УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАННЫХ МАСЕЛ ОТ ВОДЫ И НИЗКОКИПЯЩИХ ФРАКЦИЙ

Полезная модель относится к области регенерации отработанных моторных масел и может быть использована, в первую очередь, для улучшения процесса удаления водо-топливных фракций (ВТФ) в первой ступени испарения указанных фракций в объемной капельном факеле отработанного моторного масла (ОММ), а также механических и жидких загрязнений, применяемого в судовых дизелях, которые попали в него в процессе эксплуатации и хранения, для повышения вязкости масла и повышения температуры вспышки масла - основных эксплуатационных показателей моторного масла для дальнейшего его использования после регенерации.
Как известно, существующие в настоящее время установки для сепарации текучей среды, состоящей из нефти, воды и/или газа и различных примесей, имеют различные устройства для оптимизации как основного процесса очистки ОММ от ВТФ, так и подпроцессов, которые предназначены, в частности, для, например, таких целей, а именно: оптимизации процесса создания вакуума как в самом циклонном термовакуумном испарителе (ЦТВИ), так и вакуумирования в камере объема капельного испарения ОММ, куда под давлением впрыскивается ОММ и, за счет формирования полого конусного факела ОММ, в котором, в свою очередь, за счет кавитационных условий истечения масла, из него испаряются капли воды и топливные фракции. На этот процесс кавитации и организации формы факела большое влияние оказывает степень вакуумирования камеры объемного капельного испарения, как актуальная задача, а также и попытки организации направления газового потока вакуумирования в ней. Это все влияет на дальнейшее движения факела в корпусе камеры объемного капельного испарения и формы натекания его на внутреннюю поверхность ЦТВИ с оптимальными термодинамическими параметрами для дальнейшего наиболее эффективного и полного удаления ВТФ уже на второй стадии их удаления в ЦТВИ. Также многое в процессе удаления ВТФ из ОММ зависит и от импульса поступающей текучей среды для создания необходимых условий прохождения потока в сепарационном пространстве, а именно: - предотвращение осаждения входящих в состав технологических потоков загрязнений различной природы в тех местах, где это крайне нежелательно; - подготовка технологического потока таким образом, чтобы добиться оптимальных условий процесса качественной сепарации и очистки его от нежелательных компонентов загрязнителей, которые ухудшают качественные показатели исходного продукта. Также устройства (их конструктивное исполнение) ввода играют очень большое значение для полноты удаления фракций воды, а также и топлива (водо-топливные фракции (ВТФ)), попавших в моторное масло для судовых дизелей как в процессе эксплуатации, так и в процессе хранения и транспортировки. Однако известные устройства не удаляют ВТФ достаточно эффективно в силу некоторых конструктивных особенностей и недостатков. До настоящего времени необходимые эффективные малогабаритные регенерационные установки для восстановления эксплуатационных свойств отработанных и отбракованных моторных масел (ОММ) производительностью от 0,3 до 3 кубических метров в час для использования, в частности, в условиях эксплуатации морского судна (крен, дифферент и качка) отсутствуют, что является назревшей общественной потребностью, а применяемое зачастую сжигание ОММ в котельных установках судов ухудшает экологическую обстановку в акваториях портов и мирового океана, то есть не допустимы по экологическим условиям.
Известно устройство для очистки отработанных масел от воды и низкокипящих фракций (Заявка на выдачу пат. РФ 94037575, опубл. 27.07.1996), предназначенное для осуществления способа по удалению ВТФ из ОММ.
По данному известному устройству, очистку осуществляют путем испарения низкокипящих фракций из подогреваемой тонкой пленки водомасляной эмульсии, которую приготавливают при соотношении компонентов 1:0,5-10, а масляную пленку турбулизируют на поверхности нагрева в вакууме. Для этого устройство, на котором осуществляется эта очистка, содержит испарительную камеру с нагревателем, снабженную трубопроводами, подводящими водомасляную эмульсию и отводящими очищенное масло и воду вместе с отделенными примесями, а также конденсатор для сбора масла. Испарительная камера связана с вакуумным насосом, а внутри камеры установлен лопастный ротор, создающий турбулизируемую масляную пленку на поверхности испарительной камеры.
