Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1 Причины загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями на нефтескладах сельскохозяйственных предприятий 10
1.2 Способы и средства очистки дизельного топлива от воды и механических примесей 16
1.3 Технологии доочистки дизельного топлива 22
1.4 Использование присадок для улучшения низкотемпературных свойств дизельного топлива 29
1.5 Контроль качества дизельного топлива на наличие воды и механических примесей 36
1.6 Цель и задачи исследований 42
2 Расчетно-теоретическая оценка струйного аппарата с центральным и периферийным рабочими потоками и методики измерения загрязненности дизельного топлива оптическими приборами экспресс-анализа 44
2.1 Расчет параметров процесса эжекции в струйном аппарате с центральным и периферийным потоками топлива 44
2.2 Обоснование методики измерения загрязненности дизельного топлива оптическими приборами экспресс-анализа 65
2.3 Теоретическая оценка фотометрического метода анализа загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями 70
ВЫВОДЫ 75
3 Технология доочистки дизельного топлива, конструктивные схемы и варианты исполнения устройства по введению концентрата присадок в поток дизельного топлива и оптического прибора для экспресс-анализа его загрязненности 76
3.1 Технология доочистки дизельного топлива 76
3.2 Устройство для получения дозированных смесей 77
3.3 Регулятор-смеситель 82
3.4 Оптические приборы экспресс-анализа загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями 86
Выводы 97
4 Программа и методика экспериментальных исследований 98
4.1 Программа и общая методика исследований 98
4.2 Методика отбора проб дизельного топлива 100
4.3 Методики определения содержания воды и механических примесей в дизельном топливе 102
4.4 Методики определения фракционного и углеводородного составов дизельного топлива 106
4.5 Методики определения низкотемпературных свойств, коэффициента фильтруемости и седиментационной устойчивости дизельного топлива с депрессорными и депрессорно-диспергирующими присадками 111
4.6 Методика обработки дизельного топлива ультразвуком 117
4.7 Методика определения загрязненности дизельного топлива
с использованием сертифицированного оборудования 119
4.8 Методика определения загрязненности дизельного топлива разработанным оптическим прибором экспресс-анализа 122
4.9 Методика эксплуатационных исследований разработанного струйного аппарата с центральным и периферийным потоками топлива 127
4.10 Методика исследований сельскохозяйственного трактора по дымности отработавших газов , 134
4.11 Методика обработки экспериментальных данных и оценка точности измерений 136
Выводы 138
5 Результаты экспериментальных исследований 140
5.1 Результаты статистического анализа загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями на нефтескладах сельскохозяйственных предприятий 140
5.2 Результаты анализа фракционного и углеводородного составов дизельного топлива 143
5.3 Результаты анализа низкотемпературных свойств, коэффициента фильтруемости и седиментационной устойчивости дизельного топлива
с депрессорными и депрессорно-диспергирующими присадками 146
5.4 Результаты экспериментальной оценки влияния ультразвука на седиментационную устойчивость дизельного топлива с депрессорными присадками 154
5.5 Результаты исследований влияния содержания воды и механических примесей на оптические свойства дизельного топлива 156
5.6 Результаты эксплуатационных исследований разработанного оптического прибора экспресс-анализа загрязненности дизельного топлива 160
5.7 Результаты исследований работоспособности разработанного устройства дозированного ввода концентрата присадок в поток дизельного топлива 160
5.8 Результаты исследований трактора МТЗ-80 по дымности отработавших газов 164
ВЫВОДЫ 166
6 Экономическая оценка результатов исследований 168
6.1 Экономическая эффективность совершенствования технологии доочистки дизельного топлива 168
6.2 Экономическая эффективность использования доочищенного дизельного топлива в двигателях сельскохозяйственной техники 180
6.3 Экономическая эффективность от применения технологии доочистки дизельного топлива (на примере Пензенской области) 183
Общие выводы 187
Список использованной литературы
- Технологии доочистки дизельного топлива
- Обоснование методики измерения загрязненности дизельного топлива оптическими приборами экспресс-анализа
- Оптические приборы экспресс-анализа загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями
- Результаты анализа фракционного и углеводородного составов дизельного топлива
Введение к работе
В сельскохозяйственном производстве России около 85 % энергетических средств составляют двигатели внутреннего сгорания, надежность работы которых зависит от качества используемых топлив.
