Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние утилизации отработанных моторных масел 12
1.1. Масштабы образования и утилизации отработанных моторных масел 12
1.2. Экологические, экономические и правовые аспекты утилизации отработанных масел 15
1.3. Основные промышленные методы утилизации отработанных масел 18
1.3.1. Утилизация отработанных масел путем сжигания 19
1.3.2. Основные методы, используемые при регенерации отработанных моторных масел 21
1.3.3. Промышленные технологии и оборудование для переработки отработанных моторных масел 25
1.4. Центробежная очистка - одна из основных технологических операций процесса регенерации отработанных моторных масел 27
1.4.1. Обзор конструкций установок для центробежной очистки отработанных масел 28
1.4.2. Анализ конструкций маслоочистительных центрифуг 36
1.5. Дисперсный состав механических примесей в отработанных моторных маслах 40
Выводы 43
2. Теоретические исследования процессов центробежной очистки отработанных моторных масел 46
2.1. Исследование процессов удаления механических примесей из отработанных моторных масел центробежными очистителями 46
2.1.1. Оценка эффективности центробежной очистки отработанных моторных масел как полидисперсной системы 46
2.1.2. Анализ дисперсного состава механических примесей в отработанных моторных маслах 53
2.1.3. Анализ эффективности центрифугирования отработанных моторных масел при различном фракционном составе загрязнений и схемах работы очистительной установки 62
Выводы 73
2.2. Исследование процессов истечения струй из сопел очистительных центрифуг 74
3. Программа и методика экспериментальных исследований 78
3.1. Исследования эффективности центрифугирования отработанных масел как полидисперсных систем при различных схемах организации потока в очистительных установках равной производительности 78
3.1.1. Задачи и общие методы экспериментальных исследований 78
3.1.2 Лабораторная центрифуга, экспериментальная установка 82
3.1.3. Методика исследований эффективности циркуляционной схемы очистки масел 87
3.1.4. Методика исследований эффективности очистки отработанных масел при однократном пропуске их через центрифугу 88
3.2. Исследование влияния распыления струй жидкости, истекающих из сопел реактивных центрифуг на их скоростной режим 89'
3.2.1. Экспериментальная установка, программа и методика исследований процессов истечения струй из сопел центрифуг 89
3.2.2. Методика исследования влияния распыла струй на скоростную характеристику центрифуги 91
4. Результаты экспериментальных исследований 95
4.1. Результаты исследований центробежной очистки отработанных моторных масел при различных схемах организации потока в очистительной установке 95
4.2. Влияние разрушения струй жидкости, истекающих из сопел реактивных центрифуг, на их скоростной режим 104
4.2.1. Зависимость степени распыления струи от геометрических параметров сопла и условий истечения жидкости 104
4.2.2. Влияние распыления струи на скоростную характеристику центрифуги 110
Выводы 113
5. Оценка экономической эффективности результатов исследований 115
5.1. Выбор объекта практического применения результатов исследований 115
5.2. Совершенствование конструкции и режима работы маслоочистительной установки 118
5.3. Определение экономической эффективности применения усовершенствованной маслоочистительной установки 120
Общие выводы 131
Литература 132
- Основные методы, используемые при регенерации отработанных моторных масел
- Оценка эффективности центробежной очистки отработанных моторных масел как полидисперсной системы
- Зависимость степени распыления струи от геометрических параметров сопла и условий истечения жидкости
- Определение экономической эффективности применения усовершенствованной маслоочистительной установки
Введение к работе
Актуальность темы. Эффективность аграрного производства, снижение себестоимости его продукции, уменьшение негативных воздействий на окружающую среду связаны с рациональным использованием смазочных материалов при эксплуатации автотракторной и сельскохозяйственной техники. Специфика их потребления предусматривает образование отработанных масел, в среднем около 0,5... 0,6 кг на 1 кВт мощности моторизованных технических средств в год. Однако лишь четвёртая их часть находит вторичное применение. Остальное бесконтрольно теряется, нанося экологический ущерб. Поэтому актуальна проблема безопасной и экономически эффективной утилизации отработанных масел в сельскохозяйственном производстве.
