторинних парів) заливалась охолоджена вода або засипався колотий лід. З допомогою блока управління включаємо вакуумний насос і обертання роторного пристрою. Створюємо в об'ємі апарату та установки в цілому необхідне розрідження засобом регулювання вентилем на розподільчій колбі.

Дослідження на установці проводились таким чином: засобом вхідного вентиля створюється необхідна витрата вихідного продукту з того розрахунку, що питоме навантаження за умови капельної подачі (10 капель - 1 мл) складало 35-50 кг/гм2. Це викликано необхідністю одержання продукту відгонки за малої поверхні теплообміну (F = 0,01 м2) і відносно малого теплового потоку g = 1100 Вт/м2.

Експериментальні дослідження будувались таким чином, що система працювала в двох теплових режимах (нагрівання та випарювання). В зв'язку з цим для моделі установки був розроблений і виготовлений додатковий нагрівач, в оброблювальний потік були введені дві термопари (хромель-капель) для фіксації температури входу і виходу досліджуваного масла. Так на лінії подачі вихідного продукту від колби був поставлений нагрівач з ніхрому, який був заживлений від регулювального знижувального трансформатора (ЛАТЕР) і перед регулювальним вентилем була введена термопара. Крім того, в робочий об'єм моделі роторного апарату була введена термопара через колбу прийому кубового залишку.

Проведені дослідження з нагріву та випарювання на модельній установці “Karl Kanzler” визначили основні напрямки подальшого дослідження.

Використовуючи теорію подібності, можна уявити технологічний процес системами рівнянь критеріїв:

Nu = AКрот.pPenRemPrkmf ( 8 )

Рівняння критеріїв враховують не тільки вплив усіх фізико-хімічних показників оброблюваного продукту (відпрацьованого масла), але й гідродинамічні явища, зумовлені обертанням роторного пристрою.

В результаті математичної обробки експериментальних досліджень були одержані рівняння критеріїв:

нагрівання:

шарнірна лопатка Nu = 0,76kрот.0,195Pe0,78Re0,23Pr0,33m0,242 ( 9 )

ніж, що зрізає Nu = 0,77kрот.0,195Pe0,71Re0,26Pr0,355m0,327 ( 10 )

випарювання:

шарнірна лопатка Nu = 0,78kрот.0,087Pe0,94Re0,22Pr0,533m0,342 ( 11 )

ніж, що зрізає Nu = 0,81kрот.0,205Pe0,93Re0,24Pr0,292m0,41 ( 12 )

Одержані критеріальні залежності дозволяють нам проводити технологічні розрахунки процесів, які проходять в апараті, з виходом на його геометричні розміри. Довжина апарату (теплопередавальна поверхня): для апарата з шарнірними лопатками

L1 = (G-Gпл)A/рDaдплnp(A-1) lg, (13)

де A = K/(сдплnc), а Gпл = 0,2G, при цьому основний потік переміщується в хвилі перед лопатками, для апарата з системою “ніж, що зрізає”

L2 = GA(рDanдплnp(A-1) lg, (14)

C=Cпл у цьому випадку вся витрата вихідного продукту розподіляється в плівковій течії без носових хвиль.

Але ці розрахунки не дозволяють повністю здійснити прогноз процесу відділення рафінату від відпрацьованих масел. Для вирішення цих питань були одержані регресійні моделі, які дозволяють також визначити вплив різних параметрів на кінцевий результат процесу.

Для шарнірної лопатки з рівнем значимості ? = 0,05

1 стадія: y = -0,964 + 0,0669X1 ( 15 )

2 стадія: y = 3,73 + 0,69X1 - 0,567X3, ( 16 )

де X1 - витратна характеристика, X2- температура поверхні теплообміну,

X3- розрядження в об'ємі апарату.

Для зрізувальної рамки з рівнем значимості ? = 0,05

1 стадія: y = 5,07 + 0,0742X1 - 0,042X3 ( 17 )

2 стадія: y = 5,75 + 0,763X1 - 0,89X3. ( 18 )

Параметр X2 (температура поверхні теплообміну) виявився незначним, так як даний параметр є стабілізуючим при веденні процесу. Майже у всіх експериментальних дослідженнях значимим є коефіцієнт регресії параметра X3 (вакуум) у робочому об'ємі апарату.

В зв'язку з цим можна припустити, що чим вищий температурний режим розгонки високомолекулярних компонентів відпрацьованого машинного масла, тим більший вплив на процес параметра X3.

Проведені дослідження і обробка одержаних експериментальних результатів математичними методами дозволили визначити геометричні розміри апарата, показати вищу ефективність в роботі конструкції плівкоутворьючого елемента, здійснити аналіз значення вихідних параметрів на кількість одержуваного дистиляту відпрацьованих нафтових масел. Але залишається не дослідженим питання знаходження області ефективної роботи роторного плівкового апарату у даному процесі.