Дизельное топливо, выпускаемое отечественными нефтеперерабатывающими предприятиями, отвечает требованиям государственных и отраслевых стандартов. Однако условия транспортирования, хранения, перекачивания, заправки и применения топлива в сельскохозяйственных предприятиях характеризуются повышенной запыленностью и влажностью воздуха, рассредоточен-ностью по различным объектам заправляемой сельскохозяйственной техники, что ухудшает его качество. При этом до 90 % дизельного топлива бывает загрязнено [1, 2], то есть фактически не пригодно к использованию. Это объясняется не только недостаточным вниманием мероприятиям по сохранению и повышению его качества в условиях самих сельскохозяйственных предприятий, но и реорганизацией предприятий с образованием новых форм собственности, что привело к изменению структуры организации нефтескладов, и появился разрыв в технологической цепочке использования нефтепродуктов. В результате на практике наблюдается повышенная загрязненность дизельного топлива механическими примесями и мелкодисперсной водой, что приводит к ухудшению его низкотемпературных и противоизносных свойств.
Кроме того, эксплуатация тракторных, автомобильных и комбайновых двигателей на топливе с повышенным содержанием эмульсионной воды и механических примесей приводит к выходу из строя топливной аппаратуры. В наибольшей степени этому явлению подвержены прецизионные детали топливного насоса высокого давления и форсунки, на долю которых приходится от 50 % до 90 % всех отказов топливной аппаратуры дизеля [3, 4]. Наряду с этим работа дизеля на загрязненном топливе ухудшает его экономичность и увеличивает токсичность отработавших газов. Поэтому в условиях рядовой эксплуатации топлива необходимо уделять особое внимание методам и средствам дополнительной очистки топлива, а также контроля степени его чистоты. При этом стандартные методики [5, 6], регламентирующие операции по определению содержания в дизельном топливе воды и механических примесей требуют значительных затрат времени, дополнительного оборудования и специально
6 подготовленных исполнителей. В связи с чем все большее применение получает приборное обеспечение экспрессного контроля, позволяющее определять степень загрязнения топлива как в лабораторных условиях, так и непосредственно на нефтескладах, наибольшее распространение из которого получили оптические приборы экспресс-анализа, работающие по принципу фотометрических методов измерения. Однако применение их ограничено ввиду несовершенства конструкций и высокой стоимости.
Перспективным направлением дополнительной очистки дизельного топлива от загрязнений в условиях сельскохозяйственного производства является разработка и применение новых технологий с использованием комплексов высокоэффективного оборудования по центрифугированию и фильтрации топлива. При этом существующие технологии доочистки не только обеспечивают тщательную очистку топлива от воды и механических примесей до соответствия его качества требованиям нормативных документов, но и позволяют использовать летние марки дизельного топлива в зимний период за счет введения в него депрессорных или депрессорно-диспергирующих присадок. Такой подход дает возможность устранить потребность в зимних марках топлива по месту использования технологии, которая для сельскохозяйственных потребителей удовлетворяется лишь на 20-22 % [7]. Это связано с соотношением объемов производства в России дизельного топлива различных марок: доля летнего топлива составляет 88-89 %, зимнего - 9-10 %, арктического - 0,7-1,0 % [7-10]. Однако наряду с преимуществами, технологии доочистки дизельного топлива имеют и такие основные недостатки, как повышенные энергозатраты при эксплуатации оборудования и невозможность одновременного дозирования и смешивания присадок (использование разобщенных устройств ввода и смешения). Поэтому проблема дополнительной очистки дизельного топлива и контроль степени его загрязнения водой и механическими примесями на нефтескладах сельскохозяйственных предприятий является актуальной, практически значимой и требует своего решения.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ - совершенствование технологии доочистки и контроль качества дизельного топлива в условиях сельскохозяйственных предприятий.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ - технологический процесс доочистки и контроль качества дизельного топлива.
НАУЧНУЮ НОВИЗНУ РАБОТЫ представляют: методика расчета параметров процесса эжекции в струйном аппарате для ввода концентрата присадок в поток очищаемого дизельного топлива с учетом его конструктивных особенностей; теоретическое обоснование методики измерения загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями разработанными оптическими приборами экспресс-анализа; конструкции струйных аппаратов для ввода концентрата присадок в поток дизельного топлива; структурные и электрические схемы, конструктивные варианты оптического прибора для экспресс-анализа загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями.
Научная новизна технического решения подтверждена патентом № 2264848 РФ на изобретение. Подана заявка на изобретение № 2004132660 от 09.11.2004 г. «Регулятор-смеситель».
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Включение в технологический процесс доочистки дизельного топлива струйного аппарата с центральным и периферийным рабочими потоками для введения концентрата присадок в поток дизельного топлива и прибора экспресс-анализа загрязненности топлива водой и механическими примесями позволяет снизить до 23 % энергозатраты на эксплуатацию технологического оборудования; повысить до 4 % рентабельность технологии доочистки; уменьшить до 3 % затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт технологического оборудования; увеличить до 10 % чистую прибыль от применения усовершенствованной технологии доочистки топлива; снизить на 0,33 года срок окупаемости затрат на предлагаемую технологию.
