КАВИТАЦИОННАЯ КОЛОННА

Полезная модель относится к области производства углеводородных смесей, например масел для смазки и является основным конструкционным элементом в установках смешивания любых жидкостей вязкостью не более 1000cSt при 40°C, а также может быть применена для смешивания и растворения комплексов среда-фаза, фазу в котором составляют микро, нано и тонкодисперсные вещества и соединения, агрегатированные в мицеллы (подавляющее большинство пакетов легирующих присадок). Кавитационная колонна может найти применение, например, при:
- создании товарных масел на основе трудно смешиваемых компонентов (дистилляты, продукты гидроизомеризации, полиальфаолефины, эстеры, алкилированные нафталины, жирные кислоты, и другие кислоты слабых оснований);
- смешивании и придании более тонкодисперсной структуры различным краскам, лакам, вязкостью не более 1000cSt при 40°C;
- создании водотопливных эмульсий;
- растворении труднорастворимых фаз в агрегатах растворов;
- смешивании и растворении средне и грубодисперсных растворов при условии отсутствия абразивных элементов.
При производстве товарных масел долгое время повсеместно применялось блендирование. Основным преимуществом блендирования является его относительная простота. Однако, по мере улучшения смазочных материалов усложнялся и их состав, они становились все более сложными, многокомпонентными и трудносмешиваемыми структурами, и блендирование уже не обеспечивало хорошее качество товарного продукта. Минусами блендирования можно считать следующее:
- недостаточное растворение, дробление мицелл присадок, а значит меньшая площадь взаимодействия со средой;
- нестабильное качество при смешивании базовых масел различной природы с легирующими присадками, в результате чего возникает полное или частичное расслоение полученного раствора;
- огромные энергозатраты при технологическом нагреве всей массы готовящегося продукта (нагрев от 70°C до 90°C);
- поэтапный ввод и растворение в базовых маслах полимеров (модификаторов вязкости и депрессоров) и легирующих присадок;
- негативное экологическое воздействие на окружающую среду горячих нефтепродуктов.
При физических методах растворения (кавитация, вибрация, ультразвук и т.п.) основную трудность вызывает растворение полимеров, так как до растворения в масле полимеры имеют высокую склонность к механической деструкции и «грубое» воздействие может привести к значительному изменению их структуры, что негативно сказывается на качестве товарного масла.
Известно устройство для смешивания масел (WO 2008016937 А2, опубл. 07.02.2008 г.), в котором применена кавитационная колонна для смешивания масла и жидкости при нагревании с использованием давления и тепла кавитационных пузырьков.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести применение нагрева при смешивании, что отрицательно влияет на качество продукта, а также устройство не предназначено для смешивания нескольких смазочных материалов.
За ближайший аналог принята кавитационная колонна, являющаяся основной составной частью линии «холодного» смешивания смазочных материалов (RU 134927 U1, МПК (2006.01) C10G 50/00, опубл. 27.11.2013 г.). Кавитационная колонна выполнена в виде полого цилиндра и снабжена тремя внутренними горизонтальными перегородками, разделяющими внутреннюю полость на камеры, расположенные одна над другой. Камеры сообщаются посредством отверстий, количество которых уменьшается от первой (нижней) перегородки к третьей (верхней). Кроме того, отверстия выполнены конусовидными, причем верхний диаметр отверстий меньше нижнего диаметра. Колонна снабжена патрубком ввода смеси и патрубком вывода готового продукта.
Вышеописанная кавитационная колонна не позволяет производить смешивание более трех базовых масел, тогда как современные масла могут включать в свой состав до шести базовых масел различной природы (дистилляты, продукты гидроизомеризации, полиальфаолефины, эстеры, алкилированные нафталины, продукты на основе жирных кислот). В описанном примере для смешивания использованы три «родственных» продукта, два из которых (И-20, И-40) являются дистиллятами, a ETRO-4 продуктом гидрокрекинга по сути тем же более высокоочищенным и модифицированным дистиллятом. Смешивание подобных базовых масел с предварительно растворенными в базовых маслах легирующими присадками не требует каких-то особых условий или высоких температур и может производиться обычным циркуляционным насосом. Кроме того, в описанной колонне не предусмотрено перед обработкой смеси кавитацией предварительное смешивание базовых масел с высокомолекулярными полимерами, которые служат модификаторами трения в большинстве современных, высокотехнологичных маслах. Жесткое кавитационное воздействие на высокомолекулярные полимеры приводит к механической деструкции последних, что в свою очередь снижает индекс вязкости товарного масла и его стойкость к механической и термической деструкции. Кроме того, при использовании описанной кавитационной колонны необходимо нормирование температуры смеси.