В якості вихідного параметра був обраний параметр, який визначав ефективність ведення технологічного процесу. Це ступінь розділення, яка може бути представлена у двох формах. Ступінь розділення за кубовим залишком

K1 = Gкуб./Gвих

де Gкуб. - кількість одержуваного кубового залишку, Gвих. - кількість направлюваного вхідного продукту в апарат за відповідних вхідних параметрів (постійність температурного режиму, вакуум в системі, стабільність фізико-хімічного складу, постійність частоти обертання ротора).

Друга модифікація ступені розділення K1а = Gдист./Gвих., де Gдист. - кількість дистиляту.

Одержані експериментальні значення ступені розділення як функції від часу перебування продукту в апараті при різних технологічних режимах.

Експериментальні залежності Kj(ti) і Kja(ti) (i = 1,n), (j = 1,m) апроксимуються відповідно параболічним функціям

( 19 )

Коефіцієнти у рівнянні знаходимо за методом найменших квадратів:

min (yiЭ - yiТ)2. (20)

Одержаним залежностям відповідають два сімейства кривих yj(t) і yja(t), які перетикаються в точках Nj(tj,yj).

Точки перетину кривих одержуємо, розв'язуючи систему рівнянь

( 21 )

У результаті проведеної математичної обробки експерименту одержуємо вибірки точок tj, yj. Необхідно побудувати область, в яку з заданою ймовірністю попадають точки перетину сімейства кривих при всіх можливих режимах. Для цієї мети були визначені довірчі інтервали для M(t) і M(y). Згідно з літературними джерелами, довірчий інтервал для математичного очікування вибірки Хi визначається:

( 22 )

з ймовірністю p = 1-б, де: ? - обраний рівень значимості;

x - вибіркове середнє, S2 - вибіркова дисперсія; n - об'єм вибірки;

tn,p - значення t розподілу Ст'юдента.

Довірчі інтервали M(t) і M(y) були визначені для двох конструкцій роторного пристрою (шарнірна лопатка, “ніж, що зрізає”) і для двох стадій процесу (відгонка легколетких фракцій та відгонка цільового продукту).

Проведений аналіз технологічного процесу регенерації дозволив нам розширити область використання даного виду обладнання в порівнянні з рекомендаціями, вказаними у каталозі “Роторні випарники”. Так, при діючих в каталозі границях вихідного навантаження 0,055 - 0,11 кг/м2с, в роботі одержані такі границі змін: 0,03 - 0.13 кг/ м2с.

У результаті проведеної науково-дослідної роботи були вироблені рекомендації з конструкторських розробок дослідно-промислового апарату з системою вмонтованого конденсатора.

У п'ятому розділі представлена промислова установка на основі роторного плівкового апарату для регенерації відпрацьованих нафтових масел.

Промислова перевірка розроблених теоретичних питань проводилась на установці регенерації відпрацьованих масел продуктивністю до 100 л/г з вихідного продукту. Крім роторного плівкового випарника з поверхнею теплообміну F1=0,8 м2, вона устаткована додатковим холодильником-конденсатором F1=7,5 м2, ємкосним обладнанням, дозувальним та вакуумним насосами, системами автоматичного контролю і регулювання. Пройшовши наладку і відпрацювання основних режимів в АТ “УкрНДІХІММАШ”, установка була передана до експлуатації фірмі “Супер”.

У п'ятому розділі приділено також увагу з розширення області використання роторного плівкового випарника з системою вмонтованого конденсатора.

Проведені дослідження показали практичну можливість очистки в даній конструкції апарату легколетких компонентів нафти (керосину, бензину та дизельного пального).

Необхідно відзначити, що дана установка на основі роторного плівкового випарника з системою вмонтованого конденсатора без великих капіталовкладень легко деформується в систему молекулярної дистиляції.

Останній підрозділ п'ятого розділу присвячений обгрунтуванню економічної ефективності малотоннажних установок з регенерації відпрацьованих машинних масел.

Приведений приклад розрахунку кількості установок, необхідних для потреб регіону з регенерації відпрацьованих машинних масел. За основу приймалась інформація про прибутки та збитки підприємств при експлуатації даних установок і відповідно оцінювалась ефективність інвестицій за даною проблемою.

В дисертаційній роботі відзначалось, що з точки зору економічної ефективності дана робота виглядає перспективною, так як має невеликий строк окупаємості - 2 роки при терміні її функціонування без капітального ремонту 8 років. Економічний ефект від запровадження однієї установки складає 329000 грн., з нульовою залишковою вартістю та строком окупаємості 2 роки.