Применение струйных аппаратов с центральным и периферийным рабочими потоками позволяет осуществлять дозированный ввод концентрата де-прессорной присадки в заданный объем очищаемого дизельного топлива летней марки для применения его в зимних условиях без существенного переоборудования технологического участка доочистки и энергозатрат на ввод и смешение присадки с топливом.
Разработанный прибор дает возможность оперативно определять степень загрязнения дизельного топлива водой и механическими примесями и принять
8 управленческое решение по его использованию в топливных системах автотракторной техники или необходимости доочистки топлива применительно к конкретной партии, что снижает энергозатраты на технологию доочистки в целом на 25-30 % и выброс сажи, содержащейся в отработавших газах дизелей, при использовании доочищенного топлива (дымность отработавших газов уменьшается на 8-12 % по сравнению с загрязненным топливом).
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ подтверждается лабораторными исследованиями физико-химических показателей дизельного топлива (низкотемпературных свойств, коэффициента фильтруемости, углеводородного и фракционного состава) с использованием стандартизированной аппаратуры и аппаратно-программного комплекса на базе хроматографа «Хроматэк Кристалл 5000.1», проградуированного по абсолютным значениям н-парафиновых углеводородов, протарированной контрольно-измерительной аппаратурой по определению оптических свойств топлива, высокой степенью сходимости (около 90 %) расчетного коэффициента эжекции с экспериментальным, а также погрешностью (5 %) прибора для экспресс-анализа загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Опытные образцы струйного аппарата с центральным и периферийными рабочими потоками прошли производственную проверку в ООО «Юниверс» г. Пенза и ОАО «Хворо-стянская ПМК» Самарской области. Прибор для экспресс-анализа загрязненности дизельного топлива апробирован в лаборатории эксплуатационных материалов ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» и прошел производственную проверку в ООО «Зимничное» Пензенской области и ООО «Юниверс» г. Пенза.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации и результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях Пензенской ГСХА (2003-2005 гг.), Самарской ГСХА (2003-2005 гг.), Саратовского ГАУ (2004-2005 гг.), Санкт-Петербургского ГАУ (2004-2005 гг.), Ижевской ГСХА (2005 г.), региональных научно-практических конференциях вузов Поволжья и Предуралья Нижегородской ГСХА (2003 г.), Ижевской ГСХА (2003 г.), Вятской ГСХА (2004 г.) и Пензенской ГСХА (2005 г.).
Опытные образцы разработанных приборов экспресс-анализа демонстрировались на V Всероссийской выставке «НТТМ-2005», г. Москва - ВВЦ.
ПУБЛИКАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. По результатам ис-
9 следований опубликованы 25 печатных работ, в т.ч. получен патент на изобретение, две статьи опубликованы в центральных изданиях и три без соавторов. Общий объем публикаций составляет 4,81 п.л., из них 2,26 п.л. принадлежит автору.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 288 наименований и приложения. Учетный объем диссертации составляет 147 страниц, 85 рисунков и 30 таблиц.
НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ: методика расчета параметров процесса эжекции в струйном аппарате с учетом его конструктивных особенностей и теоретическое обоснование методики измерения загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями разработанными оптическими приборами экспресс-анализа; струйные аппараты для ввода концентрата присадок в поток дизельного топлива при его доочистке и конструктивные варианты оптических приборов для экспресс-анализа загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями; результаты исследований загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями на нефтескладах сельскохозяйственных предприятий Пензенской области и подбора концентраций депрессорных и депрессор-но-диспергирующих присадок к летнему дизельному топливу для использования его в зимних условиях, а также результаты экспериментальных исследований производительности струйного аппарата с центральным и периферийным рабочими потоками и оптического прибора экспресс-анализа загрязненности топлива водой и механическими примесями в производственных условиях; результаты исследований трактора класса 14 кН по показателям дымно-сти отработавших газов при его работе на загрязненном и доочищенном товарном дизельном топливе.
Технологии доочистки дизельного топлива
Технологии доочистки дизельного топлива на местах потребления схожи с технологиями доочистки высоковязкого топлива в судовых топливных системах, в которых особое внимание уделяется процессам очистки топлива от механических примесей, золы и воды. Очистка топлива на борту судна осуществляется путем отстаивания, сепарирования и фильтрации [93]. Системы очистки в этом случае оснащены теплообменными аппаратами и автоматическими регуляторами вязкости, поддерживающими заданную вязкость топлива на входе в дизель [93, 94-102]. При необходимости на судах в высоковязкое топливо вводят топливо с улучшенными вязкостно-температурными свойствами или депрессорную присадку [103].
