Анализ механизма обезвоживания светлых нефтепродуктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ механизма обезвоживания светлых нефтепродуктов

Семернин А.Н., Семернин Н.А., Кокаев У.Ш.,

Апсаматов М.Б., Шамахмудов Д.А., Атамкулова А.Н.

ТарГУ им. М.Х. Дулати, г. Тараз

В настоящее время существует большое количество различных методов обезвоживания топлив. Однако, для обезвоживания светлых нефтепродуктов применяют в основном два метода: метод гравитационного отстаивания и фильтрация через пористую перегородку.

В настоящей статье представлен теоретический анализ обезвоживания топлив этими методами, рассмотрены факторы, оказывающие существенное влияние на эффективность обезвоживания.

Обезвоживание дизельного топлива методом гравитационного отстаивания. Отстаивание или седиментация, является наиболее простым способом обезвоживания топлив. Удаление свободной воды из топлива осуществляется путём осаждения капель воды под действием гравитационной силы.

Для определения скорости осаждения частиц воды в поле гравитации можно использовать следующую формулу:

, (1)

обезвоживание нефтепродукт фильтрация

где: g - ускорение свободного падения, м/с2; d - диаметр капли, м; св, ст - соответственно плотность воды и топлива, кг/м3; мт - динамическая вязкость топлива, Н?с/м2.

Формула (1) является выражением закона Стокса для случая осаждения сферической капли воды в жидкости с меньшей плотностью, чем вода при ламинарном режиме осаждения.

Закон Стокса справедлив для устойчивого состояния потока топлива, то есть для случая, когда скорость потока равномерна и ускорение потока равно нулю. Однако, на границе раздела жидкостей вследствие поверхностного взаимодействия между молекулами воды и топлива возникают перемещения воды внутри капли, с учётом этого скорость осаждения капли может быть определена по формуле:

, (2)

где мв - динамическая вязкость воды, Н?с/м2.

Согласно выражений (1) и (2) самым важным фактором в процессе осаждения воды является диаметр капли, так как скорость осаждения капель изменяется прямо пропорционально квадрату диаметра капли. Другими факторами, влияющими на эффективность осаждения капли, являются вязкость и плотность топлива: чем больше вязкость и плотность, тем медленнее скорость осаждения капли.

Зависимость времени осаждения от размера капель воды на глубину Н выражается формулой:

, (3)

где - время осаждения капли, с.

Как видно из формул (1-3) скорость и время осаждения капли воды определяются напряжённостью гравитационного поля, плотностью воды и топлива, вязкостью и размерами капли. Напряжённость гравитационного поля в данном случае постоянная, следовательно, скорость и время осаждения зависят от температуры топлива, размеров капель воды, а также от конструктивных особенностей отстойников.

Для оценки эффективности обезвоживания дизельных топлив методом гравитационного отстаивания были определены теоретическая скорость осаждения капель воды и их время осаждения.

Скорость осаждения капель воды рассчитана для различных марок дизельных топлив, выпускаемых в соответствии с ГОСТ 4749-93 и ГОСТ 305-93 в диапазоне температур от 273 до 323єК.

На рисунке 1 приведён диапазон скоростей осаждения, определённых по формуле (1) в зависимости от размеров капель и температуры топлива.

Рис. 1. Зависимость времени осаждения капли от её диаметра и температуры топлива

Рис. 2. Зависимость времени осаждения капли на 1 м налива от её диаметра и температуры топлива

Анализ данных, представленных на рисунке 1, показывает, что с повышением температуры топлива скорость осаждения возрастает, так как уменьшается вязкость топлива.

Скорость осаждения пропорциональна квадрату диаметра капли, чем больше размер капли, тем выше скорость осаждения.

Полученные результаты использованы при расчёте времени осаждения капли в топливах различных марок, выпускаемых нефтеперерабатывающими заводами.

Время осаждения капли на 1 м топлива по существующим требованиям составляет около 104 с [1].

