Фильтр-нейтрализатор электростатических зарядов в жидких нефтепродуктах

The basic equations and relations for the analysis of processes of magnetic pulse forming longitudinal projections on the tubular de the tackle are developed. In the theoretical analysis it is assumed that during the deformation of the longitudinal protrusion shape approximated by a circular cylinder surface and deformation along its length missing. Material billet rigid plastic, orthotropy-tion, the hardening is isotropic, which satisfies the condition of Mises'yield - Hill. Due to the thin-walled blank neglected radial stresses, considering that in the wall are only meridional and hoop stresses.

Key words: magnetic pulse forming, tubular parts, deformation.

Kuchar Vladimir Denisovich, doctor of technical sciences, professor, Vladi-mir.D.Kuchar@,tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Malenichev Evgenyi Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 662.75003; 621.43.038

ФИЛЬТР-НЕЙТРАЛИЗАТОР ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ В ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТАХ

В.Е. Константинов, В.Г. Петухов, Ф.Е. Шарыкин, В.Г. Калашников

Рассмотрены материалы по разработке и обоснованию применения фильтра-нейтрализатора электростатических зарядов в жидких нефтепродуктах, конструкция которого позволяет при использовании фильтрующих материалов с различной диэлектрической проницаемостью снизить, а в некоторых случаях и свести к минимуму электростатический заряд в очищаемых средах.

Ключевые слова: фильтр-нейтрализатор, жидкие нефтепродукты, очистка, электростатический заряд, скорость фильтрации, диэлектрическая проницаемость, технологический процесс.

Безопасность оборудования и технических средств нефтепродукто-обеспечения является комплексным свойством, характеризующим их потенциальную возможность по предотвращению (снижению) рисков обращения с жидкими нефтепродуктами, связанных с воздействием (или причинением вреда, ущерба) опасных и вредных факторов на обслуживающий персонал, образцы технических средств, сопрягаемые изделия, а также окружающую природную среду [1].

При фильтрационной очистке жидких нефтепродуктов происходит образование электростатических зарядов, концентрирующихся в объёме продукта и на поверхности раздела фаз. Нарастание зарядов может достигать потенциала, достаточного для появления разрядов статического электричества, что существенно снижает безопасность технологических процессов, обусловленную требованиями электростатической искробезопас-ности по ГОСТ 12.1.018 [2] в соответствии с отраслевыми нормативными и техническими документами, а также стандартами организаций.

223

Значимость процессов накопления электростатических зарядов особенно велика, так как электризующими материалами являются легковоспламеняющиеся жидкости, задействованные в различных технологических процессах. Вместе с тем, опасные проявления статического электричества происходят при следующих условиях: наличие взрывоопасной среды; создание зарядами электрического поля;

превышение энергии, выделяемой в канале разряда, минимально необходимой для воспламенения среды.

Накопление зарядов статического электричества в технологических процессах часто наблюдается при перекачке жидких нефтепродуктов и наливе их в емкости, при этом основной зоной генерирования электростатических зарядов являются фильтры.

Предел генерирования электростатических зарядов, их полярность (положительная и отрицательная), уровень накопления и релаксации, степень опасного проявления статического электричества в виде разрядов зависят от многих факторов, в том числе от свойств контактирующих сред и условий, состояния внутренней поверхности технических средств, наличия загрязнений в жидких нефтепродуктах. Уровень электризации жидких нефтепродуктов при фильтрации характеризуется током электризации и может быть определен по формуле [3]

АР  С  г2

IЭ = ±е  а' А  Кпр  Б--(в ср Ч,

ц  А1  т

где е - заряд электрона, Кл; а' - коэффициент, учитывающий степень диссоциации воды и растворов; А - коэффициент, учитывающий адсорбционную способность различных фильтрационных материалов; Кпр - коэффициент проницаемости, характеризующий фильтрационную перегородку на участке А1; Б - площадь фильтрационного материала, м ; АР - перепад давления на фильтре, Па; Св - количество растворенной воды в топливе, кг/м ; гср - средний радиус пор, м; ц - динамическая вязкостью жидкого нефтепродукта, Па-с; А1 - длина участка порового канала, м; т - масса молекулы воды, кг; 8 - толщина двойного электрического слоя, м;