Существуют два принципиально разных подхода к их использованию. Первый - сжигание для получения энергии или тепла, второй - переработка, среди различных способов которой наиболее предпочтительна регенерация масел с целью их повторного использования.
Для отработанных моторных масел, характеризующихся сложным физико-химическим составом загрязнений, в условиях аграрного производства зачастую рационально частичное восстановление их свойств: в той мере, какова достаточна для применения их в иных условиях: в трансмиссиях, гидросистемах тракторов и сельхозмашин. Для этих целей эффективны малогабаритные маслоочистительные установки, использующие однокамерные центрифуги со струйно-реактивным гидроприводом. В этой связи актуальна задача повышения производительности подобных установок. Возможными путями ее решения являются:
повышение сепарационной эффективности однокамерных центрифуг;
выбор оптимальной технологической схемы их использования.
Эффективность центрифуг определяется характером движения очищаемого масла в роторе и скоростным режимом, зависящим от совершенства гидропривода. У очистительных центрифуг существует проблема взаимного влияния в полости ротора двух потоков масла: используемого для привода и очищаемого, что не позволяет добиться высокой степени очистки за один проход. Кроме того, на частоту вращения ротора оказывает воздействие распыление струй жидкости, истекающих из сопел реактивного гидропривода.
Цель исследований - повышение эффективности процесса очистки отработанных моторных масел от механических примесей в сельскохозяйственном производстве путем совершенствования конструкции центрифуги и оптимизации параметров очистительной установки.
В качестве объекта исследований рассматривался процесс центробежной очистки отработанных моторных масел в условиях сельскохозяйственного производства.
Предмет исследования - закономерности функционирования струйно-реактивного гидропривода центрифуги и осаждения механических примесей отработанных моторных масел в центробежном поле.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы как общенаучные, так и прикладного характера: системный подход, позволяющий определить значимость проблемы в рассматриваемой области науки; комплекс абстрактно-логических методов, включающих гипотетические предположения, аналогии, анализ данных и их синтез; традиционные эмпирические методы, такие как наблюдение, измерение, сравнение и др. Их реализация обеспечивалась комплексом стандартных приборов, специально изготовленными лабораторными моделями, а также лицензионными пакетами программных средств: Microsoft Office-2003, MathCAD-13.
Научная новизна. Получено математическое описание процесса очистки отработанных моторных масел от механических примесей, подчиняющихся логарифмически нормальному закону распределения размеров частиц, при одно- и многократном их пропуске через центрифугу с отделенным от сепарирующей полости ротора гидроприводом и влияния радиуса поворота потока, подводимого к соплам, на угол распыла струй.
На защиту выносятся следующие результаты исследований:
однокамерная центрифуга с отделенным от сепарирующей полости ротора струйно-реактивным гидроприводом, обеспечивающая повышение производительности очистительной установки за счет однократного пропуска через нее отработанного масла с малым расходом;
зависимости коэффициентов остатка механических примесей в отработанных моторных маслах от параметров логарифмически нормального распределения размеров их частиц, параметров и технологических режимов работы очистительной центрифуги;
оптимальные геометрические параметры сопловых аппаратов масло-очистительных центрифуг, обеспечивающие компактность струй и наибольшую частоту вращения их роторов.
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Предложена конструкция центрифуги, обеспечивающая эффективную очистку отработанных моторных масел от механических примесей за один проход через ротор, а также повышение производительности маслоочистительной установки; рекомендации, полученные при исследовании распыления струй масла из сопел, позволяют применять их на практике при проектировании центробежных очистителей различного назначения; разработаны способ и устройство для определения содержания нерастворимых осадков в отработанных маслах, обладающие новизной (патент № 2393471). Результаты исследований были реализованы при проектировании усовершенствованной маслоочистительной установки, прошедшей эксплуатационные испытания в хозяйстве «ИП Воронцов» Зерноградского района Ростовской области.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на научных конференциях в ФГОУ ВПО АЧГАА, ГНУ СКНИИМЭСХ (ВНИПТИМЭСХ) (г. Зерноград), ФГОУ ВПО СтГАУ (г. Ставрополь) в период с 2008 по 2011 гг.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 статей, получен один патент на изобретение.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 126 наименований и приложений. Работа содержит 145 страниц текста, 40 рисунков, 15 таблиц.
