Использование фильтров из полимерных материалов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЛЬТРОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ СИЛЬНОЗАГРЯЗНЕННЫХ И ОБВОДНЕННЫХ ГОРЮЧЕ-СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ГСМ) И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЖИЖКОСТЕЙ (ТЖ)

Чипизубов В.В., «Лаборатория фильтровальных технологий «Криброл», г.Санкт-Петербург

В.В. Сердюк, Ашкинази Л.А., Международная Академия Прикладных Исследований, г.Санкт-Петербург

Сохранение качества горючесмазочных материалов и технологических жидкостей в цепочке от изготовителя до потребителя (бака техники) является актуальной проблемой. Основной причиной поступления на бункербазы и АЗС некачественных ГСМ и ТЖ является нарушение технологии производства, транспортировки и хранения.

На нефтеперерабатывающих заводах постоянно возникает проблема очистки нефтепродуктов (бензиновые, дизельные, керосиновые, масляные и др. фракции) и технологических газов (водородсодержащий газ, азот, инертный газ и др.) от воды и механических примесей.

Отрицательное влияние на эксплуатационные свойства нефтепродуктов оказывает главным образом вода в эмульгированном виде.

Образование и использование водно-масляных и водно-топливных эмульсий на нефтеперерабатывающих предприятиях приводит к значительному экономическому ущербу. Обводненные нефтепродукты вызывают:

Актуальной проблемой остается загрязнение ГСМ и ТЖ смолистыми соединениями, водой, механическими примесями и биозагрязнениями в процессе их хранения, транспортировки и распределения по бункербазам и АЗС [1].

Загрязнения в топливах действуют в комплексе и взаимно усиливают друг друга, ухудшая качество нефтепродуктов в процессе транспортировки и хранения. Так, наличие воды способствует окислению нефтепродукта и развитию в нем биозагрязнений на границе нефтепродукт — вода. В присутствии влаги снижается теплота сгорания топлива и провоцируется коррозия топливной системы, а в присутствии механических примесей наблюдаются повышенный износ топливного насоса и форсунок, заедание плунжеров и засорение распылителей [2]. В некоторых топливных системах, как, например, в системах двигателя ЯАЗ-204, наличие влаги может вызвать разрушение фильтра тонкой очистки топлива. Механические примеси, в состав которых в большинстве случаев входят металлы в виде продуктов коррозии, являются катализаторами окисления, в процессе которого образуются кислоты и различные смолисто-асфальтеновые соединения. Кислоты, в свою очередь, вызывают коррозию материалов цистерн, трубопроводов, арматуры при хранении и перекачке нефтепродуктов, увеличивая тем самым количество механических примесей, а также способствуют созданию благоприятных условий для процессов полимеризации смолистых веществ и образования стойких коллоидных систем.

В результате деятельности биозагрязнителей (грибков и бактерий) происходит не только накапливание биомассы, приводящей к отказам в работе топливной системы, но и окисление нефтепродуктов с образованием органических кислот.

Поддержание высокого качества нефтепродуктов должно предусматривать комплекс мер, предусматривающих удаление всех или большинства из перечисленных выше загрязнителей. Традиционно широко применяется только очистка от механических примесей с помощью различных фильтров. Использование центробежных сепараторов для очистки от воды и механических примесей ограничено сложностью и высокой стоимостью оборудования, а также сложностью и трудоемкостью их правильной настройки и обслуживания. Коалесцентные фильтры работают недостаточно эффективно при наличии в исходном нефтепродукте большого количества механических примесей. Системы отстаивания могут использоваться лишь в качестве предварительного средства очистки. Проблема комплексной очистки топлив наиболее эффективно может быть решена с использованием в качестве фильтрматериала пористых полимерных композиций на различных стадиях производства, транспортировки, хранении и эксплуатации на транспорте.

В последние годы Лабораторией Фильтровальных Технологий «Криброл» был создан пористый материал позволяющий управлять на стадии его производства такими характеристиками, как водопоглощение, размер пор, общая пористость, прочность, упругость и т.д. и получать материал с равномерной пористой структурой и отливкой из него фильтрэлементов любой формы и размеров [3].

