Очистка топлива путем фильтрации

При очистке путем фильтрации пропускают топливо через различные пористые перегородки, размещаемые в специальном корпусе.

Фильтрационная очистка топлив от загрязнений основана на механическом принципе, в этом случае химический состав топлива не изменяется. Мате­риалы (различные сетки, войлок, ткани, бумага, керамика и др.), используемые в качестве пористых перегородок при фильтрации, называют фильтрационными. Пригодность материала оценивают по ряду показателей, называемых фильтрационными характеристиками. Структура фильтра­ционного материала должна быть более или менее пористой. Эти поры в материале могут быть сквозными, внутренними и открытыми с одной стороны. С точки зрения фильтрации наиболее эффективны сквозные поры.

Одной из основных характеристик пористого материала является коэффициент пористости

где V_n и V — соответственно объем пор и объем пористого материа­ла, м³.

Правильнее было бы в формулу (29) подставлять объем не всех пор V_п, а только сквозных. Однако установить объем сквозных, внутренних и открытых пор для большинства материалов не представляется возможным. Обычно объем внутренних пор не превышает 5 %, а объем открытых зави­сит от толщины пористого материала и технологии его из­готовления. Поэтому оценку пористости материала дают по объему всех пор, которые легко определить эксперимен­тально. Другой важной характеристикой пористых мате­риалов является размер внутренних пор, которые могут иметь различную конфигурацию.

Для расчета фильтров прибегают к упрощению модели пористой среды. Так, при движении топлива через волокни­стые материалы принимают, что форма каналов этих мате­риалов цилиндрическая. Эквивалентный диаметр d_э·к этих каналов связывают с эквивалентным диаметром волокон d_э·в, образующих пористую среду, следующим соотноше­нием:

Зная эквивалентный диаметр пористых каналов, можно приближенно определить средний диаметр частиц загрязнений, задерживаемых фильтрационным материалом. Диаметр пористых каналов для большинства волокнистых фильтрационных материалов зависит от степени их сжатия.

Так, для войлока с диаметром волокон 15 мкм и пористостью 72 % эквивалентный диаметр пор составляет 29,2 мкм, а при сжатии волокон и пористости 40,6 % — 12,4 мкм.

Для зернистых прессованных пористых материалов мо­делью пористой среды считают среду, состоящую из ша­ровидных частиц одного диаметра. В этом случае размер поры, а следовательно и диаметр задерживаемых загрязне­ний, может быть найден из выражения

где d — диаметр зерна пористого материала, мкм.

Практически размер частиц, задерживаемых зернистыми пористыми материалами, несколько меньше вследствие раз­личного размера зерен и их соприкосновений и может быть приблизительно принят равным 0,1d.

Определить действительную скорость топлива через по­ристый материал фильтра практически невозможно. Поэтому расчет фильтров обычно выполняют по условной ско­рости, называемой скоростью фильтрации, определяемой по формуле

где Q — количество топлива, проходящего через фильтр, м³/с;

F_с — свободное поперечное сечение фильтра в направлении дви­жения топлива, м².

Зная пористость материала ?, заполняющего фильтр, можно вычислить среднюю скорость топлива в порах, w_ср= = w/?.

В результате прохождения топлива через фильтр вследствие гидравлических сопротивлений наблюдается пе­репад давлений

где p_L и р₂, — давление топлива на входе и выходе из фильтра, МПа.

Из-за сложности конфигурации поровых каналов фильт­рующих материалов нельзя теоретически рассчитать гидравлические сопротивления фильтра. Показателем режима движения топлива в поровых каналах является число Рейнольдса, т. е.

где w — скорость фильтрации топлива, м/с;

d_э·к — эквивалентный диаметр пористых каналов, м;

v_T — кинематическая вязкость топлива, мм²/с.

В топливных фильтрах наблюдается ламинарный режим течения с Re < 100. При таких числах Рейнольдса зависимость между перепадом давления в фильтре и расходом топлива через него прямолинейная. Скорость фильтрации в топливных фильтрах составляет 0,15—4,0 м/ч.

Для сравнения пропускных способностей различных фильтрационных материалов удобнее использовать удель­ные характеристики. Одной из таких характеристик может служить коэффициент К, характеризующий удельную пропускную способность фильтрующей перегородки или скорость фильтрации (при перепаде давлений 0,1 МПа и вязкости 0,1 Па • с).