На рисунке 2 приведена зависимость времени осаждения капли на 1 м налива топлива. Из рисунка 2 следует, что согласно существующим требованиям полное осаждение капель возможно при их размерах более 50 мкм. Капли с размерами 10-20 мкм осаждаются длительное время, а 5 мкм практически не осаждаются и находятся в топливе во взвешенном состоянии. Следовательно, отстаиванием невозможно обеспечить полного удаления воды в резервуарах при хранении топлива.

Рис. 3. Зависимость времени осаждения капли от её диаметра и температуры топлива в отстойниках типа ФГ

Эффективность обезвоживания топлив в тракторах с использованием гравитационных отстойников типа ФГ зависит от времени нахождения в них капель воды.

В отстойниках типа ФГ-75 время пребывания капли изменяется в зависимости от его пропускной способности и равно 40-100 с, а в ФГ-25 - 30-90 с.

Из рисунка 3 следует, что в отстойниках осаждаются капли размером более 150 мкм. Капли меньше 150 мкм будут захватываться топливом и поступать дальше в систему питания.

Современные представления о механизме обезвоживания топлив пористыми коагулирующими перегородками. В соответствии с современными представлениями механизм обезвоживания топлив коагулирующей перегородкой включает следующие этапы: приближение и соприкосновение микрокапель воды с волокнами; вытеснение микрокаплей воды топливной плёнкой с поверхности волокна; адгезию микрокапли воды к волокну; коалисценцию микрокапель воды, прилипших к волокну с микрокаплями, находящимися в потоке; отрыв капли с поверхности волокна; течение водотопливной эмульсии через коагулирующую перегородку; осаждение капель воды в отстойник [1].

Приближение и соприкосновение микрокапель воды с волокнами. Различают три вида приближения микрокапель воды к волокнам и последующего их соприкосновения: перехват (прямое соприкосновение микрокапель с волокнами), броуновская диффузия и инерционное столкновение [2, 3].

Эффективность перехвата микрокапель воды можно оценить используя формулу:

, (4)

где: - коэффициент перехвата; dв - диаметр волокна, м; Re - число Рейнольдса.

Число Рейнольдса определяется по формуле:

(5)

где Vп - скорость потока топлива, м/с.

Анализ формул (4) и (5) показывает, что эффективность перехвата зависит от диаметра волокон и капли: чем меньше диаметр волокна и больше диаметр капли, тем больше эффективность перехвата. При возрастании скорости потока эффективность перехвата также увеличивается.

Эффективность диффузионного взаимодействия капель воды и волокон можно оценить по формуле [3]:

(6)

где D - коэффициент диффузии, м2/с.

Из формулы (6) видно, что эффективность диффузии снижается с ростом скорости потока, диаметра капли и волокна.

Эффективность инерционного столкновения капли воды с волокном определяется по формуле [1-3]:

(7)

где Ки - коэффициент инерционной силы.

Коэффициент инерционной силы можно вычислить по формуле:

. (8)

Анализ уравнений (7) и (8) показывает, что эффективность инерционного столкновения возрастает при уменьшении диаметра волокон, плотности и динамической вязкости топлива, а также при увеличении диаметра капли и скорости потока. Практически инерционное столкновение играет незначительную роль в приближении капли.

Общие закономерности, полученные при рассмотрении эффективности взаимодействия микрокапли воды с отдельным волокном, справедливы и для слоя волокон, хотя оценить общую эффективность приближения капель воды к волокнам, расположенным в коагулирующей перегородке весьма сложно, так как волокна расположены в ней хаотично. Следует отметить, что с увеличением плотности расположения волокон в коагулирующей перегородке эффективность перехвата и диффузии возрастает, причём для перехвата это возрастание наблюдается в большей степени, чем для диффузии. Эффективность всех видов взаимодействия капель воды с волокном уменьшается при понижении температуры. Особенно снижается эффективность инерционного столкновения, так как коэффициент инерционных сил изменяется прямо пропорционально плотности воды и топлива и обратно пропорционально вязкости топлива.

Эффективность диффузии в зависимости от температуры более сложная, так как коэффициент диффузии находится в прямой зависимости от абсолютной температуры и в обратной от вязкости топлива и числа Рейнольдса.

