Сепарирование топлива. Схемы и режимы сепарирования.

Сепарирование топлива осуществляется в сепараторах, действие ко­торых основано на отделении механических примесей и воды благодаря центробежным силам, возникающим при большой частоте вращения барабана.

Центробежные сепараторы обеспечивают удаление примесей неорганического происхождения, размером более 1 мкм, неметаллических частиц размером более 2…3 мкм, а также понижение содержания воды до 0,02 % и зольности топлива [27]. По сравнению с фильтрами современные сепараторы при использовании оптимальной схемы сепарирования приблизительно в 12…18 раз эффективнее удаляют алюмосиликаты [28]. Потери горючей части топлива вместе с отсепарированной водой и осадком при очистке остаточных топлив достигают 3%.

Частицы загрязняющих примесей движутся в потоке топлива в межтарелочном пространстве пакета конических тарелок к оси вращения барабана. Поток топлива делится на тонкие слои коническими тарелками (рис 6.1). Обычно в современных топливных сепараторах зазор между тарелками составляет 0,5…0,6 мм. Центробежные силы, зависящие от массы части и центробежного ускорения, направляют частицы примесей к нижней поверхности верхней тарелки, по которой они попутно укрупняясь, скользят к периферии тарелки и затем отбрасываются на стенки корпуса барабана.

Аналитическая оценка эффективности очистки жидкости в центробежных сепараторах произведен в [4]. Коэффициент полноты очистки увеличивается с уменьшением расхода и вязкости очищаемой жидкости, а также с увеличением частоты вращения, разности плотностей жидкости и частиц, увеличении угла наклона и максимального минимального радиусов тарелок.

Уменьшение скорости движения частиц за счет снижения пропускной способности сепаратора увеличивает время пребывания частиц в потоке, что способствует более эффективному отделению загрязнений.

Отсепарированы будут только те частицы, которые за время пребывания в межтарельчатом пространстве достигли верхней тарелки.

Сепараторы в зависимости от настройки могут работать в режимах кларификации (отделение механических примесей) и пурификации (разделение топлива и воды с одновременным отделением механичес­ких примесей). Последний способ при очистке тяжелых топлив благода­ря его универсальности является более предпочтительным [9,10]. К достоинст­вам пурификации относится также возможность промывки топлива горя­чей водой, вводимой в сепаратор в количестве 3 – 4 % (от топлива) при температуре, на 3…5°С превышающей температуру топлива. Промывка улучшает отделение механических примесей и способствует удалению из топлива водорастворимых солей и золы.

Рассмотрим работу сепаратора тарельчатого типа. На рисунке 6.1 приведена схема барабана кларификатора и стрелками показано движение топлива [12].

Неочищенное топливо по цен­тральному каналу с непрерывно подается во вращающийся барабан 7. Далее оно поступает к периферии барабана, протекает между тарелками 1 и отводится через кольце­вой канал кларификаторной насадки 2, как показано стрел­ками. Загрязняющие топливо примеси под действием цен­тробежной силы осаждаются на внутренних стенках бара­бана 7 и на концевых поверхностях тарелок 1.

Если в сепарируемом топливе имеется вода, то она, вы­деляясь вместе с механическими примесями, заполнит весь грязевой объём барабана, образовав гидравлический зат­вор, который перекроет путь поступления топлива в меж­тарелочное пространство 1. По этой причине неочищенное топливо заполнит канал 3 в тарелкодержателе 4 и начнет выливаться из патрубка переполнения. Процесс сепариро­вания прекращается. Поэтому при сепарировании обводненных сортов топ­лива необходимо обеспечить непрерывный отвод из бара­бана выделяющейся воды.

С этой целью стандартный барабан собирают как пурификатор, схема которого представлена на рисунке 6.2.