Как видно из формулы, одним из наиболее значимых факторов является перепад давления на фильтроэлементе, который зависит от свойств жидкого нефтепродукта и свойств фильтрационного материала. Вместе с тем, перепадом давления на фильтроэлементе обусловлена скорость течения жидкого нефтепродукта, в том числе в поровой структуре элементов фильтров и фильтров-водоотделителей. При этом уровень электризации

фильтруемых жидких нефтепродуктов увеличивается с уменьшением диаметров поровой структуры за счет увеличения скорости потока, а в очищенной и осушенной среде электризация практически не происходит [4].

В основе образования электростатического заряда при фильтрации жидкого нефтепродукта лежит электролитический механизм. На границе раздела «фильтрационный материал-жидкий нефтепродукт» происходит обмен заряженными частицами, что является предпосылкой возникновения двойного электрического слоя и в дальнейшем приводит к образованию разнополярных зарядов на фильтроэлементе и в среде.

Одним из источников носителей электрических зарядов в жидком нефтепродукте является растворенная вода, где перенос зарядов осуществляется, главным образом, ионами гидроксила и гидроксония, образующимися за счет диссоциации воды и реакции гидролиза солей.

Адсорбция ионов на поверхности фильтрационного материала носит избирательный характер, однако большой способностью адсорбироваться на поверхности фильтрационного материала обладают анионы. Фильтрационные материалы, в молекулы которых входят группы с высокой отрицательной полярностью, адсорбируют на своей поверхности катионы, что указывает на определение знака заряда жидкого нефтепродукта материалом пористой перегородки.

Количество адсорбированных ионов и соответственно величина электростатического заряда в жидком нефтепродукте зависят как от типа фильтрационного материала, так и от площади поверхности раздела фаз

[3].

Современные тенденции при проектировании и изготовлении машин, устройств и аппаратов связаны с неуклонным возрастанием производительности и технологичности при повышении требований к защите от статического электричества в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленностях, обуславливают актуальность разработки и внедрения технических средств, снижающих электризацию при очистке жидких нефтепродуктов фильтрацией.

Известен ряд устройств для фильтрации жидкостей, обеспечивающих снижение уровня электростатических зарядов в диэлектрической жидкости из-за снижения скорости потока в выходной полости, способствующей взаимной нейтрализации зарядов противоположенных знаков [5, 6]. Однако устройства имеют низкую эффективность при повышении скорости фильтрации, включении и отключении технических средств, а также колебаниях расходных характеристик потока жидкой среды, что обуславливает появление высокого уровня электростатических зарядов и существенно снижает электростатическую безопасность технологических процессов.

В то же время обеспечение электростатической безопасности при повышении скорости движения и истечении жидких нефтепродуктов позволяет увеличить скорость указанных процессов без увеличения материальных затрат.

Перспективным средством, обеспечивающим повышение уровня электростатической безопасности при фильтрации является фильтр-нейтрализатор электростатических зарядов в жидких нефтепродуктах, принципиальная схема которого представлена на рисунке.

очищенный нефтепродукт

очищаемыи нефтепродукт

Принципиальная схема фильтра-нейтрализатора электростатических зарядов в жидких нефтепродуктах: 1 - корпус; 2 - основной фильтроэлемент; 3 - горизонтальная перегородка; 4, 5 -индивидуальный регулирующий дроссель; 6 - регулирующий дроссель; 7 - дополнительный фильтроэлемент; 8 - дополнительная перегородка; 9 - регистратор 226

Снижение фильтром-нейтрализатором уровня электростатических зарядов при очистке жидких нефтепродуктов достигается путем снабжения его дополнительными фильтроэлементами с перфорированными токопро-водящими кожухами, установленными коаксиально в основных фильтро-элементах с образованием относительно друг друга внутреннего и наружного объемов и раздельной подачи жидкого нефтепродукта на каждый из них. При этом каждая пара коаксиально установленных фильтроэлементов выполнена из материалов, образующих заряды различного знака, то есть основной фильтроэлемент заряжается отрицательно (-), а дополнительный фильтроэлемент - положительно (+), что является обоснованием количества фильтроэлементов (кратное двум).

