СПОСОБ ОЧИСТКИ ТЕХНИЧЕСКИХ МАСЕЛ
METHOD OF TECHNICAL OIL PURIFICATION

Изобретение относится к комбинации способов разделения и очистки жидких углеводородных сред, в частности технических масел и гидравлических жидкостей от механических частиц и эмульгированной и растворенной воды, и может быть использовано в энергетике, машино- и авиастроении, пищевой, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности.
Необходимость совершенствования способов очистки масел обусловливается повышением требований к их чистоте вследствие повышения динамических и статических нагрузок на детали и узлы машин и механизмов при модернизации, а также для увеличения срока службы и ресурса. Особенно это актуально для стационарных энергетических объектов, где большие объемы слитого при регламентных работах трансформаторного или кабельного масла (при высокой его стоимости и больших трудозатратах при ремонте) обусловливают необходимость их регенерации на местах и доведения до требуемых норм содержания механических примесей (9 кл. чистоты) и воды менее 10 млг/л с последующим «разбавлением» чистым (не использованным) маслом.
Перед авторами стояла задача: разработать способ разделения и очистки масел от механических частиц, эмульгированной и растворенной воды с доведением до нормативных требований, установленных для восстановленных жидких сред.
Известен способ очистки масел, заключающийся в отделении механических примесей на фильтрующей перегородке, укрупнении микрокапель при прохождении среды через коагулирующую перегородку с последующим их отрывом от ее поверхности под действием сил тяжести, отделении нескоагулировавшихся микрокапель воды на поверхности водоотталкивающей перегородки, последующем осаждении скоагулировавшихся капель в отстойнике. При этом используется только кинетическая энергия потока очищаемой среды и отсутствует необходимость в использовании какой-либо механической или электрической энергии. (К.В. Рыбаков, Е.Н. Жулдыбин, В.П. Коваленко. Обезвоживание авиационных горюче-смазочных материалов. - М.: «Транспорт», 1979 г., с.149-151).
Однако при осуществлении способа возможен проскок капельной влаги при изменении статических и гидродинамических характеристик среды (например, при гидродинамических ударах), нет возможности для отделения растворенной воды, недостаточна «тонкость» фильтрации.
Известен способ очистки масел, заключающийся в том, что отделение и коагуляцию осуществляют в тангенциальном режиме на сепарирующих и коагулирующих пористых перегородках, выполненных в виде сэндвича из высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ), при этом турбулентным потоком основная часть механических примесей и воды по наружной образующей перегородок постоянно выносится в разделитель, связанный с линией подачи исходного продукта, собранный в виде двух сообщающихся коаксиальных обечаек, производят коагуляцию микрокапель на наборе пористых перегородок в стакане разделителя, концентрируют и сгущают загрязнения при седиментации в объеме внутренней обечайки, осуществляют разделение на гидрофобной сетке, установленной в зазоре нижней части обечаек, подают отстой на вход насоса, а очистку тангенциального потока жидкой среды осуществляют при коагуляции микрокапель воды на последующих цилиндрических перегородках фильтра, отделяют прошедшие микрокапли воды на гидрофобной внутренней поверхности последней перегородки со сбором и осаждением их в коллекторе, выводят с фильтра очищенные углеводороды, осуществляют регенерацию фильтра обратным потоком очищенной среды (РФ, патент №2368643, В01D 17/00, 2007 г.).