Впервые технология доочистки дизельного топлива непосредственно на месте потребления была внедрена в АТП-13033 ТПО «Киевавтотранс», на участке сепарации дизельного топлива. Его оснастили комплексом технических средств, позволяющих за счет механизированной перекачки, подогрева, фильтрации и сепарации топлива обеспечивать его тщательную очистку от механических примесей и воды [104]. В 1994 году «Дито» предложила схожую с вышеописанной технологию доочистки дизельного топлива. Используемое оборудование позволяет отделять топливо от воды, механических примесей и большей части (до 75 %) смолистых веществ. Технология включает в себя фильтрацию, центрифугирование и ввод депрессорных присадок в предварительно подогретое топливо. Комплекс технологического оборудования состоит из теплообменника подогрева дизельного топлива, вихревого аппарата (рисунок 1.2 а), в качестве которого используется сепаратор центробежный СЦ-3 (УОР-401У), фильтра микронной очистки - самоочищающегося фильтра СФН-3,0 (рисунок 1.2 б), теплообменника подогрева концентрата депрессорной присадки с топливом, дозатора - агрегата электронасосного дозировочного одноплунжерного типа НД (рисунок 1.2 в, г), фильтра-отстойника, смесителя, рекуперационного теплообменника, в качестве которого используется теплообменник СВ51-60Н, а также трубопроводов и запорной аппаратуры [105].
Доочистка дизельного топлива представленным комплексом оборудования осуществляется следующим образом (рисунок 1.3): исходное топливо 25 подводится в рекуперационный теплообменник 28, а затем и в теплообменник подогрева топлива 6, где нагревается до заданной температуры. Далее подогре тое топливо поступает в вихревой аппарат 2, в котором происходит его отделение от воды и механических примесей, и в фильтр микронной очистки 10, где окончательно отделяется от загрязнений. Часть отфильтрованного топлива поступает в теплообменник подогрева концентрата депрессорной присадки с топливом 14, который состоит из подготовительной и расходной емкостей. Подготовительная емкость предназначена для приготовления концентрата в объеме, обеспечивающем часовую работу оборудования. Для обеспечения более качественного приготовления концентрата емкость снабжена перемешивающим устройством с ручным приводом. Расходная емкость предназначена для обеспечения бесперебойной подачи приготовленного в подготовительной емкости концентрата к дозатору и способна обеспечить работу оборудования в течение двух часов, при условии полного первоначального заполнения. Подготовительная и расходная емкости связаны между собой трубопроводом с вентилем 16 для перелива концентрата. В нижней части теплообменника 14 выполнен трубопровод с вентилем 21 для подачи концентрата к дозатору 22 через фильтр-отстойник 23, который предназначен для очистки концентрата от посторонних механических примесей. Концентрат присадки поступает из теплообменника подогрева концентрата 14 на вход подкачивающей помпы плунжерного насоса дозатора 22 и через фильтр очистки 23 подается к нагнетательным парам плунжерного насоса. Выходы плунжерных пар объединены в общий коллектор, откуда концентрат присадки поступает под давлением по гибкому трубопроводу в поток дочищенного топлива перед смесителем 24, который состоит из корпуса с расположенными внутри него завихрителями. В смесителе 24 происходит смешение топлива с концентратом. Далее доочищенное топливо 26 выводится через рекуперационный теплообменник 28 к потребителю.
Для реализации разработанной технологии [106-111] непосредственно у потребителей фирма «Дито» с 1994 года выпускает малогабаритный производственный модуль (МПМ), включающий в себя вышеописанное технологическое оборудование с электрическим пультом управления. Производительность модуля в зависимости от режимов работы составляет 3-4 т/ч, потребляемая электрическая мощность - от 4 кВт (летом) до 24 кВт (зимой). Доказано [1, 8, 112, 243], что при использовании в автотракторной технике топлива, дочищенного по данной технологии, увеличивается межремонтный период эксплуатации дизеля и топливной системы в целом на 30-40 %, снижается на 10 % расход топлива, обеспечивается устойчивый пуск двигателя на летнем топливе при температуре до минус 20 С и ниже, что значительно уменьшает время простоя транспортного средства, особенно в зимний период.
Известны и другие технологии доочистки дизельного топлива [113-116], процесс доочистки в которых осуществляется практически идентично рассмотренному выше.
