Разработка способа обезвоживания топлив для реактивных двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УЛЬЯНОВСКИЙ ИНСТИТУТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ ИМЕНИ ГЛАВНОГО МАРШАЛА АВИАЦИИ Б.П. БУГАЕВА»

Факультет подготовки авиационных специалистов

Кафедра авиатопливообеспечения

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

«Разработка способа обезвоживания топлив для реактивных двигателей»

Выполнил: курсант Варфоломеев М.А.

Проверил: доцент кафедры Паничкин Г.Н.

Ульяновск 2018

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЦ - автоцистерна;

ВС - воздушное судно;

ГА - гражданская авиация;

ГСМ - горюче-смазочные материалы;

ГТД - газотурбинный двигатель;

И-М - ПВКЖ, содержащая 50% этилцеллозольва и 50% метилового спирта;

ЛП - летные происшествия;

ПАВ - поверхностно-активные вещества;

ПВКЖ - противоводокристаллизационные жидкости;

РТ - реактивные топлива;

ТЗ - топливозаправщик;

ТРА - топливо-регулирующая аппаратура;

ФЭ - фильтроэлементы;

ВВЕДЕНИЕ

Реактивные топлива - это топлива (авиационные керосины) для воздушно-реактивных двигателей (ВРД) современных самолётов и вертолётов, а также для ракет. Мировое производство реактивного топлива составляет в среднем 5 % от перерабатываемой нефти (около 2% в Европе и развивающихся странах и 7 % в Северной Америке). В мирное время военные потребляют примерно 10 % от общих ресурсов реактивных топлив. Масса топлива составляет 30-60 % от взлетной массы самолета, что чрезвычайно усиливает важность применяемого топлива. Эти топлива однокомпонентные, т. е. смешение их не допускается, с очень жестко оговоренной и контролируемой технологией их производства. Топлива должны обеспечивать полную безаварийность; надежный запуск двигателя в любых условиях; устойчивое горение в быстро движущемся потоке воздуха и при больших коэффициентах избытка воздуха (более 2); полное сгорание без дыма и нагара; высокую скорость и дальность полета летательного аппарата. Получают реактивные топлива из нефтяных фракций (С]0-С14 и выше), выкипающих в пределах 120-280, 60-280 (дозвуковая авиация) или 195-315 °С (для утяжеленных авиакеросинов, используемых на военных самолетах с большими сверхзвуковыми скоростями). Российские НПЗ производят реактивные топлива следующих марок: Т-1, ТС-1 и Т-2 (дозвуковая авиация), РТ (переходное топливо для дозвуковой и сверхзвуковой авиации при отношении скорости самолета к 1190 км/ч (скорость звука в воздухе), Т-6 и Т-8В (для сверхзвуковой авиации).

Специфические требования к качеству реактивных топлив диктуются жесткими условиями работы топливной системы (фильтры, форсунки, насосы и др.) двигателей реактивных самолетов и мощных вертолетов, для которых отказ двигателя (в том числе при повторных его запусках в воздухе) может повлечь крупные аварии с большими человеческими жертвами.

В первую очередь, вода, попавшая через топливопровод к двигателю, может вывести из строя систему впрыска топлива или топливный насос высокого давления инжекторного двигателя.

Про стабильную работу двигателя, если он все таки работает, можно забыть. Обороты двигателя будут непостоянными, он будет троить, а транспортное средство будет двигаться рывками, особенно если топлива в бензобаке осталось немного.

В зимнее время года вода, попавшая в топливопровод, замерзает в нем и перекрывает доступ топливу к двигателю, это может привести к непоправимым последствиям.

1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ТРЕБОВАНИЙ, ПРЕДЪЕВЛЯЕМЫХ К АВИАТОПЛИВУ

Требования к качеству авиатоплива устанавливаются различными стандартами: на территории РФ авиатопливо в зависимости от марки (ТС-1, РТ, 13 ДЖЕТ А-1) соответствует следующим требованиям: стандарты, регламентирующие требования к качеству топлива в рамках Евразийского экономического союза (ЕАЭС)

Авиатоплива ТС-1 и РТ используются на территории ЕАЭС, а также в Монголии и в большинстве стран бывших республик Советского Союза (Азербайджан, Армения, Грузия, Киргизия и др.) На территории США, Канады, в странах Европы, а также в ряде других стран авиатопливо (Jet (Jet A, Jet A-1): ? ASTM2 D1655-15; ? DEF STAN3 91-91. Иерархия документов по авиатопливообеспечению, действующих на территории РФ, а также зарубежная нормативно-техническая документация, регламентирующая аватопливообеспечение, представлена на рисунке 1. Анализ иерархии НТД показывает не всегда одинаковый подход требований к качеству авиатоплива. Норма промышленной чистоты авиатоплива при его выдаче со склада службы авиаГСМ аэропорта в ГА РФ регламентируется «Руководством по приему, хранению, подготовке, к выдаче на заправку и контролю качества 14 авиационных горюче-смазочных материалов и специальных жидкостей в предприятиях ГА Российской Федерации» [61], а за рубежом - «Руководство по поставкам реактивных топлив в гражданской авиации. ИКАО, DOC9977» [62]. Концентрация частиц механических примесей в авиатопливе описывается посредством массовой доли загрязнителя в суспензии - отношения массы частиц загрязнителя, находящихся в суспензии, к ее массе (г/тонна) [26, 27] и должна составлять не более 0,0002% по массе (2,0 г/т).