Однако значительные гидравлические сопротивления по тракту очистки, особенно при обработке технических масел, резко снижают производительность фильтрации и количество отделенной растворенной воды.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ очистки масел, заключающийся в том, что осуществляют предварительное отделение и коагуляцию на металлической пористой перегородке предфильтра при подкрутке потока сплошной среды по спиральным направляющим, выполненным из диэлектрика и установленным в зазоре между его пластмассовым корпусом и перегородкой, и действии электрического поля при наведении статического заряда на внутренней поверхности корпуса с индуцированном заряда противоположного знака на наружной поверхности перегородки, тангенциальной подаче потока с основной массой механических примесей и воды размером больше номинального размера пор предфильтра в стакан разделителя, с закруткой потока между его внутренней стенкой, армированной пенометаллом с коагулирующими свойствами, и профилированной направляющей из пластмассы, закрепленной на пилонах из диэлектрика в верхней части стакана с наведением электрического поля в зазоре между последними. Транспортируют отстой обратно на вход насоса, а фильтрат дополнительным насосом подают для разделения на пористой перегородке фильтра с коалесцирующими свойствами из полимера пространственно-глобулярной структуры (ПГС-полимера), при этом оставшаяся часть механических примесей размером больше номинального размера пор фильтра постоянно выносится турбулентным потоком в разделитель, подохлаждают очищенный фильтрат в теплообменнике с последующим удалением водяного тумана на фильтре тонкой очистки из ПГС-полимера (РФ, патент №2443753, C10G 31/09, 2010 г. - прототип).
Однако указанный способ обладает низким качеством очистки масел со значительными объемами растворенной и эмульгироанной воды, являющимися одними из факторов окислительных процессов старения масла, что снижает его эксплуатационные показатели.
Технический результат изобретения - повышение качества очистки технических масел.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе очистки технических масел от мехпримесей и воды, включающем принудительную тангенциальную подачу исходного масла в предфильтр, в котором под воздействием электростатических зарядов и закрутки потока происходит отделение мехпримесей и коагуляция воды, после чего частично очищенное масло в предфильтре разделяют на два потока, один из которых в контуре циркуляции подвергают дополнительной очистке, технологический процесс которой идентичен процессу очистки в предфильтре, и смешивают с потоком исходного масла, а второй поток из предфильтра подают на фильтр тонкой очистки, на выходе которого осуществляют отбор паров воды, очищенного масла и обводненных мехпримесей, согласно изобретению на поток исходного масла воздействуют магнитным полем напряженностью 0,06 А/м и частотой 0,8 МГц до снижения кинематической вязкости технического масла на 10% от исходного значения и осуществляют ударно-волновую подачу масла с частотой 0,33 Гц и скоростью 2,4 м/с в предфильтр, а второй поток из предфильтра перед подачей на фильтр тонкой очистки нагревают до 70°С и эжектируют в дополнительный тангенциальный разделитель, из которого под действием разрежения в 75 кПа отбирают паровоздушную смесь, а частично очищенное масло принудительно подают на фильтр тонкой очистки, выполненный из полимера пространственно-глобулярной структуры с размером пор 0,4-0,6 мкм.
На фиг.1 представлена блок-схема установки, реализующей способ очистки технических масел.
Установка содержит бак 1 для очищаемого масла, связанный трубопроводом с всасывающим патрубком многоступенчатого центробежного насоса 2, на выходе которого в напорном трубопроводе установлен обратный клапан 3, выход которого подключен к концентратору магнитного поля (КМП) 4, соединенным трубопроводом, на котором установлен электромагнитный клапан 5 (ударно-волновой подачи) с входом предфильтра 6. Один из выходов 6а предфильтра 6 связан трубопроводом через установленный в нем запорный клапан с разделителем 7, выход которого соединен с трубопроводом подачи очищаемого масла в насос 2, образуя контур циркуляции. Второй выход 66 из предфильтра 6 подключен через коллектор к параллельно установленным эжекторам 8, 9, на входе каждого из которых смонтированы регулировочные краны 10 и 11 соответственно. Потоки из эжекторов 8 и 9 поступают тангенциально в вихревые камеры дополнительного разделителя 12. Магистрали подсоса воздуха в эжектор 8 и 9 теплоизолированы, имеют индивидуальные регулировочные краны 13, 14 и связаны с источником воздуха, который предварительно подогревают в нагревателе 15, на входе которого установлен кран 16. Выход 12а дополнительного разделителя 12 трубопроводом связан с входом шестеренчатого насоса 17, на выходе которого установлен кран 18 и который соединен с фильтром 19 тонкой очистки, выход которого связан трубопроводом с краном 20 с баком 21 очищенного масла. Выход 126 дополнительного разделителя 12 трубопроводом с краном 22 сообщается с входом вакуумного насоса 23, на выходе которого имеется запорный кран 24 для эвакуации паров воды и газа из камер дополнительного разделителя 12, образованных рядом горизонтальных перфорированных перегородок.
