Технология сепарирования топлива и масла

Технология сепарирования топлива и масла на судне обычно реализуется с помощью специальных устройств, называемых сепараторами или отделителями (separator или purifier). Эти устройства используются для разделения смешанных жидкостей, таких как топливо и масло, путем удаления примесей и отделения их друг от друга.

Очищенное топливо и масло выходят из сепаратора отдельными потоками и могут быть использованы дальше в процессе. Сепараторы обычно являются автоматическими и могут быть интегрированы в систему управления судна. Они позволяют снизить содержание примесей в топливе и масле, что способствует повышению эффективности судовых двигателей и продлению срока службы оборудования. Эта технология также помогает соблюдать экологические стандарты, предотвращая загрязнение окружающей среды судовыми отходами.

Требования к топливу и топливоподготовке

В процессе транспортировки и хранения топлива оно обводняется и загрязняется и, кроме того, в силу различных причин может изменить в худшую сторону свои характеристики.

При проведении топливоподготовки крайне необходимо четко представлять влияние отдельных характеристик топлива на работу силовой установки. Необходимо выделить характеристики, определяющие надежность и эффективность работы силовой установки, оценить возможность и целесообразность их улучшения в судовых условиях и установить численные значения этих характеристик, к которым необходимо стремиться при топливовоподготовке.

Моторные и эксплуатационные свойства представляют собой совокупность физико-химических характеристик данного сорта топлива. Для контроля качества топлива нет необходимости выбирать все характеристики этих свойств. Наиболее общими характеристиками качества, которые в определенном сочетании характеризуют Классификация и основные эксплуатационные свойства горючегоэксплуатационные свойства топлива, являются:

1 Плотность (Density)

Плотность представляет собой отношение массы вещества к занимаемому им объему при определенной температуре. Значения плотности зависит от температуры, которая определяется коэффициентом расширения вещества. В связи с этим значения плотности должны сопровождаться указаниями единиц измерений и температур, при которых они были установлены или к которой были пересчитаны (приведены) в системе оценок ISO.

Обычно, в системе оценок ISO, плотность нефтепродукта имеет размерность кг/м³, однако могут использоваться и другие единицы, такие как:

• kg/litre;
• g/ml;
• или g/litre.

Стандартная температура, к которой приводят (пересчитывают) плотность нефтепродуктов при проведении торговых операций, является для российских – 20 °С, а для иностранных – 15 °С. При пересчете плотности, определенной при температуре испытания (ρ_t), к плотности при температуре 20 °С (ρ₂₀) пользуются формулой:

где:

• температурная поправка, показывающая величину изменения плотности при изменении температуры на 1 °С.

Практика процесса сепарирования нефтепродуктов показала, что для успешной очистки топлива от загрязняющих веществ разница их плотностей при температуре сепарирования должна составлять не менее 3 %, а лучше 5 %. Таким образом, нефтепродукты с плотностью, большей чем

${\rho }_4^{20} = 0,970$

, разделяются с водой, имеющей

${\rho }_4^{20} = 0,998$

, очень плохо.

Значения плотностей для различных сортов топлива при 20 °С приведены в таблице 1.

С увеличением температуры плотность падает (см. рис. 1) и находятся по температурным поправкам и формуле 1.

2 Удельный вес (Specific Gravity SG)

Удельный вес нефтепродукта – отношение веса вещества к его объему, т. е. отношение веса нефтепродукта при 20 °С (15 °С) к весу дистиллированной воды при 4 °С.

Для практических целей числовое значение плотности и удельного веса можно принимать одинаковыми.

3 Вязкость (Viscosity)

Вязкостью нефтепродукта представляет собой меру сопротивления их течению (перемещению).

Единицей вязкости в СИ служит такая вязкость жидкости, при которой движения поверхности площадью 1 м на расстоянии 1 м от неподвижной поверхности необходимо усилие 1 Н. Эта единица вязкости называется Паскаль-секундой (Па-с) и является единицей измерения динамической вязкости. На практике использования нефтепродукта пользуются кинематической вязкостью – отношением динамической вязкости к плотности жидкости.

