Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы переработки и повторного использования отработанных масел 11
1.1. Изменение свойств масел в процессе их работы и направления дальнейшего использования 11
1.2. Анализ существующих технологий и технических средств очистки, восстановления и регенерации отработанных масел 19
1.3. Оценка методов контроля технологического процесса очистки и качества масел 31
2. Теоретические предпосылки конструктивно технологического совершенствования оборудования и процесса очистки отработанных масел 37
2.1 Установление зависимостей влияния конструктивных особенностей установки на процесс очистки 38
2.2. Рациональная модель энергопотребления маслоочистительной установки 44
2.3. Определение параметров и зависимостей влияния формы и объема бака, теплоизоляции и мощности нагревателя на технологические характеристики процесса очистки 46
2.4. Оценка эффективности и качества технологического
процесса очистки методом фотометрии 67
3. Методика экспериментального исследования 74
3.1. Методика экспериментального исследования свойств масел и технологического процесса очистки 74
3.2. Оценка энергопотребления 79
3.3.Методика оценки эффективности различных технологий очистки 82
3.4. Методика оценки оптических свойств отработанных масел на колориметре КФК-2 83
3.5.Лабораторные исследования влияния содержания нерастворимых осадков на оптические свойства масла 85
3.6.Методика натурных стендовых испытаний устройства УКОМ-1 на маслоочистительной установке УСМ-30М 88
3.7. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований 91
4. Результаты экспериментальных исследований 95
4.1. Результаты экспериментальных исследований по оценке потребления электроэнергии установкой без теплоизоляции бака 95
4.2. Результаты экспериментальных исследований по оценке потребления электроэнергии установкой с теплоизоляцией бака 98
4.3. Оценка эффективности технологии очистки отработанного масла без предварительного нагрева 101
4.4. Результаты лабораторных исследований оптической плотности отработанного масла 103
4.5. Результаты стендовых испытаний устройства контроля процесса очистки масла 107
5. Оценка эффективности использования маслоочистительной установки 111
5.1. Экономическая модель маслоочистительной установки 111
5.2. Оценка экономической эффективности
функционирования маслоочистительной установки 117
5.2.1. Маслоочистительная установка с низким
прямоугольным баком без теплоизоляции 118
5.2.2. Маслоочистительная установка с применением кубической формы бака без теплоизоляции 119
5.2.3. Маслоочистительная установка с применением теплоизоляции низкого прямоугольного бака 120
Заключение 126
Литература
- Анализ существующих технологий и технических средств очистки, восстановления и регенерации отработанных масел
- Определение параметров и зависимостей влияния формы и объема бака, теплоизоляции и мощности нагревателя на технологические характеристики процесса очистки
- Методика оценки оптических свойств отработанных масел на колориметре КФК-2
- Результаты экспериментальных исследований по оценке потребления электроэнергии установкой с теплоизоляцией бака
Анализ существующих технологий и технических средств очистки, восстановления и регенерации отработанных масел
Основными видами эксплуатационных материалов для технических объектов, автомобилей, тракторов, комбайнов и других самоходных машин в АПК являются различные виды топлив, смазочные масла и технологические жидкости. Наиболее значимыми из эксплуатационных материалов для этих объектов являются масла. Основное назначение масла – образование устойчивой смазочной пленки для обеспечения минимального трения и предотвращения износа поверхности трения.
При работе моторные масла соприкасаются с металлами, подвергаются воздействию окружающего воздуха, температуры, давления и других факторов. Под их влиянием происходит разложение, окисление, полимеризация и конденсация углеводородов, обугливание (неполное сгорание), разжижение горючим, загрязнение посторонними веществами и обводнение масел. В результате старения образуются такие продукты, как органические кислоты, сажа, шлам, продукты распада присадок и сгорания топлива /1,2/.
При эксплуатации техники в маслах накапливаются асфальто-смолистые соединения, коллоидальные кокс и сажа, различные соли, кислоты, а также металлическая пыль и стружка, минеральная пыль, вода и т.д /1,2/.
Металлические частицы попадают в масло в результате износа деталей, минеральные примеси (пыль, песок) засасываются в масляную систему из воздуха, накапливаются в работающем масле и вызывают интенсивный износ трущихся поверхностей. Во время работы в двигателях масла обводняются. Вода проникает в масло из окружающего воздуха, из продуктов сгорания топлива или через неплотности водяных охлаждающих устройств.