Для регенерации фильтра 19 тонкой очистки имеется компрессор 26, горячий сухой чистый воздух от которого трубопроводом с запорным краном 25 подается в магистраль очищенного масла перед точкой установки запорного крана 20. Воздух, при закрытых кранах 18, 20, 22, 28, пройдя фильтр тонкой очистки 19, через выходной патрубок поступает по трубопроводу через открытый кран 27 на вход вакуумного насоса 23 при открытом кране 24.
Предфильтр 6, разделители 7, 12 и фильтр 19 тонкой очистки в нижней своей части имеют патрубки с кранами 28 для удаления обводненных механических примесей.
Концентратор 4 магнитного поля выполнен согласно (РФ, патент №2154870, 7 H01F 7/02, 2000 г.) преобразует фоновые магнитные поля вихревой природы в направленный энергетический поток, напряженностью 0,06 А/м и частотой 0,8 МГц (указанные значения напряженности магнитного поля и частоты обусловлены конструкцией КМП 4 и не могут варьироваться). Кроме того, змеевиковый трубопровод, проходящий по внутреннему объему обечайки концентратора 4, обеспечивает закрутку потока с заряженными частицами мехпримесей с наведением дополнительного магнитного поля с заряженными частицами мехпримесей обеспечивает наведение дополнительного магнитного поля, результирующая составляющая которых при закрутке возрастает, движение же жидкой среды по винтовой линии способствует увеличению времени нахождения ее в магнитном поле. Так если диаметр внутренней обечайки концентратора 4 составляет 100 мм, а длина ее продольной образующей 250 мм, тогда путь, который проходит элементарный выделенный объем среды составляет (при 7 витках) S=3,14·100·7=2198 мм, а не 250 мм, при этом время экспозиции жидкой среды в магнитном поле увеличивается в 8,8 раза (2198/250=8). Суммарное воздействие магнитных полей приводит к уменьшению вязкости и повышению однородности очищаемого масла.
Ударно-волновая подача осуществляется при срабатывании электромагнитного клапана 5. При этом наблюдается значительное повышение давления в трубопроводе из-за резкого торможения потока масла. Этот процесс является быстротечным и характеризуется чередованием повышений и понижений давления. Известно, что повышение давления рассчитывается по формуле Жуковского:
dP=p·dV·c,
3
где dP - скачок давления, Па, р - удельная плотность жидкости, кг/м,dV - произошедшее изменение скорости (при полной остановке - это скорость потока перед электромагнитным клапаном 5), м/с, с - скорость распространения ударной волны (для воды эта скорость равна 1435 м/с, а для масел 1200-1400 м/с). Катушка электромагнитного клапана 5 выполнена во взрывобезопасном исполнении и запитывается напряжением 24 V. Время срабатывания нормально открытого электромагнитного клапана 5 варьируется от 4 до 30 мс. Число срабатываний задается по таймеру (1 раз в 3 с, то есть 0,33 Гц). Очевидно, что скачок давления dP во многом определяется изменением скорости потока очищаемого масла dV, которая изменяется при включении байпасной магистрали насоса 2.
Конструктивно предфильтр 6 и разделитель 7 выполнены как в прототипе. Так корпус предфильтра 6 выполнен из капролона или пропилена. В предфильтре 6 между пластмассовой стенкой корпуса и металлической пористой перегородкой установлены спиральные образующие из диэлектрика. Один из выходов предфильтра 6 связан трубопроводом с клапаном с разделителем 7, который выполнен из двух сообщающихся в нижней части коаксиальных обечаек. В верхней части внутренней обечайки разделителя 7 размещен стакан, внутренняя стенка которого армирована пенометаллом, а на его перфорированном дне установлен набор горизонтальных пористых перегородок из пенометалла медно-никелевого сплава (МН ТУ 1733-011-03847211-97). Размеры пор в этих перегородках увеличиваются по ходу потока. В верхней части стакана на пилонах из диэлектрика закреплена профилированная направляющая из пластмассы. В нижней части коаксиальных обечаек разделителя 7 размещена гидрофобная сетка для отделения нескоагулированных микрокапель воды.
