CC BY
112
ОСУШКА ОТРАБОТАННЫХ МАСЕЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЕЭМУЛЬГАТОРА
Глущенко Андрей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования»
ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина»
432017, г. Ульяновск, бульвар Новый Венец, 1; тел.: 89374564933; e-mail: oildel@vandex.ru.
ключевые слова: осушка, отработанное масло, деэмульгатор
Для осушки отработанных масел предложен деэмульгатор на основе профилированного сопла Лаваля. Определены условия для обеспечения испарения растворенной в масле воды при прохождении его через сопло. Представлены результаты экспериментальных исследований предлагаемого деэмульгатора.
введение
В настоящее время все технологические процессы очистки масел основаны либо на его нагреве, либо на использовании реагентов (коагулянтов) для поглощения воды (осушки). К высокотемпературным процессам относят: перегонку (атмосферно-вакуумную или в присутствии катализаторов), термический крекинг, термодиффузионное разделение и др. Использование существующих способов требует дорогостоящего оборудования. Кроме того, технологический процесс очистки масел достаточно сложен, а выход товарного продукта не превышает 60...80 %. Использование коагулянтов приводит к образованию труднорегенерируемых отходов в виде прореагировавших веществ, утилизация которых зачастую представляет большую экологическую опасность, чем сами отработанные масла.
Использование таких технологий в условиях небольших аграрных предприятий неэффективно, и при незначительных объемах переработки (до 1000 т в год) себестоимость восстановленных масел превышает стоимость товарных масел в 1,5...3 раза [1].
Таким образом, необходимо использовать безопасные технические средства, обеспечивающие эффективное осушение отработанного масла, имеющие высокую производительность и низкую стоимость.
Объекты и методы исследований
В качестве технических средств для осушки масла рекомендуется использовать деэмульгаторы, работа которых основана на истечении жидкости через суживающееся сопло. Принцип работы деэмульгатора предполагает выделение паров воды из недогретого до насыщения и вскипающего при истечении через сопло отработанного
масла. В выходном срезе сопла деэмульгатора формируется сверхзвуковая струя мелкодисперсной парокапельной структуры. В условиях больших перепадов входного Р1 и выходного Р2 давлений и критической скорости, равной местной скорости звука, осуществляется процесс расширения масла с высоким объемным паросодержанием (хп -> 1). Наиболее известными устройствами, в которых реализуются эти условия, являются суживающиеся и расширяющиеся сопла Лаваля.
Согласно многочисленным исследованиям [2, 3, 5], установлено, что процесс парообразования в расширяющихся соплах при истечении недогретой до насыщения жидкости (рис. 1) начинается в области минимального сечения d ..
mn
Рис. 1 - Схема процесса парообразования в сопле Лаваля при истечении недогретой жидкости (обозначения в тексте)
Это объясняется тем, что в жидкости, поступающей в сопло, давление пара внутри пузырьков Рп равно давлению насыщения Ра и давлению потока жидкости Р1. При пересечении минимального сечения увеличивается скорость с одновременным падением давления в этом месте. Если абсолютное давление при этом достигает значения, равного давлению насыщенных паров жидкости Р2 = Ра при данной температуре, или значения, равного давлению, при котором начинается выделение из нее растворимых газов Р = Р , то в данном месте потока наблюдается интенсивное парообразование (кипение) и выделение газов. Таким образом, для испарения растворенной в масле воды при прохождении через сопло, необходимо обеспечить соблюдение неравенства Р < Р = Р или Р < Р = Р). Зная, что с увеличением скорости масла давление снижается, в сопле необходимо обеспечить та-
кую скорость масла, которая обеспечивает снижение давления потока масла до Р2.
Исходя из классической теории истечения жидкости или газа через суживающееся сопло, скорость потока и массовый расход определяют сравнением критического отношения давлений в > Р2/Р1.
Показатель адиабаты процесса для влажного насыщенного пара [2]
k = 1,035 + 0,1х„, (1)
где хп - содержание водяного пара в масле, %.
По полученному значению адиабаты к определяют критическое отношение давлений в [4]. Исходя из условия в = Р2/Р1 и Р = Р , давление подачи масла в сопло
Pi =РРг. (2)
Исходя из требования перепада давления, которое необходимо обеспечить при прохождении отработанного масла через сопло, определяют конструктивно-геометрические параметры деэмульгатора - диаметр минимального сечения dmn, диаметр выходного сечения dgbix, а также длину l расширяющейся части сопла (рис. 2).