Таким образом, перехват является основным видом приближения и соприкосновения капли воды с волокном. Инерционное столкновение существенной роли в этом процессе не играет, а диффузия может способствовать столкновению с волокнами очень мелких капель воды.

Вытеснение топливной пленки с поверхности волокна. Адгезия микрокапли воды к волокну может произойти только тогда, когда между ними нет топливной плёнки. Поэтому, капля воды должна вытеснить топливную плёнку с волокна и смочить его. Этот процесс зависит от поверхностных свойств волокна.

Топливная плёнка довольно легко смещается с гидрофильных поверхностей (стекло, хлопок), значительно труднее - с гидрофобных, обладающих низкой поверхностной энергией (тефлон, полиэтилен).

Процесс вытеснения топливной плёнки начинается с уменьшения её толщины, у маловязких топлив она может быть менее 0,5 мкм. При коалисценции промежуток времени между соприкосновением капли с волокном и разрывом топливной плёнки достигает нескольких секунд и даже минут [1, 4].

Установлено, что время стекания плёнки пропорционально величине радиуса капли воды, умноженной на 1,5, то есть время стекания плёнки в первоначальный период, когда капли воды малы, не вызывает существенного влияния на продолжительность их присоединения к волокнам или к другим каплям, задерживаемым на волокнах. Впоследствии время стекания топливной плёнки возрастает, так как скоагулировавшая вода представляет собой крупные капли и для удаления топливной плёнки требуется значительно большие промежутки времени, чем для микрокапель воды, содержащихся в исходном топливе [4, 5].

Адгезия капли воды к поверхности волокна. После вытеснения топливной плёнки с волокна начинается процесс адгезии капли воды к его поверхности. Адгезия капли воды к поверхности волокон коагулирующей перегородки происходит за счёт уменьшения свободной энергии на поверхности раздела трёх фаз.

Для установления влияния различных факторов на адгезию капли воды к поверхности обычно рассматривают этот процесс на плоской, сферической и цилиндрической поверхностях [1].

В трёхфазных системах свободная поверхностная энергия на границе раздела между жидкостью и плоской твёрдой поверхностью в равновесном состоянии равна:

, (9)

где: - поверхностное натяжение жидкости, Н/м2; S - площадь соприкосновения жидкости и твёрдой поверхности, м2.

Сферическая капля воды после соприкосновения растекается на плоской твёрдой поверхности и достигает равновесного состояния с краевым углом и (рис. 4).

Рис. 4. Равновесное состояние капли на поверхности:

а) плоская поверхность; б) сферическая поверхность;

с) цилиндрическая поверхность

При этом имеет место соотношение [1, 3]:

, (10)

где: п-т, п-в, в-т - межфазное натяжение, соответственно, на границе раздела «поверхность - топливо», «поверхность - вода» и «вода - топливо».

На основании формулы (9) свободная поверхностная энергия на поверхности раздела:

- до адгезии:

; (11)

- после адгезии:

. (12)

Тогда уменьшение свободной энергии в результате адгезии капли воды к поверхности можно определить из выражений:

; (13)

, (14)

где - соответственно относительное уменьшение свободной поверхностной энергии и относительное изменение поверхности раздела между топливом и каплей воды вследствие её адгезии к поверхности для краевых углов от 0 до 180є.

Таким образом, из выражений (13) и (14) следует, что адгезия капли воды к плоской твёрдой поверхности определяется лишь свойствами этой поверхности, то есть величиной краевого угла.

Установлено, что формула (9) справедлива и для случая адгезии капли на сферической поверхности. На рисунке 4.б показано равновесное состояние капли на твёрдой сферической поверхности с краевым углом и [1-3].

Для сферической поверхности уравнения имеют вид:

; (15)

, (16)

где r0 - относительный радиус капли, м.

Следовательно, адгезия капли воды к сферической поверхности уменьшается с уменьшением диаметра капли и увеличением краевого угла. Относительное уменьшение свободной поверхностной энергии на сферической поверхности при адгезии к ней капель воды меньше, чем на плоской.

