Обработка дизельного топлива методом кавитации

Содержание

Введение

В Российской Федерации основным потребителем дизтоплива является грузовой автотранспорт, на долю которых приходится около 30% всех поставок. Развитие техники, особенно транспортных средств, основанных на использовании реактивных и дизельных двигателей, значительно увеличило потребление средних прямогонных нефтяных фракций (200– 350°С).

В связи с развитием и совершенствованием дизелей растет потребность в дизельном топливе и повышаются требования к его эксплуатационным свойствам.

В условиях низких температур работа машин особенно затруднена, а более 50% территории РФ относится к климатической зоне со среднегодовой температурой января ниже - 20 °С. Низкотемпературные свойства дизельного топлива характеризуются температурой помутнения, при которой в топливе начинают выделяться кристаллы парафина, и температурой застывания, при которой топливо теряет подвижность. На пуск дизеля существенно влияют смесеобразование и сгорание топлива в момент пуска. Поэтому зимой для дизелей используется топливо меньшей, чем у летнего, вязкости. Кроме того, оно имеет более низкую температуру застывания и вспышки по сравнению с летним дизельным топливом. Значительное падение температуры окружающего воздуха приводит к существенному изменению свойств дизельного топлива, ухудшает испаряемость, затрудняет его прокачиваемость по трубопроводам и через фильтры, снижает воспламеняемость, что затрудняет пуск и эксплуатацию автомобильной техники с  дизельными двигателями. В условиях отрицательных температур в дизельном топливе происходит выделение парафина, что отрицательно сказывается на работе двигателя, особенно затруднен его пуск. Парафины, содержащиеся в топливе, при этом превращаются в студенистую массу, которая  забивает топливные фильтры, топливопроводы, что также является причиной отказов.

Для улучшения низкотемпературных свойств дизельного топлива используется кавитационная ультразвуковая обработка. Именно кавитационная обработка жидких топлив наиболее эффективный способ безреагентной модификации топлива и основная борьба идет за способы создания таких устройств и процессов.

Установлено, что значительное облегчение фракционного состава вызывает снижение вязкости дизельного топлива, что обеспечивает лёгкость прокачивания топлива через топливную аппаратуру. Напротив, повышение вязкости сопровождается увеличением сопротивления прокачивания топлива в системе питания дизельного двигателя.

Актуальность проблемы: Широкое внедрение кавитационной обработки топлива для дизельных двигателей различных транспортных средств позволит не только значительно оздоровить экологическую обстановку городов, населенных пунктов, сельскохозяйственных угодий и зон отдыха, но и сэкономить большое количество дорогостоящих автомобильных топлив.

Использование системы обработки автомобильного топлива позволяет:

– экономить дизельное топливо (до 5,0%);

–расширить диапазон нефтяных топлив, используемых в автомобильных двигателях;

– эффективно сжигать в двигателе автомобиля обводненное топливо и отстой воды в баке без негативного влияния на его работу;

–повысить экологическую чистоту автотранспортного средства в целом.

Цели и задачи работы:

1) Ознакомиться с литературой по кавитационной обработке топлив

2) Изучить ассортимент, качество и состав дизельных топлив

3) Ознакомиться и научится работать на аппаратном комплексе «Хроматэк-Кристалл 5000-2».

4) Выявить влияние кавитационной обработки на дизельное топливо

5) Составить графики распределения по фракционному составу и сделать выводы.

Обработка дизельного топлива методом кавитации

Данная технология представляет собой ряд мероприятий, в основу которых положены принципы гидродинамической кавитации, приводящих к обрыву полимерных связей, т. е. получению низкомолекулярных соединений, а как следствие, изменению (облегчению) фракционного состава обрабатываемого дизтоплива. Это, в процессе эксплуатации дизельных двигателей, приводит к значительной экономии топлива, т.к. все ценнейшие углеводородные составляющие - ароматические, нафтеновые, парафиновые углеводороды и т. д., которые в обычной практике сепарируются и отфильтровываются, имеют более низкую молекулярную структуру и как следствие, лучшую сгораемость. Известно, что утяжеление фракционного состава увеличивает расход топлива на 2…3% и повышает дымность на 10-15%.

Так как топливная аппаратура дизелей имеет высокоточные детали (зазоры в прецизионных парах 2-5мкм.) совершающие возвратно-поступательные и вращательные движения друг относительно друга с большими скоростями, кроме того, в связи с высокими давлениями и температурами в камере сгорания, детали насосов и форсунок испытывают значительные механические и термические нагрузки. В процессе дозирования и нагнетания топливо протекает в каналах топливной аппаратуры с огромными скоростями. Эти факторы обуславливают жесткие требования к чистоте дизельного топлива, а также к вязкости и наличию смазочных свойств.

Кавитация представляет собой средство локальной концентрации энергии низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. В фазе разрежения акустической волны или за счет местного понижения давления при обтекании твердого тела, в жидкости образуются каверны (кавитационные пузырьки), которые заполняются насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения каверна захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз. Через стены каверны в нее диффундирует растворенный в жидкости газ, который затем подвергается сильному адиабатическому сжатию. Чтобы избежать захлопывания кавитационных пузырьков, надо подать в область пониженного давления какой-нибудь газ, например воздух.