В настоящее время не существует кавитационной колонны, которая позволяла бы смешивать более трех базовых масел различной природы с добавками из высокомолекулярных полимеров и легирующими присадками одновременно, без подогрева при любой положительной температуре, обеспечивая получение стойкой, не расслаивающейся коллоидной структуры без механической деструкции высокомолекулярных полимеров в конечном продукте.
Полезная модель решает проблему создания кавитационной колонны, позволяющей получать смазочное масло улучшенного качества на основе более трех базовых масел с легирующими присадками и добавками в виде высокомолекулярных полимеров, за счет конструкционных изменений колонны, которые обеспечивают изменение направления движения потока смеси в колонне и способ физического воздействия на каждом этапе, что способствует повышению степени гомогенизации смеси и уменьшению механической деструкции высокомолекулярных полимеров.
Для получения необходимого технического результата в кавитационной колонне, содержащей, по меньшей мере, три камеры, выполненные с внешней цилиндрической поверхностью, расположенные одна над другой, сообщающиеся посредством отверстий, количество которых увеличивается по направлению сверху вниз, патрубок ввода смеси, патрубок вывода готового продукта, предлагается камеры выполнить в виде отдельных цилиндрических тел с осевыми каналами, в сборе образующими колонну со сквозным осевым каналом для подачи смеси на первом этапе операции смешивания. Торец верхней камеры предлагается накрыть крышкой, выполненной с сообщающейся с каналом для подачи смеси внутренней полостью, для образования в ней повышенного давления при движении потока смеси, а торец нижней камеры закрепить на основании. Кроме того, колонну предлагается снабдить кожухом, который установить на основании с образованием свободного пространства между внешними цилиндрическими поверхностями камер и кожухом, а также между крышкой и кожухом, которое связать с патрубком вывода готового продукта. Верхнюю и среднюю камеры предлагается выполнить с радиусными кольцевыми канавками на нижних торцах для образования в сборе при движении потока смеси полостей повышенного давления, при этом, полости повышенного давления в крышке, верхней камере и средней камере, а также полость разрежения, образованную нижней радиусной кольцевой канавкой, выполненной на внешней цилиндрической поверхности нижней камеры, последовательно соединить отверстиями, которые предлагается выполнить калиброванными с уменьшающимися диаметрами от верхней камеры к нижней для усиления эффекта кавитации на втором этапе операции смешивания. Кроме этого, в верхней части внешних цилиндрических поверхностей нижней и средней камер предлагается выполнить радиусные кольцевые канавки, для турбулизации потока смеси на последнем этапе операции смешивания.
Предлагаемая конструкция кавитационной колонны инициирует три вида последовательного воздействия на структуру подаваемой смеси при движении потока смеси в колонне.
Турбулентный поток сам по себе является мощным смешивающим фактором, благодаря возникающим в потоке вихрям случайного направления. Критическое число Рейнольдса (Re), при котором начинается турбулизация потока, изменяется в очень широком диапазоне и зависит не только от постоянных факторов, таких как скорость потока, вязкость и проходное сечение, но и от дополнительных - температуры (влияющей на вязкость), вибрации, технологических препятствий и технологической бифуркации, что позволяет создать условия для стабильной турбулентности потока. Для описываемой кавитационной колонны с тремя камерами число Рейнольдса (Re) должно быть не менее 1800.
,
где  - плотность жидкости;
_
V  скорость потока;
L - длина элемента потока, м;
η - коэффициент вязкости, .