В торговой практике используются различные единицы измерения кинематической вязкости:

• вязкость условная (Engler Degrees);
• Сейболт универсальная секунда (Saybolt Universal seconds);
• Редвуд № 1 секунда (Redwood № 1 Second).

В настоящее время, принята международная единица измерений вязкости в сантистоксах: 1 сСт = 1 мм/с. Когда приводится значение вязкости, то должна указываться температура, при которой она была определена.

Кинематическая вязкость различных сортов топлива приведена в таблице 1. Качество очистки и производительности сепаратора во многом зависит от вязкости сепарируемого продукта, повышаясь с ее уменьшением. Практика показала, что Основные характеристики дизельного топлива, влияющие на его качествовязкость при температуре сепарирования не должна быть выше 11-30 сСт.

Вязкость топлива при сепарировании может измениться. Она может возрасти за счет испарения легких фракций при длительном или высоком подогреве топлива в открытых емкостях, либо снизиться за счет удаления при сепарировании воды и примесей, придающих структурную вязкость. Однако такие изменения незначительны и, с достаточной степенью точности, можно считать, что в обычных условиях вязкость топлива после сепарирования не изменяется.

4 Температура вспышки топлива (Flash Point Oil)

Температура вспышки – минимальная температура, при которой пары нефтепродукта (топлива) в смеси с окружающим воздухом вспыхивают при открытом огне. Температура, при которой не только вспыхивают пары топлива, но и загорается сам продукт и горит не менее 5 сек называется температурой воспламенения.

В соответствии с требованиями Стандарта ISO минимальное значение температуры вспышки составляет 60 °С для всех сортов дистиллятных и остаточных топлив, за исключением ДМХ.

В емкостях и системах, находящихся под давлением, подогрев производят до более высоких температур, которые не должны превышать температуру термической стабильности топлива.

При сепарировании температура вспышки может несколько повыситься за счет испарения летучих фракций.

5 Вода (Water)

Удаление и снижение воды в топливе является одной из основных задач сепаратора.

Обводнение пресной водой топлив не так опасно, как морской, однако могут возникнуть проблемы с образованием водотопливной эмульсии и повышенным шламообразованием.

Стандарты допускает содержание воды в топливах до 1,5 %, однако в топливах, прошедших морские перевозки, допускается содержание воды до 2 %.

6 Коксуемость – углеродный остаток (Micro Carbon Residue MCR)

Углеродный остаток (коксовое число) характеризует свойства топлив, при сгорании, к образованию твердых частиц кокса и углеродосодержащих отложений (нагаров). В состав остаточных топлив входят асфальтосмолистые соединения с большим отношением С/Р (углерод/водород).

Содержание асфальтенов в остаточных топливах парафинового ряда обычно находится в пределах 3-6 %, а в топливах, основу которого составляют ароматические углеводороды – 10-12 %.

При сепарировании за счет выделения некоторой части асфальтосмолистых веществ коксовое число несколько снижается, однако настолько незначительно, что это не может иметь практического значения.

7 Смолистые вещества

Смолистые вещества подразделяют на:

• нейтральные нефтяные смолы;
• кислые смолы;
• асфальтены;
• карбены и карбоиды;

которые значительно отличаются друг от друга по свойствам и структуре.

При сепарировании будут выпадать в первую очередь карбены, находящиеся в грубо взвешенном состоянии, в меньшей степени асфальтены, так как они обычно находятся в коллоидном состоянии.

Количество выделяющихся при сепарировании асфальтосмолистых веществ растет с увеличением вязкости топлива.

Это чрезвычайно важное обстоятельство следует особо иметь в виду, так как засорение барабана сепаратора и необходимость его разгрузки часто определяется не содержанием механических примесей неорганического происхождением, а количеством выделяющихся асфальтосмолистых веществ.

8 Механические примеси

Под механическими примесями понимают инородные тела неорганического происхождения, попадающие в топливо при добыче, транспортировке и хранении. Размеры и свойства механических примесей чрезвычайно разнообразны. Это могут быть как крупные хорошо различимые визуально частицы окалины металлов и крупинки песка, так и кристаллы солей коллоидных размеров, оставшихся в топливе при переработке нефти.

