СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
COMPLEX DIESEL FUEL PROCESSING METHOD AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для получения устойчивой водотопливной эмульсии с частичной очисткой топлива от смол, серных соединений и тяжелых углеводородов, имеющих высокую температуру кипения.
3
Известен способ обработки дизельного топлива, включающий введение многофункциональной присадки на основе поверхностно-активных веществ в подогретое дизельное топливо, при этом присадку вводят в виде композиции на основе сополимеров ненасыщенных углеводородов с удельной массой 0.7-1.2 г/см, полученной их растворением в подогретом предварительно обработанном путем гомогенизации и сепарации в вихревом аппарате роторно-дискового типа дизельном топливе (Патент RU №2184765, опубликовано 2002.07.10).
Основной недостаток способа заключается в том, что использование присадок на основе сополимеров для улучшения свойств дизельного топлива носит временный характер, т.к. присадки со временем выпадают в осадок, кроме того, полимерные присадки вместе со смолами осаждаются на рабочих поверхностях поршней и цилиндров, образуя нагар, который приводит к интенсивному износу рабочих узлов двигателя.
Известен также другой способ обработки дизельного топлива, включающий подогрев топлива, добавление воды в топливо до 3-5%, гомогенизацию раствора в поле центробежных сил в вихревом аппарате с сепарацией грубодисперсной водотопливной эмульсии, фильтрацию на пористой перегородке из поливинилхлоридного волокна и стабилизацию, путем нагрева топлива и введением присадок на основе сополимера этилена с винилацетатом в углеводородном растворителе (Патент RU №21055184, опубликовано 1998.02.20).
Недостаток указанного способа обработки дизельного топлива, как и в первом случае, заключается в том, что использование различных присадок влияет на работоспособность двигателя. Кроме того, они также имеют ограниченный срок воздействия. Указанный способ не позволяет получить полностью гомогенизированный раствор в вихревом аппарате, т.к. не обеспечивает глубокую механическую деструктуризацию топлива на молекулярном уровне, а также сохранение смеси воды с топливом происходит на короткий промежуток времени, при этом отделение водных растворов от топлива фильтрацией через ячейки 3-20 мкм мало эффективно как способ разделения близких по вязкости жидкостей.
Известен также способ комплексной обработки дизельного топлива и вихревой аппарат для его реализации, включающий подогрев топлива, путем пропускания пара или паровоздушной смеси до температуры не ниже 15°С и одновременное обводнение за счет смешения со сконденсировавшимся водяным паром, при этом раствор дополнительно подогревают до температуры не выше 35°С и перемешивают в межтрубном пространстве многоходового теплообменника. Осуществляют гомогенизацию и сепарацию капельной влаги в поле центробежных сил вихревого аппарата открытого типа с одновременным диспергированием в подсасываемом воздухе. Производят тонкую фильтрацию на гидрофобном полимерном фильтре с тонкостью очистки 3-20 мкм при перепаде давления 0.05-0.35 МПа и после дополнительного подогрева в пределах от 35 до 60°С проводят стабилизацию путем ввода присадок на основе поверхностно-активных веществ (Патент RU №2131534 С1, опубликовано 1996.09.10).
Основной недостаток способа заключается в том, что он не обеспечивает устойчивую гомогенизацию, поэтому приходится добавлять поверхностно-активное вещество, которое чревато отложениями на поверхности рабочих органов двигателя. Очевидно, что вихревой аппарат с коническими тарелками не сможет создать необходимые сдвиговые усилия для разрушения межмолекулярных связей тяжелых молекул, т.к. при диаметре конической тарелки 100 мм и допустимой скорости вращения вала аппарата порядка 3000 об/мин, максимальная окружная скорость на внешней кромке тарелки не превысит 16.0 м/с и тем более не обеспечит полную сепарацию и вывод смол, серных соединений, которые по плотности близки к плотности топлива.