Вода находится в масле в растворенном состоянии, а также образует с ним эмульсию; в зависимости от условий она может частично переходить из одного состояния в другое. С изменением температуры, связанным обычно с изменением режима работы двигателя, происходит конденсация на поверхности масла влаги, имеющейся в воздухе, иногда в значительном количестве.
При соприкосновении масел с нагретыми частями двигателя происходит их термическое разложение (крекинг), в результате которого образуются легкие летучие и тяжелые продукты. Кроме того, масла подвергаются значительным местным перегревам, а иногда частично сгорают.
При работе в двигателях, машинах, при хранении на складах и транспортировании масла соприкасаются с кислородом воздуха. Контакт с кислородом является главной причиной, вызывающей химическое изменение масла – окисление. При окислении идет разложение ненасыщенных компонентов с образованием гудрона.
В процессе окисления изменяются физико-химические свойства масла, что приводит к ухудшению его эксплуатационных характеристик. Скорость и глубина окисления, а также характер образующихся продуктов зависят от основы масла, температуры, продолжительности работы масла, величины поверхности соприкосновения с воздухом, от наличия химических соединений, способных каталитически ускорять или замедлять этот процесс, и т.д.
При температуре до 20...30 С и нормальном давлении процесс окисления масла на воздухе идет медленно. С повышением температуры скорость его заметно возрастает. При температурах 270...300 С и выше наряду с бурно протекающими процессами окисления наблюдается термическое разложение углеводородов с образованием углекислого газа, воды и углистых веществ.
Масла, содержащие загрязняющие примеси, не способны удовлетворять предъявляемым к ним требованиям и должны быть заменены свежими маслами. Годовой объм отработанных масел в России составляет порядка 8,0 млн тонн /3, 4/, в США – 5млн тонн, в странах ЕЭС - 2,7 млн тонн /5, 6/.
Доля отработанных масел сектора АПК достаточно велика. Примером этому служит объем потребления масла в сельскохозяйственном предприятии ЗАО «Ростовский» Кагальницкого района Ростовской области.
В настоящее время отношение к отработанным маслам в нашей стране нерациональное. Так, в частном секторе только четвртая часть отработки находит вторичное применение, перерабатывается или утилизируется посредством сжигания, а три четверти исчезает из поля зрения/3/.
Аргументы целесообразности сбора и повторного использования отработанных масел таковы: если для получения 1 тонны свежего товарного масла необходимо 7 тонн нефти, то из 1,2 тонны отработанного масла можно получить 1 тонну масла, пригодного по своим физико-химическим показателям к использованию / 7,8/.
Важно отметить, что такое отношения к сбору отработанных нефтепродуктов проявляется и в экологическом плане. Отработанные масла являются существенным источником загрязнения окружающей среды. Один литр отработанного масла делает непригодными для питья до 1000000 (миллиона) литров грунтовой воды /9/. Отработанные нефтепродукты токсичны, имеют невысокую степень био-разлагаемости (10-30%). Они способны накапливаться в окружающей природной среде и могут вызвать сдвиг экологического равновесия. Содержащиеся в отработанном масле вещества, накапливаясь в почве и атмосфере, могут негативно влиять на иммунную систему человека, работу печени и почек.
Отсутствие достаточной информации об опасности воздействия отработанных масел на человека и среду обитания, и несоблюдение мер безопасности при обращении с отработанными маслами, как и с прочими опасными отходами, может привести к отравлению или развитию заболеваний.
Когда речь идт о технологиях переработки и утилизации отработанных масел, то в первую очередь акцент придатся экономической эффективности и экологической безопасности. При этом ставится задача максимально полезно и безопасно использовать этот потенциал.
В настоящее время можно выделить три пути движения отработанного масла. Первый – это неконтролируемая утилизация. В России до 77% всех отработанных масел нелегально сбрасывается на почву и в водоемы, а также в канализацию /10, 11, 12,13/. Это огромная экологическая проблема. Попадая в окружающую среду, отработанные масла представляют большую опасность для здоровья человека. По оценкам экологов более 40% поверхности воды в мире покрыто пленкой отработанных масел /2, 14/. Очевидно, что такой путь утилизации абсолютно неприемлем, т.к. наносит огромный непоправимый ущерб окружающей среде. Второй путь – сжигание отработанного масла или использование его в виде топлива. Этот способ утилизации также экологически небезопасен. Выбросы продуктов сгорания не менее опасны для человека, чем само отработанное масло. Продукты сгорания содержат окислы серы, углерода и азота, а также осадок в виде пыли золы или сажи.