Снижение содержания механических примесей в топливе – одна из основных задач сепаратора, с которой он успешно справляется.

9 Зола (Ash)

Зола представляет собой минеральный осадок, образующий при сжигании топлива. В золе топлива присутствуют почти все элементы периодической системы: их содержание и влияние на износ и коррозию различное.

Стандарт ISO 1817 1996 устанавливает ограничение на содержание золы в топливах.

В дистиллятных сортах топлива содержание золы должно быть минимальными от 0,01-0,05 %, а в тяжелых остаточных топливах не превышать 0,1-0,2 %.

Технология сепарации топлива – выбор оптимального режима и производительности сепаратора

Из вышеизложенного обзора характеристик топлива и их влияния на работу дизельной установки можно сделать практические выводы.

Сепарацией топлива значительно можно улучшить его качество за счет снижения некоторых характеристик как:

• вода;
• асфальтосмолистые взвеси;
• механические примеси;
• и как следствие зольность (за счет снижения вторичной золы).

Остальные характеристики топлива при этом по существу не изменяются, и ряд требований к качеству топлива изготовителем выполняется – это требования к:

• температуре вспышки;
• содержанию неорганических кислот и щелочей;
• вязкости;
• плотности;
• теплотворной способности;
• содержанию серы;
• ванадия и др.

С другой стороны, не всегда целесообразно предъявлять высокие требования к таким характеристикам топлива, как содержание воды, золы и механических примесей, так как во-первых, это приводит к повышению стоимости топлива и, во-вторых, такое топливо все равно приходится на судне подвергать очистке из-за неизбежных загрязнений при транспортировке и хранении.

Вопрос об оптимальных требованиях к поставляемому на судно топливу чрезвычайно сложен и может быть решен только путем тщательных технико-экономических расчетов, учитывающих как трудоемкость и стоимость топливоподготовки на борту судна, так и последствия применения более дешевых топлив (ремонт и чистка силовой установки, потери грузоподъемности за счет размещения системы топливоподготовки).

Различные требования к глубине очистки топлива для разных типов дизельных установок подразумевают и различную сложность систем топливоподготовки. Нет смысла подвергать усиленной очистке топливо в тех случаях, когда оно может быть использовано после простейшей обработки.

Наиболее простой обработкой является одноступенчатая сепарация в режиме кларификация или пурификация, которая в большинстве случаев удовлетворяет требованиям к очистке топлива.

Для некоторых типов Топлива, масла и другие рабочие среды судовых энергетических установоксовременных дизельных установок, работающих на тяжелых топливах, таких, как дизели с температурой газа перед турбонагнетателем выше 450-500 °С, данной обработки оказывается недостаточно.

Система топливоподготовки усложняется с применением двухступенчатой сепарации с последовательным включением второго сепаратора и с параллельной работой сепараторов. Схемы включения второго сепаратора приведены на рис. 4 и 5.

Технология сепарирования топлива

Схема последовательной работы осветителя, установленного за очистителем, обеспечивает дополнительное улучшение результата сепарации и действует в качестве сети безопасности, если поверхность раздела в предшествующем очистителе по какой- либо причине переместилась в зону тарелочного комплекта.

Альтернативной последовательной схеме является схема, в которой сепараторы работают в качестве очистителей, причем каждый очиститель (пурификатор) работает на 50 % от полной производительности.

Параллельная работа дает лучшие результаты в отношении осадка, что важно, если топливо содержит чрезмерное количество осадкообразующих компонентов. Испытания показывают, что последовательная работа дает лучшие результаты в отношении удаления твердых частиц.

В очистной установке, спроектированной специально для работы по последовательной схеме, рекомендуемые значения пропускной способности сепараторов могут быть увеличены на 35 %. Для удовлетворительной эксплуатации, как очиститель, так и осветитель должны работать, и, следовательно, в качестве резервного требуется третий сепаратор того же размера и типа как показано на рис. 6.