Устройства, для осуществления вышеуказанных способов обработки топлива обладают те ми же недостатками, присущими этим способам, так как не обеспечивают решения задачи в полном объеме и не обеспечивают отделение и выведение таких компонентов топлива, как смолы, серные соединения и тяжелые углеводороды с длинными молекулярными связями и высокой температурой кипения, которые не только не успевают полностью сгореть в рабочем цикле двигателя внутреннего, но и создают локальные «мертвые» зоны в рабочей камере сгорания, которое приводит к неполноте сгорания топлива.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ обработки и улучшения физических свойств нефтяных топлив, включающий повышение давления топлива, разгон его в сужающем устройстве до скорости, обеспечивающей достижение давления ниже атмосферного, диспергацию топлива, торможение в расширяющем устройстве с последующим разделением топлива на легкие и тяжелые фракции (Патент RU №2283967 С2, опубликовано 2006.09.20).
Также близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство, содержащее насос высокого давления, аппарат с каналами переменного сечения с камерой, расположенной между каналами, и сепаратор (Патент RU №2283967 С2, опубликовано 2006.09.20).
Основной недостаток указанного способа и устройства применительно к обработке и получению моторного топлива улучшенного качества - это отсутствие возможности получения гомогенизированной водотопливной эмульсии с одновременным процессом очистки топлива от смол, сернистых соединений и тяжелых углеводородов и восстановление смазывающих свойств дизельного топлива после вывода из него сернистых соединений.
Изобретение направлено на комплексную обработку дизельного топлива и получение моторного топлива в виде гомогенной и устойчивой водотопливной эмульсии без применения поверхностно-активных веществ с частичным очищением исходного топлива от смол, сернистых соединений и тяжелых углеводородов, с сохранением смазывающих свойств топлива.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе комплексной обработки дизельного топлива, включающем повышение давление топлива, разгон его в сужающем устройстве до скорости, обеспечивающей достижения давления ниже атмосферного, диспергацию топлива, торможение в расширяющем устройстве с последующим разделением топлива на легкие и тяжелые фракции, обработку дизельного топлива выполняют в два этапа: на первом этапе топливо диспергируют, подавая его пульсирующим давлением 18.0-20.0 МПа в сужающее устройство, где разгоняют до скорости, обеспечивающей понижение давления до 0.01-0.005 МПа (абс.), и при этом давлении смешивают с углеводородным газом, например бутаном, пропаном или метаном, который подают в количестве 10-15% от обрабатываемого объема топлива, образующую смесь после торможения в расширяющем устройстве до давления 0.4-1.0 МПа направляют на второй этап обработки, где поток топливогазовой смеси диспергируют, подавая его пульсирующим давлением 18.0-20.0 МПа в сужающее устройство, где разгоняют до скорости, обеспечивающей достижение давления 0.01-0.005 МПа (абс.), и при этом давлении смешивают с водой, которую подают в количестве 20-25% от объема обрабатываемого топлива, при этом предварительно повышают давление воды до 1.0-1.5 МПа и насыщают ионами меди с концентрацией 0.001% от расхода воды, а образующуюся смесь после торможения в расширяющем устройстве до давления 0.1 МПа разделяют на две фракции: легкую высокогомогенную и высокоустойчивую в виде водотопливной эмульсии золотистого цвета, содержащую в количестве от 8 до 12% (мас.) мелкодисперсную воду, и тяжелую - неустойчивую фракцию в виде водотопливной эмульсии белого цвета с содержанием от 1 до 3% (мас.) топлива, а также абсорбированных водой сернистых и смольных соединений в количестве от 40 до 60% (мас.) от количества этих примесей в исходном топливе, при этом тяжелую фракцию центрифугируют и отделяют воду, которую направляют на повторное использование, а образующийся осадок утилизируют, легкую же фракцию направляют на хранение, либо на повторную обработку с целью получения устойчивой водотопливной эмульсии с более высокой концентрацией воды.