На рис. 1 представлены образцы структуры пористых полимерных материалов полученных по разной технологии с разной величиной пор.

Рис. 1. Структура полимерных пористых материалов.

На рис. 2 приведен, приведён принцип действия объемного фильтрэлемента из пористого материала при очистке им углеводородного топлива [4].

Рис. 2. Принцип действия объемного фильтрэлемента из пористого материала при очистке им углеводородного топлива.

По мере поглощения воды из нефтепродуктов внутри пористой структуры фильтрующего материала образуются крупные капли воды, которые под действием гравитации движутся внутри пористой структуры к нижней части фильтрэлемента. Если же под воздействием потока нефтепродукта капля воды оказывается вытолкнутой на наружную поверхность, то она не уносится потоком, а скользит по поверхности фильтрэлемента (как капли дождя по стеклу). По мере накопления капель в нижней части фильтрэлемента они стекают в отстойник (рис. 3).

Такой механизм действия фильтрэлементов дает высокую эффективность очистки нефтепродуктов даже от сильно эмульгированной воды. При этом не требуется установка гидрофобной сетки для задержки укрупненных капель [5].

Кроме воды, фильтрэлементы из полимерного пористого материала эффективно удаляют механические примеси благодаря своей пористой структуре. При этом средний размер пор значительно превышает размер задерживаемых частиц. Эффективная очистка обеспечивается объемностью фильтрматериала и большой извилистостью поровых каналов, то есть действует эффект лабиринта.


а — капля отделенной от топлива воды на поверхности фильтрэлемента;
b — капля воды, отделяющаяся от поверхности фильтрэлемента;
c — капли отделенной воды в отстойной зоне корпуса фильтра.

Рис. 3. Отделение воды на фильтрэлементе при высоком обводнении топлива.

В процессе фильтрации довольно большая часть механических частиц не задерживается на поверхности, а попадает вглубь фильтрующего материала, где в значительной степени подхватывается стекающими вниз каплями воды. В целом, наличие в очищаемом топливе небольшого количества воды и влажность самого фильтрэлемента благотворно сказываются на качестве удаления механических примесей. При этом происходит частичная регенерация фильтрэлемента от поглощаемых им в процессе работы механических примесей. Полная регенерация от механических примесей производится промывкой его в воде хозяйственным мылом и отжимом фильтрэлемента (без сушки), что позволяет проводить многократную регенерацию фильтрующих элементов.

Технология очистки нефтепродуктов, основанная на применении фильтров из полимерного пористого материала, позволяет с помощью одного фильтрующего элемента одновременно и качественно очищать нефтепродукт от воды, водорастворимых кислот и щелочей, механических примесей, биозагрязнений. При этом очистка от воды идет в непрерывном режиме, что особенно важно на сильно обводненных нефтепродуктов и технологических сред. Количество отделяемой воды не ограничено.

На рис. 4 представлены фильтрэлементы с различной толщиной стенки, изготовленные для стендовых испытаний, которые изготовлялись путем уменьшения внешней стенки при постоянной величине внутренней камеры. По результатам испытаний для работы в составе фильтра фильтрэлементы изготовляются стандартного внешнего диаметра, а оптимальная толщина стенки получается за счет увеличения диаметра внутренней камеры, что позволяет значительно увеличить грязеемкость фильтра при сохранении стандартных внешних размеров.

Рис. 4. Фильтрэлементы с различной толщиной стенки

Насыщаясь водой, фильтрэлементы становятся эластичными и примерно на 10% увеличиваются в размере. При фильтрации под большим давлением и полностью забитой механическими примесями внутренней камере фильтрэлемента при несвоевременной его очистке вследствие несвоевременного обслуживания может произойти разрыв тела фильтра. Во избежание таких аварий фильтры защищаются ограничителем удлинения или сеткой с ограничителем удлинения, как это показано на рис.5.