Определение параметров и зависимостей влияния формы и объема бака, теплоизоляции и мощности нагревателя на технологические характеристики процесса очистки
При изготовлении маслоочистительных установок, работающих по упрощенной технологии, баки этих установок могут изготавливаться различной формы: - бак прямоугольной формы; - бак в форме цилиндра; - бак шарообразной формы. На основе математической модели (2.12) определим, как влияет форма бака на затраты электроэнергии при восстановлении масла. Численные исследования вариантов снижения энергозатрат проводились по предложенной математической модели при следующих условиях: 1) объем бака установки – 100 л; 2) температура окружающей среды (начальная температура масла) t0 – 250C.; 3) рабочая температура масла (температура выключения нагревателя) tк – 900C; 4) температура включения нагревателя tв – 850С; 5) мощность нагревателя – 6 кВт; 6) начальная концентрация загрязнений х0 – 2,8%; 7) конечная концентрация загрязнений хк – 0,02%.
Физическая сторона сложного процесса теплопередачи определяется явлениями теплопроводности, конвекции и теплового излучения. Коэффициент теплопередачи является количественной (расчетной) характеристикой процесса, величина которого зависит от формы и расположения стенки бака в пространстве, характера движения и физических свойств жидкостей и газов, участвующих в теплопередаче.
Для стенок бака маслоочистительной установки /97, 98/ (2.13) где – степень черноты излучающей поверхности (стенки бака); tп – температура излучающей поверхности , 0С; tк – температура окружающей среды, 0С. Снижения коэффициента теплопередачи возможно достичь увеличением толщины стенки (или использованием многослойной стенки), уменьшением коэффициента теплопроводности материала, из которого изготовлена стенка, уменьшением величин коэффициентов теплоотдачи.
Теплообмен между тврдым телом (стенкой бака маслоочистительной установки) и жидкостью или газом (окружающим воздухом), осуществляемый одновременным действием теплопроводности и конвекции, носит название конвективного теплообмена, или теплоотдачи.
Теплоотдача (или конвективный теплообмен) – явление достаточно сложное, описываемое системой дифференциальных уравнений: - уравнения теплообмена; - уравнения теплопроводности; - уравнения движения.
Применение математического анализа к задачам конвективного теплообмена в большинстве случаев ограничивается лишь формулировкой задачи, решения возможны для некоторых частных случаев и при ряде упрощающих допущений, зачастую искажающих результаты расчета. Учитывая ограниченность возможностей аналитического решения уравнений теплоотдачи, большое значение в изучении и расчете этого процесса имеет эксперимент. Экспериментальное изучение сложных процессов, зависящих от большого количества отдельных факторов, невозможно без использования методов теории подобия, согласно которым результаты ограниченного количества экспериментов могут быть распространены на любые физически подобные явления.
В основу практических расчетов конвективного теплообмена положена формула Ньютона-Рихмана: Q = aF(tl2). (2.15)
Согласно этой формуле, количество тепла Q, переданное от стенки к окружающему газу (или жидкости) за единицу времени, пропорционально площади поверхности F и разности температур стенки t1 и окружающей среды t2. Интенсивность теплообмена характеризуется коэффициентом теплоотдачи а, представляющим количество тепла, переданного в единицу времени через единицу поверхности при разности температур в один градус. При использовании формулы Ньютона-Рихмана все сложности вычисления концентрируются на определении коэффициента теплоотдачи.
В соответствии с теорией подобия, результаты отдельных экспериментов обрабатываются с использованием критериев подобия - безразмерных симплексов, составленных из размерных величин, характеризующих явление.
Характерный размер /, обеспечивающий геометрическое подобие в различных формах стенок, бывает разным. Например, для вертикальной стенки бака прямоугольной формы характерным размером является высота.
