Принцип действия сепаратора

Лекция 16. Масляные и топливные сепараторы и фильтры, и их эксплуатация.

(Харин)

В современных судовых ДВС используется, как прави­ло, тяжёлое топливо большой вязкости и низкого каче­ства. Оно содержит механические примеси и воду. Для обеспечения безаварийной и эффективной работы ДВС не­обходима тщательная очистка топлива и смазочного мас­ла. Очистка выполняется судовыми сепараторами различ­ных фирм. Разнообразие конструкций сепараторов и по­стоянное их совершенствование требуют от судовых специ­алистов хороших знаний и квалифицированного техничес­кого обслуживания.

Принцип действия сепаратора

В настоящее время на судах мирового флота наиболее распространены судовые дизельные установки, работающие на тяжелых сортах топлива (мазутах).

В процессе хранения топлива на судне оно обводняется и загрязняется механическими примесями (частицы песка, пыли, железной окалины) и в силу этого ухудшаются его характеристики.

Использование топлива с большим содержанием меха­нических примесей приводит к загрязнению форсунок, большому износу плунжерных пар топливных насосов, износу цилиндро - поршневой группы.

Для безаварийной и эффективной работы судовых дизелей при использовании тяжелых сортов топлива (мазута вязкос­тью до 700 сСт.) необходимо особое внимание к его очистке.

На судне используются три способа очистки тяжёлого топлива.

Первый способ - отстой в отстойной цистерне в течение 20-22 часов. За это время тяжёлые частицы и вода оседают на дне отстойной цистерны с последующим удалением че­рез спускной кран.

Второй способ (наиболее эффективный) - сепарирова­ние топлива с помощью центробежного сепаратора, где про­исходит отделение посторонних частиц и воды от топлива и их удаление за счёт разности плотностей компонентов, содержащихся в топливе, с помощью центробежных сил.

Третий способ - фильтрация. Отсепарированное топли­во из расходной цистерны топливоподкачивающим насо­сом под давлением (0,4-0,6) МПа пропускается через топ­ливный фильтр и после него подаётся к топливным насо­сам дизеля.

Рассмотрим работу сепаратора тарельчатого типа. На рис. 1.1 приведена схема барабана - кларификатора и стрелками показано движение топлива. Неочищенное топливо по цен­тральному каналу 3 непрерывно подаётся 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 8 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 рис. 1.2.

При такой сборке заменяют верхнюю защитную тарел­ку 5 и кларификаторную насадку 2 (см..рис.1.1) на регули­ровочную шайбу 2 и разделительную тарелку 7 (см. рис.1.2.). Также меняют нижнюю сплошную тарелку 9 без отверстий (рис. 1.1) на тарелку 10 (см. рис. 1.2), которая имеет отверстия по окружности.

В период пуска 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 9, смешивается с водой гидравлического затвора и отво­дится через кольцевое отверстие 6 регулировочной шайбы 2 (по стрелке Б), а топливо, как более лёгкая 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 Д_от расположенных отверстий 10 в дисках 8, однако он может быть и меньше, и больше Д_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 Д_ш.

В качестве иллюстраций к сказанному на рис. 1.3 по­казана схема расположения "нейтрального слоя" при пра­вильно подобранной регулировочной шайбе. "Нейтральный слой" располагается вблизи цилиндрической поверхности с диаметром отверстий, т.е. Д_нс ≈ Д_от.

На рис, 1.4 приведена схема расположения "нейтраль­ного слоя" при малом диаметре Д_ш регулировочной шайбы. При этом Д_н < Д_от, т,е, "нейтральный слой'"' сместился к оси вращения. Вода заполнила часть, сепарирующей поверхно­сти тарелок и она 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 рис. 1.5 показана схема расположения "нейтрально­го слоя" при излишне большом диаметре регулировочной шайбы. "Нейтральный слой" сместился к периферии бара­бана. Его диаметр Д_нс оказался равным наружному диа­метру Д₁ 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. Более подробно об этом будет сказано ниже.

На рис. (1.3 - 1.5) показаны напорные диски 4 и 5 (см. рис. 1.3). Они 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 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.

На рис. 1.6 показана кинематическая схема, которая является общей для большого количества тарельчатых се­параторов.

Корпус сепаратора и электродвигатель находятся на об­щем фундаменте. От электродвигателя 7 через фрикцион­ную муфту 6 вращение передаётся горизонтальному валу 5, который закреплён в двух подшипниках 12 в станине 4 се­паратора.