Согласно закону Кена [7] на разделительных перегородках фильт-роэлементов могут возникать разноименные заряды, как отрицательные, так и положительные, которые могут быть взаимно нейтрализованы. Такая нейтрализация происходит при стекании зарядов по токопроводящим перфорированным кожухам и горизонтальным основной и дополнительной перегородкам. Остаточный объемный заряд жидкого нефтепродукта нейтрализуется в процессе прохождения через поры кольцевых вставок из пенометалла.

Учитывая, что величина образующегося электростатического заряда зависит от скорости прохождения жидкого нефтепродукта через пористые разделительные перегородки основного и дополнительного фильтроэлементов [8], фильтр-нейтрализатор оборудован регулирующими дросселями на входе патрубков. По показаниям регистратора, через который заземлен фильтр-нейтрализатор, при неполной нейтрализации зарядов с помощью указанных дросселей возможны изменение скорости потоков очищаемых сред и обеспечение их нейтрализации.

При этом с учетом электризующих свойств материалов основного и дополнительного фильтроэлементов диэлектрическая проницаемость материала первого в 1,87 раза меньше, чем у материала второго, что определяет расход очищаемого жидкого нефтепродукта через основной фильтроэлемент, который должен быть в 1,87 раза больше, чем через дополнительный фильтроэлемент. Это достигается изменением проходного сечения соответствующего дросселя. Регулирование расходных характеристик через основной и дополнительный фильтроэлементы посредством указанных дросселей обеспечивает образование минимального суммарного тока.

В качестве материала разделительных перегородок фильтроэлементов использована бумага с диэлектрической проницаемостью £=1,61 для основного фильтроэлемента и фторопласт с диэлектрической проницаемостью £=3,02 для дополнительного фильтроэлемента.

Для обеспечения необходимых расходов в горизонтальной перегородке выполнены проточные каналы, диаметр проходного сечения которых составляет не менее 50 мм и соответствует диаметрам проходных се-

чений входного и выходного патрубков. Раздельная подача жидкого нефтепродукта на пористые перегородки фильтроэлементов с разной диэлектрической проницаемостью обусловлена размещением в центре перегородки герметично закрепленного дополнительного входного патрубка.

При прохождении жидкого нефтепродукта через перфорированные кожухи частично «снимается» образовавшийся при фильтрации электростатический заряд. На основном и дополнительном фильтроэлементах отделяются механические примеси, вода и накапливаются разноименные заряды, аккумулируемые на перфорированных кожухах и за счет токопрово-дящих узлов нейтрализуются. О нейтрализации зарядов свидетельствуют показания регистратора, роль которого выполняет микроамперметр М-95. В случае наличия не полностью прошедшей нейтрализации, фиксируемой регистратором: отрицательной - уменьшается расход через основной фильтроэлемент, положительной - уменьшается расход через дополнительный фильтроэлемент.

При очистке фильтром-нейтрализатором электростатических зарядов и фильтром-водоотделителем ФВГк-56.516/02-04 топлив для реактивных двигателей в объеме 600 л с подачей 300 л/мин получены результаты, представленные в таблице. Диэлектрическая проницаемость фильтрующего материала (бумага с пропиточными смолами) фильтра-водоотделителя Е=2,34.

Результаты очистки топлив для реактивных двигателей фильтром-нейтрализатором электростатических зарядов и фильтром-водоотделителем ФВГк-56.516/02-04

№ п/п Марка нефтепродукта Е Исходное содержание загрязнений Содержание загрязнений после очистки Ток электризации после фильтра, мкА

воды, мг/л механических загрязнений, мг/л воды, мг/л механических загрязнений, мг/л

Фильтр-водоотделитель ФВГк-56.516/02-04

1 ТС-1 2,07 0,060 126 0,010 21 0,115

2 Т-2 2,13 0,072 145 0,017 28 0,142

3 РТ 2,17 0,078 117 0,022 23 0,145

Фильтр-нейтрализатор статического элект ричества

1 ТС-1 2,07 0,060 126 0,015 31 0,0030

2 Т-2 2,13 0,072 145 0,021 34 0,0028

3 РТ 2,17 0,078 117 0,024 27 0,0032

Регенерацию фильтроэлементов осуществляют через параллельно подключенный к выходному патрубку подающий трубопровод импульсной подачей обратным потоком чистого нефтепродукта. Для слива отстоя фильтр-нейтрализатор оборудован запорными вентилями на байпасе подающего трубопровода.