роторний плівковий випарник малотоннажний

ВИСНОВКИ

На основі літературного аналізу з питань процесу і апаратурного оформлення регенерації відпрацьованого машинного масла і різносторонньої конструкторської проробки запропонована для дослідження конструкція роторного плівкового апарата з новим плівкотворним пристроєм і вмонтованим конденсатором.

Проведені комплексні дослідження роботи на моделях роторного апарата з різними конструкціями плівкотворних пристроїв.

Створені математичні моделі, які описують гідродинамічну обстановку у роторному апараті при застосуванні різних плівкотворних пристроїв і проведено з їх допомогою дослідження гідродинаміки при зміні основних параметрів в широких границях.

На лабораторній модельній установці проведені дослідження ефективності теплообміну в роторному апараті обладнаному різними плівкостворюючими пристроями і на основі метода математичної статистики проведена обробка експериментальних даних з теплообміну, що дозволили створити критеріальні залежності, визначаючиї коефіцієнти теплопередачі в роторному апараті, що дозволяє зрівнювати різні конструктивні пристрої і визначити розміри апарату.

Методом регресійного аналізу досліджені результати розгонку відпрацьованих масел на роторному тонкоплівковому апараті, що дозволило визначити ступінь впливу вхідних технологічних параметрів на кількісний показник дистилята.

Досліджені залежності ступені розділу від часу пребування обробляємого продукту в роторному апараті, отримані сім'ї перетикаючих параболічних кривих з характерними точками, визначені області ефективних рішень технологічного процесу регенерації відпрацьованих масел.

На основі результатів дослідних і конструкторських робіт розроблена і виготовлена в АО “УкрНДІХІММАШ” промислова малотоннажна установка для регенерації відпрацьованих машинних масел продуктивністю 0,013 кг/с (100 л/г) по вихідному продукту.

Проведено економічне обгрунтування впровадження установок з потенціального ринку, що складає 329 тисяч грн. на одну установку, строк окупаємості - 2 роки, з розрахунку 8 років працездатності установок без ремонту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

Анохин Г.А., Качанов В.А., Анохин П.Г. Разработка и исследование процесса регенрации отработанных машинных масел. //Сборник научных трудов ХГПУ “Экология и ресурсосбережение”. - Харьков. - 1997. - Т. 2. - С. 90-96.

Анохін Г.О., Качанов В.А., Воронов Е.М., Анохін П.Г. Обладнання та технологія регенерації відпрацьованих мастил в локальних установках потужністю до 100 л/г. //Хімічна промисловість України. - 1998. - № 1. - С. 71-72.

Анохин П.Г. Анализ процессов регенерации масел в роторных аппаратах. Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков. - 1998. - Вып. 16. - С. 143-145.

Анохин П.Г., Доильницына Л.П. Математические модели процессов регенерации масел в роторных тонкопленочных аппаратах. //Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков. - 1998. - Вып. 18. - С. 172-175.

Ткач Г.А., Анохин П.Г. Конструкторские решения аппарата в процессе регенерации обработанных масел. //Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков. - 1998. - Вып. 26. - С. 56-60.

Анохин П.Г. Анализ процессов регенерации масел в тонкопленочных роторных аппаратах. //Сборник научных трудов ХГПУ “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье”. - Вып. 6. - Харьков: ХГПУ. - 1998. - С. 387-390.

Анохин П.Г. Структурирование жидкостных потоков на пленкообразующих элементах вертикальных роторных тонкопленочных аппаратов. //Сборник научных трудов ХГПУ “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье”. - Вып. 5. - Харьков: ХГПУ. - 1997. - С. 331-334.

Анохин П.Г., Ткач Г.А. Технология регенерации отработанных машинных масел. //II международный симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов “Техника и технология экологически чистых производств”. - Москва: МГУИЭ. - 1998. - С. 6.

АНОТАЦІЇ

Анохін П.Г. Регенерація спрацьованих минеральних мастил, - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.13 - машини та аппарати хімічних виробництв.- Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.

Дисертаційна робота присвячена розробці нового типу роторного апарату (зі спеціальною конструкцією плівкостворюючего елементу), який дозволяє здійснити регенрацію машинних масел на малотоннажних установках. В роботі з використанням методів фізичного та математичного моделювання процесів гідродинаміки та теплообміну, які відбуваються в роторних тонкоплівкових апаратах , була досліджена ефективність різноманітних конструкций плівкостворюючих елементів і показана вища ефективність запропанованої конструкції. Запропанован метод розрахунку розмірів апарату, який дозволяє перейти від дослідної установки до промислової, розроблена апаратурно-технологічна схема процесу регенрації відпрацьованих масел застосовно до малотонажних установок.

Ключові слова: регенрація спрацьованих мастил, роторний тонкоплівковий випарювач, плівкоутворюючий елемент “зрізаючий ніж”, носова волна, крітерій Пекле, криві видгуку.

