УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В УГЛЕВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ ИЛИ В ВОЗДУХЕ

Полезная модель относится к средствам определения содержания воды в потоке углеводородных жидких или газообразных топлив или в потоке воздуха, и может быть использована в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также в системах централизованной заправки летательных аппаратов.
Известны средства очистки топлив, в том числе от воды, посредством фильтров - сепараторов (SU, авторские свидетельства №539587, №971415, №1057068), элементы которых выполнены с фильтрующими, коагулирующими, дренажными и водоотталкивающими слоями, причем в качестве материала коагулирующих слоев используются волокнистые стеклопакеты. Известные фильтры - сепараторы, водоотделители, содержат корпус, в котором коаксиально расположены три элемента, фильтрующий, коагулирующий и сепарирующий, при этом после фильтрующей перегородки располагаются водоотделяющие перегородки, в которых процесс коагуляции капель (укрупнение мелких капель воды) происходит в стекловолокнистых пакетах различной плотности и различных диаметров стекловолокон. Стекловолокнистые пакеты расположены последовательно друг за другом (3-5 слоев) для обеспечения возможности последовательного увеличения размера пор перегородок. Процесс коагуляции происходит за счет перехода микрокапель воды из среды топлива на поверхность стекловолокон и образования на них водной пленки, которая перетекает по ходу тока топлива с одного пакета на другой с увеличением толщины пленки и общего объема воды. При выходе из последнего пакета вода из водной пленки образует крупные капли, которые на следующих слоях задерживаются-сепарируются на отдельной покрытой фторопластом сетке (сепараторе) и под действием сил тяжести осаждаются в нижнюю отстойную зону водоотделителя.
Данные устройства предназначены для отделения воды, но не обеспечивают возможность определения ее количества в топливе.
Известны и другие устройства для очистки топлива (RU, №2050928, 1995; WO 2012024013, 23.02.2012).
Известны средства определения содержания воды в топливе оптическими средствами (FR 2902190, 2007; WO 2011027099, 2011). В частности, в WO 2011027099 использованы полимерные оптические волокна, которые чувствительны к наличию воды и изменяют свои оптические свойства в присутствии воды в жидком топливе. Оптические волокна могут быть изготовлены из водопроницаемого пластика и могут иметь разделяющую решетку, показатель преломления которой изменяется в зависимости от характера отражения или пропускания и фиксируется детектором. Водопроницаемость материала оптических волокон позволяет воде проникать в волокна и, тем самым, влиять на его показатель преломления или геометрию и, следовательно, изменять характеристику отражения или пропускания, по которой судят о количестве воды в топливе.
Известно устройство контроля обводненности дизельного топлива, которое содержит датчик контроля, установленный в нижней части фильтра тонкой очистки, между корпусом и крышкой датчика установлена крупноячеистая сетка, на которой помещен химический реагент. В осевом отверстии крышки установлена трубка из прозрачного материала и в ее нижней части установлены светодиод и фотодиод, В корпусе установлена вторая трубка из прозрачного материала, в верхней части которой размещен светодиод и фоторезистор. Дизельное топливо поступает в фильтр, и когда уровень воды достигнет верхнего торца первой трубки, вода поступает в полость датчика, и при контакте с химическим реагентом происходит химическая реакция с выделением водорода. Изменения светового потока вследствие наличия водорода фиксируются фотодиодом, сигнал с которого обрабатывается и генерируется сигнал о предельном уровне воды в фильтре (SU 1814694, 1993).
Описанные выше аналоги сложны и, к тому же, требуют помимо средства, определяющего содержание воды в топливе, установки фильтров-сепараторов для удаления воды и устройств возврата в исходное состояние.
Ближайшим аналогом полезной модели является сепарационно-фильтрующая установка, включающая два параллельно установленных фильтра-сепаратора, два распределительных клапана, блок управления и связанные с ним вакуумный насос, два датчика давления, установленные перед каждым фильтром-сепаратором, и два датчика давления, установленные после каждого фильтра-сепаратора, а также электроуправляемые золотниковые гидравлические распределители. (RU 2446858, 2010).
К недостаткам данного устройства относится ограничение его эксплуатационных возможностей вследствие отсутствия возможности количественного определения содержания воды в топливе.