Недостатками указанного известного устройства, помимо его непригодности для частного использования на морских судах, являются:
- а) наличие отдельной емкости для приготовления эмульсии с использованием значительного количества воды, испарение которой требует больших затрат энергии;
- б) конструкция устройства не обеспечивает возможность отделения от масла нелетучих макромолекулярных соединений и коллоидных частиц различной природы, присутствующих в отработанных маслах;
- в) использование в конструкции установки достаточно сложного ротора, вращающегося в условиях вакуума и повышенной температуры, так как закоксовывание нагретой поверхности стенок камеры и осаждение на лопастях ротора твердых примесей приводит к уменьшению толщины масляной пленки и выходу из строя известного устройства. По указанным причинам известное устройство применения не нашло.
Наиболее близким по технической сущности и по большинству признаков к заявляемому решению является «Устройство для очистки отработанных масел от воды и низкокипящих фракций» (патент на полезную модель РФ 159757), в котором используют устройство для вакуумирования расширяющейся камеры объемной капельного испарения (ОКИ), которая имеет конусообразную форму и сообщена с шарообразной вакуумированной камерой. Эта камера имеет два противоположных отверстия, выполненных на одной оси. В одно отверстие встроен корпус форсунки эжектора, посредством которой в камеру ОКИ под давлением вводится ОММ, которое за счет распылителя форсунки приобретает форму полого конусного факела. Этот факел входит во входное отверстие камеры ОКИ, далее натекает на внутреннюю поверхность циклонного термовакуумного испарителя (ЦТВИ) (где создан вакуум за счет водяного вакуумного эжектора) и далее преобразуется в потенциальный наружный вихрь. Данное известное устройство для очистки отработанных масел от воды и низкокипящих фракций работает путем ввода многокомпонентной жидкости с парогазовой фракцией (отработанного моторного масла судового дизеля после вакуумной кавитации). В корпус ЦТВИ производят подачу факела тангенциально на его поверхность в виде тонкопленочного вихревого течения, спутно движущегося вниз. Испарительная камера выполнена в виде сообщенных между собой расширяющейся камеры объемного капельного испарения - первая ступень и циклонного термовакуумного испарителя (ЦТВИ) - вторая ступень. Корпус форсунки встроен, как изложено, выходной частью в вакуумированную камеру, которая выходной частью сопряжена с расширяющейся камерой объемного капельного испарения, которая, в свою очередь, выходной частью своего корпуса сообщена тангенциально с внутренней поверхностью циклонного испарителем, и этот корпус также неподвижно прикреплен к корпусу циклонного испарителя с внешней стороны. Вакуумный насос выполнен в виде водяного эжектора. Нагреватель расположен в верхней части на наружной поверхности циклонного испарителя, в крышку которого вмонтирован приемник пара. При этом приемник парогазовой смеси (для ее транспортирования в конденсатосборник фракций топлива и воды), состоящей из водо-топливной фракции, отсепарированной из ОММ в конусном капельно-жидком факеле, распыленном в объеме расширяющейся камере объемного капельного испарения и в тонкопленочном потоке ОММ, формируемом на внутренней сферической поверхности циклонного испарителя, своим выходом сообщен с полостью конденсатора, а водяной вакуумный эжектор сообщен своей приемной воздушной полостью с данной полостью конденсатора, а также и с полостью вакуумированной камеры. Причем трубопровод отработанной воды эжектора соединен со змеевиком конденсатора. Циклонный испаритель через свое выходное отверстие сообщен с маслосборником очищенного масла, в котором размещен теплообменник, вход которого соединен с трубопроводом, подводящим очищаемое масло на очистку, а выход - с трубопроводом, подающим масло на форсунку, на котором далее последовательно установлены подающий масляный насос, основной подогреватель масла и фильтр тонкой очистки масла. Причем маслосборник очищенного масла снабжен откачивающим масляным насосом, в напорный трубопровод которого встроен диспергатор-дозатор присадки.
