ФИЛЬТР ЭЛЕКТРОКОНВЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО КОМПОНЕНТА КОМПОЗИТНОГО БИОТОПЛИВА

Полезная модель относится к технологиям получения и предварительной подготовки компонентов композитного минерально-органического биотоплива (КМОБТ) и может быть использована при очистке тяжелых нефтепродуктов от посторонних примесей, имеющих отличные от обрабатываемого компонента гравиметрические и диэлектрические характеристики.
КМОБТ производят в виде гомогенных эмульсий и суспензий на основе возобновляемого органического сырья и отходов нефтепродуктов с целью повышения экологической и энергетической эффективности работы тепловых установок при сжигании мазута или иного жидкого углеводородного топлива («Применение биотоплив третьего поколения в автономных энергогенерирующих системах на основе современных паровых поршневых двигателей» Систер В.Г. и др., Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2013, №3, С. 41-43). В качестве углеводородного компонента КМОБТ могут использоваться отработавшие моторные масла, углеродсодержащие эмульсии, полученные при чистке цистерн и резервуаров для хранения нефтепродуктов и т.п. Такое сырье содержит значительную долю посторонних жидких и твердых примесей, присутствие которых в КМОБТ приводит к износу и отказу горелочных устройств.
Существуют различные способы и устройства тонкой очистки жидкостей, среди которых хорошо себя зарекомендовали фильтры тонкой очистки, использующие неоднородные электрические поля.
Из уровня техники известно устройство (Михеев Г.М. и др. Электроконвективная очистка / Письма в ЖТФ. - 2008. - т. 34. - вып. 9. - стр. 65-72), в котором отделение посторонних включений осуществляют в фильтре, содержащем спиральный электрод под высоким напряжением относительно цилиндрического металлического корпуса. Очистка происходит в результате возникновения вблизи пристеночной области корпуса вихревых потоков обрабатываемой жидкости, пространственная протяженность которых в направлении оси корпуса определяется расстоянием между витками спирали. Под действием центробежной силы в вихре посторонние включения стремятся к его периферии. При этом они осаждаются на стенках корпуса и под действием силы тяжести опускаются на его дно.
Недостатком известного устройства является избирательный характер эффективности очистки по отношению к загрязняющим частицам, различающимся по своим гравиметрическим параметрам ввиду того, что шаг спирали, определяющий размеры вихря, постоянен по всей длине корпуса фильтра. Кроме того, известное устройство характеризуется относительно низким коэффициентом готовности, что обусловлено необходимостью периодической остановки рабочего процесса для освобождения внутренней цилиндрической стенки корпуса от осевших на ней загрязнений.
От указанных недостатков свободно наиболее близкое к предлагаемому техническому решению устройство по патенту на полезную модель (RU 138831, МПК - 2015.01: В03С 5/00, C02F 1/48, Никитин С.И., Никитина И.В. Патентообладатель: ООО «Геоид», опубликованное 27.04.2014), принятое за прототип и содержащее цилиндрический спиральный электрод, имеющий переменный шаг навивки, снабженный съемным перфорированным цилиндрическим электродом, соосно установленным между внутренней стенкой корпуса и спиральным электродом. Переменный шаг навивки спирали обеспечивает очистку жидкости от примесей с различными гравиметрическими параметрами, а благодаря съемному перфорированному электроду сокращается время простоя устройства при техническом обслуживании. При этом достаточно заменить перфорированный электрод с осевшими на него частицами примесей чистым электродом из запасного комплекта.
В то же время известные устройства имеют, по крайней мере, два общих существенных недостатка, один из которых - относительно низкая производительность, обусловленная периодическим характером рабочего цикла, включающего операции загрузки исходной жидкости, выгрузки фильтрата, подготовки к проведению следующего цикла. При этом, учитывая то, что для приготовления КМОБТ используются углеводородные компоненты (например, мазут, кубовые остатки и т.п.), требующие предварительного нагрева ввиду их высокой вязкости при нормальной температуре, имеют место непроизводительные энергетические потери при перезагрузке жидкости.