Задачей, решаемой полезной моделью, является совмещение процесса очистки топлива от воды, мониторинга состояния водоотделителя и процесса определения содержания воды в топливе.
Поставленная задача решается за счет того, что через устройство для определения содержания воды в жидком или газообразном углеводородном топливе или в воздухе (водоотделитель) пропускают (прокачивают) с постоянным расходом поток углеводородного топлива (жидкого или газообразного) или поток воздуха. Устройство образовано из нескольких расположенных последовательно водоотделяющих ячеек, каждая из которых представляет собой самостоятельный фильтр-сепаратор и состоит из пористых перегородок, образованных сепарирующей сеткой и коагулятором из каркасного армирующего материала с наполнителем из пористого поливинилформаля и опорной сетки. Воду,, полученную в результате сепарирования на пористой перегородке, отводят в отстойник. Перед каждой пористой перегородкой и за ней установлен датчик давления, посредством которых при этом постоянно или периодически измеряют давление перед перегородкой и давление за ней.
Данные об измеренных величинах давления передают на аналитический блок-регистратор, в качестве которого, в частности. Может использоваться персональный компьютер. По измеренным величинам давлений в аналитическом блоке-регистраторе вычисляют разность давлений для каждой пористой перегородки и определяют по полученной разности давлений изменение гидравлического сопротивления пористой перегородки по времени. Расчет гидравлического сопротивления пористой перегородки производят на основе предварительно полученных тарировочных данных об изменении гидравлического сопротивления всех пористых перегородок в зависимости от содержания в исходном топливе воды.
Используя полученные данные, определяют количество воды, удержанной каждым коагулятором пористой перегородки, и на основе этих данных определяют количество воды, содержащейся в углеводородном топливе или воздухе.
При этом общее количество воды в определенном объеме топлива за заданный промежуток времени при постоянном расходе углеводородного топлива (или воздуха) при прокачке через водоотделитель может быть определено как сумма всего количества воды в отстойнике (получают измерением) и количества воды, содержащейся в пористых перегородках (получают расчетом).
Кроме того, общее количество воды в определенном объеме углеводородного топлива (или воздуха) при прокачке через водоотделитель может быть вычислено по изменению гидравлического сопротивления пористой перегородки на основе упомянутых выше предварительно полученных тарировочных данных об изменении сопротивления пористой перегородки в зависимости от содержания в коагуляторе воды.
Посредством аналитического блока-регистратора может быть определена математическая зависимость изменения гидравлического сопротивления пористой перегородки по времени, которую регистрируют в аналитическом блоке-регистраторе и по этим данным вычисляют процентное содержание воды в углеводородном топливе (или воздухе).
При этом сепарирующая сетка, предпочтительно, покрыта фторопластом.
Техническим результатом от использования заявленной полезной модели является улучшение эксплуатационных свойств за счет одновременного отделения воды и определения содержания воды в топливе по величине гидравлического сопротивления пористой перегородки, а также рабочего состояния пористой перегородки, при этом обеспечивается упрощение технического обслуживания водоотделителя, повышение надежности и точности определения воды в топливе (или воздухе) вследствие простого и надежного получения информации о количестве воды, удержанной поливинилформалем. Работоспособность пористой перегородки отслеживается по мониторингу состояния поливинилформаля, что необходимо в связи с тем, что пористый поливинилформаль сохраняет высокую эффективность очистки только в жестком, не насыщенном водой, состоянии.
