ЭЛЕМЕНТ ФИЛЬТРУЮЩЕ-ВОДООТДЕЛЯЮЩИЙ
FILTERING-WATER-SEPARATING ELEMENT

Изобретение относится к устройствам для очистки углеводородных топлив от свободной воды и механических примесей и может найти применение в нефтеперерабатывающей, авиационной и др. отраслях промышленности, в частности, при производстве, транспортировании, хранении нефтепродуктов и заполнении цистерн автотопливозаправщиков.
Процесс очистки углеводородных топлив зависит от поверхностной активности материалов, используемых для очистки топлив от механических примесей и воды. Наибольшей поверхностной активностью обладают вещества, молекулы которых дефильны, то есть состоят из полярных и неполярных частей. Такие вещества называют поверхностно-активными веществами (ПАВ).
Известно, что наличие ПАВ в топливе при эксплуатации техники проявляется различным образом (снижение износа, коррозии, влияние на окисление топлива, моюще-диспергирующие свойства и другие). В то же время ПАВ отрицательно влияют на средства фильтрации (очистки топлив от механических примесей и воды). Они способствуют росту частиц загрязнений, адсорбируются на фильтрующих поверхностях и ускоряют их блокирование механическими примесями и мазеобразными отложениями, что затрудняет удаление из топлива свободной (нерастворенной) воды и приводит к снижению производительности. (Гришин Н.Н., Середа В.В. Энциклопедия химмотологии. - М.: Издательство «Перо», 2017. - С. 447). Особенно это сказывается, когда в топливо попадают остатки ПАВ после его хранения, либо при использовании некачественно подготовленный тары.
Перед авторами стояла задача разработать ЭФВ, обладающий следующими свойствами:
- удаление из топлив ПАВ с сохранением первоначально заданной эффективности водоотделения в течение всего срока эксплуатации ЭФВ (наличие свободной воды в топливе не выше 0,0015% масс) с сохранением заданной номинальной пропускной способности и ресурса его работы.
Известны элементы, содержащие фильтрующие, коагулирующие и водоотделяющие слои, применяемые в одноступенчатых, двухступенчатых и трехступенчатых фильтрах-сепараторах (Рыбаков К.В., Жулдыбин Е.Н., Коваленко В.П. Обезвоживание авиационных горюче-смазочных материалов. -М.: Транспорт, 1979. - С. 146, 152, 159).
В качестве коагулирующей среды в вышеуказанных элементах применяются многослойные перегородки (не менее трех) из гидрофобных материалов в сочетании с хлопчатобумажным материалом грубой вязки (хлопчатобумажным «чулком»), располагаемые по направлению потока топлива.
Недостатком известных технических решений является то, что при наличии даже небольшого количества ПАВ (0,01% масс) в топливе при прохождении через данные элементы, резко ухудшаются их коагулирующие и водоотделяющие свойства, что ведет к преждевременному отрыву с поверхности коагулирующего слоя капелек воды, в результате чего они не осаждаются под действием силы тяжести и уносятся потоком топлива в фильтрат.
Известен ЭФК, содержащий фильтрующий, коагулирующие слои, слой для укрупнения капель в виде хлопчатобумажного «чулка» и водоотталкивающий слой (Патент США №3061107, B01D 29/58, 1962).
Недостатком такого ЭФК является низкая водоотделяющая способность при наличии в топливе ПАВ, вследствие срыва топливным потоком капель воды с наружной поверхности коагулирующего слоя, на котором образуется пленка из ПАВ.
Снижение ПАВ в топливе может достигаться за счет различных адсорбирующих веществ, в том числе глин (отбельных, каолиновых, бентонитовых и других). (Гришин Н.Н., Середа В.В. Энциклопедия химмотологии. - М.: Издательство «Перо», 2017. - С. 420).
2
Известен способ получения адсорбента, в частности отбельной глины путем активировании необожженной глины кислотой либо водным раствором кислоты. (Патент РФ №2379104, B01J 20/12, 2010). Полученная данным способом отбельная глина применяется в частности для рафинирования масел и жиров, ее удельная поверхность более 200 м/г, ионообменная емкость более 40 м-экв/100 г, а удельный объем пор более 0,5 мл/г, что натолкнуло на мысль о возможном применении и для удаления из топлив ПАВ.
Недостатком данного способа является одноразовое применение отбельной глины, а также необходимость дополнительной очистки очищаемой жидкости от отработанных частиц отбельной глины, и вследствие этого высокие экономический расходы. Поэтому для использования отбельных глин при адсорбции ПАВ необходимо провести исследования и найти их оптимальную форму и физические свойства, которые бы очищали от ПАВ, не влияли на очистку топлива от воды и сохраняли ресурс работы ЭФВ.