При значениях Re<1000 поток приобретает устойчивый ламинарный характер. В диапазоне Re от 1000 до 1500 в потоке возникают периодические турбулентные явления. Таким образом, зная критические величины Re для предлагаемой колонны, все параметры, кроме вязкости, можно признать постоянными, влияние же вязкости на поток нивелируется изменением мощности насоса, подающего смесь, что позволяет подобрать оптимальные параметры потока в связи с поставленными задачами. Турбулентность, которая обеспечивается на первом этапе операции смешивания, в канале для подачи смеси колонны является необходимым фактором предварительного растворения полимерных добавок. Полимерные добавки, такие как сополимеры олефинов (загущающие), полиметилкрилатные (депрессоры) и другие полимеры, имеющие молекулярную массу по Штаутгиндеру > 55000 ед. до предварительного растворения в масле, имеют весьма склонную к механической деструкции структуру. При мощном кавитационном воздействии возможен обрыв длинных разветвленных цепей молекулы, что в свою очередь приводит к уменьшению загущающей способности добавок, а также к повышению деструкции в процессе эксплуатации готового (товарного) масла. Поэтому, на втором этапе операции смешивания, благодаря конструкции колонны, на поток смеси накладывается вначале «мягкая» кавитация, которая обеспечивается эффектом Вентури (являющийся следствием из закона Бернулли), который заключается в падении давления при увеличении скорости движения при прохождении потоком смеси по калиброванным отверстиям верхней камеры. Кавитация усиливается в средней камере, а при выходе потока смеси из отверстий нижней камеры обеспечивается самая «мощная» кавитация. Конструкционными элементами колонны, обеспечивающими кавитацию на втором этапе, являются полости повышенного давления и калиброванные отверстия. Совокупная площадь сечения калиброванных отверстий меньше площади сечения канала для подачи смеси и значительно меньше полости повышенного давления. За счет падения давления в калиброванных отверстиях возникает «мягкая» кавитация, интенсивность которой можно регулировать изменением мощности насоса, подающего смесь. Количество отверстий, в каждой камере разное, в верхней камере их 5, в средней - 6, в нижней - 7, при этом площадь сечения калиброванных отверстий уменьшается от верхней камеры к нижней. Этим обеспечивается возрастающая интенсивность кавитации на выходе из средней камеры и, особенно, на выходе из нижней камеры, где размеры выходных отверстий могут заканчиваться полусоплами, обеспечивая мощную «взрывную» кавитацию.
Диаметр калиброванных отверстий напрямую зависит от требований к производительности колонны. Чем выше производительность, тем больше проходное сечение калиброванных отверстий. Точное калибрование необходимо для получения нужного (для инициации физических процессов) соотношения площади зон высокого давления к сумме площадей проходных сечений калиброванных отверстий. Таким образом, калиброванные отверстия являются важнейшим конструкционным элементом камер, отвечающим за возникновение и плавное увеличение интенсивности «эффекта Вентури».
На третьем этапе операции смешивания, после выхода потока смеси из нижней камеры в зону разрежения, поток благодаря конструкции колонны меняет направление на 360° и поднимается вверх по свободному пространству между внешними поверхностями камер и кожухом, а затем между крышкой и кожухом и выходит через патрубок вывода готового продукта. Выполнение на внешних поверхностях камер радиусных канавок позволяет получить мощную турбулизацию потока, способствующую конечной гомогенизации товарного продукта. При необходимости можно использовать известные специальные обработки поверхности для усиления турбулизации потока.
На прилагаемых к описанию графических материалах изображено:
- фиг. 1 - чертеж кавитационной колонны с указанным направлением движения потока смеси, продольный вырез  части;
- фиг. 2 - изображение верхней камеры, верхний торец;
- фиг. 3 - изображение верхней камеры, нижний торец;
- фиг. 4 - изображение средней камеры, верхний торец;
- фиг. 5 -изображение средней камеры, нижний торец;
- фиг. 6 - изображение нижней камеры, верхний торец;
- фиг. 7 - изображение нижней камеры, нижний торец;
- фиг. 8 - чертеж крышки, вертикальный разрез;
- фиг. 9 - пример использования кавитационной колонны в линии смешивания смазочных масел.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - кожух; 2 - крышка; 3 - камера верхняя; 4 - камера средняя; 5 -камера нижняя; 6 - полость внутренняя в крышке; 7 - отверстие калиброванное в верхней камере; 8 - отверстие калиброванное в средней камере; 9 - отверстие калиброванное в нижней камере; 10 - канавка радиусная на нижнем торце верхней камеры; 11 - канавка радиусная на нижнем торце средней камеры; 12 - канавка радиусная на внешней цилиндрической поверхности в нижней части нижней камеры; 13 - канавка радиусная на внешней цилиндрической поверхности в верхней части нижней камеры; 14 - канавка радиусная на внешней цилиндрической поверхности в верхней части средней камеры; 15 - патрубок ввода смеси; 16 - патрубок вывода готового продукта; 17 - основание; 18 - элемент крепления; 19 - отверстие крепежное; 20 - канал для подачи смеси; 21 - колонна кавитационная; 22 - насос; 23 - емкость приготовления смеси; 24 - устройство для перемешивания смеси; 25 - емкость готового продукта.