С конца 1999 года на предприятии ООО «Юниверс» г. Пенза (ранее ООО «Савойл») применяется доочистка дизельного топлива по технологии, схожей с вышеописанной, которая включает в себя подогрев дизельного топлива, его сепарирование на стационарных установках и введение в топливо депрессорных присадок [117]. Доочистка дизельного топлива осуществляется комплексом оборудования, установленного в стационарном помещении и связанного трубопроводами с подземными емкостями. В оборудование включены теплообмен-ный аппарат предварительного подогрева топлива, центробежные сепараторы СЦ-ЗА (УОР-401У-03) для отделения топлива от воды и механических примесей, агрегат электронасосный дозировочный одноплунжерный типа НД для введения концентрата депрессорных присадок в доочищенное топливо и др. (рисунок 1.4 а, в, г). В комплексе оборудования предусмотрен электрический пульт управления (рисунок 1.4 б). Принципиальная схема технологического процесса такой доочистки представлена на рисунке 1.5. Осуществляется он следующим образом. Первой секцией двухсекционного шестеренчатого насоса 4 исходное топливо из резервуаров 14 хранения по сети технологических трубопроводов 12 через фильтр подается в теплообменник 17, где подогревается до температуры 20-30 С. Далее через фильтры грубой очистки 5 топливо поступает в центробежные сепараторы 7, отделяется от воды и механических примесей и выводится шестеренчатым насосом 4 через теплообменник 19 в резервуары 13 хранения доочищенного дизельного топлива. Отходы сепарации сливаются в емкость 8. На выходе топлива из теплообменника 19 в его поток из емкости 22 одноплунжерным дозировочным насосом 21 впрыскивается определенное количество депрессорной присадки. В поток топлива может подаваться как чистый присадочный компонент, так и его концентрат с дизельным топливом, хорошо перемешанный мешалкой 23.
Обоснование методики измерения загрязненности дизельного топлива оптическими приборами экспресс-анализа
Любой оптический прибор включает в себя гомфительго-регастрирующий блок и кювету для исследуемого топлива, содержащую оптопару. При этом в первые минуты измерения точность прибора невысока за счет погрешностей, вносимых пузырьками воздуха (см. п. 1.5). Поэтому для экспресс-анализа этот вопрос остается существенным. В связи с этим выполнен расчет времени от момента залива топлива в кювету оптического прибора до полного выхода пузырьков воздуха на поверхность топлива, а соответственно и до начала измерений.
Процесс подъема пузырьков воздуха в состоянии покоя нефтепродукта рассматриваем с учетом следующих ограничений: пузырек воздуха имеет сферическую форму с некоторым радиусом гПВз, м; подъем пузырька происходит с некоторой средней скоростью vnB3, м/с; размер пузырька воздуха значительно больше размера молекул дисперсионной среды; скольжение между пузырьком воздуха и дисперсионной средой (дизельным топливом) во время подъема отсутствует; пузырек воздуха движется ламинарно; на частицу (рисунок 2.9) действуют: сила тяжести FT, выталкивающая сила FA (сила Архимеда) и сила вязкого сопротивления FCT (сила Стокса).
Силы, действующие на пузырек воздуха в состоянии покоя Сила тяжести, действующая на шарообразный пузырек, определится [238], Н: 4 з рт=Щвз 8 = -:- -гпвз Рвз-g, (2.84) где Шпвз - масса пузырька воздуха, кг; pBi - плотность воздуха (сухого), кг/м (принималась при атмосферном давлении и различной температуре согласно [239]); g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2. Выталкивающая сила определяется по выражению, Н FA=MnoT S = jK rnB3 -pT-g, (2.85) где тПОт - масса пузырька воздуха при потере его веса согласно закону Архимеда, кг; рт — плотность дизельного топлива, кг/м3 (зависимость изменения плотности исследуемого топлива от температуры представлена на рисунке П.2.1). Сила F, за счет которой происходит подъем пузырька воздуха в топливе, Н: F "= (тпвз тпсА S = - я гпвз3 (рю -pT)g. (2.86) Сила сопротивления вязкой среды определится по уравнению [238], Н FCT=6-K-{id-гпвзьпю, (2.87) где рд - динамическая (сдвиговая) вязкость топлива, кг/м2-с, определяемая по формуле [ 186] Мд=Мк-Ю-6-рТ, (2.88) где рк - кинематическая вязкость дизельного топлива, мм2/с. Зависимость кинематической вязкости исследуемого топлива от температуры приведена на рисунке П.2.2.
Скорость подъема пузырька воздуха под действием силы F является переменной величиной: в начальный момент подъема пузырек воздуха движется с некоторым ускорением, определяемым разностью его плотности и плотности дисперсионной среды. При возрастании силы сопротивления среды параллельно возрастает скорость движения пузырька, но, согласно уравнению (2.87), величина ускорения уменьшается и в какой-то момент времени становится равной нулю. В этот момент величина силы сопротивления дисперсионной среды достигает значения силы, сообщающей движение пузырьку, скорость подъема пузырька воздуха становиться постоянной. В этом случае условие постоянства скорости движения пузырька запишется в виде: F-FCT=0, (2.89) а скорость подъема пузырька воздуха согласно зависимости Стокса определится [7,25, 63, 57,168, 238], м/с
Фотометрическими исследованиями топлива при температуре 20 С на фотометре КФК-3 в кювете высотой 0,037 м установлено, что большую погрешность измерения вносят пузырьки воздуха, радиусом свыше 21,3 мкм (см. рисунок 2.10). Более мелкие пузырьки содержатся в топливе в малом количестве и не влияют на точность определения его оптических свойств. Поэтому дальнейшие расчеты производились для пузырька воздуха радиусом 21,3 мкм. Для фотометрических исследований использовалось топливо высокой степени чистоты после грубого механического диспергирования.