Основные методы, используемые при регенерации отработанных моторных масел
Одним из радикальных способов регенерации отработанных моторных масел является их глубокая переработка сначала в базовые масла, из которых затем компаундированием и введением присадок могут быть приготовлены соответствующие товарные масла (моторные, трансмиссионные,, гидравлические),. а также СОЖ и пластичные смазки:1Ъ9, 49, 7Г, 109. При правильной организации: процесса регенерации стоимость- восстановленных: масел; на 40:..70% ниже стоимости свежих.
Восстановление базовых свойств1 масел; производится путем сложной многостадийной переработки: на: специализированных, предприятиях, как правило; входящих в состав крупных нефтеперерабатывающих заводов.
Отработанные моторные масла отличаются крайней неоднородностью своего состава. Зачастую они; содержат до 4% загрязняющих нерастворимых примесей; до 10% посторонних жидкостей) в «виде топлива; и воды. Поэтому при восстановлении отработанных масел используются технологические операции, основанные на различных физических, физико-химических и химических методах (рис. 1.2) /71/.
При выполнении этих операций обычно соблюдается следующая последовательность:
- механическая обработка (удаление из масла свободной воды и твердых загрязнений);
- теплофизическая обработка (выпаривание, вакуумная перегонка);
- физико-химическая обработка(коагуляция, адсорбция).
Если их недостаточно, используются химические способы регенерации, связанные со значительными материальными и энергетическими затратами.
К физическим методам очистки отработанных масел относятся различные массо- и теплообменные процессы, которые позволяют удалять механические примеси, продукты окисления углеводородов, воду и легкокипя-щие топливные фракции.
К этим методам относятся: обработка масел в силовых полях (гравитационном, центробежном, электрическом, магнитном, ультразвуковом), фильтрация, водная промывка, выпаривание и вакуумная дистилляция.
Наиболее простой метод - отстаивание, т.е. естественное осаждение механических частиц и воды под действием гравитационных сил. Его недостаток - большая продолжительность процесса оседания, удаление только крупных тяжелых частиц размером 50—100 мкм.
Фильтрация - процесс удаления частиц механических примесей и смолистых соединений путем пропускания масла через сетчатые или пористые перегородки фильтров. В качестве фильтрационных материалов используют металлические и пластмассовые сетки, войлок, ткани, бумагу, композиционные материалы и керамику.
Центробежная очистка является наиболее эффективным и высокопроизводительным методом удаления механических примесей и воды. Она основана на разделении различных фракций неоднородных смесей под действием центробежных сил.
Широкое применение нашли физико-химические методы. К ним относятся коагуляция; адсорбция и селективное растворение содержащихся в масле загрязнений. Разновидностью адсорбционной очистки является ионно-обменная очистка.
Коагуляция или укрупнение частиц загрязнений, находящихся в коллоидном или мелкодисперсном состоянии, осуществляется с помощью специальных веществ - коагулятов. Это электролиты неорганического и органического происхождения, поверхностно активные вещества (ПАВ) и др.
Адсорбционная- очистка заключается в использовании» способности особых веществ, называемых адсорбентами, удерживать загрязнения на своей наружной поверхности или на внутренней поверхности пронизывающих их капилляров. В качестве адсорбентов применяют вещества природного происхождения (отбеливающие глины, бокситы, природные цеолиты) и полученные искусственным путем (силикагель, окись алюминия, алюмосили-катные соединения, синтетические цеолиты).
Ионно-обменная очистка основана на способности ионитов (ионно-обменных смол) задерживать загрязнения, диссоциирующие в растворенном состоянии на ионы. Иониты представляют собой твердые гигроскопические гели, получаемые путем полимеризации и поликонденсации органических веществ и не растворяющиеся в воде и углеводородах. Селективная очистка отработанных масел основана на избирательном растворении отдельных веществ, загрязняющих масло: кислородных, сернистых и азотных соединений.