На горизонтальном валу находится червячная шестерня, которая входит в зацепление с червяком вертикального вала, образуя червячно-винтовую пару 9, посредством которой осу­ществляется передача вращения вертикальному валу 13. Он заключён в двух опорах - верхней 3 и нижней 8. Верхняя опора имеет радиальный шарикоподшипник и шесть пру­жинных амортизаторов, а в нижней опоре размещены радиально-упорные подшипники.

На верхнюю конусную часть вертикального вала наса­жен барабан 2, закрытый сборником 1, который служит для подвода и отвода сепарируемой жидкости. Он имеет смотровые окошки для наблюдения за процессом сепари­рования.

От горизонтального вала 5 через эластичную муфту 11 вращение передаётся на шестеренные насосы 10. Они слу­жат для подачи жидкости на сепарирование и её отвода.

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

Сепарирование топлива

Сепарирование топлива осуществляется в сепараторах, действие которых основано на отделении механических примесей и воды благодаря центробежным силам, возникающим из-за большой частоты вращения барабана.

В системах топливоподготовки находят применение сепараторы дискового и трубчатого типов. Сепараторы более ранних выпусков требуют периодической разборки и очистки вручную и поэтому для сепарации тяжелых топлив, содержащих большие количества загрязняющих приме­сей, малопригодны. Особенные трудности возникают при использовании таких сепараторов для очистки топлив, склонных к выделению асфальто-смолистых соединений.

В современных сепараторах самоочищающегося типа периодическая очистка осуществляется автоматически, путем промывки горячей водой и сброса шлама в грязевую цистерну. Период между разгрузками барабана устанавливается опытным путем. Сигналом о необходимости разгрузки может служить появление водотопливной эмульсии в смотровом окне сливного патрубка, вызываемое заполнением грязевой полости бараба­на и вытеснением водяного затвора.

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. 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.

Принцип действия сепаратора состоит в следующем: загрязненное топливо насосом сепаратора подается через подогреватель и ограничи­тель производительности в центральный канал барабана. По нему топливо поступает вниз, через распределительные отверстия А в ко­нических тарелках попадает в зазор между ними, направляется к цент­ральной трубе, поднимается по ней вверх и выходит из сепаратора. Отде­ление загрязняющих примесей осуществляется в зазорах между тарелка­ми (дисками). Каждая частица, отличающаяся по плотности отсепарируемого топлива, подвергается действию двух сил С и D. Центробежная си­ла С, зависящая от частоты вращения барабана и массы частицы (ее раз­мера и плотности), стремится отбросить частицу к периферии барабана. Ей препятствует сила вязкого трения D, стремящаяся увлечь частицу вслед за потоком топлива. Сила D зависит от скорости движения топлива и его вязкости, на которые можно воздействовать, меняя производительность сепаратора и температуру подогрева топлива.

Составляющая этой силы G прижимает частицу к диску, а составляю­щая F перемещает ее по поверхности диска к периферии, отбрасывая в грязевое пространство барабана. Подобный процесс происходит при ус­ловии, что центробежная сила С относительно велика в сравнении с си­лой D. Если же сила С мала - малы размеры и плотность частицы или не­достаточна частота вращения барабана сепаратора, а сила D велика -значительны вязкость топлива или скорость его потока (велика произво­дительность сепаратора), то частица, находясь под действием сил С и Д будет двигаться по траектории Ь. В соприкосновение с верхним диском она не придет и покинет сепаратор вместе с очищаемым топливом.

Из этого можно заключить, что качество очистки топлива в большой степени зависит от величины силы D. Чем меньше эта сила, тем полнее будет происходить очистка топлива, тем меньшие по своим размерам и плотности частицы загрязняющих примесей будут отделяться от топлива и удаляться в шлам. Поэтому, необходимо поддерживать достаточно вы­сокую температуру подогрева топлива и осуществлять сепарацию при ма­лой производительности, по возможности, не превышающей 50% ее па­спортного значения. Верхним допустимым пределом подогрева топлива является температура кипения воды. Обычно не рекомендуется подогре­вать топливо выше 95°С (для мало вязкого дистиллятного топлива замед­ленного коксования или термоконтактного крекинга температура подо­грева не должна превышать 35~40°С, в противном случае из топлива в процессе его сепарации могут выделиться асфальтосмолистые соедине­ния).