Фильтрующий элемент, снабженный ограничителем продольного (вертикального) удлинения фильтрующего элемента

Фильтрующий элемент, снабженный ограничителем продольного (вертикального) удлинения фильтрующего элемента и сеткой

Рис. 5. Фильтрэлементы с защитой.

Фильтрэлементы выпускают с различными креплениями в зависимости от конструкции корпуса фильтра и поставленной задачи. На рис.6 виды некоторых фильтров.

Рис. 6. Фильтрэлементы с различным креплением.

Основным достоинством фильтрэлементов из пористого полимерного материала является возможность их регенерации. На рис. 7 приведены фильтрэлементы загрязненные механическими примесями до и после такой регенерации.

Фильтрэлемент заполненный механическими примесями

Фильтрэлемент после очистки от механических примесей

Рис. 7. Фильтрэлементы загрязненные механическими примесями до и после регенерации.

Иногда при необходимости очистки больших объемов жидкости технология фильтрации требует собирать гирлянды из фильтрующих элементов. В этом случае радикально меняется конструкция фильтрэлементов, как это показано на рис. 8 [6].

Фильтрующий элемент, снабженный двумя крышками

Фильтрующий элемент, снабженный двумя крышками и внутренней перфорированной трубкой

Фильтрующий элемент, снабженный двумя крышками и внутренней трубкой из сетки Джонсона

6 – донышко фильтрэлемента;
12 – фильтрующий элемент из пористого материала;
19 – внутренняя перфорированная трубка;
20 – внутренняя трубка из сетки Джонсона.

Рис. 8. Фильтрэлементы с двумя донышками.

Приведенные конструкции фильтрэлементов не исчерпывают всего многообразия вариантов их изготовления, а лишь демонстрируют широту возможностей разработанного нами способа изготовления фильтрэлементов. Наиболее простая конструкция фильтра и фильтрэлемент представлены на рис. 9.

Фильтр в сборе и фильтрэлемент из пористого полимерного материала

Схема внутреннего устройства фильтра в сборе

Рис. 9. Фильтр в сборе и фильтрэлемент из пористого полимерного материала.

На базе простейших корпусов был создан ряд установок для очистки в межсезонный период топливных баков автобусов в АТП-6 ГП «Пассажиравтотранс» г. Санкт-Петербург производительностью 0,5 м3/час (рис. 10) и установка производительностью 4 м3/час для очистки дизельного топлива после хранения и транспортировки на АЗС автохозяйств (рис.11). Большим спросом пользуются фильтрационные установки для заправки строительной и дорожной техники непосредственно на строительных площадках, что исключает попадание некачественного топлива в топливные баки строительной и дорожной техники. Следует отметить, что такие установки выпускаются в защитных кожухах, дабы предотвратить случайную порчу фильтрационных установок в процессе проведения строительных и дорожных работ [6]

Рис. 10. Установка для очистки топливных баков.

Рис. 11. Установка для очистки дизельного топлива после хранения и транспортировки на АЗС автохозяйств.

Приведенный на рис.9 фильтрэлемент с измененным по стандартам ВМФ креплением применяется в судовых фильтрах ФНТ 40/10 на кораблях морского флота (рис.12-13) [8].

Рис. 12. Судовой фильтр ФНТ 40/10.

Рис. 13. Расположение фильтрэлементов из полимерного пористого материала в фильтре ФНТ 40/10.

По требованию Заказчиков были разработаны более сложные автоматизированные фильтрационные установки небольшой производительности с универсальным насосом для очистки любых жидкостей: ГСМ, ТЖ, растительных масел, эфиров растительных масел, виноматериалов, воды и т.д. приведенные на рис.14 [9].

Схема устройства установки

Установка для сельского хозяйства и пищевой промышленности, выполненная из нержавеющей стали

Общепромышленная установка, выполненная из стали

Рис.14. Универсальные фильтровальные установки с фильтрэлементами из полимерных пористых материалов.