Постоянный расход (подача) к сепараторам является существенным для поддержания эффективного режима сепарации, особенно в случаях топлив с высокой плотностью. Лучше всего это достигается с помощью установки отдельного объемного насоса вблизи отстойной цистерны как показано на рис. 7.

Максимальная производительность, в процентах от номинального значения приведена в таблице 2. Максимальный интервал времени между автоматической разгрузкой шлама должен быть 1-2 часа работы сепаратора, как для очистителя (пурификатра), так и осветителя (кларификатора), которые работают последовательно.

Ранее отмечалось, что обычные сепараторы не могут обрабатывать топлива с плотностью более 990 кг/м³ при 15 °С. Это обстоятельство не дает возможности судовладельцу воспользоваться преимуществом дешевых топлив с высокой вязкостью и высокой плотностью.

Для разрешения этих проблем фирма «Лаваль» разработала сепарационную систему нового типа, названную «ALKAP», которая дает следующие преимущества:

• постоянная оптимальная эффективность сепарации, поскольку отделенная вода не входит в тарельчатый комплект;
• повышенная гибкость, поскольку любое жидкое топливо плотностью до 1 010 кг/м³ при 15 °С и вязкостью до 700 сСт может быть эффективно очищено от воды и механических примесей;
• меньшая трудоемкость обслуживания, поскольку система проста в обращении. Отсутствуют регулировочные шайбы. Меньшее число аварийных сигналов благодаря отсутствию водяного затвора, который может быть нарушен.

Фирма Вестфалия для своих сепараторов дает рекомендации по режиму сепарирования нефтепродуктов по производительности в зависимости от вязкости топлива и температуры, значения которых приведены в таблице 3 и 4.

Технология сепарирования масла

Требования к смазочным маслам дизельных установок определяется их основным назначением – предотвращать в максимально возможной степени износ трущихся поверхностей двигателя (механизма), обеспечить охлаждение и уплотнение некоторых его узлов и деталей.

Применяемые в судовых дизельных установках моторные масла работают в тяжелых условиях, для которых применяются моторные масла по классификации SAE и цифры означают вязкость масла (SAE 5, SAE 10, SAE 20 и т. д.).

Основные физико-химические характеристики моторных масел приведены в таблице.

В соответствии с назначением к маслу предъявляется ряд специфических требований.

1 Оптимальная для данного типа двигателя или механизма вязкость и пологая вязкостно-температурная зависимость.

Последняя определяется индексом вязкости (обычно от 0 до 20), причем малые значения индекса указывают на относительно слабую, а высокие – на лучшую сопротивляемость вязкости изменению температуры.

2 Высокая смазывающая способность – способность обеспечить смазочное действие в условиях тонких пленок (порядка 0,1 мк), когда оно не определяется только вязкостью масла.

Как отмечалось ранее, поверхностно-активными веществами в нефтепродуктах являются различные асфальтосмолистые соединения и полное их удаление снижает качество масла, делая его не пригодным для тяжелых условий работы.

3 Высокая стабильность. В процессе работы некоторая часть масла под воздействием высоких температур, контактного эффекта при трении и других явлений, подвергается разложению, окислению и полимеризации.

В результате в масле возрастает содержание асфальтосмолистых веществ, которые могут привести к повышенному износу, закупорки отдельных каналов масляной системы.

4 – Высокие антикоррозионные свойства. Значительным коррозионным влиянием, особенно на антифрикционные сплавы, обладают и некоторые органические кислоты, причем низкомолекулярные кислоты значительно более агрессивны, чем высокомолекулярные.

В связи с этим эксплуатационные свойства масел определяет не общее количество кислот, а их агрессивность.

Поскольку при сепарировании, как это ранее разбиралось более подробно, в нефтепродуктах снижается содержание воды, асфальтосмолистых и неорганических частиц, то все характеристики масла, на которые влияет содержание этих компонентов, могут быть существенно улучшены путем обработки масла при его сепарировании.