1 – пакет тарелок барабани; 2 – кларификаторная насадка; 3 – центральный канал; 4 – тарелкодержатель; 5 – верхняя защитная тарелка; 6 – каналы в та­релках (образованные отверстиями в тарелках); 7 – барабан; 8 – шламовая каме­ра; 9 – нижняя сплошная тарелка Рисунок 6.1 – Схема барабана-кларификатора	1 – крышка барабана; 2 – регулировочная шайба; 3 – центральный канал; 4 – тарелкодержатель; 5 – патрубок для выхода топлива; 6 – отверстие в регулиро­вочной шайбе; 7 – разделительная тарелка; 8 – тарелки сепаратора; 9 – барабан; 10 – отверстия в нижней тарелке Рисунок 6.2 – Схема барабана-пурификатора

При такой сборке заменяют верхнюю защитную тарел­ку 5 и кларификаторную насадку 2 (см. рисунок 6.1) на регули­ровочную шайбу 2 и разделительную тарелку 7 (см. рисунок 6.2). Также меняют нижнюю сплошную тарелку 9 без отверстий (рисунок 6.1) на тарелку 10 (см. рисунок 6.2), которая имеет отверстия по окружности.

Перед пуском сепаратора (для предупреждения выхо­да неочищенного топлива через отверстие 6 регулировоч­ной шайбы 2) во вращающийся барабан предварительно заливают воду для образования гидравлического затвора. Только после этого можно подавать топливо, которое через тарелкодержатель 3 поступит в каналы 10, имеющиеся в нижней и других тарелках 8, и будет распределяться по межтарелочным пространствам.

Под действием центробежных сил вода, как более тя­жёлая составляющая, отбрасывается к периферии бараба­на, смешивается с водой гидравлического затвора и отво­дится через кольцевое отверстие 6 регулировочной шайбы 2 (по стрелке Б), а топливо, как более легкая часть, оттесняется к центру барабана и отводится через патрубок 5 разделительной тарелки 7 по стрелке А.

При установившемся процессе сепарирования в бара­бане создаётся так называемый «нейтральный слой» – ус­ловная цилиндрическая поверхность раздела фаз топлива и воды. Обычно диаметр этой поверхности должен быть примерно равен диаметру D_от расположенных отверстий 10 в дисках 8, однако он может быть и меньше, и больше D_от, т.е. «нейтральный слой» может смещаться или к центру барабана 9, или к его периферии.

В обоих случаях возможны отрицательные последствия. В первом – уменьшается сепарирующая поверхность таре­лок барабана (снижается эффективность работы) и увели­чивается содержание воды в чистом топливе. Во втором случае возможна потеря топлива, т.е. его попадание в отсепарированную воду.

Положение «нейтрального слоя» зависит от гидродина­мического равновесия трёх потоков: поступающего топли­ва и выходящих потоков чистого топлива и воды. Необхо­димое равновесие достигается регулированием одного по­тока – отсепарированной воды – с помощью подбора регу­лировочной сменной шайбы 2. К сепаратору прилагается комплект таких шайб. Они отличаются разными диамет­рами выходных отверстий D_ш.

В качестве иллюстраций к сказанному на рисунке 6.3 по­казана схема расположения «нейтрального слоя» при пра­вильно подобранной регулировочной шайбе [12]. «Нейтральный слой» располагается вблизи цилиндрической поверхности с диаметром отверстий, т.е. D_нс ≈ D_от.

Напорные диски 4 и 5 служат для откачки отсепарированной воды и чисто­го топлива. Принцип действия напорного диска заключается в сле­дующем: направляющий аппарат неподвижен, а жидкость кольцевым слоем вращается вокруг него вместе с бара­баном. Энергия движения вращающей жидкости преоб­разуется в напорном диске в давление, которое будет со­ответствовать требуемому противодавлению, например подъёму на необходимую высоту. Характерно, что жидкость движется в напорном диске от внешней его поверхности к центру, т.е. диск работает, как центростремительный насос в отличие от центробежного насоса, в котором жидкость движется от центра к наружной поверхности вращающе­гося колеса. Напорные диски могут создавать давление до 0,25 МПа в зависимости от размеров и числа оборотов барабана.

а)	б)

1 – вход неочищенного продукта; 2 – выход отсепарированного топлива; 3 – выход

отсепарированной воды; 4 - напорный диск для откачки воды; 5 – напорный диск для

откачки топлива; D_ш - диаметр регулировочной шайбы; D_нс – диаметр «нейтрального слоя»;

D_от – диаметр отверстий; D₁ – диаметр разделительной тарелки;

D₂ – наружный диаметр тарелок

Рисунок 6.3 – Схема расположения «нейтрального слоя» с правильно подобранной регулировочной шайбой

На рисунке 6.4 приведена схема расположения «нейтраль­ного слоя» при малом диаметре D_ш регулировочной шайбы. При этом D_нс<D_от, т.е. «нейтральный слой» сместился к оси вращения.

