книги из ГПНТБ / Большаков Г.Ф. Восстановление и контроль качества нефтепродуктов

Добавление в реактивные топлива 0,1—0,3% этилцеллозольва предотвращает выделение воды при низких температурах. В присут­ ствии присадки и при увеличении ее концентрации с 0,1 до 0,3% скорость растворения кристаллов льда в топливе значительно растет {табл. 79). С понижением температуры скорость растворения кри­ сталлов льда уменьшается.

Таблица 79

С к о р о с т ь р а с т в о р е н и я к р и с т а л л о в л ь д а в т о п л и в е п р и д о б а в л е н и и э т и л ц е л л о з о л ь в а [ 5 8 ]

157

В табл. 80 приведены данные о влиянии этилцеллозольва на тем­ пературу начала кристаллизации топлив, содержащих различное количество воды. В присутствии этилцеллозольва температура образования кристаллов значительно понижается. В топливах с 0,3% этилцеллозольва и максимальным содержанием воды 0,013% кристаллы льда не образуются даже при —60° С. Без этилцелло­ зольва кристаллы льда в топливе наблюдаются уже при содержании воды 0,003%. С увеличением содержания присадки кристаллы льда появляются при большем содержании воды.

Таблица 80

В л и я н и е э т и л ц е л л о з о л ь в а н а т е м п е р а т у р у н а ч а л а к р и с т а л л и з а ц и и т о п л и в с р а з л и ч н ы м с о д е р ж а н и е м в о д ы [ 5 8 ]

* Отс. - отсутствие образования кристаллов до —60° С.

Поскольку этилцеллозольв хорошо растворяется в воде, он может вымываться из топлива. Поэтому присадку добавляют в топлива на местах применения. Этилцеллозольв не вызывает накопления влаги в топливах при хранении (табл. 81). В исходных топливах после введения 0,3% присадки содержание воды увеличивается. Это объясняется тем, что в этилцеллозольве содержится 0,7 % воды. В дальнейшем эта вода «высыхает» при изменении влажности воз­ духа. Наряду с этилцеллозольвом широко применяется тетрагидрофурфуриловый спирт, который имеет близкую к этилцеллозольву эффективность.

158

Таким образом, мероприятиями, ограничивающими поглощение воды нефтепродуктами, а также применением присадок можно пред­ отвратить ухудшение качества нефтепродуктов. В тех случаях, когда это не удается, применяют соответствующие методы удаления воды из нефтепродуктов.

Частъ II

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КАЧЕСТВА НЕФТЕПРОДУКТОВ

Г л а в а 7

ОТСТАИВАНИЕ

Отстаивание — наиболее простой способ восстановления качества нефтепродуктов. С помощью отстаивания можно удалить из топлив и масел значительную часть механических примесей и воды. Оно эффективно лишь тогда, когда плотности загрязнений и нефтепро­ дуктов значительно различаются, а частицы имеют достаточно крупные размеры. Отстаивание предшествует, как правило, процес­ сам фильтрации.

Теоретические основы

Теоретические основы устойчивости суспензий и эмульсий в на­ стоящее время разработаны достаточно полно [15]. Товарные нефте­ продукты с примесями твердых частиц загрязнений являются ти­ пичными малоконцентрированными суспензиями. Примеси нерас­ творенной воды в виде диспергированных капель придают нефтепро­ дуктам эмульсионный характер. Совместное присутствие эмульсион­ ной воды и твердых частиц загрязнений различной дисперсности обусловливает сложный характер физических процессов, протека­ ющих приотстаивании.

Рассмотрим вначале процессы оседания в нефтепродуктах твер­ дых частиц загрязнений. Оседание частицы происходит под действием

где рж — плотность жидкости, кг/м3.

Кроме этих сил на частицу действует сила сопротивления нефте­ продукта

F3= A w ,

160

где А — коэффициент трения между частицей и средой; со — ско­ рость оседания частицы, м/сек. Сила F3 возникает в начале оседания частицы и увеличивается с увеличением скорости ее движения.

Постоянной скорость оседания частицы будет при

Для сферических частиц уравнение (110) приобретает следующий вид:

где г — радиус частицы, м; т) — динамическая вязкость нефтепро­ дукта.

Скорость оседания частиц легко определяется из уравнения (111):

ог2

(11 2)

“ = *9д-(рз- рж)£-

Из (112) видно, что скорость оседания частиц будет уменьшаться

суменьшением разности р3 — рж и становится равной нулю, когда плотности частиц и нефтепродуктов равны между собой. Скорость оседания также сильно зависит от размеров частиц. Очевидно, что

суменьшением радиуса частиц скорость оседания значительно

уменьшается и при достаточно малых размерах частиц (менее 1 — 2 мкм) путем отстаивания нефтепродукты освободить от загрязне­ ний практически невозможно.

В вязких нефтепродуктах, как это следует из уравнения (112), скорость отстаивания также уменьшается. Известно, что в высоко­ вязких нефтепродуктах отстаивание протекает очень медленно, процесс осаждения еще более замедляется при понижении темпера­ туры.