При адгезии капли воды к цилиндрической поверхности (см. рис. 4. в), относительное уменьшение свободной поверхностной энергии имеет промежуточное значение, находящееся между показателями для плоской и сферической поверхностей [1].

Таким образом, из проведённого анализа процесса адгезии следует, что:

- эффективность адгезии капли воды к волокну определяется его поверхностными свойствами (углом и) и диаметром, а также размером капли воды;

- чем меньше диаметр волокна и больше размер капли, тем быстрее происходит адгезия капли к поверхности волокна.

Следовательно, при разработке коагулирующих элементов для фильтра-водоотделителя, необходимо учитывать поверхностные свойства волокон, так как от их правильного подбора во многом зависит процесс адгезии и эффективность коалисценции микрокапель воды в волокнистом слое.

Коалисценция капель воды в коагулирующей перегородке. При обезвоживании топлив механизм коалисценции капель воды в коагулирующей перегородке зависит от их размера, в связи с чем различают два вида эмульсии воды в топливе - первичную, состоящую из микрокапель воды диаметром 10 мкм и более, и вторичную, состоящую из микрокапель, большинство которых имеет диаметр менее 1 мкм [5].

Коалисценция капель, составляющих первичную эмульсию, происходит по двум механизмам.

В первом случае капли коагулируются на смачиваемой ими поверхности волокнистого материала, образуя жидкостную плёнку, которая стекает по наружной поверхности перегородки.

Во втором случае происходит межкапельная коалисценция в порах коагулирующей перегородки, в этом случае волокна не смачиваются.

Эффективность отделения капель воды их первичных эмульсий определяется отношением средних диаметров капель на входе в коагулирующую перегородку и на выходе из неё и зависит от механизма коалисценции. Обычно эффективность отделения капель воды выше, если они смачивают волокна. При выборе волокон основное значение придаётся структуре волокнистого слоя, поры которого должны быть не менее размера поступающих капель, то есть необходимо учитывать возможность дробления капель воды в результате прямого удара об волокна.

Поэтому, при оптимизации процесса обезвоживания топлива существенную роль играет правильный выбор пористой волокнистой структуры коагулирующей перегородки.

Механизм коалисценции вторичных эмульсий значительно отличается от рассмотренных выше и заключается в том, что в начале происходит адгезия капли к поверхности волокна и лишь затем её коалисценция с другой каплей. Конечной задачей, достигаемой при коалисценции капель воды из вторичных эмульсий, является увеличение их размеров до такого уровня, при котором их можно рассматривать как первичную эмульсию. Разделение вторичных эмульсий в пористом слое более эффективно в системах с высоким межфазным натяжением и большой разностью плотностей воды и топлива. При этом особенно важен выбор волокон коагулирующей перегородки. Наиболее эффективными являются пористые среды из тонких волокон с большой шероховатостью. При этом эффективность разделения эмульсий возрастает с уменьшением диаметра волокон [1, 2].

Отрыв капель воды с поверхности волокна. При достижении определённых критических размеров капля под действием гидродинамической силы потока и собственной массы срывается с поверхности волокна и выносится из волокнистого пористого слоя в отстойную зону, где вследствие резкого уменьшения скорости и изменения направления потока осаждается в отстойник.

Критическую скорость потока (Vкр), перепад давления (ДРкр) и объём капли (Uкр), при которых капля срывается с волокна, можно определить по формулам:

; (17)

; (18)

, (19)

где: Кп - коэффициент проницаемости, м2; U - объём капли, м3; Sп - поперечное сечение поры, м2; l - периметр соприкосновения капли с поверхностью волокна, м.

Анализ уравнений (17-19) показывает, что с увеличением периметра соприкосновения капли с волокном, перечисленные показатели возрастают.

Следовательно, для уменьшения усилия отрыва капли с поверхности волокна, важную роль играет правильный выбор волокон для коагулирующей перегородки.