Первый вариант: бак прямоугольной формы. В случае теплоотдачи стенок масляного бака прямоугольной формы критериальное уравнение для вертикальных стенок представлено функцией вида: Nu = C(Gr-Pr)n, (2.19) где Си и эмпирические коэффициенты. Значения коэффициентов Сип для различных режимов различны и являются функцией аргумента Gr-Pr. Их значения /97, 99,100/ приведены в таблице 2.1.: Таблица 2.1
Формула (2.19) может быть применена и для расчета теплоотдачи горизонтальных плит. В этом случае за определяющий размер бертся меньшая сторона плиты, и если теплоотдающая поверхность (как в нашем случае) обращена вверх, то значение коэффициента теплоотдачи увеличивается на 30%.
Для случая днища бака маслоочистительной установки выражение (2.19) не подходит. Днище бака, установленного на невысоких ножках, не вписывается в вариант свободного конвективного движения в неограниченном пространстве, где происходит лишь нагрев окружающей среды, а охлаждение происходит где-то вдали и не влияет на протекание процесса. В ограниченном пространстве явления нагревания и охлаждения протекают вблизи друг от друга, и разделить их невозможно. Для упрощения подобных расчетов введено понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности Лэк, определяемого из опыта.
Для приведения этой размерной величины к безразмерному виду е делят на значение нормального коэффициента теплопроводности той же среды при средней температуре, получая новую безразмерную величину є, называемую коэффициентом конвекции. Критериальное уравнение при этом имеет вид e = C1(Gr-Pr)ni, (2.20) где Q и П] - эмпирические коэффициенты, определяемые в зависимости от режима движения.
Методика оценки оптических свойств отработанных масел на колориметре КФК-2
Изменения технологии очистки должны быть направлены на снижение времени работы установки, что приведет к снижению общих энергозатрат. Технологические изменения предлагается провести по следующим направлениям: 1) начинать очистку отработанного масла одновременно с включение предварительного нагрева. 2) контролировать процесс очистки отработанного масла с целью исключения неэффективной работы установки.
Существующая упрощенная технология очистки отработанного масла включает в себя предварительный нагрев масла и очистку.
По данным расчетов, предварительный нагрев занимает около 10% времени работы установки, что негативно сказывается на энергозатратах.
Считается, что нагрев до температуры 80 - 90 0С способствует лучшей очистке отработанного масла от механических примесей и более эффективному удалению водных и топливных фракций /7/. В ходе проведения исследований процесса очистки отработанного масла было сделано предположение, что очистку необходимо начинать одновременно с включением нагрева масла в баке.
В результате экспериментальных исследований было установлено, что содержание нерастворимых осадков снижается после одновременного начала очистки и включения предварительного нагрева. Это говорит о том, что процесс очистки начинается даже при температуре масла близкой к температуре воздуха в помещении для очистки. Таким образом, очистку отработанного масла следует начинать одновременно с включением предварительного нагрева, что приведет к уменьшению времени работы установки и, как следствие, снижению энергозатрат.
Показатель поглощения отработанного масла к зависит от многих факторов, которые в реальных условиях достаточно сложно учесть. Об этом свидетельствуют данные работ /105, 109/, в которых достаточно ясно показано, что кроме концентрации механических загрязнений на оптическую плотность (мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей /83/) отработанного масла влияют и другие показатели качества: щелочное число, кинематическая вязкость, содержание воды, кислотное число, а также дисперсный и качественный состав загрязнений.
Предварительные исследования оптической плотности отработанных масел из рядовой эксплуатации (рис 2.20) показали, что для разных масел показатель поглощения к- различный в силу разного характера их загрязнений, а значит, и величина оптической плотности неодинакова, и иногда при одинаковой концентрации загрязнений оптическая плотность отличается в два раза.
Таким образом, учитывая влияние характера загрязнения масла на показателя поглощения k, можно сказать, что величина оптической плотности отработанного масла не достаточно точно количественно характеризует содержание нерастворимых осадков в нем.
Сущность контроля процесса очистки отработанного масла заключается в следующем. Сквозь слой очищаемого масла постоянно проходит пучок света, принимаемый датчиком освещенности. Программируемо-логический контроллер (ПЛК) по программе /110/ опрашивает датчик в течение промежутка времени и записывает в память значения напряжения (U1, U1, U3... Un), создаваемого датчиком. После этого программой определяется математическое ожидание напряжения М, дисперсия D и среднеквадратическое отклонение а.