Технический результат обусловлен тем, что эмульгированная в органической жидкости вода поглощается поливинилформалем, содержащимся в пористой перегородке, образуя в его порах более крупные капли, которые движутся вместе с потоком очищаемой жидкости. К моменту достижения укрупненными каплями воды противоположной поверхности стенки перегородки большинство капель оказывается в ее нижней части. Пористый поливинилформаль имеет два устойчивых агрегатных состояния, первый - стекловидный, жесткий, с фиксированной поровой структурой, обладающий адсорбционными влаговпитывающими свойствами, при этом по мере насыщения водой материал теряет адсорбционную активность, разбухает, волокна увеличиваются в объеме до 2000% и, теряя жесткость, становятся эластичными, т.е. материал переходит во второе состояние. Второе - эластичное агрегатное состояние пористого поливинилформаля имеет совершенно другие свойства. Высокая гидрофильность и адсорбция позволяет накапливать на поверхности и в полостях поровой структуры материала значительное количество воды. За счет высокой гидрофильности эластичный поливинилформаль имеет хорошие коагуляционные свойства (укрупняет мелкие капли воды). В процессе работы водоотделителя пористый поливинилформаль до насыщения водой имеет водосорбционные свойства и жесткую пористую структуру. После насыщения водой материал переходит из стеклообразного в эластичное состояние, набухает и приобретает водокоагулирующие свойства. Каркас пористой перегородки из нетканого полотна своей структурой ограничивает пределы эластичной деформации поливинилформаля и является ограничителем изменения размера диаметров поровых каналов, что обусловливает, несмотря на эластичность насыщенного водой поливинилформаля, сужение поровых каналов при набухании, и гидравлическое сопротивление потоку топлива увеличивается. Давление в потоке топлива фиксируется датчиками давления, расположенными по обе стороны пористой перегородки. Изменяющаяся по времени разность давлений по обе стороны пористой перегородки вычисляется блоком управления, функционально связанным с датчиками давления, на основании разности давлений определяется гидравлическое сопротивление пористой перегородки. Используя заранее установленные свойства пористой перегородки, а именно изменение гидравлического сопротивления перегородки в зависимости от количественного содержания воды, определяют ее содержание в поливинилформале, что затем позволяет с большой точностью определить процентное содержание воды в топливе, а также общее ее количество в топливе за определенный промежуток времени.
Кроме этого, отсутствие эмульсионной воды в потоке топлива, включает процесс осушки пористого поливинилформаля собственно потоком топлива и удерживаемая на перегородке вода переходит в топливо в молекулярном, растворенном состоянии, (с содержанием воды в топливе ниже 0,001% (по массе), удаляется из перегородки, что приводит устройство в исходное состояние.
Полезная модель поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг.1 изображено устройство для определения содержания воды в углеводородном топливе или в воздухе;
- на фиг.2 изображена технологическая схема устройства.
Устройство для определения содержания воды в углеводородном топливе или в воздухе содержит корпус 1, в котором установлены и закреплены несколько последовательно размещенных фильтров-сеператоров в виде водоотделяющих ячеек, образованных пористыми перегородками, каждая из которых состоит из сепарирующей сетки 2 (сепаратора), коагулятора 3, выполненного из каркасного армирующего материала с наполнителем из пористого поливинилформаля, и опорной сетки 4. Все элементы пористой перегородки сепарирующая сетка 2 - коагулятор 3 - опорная сетка 4 соединены между собой, например, проволокой (не показана), при этом проволока связывает сепарирующую сетку 2 с опорной сеткой 4, между которыми зажат коагулятор 3, образованный каркасным армирующим материалом с наполнителем из пористого поливинилформаля.
Корпус 1 представляет собой сварную конструкцию из нержавеющей стали со средствами крепления пористых перегородок, предусматривающими возможность их замены, и сливными каналами 5, число которых не менее числа пористых перегородок, для отвода свободной воды в отстойник. Перед первой пористой перегородкой в нижней части корпуса выполнен канал-пробоотборник 6.
Сепарирующая сетка покрыта фторопластом или другим гидрофобным материалом. В каждой паре коагулятор-сепаратор происходит процесс сепарирования воды в топливе и отвод ее через каналы в корпусе водоотделителя в отстойную зону - отстойник.
Водоотделитель также содержит аналитический блок-регистратор 7, и связанные с ним датчики давления 8, при этом один датчик устанавливается в потоке перед каждой пористой перегородкой 9, а другой - за ней. Аналитический блок-регистратор 7 регистрирует, вычисляет и запоминает текущее значение обводненности топлива. Кроме этого в аналитическом блоке-регистраторе 7 производятся вычисления среднего значения обводненности топлива за заданные промежутки времени при постоянном расходе топлива при прокачке через устройство.
Датчики давления устанавливаются попарно, по меньшей мере, один до и, по меньшей мере, один после каждой пористой перегородки.