Химические методы очистки основаны на взаимодействии загрязнений и вводимых в масла реагентов. При этом в результате химических реакций образуются соединения, легко удаляемые из масла. К химическим методам очистки относятся кислотная и щелочная очистки, окисление кислородом, гидрогенизация, а также осушка и очистка от загрязнений с помощью окислов, карбидов и гидридов металлов. Наиболее часто используются сернокислотная очистка и гидроочистка.
Специалисты отмечают, что в результате регенерации возможно получать базовые масла, по качеству идентичные свежим, причем выход масла в зависимости от качества сырья составляет до 80—90%. Таким образом, отработанные масла можно регенерировать неоднократно, но это можно реализовать при условии применения современных технологических процессов /39/.
Оценка эффективности центробежной очистки отработанных моторных масел как полидисперсной системы
Одним из недостатков конструкций современных проточных (полнопоточных) центрифуг, как отмечалось в гл.1, является пересечение в полости ротора двух потоков жидкости: очищаемого и потока, используемого для гидропривода. В связи с этим рациональным конструктивным решением является чёткое разделение этих двух потоков, обеспечение их независимости друг от друга. Такой- вариант был реализован нами, в центрифуге с отделённым от сепарирующей полости ротора гидроприводом (рис. 2.1).
В такой конструкции можно организовать равномерное течение очищаемого потока масла в полости ротора параллельно оси его вращения, что весьма важно для эффективности сепарации. При этом расход на гидропривод центрифуги не влияет на сепарационный расход и может быть любым (в том числе и таким, чтобы обеспечить высокую скорость вращения ротора).
Будем считать, что поток масла в сепарирующей полости ротора движется в тонком кольцевом слое, параметры которого» определяются расположением входных и выходных отверстий (рис. 2.1). Этому способствует, кроме того, экранирование струй масла, поскольку деформирует, расплющивает поток и более равномерно распределяет его в зоне течения вдоль оси колонки ротора в полости сепарации. Экранирование обеспечивается конструкцией устройств ввода-вывода масла в сепарирующей полости ротора.
Как известно, сепарационная эффективность центрифуги характеризуется наименьшим диаметром частиц, гарантированно осаждаемых при проходе через нее очищаемой жидкости. Для этого в рассматриваемой центрифуге частицам за время движения потока в роторе достаточно успеть выйти из проточного кольцевого слоя жидкости в его застойную зону (рис. 2.1, 2.2). Далее они осядут на внутренних стенках ротора.
Таким образом, для центрифуги предлагаемой конструкции с учетом сделанных ранее допущений наименьший диаметр гарантированно улавливаемых ею частиц может рассчитываться по формуле (2.4).
Вместе с тем определение предельного диаметра задерживаемых частиц ещё не позволяет дать количественную оценку сепарационной эффективности центрифуги в" виде коэффициента очистки (или пропуска а). Для расчёта этих параметров необходимо учесть долю осаждения частиц диаметром, менее предельного 8У, а для этого необходимо. знать фракционный состав загрязнений в очищаемом масле.
Осаждение частиц размером, менее предельного определим, исходя из следующих соображений. Частицы диаметром меньшим 5У, улавливаются частично. Будем считать, что число улавливаемых частиц размером Ъх ( 5У) пропорционально площади кольцевого проточного слоя масла в роторе толщиной равной соответствующему пути их осаждения.
Полученные выражения отвечают условию одного прохода очищаемой жидкости через рассматриваемую центрифугу при заданном режиме ее работы. Однако, как уже отмечалось, для центрифуг непроточных приемлемую степень очистки можно получить лишь после многократного пропуска через них очищаемого потока. Рассмотрим, как влияет на степень очистки жидкости ее многократный пропуск через ту же центрифугу, при том же скоростном режиме ее работы.