Содержание загрязнений в дисперсионной среде изменяет среднюю плотность пузырька и его радиус (вследствие налипания капелек воды и частиц механических примесей) [214]. При этом можно рассматривать четыре модели образования дисперсной фазы в дизельном топливе, загрязненном механическими примесями и мелкодисперсной водой (рисунок 2.11).
Оптические приборы экспресс-анализа загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями
Разработано, изготовлено и апробировано три конструктивных варианта оптического прибора экспресс-анализа загрязненности топлива. Принцип действия прибора основан на рассеивании и поглощении световых лучей взвешенными в топливе коллоидными частицами (механическими примесями и водой). В качестве исходного алгоритма при разработке прибора был выбран обобщенный оптический показатель дизельного топлива - коэффициент светопропус-кания, позволяющий определять содержание в топливе как воды, так и механических примесей в широком диапазоне спектра излучения.
На начальном этапе разработки оптического прибора был изготовлен его первый конструктивный вариант (рисунок 3.6), включающий в себя электронный блок 2, содержащий элементы обработки информации с выводом на цифровой индикатор 1, кювету 3, в которую заливается испытуемая проба, и блок питания 4.
Функциональная схема прибора включает в себя (рисунок 3.7) излучатели фиолетового, зеленого, желтого и красного цветов (И1, И2, ИЗ, И4), фоторезисторы (ФД1, ФД2, ФДЗ, ФД4) с блоками настройки (Бн1, Бн2, БнЗ, Бн4), электронный коммутатор (ЭК), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой индикатор (ЦИ), дешифратор (Д), кольцевой счетчик импульсов (КСИ), формирователь управляющих импульсов (ФУИ), блок ручного переключения (БРП), индикаторы (Ин1, Ин2, ИнЗ, Ин4) и блок питания (БП).
Кювета прибора состоит из корпуса и крышки. Корпус кюветы разделен перегородками на четыре отсека. В дне каждого отсека установлены излучатели (используемые длины волн от 380 до 850 нм). В крышке кюветы смонтированы фоторезисторы, которые располагаются на одной оптической оси с излучателями и образуют с ними оптопары. Излучатели расположены снизу кюветы с целью учета влияния возможного осадка в пробе топлива на показания прибора.
Принципиальная электрическая схема прибора представлена на рисунке 3.8.
Рассмотренный конструктивный вариант прибора дает возможность оперативной оценки загрязненности дизельного топлива. Однако наряду с пре имуществами выявлены и такие основные его недостатки, как достаточно высокая погрешность измерений и отсутствие стабильности сигнала на цифровом индикаторе. Это связано с несовершенством конструкции кюветы и объясняется неравномерностью массового и объемного распределения частиц механических примесей и капелек эмульсионной воды по отсекам кюветы с постоянным перемещением их в слоях топлива относительно друг друга, а также несовершенством распределения по объему отсеков кюветы светового потока.
Для устранения указанных недостатков разработан и изготовлен второй вариант оптического прибора экспресс-анализа (рисунок 3.9), который также включает в себя электронный блок 2 с элементами обработки и вывода информации на цифровой индикатор 1, кювету 3 для исследуемой пробы и встроенный блок питания 4.
Функциональная схема прибора включает в себя (рисунок 3.10) блок ручного переключения (БРП) режима измерения, индикаторы (Ин I, Ин2, ИнЗ, Ин4,
Ин5), излучатели фиолетового, зеленого, желтого, красного цветов и инфракрасного спектра излучения (И1, И2, ИЗ, И4, И5) с блоками настройки (Бн1, Бн2, БнЗ, Бн4, Бн5), фоторезистор (ФД), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой индикатор (ЦИ) и блок питания (БП).С целью снижения погрешностей измерения фоторезистор в кювете установлен в верхней части корпуса без возможности смещения относительно излучателей, вмонтированных в дно кюветы, спектр излучения которых составляет от 380 до 1100 нм. При этом фоторезистор смонтирован с некоторым смещением относительно оптической оси излучателей, и образует с каждым из них оп-топару. Месторасположение излучателей выбрано с целью учета влияния оседающих в пробе топлива на дно кюветы частиц механических примесей и капелек эмульсионной воды на показания прибора. Кроме того, стенки кюветы выполнены под расходящемся углом от излучателей по направлению к фоторезистору с целью улучшения распределения светового потока по объему кюветы.
Прибор апробирован также с усовершенствованной схемой измерительного моста (рисунок 3.12), что позволило увеличить точность показаний путем наибольшей стабилизации сигнала на выходе за счет снижения погрешностей, вносимых в показания элементами электрической схемы.