Вихревые камеры дополнительного разделителя 12 образованы рядом горизонтальных перфорированных перегородок, а их внутренние поверхности армированы пенометаллом.
Ударное срабатывание электромагнитного клапана 5 позволяет создать однородную «пульсирующую» среду, что обусловливает более эффективную работу предфильтра 6 и разделителя 7, так как обеспечивается хорошее удаление механических частиц с пористой поверхности предфильтра 6 при тангенциальной подаче, а закрутка потока помимо «разгрузки» пористых перегородок предфильтра 6 и разделителя 7 за счет действия центробежных сил способствует наработке электростатических зарядов и соответственно появлению электрических полей, градиенты которых обуславливают отделение мехпримесей и воды из масла.
Регулируемая кранами 10, 11 подача нагретого масла, диспергируемого несколькими параллельно связанными эжекторами 8, 9 позволяет распределить его в отвакуумированном насосом 23 дополнительном разделителе 12 в виде равномерно растекающейся по пористым поверхностям пленки, что создает эффективные условия испарения воды из масла.
3
Окончательная «осушка» и доочистка масла осуществляется на фильтре 19 тонкой очистки из полимера пространственно-глобулярной структуры, обладающего сорбирующими свойствами. Картриджи пространственно-глобулярной структуры восстанавливают свои функциональные характеристики при регенерации (их эксплуатационные показатели - размер пор 0,4-0,6 мкм, сорбционная емкость единицы объема 0,2-0,3 г/см определяются конструктивными параметрами картриджей). Для регенерации подается нагретый сжатый воздух от компрессора 26, а пары воды из объема фильтра эвакуируются с помощью вакуумного насоса 23. Структура пористой перегородки из ПГС-полимера позволяет восстанавливать работоспособность фильтра 19 тонкой очистки при многократной регенерации.
Способ осуществляется следующим образом.
2
2
2
Необходимо очистить трансформаторное масло ТК ОКП ГОСТ 982-85 в объеме 200 л (исходное содержание мехпримесей 5 млг/л - 0,0005% масс. и воды 10 млг/л - 0,001%, вязкость кинематическая при 20°С - 30 мм/с и при 50°С - 8 мм/с), в которое внесены загрязнители: кварцевая пыль и вода в объемах соответственно 30 г и 30 мл. Загрязнители с помощью центробежного насоса 2 диспергируются в объеме 200 л. Подготовленное техническое масло (с концентрациями 0,0175% масс. мехпримесей и 0,02% масс. воды) из бака 1 для очищаемого масла центробежным насосом 2 подается во внутренний объем концентратора 4, где структурируется под действием магнитного поля напряженностью 0,06 А/м и частотой 0,8 МГц с увеличением его индукции из-за наличия ферромагнитного слоя из высокопористого ячеистого металла и наведенного магнитного поля при правосторонней закрутке потока среды с заряженными частицами мехпримесей при движении по трубопроводу (закрученному по винтовой линии, количество витков не более 7). Кинематическая вязкость при 20°С уменьшается до 27 мм/с, то есть на 10% от исходного значения. При срабатывании нормально открытого электромагнитного клапана 5 с частотой 0,33 Гц создаваемая ударная волна достигает входа предфильтра 6. Причем варьирование величины повышения давления dP достигается изменением расхода исходной жидкой среды при байпасировании работы центробежного насоса 2, при этом скорость потока может меняться от 1,2 до 3,6 м/с при диаметре 0,015 м и рассчитывается на основании уравнения неразрывности для потока несжимаемой жидкости:
2
Q=v·F=const, то есть v=Q/F, а F=π·d/4,
3
2
где Q - расход, м, v - скорость, м/с, F - площадь проходного сечения, м.