Предлагаемая кавитационная колонна состоит из нижней камеры 5, средней камеры 4, верхней камеры 3, выполненных в виде цилиндрических тел и расположенных одна над другой.
Камеры 3, 4, 5 выполнены со сквозными осевыми каналами и образуют в сборе сквозной осевой канал 20 для подачи смеси через патрубок 15 ввода смеси. Верхняя камера 3 накрыта крышкой 2, выполненной с внутренней полостью 6, сообщающейся с каналом 20 для подачи смеси. Колонна снабжена кожухом 1, установленным с образованием свободного пространства между внешними цилиндрическими поверхностями камер 3, 4, 5 и кожухом 1, а также между крышкой 2 и кожухом 1, которое связано с патрубком 16 вывода готового продукта. На нижних торцах верхней камеры 3 и средней камеры 4 выполнены радиусные канавки 10 и 11 соответственно, которые в сборе при движении потока смеси образуют полости повышенного давления. На нижней части внешней цилиндрической поверхности нижней камеры 5 выполнена радиусная канавка 12. На верхних частях внешних цилиндрических поверхностей нижней камеры 5 и средней камеры 4 выполнены радиусные канавки 13 и 14 соответственно. Внутренняя полость 6 в крышке, радиусные канавки 10, 11 и 12 связаны посредством калиброванных отверстий 7, 8 и 9 соответственно. Радиусная канавка 12 при движении потока смеси образует полость разряжения. В верхней камере 3 выполнено пять калиброванных отверстий 7, в средней камере 4 - шесть калиброванных отверстий 8, в нижней камере 5 - семь калиброванных отверстий 9. Диаметры отверстий уменьшаются от верхней камеры к нижней. Торец нижней камеры 5 и кожух 1 установлены и закреплены на основании 17 при помощи крепежных элементов 18. На торцевых поверхностях камер 3, 4, 5 выполнены отверстия 19 для крепления.
Камеры 3, 4 и 5 выполняют в колонне кавитационно-бифуркационные функции. Поток смеси, поднимаясь по каналу 20 для подачи смеси, попадает в полость 6 крышки 2, где образуется полость повышенного давления перед верхней камерой 3. Далее по калиброванным отверстиям 7 (которых 5) в верхней камере 3 поток смеси совершает возвратное движение и достигает полости повышенного давления в радиусной канавке 10 перед средней камерой 4, откуда по калиброванным отверстиям 8 (которых 6) в средней камере 4 поток смеси попадает в полость повышенного давления в радиусной канавке 11 перед нижней камерой 5, из которой по калиброванным отверстиям 9 (которых 7) в нижней камере 5 поток смеси достигает полости разряжения в радиусной канавке 12, сообщающейся со свободным пространством между внешними цилиндрическими поверхностями камер 5, 4, 3 и кожухом 1. В полости разряжения поток смеси разворачивается и поступает вверх по свободному пространству под кожухом 1. Полости, образованные радиусными канавками 13 и 14 на внешних цилиндрических поверхностях камер 5 и 4, способствуют турбулизации потока смеси на последней стадии смешивания, что улучшает гомогенизацию конечного продукта, который выходит из колонны по свободному пространству между кожухом 1 и крышкой 2 и далее по патрубку 16 вывода готового продукта.
Описание работы кавитационной колонны.
3
Управление кавитационной колонной во время ее использования для осуществления операции смешивания компонентов довольно простое, заключающееся в регулировке оборотов используемого насоса, т.е. в изменении его производительности в зависимости от вязкости смеси. Может быть использован насос любого типа (шестеренчатый, винтовой, лопастной и др.), который может создавать давление до 25 атм. Регулировка производится с помощью частотного преобразователя плавным увеличением и снижением оборотов электродвигателя насоса. Как показали расчеты, производительность предлагаемой колонны варьируется в широком диапазоне от 1 до 100 м/ч, что было подтверждено при проведении опытных испытаний.
Предварительная обработка смеси компонентов перед подачей ее в кавитационную колонну заключается в перемешивании мешалкой или насосом, который используют как циркуляционный.