Погрешность измерений загрязненности топлива представленным конструктивным вариантом прибора значительно снижена, однако стабилизация сигнала, отображаемого на цифровом измерителе, недостаточна (даже с усовершенствованной схемой измерительного моста), что затрудняет получение дос товерной информации и связано с невозможностью рассеяния светового потока по всему объему кюветы и подачей лишь небольшой его части на рабочую поверхность фоторезистора. Кроме того, результаты измерений позволили установить, что в пределах выбранного спектра излучения величина коэффициента светопропускания изменяется незначительно. Это обстоятельство подтверждено результатами определения загрязненности топлива при разработке методики с пользованием сертифицированного оборудования - фотометра КФК-3 (см. п. 4.11). К выявленным существенным недостаткам рассмотренных конструктивных вариантов прибора относится необходимость постоянной его настройки и тарировки по чистому топливу (эталону) той же партии, что и исследуемая проба, а также работа лишь от сети источника постоянного тока, напряжением 220 В. В связи с чем разработан третий вариант оптического прибора экспресс-анализа со встроенным, независимым от сети 9-вольтовым источником питания и усовершенствованной конструкцией кюветы, содержащей одну оп-топару и позволяющей полностью рассеять световой поток по объему исследуемого топлива, а затем собрать его на рабочей поверхности фоторезистора при помощи системы линз.
Прибор позволяет определять количественное содержание в топливе воды (или механических примесей), а также качественно - степень его чистоты, и состоит из измерительно-регистрирующего блока 1 со встроенным питанием и кюветы 2 (рисунок 3.13).
Функциональная схема прибора включает в себя (рисунок 3.14) блок выбора цветности и калибровки (БВЦиК) с зависимыми переключателями необходимого режима измерений, настроенного регуляторами коэффициента усиления (РКУ) и тока излучателя (РТИ), усилитель (У), излучатель (И) с фоторезистором (ФД), цифровой аналоговый измеритель (АИ), компараторы (Kl, К2) с блоками настройки (БН1, БН2), блок питания (БП) и логический блок (ЛБ) с цветовыми индикаторами (Ин1, Ин2, ИнЗ).
Результаты анализа фракционного и углеводородного составов дизельного топлива
Результаты анализа фракционного состава двух видов дизельного топлива Л-0,2-62 (производства Новокуйбышевского НПЗ), наиболее часто используемого в предприятиях АПК Пензенской области, представлены в приложении П.2.19, отчете [265] и на рисунке 5.3.
Лабораторные исследования показали, что разница температур 20 % и 90 % отгона топлива составляет более 100 С (для первого вида топлива она составила 109 С, для второго - 114 С). Это указывает на «широкий» фракционный состав выбранного топлива. В этом случае кристаллизация парафиновых углеводородов в нем при температуре ниже температуры его помутнения будет происходить постепенно, а в случае введения в топливо депрессорных или депрес-сорно-диспергирующих присадок молекулы их будут успевать блокировать рост кристаллов углеводородов топлива, повышая тем самым до максимума эффективность действия присадок.
Учитывая, что фракционный состав выбранного дизельного топлива первого и второго вида практически идентичен (рисунок 5.3), а по кривым его фракционной разгонки можно косвенно судить о примерном содержании и мо-лекулярно-массовом распределении н-парафиновых углеводородов (оказывающих наибольшее влияние на эффективность действия указанных присадок в дизельном топливе), был проведен анализ углеводородного состава лишь топлива первого вида. Для сравнения влияния содержания н-парафиновых углеводородов и их молекулярно-массового распределения на низкотемпературные свойства дизельного топлива были проведены исследования углеводородного состава дизельного топлива зимней марки (3-0,2 минус 35) производства Новокуйбышевского НПЗ Самарской области.