После каждого прохода дисперсной среды через центрифугу концентрация примесей меняется. Пусть g, — концентрация примесей диаметром 5;. После первого прохода концентрация этих примесей станет равной
Полученное выражение для коэффициента остатка (или пропуска) а, справедливо для частиц некоторого диаметра Ъ\. Для полидисперсных систем, каковыми являются отработанные моторные масла, суммарный коэффициент пропуска центрифуги oif можно получить, только определив соответствующие коэффициенты для каждого размера частиц (каждой фракции) а\ и просуммировав их интегральным способом.
Из полученных результатов следует, что для оценки потенциальной эффективности конкретной центрифуги при очистке отработанного моторного масла необходимо знать фракционный состав загрязнений этого масла, а также параметры и режим работы самой центрифуги (поскольку они определяют минимальный диаметр частиц, гарантированно осаждаемых центрифугой за один проход потока через нее).
Зависимость степени распыления струи от геометрических параметров сопла и условий истечения жидкости
Были проведены; эксперименты с сопловыми аппаратами; трех различных типов (рис. 3.5). При этом изменялись их геометрические параметры: диаметры выходных отверстий сопел d, диаметры вертикальных подводящих колодцев D; а также условия работы сопел: давление масла на входе в сопла Р, температура масла t .Некоторые результаты испытаний приведены в приложении 1 к настоящей работе.
Наиболее рациональной оказалась конструкция соплового; аппарата типа (в) (рис. 3.5), в котором жидкость к съемной форсунке поступала из камеры большого диаметра в соосном с ней прямоточном направлении. Режим испытаний этого сопла соответствовал стандартным условиям эксплуатации маслоочистительных центрифуг, т.е. температуре масла f = 85С и его давлению Р = 8 бар.
Наблюдения показали, что нарушения компактности струи не возникало. Имел место только срыв мелких капель с поверхности струи (рис. 4.3). Это означает, что скорость истечения при данном давлении ещё недостаточна для разрушения струи силами вязкого трения, а внутренние причины разрушения (конструктивные) в этом случае незначительны.
Эксперименты с сопловым аппаратом упрощенного типа (а) (рис. 3.5), не имеющем съёмных форсунок, показали, что при подводе потока масла к выходному отверстию сопла с поворотом на 90, как правило, во всех случаях наблюдалось нарушение компактности струи.
На рис. 4.4 представлены диаграммы зависимостей углов распыла (3 от давления потока масла Р, его температуры г и диаметра сопла d, при фиксированном диаметре цилиндрического вертикального колодца D. Угол распыла замерялся инструментальным угломером на фотографиях струй.
Из диаграмм следует, что угол распада струи действительно существенно зависит от диаметра сопла d и температуры масла. Кроме того, на него значительно влияет рабочее давление масла при входе в сопло, а, следовательно, скорость истечения струи.
Выяснилось, что большое влияние на угол распада струи оказывает отношение диаметра вертикального колодца D к диаметру выходного отверстия d сопла. Это отношение D/d характеризует радиус поворота (изгиба) потока масла в канале на 90 при подводе его к отверстию сопла: Яизг или DU3e, в формуле (2.36).
Чем меньше это отношение, тем меньше этот радиус, круче поворот и тем больше число Дина (2.36), а значит выше интенсивность парного вихря и больше неравномерность потока.
На рис. 4.5 представлен график зависимости угла распада струи Р от отношения D/d. Эти данные получены экспериментально при испытании сопел, отличающихся значениями диаметров сопла d и колодца D. Как следует из графика при отношении D/d 7 распад струи незначителен.
На рис. 4.6 представлены фотографии распада струи для двух типов сопловых аппаратов: при истечении масла через сверление в боковой цилиндрической стенке вертикального колодца и с дополнительной съёмной форсункой, ввернутой в цилиндрическую стенку (варианты (а) и (б) рис. 3.5 соответственно). Причем конструкцию сопла (а) в данном случае можно рассматривать как отверстие в тонкой стенке.
Эксперименты производились при прочих равных условиях, т.е при одинаковых диаметрах сопел d, вертикальных подводящих колодцев D, а также температуре и давлении масла.