2
2
2
3
Подготовленная среда поступает на вход предфильтра 6, где под действием наведенного электростатического заряда и закрутки потока происходит отделение мехпримесей и коагуляция воды, при этом ударно-волновая подача создает дополнительные градиенты скоростей и повышает эффективность разделения. Из предфильтра 6 частично очищенное масло разделяют на два потока, один из которых дополнительно доочищают в разделителе 7 контура циркуляции, технологический процесс работы которого идентичен процессу очистки в предфильтре 6 и смешивают с потоком исходного масла на входе насоса 2. При этом загрязнители - мехпримеси и капельки эмульгированной воды хорошо смываются с пористых перегородок, чем обеспечивается больший межрегенерационный период работы предфильтра 6. В стакане разделителя 7 в тангенциальном «пульсирующем» режиме предварительно отделяется и коагулируется основная часть механических примесей и воды. Структуирование, ударно-волновая подача и действие центробежных сил при закрутке потока интенсифицируют наведение электростатического заряда на внутренних поверхностях предфильтра 6 и стакана разделителя 7 с плотностью до 10 мкКул/м и до 65 мкКул/м соответственно. Второй поток из предфильтра 6 (с содержанием мехпримесей - 0,0018% масс. и воды - 0,0020% масс.) перед подачей на фильтр 19 тонкой очистки подогревают до 70°С (и не более, чтобы исключить возможность подгорания масла) нагревателем 15, вязкость при этом снижается до 5,5 мм/с, и диспергируют жидкую среду несколькими параллельно связанными эжекторами 10 и 11 в вихревые камеры дополнительного тангенциального разделителя 12. Закрутка и растекание среды по внутренним поверхностям вихревых камер, армированных пенометаллом со сквозной пористостью 96%, обеспечивает ее равномерное распределение, а также испарение и дальнейшую эвакуацию паровоздушной смеси из объемов вихревых камер при создании разрежения 75 кПа вакуумным насосом 23. Регулировочные краны 10, 11 и 13, 14 позволяют поддерживать необходимые расходы нагретого воздуха и технического масла, стабилизировать температурный режим и тем самым управлять работой дополнительного разделителя 12. При принудительной подаче дополнительным насосом 17 масла на фильтр 19 тонкой очистки из ПГС-полимера с размером пор 0,4-0,6 мкм (сорбционная емкость единицы объема равна 0,2-0,3 г/см) удаляют мехпримеси до 0,0007% масс. и доосушают до 0,0001% масс.
Для регенерации фильтра 19 тонкой очистки закрываются краны 18, 20, 22 и открываются краны 25, 27 и чередующимися продувками обратным током горячего чистого воздуха от компрессора 26 и создании разрежения вакуумным насосом 23 из внутреннего объема фильтра 19 удаляются сорбированная влага и накопившиеся механические частицы с его пористых поверхностей. После продувки закрываются краны 18, 20, 22 и открываются краны 25, 27 подача горячего воздуха на регенерацию компрессором 26 прекращается, вакуумный насос 23 отключается от объема фильтра 19 тонкой очистки, устройство готово к работе.
Пример 1. Очистке подвергается трансформаторное масло ТК ОКП слитое при ремонте выключателя СКТБ ВКТ «Мосэнерго». Объем масла составляет 500 л.
Определяем содержание воды в масле в зависимости от создаваемого разрежения в дополнительном разделителе 12. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты очистки (обезвоживания) в зависимости от величины разрежения в дополнительном разделителе 12
№ эксперимента
Величина разрежения, кПа
Кинематическая вязкость, мм<sup>2</sup>/с
Исходное влагосодержание, % масс.
Содержание влаги после обработки, % масс.
1
65
3
0,08
0,0032
2
75
3
0,08
0,0035
3
85
3
0,08
0,0056
Как видно из результатов эксперимента, технически обоснованным значением величины разрежения является 75 кПа, так как при уменьшения разрежения на 10% от 0,85 до 0,75 кПа влагосодержание уменьшается на 70%, а при уменьшении разрежения менее 75 кПа удаление воды снижается до 7%, то есть является малоэффективным.