В момент схлопывания кавитационной каверны, давление и температура газа локально могут достичь значительных величин (по расчетным данным до 100 МПа и до 10000 К соответственно). После схлопывания каверны в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве. При генерировании импульсных растягивающих напряжений в жидкости, присутствующие в ней зародыши кавитации (устойчивые паровые и газовые пузырьки малых размеров) начинают расти, образуя кавитационный кластер, форма и размеры которого определяются начальным спектром размеров кавитационных зародышей, характером прикладываемого напряжения и граничными условиями.

В кавитационную каверну могут проникать пары жидкости, растворенные газы, а также вещества с высокой упругостью пара и не могут проникать ионы или молекулы нелетучих растворенных веществ. Выделяющейся в процессе схлопывания каверны энергии достаточно для возбуждения, ионизации и диссоциации молекул воды, газов и веществ с высокой упругостью пара внутри кавитационной каверны. Длинные молекулярные цепи преобразовываются в легкие углеводородные радикалы газовых, дистиллятных топливных фракций.

Кавитационное воздействие на нефть и нефтепродукты позволяет увеличить выход легколетучих фракций при атмосферной перегонке. Кавитация ускоряет диффузию нефти в полости парафина, интенсифицирует процесс его разрушения.

Кавитация разрывает непрерывную цепочку, разрушая связи между отдельными частями молекул, влияет на изменение структурной вязкости, то есть на временный разрыв ван-дер-ваальсовых связей. Под воздействием кавитации большой интенсивности на протяжении длительного времени нарушаются С–С-связи в молекулах парафина, вследствие чего происходят изменения физико-химического состава (уменьшение молекулярного веса, температуры кристаллизации и др.) и свойств нефтепродуктов (вязкости, плотности, температуры вспышки и др.).

При разрыве связи С–Н от углеводородной молекулы отрывается водород, при разрыве связи С–С углеводородная молекула разрывается на две неравные части.

При кавитационной обработке углеводородного сырья происходит деструкция молекул, вызванная микрокрекингом молекул и процессами ионизации. В результате протекания этих процессов в системе накапливаются «активированные» частицы: радикалы, ионы, ионно-радикальные образования. Кавитационная обработка воды изменяет ее физико-химические свойства, увеличивает рН воды, способствует ее активации. Теоретическая прочность воды на разрыв равна 1500 кг/см. Максимальная прочность на разрыв тщательно очищенной воды, достигнутая при растяжении воды при 10 град. составляет 260 кг/см.  В результате кавитационного воздействия вода временно становится активным растворителем труднорастворимых веществ без введения химических реагентов.

Свойства дизельных топлив для наземной техники

Предназначено для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением рабочей смеси от сжатия (дизелей). Представляет смесь углеводородов керосиновой, газойлевой и соляровой фракций, получаемых в результате перегонки нефти, с температурой кипения 180-360°С и плотностью 0,79-0,86 г/см3. Обычно под этим термином понимают топливо, получающееся из керосиново-газойлевых фракций прямой перегонки нефти. Смешивание гидроочищенных и прямогонных фракций в определенных пропорциях (компаундирвание) определяет конкретную марку солярки. Обычно смесь делается из прямогонного дизельного топлива прямой и первичной перегонки и легкого газойля, получаемого путем каталитического крекинга. В соответствии с ГОСТ, при перегонке нефти могут получаться три марки дизельного топлива: Л (летнее дизельное топливо) – для температуры выше 0 °С; З (зимнее дизельное топливо) для температуры до -20-30 °С; А (арктическое) для самых низких температур, до -50 °С.

ДТ по своему химическому составу представляет сложную смесь: алканов (от 10 до 40%), циклоалканов (20…60%) и ароматических соединений (14…30%) и их производных. С повышением температуры кипения фракции содержание ароматических углеводородов может увеличиваться до 40-47%. Средняя молекулярная масса ДТ находится в пределах от 110 до 230.

Как и у любого горючего, несколько основных характеристик дизельного топлива определяют его качество и предназначение – например, для использования в быстроходных, среднеоборотных или тихоходных дизелях, либо при различных температурах воздуха. Степень быстроходности в значительной мере определяет требования к качеству топлива. Для автомобильных дизельных двигателей выпускаются топлива на базе керосиновых, газойлевых и соляровых дистилляторов прямой перегонки нефти. Для снижения содержания серы используют гидроочистку и депарафинизацию.

Нефтеперерабатывающей промышленностью вырабатывается дизельное топливо по ГОСТ 305-82 трех марок:

• Л - летнее, применяемое при температурах окружающего воздуха выше 0 °С;
• З - зимнее, применяемое при температурах до -20 °С (в этом случае зимнее дизельное топливо должно иметь t° застывания < -35 °С и п < -25 °С), или зимнее, применяемое при температурах до -30 °С, тогда топливо должно иметь t° застывания < -45 °С и п <-35 °С);
• А - арктическое, температура применения которого до -50 °С. Содержание серы в дизельном топливе марок Л и З не превышает 0,2 % - для I вида топлива и 0,5 - для II вида топлива, а марки А - 0,4 %.

По физико-химическим показателям топливо должно соответствовать требованиям и нормам, указанным в табл. 1 (ГОСТ 305-82)