Результаты исследований углеводородного состава представлены в приложении П.2.20, на рисунках 5.4-5.6 и показывают, что суммарное содержание н-парафиновых углеводородов от гексана (С6Нн) до пентакозана (С25Н52) в летнем топливе составило 16,4 %, в зимнем- 14,7 %. Основная масса их (более 80 %) в летнем топливе приходится на углеводороды с числом атомов углерода в молекуле от 10 до 20, в зимнем (около 85 %) - на углеводороды с числом атомов в молекуле от 9 до 15. Максимум в обоих случаях приходится на ундекан (СцНгД
Совместный анализ кривой фракционного состава и молекулярно-массового распределения нормальных парафиновых углеводородов в летней марке дизельного топлива показал, что топливо содержит высокоплавкие н-парафины (гексакозан, гептакозан, октакозан), оказывающие наибольшее влияние на его низкотемпературные свойства. При этом при практически одинаковом суммарном содержании н-парафиновых углеводородов в летнем и зимнем топливе температура его помутнения находится в пределах от минус 5 С до минус 25 С, а температура застывания - от минус 14 С до минус 35 С, что связано в первую очередь с различным соотношением в летнем и зимнем топливе низкоплавких н-парафинов (ниже нонадекана, включительно) к высокоплавким (от эйкозана и выше). Так, в зимнем топливе количество высокоплавких парафинов от их суммы составляет 1%, тогда как в летнем - 10,8 %. Это соотношение является определяющим при образовании их совместных ассоциатов. Поэтому в летнем топливе снижена истинная растворимость высокоплавких парафинов и повышена склонность молекул к агломерации, что ухудшает его низкотемпературные свойства по сравнению с зимним топливом. Следует отметить, что топливо с узким диапазоном распределения н-парафиновых углеводородов или с их количеством в 28 % и выше имеет большую концентрацию высокоплавких парафинов, а значит, депрессорные и депрессорно-диспергирующие присадки в нем не эффективны или малоэффективны [9,266]. Это указывает на необходимость определения фракционного состава, молекулярно-массового распределения и содержания в летнем дизельном топливе н-парафиновых углеводородов при подборе присадок.
Таким образом, проведенный анализ фракционного и углеводородного состава выбранного летнего топлива двух видов позволил выявить достаточно плавное распределение его фракций в диапазоне температур от 185 С до 360 С; 16,4 %-ное содержание н-парафиновых углеводородов с распределением их углеводородной структуры от гексана до октакозана и общим количеством высокоплавких парафинов до 2 %. Все это указывает на достаточную восприимчивость топлива к депрессорным и депрессорно-диспергирующим присадкам и обосновывает рациональность их подбора к выбранному топливу.
Результаты исследований низкотемпературных свойств (температуры помутнения, застывания и предельной фильтруемости) и коэффициента фильтруемости сорока образцов выбранного дизельного топлива Л-0,2-62 (первого вида), содержащих различные концентрации (от 0,001% до 0,5% масс.) депрес-сорных присадок МПК-2 (дополнительно увеличивает цетановое число топлива на 6-8 единиц) и Keroflux ES 6100, а также диспергатора парафинов Keroflux ES 3502 (вводимого в топливо совместно с присадкой Keroflux ES 6100 в соотно шении 1:3), представлены в приложении П.2.21 и на рисунке 5.7 (присадки допущены к применению на территории РФ).
Анализ полученных данных позволил установить линейную зависимость между концентрацией присадок и коэффициентом фильтруемости топлива (рисунок 5.7 а). При этом увеличение концентраций присадок в указанных пределах повысило коэффициент фильтруемости топлива от 1,32 до 6,28 единиц. Разница в интенсивности увеличения коэффициента фильтруемости топлива при введении в него различных присадок объясняется вязкостно-температурными свойствами последних и зависит от их химического состава. Введение в топливо 0,16 % (масс.) присадки Keroflux ES 6100, 0,26 % (масс.) присадки МПК-2 или 0,2 % (масс.) присадок Keroflux ES 6100 + Keroflux ES 3502 приводит к увеличению коэффициента фильтруемости до 3 единиц (максимально-допустимому значению, установленному ГОСТ 305-82 [30]). Для топлива высшего сорта это значение не должно превышать 2 единиц, в связи с чем в такое топливо можно вводить не более 0,07 % (масс.) присадки Keroflux ES 6100, 0,09 % (масс.) присадок Keroflux ES 6100 + Keroflux ES 3502 или 0,1 % (масс.) присадки МПК-2.
Максимальное снижение температур застывания (до минус 30 С-минус 33 С) и предельной фильтруемости (до минус 16 С - минус 18 С) исследуемых образцов достигается при введении в топливо 0,1 % (масс.) присадки МПК-2 или 0,06-0,07 % (масс.) присадок Keroflux ES 6100 и Keroflux ES 6100 + Keroflux ES 3502 (рисунок 5.7 б). Увеличение указанных концентраций присадок в топливе не изменяет его низкотемпературные свойства. Объясняется это тем, что в системе «н-парафиновые углеводороды - присадка» происходят процессы, свойственные коллоидным системам: избыток свободной поверхностной энергии системы компенсируется сцеплением мицелл присадки. При этом очевидно, что в интервале температур от минус 29 С до минус 31 С (интервал температуры застывания топлива) наступает диапазон предельной растворимости и образования коллоидных структур н-парафиновыми углеводородами топлива с присадкой МПК-2 и присадками Keroflux ES 6100, Keroflux ES 6100 + Keroflux ES 3502 в его углеводородной среде. В этом случае скорость образования дисперсной фазы при данных температурах топлива максимальна, что обуславливает создание большого числа мелких кристаллов, расстояния между которыми резко сокращаются за счет преобладания энергии притяжения между частицами.
