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

Количество частиц загрязнений, тыс. шт. 8

Размер частиц, мкм

Рис. 55. Эффективность очистки топлив центрифугированием.

197

характеристики мазутов. В центрифугах можно отделить частицы, отличающиеся по плотности от основной жидкости. Смолистые вещества и другие продукты окисления отделяются значительно хуже, чем на фильтрах (табл. 98). Осадок на фильтре состоит в ос­ новном из загрязнений органического характера: смол, оксикислот, карбенов и других продуктов окисления и термического разложения масла. Отложения в сепараторе более чем наполовину состоят из' минеральных веществ: частиц железа, песка и др. На фильтре этих частиц задерживается около 10 %.

Таблица 98

Состав отложений на фильтрах тонкой очистки и в центробежном масляном очистителе после очистки дизельного масла [29]

Применение центрифуг вместо фильтров для очистки масел значительно уменьшает содержание в них абразивных частиц. По данным С. А. Лебедева, М. А. Григорьева [27], замена фильтров АСФО центробежной очисткой уменьшает износ гильз двигателей после 1000 км пробега с 30—40 до 13—15 мкм. Однако с помощью центрифуг растворимые смолы и продукты окисления удалить нельзя. Поэтому наиболее целесообразно совместное применение для очистки нефтепродуктов сепараторов и фильтров.

Глава 9

ФИЛЬТРАЦИЯ

Процессы фильтрации являются эффективным и доступным сред­ ством исправления качества нефтепродуктов. С ее помощью можно довольно эффективно удалить твердые загрязнения в виде механи­ ческих примесей. Процессы фильтрации нефтепродуктов широко применяются на нефтебазах, складах и т. и.

Несмотря на разработку специальных фильтров, удаление эмуль­ сионной воды методами фильтрации нельзя считать решенной про­

198

блемой. Степень очистки нефтепродуктов от загрязнений опреде­ ляется технологической схемой фильтрации и, особенно, типом при­ меняемых фильтров.

Некоторые теоретические основы

При фильтрации твердые частицы загрязнений задерживаются на поверхности фильтрующей перегородки и проникают в ее поры. Это явление характерно для нефтепродуктов, которые представляют собой малоконцентрированные суспензии.

Рис. 56. Виды фильтрования.

[21, 38] установлено, что возможны следующие типы фильтрования

199

Если в единице объема нефтепродукта находится п взвешенных частиц, то после получения фильтрата в количестве q число закупо­ ренных отверстий будет nq. Следовательно, скорость фильтрования

уменьшения скорости фильтрования по мере увеличения количества фильтрата. Общее сопротивление R в данном случае может быть охарактеризовано величиной, обратной скорости фильтрования, поэтому вместо w в уравнение (169) можно ввести 1/R. После диффе­ ренцирования

Таким образом, при фильтровании с полным закупориванием пор интенсивность увеличения сопротивления фильтра очень велика.

В процессах фильтрования с постепенным закупориванием пор их радиус постоянно уменьшается. В этом случае

dr — толщина слоя осадка в порах после получения фильтрата dq. После интегрирования (172)

200

Из (178) следует, что при фильтровании с постепенным закупори­ ванием пор общее сопротивление фильтра возрастает менее интен­ сивно, чем в процессах фильтрации с полным закупориванием пор. Зависимость q от т в процессах фильтрации с постепенным закупорива­ нием пор можно получить, сделав замену w на dqldx в уравнении

(174):

Л= -гЬ( 1— <179>

Поеле интегрирования от 0 до т и преобразования получим

При рассмотрении процессов фильтрования с образованием осадка примем, что осадок на фильтре и фильтровальная перегородка прак­ тически несжимаемы. В этом случае скорость фильтрования

201

Заменяя в (186) и>иач на dq/dx и интегрируя в пределах от 0 до q и от 0 до т, после небольшого преобразования получаем

Таким образом, при фильтровании с образованием осадка возра­ стание общего сопротивления при увеличении количества фильтрата остается постоянным.

В процессах фильтрования промежуточного вида наряду с про­ никновением твердых частиц в поры фильтра происходит образова­ ние сводов из твердых частиц над входами в поры. В этом случае

Заменяя w на dq/dx и интегрируя (191) в пределах от 0 до т и g, получаем

Из анализа вышеприведенного материала следует, что интенсив­ ность роста общего сопротивления с увеличением количества фильт­ рата уменьшается при переходе от фильтрования с полным закупо­ риванием пор к фильтрованию с образованием осадка. Наиболее выгодным с практической точки зрения является процесс фильтро­ вания с образованием осадка, наименее выгодным — с полным заку­ пориванием пор.

Основные уравнения фильтрования (табл. 99), при помощи кото­ рых можно определить, к какому виду относится данный тип фильтро­ вания, позволяют получить зависимость между двумя различными

Промежуточный тип фильтрования может приближаться к фильт­ рованию с частичным закупориванием пор или образованием осадка. В соответствии е этим показатель степени R будет приближаться к 3/ 2 или 0. В практике возможен случай, являющийся промежуточ-

202

203

Капли воды стекают после того, как они укрупнятся до размеров, при которых сила тяжести превышает силу сцепления с фильтру­ ющим элементом. Сила, под действием которой капли стекают с фильтрующего элемента,

где D — диаметр капли; рв — плотность воды.

Кроме силы тяжести на капли действует сила потока, которая будет «сносить» их с пути, определяемого силой тяжести. Водоотде­ ляющие элементы фильтров обычно разделены водоотталкивающей тканью, по которой вода стекает в отстойники.