		1 – вход неочищенного продукта; 2 – выход отсепарированного топлива; 3 – выход отсепарированной воды; Dш – диаметр регулировочной шайбы; Dнс – диаметр «нейтрального слоя»; Dот – диаметр отверстий Рисунок 6.4 – Схема расположения «нейтрального слоя» с малым диаметром регулировочной шайбы
а)	б)

Вода заполнила часть сепарирующей поверхно­сти тарелок и частично попадает в чистое топливо. Этот отрицательный эффект определяет в эксплуатации по за­потеванию смотрового стекла. В таком случае необходима остановка сепаратора и замена регулировочной шайбы на больший размер.

На рисунке 6.5 показана схема расположения «нейтрального слоя» при излишне большом диаметре регулировочной шайбы. «Нейтральный слой» сместился к периферии бара­бана. Его диаметр D_нс оказался равным наружному диа­метру D₁ разделительной тарелки. Поэтому происходит перелив топлива вместе с отсепарированной водой. Это яв­ление замечают в эксплуатации через смотровое окно сбор­ника сепаратора. В таком случае необходимо остановить сепаратор и заменить регулировочную шайбу на меньший размер.

Подбор регулировочных шайб в эксплуатации осуществ­ляют по таблицам и графикам в зависимости от ряда пара­метров: плотности сепарируемого продукта, наличия в нём воды и температуры сепарирования.

		1 – вход неочищенной продукта; 2 – выход отсепарированного топлива; 3 – вы­ход отсепарированной воды; Dот – диаметр отверстий; Dш – диаметр регулиро­вочной шайбы; Dнс – диаметр «нейтрального слоя»
а)	б)

Рисунок 6.5 – Схема расположения «нейтрального слоя» при большом диаметре регулировочной шайбы

Рекомендуемая производительность сепаратора приведена в таблице 6.1 [30].

Необходимо своевременно осуществлять очистку барабана сепаратора от шлама. Время между разгрузками сепаратора назначается в зависимости от степени загрязненности топлива и осуществляется, как правило, автоматически.

Таблица 6.1 – Производительность сепаратора

Кроме того для успешного отделения пресной воды в обычных сепараторах с традиционной конструкцией и схемой управления необходимо, чтобы плотность топлива была ниже 991 кг/м³ при 15°С, а вязкость ниже 600 сСт при 50°С.

Эффективность отделения загрязнений в центробежных сепараторах зависит от частоты вращения, конструктивных особенностях барабана (количества, угла наклона и радиусов тарелок), но прежде всего она зависит от наличия разности плотностей разделяемых сред. Для эффективного отделения воды необходимо обеспечить разность плотностей в 20…30 кг/м³.

Наиболее дешевые и вязкие остаточные топлива часто тяжелее воды и имеют плотность от 980 до 1030 кг/м³ при 15°С. Однако сепарация таких топлив возможна, так как с ростом температуры плотность воды по сравнению с плотностью топлив снижается медленнее и нелинейно. Топливо, которое имеет плотность 1016 кг/м³ при температуре 15 °С, при подогреве до 98 °С уже будет иметь одинаковую с дистиллированной водой плотность (960 кг/м³).

Наличие в воде солей увеличивает ее плотность, поэтому морская вода отделяется успешнее.

Однако подогрев топлива ограничен возможностью вскипания содержащейся в нем воды и не превышает 98 °С. Для замера температуры следует использовать поверенные приборы приемлемого класса точности, учитывая, что абсолютная погрешность зависит прямо пропорционально от диапазона измерения.

Сепарационные системы нового типа обеспечивают практически предельно возможный по наличию разности плотностей верхний уровень диапазона сепарирования топлив (до 1010 кг/м³ при 15 °С при вязкости до 700 сСт).

Наряду с рассмотренной зависимостью эффективности работы сепараторов от плотности и вязкости топлива к недостаткам сепарации следует отнести возможность образования стойких водотопливных эмульсий и практически неизменное распределение дисперсионного состава оставшихся механических частиц.

При уменьшении общего количества частиц примесей в топливе остаются частицы всех размеров, что снижает вероятность отказов в работе топливной аппаратуры двигателей, но не исключает их, что вызывает необходимость тонкой фильтрации.