Недостатками указанного известного устройства являются:
- а) отсутствие возможности оперативно влиять на организацию формы полого конусного факела сразу же на срезе распылителя сопла форсунки и далее до натекания потока ОММ на внутреннюю поверхность модуля циклонного испарителя для изменения его площади натекания, что снижает качество удаления ВТФ из ОММ;
- б) конструкция устройства вакуумированной камеры сразу же переходит своей полостью в объем камеры ОКИ, и газовый поток вакуума не подлежит своему регулированию при формировании факела ОММ и не обеспечивает тем самым возможность влиять на необходимую для эффективного отделения пульсацию вводного потока текучей среды (факела ОММ);
- в) не обеспечивается возможность воздействия и управления формированием направления потока вакуума, а не только самой его величины, что не обеспечивает достаточно высокую степень очистки ОММ.
По указанным причинам известное устройство требует технического совершенствования.
Технической задачей заявляемой полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно: создание устройства с его вакуумированной камерой для эффективной организации необходимой формы факела ввода ОММ в циклонный вакуум-термический испаритель очистного модуля, способного качественно очищать ОММ и работать как в судовых условиях (как частный случай) - эксплуатации морского судна при крене, при дифференте и условиях качки, так и в общем случае - в условиях предприятий регенерации отработанных смазочных материалов.
Указанная техническая задача достигается тем, что в известном устройстве для очистки отработанных масел от воды и низкокипящих фракций, содержащем испарительную камеру, выполненную в виде сообщенных между собой камеры объемного капельного испарения и циклонного испарителя, содержащего вакуумированную камеру, форсунку, встроенную выходной частью в вакуумированную камеру, которая выходной частью сопряжена с камерой объемного капельного испарения, которая, в свою очередь, выходной частью сопряжена тангенциально с циклонным испарителем; а причем форма внутренней поверхности циклонного испарителя образована сопряжением по горизонтали двух поверхностей тел вращения, в отличие от него в заявляемом устройстве вакуумированная камера выполнена в форме такого полого цилиндра, который имеет плоские приемную и выходную торцовые стенки, в каждой из которых выполнено круглое, асимметричное по отношению к оси вакуумированной камеры отверстие. В асимметрическое отверстие ее приемной торцовой стенки установлен цилиндрический корпус форсунки. В верхней боковой стенке корпуса вакуумированной камеры выполнено отверстие для присоединения трубопровода системы вакуумирования. Между данным отверстием и выходной стенкой вакуумированной камеры на ее верхней боковой стенке выполнено сквозное прямоугольное отверстие, в которое с закреплением установлена кассета коробчатой формы, боковые стенки которой примыкают к боковым стенкам вакуумированной камеры, с размещенными внутри нее шиберными пластинками на осях. К выходной стенке вакуумированной камеры вокруг ее выходного, круглого асимметричного отверстия примыкает цилиндрический корпус камеры объемного капельного испарения, который установлен соосно с осью корпуса форсунки, цилиндрическая поверхность которого сопряжена с цилиндрической внутренней поверхностью нижней боковой стенкой вакуумированной камеры. Цилиндрический корпус камеры объемного капельного испарения выполнен внутри с комбинацией осевых проточных каналов, имеющих последовательное по ходу потока сообщение с различным поперечным сечением, которая состоит из трех частей, из которых первый канал является входной частью камеры объемного капельного испарения, второй канал имеет зауженное относительно первого поперечное сечение, а третий канал, расположенный за вторым, сопоставим по диаметру своего поперечного сечения с выходным отверстием вакуумированной камеры и является выходной частью камеры объемного капельного испарения, которая тангенциально примыкает к корпусу циклонного испарителя, вводя тангенциально факел отработанного масла на его внутреннюю сферическую поверхность. При этом коробчатый корпус кассеты имеет свой нижний торец вогнутой формы, который сопряжен с цилиндрическим корпусом форсунки, а верхняя его часть плотно сопряжена с кромками упомянутого прямоугольного отверстия корпуса вакуумированной камеры. Шиберные пластинки размещены в сквозном прямоугольном окне тела коробчатой кассеты, жестко закреплены каждая на осях, каждая из которых, в свою очередь, своей нижней оконечностью встроена в поверхность нижней стороны данного прямоугольного окна тела кассеты, а верхней оконечностью каждая из данных осей пропущена насквозь через соответствующее вертикальное отверстие тела кассеты. Причем все данные оси в верхней оконечности имеют свои рычаги поворота, которые все имеют два разных привода поворота, один из которых сочленен с рычагами поворота смежных шиберных пластинок одной группы пластинок, а другой привод поворота сочленен с другими рычагами поворота другой группы смежных пластинок. В частном случае выполнения поперечные входное и выходное сечения камеры объемного капельного испарения установлены такими, которые образуют равенство скорости движения выходящих паровой и жидкостной фракций факела, а длина самой камеры и диаметр ее выходного отверстия установлены такими, которые обеспечивают минимальное смещение оси факела при наличии динамических линейных и угловых перемещений корпуса устройства.