Второй существенный недостаток известных устройств состоит в ненадежности конструкции центрального, выполненного в виде спирали электрода, поскольку толщину проволоки, из которой он изготовлен, минимизируют из соображений получения максимальной неоднородности электрического поля. Этого требуют условия наиболее эффективного отделения нежелательных компонентов взвеси от разделения целевого продукта. Однако выполненный из тонкой проволоки электрод подвержен риску деформации не только при выполнении монтажа, но и при нормальной работе устройства.
Кроме того, при необходимости использования фильтра для очистки различных углеводородных жидкостей, загрязненных примесями, гравиметрические или/и диэлектрические характеристики которых имеют существенные различия, требуется иметь набор проволочных спиральных электродов с разным шагом навивки.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства высокой производительности, обеспечивающего эффективную очистку углеводородного компонента композитного биотоплива от посторонних твердых и жидких частиц электроконвективным методом.
Технический результат заключается в том, что повысить производительность, обеспечивающую эффективную очистку углеводородного компонента композитного биотоплива от посторонних твердых и жидких частиц, можно электроконвективным методом благодаря использованию разборной конструкции высоковольтного электрода изменяемой геометрии.
Технический результат достигается тем, что фильтр включает корпус, имеющий в верхней части форму цилиндра, а в нижней части форму усеченного конуса, обращенного вниз малым основанием, при этом в верхней и нижней частях цилиндрического корпуса размещены соответственно входной патрубок для подачи обрабатываемого компонента и выходной патрубок для отбора очищенного компонента, а внизу его конической части имеется сливной патрубок для отвода загрязнителей, внутри корпуса и соосно ему размещен высоковольтный электрод, отличие согласно полезной модели заключается в том, что высоковольтный электрод выполнен наборным в виде металлического штока, на котором размещены находящиеся с ним в электрическом контакте фигурные токопроводящие пластины с остроконечными зубцами по периферии, при этом на металлическом штоке поочередно между фигурными токопроводящими пластинами установлены втулки различной высоты, причем вблизи внутренней поверхности цилиндрической части корпуса осесимметрично установлен съемный пористый перфорированный цилиндрический вкладыш, а на внешней цилиндрической поверхности корпуса смонтирован цилиндрический нагреватель.
Кроме того, отличия еще заключаются в том, что металлический шток наборного высоковольтного электрода может быть выполнен в виде резьбой шпильки с установленными поочередно на ней фигурными токопроводящими пластинами и втулками, стягиваемыми с помощью обычных гаек; фигурные токопроводящие пластины с остроконечными зубцами выполнены с центральными отверстиями для установки на металлическом штоке.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
на фиг. 1 - общая схема фильтра;
на фиг. 2 - фрагмент наборного высоковольтного электрода, поясняющего принцип сборки его элементов;
на фиг. 3 - поперечное сечение наборного высоковольтного электрода, проходящее по одной из втулок.
Фильтр электроконвективной очистки состоит из корпуса 1, имеющего в верхней части форму цилиндра, а в нижней части форму усеченного конуса, обращенного вниз малым основанием, при этом в верхней и нижней частях цилиндрического корпуса размещены соответственно входной патрубок 2 для подачи обрабатываемого компонента и выходной патрубок 3 для отбора очищенного компонента, а внизу его конической части имеется сливной патрубок 4 для отвода загрязнителей.
На внешней цилиндрической поверхности корпуса 1 смонтирован цилиндрический нагреватель 5, а вблизи внутренней поверхности цилиндрической части корпуса 1 осесимметрично установлен съемный пористый перфорированный цилиндрический вкладыш 6.
Внутри корпуса соосно ему установлен универсальный наборный высоковольтный электрод, состоящий из металлического штока 7, на котором размещены находящиеся с ним в электрическом контакте фигурные токопроводящие пластины 8, выполненные с остроконечными зубцами 10 по периферии и центральными отверстиями 11 для установки на металлическом штоке 7, а между токопроводящими пластинами 8 на металлическом штоке 7 установлены втулки 9 различной высоты.
Работа устройства, на примере процесса очистки тяжелого углеводородного компонента КМОБТ (мазутная фракция нефтеперегонки), осуществляется следующим образом.