2
Таким образом наиболее близким к изобретению и взятым в качестве прототипа может быть принят любой фильтрующе-водоотделяющий элемент, используемый для очистки от воды и механических примесей. Как вариант, за прототип выбран патрон фильтров-сепараторов для очистки топлив от механических примесей и воды, содержащий размещенные по направлению потока очищаемого топлива фильтрующий, первый и второй коагулирующие слои, с наружной стороны которого натянута хлопчатобумажная трубка, и водоотталкивающий слой. Фильтрующий слой выполнен из двух слоев бумаги с уменьшением размера пор по потоку топлива. Первый коагулирующий слой выполнен в виде мата из стекловолокон с диаметром 1,5-2 мкм и обжат стекловолоконной сеткой с размером ячейки 1,6×2,5 мм. Второй коагулирующий слой выполнен из иглопробивного материала «Рудфил» с поверхностной плотностью 270-285 г/м, а хлопчатобумажная трубка натянута на цилиндрическую поверхность второго коагулирующего слоя с усилием, обеспечивающим увеличение размера ее ячеек до 1,2-1,5 от исходного, а водоотталкивающий слой выполнен из металлической сетки, покрытой фторопластовой эмульсией Ф-4Д (Патент РФ 2228785, B01D 27/00, 2004).
Недостатком прототипа является низкая эффективность ЭФВ, обусловленная резким ухудшением его водоотделяющих свойств при наличии в топливе ПАВ в любом количестве, даже менее 0,01% масс, что приводит к резкому скачку перепада давления и замене (либо очистке) самого ЭФВ.
Технический результат изобретения - повышение эффективности ЭФВ за счет ликвидации причины снижения его производительности и ресурса, при сохранении требований к качеству очистки.
2
Указанный технический результат достигается тем, что известный элемент фильтрующе-водоотделяющий, содержащий размещенные по направлению потока очищаемого топлива зажатые между торцевыми крышками фильтрующий слой, выполненный из двух слоев бумаги с уменьшением размера пор по потоку топлива, первый коагулирующий слой, выполненный в виде мата из стекловолокон с диаметром 1,5-2 мкм, намотанный на перфорированный цилиндр и обжатый стекловолоконной сеткой с размером ячеек 1,6x2,5 мм, второй коагулирующий слой, выполненный из иглопробивного материала «Рудфил» с поверхностной плотностью 270-285 г/м, на который натянута хлопчатобумажная трубка с усилием, обеспечивающим увеличение размера ее ячеек до 1,2-1,5 от исходного, и водоотталкивающий слой, согласно изобретению дополнительно содержит съемный слой из спеченной отбельной глины толщиной 12-21 мм, пористостью 31-48% и средним диаметром пор 85 мкм, размещенный перед фильтрующим слоем и зажатый в кольцевых проточках дополнительно введенных крышек, установленных с наружной стороны торцевых крышек ЭФВ.
На фиг. 1 представлен схематично элемент фильтрующе-водоотделяющий (в разрезе).
ЭФВ состоит из слоя 1 спеченной отбельной глины, закрепленного в кольцевых проточках верхней крышки 2 и нижней крышки 3 (после сборки), установленного перед патроном, который, как и в прототипе, содержит фильтрующий слой (из двух слоев 4 и 5 фильтровальной бумаги), коагулирующий слой 7, обжатый стекловолоконной сеткой 6 и намотанный на металлический перфорированный цилиндр 8, второй коагулирующий слой 9, на который натянута хлопчатобумажная трубка 10. После хлопчатобумажной трубки 10 с зазором 11 относительно ее внешней поверхности установлен водоотталкивающий слой 12. Слои 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12 закреплены между торцевыми крышками 15, 16 и образуют патрон ЭФВ, затянутый нажимной гайкой 13 между крышками 2,3 и размещенный на перфорированной трубе 14.
Слой 1 из спеченной отбельной глины с заданным размером пор подготавливают следующим образом.
Отбельную глину, например, марки МАК компании «Глобал Перлит», перемешивают с водорастворимыми кристаллами хлористого натрия (поваренная соль экстра по ГОСТ Р 51574-2018, размолотая до размеров 60-100 мкм) до получения однородной смеси, которую помещают в специальную огнестойкую форму для получения заготовки в виде трубы. Толщина стенки заготовки соответствует толщине проточек крышек ЭФВ, при этом она должна находится в пределах 12-21 мм. Диаметр заготовки также выполняют в соответствии с диаметром проточек крышек ЭФВ, а высоту заготовки - исходя из высоты патрона ЭФВ с учетом дополнительных 20 мм для фиксации в проточках крышек 2 и 3. После заполнения формы заготовкой ее подвергают спеканию в печи при температуре 380-420°С длительностью 35-40 мин, после чего вынимают из печи, дают остыть заготовке до комнатной температуры и опускают в воду на 20-25 мин, где происходит процесс растворения кристаллов хлористого натрия. Далее заготовку вынимают и снова помещают в печь, нагретую до 60-70°С на 12-15 мин, для просушки и удаления излишков влаги, а затем готовый спеченный слой из отбельной глины вынимают и дают остыть до комнатной температуры.