Заявляемое устройство эффективно тем, что для очистки подводимого ОММ от ВТФ, после известного удаления механических примесей (нагрев и фильтрация), применяется заявляемое термовакуумное испарение при последовательном двухэтапном процессе отгона ВТФ: сначала - капельно-пленочная дистилляция в камере объемного капельного испарения после форсунки и вакуумированной камеры, а затем - в циклонном пленочном испарителе со сферической поверхностью, а именно - циклонном термовакуумном известном испарителе (ЦТВИ) соответственно, где реализуется применение эффекта Ранка-Хилша.
Удаление ВТФ из ОММ происходит за счет последовательного сообщения системы вакуумирования с полостью конденсатора и выходным приемником пара известного ЦТВИ (не является объектом притязаний), а также и вакуумированной камеры, обеспечивающего испарение ВТФ на двух этапах: сначала - в камере объемного капельного испарения, сообщенной с вакуумированной камерой, капельно-пленочное испарение, за счет турбулизации потока ОММ на выходе из форсунки, и затем - за счет организации тонкопленочного течения масла по кругу внутренней сферической подогреваемой поверхности известного ЦТВИ и испарения из пленки масла самих паров ВТФ, которые движутся спутно потоку пленки масла сверху вниз и, благодаря его сферической форме, образуют внешний вихрь паров воды и топлива, движущийся по часовой стрелке.
Благодаря наличию совокупности признаков, а именно наличию кассеты с шиберными пластинками в корпусе вакуумированной камеры, позволяющими регулировать параметры направления потоков вакуума и его глубину, а также и тому, что, в частности, геометрические параметры конечных поперечного входного и выходного сечений камеры объемного капельного испарения (сопоставимость диаметров ее третьего и первого каналов) установлены такими, которые образуют равенство скорости движения выходящих паровой и жидкой фракций факела, а длина самой камеры объемного капельного испарения (ОКИ) и диаметр ее выходного отверстия установлены такими, которые обеспечивают минимальное смещение факела при наличии динамических линейных и угловых перемещений корпуса устройства, достигается возможность применения устройства на морских судах. Форма камеры объемного капельного испарения (ОКИ), которая состоит из трех каналов, имеющих различную геометрическую размерность их формы (диаметров и длины), выполняет вместе с вакуумированной камерой и распылителем форсунки при их функции - создание, в месте их соединения, таких параметров кавитационных процессов в начальной стадии формирования полого конусного факела, которые обеспечивают максимальное удаление ВТФ из ОММ. При этом существенную роль форма камеры ОКИ играет в организации такого конусного полого факела, обеспечивающего движение потока ОММ, с испаряющимися водо-топливными фракциями, который не касается внутренних поверхностей камеры ОКИ. При этом достигается цель оптимального натекания потока масла тангенциально на внутреннюю поверхность циклонного испарителя для формирования вихревого устойчивого тонкопленочного течения потока масла, что необходимо для положительного влияния эффекта Ранка-Хилша на эффективность установки регенерации отработанных моторных масел в судовых условиях.
Таким образом, достигается поставленная техническая задача заявленного изобретения.