рис. 2 - схема расчета сопла деэмульгатора: а - угол расширения сопла
Поскольку в минимальном сечении сопла должны обеспечиваться критическая скорость истечения и максимальный массовый расход масла, площадь минимального сечения рассчитывают по формуле:
где ^ - коэффициент, зависящий от показателя адиабаты; Smin - площадь минимального сечения сопла, м2; Pi - давление
Рис. 3 - Установка деэмульгирования масел (обозначения в тексте)
Рис. 4 - Профилированное сопло деэмульгатора
потока масла на входе, МПа; vi - удельный объем масла при входе в сопло, м3/кг.
Отсюда, при известных значениях давления и скорости потока масла, площадь сечения сопла
Ьг (4)
Задавшись необходимым массовым расходом Qmax, исходя из производительности установки деэмульгирования, минимальный диаметр сопла
q
S
d =
(5)
При допущении равенства массового расхода недогретой жидкости при прохождении через минимальное и выходное сечения сопла, площадь выходного сечения
S =
|2 к pi
к-1уг
(р > 1 2 к ( Р \ 1 2
у V^ly
к+г к
(6)
где Р2 - давление потока масла на выходе из сопла, МПа.
Поскольку на границе среза сопла при выходе струи выходу пара из масла оказывает сопротивление сила поверхностного
натяжения масла , то пары воды в сечении сопла будут выделяться при выполнении следующего условия:
Р + Р > Р т.е Р, =Р + Р >Р7. ij\
п сг 2? 1 п сг 2 у /}
Тогда, с учетом этого условия, уравнение (6) примет вид:
к Р + Р
к-1
р„ + р„
р„+р„
(8)
Длину расширяющейся части сопла определим из соотношений в прямоугольном треугольнике, образуемом минимальным и выходным сечениями и углом расширения сопла tg(a/2) (рис. 2). Тогда
с? d — d ■
f-c _ вых тц
8 2 21
(9)
Откуда
1 =
d dm;r
а
2
(10)
Результаты исследований
На основании расчетов получены следующие конструктивно-геометрические параметры деэмульгатора в виде сопла Лаваля: диаметр минимального сечения 5 мм, диаметр выходного сечения - 14 мм, длина расширяющейся части сопла - 117 мм при угле расширения сопла 10о.
Исследования процесса осушки отработанного масла проводили на экспериментальной установке (рис. 3), включающей в себя емкость для нагрева масла 1, масляный насос НШ-32У 2, деэмульгатор 3 (рис. 4). Масло нагревали в емкости с помощью электрических тэнов. Перед началом исследований определяли содержание
Рис. 5 - Изменение содержания воды в масле Q от температуры нагрева t----без
деэмульгатора, — - -с деэмульгатором
0 5 10 15 20 25 30
0
Рис. 6 - Зависимость времени т обезвоживания от содержания воды Q в масле без деэмульгатора,------ с деэмульгатором
воды в масле. В процессе обезвоживания с интервалом нагрева 20 оС отбирали пробы для определения процентного содержания в масле воды. Масло нагревали и осушали до отсутствия воды в пробах.
Деэмульгирование отработанных масел проводили стандартным методом - нагревом масла и с использованием предлагаемого деэмульгатора. В процессе исследований установлено, что для осушки традиционным способом водно-масляную эмульсию необходимо нагреть до температуры 150 оС (рис. 5), а с использованием деэмульгатора - только до 105 оС.
При этом использование деэмульгатора позволяет осушить отработанное масло всего за час, в то время как осушка того же объема водномасляной эмульсии без деэмульгатора занимает 8 часов (рис. 6). выводы
На основании проведенных исследований установлено, что использование деэмульгатора позволяет осушить масло при температуре 105 оС, в отличие от наиболее распространенного метода осушки, при котором тре-
буется нагрев масла до 150 оС. При температуре 105 оС масло не окисляется, что позволяет сохранить его эксплуатационные свойства, а время осушки снижается с 8 ч до 1 ч.
Библиографический список
1. Глущенко, А.А. Экологически безопасные технологии для восстановления эксплуатационных свойств отработанного моторного масла с использованием гидроциклона: монография / А.А. Глущенко. -Ульяновск: УГСХА, 2011. - 185 с.
2. Прандтль, Л. Гидроаэромеханика / Л. Прандтль. - Москва - Ижевск: R&C Dynamics, 2000. - 576 с.
3. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский. - М.: Наука, 1987. - 840 с.
4. Гольдштейн, Р.В., Городцов В.А. Механика сплошных сред. Часть 1. Основы и классические модели жидкостей. - М.: Наука, Физматлит, 2000. - 256 с.
5. Ландау, Л.Д. Гидродинамика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц.. - М.: Наука, 1986. Т.
6. - 736 с.