Предварительно подогретый (оптимальная температура предварительного подогрева зависит от начальной кинематической вязкости углеводородного компонента и лежит в диапазоне 150-350°С), для придания ему текучести, исходный обрабатываемый углеводородный компонент подается внутрь корпуса 1 через расположенный в верхней части входной патрубок 2. Во избежание остывания обрабатываемого углеводородного компонента и увеличения его вязкости требуемое значение температуры в фильтре поддерживается с помощью цилиндрического нагревателя 5 установленного на внешней стороне корпуса 1.
С целью увеличения производительности фильтра процесс осуществляется в проточном режиме. Это означает, что обрабатываемый углеводородный компонент подается в корпус 1 фильтра непрерывно, что обеспечивает более высокую производительность фильтра по сравнению с аналогичными устройствами периодической загрузки. Очищенный от примесей компонент отбирается из фильтра через выходной патрубок 3.
Очистка происходит следующим образом.
На проходящий через фильтр непрерывный поток исходного обрабатываемого углеводородного компонента воздействуют электрическим полем путем подачи высокого электрического потенциала на универсальный наборный высоковольтный электрод относительно корпуса 1 фильтра. Благодаря тому что фигурные токопроводящие пластины 8 имеют остроконечные зубцы 10, вблизи внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 создаются локальные области электрического поля высокой напряженности. Под действием этого поля вблизи внутренней стенки корпуса 1 образуются вихревые потоки обрабатываемого углеводородного компонента (Михеев Г.М. и др. Электроконвективная очистка жидкого диэлектрика / Письма в ЖТФ. - 2008. - т. 34. - вып. 9. - стр. 65-72).
В создаваемых таким образом вихревых потоках посторонние частицы приобретают центробежное ускорение, которое отбрасывает их в направлении внутренней цилиндрической стенки корпуса 1. Частицы размером до нескольких мкм задерживаются пористым перфорированным цилиндрическим вкладышем 6, а более крупные частицы под действием силы тяжести опускаются вниз и оседают на дне конической части корпуса 1.
Очищенный от примесей обрабатываемый углеводородный компонент выводится из фильтра через выходной патрубок 3 для приготовления композитного минерально-органического топлива путем добавления органических компонентов (таких как, например, биомасса микроводорослей) с последующей ультрадисперсной гомогенизацией.
Периодически, без остановки процесса очистки, производится отбор некоторого количества обрабатываемого углеводородного компонента с накопившимся осадком крупных частиц из придонной области конической части корпуса 1 через сливной патрубок 4. Максимальное количество отбираемого обрабатываемого углеводородного компонента с осадком соответствует разности уровней между сливным 4 и выходным 3 патрубками.
Процесс очистки останавливается только на время замены пористого перфорированного цилиндрического вкладыша 6 по мере накопления на нем мелких посторонних частиц, что обеспечивает высокий коэффициент готовности устройства.
Конструкция универсального наборного высоковольтного электрода разборная и в то же время прочная и надежная в эксплуатации, поскольку собрана из жестких элементов. Предусмотрена возможность разборки и сборки электрода с заменой втулок 9 одной высоты втулками другой высоты, изменяя при этом геометрию электрода и, соответственно, пространственное распределение напряженности электрического поля, которое концентрируется на остроконечных зубцах 10 фигурных пластин 8. При этом изменение расстояний между фигурными пластинами 8 обеспечивает при обработке углеводородного компонента формирование вихревых потоков, замыкающихся в пространственных областях различных размеров. Это обеспечивает избирательный характер эффективности захвата посторонних частиц в зависимости от их гравиметрических и диэлектрических характеристик (главным образом, объемной плотности, размеров и диэлектрической проницаемости).
Металлический шток 7 наборного высоковольтного электрода может быть выполнен, например, в виде резьбой шпильки, на которую поочередно надеваются фигурные пластины и втулки, используя центральные отверстия 11, после чего набор пластин и втулок стягивается с помощью обычных гаек.
При настройке наборного высоковольтного электрода для очистки углеводородного компонента из конкретного источника (характеризующегося наличием посторонних включений конкретного состава) опытным путем подбирается набор втулок 9 таких размеров, чтобы эффективность очистки от посторонних частиц была максимальной. Эффективность очистки оценивают любым из известных способов, например по изменению оптического поглощения, диэлектрической постоянной или удельной электропроводности.