На рис. 15 приведена схема фильтра с установленными в нём фильтрэлементами из полимерных пористых материалов используемого на ООО «Нижневартовское нефтеперерабатывающее объединение» на линии выдачи топлива в парк хранения [10].

Рис. 15. Принципиальная схема штатного фильтра СТ-2500 с вмонтированными фильтрэлементами из полимерных пористых материалов.

На рис. 16 приведен фильтр, разработанный для узла защелачивания нефти установки УЗК [10].

Схема внутреннего устройства фильтра

Фильтр в сборе

Обвязка фильтра

Рис. 16. Фильтр производительностью 54 м3/час.

Такая компоновка фильтра значительно снижает диаметр корпуса фильтра и его стоимость, но имеет ряд недостатков:

В данном случае идет очистка бензиновой фракции от щелочного раствора. Низкая вязкость и плотность бензиновой фракции и высокая плотность 10-ти % раствора щелочи позволяет применять такую конструкцию.

Этих недостатков лишены конструкции фильтров, приведенные на рис.17.

2-х ярусный фильтр с параллельной подачей очищаемой жидкости

4-х ярусный фильтр с параллельной подачей очищаемой жидкости

3-х ярусный фильтр с последовательной подачей очищаемой жидкости

Рис. 17. Конструкции многоярусных фильтров.

Отличительной конструкцией этих фильтров является то, что очищаемая жидкость подается параллельно на каждый ярус, а отделенная вода с каждого яруса отдельно сливается в отстойник и не контактирует с очищенной жидкостью других ярусов. Это предотвращает возможность выноса отделившейся воды потоком фильтрата.

Такая конструкция фильтра допускает и организацию последовательной подачи очищаемой жидкости из одного яруса на другой. При этом резко падает производительность фильтра, которая будет равна производительности нижнего яруса, на котором по конструкционным особенностям фильтра расположено минимальное количество фильтрэлементов, зато резко возрастает степень очистки фильтрата. Такая конструкция позволяет использовать на разных ярусах фильтры с различной пористостью в соответствии с поставленной задачей.

На рис. 18 приведены конструкции фильтров с фильтрэлементами собранными в гирлянды.

Фильтр с гирляндами из двух фильтрующих элементов

Фильтр с двумя фильтрующими элементами, соединенными в гирлянду с устройством для очистки от механических примесей

Фильтр с пятью фильтрующими элементами, соединенными в гирлянду с устройством для очистки от механических примесей выведенным из корпуса фильтра

Рис. 18. Конструкции фильтров с фильтрэлементами, собранными в гирлянды.

Конструкции фильтров с фильтрэлементами, собранными в гирлянды имеют коллектора выполненные в виде тора, образуемого крышкой фильтра и верхней трубной решеткой. Гирлянды фильтрэлементов в трубных решетках крепятся на входных патрубках защищенных от прямого попадания очищаемой жидкости и достаточно высоко поднятых над трубной решеткой, что позволяет создать условия благоприятные для возникновения и поддержания в процессе работы эффекта коалесценции (укрупнения) капель воды. При таком конструктивном выполнении фильтра с большеобъемным коллектором для подвода очищаемой жидкости достигается создание ламинарного потока жидкости поступающей в фильтрэлементы, выравнивание скоростей жидкости поступающей в каждый фильтрэлемент и равномерное снижение скорости фильтруемой жидкости от центра фильтрующего элемента к его периферии с одновременным образованием вблизи нижней части фильтрующего стакана относительно спокойных зон, в которых исключается, перемешивание очищенной жидкости с отделенной водой, в результате чего укрупненные капли воды не уносятся восходящим потоком отфильтрованной жидкости, а поступают в днище-отстойник.

Приведены разные варианты фильтров. В первом все механические примеси остаются внутри фильтрэлемента, что ограничивает фильтр по отсеву механических примесей.

Второй и третий варианты предусматривают частичную очистку от механических примесей потоком очищаемой жидкости при открытии клапанов и вентилей. При этом будет происходить некоторая потеря очищаемого продукта.