Устройство для комплексной обработки дизельного топлива, включающее емкость для обрабатываемого топлива, насос высокого давления, диспергатор топлива, выполненный в виде сужающегося и расширяющегося каналов и камеры между ними, сепаратор, емкость для отработанного топлива и емкость для приема отходов, согласно изобретению дополнительно снабжено насосом высокого давления и диспергатором, установленных между первым диспергатором и сепаратором, баллоном с углеводородным газом и дозатором, подключенных к камере первого диспергатора, водяным баком, насосом для нагнетания воды, ионизатором меди и центробежной форсункой, последовательно подключенных между собой и к камере дополнительного диспергатора, центрифугой, подключенной к сепаратору, водяному баку и емкости для приема отходов, второй емкостью для отработанного топлива, при этом обе емкости подключены к емкости для обрабатываемого топлива, а кроме того, сепаратор подключен к дозатору.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию «новизна».
Техническая сущность изобретения поясняется чертежом, на котором дана принципиальная схема устройства комплексной обработки дизельного топлива.
Предлагаемое устройство состоит из емкости 1 для обрабатываемого топлива, которое подается через арматуру 2 из хранилища; плунжерного насоса 3, диспергатора топлива 4, выполненного в виде сужающего канала 5, камеры 6 и расширяющегося канала 7; дополнительного насоса 8 и диспергатора 9, выполненного также в виде сужающегося канала 10, камеры 11 и расширяющегося канала 12; баллона 13 с углеводородным газом и дозатора 14, подключенных к камере 6 диспергатора 4, водяного бака 15, водяного насоса 16, ионизатора меди 17 и центробежной форсунки 18, соединенных последовательно и подключенных к камере 11 диспергатора 9, сепаратора 19, подключенного трубопроводом 20 к дозатору 14, трубопроводом 21 с арматурой 22 и 23 к емкостям 24, 25 для приема отработанного топлива и трубопроводом 26 к центрифуге 27, которая трубопроводом 28 подсоединена к баку 15, а трубопроводом 29 к емкости 30 для приема отходов. В свою очередь емкости 24 и 25 соединены трубопроводом 31 и арматурой 32, 33 подключены к емкости 1 для обрабатываемого топлива. Контроль давления в камерах 6 и 11 диспергаторов 4 и 9 проводится с помощью мановакуумметров 34 и 35. Подача воды в водяной бак 15 осуществляет от водопроводной сети с помощью вентиля 36, а отбор отработанного топлива из емкостей 24, 25 - через арматуру 37 и 38.
Работа устройства происходит следующим образом. Дизельное топливо из хранилища через арматуру 2 подают в емкость 1, из которой многоплунжерным насосом 3, который и создает пульсационный режим подачи, топливо под давлением 18.0-20.0 МПа направляют в диспергатор 4, где в сужающемся канале 5 разгоняют до скорости, при которой достигают давление на выходе из канала 5 и в рабочей камере 6 значения 0.01-0.005 МПа (абс), что с одной стороны обеспечивает условия для дробления топлива, а с другой - эффективное смешение его в камере 6 с углеводородным газом, например пропаном, который подают из баллона 13 в количестве от 10 до 15% от объема обрабатываемого топлива с помощью дозатора 14. Образовавшуюся газотопливную смесь затормаживают в расширяющемся канале 7 и под давлением 0.4-1.0 МПа направляют на вход насоса 8 высокого давления, где после него под давлением нагнетания 18.0-20.0 МПа подают в диспергатор 9, в сужающемся канале 10 которого разгоняют до скорости, позволяющей понизить давление на выходе из канала 10 и в камере 11 до 0.01-0.005 МПа (абс.), при этом углеводородный газ, находившийся в смеси, расширяясь, повышает эффект диспергации топлива и смешение его с парами воды в камере 11, которую в количестве 20-25% от объемного расхода топлива подают из бака 15 насосом 16 под давлением нагнетания 1,0-1,5 МПа, при этом ее предварительно обогащают в ионизаторе 17 ионами меди в количестве 0,001% от расхода воды и распыляют с помощью центробежной форсунки 18, установленной на входе в рабочую камеру 11.