Течение водотопливной эмульсии через коагулирующую перегородку. Течение водотопливной эмульсии через коагулирующую перегородку представляет собой совместное ламинарное течение двух несмешивающихся жидкостей, подчиняющихся закону Дарси.

В начальный момент работы фильтра-водоотделителя топливо проходит через коагулирующую перегородку, в которой нет воды и гидравлическое сопротивление потоку топлива обусловлено только трением. По мере накопления воды в перегородке, гидравлическое сопротивление возрастает за счёт уменьшения площади поперечного сечения. В результате перепад давления на пористой перегородке достигает величины достаточной для продавливания через неё воды. При насыщении перегородки водой до равновесного состояния, в пористой перегородке образуются непрерывные водяные каналы, по которым проталкивается вода.

При движении воды и топлива по отдельным непрерывным каналам поверхностное натяжение на границе раздела этих жидкостей отсутствует и гидравлические потери будут минимальными, зависящими от скорости потока топлива.

Следует отметить, что вода проходит через коагулирующую перегородку по избирательным каналам, которые используются неоднократно. При отсутствии воды в топливе водяные каналы рвутся и снова восстанавливаются в случае её появления, проходят по тем же каналам.

На выходе из коагулирующей перегородки происходит отрыв капель воды, которые имеют сферическую форму.

Размеры капель воды зависят от скорости потока топлива, структуры пористого слоя на выходе из коагулирующей перегородки и величины поверхностного натяжения на границе раздела вода - топливо.

Осаждение капель воды в отстойную зону. Процесс обезвоживания топлива завершается после того, как укрупнённые капли выйдут из пористой перегородки коагулирующего элемента и попадут в корпус фильтра-водоотделителя, где за счёт резкого изменения скорости и направления потока, а также под действием эффективной силы тяжести происходит их осаждение в отстойную зону фильтра-водоотделителя.

Скорость и время осаждения капель воды в отстойную зону фильтра-водоотделителя можно определить, используя выражения (1-3).

Для обеспечения наибольшей эффективности осаждения капель воды большое значение имеет правильный выбор соотношения геометрических размеров корпуса фильтра-водоотделителя и элементов.

На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Теоретические исследования обезвоживания дизельных топлив методом гравитационного показали, что для удаления капель воды с размерами менее 50 мкм требуется длительное время для их осаждения.

2. Капли с размерами 20 мкм сохраняются в топливе во взвешенном состоянии в течение 10 часов и более, с размерами 10 мкм - более 2 суток.

3. Фильтры-отстойники, применяемые на дизельных двигателях, обеспечивают эффективное удаление капель свободной воды размером более 150 мкм.

4. Повышение чистоты дизельных топлив в двигателях возможно за счёт применения более совершенных методов обезвоживания.

5. Одним из перспективных методов обезвоживания является фильтрация топлив через пористую коагулирующую перегородку.

6. Теоретический анализ механизма обезвоживания топлив методом фильтрации показал, что существенное влияние на эффективность водоотделения оказывают поверхностные свойства материалов, структурный состав коагулирующей ступени фильтра-водоотделителя, толщина и плотность перегородки.

7. На основании теоретического анализа механизма обезвоживания топлива, обоснованно выбирались уровни и интервалы варьирования факторов при проведении экспериментальных исследований.

Литература

1. Рыбаков К.В., Жулдыбин Е.Н., Коваленко В.П. Обезвоживание авиационных горюче-смазочных материалов. - М.: Транспорт, 1979. - 184 с.

2. Колосюк Д.С., Кузнецов А.В. Автотранспортные топлива и смазочные материалы. - К.: Вища школа, 1987. - 191 с.

3. Болшаков Г.Ф. Восстановление и контроль качества нефтепродуктов. - Л.: Недра, 1982. - 350 с.

4. Повышение чистоты дизельных топлив в системе питания большегрузных автомобилей: Научный отчёт, инв. №02.87.0015062. - Д., 1996. - 46 с.

5. Семернин А.Н. Автоматический клапан для слива воды: Аналитический обзор. - Тараз: Жамбылский ЦНТИ, 2007. - 23 с.

Размещено на Allbest.ru