Поскольку толщина фильтрующих перегородок и их кон­фигурация различны, то коэффициент К обычно относят к единице толщины фильтрационного материала и опреде­ляют по следующим формулам:

для цилиндрической фильтрующей перегородки

для плоской фильтрующей перегородки

где      µ — динамическая вязкость топлива, Па·с;

w_н — скорость фильтрации на наружной поверхности филь­трующей перегородки, м/с;

l_п — толщина фильтрующей перегородки, м;

?р — перепад давления, МПа;

R_н и R_в — соответственно наружный и внутренний радиусы ци­линдрической перегородки, м.

Загрязненное топливо, проходя через фильтр, закупо­ривает поровые каналы, что приводит при постоянном рас­ходе топлива к увеличению гидравлического сопротивления фильтра. Так, при значительной доле крупных механичес­ких примесей в топливе наружная поверхность фильт­рующего материала быстро забивается этими частицами и на поверхности фильтрующего элемента образуется осадок, через который в дальнейшем и фильтруется топливо. При небольшом количестве механических примесей и соизмери­мости их частиц с размерами пор фильтрационного материа­ла поровое пространство постепенно засоряется, а гидрав­лическое сопротивление фильтра увеличивается. В фильт­рах тонкой очистки с бумажными и картонными фильтрую­щими элементами очищаются топлива с размерами частиц примесей и меньше и больше размеров пор, поэтому происходит как засорение порового пространства, так и образова­ние осадка на его наружной поверхности. Таким образом, гидравлическое сопротивление фильтра возрастает и вследствие загрязнения пор фильтрационного материала и вследствие образования осадка на наружной поверхности фильтрующего материала. Гидравлические сопротивления как чистых, так и загрязненных фильтров определяют опытным путем. Для чистых фильтров эти сопротивления обыч­но не превышают 0,1—0,3 МПа.

Работу топливного фильтра оценивают показателями: тонкостью отсева и полнотой отсева.

Полностью отсева характеризует коэффициент отсева

где m₁ и т₂ — соответственно массовые доли механических приме­сей в топливе до и после фильтра.

Тонкость отсева и коэффициент отсева связаны между собой. Чем меньше минимальный размер задерживаемых частиц, тем больше коэффициент отсева. По мере заполнения пор частицами и образования осадка на наружной поверх­ности фильтрационного материала минимальный размер задерживаемых частиц уменьшается, а коэффициент отсева ? увеличивается. Фильтрацию широко применяют также для очистки топлив от воды. Процесс обезвоживания топ­лива путем фильтрации существенно отличается от ранее рассмотренного процесса очистки топлива в пористой среде от механических примесей.

При обезвоживании методом фильтрации топливо необ­ходимо фильтровать через 2 перегородки: коагулирующую и водоотталкивающую, на первой — микрокапли воды ук­рупняются, на второй — отделяются от топлива. Для изготовления коагулирующих перегородок используют раз­личные стекловолокна. Для придания гидрофильным стекловолокнам гидрофобных (водоотталкивающих) свойств их обрабатывают различными растворами. Стекловолокнистые материалы чаще всего применяют в виде матов и холста. С целью получения более крупных капель воды на наружной поверхности коагулирующей перегородки на нее надевают чехол из хлопчатобумажной ткани. Степень водоотделения зависит от толщины слоя коагулирующего материала, при­чем у каждого из материалов своя оптимальная толщина, с превышением которой ухудшаются водоотделяющие свой­ства. Толщина коагулирующих перегородок обычно от 1 до 12 мм.

По данным исследования, наибольшая эффективность водоотделения у материала, состоящего из 30% хлориновых (гидрофобных) и 70 % вискозных (гидрофильных) волокон. Исследования оте­чественных стекловолокнистых материалов диаметром 0,5—2 мкм показали, что у гидрофильных материалов одинаковые коагулирую­щие свойства. Материалы из волокон диаметром 3—6 мкм, обработан­ные фенолформальдегидной смолой или фенольными спиртами для придания им гидрофобных свойств, обеспечивают 100%-ю эффектив­ность водоотделения, которая зависит также от расхода топлива че­рез перегородку.

Материал, используемый для водоотталкивающей пере­городки, должен хорошо смачиваться топливом и совсем не смачиваться водой. До настоящего времени в отечест­венной и зарубежной практике для водоотталкивающей перегородки использовали бумагу или капроновую ткань, пропитанную водоотталкивающим раствором. В последнее время для водоотталкивающих перегородок стали приме­нять пористый тефлон, обладающий большой удельной пропускной способностью по сравнению с бумагой.

Полнота отделения воды, выражаемая коэффициентом ?', характеризует эффект очистки от воды топлива, однократно пропущенного через водозадерживающий материал при ?р = 0,05 МПа, т. е.

где m₁^’ и m₂^’ — соответственно доля воды в топливе до и после филь­тра, %.