Распыленную воду при давлении в рабочей камере 0,01-0,005 МПа (абс.) смешивают с диспергированным топливом, при этом часть воды успевает абсорбировать от 40 до 60% сернистых и смольных соединений от начального количества, содержащегося в исходном топливе. Образовавшуюся в камере смесь тормозят в расширяющемся канале 12 до давления 0.1 МПа и подают в сепаратор 19, где под действием разности плотностей, разделяют на две фракции, а именно: в нижней части сепаратора 19 выпадает тяжелая фракция в виде водотопливной эмульсии белого цвета с содержанием в эмульсии от 1 до 3% дизельного топлива, а также части абсорбированных водой сернистых и смольных соединений, а в верхней части сепаратора над слоем белой водотопливной эмульсии выделяется легкая фракция в виде водотопливной эмульсии золотистого цвета с массовой концентрацией от 8 до 12% воды, относительная плотность которой составляет 0,83-0,85 от плотности тяжелой фракции. Тяжелую фракцию по трубопроводу 26 из сепаратора 19 отводят на центрифугу 27, после которой свободную воду по трубопроводу 28 возвращают в бак 15, а оставшийся осадок по трубопроводу 24 направляют на утилизацию в бак 30. Легкую фракцию водотопливной эмульсии с концентрацией от 12 до 15% направляют в емкость для приема обработанного топлива 24 по трубопроводу 21 через арматуру 22. Из емкости 24 водотопливную эмульсию отводят либо в хранилище с помощью арматуры 37, либо для увеличения концентрации воды до 25% направляют на повторную обработку. С этой целью закрывают арматуру 2 и прекращают подачу дизельного топлива в емкость 1, а при достижении в ней минимального уровня организуют подачу водотопливной эмульсии по трубопроводу 31 из емкости 24 и возврат вторично обработанной водотопливной эмульсии в емкость 25, для чего открывают арматуры 32, 23 и закрывают арматуру 22. В результате вторичной обработки удается повысить концетрацию воды до 25%, и обогащенную водотопливную эмульсию отводят из емкости 25 в хранилище с помощью арматуры 38. При сепарации смеси после диспергатора 9 из смеси выделяется часть углеводородного газа, которую по трубопроводу 20 возвращают в дозатор 14, где его смешивают с газом от баллона 13 и вновь направляют в камеру 6.
Контроль давления в камерах 6 и 11 осуществляют с помощью мановакуумметров 34 и 35.
Таким образом, предлагаемый способ и устройство комплексной обработки дизельного топлива позволяют без использования ПАВ получить высокостабильную микродисперсионную водотопливную эмульсию с содержанием воды от 12 до 25% с частичной очисткой топлива от вредных примесей серы и смольных соединений с сохранением благодаря добавки ионов меди смазывающих свойств топлива.
Полученная таким способом водотопливная эмульсия остается стабильной более 10 месяцев, что свидетельствует о том, что вода в эмульсии находится в связанном состоянии. Эффективность ее применения была проверена на специальном стенде на дизель-генераторе «Хонда» мощность 2,2 кВт. Испытания дизель-генератора в режиме нагрузок от холостого хода до номинального значения проводились на традиционном дизельном топливе Л-02-40 ГОСТ 305-82 и водотопливной эмульсии состава: дизельное топливо Л-02-40 ГОСТ 305-82 85% и вода 15%.
Испытания показали устойчивую работу дизель-генератора в указанном диапазоне режимов работ, снижение вредных окислов углерода и азота в отработанных газах на 15-25% и снижение на 8-10°С температуры отработанных газов. Практически остаются неизмененньми часовой объемный расход топлива и воздуха, а удельный эффективный расход топлива уменьшается от 6 до 8%. Затраты на обработку дизельного топлива по данному способу не превышают одного процента от его отпускной цены, при этом не требуется дополнительные дорогостоящие присадки для снижения коэффициента трения после снижения содержания серы, а также ПАВ для получения устойчивой водотопливной эмульсии.
Сравнение существенных признаков предложенного изобретения и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применяемость».