В течение следующего промежутка времени снова происходит опрос датчика и определение тех же величин (напряжение М, дисперсия D и среднеквадратическое отклонение о). Программа продолжает процесс опроса датчика и расчета величин до тех пор, пока не выполнится условие:
Результаты экспериментальных исследований по оценке потребления электроэнергии установкой с теплоизоляцией бака
Оценка адекватности модели энергопотребления маслоочистительной установки осуществлялась с помощью критерия Фишера F /117, 118, 119/. F - критерий Фишера используют для сравнения дисперсий двух вариационных рядов и принятия решения об адекватности предложенной модели. Он вычисляется по формуле/117, 118/: F = —1 где - дисперсия первой выборки; "2 - дисперсия второй выборки.
Выборочная дисперсия рассчитывается по формуле /117,118/: где x - отдельные значения выборки; x ср - среднее значение отдельных значений выборки; n - количество значений выборки. Если вычисленное значение F-критерия Фишера не превышает критического табличного значения для определенного уровня значимости и соответствующих чисел степеней свободы для числителя и знаменателя, то предложенная модель считается адекватной.
Для расчета критерия Фишера использовалась выборка данных времени работы нагревателя, рассчитанного по математической модели, и выборка аналогичных данных, полученных в ходе экспериментального исследования. Число степеней свободы числителя определяется по формуле/117,118/: ki=ni- (3.3) где W1 - количество значений выборки данных, полученных при расчетах по модели; Число степеней свободы знаменателя определяется по формуле /117,118/: k2=n2-l, Q.4) где "2 - количество значений выборки данных, полученных экспериментально. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований оптических свойств отработанного масла
По результатам эксперимента по определению зависимости оптической плотности масла от содержания в нем нерастворимых осадков необходимо подобрать аналитическое выражение, с достаточной степенью точности аппроксимирующее результаты эксперимента.
Аппроксимирующая кривая необходима для построения графика экспериментальной закономерности, точки которого будут расположены максимально близко к экспериментальным точкам, но, в то же время, этот график должен быть нечувствительным к случайным отклонениям измеряемой величины.
Аппроксимация данных проводилась методом наименьших квадратов (МНК) с помощью программы Matchcad v. 14.0 /120, 121, 122/.
При подборе аппроксимирующей функции необходимо учесть, что ослабление светового луча, проходящего через поток масла, происходит по закону Бу-гера-Ламберта-Бера.
Наиболее подходящая в этом случае аппроксимирующая функция где а,Ъ,с -постоянные числа, определяемые в результате аппроксимации; х - содержание нерастворимых осадков, %. Для того чтобы определить насколько точно функция (3.5) аппроксимирует данные экспериментальных исследований оптических свойств масла, определялся коэффициент корреляции К /117,118/. где С - ковариация между выборкой данных значений содержания нерастворимых осадков и выборкой данных, полученных по аппроксимирующей функции; А - выборочная дисперсия первой выборки; А - выборочная дисперсия второй выборки. Выборочная ковариация - это величина, показывающая степень зависимости между двумя выборками данных. Определяется по формуле /117,118/
Результаты экспериментальных исследований по оценке потребления электроэнергии установкой без теплоизоляции бака Целью эксперимента была оценка энергозатрат на очистку масла и проверка адекватности модели энергопотребления маслоочистительной установки.
Результаты сравнения данных, полученных в ходе расчетов при теоретических исследованиях по модели энергопотребления, и данных, полученных в ходе эксперимента, представлены на рисунке 4.1 и в таблице 4.1. Результаты данных теоретического расчета и экспериментального исследования В результате эксперимента установлена высокая корреляция экспериментальных данных и результатов расчета. Так, время нагрева от начальной температуры t0 до рабочей, tк подтвердилось экспериментом достаточно точно. По данным расчета это время составило 28 минут, а по данным эксперимента – 27 минут.
Время охлаждения очищаемого масла до температуры автоматического включения нагревателя для поддержания его рабочей температуры по расчетам – 23 минуты, в ходе эксперимента – от 17 до 26 минут.
Отклонение от расчетного времени объясняется тем, что во время очистки масло проходит по трубопроводам, соприкасающимся с окружающим воздухом, охлаждение масла в баке происходит неравномерно. Также отклонение связано с погрешностью прибора автоматического включения нагревателя.
Адекватность модели энергопотребления установки была проверена по критерию Фишера. Полученное значение критерия, равное 1,22, не превысило табличного значения 2,24 для данных условий (степени свободы в обоих случаях равны 20, уровень значимости 0,05).