Кавитационная колонна встраивается в линию смешивания компонентов смазочных материалов (фиг. 9), которая включает также емкость 23 приготовления смеси, связанную со входом и выходом насоса 22, образуя малый циркуляционный контур, в котором циркулирует смесь во время ее предварительного перемешивания. После завершения предварительного перемешивания открывается магистраль нагнетания, и смесь поступает в большой циркуляционный контур, включающий кавитационную колонну 21, связанную с емкостью 23 приготовления смеси, в котором циркулирует во время регулировки оборотов насоса 22 до достижения необходимой производительности, контроль которой осуществляется через расходомер (на схеме не показан). Контроль давления осуществляется по показаниям датчиков (на схеме не показаны). После достижения необходимых параметров производительности насоса 22 перекрывают связь кавитационной колонны 1 с емкостью 23 приготовления смеси и соединяют ее с емкостью 25 готового продукта. Линия смешивания начинает выдавать готовый продукт.
Так как процессы необходимые для получения качественного готового продукта возникают при определенной интенсивности потока, то параметром, подтверждающим готовность продукта, является расход, контролируемый расходомером. Чем больше вязкость изготовляемого продукта, тем большее давление необходимо для получения нужной интенсивности потока. Критическое давление >25 атм сбрасывается байпасом насоса (на схеме не показан). Завершением изготовления готового продукта является полная перекачка раствора из емкости приготовления раствора 23 в емкость 25 готового продукта.
Были проведены опытные испытания по смешиванию многокомпонентного товарного масла Grace Absolute 5w-40 состоящего из четырех базовых масел:
1. Базовое масло III гр. по API (гидрокрекинг) - 20%;
2. Базовое масло IV гр. по API (полиальфаолефины) - 20%;
3. Базовое масло V гр. по API (алкилированные нафталины) - 10%;
4. Базовое масло II гр. по API- 26,48%,
а также присадок:
5. Пакета легирующих присадок HITEC 9490 - 12%
6. Модификатора трения (органомолибден)HITEC 9552 - 0,02%
7. Депрессора полиметилкрилатного типа HITEC 5714 - 0,5%
8. Загустителя (сополимера олефинов) (раствор в I группе по API) - 11%.
Все компоненты были загружены в емкость приготовления смеси, перемешаны в течение 30 минут циркуляционным насосом, далее был, осуществлен прогон в один цикл через установку при температуре окружающей среды, которая в тот период времени была равна 12°C. Вся операция смешивания в предлагаемой колонне была осуществлена за 40 минут.
Так как ближайший аналог не предназначен для смешивания более трех базовых масел, следовательно, он не может обеспечить получение товарного масла улучшенного качества, которое было получено с использованием предлагаемой кавитационной колонны. Для сравнения показателей качества полученного масла, в лабораторных условиях была осуществлена последовательность операций, проводимых при традиционно используемом блендировании. Операции проводились в следующей последовательности:
базовые масла: гр. II + гр. III - нагрев до 75°C + гр. IV нагрев до 75°С + гр. V, нагрев до 75°C, перемешивание в течение часа + депрессор + загуститель, нагрев до 75°C, перемешивание в течение часа + HITEC 9552, перемешивание в течение часа + HITEC 9490 нагрев до 75°C перемешивание в течение 3 часов.
3
При использовании традиционного блендирования на производство 1 м товарного масла затрачивается приблизительно 7,5 часов, в отличие от 40 минут при использовании предлагаемой кавитационной колонны. Кроме того, надо отметить, что энергозатраты при использовании предлагаемой кавитационной колонны несравненно более низкие, т.к. не требуется дополнительного нагрева смеси.
Сравнение показателей качества полученного масла:
Чтобы подтвердить способность кавитационной колонны производить товарное масло улучшенного качества, были проведены опытные испытания получения более сложного масла Grace Absolute 0w-20 на основе пяти базовых масел с легирующими присадками, модификатором трения, депрессором и загустителем. Показатели качества полученного товарного масла оказались еще лучше, чем у товарного масла на основе четырех базовых масел. Отмечено уменьшение деструкции загущающей присадки до 5,8%, температуры застывания до -53°C.
Полученное с использованием предлагаемой кавитационной колонны масло подвергалось центрифугированию, а также длительному хранению (более года) для осуществления контроля за расслоением и выпадением осадка. При испытании не было зафиксировано расслоения и выпадения осадка, что подтверждает повышение степени гомогенизации смеси.
Таким образом, опытные испытания предлагаемой конструкции кавитационной колонны подтвердили возможность получать смазочное масло улучшенного качества на основе более трех базовых масел с легирующими присадками и добавками в виде высокомолекулярных полимеров с уменьшением механической деструкции последних и повышением степени гомогенизации смеси. Конструкция кавитационной колонны, описанная в ближайшем аналоге, не позволяет получать смазочное масло аналогичного качества.