Тем не менее, сепарация является наиболее эффективным методом очистки особенно от алюмосиликатов и натрия.

На судах мирового флота наиболее распространены сепараторы фирм Альфа-Лаваль, Титан, Вестфалия, Шарплес, Мицубиси.

Принципиальная схема центробежного сепаратора Альфа-Лаваль представлена на рисунке 6.7 [4].

1 – 3 – патрубки; 4, 5 – напорный и гравитационный диски; 6 – тарелки; 7 – водяной за­твор; 8 – распределительный диск; 9 – вал; 10 – барабан; 11 – граница раздела воды с топ­ливом; 12 – водоотводной канал Рисунок 6.7 – Принципиальная схема центробежного сепаратора фирмы Альфа-Лаваль серии МАРХ

Топливо, предварительно подогретое, поступает в сепаратор через верхний патрубок 1, и далее из нижней части барабана через отверстие 8 в разделительном диске и отверстия в тарелках, расположенных напротив них в межтарелочное пространство, где происходит отделение воды и примесей от топлива, которое после очистки выходит через патрубок 2.

Правильно подобранный гравитационный диск 5 обеспечивает положение границы раздела около отверстий, но ближе к периферии.

Подбор регулировочных шайб при отсутствии таблиц и графиков производят следующим образом. Вначале устанавливают шайбу с мень­шим диаметром, а далее устанавливают шайбы с возраста­ющим диаметром до тех пор, пока из отверстия шайбы не начнет вытекать топливо вместе с водой. Данный диаметр является предельно большим, и следует установить шайбу с предыдущим ди­аметром отверстия.

Такой способ подбора регулировоч­ной шайбы в эксплуатации оправдан. Он также является и проверочным, поскольку таблицы и графики не дают точных значений (из-за сильного влияния на вязкостно-температурную характеристику топлива происхождения нефти, из которых оно изготовлено). Кроме того, они не учиты­вают влияние содержания воды, сопротивления каналов на линии воды, топлива и т.д.

Каче­ство очистки топлива зависит также от продолжительности нахождения топлива в барабане сепаратора: чем она больше, тем лучше и полнее очистка. Про­должительность пребывания топлива в сепараторе зависит от скорости его продвижения между тарелками, а последняя определяется задавае­мой скоростью его поступления в сепаратор и вязкостью, в свою очередь зависящей от температуры топлива.

Для обработки тяжелого топлива обычно используют два сепарато­ра, для дизельного – один. В зависимости от качества тяжелого топлива, его вязкости топлива оба сепаратора включаются параллельно в режиме пурификации, или последовательно – первый сепаратор работает в режи­ме пурификатора, а второй – кларификатора.

Опыт показывает, что при последовательной работе сепараторов ос­новная очистка осуществляется в пурификаторе (до 70 % примесей соби­рается в нем) и лишь 10 % приходится на долю кларификатора. Таким об­разом, роль кларификатора сводится к удалению из топлива оставшихся в нем более мелких частиц механических примесей и роли «сторожа» на случай прорыва механических загрязнений через пурификатор. При ра­боте на тяжелых низкосортных топливах, получаемых компаундировани­ем остатков каталитического крекинга, сепарацию рекомендуется осуществлять в режиме: два параллельно работающих на малой производительности пурификатора, с последовательно включенным кларификатором. Эффективность очистки в этом варианте достигает 80…90 %, в то время как в варианте пу­рификатор – кларификатор она составляет 70 % [28].

Особо важное значение приобретает выбор режима сепарации при очистке топлив, содержащих алюмосиликатную мелочь, могущую вы­звать буквально катастрофический износ двигателей. Здесь чрезвычайно важно сепарацию вести с малыми подачами топлива в сепараторы (15…20 % паспортной) и по последовательной схеме с использованием кларификатора в качестве последней ступени.

При наличии на судне двух сепараторов параллельное их включение (в режиме пурификации) обеспечивает лучший эффект очист­ки тяжелого топлива, чем последовательное. Рекомендованная для этого схе­ма перспективна для систем топливоподготовки дизельных энергетиче­ских установок. Для повышения эффективности параллельно работающих сепа­раторов целесообразно, чтобы их производительность составляла 30…50 % спецификационной (максимальной).