Актуальность предлагаемого решения вытекает из того факта, что данное техническое решение влияет на улучшение работы регенерационной установки с ЦТВИ без вращающегося ротора, что упрощает ее конструкцию и позволяет оптимизировать применение эффекта Ранка-Хилша для регенерации ОММ, что затруднено в конструкциях известных других аппаратах по регенерации ОММ.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых дана общая схема конкретного исполнения устройства полезной модели, поясняемая следующими иллюстрациями:
фиг. 1 - продольный разрез вакуумированной камеры с форсункой, камерой ОКИ и шиберными пластинками;
фиг. 2 - поперечный разрез вакуумированной камеры с кассетой и шиберными пластинками.
Заявляемое устройство для очистки отработанных масел от воды и низкокипящих фракций (установка регенерации) содержит вакуумированную камеру 1 в форме полого цилиндра с приемной и выходной торцевыми стенками 2 и 3. В приемной стенке 2 имеется круглое, асимметричное с осью корпуса вакуумированной камеры отверстие 4, в которое установлен цилиндрический корпус форсунки 5. Корпус форсунки 5 своей наружной цилиндрической поверхностью 6 сопряжен с цилиндрической внутренней поверхностью нижней боковой стенки 7 корпуса вакуумированной камеры 1 с минимальным зазором. В верхней боковой стенке части корпуса вакуумированной камеры 1 имеется отверстие 8 для трубопровода 9 системы вакуумирования установки (не показана). Между отверстием 8 и выходной стенкой 3 в верхней боковой стенке цилиндрического корпуса вакуумированной камеры 1 выполнено отверстие 10 прямоугольной формы. В отверстие 10 установлена кассета 11, в виде коробки, боковые стенки которой примыкают к боковым стенкам камеры 1, с размещенными внутри нее шиберными пластинками 12 на осях 13 (см. фиг. 2).
В боковой выходной стенке 3 вакуумированной камеры 1 имеется круглое, асимметричное с ее осью отверстие 14 для сообщения ее с прилегающим корпусом камеры объемного капельного испарения (ОКИ) 15, который закреплен к ней жестко (без перемещений) и соответственно соосно с осью корпуса форсунки 5. В корпусе камеры ОКИ 15 имеется комбинация последовательных цилиндрических осевых проточных каналов, состоящая по ходу оси потока из трех составных частей, а именно: второй канал 16 с защемленным (зауженным) поперечным сечением для пережима потока факела отработанного моторного масла (ОММ), поступающего через кольцевую щель 17 распылителя 18 форсунки 5, первый канал - 19, который является входной частью камеры ОКИ 15 и сопряжен с выходным отверстием вакуумированной камеры 1, третий канал - 20, расположенный за вторым каналом 16 (пережима потока), который сопоставим по внутреннему диаметру с асимметричным отверстием 14 и является выходной частью камеры ОКИ 15, которая примыкает и вводит факел отработанного масла тангенциально в корпус 21 циклонного термовакуумного испарителя (ЦТВИ) на его внутреннюю сферическую (не показана) поверхность 22, в котором происходит формирование факела ОММ, вводимого в камеру ОКИ 15 из форсунки 5 под давлением через круговую щель 17 распылителя 18 и под воздействием направления потока вакуума, создаваемого углом поворота шиберными пластинками 12. Коробчатый корпус кассеты 11 имеет нижний торец вогнутой формы, сопряженный с цилиндрическим корпусом форсунки 5, а верхняя его часть сопряжена с кромками прямоугольного отверстия 10 корпуса вакуумированной камеры 1. Шиберные пластинки 12 размещены в сквозном окне 23 тела кассеты 11, жестко закреплены на осях 13, которые своей нижней оконечностью встроены (не показана) в поверхность нижней стороны сквозного окна 23, а верхней оконечностью пропущены насквозь через вертикальные отверстия (не показаны) тела кассеты 11. Все оси 13 групп 24 и 25 шиберных пластинок 12 в верхней части имеют рычаги соответственно 26 и 27, которые имеют два привода поворота (не показано), один для поворота смежных шиберных пластинок 12 одной группы 24 и другой для поворота смежных шиберных пластинок 12 другой группы 25. Они за счет своего поворота, обусловленного необходимостью влиять на: первое - качественный показатель вакуумированной камеры - направление потока газов в ней для воздействия на форму факела в момент его зарождения при выходе из распылителя форсунки (связано с процессом стабильного испарения водяной фракции из ОММ), и второе - количественный показатель вакуумированной камеры - перераспределение параметров соотношения величин вакуума из полости системы вакуумирования вакуумированной камеры и камеры ОКИ, обеспечивают изменение проходного сечения сквозного окна 23 от нуля «0» до максимального сечения при повороте шиберных пластин на угол 90 градусов «90 град.», согласно указателю шкалы (не показано), и организацию направления потока вакуума, за счет положения пластинок по отношению к внутренним стенкам вакуумированной камеры, и его (вакуума) физическую величину из вакуумированной камеры 1 в камеру ОКИ 15, в комбинации с ее последовательными проточными каналами 19, 16 и 20. Такое конструктивное исполнение - наличие двух поворотных групп 24 и 25 шиберных пластинок 12 с возможностью, при их развороте в разные стороны за счет рычагов 26 и 27, направлять поток газов в процессе создания вакуума к внутренним стенкам вакуумированной камеры 1 за отверстием 10 прямоугольной формы к области зарождения конусного факела ОММ, а конкретно в месте среза (выхода) ОММ из распылителя 18 форсунки 5 и входа в камеру ОКИ 15, которая в частном случае имеет конечные поперечные входное и выходное сечения каналов 19 и 20 такими, которые образуют равенство скорости движения выходящих паровой и жидкой фракций факела, а длина самой камеры и диаметр ее выходного отверстия канала 20 также установлены такими, которые обеспечивают минимальное смещение оси факела при наличии динамических линейных и угловых перемещений корпуса устройства (то есть при применении его на судах).
Заявляемую полезную модель осуществляют следующим образом: поток ОММ, формируемый форсункой 5 через щель 17 распылителя 18, в виде полого конусного факела 28 поступает на внутреннюю сферическую поверхность 22 циклонного испарителя 21 и далее, за счет ее - сначала, например эллипсоидной формы, а затем сопряженной с ней по горизонтали - цилиндрической формы, приближенной к конусной с переменным сечением книзу, закручивается по внешней спирали и движется вниз спутно по направлению выходного отверстия испарителя (не показано).
Многокомпонентная смесь ОММ в корпусе 15 камеры ОКИ разделяется на пары воды, топлива и жидкое отработанное масло, которые транспортируются в ЦТВИ в форме потока конусного полого факела 28, из которого пары ВТФ из верхней части испарителя, сообщенный с полостью конденсатора (не является объектом притязаний), сообщенной с системой вакуумирования установки (не является объектом притязаний), отсасываются за счет создаваемого вакуума в системе вакуумирования циклонного испарителя 21 в конденсатор. Для этого в начальный процесс удаления ВТФ в камере ОКИ 15 шиберные пластинки 12 групп 24 и 25 поворачивают и перекрывают полости вакуумированной камеры 1 и камеры ОКИ 15 от системы вакуумирования установки регенерации ОММ, и уровень вакуума в общей системе составляет величину около 0,070 МПа. Когда процесс удаления ВТФ увеличивается за счет увеличения глубины вакуума в системе до 0,045 МПа и возникает опасность захвата и уноса капель масла в конденсатор, группы 24 и 25 шиберных пластинок 12 открывают сечение сквозного окна 23 в кассете 11 и, за счет дополнительного вакуумирования камеры ОКИ 15, за счет сообщения ее полости с полостью вакуумированной камеры 1, происходит интенсификация удаления ВТФ. Причем это происходит именно в камере ОКИ 15, и этим уменьшается вероятность уноса капель ОММ в конденсатор, то есть происходит полноценный двухстадийный процесс удаления ВТФ сначала в камере ОКИ, а затем остатки ВТФ максимально удаляются в процессе их испарения в циклонном термовакуумном испарителе с возможностью использования эффекта Ранка-Хилша. Это существенно увеличивает эффективность установки регенерации ОММ, в том числе и в судовых условиях. При этом достигается возможность энергосбережения горюче-смазочных материалов за счет более полной утилизации энергетических второстепенных ресурсов судовых ДВС.