Определяем содержание воды и механических примесей после предфильтра в зависимости от скорости потока (ударно-волнового воздействия). Результаты эксперимента представлены в таблице 2.
Таблица 2
Обоснование величины скорости потока трансформаторного масла в трубопроводе перед предфильтром 6
№ эксперимента
Скорость потока масла, м/с
Кинематическая вязкость, мм<sup>2</sup>/с
Мех. примеси, % масс.
Вода, % масс.
до очистки
после очистки
до очистки
после очистки
1
1,2
27
2,2
0,18
1,3
0,14
2
2,4
27
2,2
0,06
1,3
0,08
3
3,6
27
2,2
0,12
1,3
0,11
Из результата эксперимента видно, что очистка масла от механических примесей и воды идет наиболее эффективно при скорости потока 2,4 м/с, причем как уменьшение, так и увеличение скорости потока приводит к снижению процесса разделения, в первом случае из-за недостаточности величины пульсации, а во втором случае отмечается проскок механических примесей и воды через разделительную пористую перегородку.
Пример 2. Очистке подвергается льняное масло (ГОСТ 5791-81) для последующей термической обработки. Объем масла составляет 200 л.
Определяем содержание воды в масле в зависимости от создаваемого разрежения в дополнительном разделителе 12. Результаты эксперимента представлены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты очистки (обезвоживания) в зависимости от величины разрежения в дополнительном разделителе 12
№ эксперимента
Величина разрежения, кПа
Кинематическая вязкость, мм<sup>2</sup>/с
Исходное влагосодержание, % масс.
Содержание влаги после обработки, % масс.
1
65
2,2
0,16
0,007
2
75
2,2
0,16
0,0075
3
85
2,2
0,16
0,011
Определяем содержание воды и механических примесей после предфильтра в зависимости от скорости потока (ударно-волнового воздействия). Результаты эксперимента представлены в таблице 4.
Таблица 4
Обоснование величины скорости потока трансформаторного масла в трубопроводе перед предфильтром 6
№ эксперимента
Скорость потока, м/с
Кинематическая вязкость, мм<sup>2</sup>/с
Мех. примеси, % масс.
Вода, % масс.
до очистки
после очистки
до очистки
после очистки
1
1,2
15,5
1,5
0,15
1,8
0,27
2
2,4
15,5
1,5
0,08
1,8
0,16
3
3,6
15,5
1,5
0,09
1,8
0,18
Из приведенных результатов видно, что очистка масел от механических примесей и воды на предфильтре идет наиболее эффективно при скоростях потока жидкости 2,4 м/с, причем как уменьшение, так и увеличение скорости потока соответственно приводит к снижению процесса разделения, в первом случае - из-за недостаточной интенсивности величины пульсаций загрязнения и вода не отделяются с пористых поверхностей предфильтра, а во втором отмечается проскок механических примесей и воды через разделительную пористую перегородку из-за повышенной интенсивности величины пульсаций (табл.2, 4).
Величина влагосодержания масел существенно изменяется при уменьшении разрежения до 75 кПа (табл.1, 3), а дальнейшее снижение приводит к дополнительным энергозатратам, а влагосодержание изменяется незначительно.
Таким образом, использование совокупности приемов, связанных с применением многоступенчатого отделения основного объема механических частиц и воды в индуцированном электростатическом поле при ударно-волновой подаче структурированного магнитными полями потока жидкости, дальнейшей доочистке уже менее загрязненного потока жидко-воздушной среды при нагреве и вакуумировании и последующем пленочном испарении на развитых пористых теплопроводящих поверхностях из ВПЯМ (медно-никелевого сплава, сквозной пористость до 96%) с сорбцией влаги и фильтрацией на пористых перегородках из ПГС-полимеров позволяет существенно увеличить глубину очистки масел от мехпримесей и воды, то есть повысить качество очистки масел.