2
2
3
2
3
2
Готовый съемный спеченный слой 1 для удаления ПАВ представляет собой спеченную отбельную глину толщиной 12-21 мм, пористостью 31-48%, средним диаметром пор 85 мкм, следующего состава: SiO - 50-70%, AlO-15-30%, FeO - 1-5%, CaO - 0,5-1,5%, MgO - 0,1-2%, HO - 10-12% (подготовка слоя из отбельной глины 1 с заданными характеристиками обусловлена результатами испытаний, представленных в таблицах 1-7).
2
В качестве фильтрующего слоя патрона ЭФВ используют слои 4 и 5 фильтровальной бумаги марки 424 VH 206 и 882/2 VH 206 соответственно. Размер пор первого слоя 4 фильтровальной бумаги составляет: максимальный - 40 мкм, минимальный - 30 мкм, а для второго слоя 5 фильтровальной бумаги размер пор составляет 22 мкм и 17 мкм соответственно. После фильтрующего слоя помещают металлический перфорированный цилиндр 8, который обматывают первым коагулирующим слоем 7, представляющий собой мат из стекловолокна толщиной 40 мм и средним диаметром волокна 1,5-2 мкм (ТУ 5952-018-00204990-2002). Данный слой 7 обжимают стекловолоконной сеткой 6 марки ССФ (ТУ 5952-023-00205009-2014), вследствие чего его толщина уменьшается до 3,5-4 мм. За металлическим перфорированным цилиндром 8 помещают второй коагулирующий слой 9, предварительно сшитый из полотна иглопробивного фильтровального для горнорудной промышлености «Рудфил» (ТУ 8397-201-00302327-99) толщиной 5 мм, поверхностной плотностью 270-285 г/м и обжатый хлопчатобумажной трубкой 10.
Водоотталкивающий слой 12 представляет собой металлическую сетку, покрытую фторопластовой эмульсией Ф-4Д (ТУ 6-05-1246-81) и отделенную от второго коагулирующего слоя 9 с хлопчатобумажной трубкой 10 кольцевым зазором 11.
Сборка ЭФВ перед эксплуатацией осуществляется следующим образом.
На днище корпуса фильтра-сепаратора вокруг перфорированной трубы 14 устанавливают нижнюю крышку 3, на которую помещают слой 1 из спеченной отбельной глины, устанавливая его в соответствующие проточки, и патрон ЭФВ в сборе, затем на перфорированную трубу 14 сверху крышки 15 патрона ЭФВ устанавливают верхнюю крышку 2, совмещая при этом слой 1 из спеченной отбельной глины с проточками верхней крышки 2, после чего всю конструкцию затягивают сверху нажимной гайкой 13.
Для обоснования эффективности применения съемного слоя из спеченной отбельной глины были проведены испытания искусственно загрязненного (механическими примесями и ПАВ) и обводненного топлива, при этом содержание ПАВ на входе в ЭФВ составляло 0,012% масс (таблица 6), а воды - 0,05% масс (таблица 7). Подача такого топлива осуществлялась снаружи-внутрь.
При проведении испытаний в качестве исходного продукта (для введения загрязнителей) использовали топливо для реактивных двигателей марки ТС-1 по ГОСТ 10227-86.
ЭФВ работает следующим образом.
Загрязненное топливо поступает на внешнюю полость слоя пористой отбельной глины 1, проходя через который очищается от ПАВ. Затем топливо проходит через слои 4 и 5 фильтровальной бумаги, где очищается от механических примесей, после чего протекает через стекловолоконную сетку 6 в первый коагулирующий слой 7. Затем поступает через металлический перфорированный цилиндр 8 во второй коагулирующий слой 9, обжатый хлопчатобумажной трубкой 10. В коагулирующих слоях 7 и 9 происходит укрупнение капель воды до размеров, при которых они (капли), попадая на поверхность водоотталкивающего слоя 12, под действием собственного веса опускаются на дно цилиндра внутри кольцевого зазора 11.