Как следует из фотографий, использование дополнительной форсунки приводит к некоторому уменьшению угла распыла струи. Вероятно, форсунка обеспечивает большее смещение выходного отверстия сопла относительно оси вертикального колодца, а значит увеличение радиуса поворота (изгиба) потока Rll3e. Кроме того, конструкция форсунки предусматривает постепенное изменение площади сечения канала сопла в отличие от варианта (а), т.е. отверстия в цилиндрической стенке.
Таким образом, экспериментальные исследования показали, что главной причиной потери компактности струи в сопловых аппаратах маслоочи-стительных центрифуг является внутренняя перестройка потока жидкости при повороте на 90. Возникающие при этом вторичные вихри и неравномерность течения приводят к разрушению струи. Эта картина усугубляется ростом температуры, давления на входе в сопло и увеличением диаметра сопла.
Оптимальной конструкцией сопловых аппаратов является вариант (в) (рис. 3.5, 4.3), в котором жидкость в форсунку поступает из камеры большого диаметра в прямоточном направлении без поворота на190.
Однако в большинстве серийных центрифуг реализация такого варианта технически затруднена: Поэтому явление распада струй в» них неизбежно в силу конструктивных особенностей «используемых сопловых аппаратов типов (а) или (б), а именно: значительных диаметров их сопел d, малых диаметров подводящих колодцев D, и как следствие - малых радиусов поворота (изгиба) потока RU32 при подводе его к соплам. В конечном итоге, это снижает частоту вращения ротора центрифуги, приводит к ухудшению эффективности очистки масла и дополнительному насыщению его воздухом.
Таким образом, для получения компактной струи отношение диаметра вертикального подводящего колодца к диаметру сопла: D/d , определяющее радиус изгиба потока масла при подводе его к соплам RU32, должно быть более 7.
В этом случае реальными для маслоочистительных центрифуг могут быть диаметры сопел порядка d — 1 —1,5 мм. При таких диаметрах необходимый расход масла для привода ротора можно обеспечить, либо увеличив число сопел до 3-х, 4-х, либо приняв меры по увеличению радиуса поворота потока к соплам, т.е. увеличив диаметр вертикальных подводящих к соплам каналов D.
Определение экономической эффективности применения усовершенствованной маслоочистительной установки
Определение экономической эффективности- применения различных технических решений предполагает использование системы показателей, отражающих стоимостные и натуральные характеристики рассматриваемых вариантов /62/. Основными показателями экономической оценки применения усовершенствованной маслоочистительнои установки являются получаемый на предприятии годовой эффект в виде чистого дисконтированного дохода (ЧДД) и индекс доходности (ИД) /62/.
Сельскохозяйственные предприятия в настоящее время работают в условиях рыночной экономики и инфляции. Чистый дисконтированный доход определяется как сумма текущих эффектов за весь расчетный период, приведенная к начальному шагу (году, кварталу, месяцу), или как превышение интегральных-результатов над интегральными затратами /62/.
При определении коммерческой эффективности используется показатель потока реальных денег (другое название Cash Flow). Потоком реальных денег Ф, называется разность между притоком (77,) и оттоком (О,) денежных средств на каждом шаге расчета.
Таким образом, результаты технико-экономического анализа подтверждают целесообразность практического использования усовершенствованной маслоочистительной установки.
Ее эксплуатация в сравнении с УСМ-ЗОМ при очистке отработанных моторных масел от механических примесей, несмотря на возросшую балансовую стоимость и эксплуатационные затраты, позволит получить годовой экономический эффект порядка 8775 руб. в результате снижения удельных эксплуатационных затрат (на 20,7%), вызванного ростом производительности машины (на 29,6%) и снижением трудоемкости ее технологического процесса (на 21,6%). Срок окупаемости дополнительных капиталовложений составит 1,26 года.
Установка способна удовлетворить потребности в маслоочистке нескольких агропромышленных предприятий с суммарным годовым оборотом автотракторных масел в 200...250 тонн и соответственно с объемом образования отработанных масел в 60. 75 тонн.