Фильтровальные материалы

Фильтровальные материалы (перегородки) являются самой су­ щественной частью фильтров. От правильного выбора фильтроваль­ ных материалов зависит производительность фильтрации и качество получаемого фильтрата. В общем случае к фильтровальным мате­ риалам предъявляются следующие требования. Фильтровальные материалы должны:

а) надежно задерживать возможно большее количество твердых частиц;

б) иметь небольшое гидравлическое сопротивление; в) легко отделяться от осадка;

г) не изменять физико-химических, механических свойств и гео­ метрических размеров при контакте с очищаемыми продуктами;

д) быть дешевыми.

Фильтрующие свойства фильтровальных перегородок оцени­ ваются качественными и количественными критериями. К первым относятся: максимальный или средний размер пор фильтровального материала и максимальный размер частиц, прошедших через фильт­ ровальную перегородку [21, 35]; ко вторым — коэффициент отфильтровывания, коэффициент пропускания, номинальная тонкость фильт­ рации, тонкость отсева, полнота отсева, поровая структура мате­ риала [35, 53]. Качественные критерии не дают достаточно полной оценки фильтровальных материалов, так как они не отражают эф­ фективности отделения частиц загрязнений размером меньше разме­ ров пор. Пренебрежение мелкими частицами загрязнений недопу­ стимо из-за процессов коагуляции. Количественные критерии оценки также неодинаково отражают качество фильтровальных материалов.

Полнота отсева загрязнений фильтром, характеризуемая весовым или объемным коэффициентом отсева, не имеет явно выраженной функциональной зависимости между общим содержанием и распре­ делением частиц по размерам. Этот критерий не несет информации о дисперсном составе загрязнений.

Попытки связать оценку фильтрующих свойств фильтров с рас­ пределением пор по размерам не увенчались пока успехом. Это

204

объясняется отсутствием надежных методов определения поровой структуры и тем, что процесс фильтрования не однозначен с чистым рассеиванием. Это хорошо иллюстрируется рис. 57, 58, где совме­ щены полученные автором совместно с А. С. Поляковым результаты определения поровой структуры материалов, дисперсный состав

Рис. 57. Характеристики фильтровальных материалов.

а— ФЭП-5; 6 — АФБ-5.

г— радиус пор материала и частиц загрязнений; F (г) — рас­ пределение пор по размерам; D — состав загрязнений в фильт­

рате; і|) — коэффициент отфильтровывания частиц загрязнений.

загрязнений в фильтрате и эффективность отфильтровывания частиц загрязнений фильтровальными материалами ФЭП-5, АФБ-5, ФНС-5 и нетканым материалом фабрики им. Ногина.

Остальные количественные критерии базируются на некоторых конкретных значениях коэффициентов отфильтровывания ф и про­ пускания X, которые связаны между собой зависимостью

. Д F(r),V

0,8

0,4

Рис. 58. Характеристики фильтровальных материалов.

а — ФНС-5; б — нетканый фабрики им. Ногина (2 слоя). Остальные обозначения см. на рис. 57.

Эти критерии характеризуют способность фильтра задерживать частицы загрязнений во всем диапазоне их размеров, однако точность получаемых данных зависит от степени достоверности результатов анализа дисперсного состава загрязнений. Поскольку ошибка в под­ счете частиц крупных размеров большая, то получаемые значения

205

ф и Я, малодостоверны и не могут служить объективной оценкой фильтра в этой области размеров частиц.

В основу номинальной тонкости фильтрации и тонкости отсева положены вполне определенные значения коэффициентов отфильтровывания или пропускания [37]. При оценке фильтров по этим крите­ риям размер частиц, больших величины тонкости фильтрации, во вни­ мание не принимается. Два фильтра с одинаковой номинальной тон­ костью фильтрации могут иметь совершенно разный состав конечных фракций, содержание которых составляет от 1 до 10 % к их числу в фильтруемой суспензии. Среди непринимаемых во внимание частиц могут содержаться и такие, размер которых недопустим по условиям эксплуатации прецизионных пар. С этим необходимо считаться, поскольку в настоящее время отсутствуют какие-либо рекомендации и не исследовались допустимые нормы загрязнений в топливе сверх номинальной величины тонкости фильтрации.

Таким образом, характеристика фильтра только по номинальной тонкости фильтрации также недостаточна, как и по величине наиболь­ шей частицы, прошедшей через фильтр. В этом отношении более правильной представляется оценка фильтров по двум критериям: номинальной тонкости фильтрации и величине наибольшей частицы, как это принято в стандартах армии США на фильтры для гидравли­ ческих жидкостей. Величина коэффициента отфильтровывания, по которой определяется номинальная тонкость фильтрации, должна быть вполне достоверной. Это может быть достигнуто в случае доста­ точного объема статистики. Действительно, если обозначить через АД количество частиц фракции в суспензии, а АД — в фильтрате, то их фактические значения, согласно правилам математической ста­ тистики, с доверительной вероятностью 0,95 будут находиться в ин­ тервалах между

где к 1г к 2 — количество опытов, проведенных при определении сред­ них значений АД и АД; t005 — критерий Стьюдента при 5%-ном уровне значимости; о х, о 2’— среднеквадратичные отклонения от среднеарифметических значений АД и АД.

Следовательно, и коэффициент отфильтровывания может принять любое из значений, заключенных между

— ^ 0 j 05 \ G \ i r k x )

206