Отстаивание топлива

Очистку топлива от механических примесей и воды осу­ществляют путем отстаивания (под действием силы тяжести), поскольку плотность загрязняющих частиц больше плот­ности топлива.

В этом случае загрязняющие частицы в топ­ливе оседают, не соприкасаясь между собой, и на каждую из них действуют сила тяжести или собственный вес, подъ­емная сила среды и сила сопротивления среды: вес

где d — диаметр частицы, м;

g — ускорение свободного падения, м/с²;

?_п — плотность механических примесей или воды, кг/м³;

подъемная сила среды, определяемая по закону Архимеда,

где ?_т — плотность топлива, кг/м³;

сила сопротивления среды, которую в общем случае можно вычислить по закону Ньютона

где ? — коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса и определяемый опытным путем, в за­висимости от скорости частиц;

F = ?d²/4 — площадь поперечного сечения частицы, м²;

?_т — плотность топлива, кг/м³;

?₀ — скорость оседания частиц, м/с.

При установившемся движении условие равновесия

может быть записано так:

Используя уравнение (6), можно определить скорость оседания твердых частиц в топливе

Из формулы (7) видно, что скорость оседания загрязне­ний в топливе зависит прежде всего от разницы плотностей загрязнений и топлива и размера частиц.

Несмотря на большое число работ, посвященных оседа­нию частиц в гравитационном поле, универсальной зависи­мости для вычисления коэффициента сопротивления ? нет. В частном случае, при движении, частиц, имеющих форму шара, в вязкой несжимаемой жидкости коэффициент со­противления может быть принят:

для ламинарного режима

для переходного режима

для турбулентного режима

где µ_т — коэффициент динамической вязкости топлива, Па·с.

Силу сопротивления среды при оседании частиц с раз­мером 100 мкм при ламинарном режиме вычисляют по за­кону Стокса

Используя формулы (6) и (8), получим расчетную за­висимость для скорости оседания частиц при Re < 1, т. е.

Для определения скорости оседания эмульгированной воды в топливе с учетом вязкости воды можно использовать формулу

где µ_В — коэффициент динамической вязкости воды, Па·с.

В большинстве случаев форма частиц загрязнений не шарообразная, поэтому в формулы (11) и (12) вместо d следует подставлять эквивалентный диаметру размер.

Действительная скорость оседания частиц в топливе отличается от расчетной, так как трудно точно определить плотность загрязнения и коэффициент сопротивления который во многом зависит от режима оседания. Причи­ной несовпадения расчетных и действительных скоростей оседания частиц при очистке топлива отстаиванием так же являются и конвективные токи, возникающие в емкостях, предназначенных для отстаивания топлива, вследствие из­менения температуры наружного воздуха.

Для сравнения на рис. 2 представлены расчетные и опытные данные по очистке дизельного топлива от механических примесей путем отстаивания. Степень очистки топлива, %, в зависи­мости от времени при эксперименте определяли по количест­ву осадка на бумажном фильтре. Из рисунка видно, что механиче­ские частицы в дизельном топливе выпадают со скоростями, значи­тельно меньшими теоретических. По расчету за 6 ч отстоя дизельное топливо должно было очиститься от кварцевых частиц размером ме­нее 30 мкм на 65 %. В действительности же это может наступить только после 45—48 ч отстоя. В работе такое расхождение между расчетом и экспериментом объяснено тем, что механические ча­стицы, находясь в дизельном топливе и обладая активной адсорбци­онной способностью, обволакиваются смолистыми более вязкими ве­ществами, в результате вместо рассматриваемых кварцевых частиц возникают новые, более крупные частицы, скорости оседания ко­торых значительно меньше. Последнее можно объяснить тем, что только центральное ядро частицы состоит из кварца с плотностью примерно 2,65 т/м³, оболочка же, обволакивающая ядро, состоит из смолистых веществ с плотностью, близкой к плотности дизель­ного топлива.

Для корректировки скорости оседания кварцевых час­тиц в дизельном топливе с плотностью 0,85 т/м³, рассчитываемых по формуле (12), в работе рекомендуется ис­пользовать поправочный коэффициент, вводимый в знаменатель, который можно определять по формуле

где ?₁= 21,7/d;

d— диаметр частиц, мкм.

В табл. 7 приведены значения коэффициента k и ско­рости оседания ?₀ кварцевых частиц различного диаметра в дизельном топливе. Как видно из приведенной таблицы, скорости оседания кварцевых частиц в дизельном топливе относительно невелики, особенно для мелкодисперсной части примесей. Удаление механических примесей путем отстаивания — длительный процесс. Кроме того, следует отметить, что при отстаивании нельзя удалить из топлива частицы загрязнения размером меньше 20—15 мкм, вслед­ствие возникновения конвективных токов, даже в термостатированных резервуарах.

От свободной воды и механических загрязнений топливо очищают путем отстаивания в специальных судовых от­стойных цистернах или мерниках-отстойниках на бункеро­вочных базах. Первичный отстой топлива может быть осу­ществлен в запасных цистернах на судах и бункеровочных базах. Отстойные емкости должны быть оборудованы спуск­ной системой для удаления отстоя и устройством для забора осветленного топлива. Отстойники могут быть периодиче­ского, полунепрерывного и непрерывного действия.

Отстойники периодического действия — это топливные емкости со сливными устройствами. Подача топлива, слив осветленного топлива и удаление отстоя в них происходит периодически. Степень очистки топлива в отстойниках зависит от времени отстоя и высоты отстойных цистерн. Чем меньше их высота, тем выше степень очистки топлива.

В отстойниках полунепрерывного действия подача топ­лива и слив осветленного топлива происходит непрерывно, а отстой удаляют периодически, т. е. по мере накопления в нижней части цистерны, через нижнее спускное устройство. В этом случае размеры отстойной цистерны и скорость про­текания топлива через нее выбирают такими, чтобы большая часть механических примесей успевала осесть на дно отстойника.

В отстойниках непрерывного действия подача топлива, слив осветленного топлива и удаление отстоя происходят непрерывно. Вследствие малой скорости протекания про­цесса отстаивания механических примесей и воды и из-за их небольших количеств в топливах отстойники непрерыв­ного действия на речном флоте не применяют.

Зная скорость оседания частиц загрязнений в горизон­тальных отстойниках, когда потоки жидкости плоскопа­раллельны, можно определить площадь основания отстой­ника, м²,

где Q — производительность отстойника, м³/с.

Как видно из приведенной формулы (14), площадь, за­нимаемая отстойником, для заданного нефтепродукта за­висит только от производительности отстойника.

Наиболее эффективно отстаиваются маловязкие дизель­ные топлива. С увеличением плотности и вязкости топлива эффективность отстаивания механических примесей и воды снижается.

Основные недостатки очистки топлива отстаиванием — это длительность процесса и невозможность удалить мел­кодисперсные загрязнения. Поэтому этот метод не может быть основным для очистки топлива на судах и бункеровочных базах. Однако из-за простой технологии его необходимо применять во всех возможных случаях. Отстойные цистер­ны в настоящее время на судах широко применяют как элементы топливных систем, оборудованных сепараторами или фильтрационными установками.