На рис. 19. приведена конструкция фильтра для очистки сильно загрязненных нефтепродуктов и дренажных вод.

Рис. 19. Фильтр для очистки сильно загрязненных жидкостей.

Приведенный на рис. 19 фильтр работает следующим образом: очищаемый поток дренажных вод или сильно загрязненного нефтепродукта поступает внутрь корпуса тангенциально. Еще большему закручиванию потока способствует напорный насос и завихритель 13, установленный на сливной трубе. Очищаемая среда приобретает вращательное движение, обеспечивающее за счет действия центробежных сил разделение исходного материала на тяжелый и легкий продукты. Тяжелый продукт (механические примеси) отбрасывается к поверхности корпуса фильтра и по ней перемещается на глухое днище где и скапливается. Так осуществляется первая ступень очистки. Жидкость поднимается вверх и фильтруется через фильтрматериал в направлении противоположном направлению действия силы тяжести в верхнюю глухую камеру, откуда по сливной трубе поступает на второй слой фильтрматериала. Так осуществляется вторая ступень очистки дренажных вод. Так как фильтруемый поток вращается, то он смывает значительную часть механических примесей задержанных фильтрматериалом. Загрязнения отрываются от фильтрматериала и скапливаются на глухом днище. Это способствует уменьшению количества загрязнений на фильтре, снижению его сопротивления и потери давления потока жидкости на нем. При этом значительно возрастает грязеемкость устройства.

Прежде чем попасть на второй слой фильтрматериала поток очищаемой жидкости попадает на отражатель, ударяется и отражается от него, попадает на глухое днище и только потом поступает на новый слой фильтрматериала. Смена направления движения потока жидкости способствует выделению из нее механических примесей. Профильтрованная через второй слой фильтрматериала жидкость попадает в пористый полимерный фильтр – коалесцер. Так осуществляется третья ступень очистки.

В качестве фильтрующего материала в зависимости от вида очищаемого нефтепродукта, количества и состава механических примесей, необходимой степени очистки используют технические фильтровальные ткани, металлические фильтровальные ткани или сетку Джонсона. Фильтрующий материал может быть либо одинаковым, либо разным, в зависимости от поставленной задачи. Обычно первый фильтрующий материал выбирается боле прочным и износостойким, так как на него приходится большая часть механических примесей.

На фильтре – коалесцере происходит доочистка от остатков мелких механических примесей и разделение очищаемой среды на воду, не содержащую нефтепродуктов, и нефтепродукты не содержащие воды. Вода скапливается на сферическом днище фильтра, откуда сливается в промышленную канализацию либо подается в технологическую схему предприятия. Слив воды осуществляется автоматически по сигналу двух датчиков раздела сред. Верхний датчик границы раздела фаз контролирует верхний уровень воды, не позволяя ей подниматься выше успокоителя и смешиваться с очищенным нефтепродуктом. Нижний датчик границы раздела фаз не позволяет уровню воды опускаться ниже начала конического днища фильтра, образует гидравлический затвор и предотвращает попадание нефтепродукта в промышленную канализацию.

Такая организация процесса очистки дренажных вод и сильно загрязненных нефтепродуктов позволяет значительно увеличить грязеемкость фильтра за счет увеличенного объема камер для сбора механических примесей, снижает гидравлическое сопротивление фильтра, предотвращает попадание нефтепродукта в промышленную канализацию, чем улучшает экологическую обстановку на предприятии. Кроме того отделенный от дренажной воды нефтепродукт возвращается в емкости хранения, что приводит к снижению потерь нефтепродуктов.

Приведенные конструкции фильтров предусматривают либо смену, либо регенерацию фильтрэлементов, только при остановке фильтра.

На рис. 20 представлена конструкция фильтра разработанная для очистки сильно загрязненных жидкостей позволяющая проводить частичную регенерацию фильтрэлементов в процессе работы фильтра методом «обратного потока».

Рис. 20. Фильтр с регенерируемыми в процессе очистки полимерными пористыми материалами для очистки сильно загрязненных сред.

