Экспериментальные исследования разделения устойчивых эмульсий в струйном аппарате

Автор: М.П. Тюрин, Л.М. Кочетов, В.Б. Сажин, И.А. Попов, М.А. Апарушкина, З.Н. Османов, О.С. Емельянова
Источник: Научная электронная библиотека «КИБЕРЛЕНИНКА»

Аннотация

Приведены результаты экспериментальных исследований разделения устойчивых эмульсий в струйном аппарате. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны типовые конструкции многофункциональных аппаратов с регулируемой гидродинамикой, предназначенные для регенерации исходных веществ из загрязнённых устойчивых эмульсий.

Анализ

В процессе проведения экспериментальных исследований в качестве разделяемых сильнозагрязненных смесей, содержащих устойчивые эмульсии, использовалось: на первом этапе отработанное турбинное масло из турбинного цеха тепловой электростанции и образующийся на дне мазутохранилищ осадок, представляющий собой твёрдую, асфальтоподобную субстанцию – на втором.

Принципиальная схема полупромышленной установки для проведения исследований представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема установки регенерации масла

1 – ДУВД (дизельная установка высокого давления); 2 – струйный аппарат;
3 – отстойник; 4 – ёмкость со смесью подлежащей регенерации;
а – высоконапорный подвод воды к соплу эжектора;
б – слив смеси воды и регенерируемых веществ в отстойник;
в – забор вещества из приямка.

Основой установки является струйный аппарат, конструкция которого представлена на рисунке 2.

Экспериментальные исследования по разделению сильно загрязнённых эмульсий проводились с использованием дизельной установки высокого давления (ДУВД 6/630) с расходом воды при номинальных оборотах – 4 м³⁄час. Максимальное давление на выходе из насоса – 63 МПа. Установка оснащена дизельным двигателем и трёхплунжерным горизонтальным водяным насосом высокого давления. Этот насос позволяет плавно изменять давление на выходе ДУВД.

На первом этапе материалом для исследований послужило вещество из открытой бетонной ёмкости турбинного цеха (приямка). Его основой является отработанное турбинное масло, представляющее собой обратную эмульсию, загрязнённую мелкими частицами металла от трущихся частей подшипников, пылью и грязью, попадающими в масло при его контакте с внешней средой, а также примесями других нефтепродуктов, используемых при работе оборудования.

Установка работает следующим образом.

Вода от установки высокого давления (ДУВД) под высоким давлением (до 30 МПа) по высоконапорным шлангам подается в сопло струйного аппарата и затем с высокой скоростью (около 250 м ⁄ с) поступает в камеру смешения аппарата. В камере смешения создается разряжение, в результате чего происходит всасывание в нее обрабатываемого вещества через входное отверстие аппарата. При этом в камере смешения на обрабатываемую смесь оказываются сильные гидродинамические воздействия. Затем смесь через конфузор подаётся в прямолинейный участок эжектора, где наблюдается турбулентный режим течения, способствующий разрушению бронирующих оболочек глобул воды, содержащихся в смеси, и затем по отводящим трубам, где происходят процессы коалесценции, в отстойник. В отстойнике происходит окончательное расслоение смеси на отдельные составляющие и затем производится их поуровневое откачивание.

Рисунок 2 – Схема струйного аппарата.

1 – приёмная камера, 2 – сопло, 3 – конфузор, 4 – камера смешения,
5 – диффузор, 6 – прямолинейный транспортировочный трубопровод

К качеству разделения смеси предъявляются повышенные требования. Поскольку целью исследований является получение регенерированных турбинных масел, пригодных для дальнейшего использования по своему прямому назначению, и, по возможности, наиболее полного использования других отделяемых продуктов.

С целью получения оптимальных конструкционных характеристик аппарата в процессе проведения эксперимента варьировались давление, создаваемое ДУВД, и геометрические характеристики аппарата (длина прямолинейного участка аппарата, расстояния от среза сопла до камеры смешения, самой камеры смешения, диаметр сопла и соотношения диаметров сопла и камеры смешения).

Создание различных гидродинамических режимов течения в струйном аппарате производится с помощью выходящей из сопла водяной струи высокого давления, создаваемой ДУВД.