Anokhin P.G. Regeneration of waste lubrication oils. - Thesis.

Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences at the 05.05.13 - machines and apparatus of chemical industry. - Kharkov State Polytechnic University, Kharkov, 1999.

The dissertation is dedicated to the development of the equipment of waste lubrication oils regeneration. The new decision of filmforming elements of rotor film evaporator is proposed that allow us increasing productivity of the process. The impact of different types of filmforming elements is studied in the dissertation thesis. On the basis of current scientific search recommendations of engineering of pilot industrial apparatus, with the internal condenser, are proposed.

Key words: regeneration of waste lubrication oils, rotor film evaporator, filmforming element “cutting knife ”, “nose wave”, criterion Pe, curves of respondence.

Анохин П.Г. Регенерация отработанных машинных масел, Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.13 - Харьковский Государственный Политехнический Университет, Харьков, 1999.

Диссертационная работа посвящена разработке нового типа роторного аппарата c системой встроенного конденсатора, со специальной конструкцией пленкообразующего элемента, который позволяет осуществить регенрацию машинных масел на малотоннажных установках. В работе исследовались системы пленкообразующих элементов на основе традиционной шарнирной лопатки и шарнирной рамки - “срезающий нож”. Представленная в работе гидродинамическая лабораторная установка, позволила осуществить комплекс экспериментальных исследований жидкостных потоков на пленкообразующих элементах и определить эффективность элементов. Более целесообразным является применение системы “срезающий нож”, т.к. в этом случае отсутствуют носовые волны и весь жидкостной поток переходит в пленочное высокотурбулизированное течение. Преимущество “срезающего ножа” заключается в очистке поверхности теплообмена от твердых образований и обеспечния их вывода с поверхности аппарата. Использование системы вносимого возмущения в жидкостной поток позволило получить семейство кривых отклика, подтвердивших достоверность высказанных предположений.

Получена математическая модель гидродинамического движения жидкостного потока при исследовании шарнирной лопатки и “срезающего ножа”, что позволило опредеить основной фактор, влияющий на процесс пленочного течения - критерий Пекле.

В результате математической обработки кривых отклика были расчитаны числовые характеристики и параметры эмперических и теоретических функций распределения.

Проведение на лабораторной установке исследовательских работ по теплообмену позволило определить основные пути ведения процесса регенрации отработанных масел. Процесс подразделяется на две стадии, где на первой осуществляется отгон легколетучих фракций(бензиновой, дизельной, веретенной), а на второй процесс термического разложения целевой фракции отработанного масла. Рассматривая комплекс гидродинамических и тепловых процессов, получили критериальные уравнения для двух видов пленкообразующих элементов.

Полученные критериальные уравнения позволили определить эффективность процесса теплообмена на разных стадиях разгонки отработанных машинных масел при использовании различных пленкообразующих элементов, а также показать большую эффективность предложенной в работе конструкции. Критериальные уравнения были также использованы нами для определения геометрических размеров аппарата.

Для получения полной информации о ведении технологического процесса была произведена обработка данных эксперимента методом регрессионного анализа, что позволило определить значимость основных факторов(расход, температура теплопередающей поверхности, вакуум в аппарате).

Степень интенсификации процесса термического разделения отработанного масла в роторном тонкопленочном аппарате определялась, как степень разделения по кубовому остатку и дистилляту функции времени пребывания. Полученные семейства кривых имеют точки пересечения, получившие название характерных точек. Эти точки и области вокруг них позволили определить границы устойчивой работы тонкопленочного аппарата в процессе регенрации отработанных минеральных масел. Проведенный анализ технологического процесса в роторном тонкопленочном аппарате позволил расширить область применения данного вида оборудования.

Проведенные исследования позволили выработать рекомендации для конструкторских разработок аппарата, расчитать размеры промышленной установки.

Разработана аппаратурно-технологическая схема процесса регенрации отработанных минеральных масел.

На основе изготовленного роторного тонкопленочного аппарата была разработана и изготовлена установка. Она прошла пусконаладочные испытания и показала высокую эффективность как регенератор не только машинных, но и любых минеральных(трансформаторных, трансмиссионных и т.д.) масел. В настоящее время установка эксплуатируется на малом предприятии “Супер”.

Работа была также оценена с точки зрения экономической эффективности. Проведен маркетинговый анализ рынка данного типа оборудования в результате которого выяснено, что данный вид оборудования является перспективным для рынка Украины и СНГ, вычислен срок окупаемости 2 года, разработан план ведения проекта, вычислено дисконтированное движение денежных потоков по проекту.

Ключевые слова: регенерация отработанных масел, роторный тонкопленочный испаритель, пленкообразующий элемент “срезающий нож”, носовая волна, критерий Пекле, кривые отклика.

Размещено на Allbest.ur

...