Коагулятор выполнен из проницаемого во всех направлениях пористого армированного полимерного материала с открытопористой глубинной структурой, имеющей общую пористость не менее 50% с размерами элементарных пор, преимущественно, 10-200 мкм. Данный материал образован из каркаса и наполнителя. Каркас представляет собой взаимосвязанные нити или волокна, диаметр которых, преимущественно, составляет 5-400 мкм. Наполнитель из пористого поливинилформаля заполняет пространство между упомянутыми нитями или волокнами. В пористом армированном материале, образованном из нитей или волокон каркаса, пространство между которыми заполнено наполнителем, каркас может быть выполнен как из упорядочение взаимосвязанных между собой волокон (например, в виде сетки), так и хаотично расположенных нитей или волокон (нетканый материал) или чередующихся между собой упорядоченных и хаотично расположенных нитей и/или волокон (полипропиленовых и/или полиэфирных и/или полиамидных) с диаметром от 5 до 100 мкм.
Например, каркас может представлять собой полотно толщиной 1-80 мм, с поверхностной плотностью 40-1300 г/м2, состоящее из взаимосвязанных нитей или волокон в виде металлических или полимерных объемных сеток, или иглопробивного полимерного нетканого материала, или ткани, или трикотажного полотна. Пористый поливинилформаль может быть получен, например, путем конденсационного структурирования и термообработки гомогенизированной в воде композиции, включающей, по меньшей мере, поливиниловый спирт и альдегид. В процессе получения пористого поливинилформаля могут быть дополнительно использованы водорастворимые структурообразующие добавки, которые после завершения процесса подлежат полному выведению из готового продукта.
За коагулятором расположен дополнительный слой в виде опорной сетки из гидрофобного материала, выполняющая роль силового элемента, обусловливающего устойчивость и прочность пары сепаратор-коагулятор в потоке.
Очищаемое топливо или воздух проходит через последовательно расположенные пористые перегородки, очищается и поступает в приемную емкость. При этом выделенная из очищаемого продукта вода с механическими примесями через отстойники выходит наружу.
Часть потока топлива, например, керосина, или весь поток направляют в водоотделитель слева направо, как показано на чертеже. Поток проходит через одну или через несколько расположенных последовательно пористых перегородок водоотделителя, каждая из которых состоит из коагулятора и сепаратора, выполненного в виде сепарирующей сетки, покрытой гидрофобным материалом, например, фторопластом.
В процессе прохода потока через коагулятор, поливинилформаль, имеющий сильно развитую поверхность становится влажным, адсорбируя и коагулируя воду из топлива. Мелкие капли воды задерживаются поливинилформалем, в то время как более легкая углеводородная жидкость проходит сквозь него. Эти мелкие капли воды коагулируют, пористая перегородка начинает выделять более крупные капли воды (процесс коагуляции и коалесценции), которые задерживаются сепарирующей сеткой, стекают вниз и отводятся через сливные каналы в отстойник. Другие загрязнения также задерживаются пористой перегородкой и отводятся в отстойник вместе с водой.
Таким образом, в каждой ячейке, паре коагулятор-сепаратор происходит процесс сепарирования воды в топливе (дегидратация), свободная вода под действием силы тяжести оседает на дно корпуса, откуда она отводится из водоотделителя в отстойник.
При насыщении пористого поливинилформаля водой (процесс поглощения воды), происходит снижение его гидравлического сопротивления за счет перехода поливинилформаля из жесткого в эластичное состояние.
Следующая пористая перегородка - вторая ячейка, пара коагулятор-сепаратор, задерживает меньшее количество воды, так как ее количество в топливе снижено за счет работы первой пары коагулятор-сепаратор, третья и последующие пары коагулятор-сепаратор работаю аналогично. При выходе из последней пары коагулятор-сепаратор поток топлива практически не содержит воды и других загрязнений.
Регистрация и сопоставление разницы значений текущих перепадов давлений на каждой из пористых перегородок образует массив математических соотношений, которые позволяют вычислять в аналитическом блоке-регистраторе текущее процентное содержание воды в исходном проходящем топливе, или на входе промежуточных или последней пористой перегородки.