При работе сепаратора в режиме пурификации, эффективность се­парации зависит также от положения пограничного слоя - границы раз­дела между топливом и водой гидрозатвора (линия I на рис. 2.2). Нор­мальное его положение - у внешней кромки распределительных отвер­стий А дисков; ни при каких обстоятельствах он не должен проходить по отверстиям и тем более быть правее них. В первом случае будет наблю­даться торможение потока топлива на входе в диски, что приведет к рез­кому ухудшению сепарации, а во втором - в зону очищенного топлива будет поступать вода.

Эффективность сепарации повышается, если граница раздела ото­двигается влево от отверстий А, так как увеличивается эффективная по­верхность дисков. Но в этом случае увеличивается вероятность исчезнове­ния (разрыва) водяного затвора и как следствие - утечка топлива через водоотводной канал в грязевую цистерну. Регулировка положения погра­ничного слоя осуществляется с помощью регулировочной шайбы X, уста­навливаемой в верхней части корпуса барабана и оказывающей сопро­тивление выходу из него воды. Если установить шайбу с меньшим диаме­тром отверстия, давление воды на топливо в корпусе барабана сепарато­ра увеличится, и пограничный слой переместится ближе к оси вращения. Поскольку давление в слое топлива зависит от его плотности, то для того чтобы обеспечить необходимое равновесие между топливом и водой при подборе диаметра регулировочной шайбы, нужно руководствоваться зна­чением плотности сепарируемого топлива. Обычно для этой цели служат номограммы или таблицы, помещаемые в инструкции к сепараторам.

Очистка топлива в сепараторе основана на разности создаваемых в нем центробежных сил, в свою очередь определяемой различием в плот­ностях очищаемого нефтепродукта и находящихся в нем примесей. Каче­ство очистки 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 выбора оптимального режима работы сепаратора следует руко­водствоваться специальными графиками, с помощью которых скорость подачи и температура подогрева определяются в зависимости от вязкос­ти: большая вязкость топлива требует увеличения температуры и сниже­ния скорости подачи.

Для обработки тяжелого топлива обычно используют два сепарато­ра, для дизельного - один или два. В зависимости от качества тяжелого топлива оба сепаратора включаются параллельно - работа в режиме пурификации, или последовательно - первый сепаратор работает в режи­ме пурификатора, а второй - кларификатора. После сепараторов наве­шенными на них насосами топливо подается в расходную цистерну.

С утяжелением топлив и увеличением их плотности возникла серьез­нейшая проблема сепарации воды от топлива, если разность их плотностей стремится к нулю или приобретает отрицательное значение. Плотность современных и перспективных топлив может достигать 990-1000 кг/м3 и более, плотность пресной воды при 20°С равна 1000 кг/м3 и лишь плотность морской воды лежит в пределах 1000-1013 кг/м3. С уве­личением температуры плотность нефтепродуктов уменьшается быстрее, чем воды, поэтому разность их плотностей ρ_в – ρ_т возрастает. Опыт сви­детельствует о том, что при сепарации вода отделяется от топлива, если ρ_в – ρ_т < 30 кг/м3. Этот минимум обеспечивается для всех топлив, плот­ность которых ниже 991 кг/м3, при температуре подогрева 98°С. Таким образом, ρ_т = 991 кг/м3 представляет собой верхний предел плотности топлива, при котором возможно еще отделение пресной воды от топли­ва. Сепарация морской воды возможна и от более тяжелых топлив.

В процессе очистки топлива грязь и шлам скапливаются внут­ри барабана, и по мере его запол­нения во избежание нарушения сепарации барабан следует очи­щать. В современных сепараторах очистка осуществляется автомати­чески с периодичностью 2-4 ч при сепарации топлива вязкостью 120-380 мм2/с Для более вязких топлив, содержащих большое ко­личество механических примесей, время между разгрузками не должно превышать 1-2 ч. В противном случае переполнение ба­рабана может привести к прекра­щению очистки топлива, и неочи­щенное топливо пойдет в расход­ную цистерну. Иногда барабан пе­реполняется даже при малых ин­тервалах между разгрузками. Это происходит при сепарации обводнен­ного топлива, образующего с водой стойкую эмульсию, содержание ко­торой в скапливающемся в барабане шламе может достигать 80%. В этой ситуации надо стремиться избегать «перемалывания» топлива насосами и обеспечить наиболее эффективное его отстаивание в отстойных цис­тернах. Частота автоматической очистки сепараторов определяется из фак­тического опыта по каждой установке. При обработке тяжелых топлив вязкостью от 120 до 380 мм2/с при 50°С сепаратор следует опорожнить после работы в течение 2-4 ч. Для мазутов, вязкостью до 600 мм2/с при 50°С максимальное время интервала между автоматическими удаления­ми осадка не должно превышать 1-2 ч.