Поскольку при постоянной скорости оседания со = Шх, т. е. пройденному частицей расстоянию Н, деленному на время т, то размеры частиц по скорости их оседания можно определить из уравнения

Уравнения (112)Ти (ИЗ) применимы для нефтепродуктов с раз­ мерами частиц менее 100 мкм. Нижняя граница размеров частиц сдвигается в сторону меньших величин при уменьшении вязкости нефтепродуктов. Например, для бензинов и реактивных топлив она составляет 0,1—3 мкм, для дизельных топлив 5—10 мкм, для тяжелых топлив 20—30 мкм. В маслах при обычных температурах частицы 40—30 мкм отстаиваются очень долго. Таким образом,

уравнение Стокса (112) применимо для частиц размером 0,1—100 мкм, т. е. в наиболее приемлемом и важном для нефтепродуктов диапазоне. Для частиц крупнее 100 мкм уравнение Стокса неприменимо. В этом случае в интервале размеров частиц 100—2000 мкм используют уравнение Аллена:

Скорость осаждения частиц крупнее 2000 мкм определяют по уравнению Риттингера:

гРж

Скорость осаждения частиц зависит от свойств нефтепродуктов, плотности частиц загрязнений и внешних условий. Характер обте­ кания твердой частицы нефтепродуктом при осаждении определяется критерием Рейнольдса:

Из (116) следует, что профиль скоростей молекул жидкости вокруг оседающей круглой частицы загрязнений, построенный в безразмерных координатах, является функцией только числа Рейнольдса. Критерий Рейнольдса определяет границы примени­ мости формул (112), (114) и (115). Сила сопротивления по Риттингеру

а сила сопротивления по Стоксу Fst выражается уравнением (111). Поэтому

Экспериментальными исследованиями установлено, что при ла­ минарном режиме осаждения Re ^ 0,2, для турбулентного режима Re )> 500. При числах Re = 0,2 А- 500 наблюдается промежуточный режим осаждения.

Важной характеристикой процессов осаждения является коэф­

162

Зависимость между ф и Re выражается кривой Рэлея (рис. 38). Непрерывность кривой свидетельствует об отсутствии резких скачков между областями ламинарного и турбулентного режимов. Коэффи­ циент сопротивления увеличивается с уменьшением числа Рейнольдса. На рис. 38 видна область применения уравнений Стокса, Риттингера и Аллена в зависимости от значений ф и Re.

Формулы (127) и (128) являются универсальными для определе­ ния скорости осаждения и радиуса осаждающихся частиц в любых пределах значения Re.

в зависимости от положения, в котором находятся частицы в про­ цессе оседания.

Расчетом установлено, что отклонения эквивалентных размеров частиц неправильной формы от размеров таких же шарообразных частиц в общем случае невелики и большого практического значения не имеют, за исключением очень малых величин a/с, а также случаев оседания в направлении, перпендикулярном к главной оси симмет­ рии (табл. 82).

Экспериментально получены величины отклонений эквивалентных размеров частиц, вычисленных по скорости оседания, от истинных размеров (табл. 83). Эксперименты проведены с частицами заведомо шарообразной формы. Небольшие отклонения от шарообразной фор­ мы не оказывают заметного влияния на величину эквивалентного размера. Наибольшее различие возникает при сильной асимметрии частиц, например в случае палочкообразной или пластинчатой формы.

Таблица 82

Отклонения эквивалентных размеров частиц неправильной формы от размеров шарообразных частиц

164

Таблица 83

Размеры частиц (мкм), определенные по скорости оседания и микроскопически

Однако не только значительные отклонения формы частиц от * сферической влияют на скорость их оседания. В не меньшей степени на поведении частиц сказывается их внутренняя структура, наличие на поверхности раздела частица — среда пленок или прилипших слоев посторонних веществ пузырьков воздуха, а также других частиц с иной плотностью.

структуры.

J, 2 — сплошная и полая частицы; 3f 4 — сплошная частица и агрегат частиц с пленкой на поверхности

Достаточную точность при расчете скорости оседания можно получить лишь тогда, когда имеются надежные данные о плотности и размере частиц. Например, две сферические частицы одинаковой массы, из которых одна полая и заполнена дисперсной средой, а другая сплошная, будут оседать с разной скоростью, хотя полая частица имеет большие размеры (рис. 39). Аналогично полой частице ведут себя и агрегаты, состоящие из нескольких частиц. Значительное и трудноучитываемое влияние на скорость оседания оказывают различные пленки, например воды, адсорбирующиеся на поверхности частиц. Рассмотрим это подробнее. При наличии на поверхности частиц защитной пленки сила сопротивления

165

Если пленка, адсорбированная на поверхности частицы, имеет плотность, отличающуюся от плотности частицы, то скорость осе­ дания

на ней.

Таким образом, когда плотность пленки невелика по сравнению

сплотностью дисперсионной среды, скорость оседания частицы без пленки больше, чем с пленкой, несмотря на большие размеры частицы

спленкой. Если плотность пленки можно принять равной плотности дисперсионной среды, то из сопоставления уравнений (112) и (135) получим следующее. Примем

В практике восстановления качества нефтепродуктов часто проводят отстаивание обводненных топлив и масел, в которых вода находится в эмульгированном состоянии. Поскольку твердость воды и частиц минеральных загрязнений различна, то вполне по­ нятной становится необходимость введения поправки на скорость оседания. Можно предположить, что внутри оседающих жидких частиц во время оседания возникают микропотоки, которые могут изменить поверхность капель.

Величина сопротивления среды движущемуся в ней жидкому

где цж — вязкость внутренней фазы эмульсии.

166