Для определения процентного содержания воды предварительно производится тарировка системы датчиков, при этом устанавливается соотношение между содержанием воды в топливе и соответствующими показаниями пары датчиков давления, установленных по разные стороны каждой пористой перегородки (разность давлений). Тарировка происходит методом прокачки нескольких вариантов приготовленной водотопливной эмульсии с заранее известной концентрацией воды и ее общим объемом в объеме топлива.
Общее количество воды за определенный промежуток времени может определяться как сумма всех объемов воды в отстойниках с поправкой на содержание воды в объеме пористой перегородки поливинилформаля. Кроме того, общее количество воды может вычисляться на основе показаний текущих перепадов давлений на каждой из пористых перегородок за определенный промежуток времени с использованием сведений, полученных в результате тарировки устройства с учетом общего объема топлива, прокачанного через устройство.
При достижении предельного уровня насыщения поливинилформаля водой аналитический блок-регистратор принимает соответствующий сигнал, показывающий, что пористая перегородка (как правило, первая) насыщена водой и работает в режиме коагуляции.
В связи с тем, что большинство механических частиц собираются в первых двух пористых перегородках, при необходимости их можно заменить или осуществить регенерацию пористых перегородок, переключив поток топлива на дублирующий водоотделитель. При осушении поливинилформаля, содержащегося в пористой перегородке, ее гидравлическое сопротивление увеличивается. Перегородка возвращается в исходное состояние и возможно ее повторное использование.
Устройство для определения содержания воды в жидком или газообразном углеводородном топливе или в воздухе (водоотделитель) основано на том, что через него пропускают (прокачивают) с постоянным расходом поток углеводородного топлива (жидкого или газообразного) или поток воздуха. Устройство образовано из нескольких расположенных последовательно водоотделяющих ячеек, каждая из которых представляет собой самостоятельный фильтр-сепаратор и состоит из пористых перегородок, образованных сепарирующей сеткой и коагулятором из каркасного армирующего материала с наполнителем из пористого поливинилформаля и опорной сетки. Воду, полученную в результате сепарирования на пористой перегородке, отводят в отстойник. Перед каждой пористой перегородкой и за ней установлен датчик давления, посредством которых при этом постоянно или периодически измеряют давление перед перегородкой и давление за ней.
Данные об измеренных величинах давления передают на аналитический блок-регистратор, в качестве которого, в частности. Может использоваться персональный компьютер. По измеренным величинам давлений в аналитическом блоке-регистраторе вычисляют разность давлений для каждой пористой перегородки и определяют по полученной разности давлений изменение гидравлического сопротивления пористой перегородки по времени. Расчет гидравлического сопротивления пористой перегородки производят на основе предварительно полученных тарировочных данных об изменении гидравлического сопротивления всех пористых перегородок в зависимости от содержания в исходном топливе воды.
Используя полученные данные, определяют количество воды, удержанной каждым коагулятором пористой перегородки, и на основе этих данных определяют количество воды, содержащейся в углеводородном топливе или воздухе.
При этом общее количество воды в определенном объеме топлива за заданный промежуток времени при постоянном расходе углеводородного топлива (или воздуха) при прокачке через водоотделитель может быть определено как сумма всего количества воды в отстойнике (получают измерением) и количества воды, содержащейся в пористых перегородках (получают расчетом).
Кроме того, общее количество воды в определенном объеме углеводородного топлива (или воздуха) при прокачке через водоотделитель может быть вычислено по изменению гидравлического сопротивления пористой перегородки на основе упомянутых выше предварительно полученных тарировочных данных об изменении сопротивления пористой перегородки в зависимости от содержания в коагуляторе воды.
Посредством аналитического блока-регистратора может быть определена математическая зависимость изменения гидравлического сопротивления пористой перегородки по времени, которую регистрируют в аналитическом блоке-регистраторе и по этим данным вычисляют процентное содержание воды в углеводородном топливе (или воздухе).
При работе заявленного устройства производится одновременное отделение воды от топлива, определяется ее содержание в топливе по величине гидравлического сопротивления нескольких пористых перегородок, а также оценивается состояние пористой перегородки. Техническое обслуживание водоотделителя упрощается, а точность измерений возрастает вследствие простого и надежного получения информации о количестве воды в потоке топлива.