После прохождения смеси через струйный аппарат, где происходит разрушение бронирующих оболочек глобул воды, и трубопровод для коалесценции разделяемых веществ, а также разделения смеси в отстойнике получены следующие вещества (перечисление от верхнего уровня к нижнему):

регенерированное чистое масло (не содержит воды, механических и других примесей);

мазут и другие нефтепродукты, а также их эмульсии прямого типа;

незначительная водяная прослойка;

парафиносодержащая водяная суспензия;

механические примеси различного происхождения.

На рисунке 3 представлена схема поуровневого расположения разделённых веществ после завершения процесса отстаивания в отстойнике.

Рисунок 3 – Схема поуровневого расположения разделённых веществ после завершения отстоя.

1 – масло; 2 – нефтепродукты (мазут и т.п.), эмульсии прямого типа
(нефтепродукты в воде), вода; 3 – водяная суспензия; 4 – механический осадок.

Результаты анализов полученного после обработки масла при различных давлениях струи высокого давления представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы, при увеличении давления воды, подаваемой в сопло струйной установки, происходит повышение качества разделения веществ. В то же время установлено, что повышение рабочего давления ДУВД свыше 25 МПа не оказывает существенного влияния на эффективность работы установки. Отсутствие влияния увеличения давления ДУВД более 25 МПа на содержание механических примесей обусловлено тем, что крупные и средние частицы удаляются из масла при давлении меньшем 25 МПа, а более мелкие (менее 10 мкм) являются лёгкими, что не позволяет им осаждаться во время отстоя из–за действия вязкостных сил.

Отработанная при проведении экспериментальных исследований методика разделения маслосодержащих сильнозагрязнённых смесей и эмульсий и полученные положительные результаты, позволили распространить применение установки для регенерации более устойчивых сильнозагрязненных эмульсий, в том числе и асфальтоподобного осадка из емкостей для хранения мазута.

Таблица 1 – Результаты анализа процесса регенерации масла в струйной установке

Состав и свойства вышеуказанного осадка не позволяют его какимлибо образом использовать или перерабатывать и он подлежит захоронению. Более того, сам процесс извлечения этого осадка из мазутного бака является очень трудоёмким и небезопасным.

Методика проведения исследований процессов разделения мазутосодержащих эмульсий и конструкция установки приведены в [1, 2]. Она несколько отличается от установки для исследования процессов регенерации масла тем, что в ней предусмотрен подогрев мазутного бака и осадка для его разжижения.

В результате после обработки осадка в экспериментальной установке получены следующие фракции:

на дне отстойника – измельчённые до пескообразного состояния твёрдые примеси;

замазученная вода (неустойчивая эмульсия прямого типа);

мазут с содержанием воды достаточным и не превышающем норму для его сжигания в тепловых котлах (тонкодисперсная эмульсия);

чистый мазут.

Для проведения анализов пробы брались после трёхчасового отстоя смеси веществ, получаемых при обработке в струйном аппарате. Отбор проб мазута производился в количестве 2 дм³ с глубины 10 см от поверхности мазута. Результаты анализов и сведены в таблицу 2, а на рисунке 4 представлена зависимость содержания механических примесей в регенерированном мазуте от давления воды, подаваемой на сопло струйного аппарата.

Таблица 2 – Результаты анализов проб мазута после его обработки при различных давления воды, подаваемой на сопло струйного аппарата

Проведённые экспериментальные исследования показали высокую эффективность предложенного метода разделения загрязнённых мазутных эмульсий.

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод об эффективности устройства, выражающейся в разделении содержащихся в исходной смеси веществ и регенерации мазута до состояния, пригодного для повторного использования (отсутствие воды, содержание механических примесей и серы в пределах допустимых норм).

На рис. 4 представлена зависимость содержания примесей в обработанной смеси от давления воды на входе в струйный аппарат.

Оптимальное давление ДУВД для условия разделения загрязнённых смесей, содержащих устойчивые водомазутные эмульсии, составило 50 МПа. Дальнейшее увеличение давления, не привело к заметному увеличению эффективности разделения.

Рисунок 4 – Зависимость содержания механических примесей от давления

Список использованной литературы

1. Сажин, Б.С. Процессы разрушения устойчивых эмульсий в струйном аппарате/ Б.С. Сажин, М.П. Тюрин, В.Б. Сажин [и др.] // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Саркисова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2006. Том XX. № 6 (64). С. 114–116.

2. Сафонов, Р.А. Установка для регенерации мазута/ Р.А. Сафонов, Ю.С. Евтеева. Материалы Всероссийской научно–технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль–2005). М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2005.