При эксплуатации системы маслоочистки следует обращать внимание на очень важный факт стабилизации некоторых характеристик масла в процессе работы, таких как:

• зольность;
• содержание асфальтосмолистых и неорганических частиц;
• кислотности и др.;

которые существенно изменяются в первые часы работы, а затем в результате расхода масла и добавок свежего сохраняются примерно на одном уровне.

Эффективность маслоочистки определяет только уровень стабилизации.

Эффективность маслоочистки и рекомендуемая производительность сепаратора

Производительность сепаратора, а, следовательно, и качество очистки во многом зависит от типа принятой масляной системы.

С точки зрения включения сепаратора в систему маслоочистки дизельных установок – можно различить три основных случая схемы, которых приведены на рис.

• А – сепаратор включен в масляную систему последовательно и все масло, поступающее от двигателя, проходит через сепаратор;
• Б – сепаратор включен в масляную систему параллельно и через него пропускается только часть циркулирующего в системе масла, так называемая байпасная система включения сепаратора;
• В – сепаратор установлен отдельно от масляной системы двигателя; находящееся в системе масло периодически сливается в емкость грязного масла и оттуда поступает на сепарацию. Очищенное масло направляется в емкость чистого масла или непосредственно в картер двигателя.

Первый случай, предусматривающий непрерывную работу сепаратора одновременно с работой двигателя, возможен только для маломощных установок с относительно небольшими потоками масла в циркуляционных системах.

Второй случай представляет наибольший интерес байпасное включение сепаратора, получившее основное распространение в судовых силовых установок.

При работе сепаратора в режиме непрерывной байпасной очистки следует иметь в виду следующее: грязное масло на сепарацию отбирается из общей емкости (картера) туда же сливается отсепарировавшее масло, то основное значение имеет не эффект очистки масла и не содержание примесей в масле после сепаратора, общее содержание загрязнений в системе.

Читайте также: Сепарация топлива для использования на судовых дизелях

Максимальная очистка масла сепаратором, обеспечивается при некоторой «оптимальной» производительности сепаратора, приблизительно 1/3 от максимальной. При еще большем снижении производительности сепаратора качество очистки ухудшается, что возможной причиной является падением температуры сепарируемого продукта в барабане сепаратора из-за возросших удельных потерь тепла с теплоотдачей в окружающую среду.

Окончательная производительность сепаратора, соответствующая наилучшей очистке. Определяется следующим образом:

• масло обрабатывают в течение 12 час. по рекомендованной оптимальной производительности (1/3 от максимальной), а затем барабан вскрывают и определяют количество отложившего за это время шлама;
• обрабатывают масло при тех же условиях (время, температура, добавка воды), но с пониженной на 20 % производительностью сепаратора; определяют количества выделившегося шлама;
• увеличивают производительность на 10 % от первоначальной и вновь при тех же условиях работы определяют количество шлама.

Производительность, при которой выделится наибольшее количество шлама, и будет оптимальной для данного случая.

На основании опыта такие фирмы как Лаваль, Вестфалия и ряд других предлагают следующие рекомендации при сепарировании в судовых условиях смазочных масел:

• как правило, осуществлять одноступенчатую очистку масла при байпасном включении сепаратора;
• сепаратор должен работать в режиме пурификатора одновременно и непрерывно с двигателем и еще 12час. после его остановки;
• производительность сепаратора устанавливается оптимальной, как об отмечалось ранее;
• температура сепарирования прямогонных дизельных масел около 75 °С; турбинных масел порядка 65 °С;
• температура сепарирования моющих масел – 80 °С;
• при сепарировании прямогонных масел следует – добавлять 3-5 % горячей воды с температурой на 5 °С выше температуры масла;
• при сепарировании моющих масел добавляется не более 1 % горячей пресной воды только по согласованию изготовителя масла.

Как правило, в системах маслоочистки производится одноступенчатое сепарирование масла в режиме пурификации. Когда хотят получить масло с высокой степенью очистки от воды, применяют двухступенчатую сепарацию, причем второй сепаратор может работать в режиме кларификаторной и в пурификаторной сборке.