Водоотталкивающий слой 12 обладает гидрофобными свойствами и дает дополнительную защиту от проникновения воды в фильтрат. При попадании на его поверхность мелкие капли задерживаются и оседают по мере их укрупнения в кольцевом зазоре 11, откуда выводятся из области фильтра.
Очищенное от ПАВ, механических примесей и воды топливо проходит через водоотталкивающий слой 12, выходит из ЭФВ и попадает в перфорированную трубу 14, откуда выходит через днище к потребителю.
Для подтверждения достижения технического результата исключительно в диапазоне физических свойств слоя из отбельной глины (толщина и пористость) были проведены исследования на искусственно приготовленных образцах (№№1-25). Эти образцы условно разделены на 5 партий, в каждой из которых заданы неизменная толщина и изменяемая пористость. Результаты представлены в таблицах 1-5.
3
Содержание ПАВ в фильтрате топлива (% масс) и пропускная способность предлагаемого ЭФВ (номинальная пропускная способность патрона ЭФВ без слоя из спеченной отбельной глины составляла 5 м) в зависимости от толщины и пористости слоя отбельной глины представлены в таблицах 1-5.
Как видно из результатов испытаний, образцы с толщиной слоя из отбельной глины 7 мм (таблица 1, образцы №№1-5) не обеспечивают полной очистки топлива от ПАВ из-за малой толщины слоя, поэтому для удаления из топлива ПАВ не подходят.
3
При использовании слоев из отбельной глины толщиной 12 мм (таблица 2, образцы №№6-9), 16 мм (таблица 3, образцы №№11-14) и 21 мм (таблица 4, образцы №№16-19) ПАВ удаляются из топлива полностью, однако при пористости ниже 31% (образцы №№6, 7, 11, 12, 16, 17) не обеспечивается необходимая пропускная способность ЭФВ (5 м).
При использовании слоя из отбельной глины толщиной 25 мм (таблица 5) образцы №№21-24 удаляют из топлива ПАВ полностью, однако из-за большой толщины слоя также не обеспечивается необходимая пропускная способность ЭФВ.
Образцы №10, 15, 20, 25 обеспечивают необходимую пропускную способность, однако из-за слишком высокой пористости (60%) полного удаления ПАВ не происходит.
Результаты проведенных экспериментов подтверждают, что наилучшими вариантами для удаления ПАВ из топлива является образцы №8, 9, 13, 14, 18, 19 с толщиной слоя из отбельной глины 12-21 мм и пористостью 31-48%.
Предлагаемый ЭФВ по сравнению с прототипом полностью удаляет ПАВ, поэтому ресурс работы ЭФВ увеличен, а водоотделяющие свойства и номинальная пропускная способность сохранены.
Содержание ПАВ и свободной воды в фильтрате топлива (% масс) в зависимости от количества прокаченного топлива представлены в таблицах 6, 7.
Как видно из результатов исследований, представленных в таблице 6, ПАВ полностью удаляются из топлива в предлагаемом ЭФВ, задерживаясь в съемном спеченном слое из отбельной глины, и частично удаляются из топлива в прототипе до момента прокачки 300 литров, задерживаясь на фильтрующем, коагулирующих и водоотталкивающем слоях. При этом из таблицы 7 видно, что эффективность водоотделения прототипа значительно снижается, а предлагаемого ЭФВ остается на требуемом уровне.
Для сохранения в топливе дополнительно вводимых присадок (улучшающие свойства топлива) возможен демонтаж слоя отбельной глины из ЭФВ, поскольку большинство вводимых в топливо присадок представляют собой ПАВ. Для этого ослабляют и снимают нажимную гайку 13, убирают верхнюю крышку 2, извлекают патрон ЭФВ и слой из спеченной отбельной глины 1 вместе с нижней крышкой 3, после чего помещают патрон ЭФВ на днище корпуса фильтра-сепаратора 16 без слоя из спеченной отбельной глины 1 и затягивают его сверху нажимной гайкой 13. Таким образом фильтрующие и водоотделяющие свойства ЭФВ сохраняются, а удаление из топлива присадок, улучшающих свойства топлива, не происходит.
Отличительные признаки ЭФВ позволяют удалять из топлив ПАВ, что способствует сохранению коагулирующих и водоотделяющих свойств элемента на протяжении всего срока его эксплуатации. Кроме того, для сохранения в топливе дополнительно вводимых присадок (улучшающие свойства топлива) возможен демонтаж слоя отбельной глины из ЭФВ.
Таким образом, заявляемую совокупность существенных признаков, изложенную в формуле изобретения, авторы не выявили из источников информации. Применение изобретения позволит повысить эффективность ЭФВ за счет ликвидации причины снижения его производительности и ресурса, при сохранении требований к качеству очистки.