Использование перспективных, универсальных средств очистки жидких нефтепродуктов, таких, как фильтр-нейтрализатор электростатических зарядов, будет способствовать совершенствованию процессов обеспечения чистоты этих продуктов на всех этапах их жизненного цикла; позволит повысить эффективность очистки, при этом существенно снизить электризацию жидких нефтепродуктов в процессе прохождения через разделительные перегородки фильтроэлементов, достигая практически полной нейтрализации наведенных зарядов на их поверхностях, тем самым повышая электростатическую безопасность технологических процессов при фильтрации.

Методы и средства борьбы с энергетическими загрязнениями жидких нефтепродуктов (электростатическими зарядами) требуют дальнейшего совершенствования.

Список литературы

1. Сыроедов Н.Е., Петухов В.Г., Шарыкин Ф.Е. Технические средства нефтепродуктообеспечения как объекты взрыво-пожароопасности // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. 2013. № 4. С. 32-34.

2. ГОСТ 12.1.018-93 Система стандартов безопасности труда. По-жаровзрывобезопасность статического электричества. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2007. 7 с.

3. Кузнецов Ю.И. Исследование и разработка аэродромных топливных фильтров: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: ГосНИИЭРАТ ГА, 1978. 17 с.

4. Статическое электричество в химической промышленности / В.Г. Попов, В.Н. Веревкин, В.А. Бондарь, В.Н. Горшков. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1977. 240 с.

5. А. с. 974614 СССР. Устройство для фильтрации жидкостей / В.В. Малышев, Н.Е. Сыроедов, В.Г. Петухов, Е.Н. Жулдыбин, В.П. Коваленко, В.А. Григорьев, В.А. Алешин. Опубл. 15.11.1982. Бюл. № 42.

6. А.с. 1165428 СССР. Устройство для фильтрации жидкостей / Н.Е. Сыроедов, Е.Н. Жулдыбин, В.А. Алешин, В.П. Коваленко, А.Ф. Рожков. Опубл. 07.07.1985. Бюл. № 25.

7. Изгарышев Н.А., Горбачев С.В. Курс теоретической электрохимии: учебник. М.-Л.: Госхимиздат, 1951. 504 с.

8. Электризация жидкостей и ее предотвращение / В.В. Захарченко, Н.И. Крячко, Е.Ф. Можара, В.В. Севриков, Н.Д. Гавриленко. М.: Химия, 1975. 120 с.

Константинов Виталий Евгеньевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., vitacon194@,mail.ru, Россия, Москва, ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России»,

Петухов Валентин Георгиевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., 22otdel@,mail.ru, Россия, Москва, ФА У «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России»,

Шарыкин Федор Евгеньевич, ст. науч. сотр., _fedor_rf@mail.ru, Россия, Москва, ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России»

Калашников Валерий Георгиевич, младший научный сотрудник, 22otdel@mail.ru, Россия, Москва, ФА У «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России»

FILTER-NEUTRALIZER OF ELECTROSTATIC CHARGES IN LIQUID PETROLEUM PRODUCTS

V.E. Konstantinov, V.G. Petukhov, F.E. Sharykin, V.G. Kalashnikov

The article considers materials on the development and substantiation of the filter-neutralizer of electrostatic charges in liquid petroleum products whose design allows by using of filter materials with varying dielectric constants to reduce, and in some cases to minimize the electrostatic charge in the refined media.

Key words: filter-neutralizer, refining, electrostatic charge, filtration rate, dielectric constant, technological process.

Konstantinov Vitaly Evgenevich, candidate of technical sciences, the senior scientific employee, vitacon194@mail.ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»

Petukhov Valentin Georgievich, candidate of technical sciences, the senior scientific employee, 22otdel@,mail.ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»

Sharykin Fedor Evgenevich, the senior scientific employee, fedor_rf@,mail. ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»

Kalashnikov Valery Georgievich, the younger scientific employee, 22otdel@,mail. ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»