Примеры очистки различных сред тестовыми фильтрами:

Результаты очистки трансформаторного масла. После очистки тангенс угла диэлектрических потерь при 90°С изменился с 3,30 до 0,90, а пробивное напряжение с 15 до 71 кВ.

Результаты очистки обводненного топлива для реактивных двигателей с установки СПГК. В результате очистки удельная электропроводимость изменилась с 19,5 пСм/м до 6,3 пСм/м.

Результаты очистки охлаждающей жидкости для автомобилей.

Результат очистки охлаждающей жидкости ТМС Cimclean PC 340 загрязнённой смазкой. ОЖ после фильтрации готова к повторному использованию.

Результаты очистки нефтесодержащей сточной воды. Содержание нефтепродуктов по П НДФ 14.1:2.5-95 изменилось с 2562,5 мг/дм3 до 1,29 мг/дм3

Результаты очистки виноматериалов. Визуально вино переходит из категории красных в категорию розовых, что серьезно повышает его стоимость.


Результаты очистки отходов пищевого растительного масла.

Пористые полимерные фильтры использовались для очистки пластовых вод весьма «сложных» в подготовке, так как в нефтепродуктах содержится большое количество смол до 25-30%. Результаты очистки приведены в табл. 1:

№ п/п

Параметры пластовой воды

до фильтров, мг/л

после фильтров, мг/л

норма, согласно ГОСТ

КВЧ

нефтепродукты

КВЧ

нефтепродукты

КВЧ

нефтепродукты

1

31

82,52

7

25,26

20

– 32,7

2

32

69,13

8

30,0

3

31

77,26

6

28,0

Фильтрация отходов промышленных производств из хранилища на площадке утилизации привела к снижению содержания нефтепродуктов с 124, до 5,9 мг/л по EPA 1664.

Очистка охлаждающей жидкости для металлообработки пористыми полимерными фильтрами показала снижение в них содержания нефтепродуктов по ПНДФ 14.1:2:4.128-98 с 540 до 44,8 мг/дм3.

Очистка судовых льяльных вод пористыми полимерными фильтрами привела к снижению содержания нефтепродуктов за один проход с 1300 до 39 мг/дм3.

Приведенные результаты очистки различных технологических сред, ГСМ и ТЖ пористыми полимерными фильтрами от воды и механических примесей показывает их высокую эффективность.

Литература:

1. Емельянов В.Е. // III Международная научно-практическая конференция «Новые топлива с присадками»: Сборник трудов, Санкт-Петербург, 1-3 июня, 2004. — СПб: Академия прикладных исследований, 2004. — с. 8-13.

2. Климов А.В и др. // II Международная научно-практическая конференция «Новые топлива с присадками»: Сборник трудов, Санкт-Петербург, 18-21 июня, 2002. — СПб: Академия прикладных исследований, 2002. — с. 320-324.

3. Патент РФ № 2445147

4. Климов А.В. и др. // Гидравлика и пневматика, № 7-8, 2003, с. 26-27.

5. Картошкин А.П. и д.р. http://www.apris.ru/Виртуальный журнал «Горюче смазочные материалы».

6. Патент РФ 98147

7. cribrol.com

8. Сердюк В.В., Ашкинази Л.А. и др. // Мир нефтепродуктов —2006. — 1 — С. 32-37.

9. Александров М.А.и др // ТПА (Трубопроводная арматура и оборудование) -2006 – 3 (24)-С.64-66.

10. cribrol.com

11. Седов В.М. и др. // Научно-технический семинар Совета главных механиков предприятий нефтеперерабатывющей и нефтехимической промышленности «Конструктивные и технологические решения по повышению эффективности тепло-массообменной и других видов аппаратуры нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств»: Материалы семинара, Москва, 17-19 февраля 2009 г.-М.: 2009.-С.149-166.

12. Патент РФ 98146

Свяжитесь с нами

Имя

e-mail


Введите код с картинки captcha