В режиме кларификации сепаратор работает без водяного затвора, выход воды из сепаратора перекрывается, и топливо очищается лишь от механических примесей. Обычно кларификатор, устанавливаемый по­следовательно с пурификатором, служит второй ступенью очистки.

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 и вибреакинга с керосино-газойлевыми фракциями, 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%.

Выбор режима сепарации, приобретает особо важное значение 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 (рис. 2.5). При сепарации классических мазутов (прямогонных остатков) возможны менее жесткие требования к выбору режима.

Центробежные сепараторы обеспечивают удаление примесей неорга­нического происхождения с размерами частиц 5 мкм и менее и органического происхождения 7 мкм и менее, а также воды (до следов). По­тери горючей части топлива вместе с отсепарированнои водой и с осадком при удалении не превышают 1%, при очистке остаточных мазутов - 3%.

Метод очистки топлив (фильтрация, сепарация, гомогенизация) ока­зывает влияние на износ цилиндра. Исследования фирмы «Бурмейстер и Вайн» показали, что наиболее эффективным методом очистки топлива в настоящее время является центробежное сепарирование. Для средне- и высоковязких топлив рекомендуется комплекс средств очистки: фильтры грубой очистки (ФГО), центробежный сепаратор, фильтры тонкой очист­ки (ФТО). Фильтры, удаляющие загрязнения, размером до 1 мкм, на практике отсутствуют, поэтому они не могут быть равноэффективны сепараторам.

Для обеспечения удовлетво­рительной сепарации в обычных сепараторах плотность тяжелых топлив не должна превышать 0,99 кг/л при 15°С. Максимальная разница в плотностях топлива и воды находится в диапазоне 80-90°С. Вязкость топлива при се­парации должна быть 12-16 мм2/с (двухтактные дизели) и 9,5-14 мм2/с (четырехтактные дизели).

Для эффективной работы сепараторов предпочтительно выполнять следующие мероприятия:

оптимально подбирать пропускную способность сепаратора;

поддерживать температуру сепарации в пределах 2°С с помощью
автоматического регулирования подачи пара на подогреватель;

оптимизировать режим работы сепараторов

избегать дросселирования и рециркуляции топлива перед сепарацией.

Следует иметь в виду, что при сепарации тяжелых топлив помимо снижения содержания в них механических примесей, воды и золы, как правило, наблюдается повышение температуры вспышки и снижение температуры застывания.

Отмечен несколько необычный факт: при более высоком подогреве топливо меньше очищается от механических примесей (несмотря на од­новременное возрастание количества отложений в грязевой камере сепа­ратора). Это можно объяснить повышением интенсивности окисления уг­леводородов с образованием смол при высокой температуре топлива.

В этом отношении представляют интерес исследования по определе­нию влияния сепарирования на качественные показатели мазута. Они по­казали, что при сепарировании может заметно изменяться групповой со­став топлива в связи с удалением значительного количества углеводоро­дов парафино-нафтенового ряда и интенсивным окислением углеводо­родов, приводящим к образованию смол. Первое обстоятельство обусло­вило снижение температуры застывания топлива наряду с испарением и удалением из него некоторой части легких компонентов, второе - воз­растание общего количества механических примесей в процессе сепари­рования. Это подтверждается характером изменения состава механичес­ких примесей: при снижении количества карбенов и карбоидов и практи­чески неизменной неорганической части увеличивается доля примесей, не растворимых в бензоле (неорганическая часть осталась без измене­ний, по-видимому, из-за малых размеров ее частиц).

Несмотря на широкое распространение на судах схемы двухступен­чатой сепарации тяжелых топлив с концевым кларификатором, незначи­тельная эффективность его работы показывает сравнительно невысокую рациональность такой схемы.

Результаты выполненных в последние годы исследований позволили установить, что при наличии на судне двух сепараторов параллельное их включение (в режиме пурификации) обеспечивает лучший эффект очист­ки тяжелого топлива, чем последовательное. Рекомендованная ими схе­ма, безусловно, перспективна для систем топливоподготовки энергетиче­ских установок со среднеоборотными дизелями, поскольку применение в них большого количества сепараторов (в связи с необходимостью очист­ки дизельного топлива и резервирования) затруднительно и нерента­бельно. Для повышения эффективности параллельно работающих сепа­раторов целесообразно, чтобы их производительность составляла 30-50% спецификационной (максимальной).