Нормативная документация

ГОСТ Р 52906-2008 Оборудование авиатопливообеспечения. Общие технические требования

ПБ 03-605-03 Правила устройства вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов.

ГОСТ 10227-86. Топлива для реактивных двигателей. Технические условия.

ГОСТ Р 52910-2008 Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов. Общие технические условия.

СНиП 2.11.03-93. Склады нефти и нефтепродуктов. Противопожарные нормы

ГОСТ 2517-85 Нефть и нефтепродукты. Методы отбора проб.

ПБ 09-560-03. Правила промышленной безопасности нефтебаз и складов нефтепродуктов.

Руководство по технической эксплуатации складов и объектов горюче-смазочных материалов предприятий гражданской авиации.

Технический регламент «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту».

Рисунок 1 - Иерархия НТД по авиатопливообеспечению, действующая в РФ и за рубежом.

Известно, что в свежевыработанном авиатопливе загрязненность механическими примесями составляет, как правило, 0,5 - 1,5 г/т [70], а на момент отпуска со склада готовой продукции нефтеперерабатывающих заводов загрязненность авиатоплив обычно не превышает 3 г/т [22]. В процессе транспортировании авиатоплив их загрязненность увеличивается и достигает в среднем 4,4 г/т [70, 71, 82]. Иногда загрязненность авиатоплива на момент Doc 9977 AS 6401 J I G 1 J I G 2 J I G 3 J I G 4 Учебное руководство «Объединения по контролю качества IATA» За рубежом Российской Федерации 15 поставки потребителю доходит до 20 г/т [82]. Количество загрязнений в донной пробе (отстое) авиатоплива ТС-1 из железнодорожных цистерн, прибывших на склады служб авиаГСМ аэропортов, составляет 94 - 115 г/т с размерами частиц 40 - 150 мкм. [3, 33, 70, 71, 82]. Анализ загрязнённости топлива, поступившее в ТЗК аэропортов показывает, что авиатопливо необходимо очищать перед заправкой в ВС. Требования к чистоте авиатоплива изложены и в ряде других документов, в частности в ГОСТ 17216-71 и ГОСТ Р 50559-93 [25, 28]. Аналогичные стандарты по классификации чистоты жидкостей имеют страны Европы, США и Канады. Отечественные самолето-двигателестроительные фирмы для некоторых систем (автоматического и дистанционного управления, автоматики авиадвигателей) устанавливают более жесткие нормы: 5 - 7 классов, в том числе и для заправляемых жидкостей. Британские фирмы предусматривают для систем ВС до 12 классов чистоты с допустимым числом частиц от 1-5 до 50-100 мкм. Ассоциацией авиационной промышленности (AIA) и стандартами США предусматриваются всего 7 классов чистоты от 5 до 100 мкм. При этом, классы чистоты жидкостей устанавливаются в требованиях ко многим изделиям и технологическим процессам объектов обеспечения ГСМ и специальными жидкостями, а не только к заправочным средствам и средствам очистки, как в РФ. В зарубежных военных и гражданских требованиях с 1989 года записано, что содержание механических примесей после фильтров-сепараторов не должно превышать 0,265 мг/л (1 мг/галлон). Аналогичные требования по содержанию механических загрязнений в топливе после фильтров и фильтров- водоотделителей регламентированы во всех отечественных ТУ к средствам очистки на топливозаправочных средствах выпуска после 1990 года. Известно, что опасным загрязнением авиатоплива является свободная (несвязанная) вода. Она может появиться в авиатопливах при изменении температуры и влажности воздуха. Количество воды в топливе нормируется и максимально допустимого содержания свободной воды составляет не более 5мг/кг (т.е.0,0005%), что соответствует, существующим отечественным нормативам и международным требованиям до 1990 г. [61, 69, 78]. Размеры частиц механических примесей в авиатопливе при его выдаче со склада ТЗК аэропорта косвенно регламентируется «Руководством по приему, хранению, подготовке к выдаче на заправку и контролю качества авиационных горюче-смазочных материалов и специальных жидкостей в предприятиях гражданской авиации Российской Федерации» [61]: «выдача авиакеросина должна производиться через пункт фильтрования с фильтроэлементами с характеристиками, соответствующими или превосходящими характеристики фильтра-сепаратора СТ-2500». Номинальная тонкость фильтрования лучших образцов фильтроэлементов для фильтра СТ-2500 составляет 3 мкм. Помимо «Руководства» [61], размеры частиц механических примесей в авиатопливе при его выдаче со склада авиаГСМ организации авиатопливообеспечения аэропорта регламентируется ГОСТ Р 52906 [29]. В отличие от «Руководства» [61], в стандарте [29] значение этого показателя задано прямо: «номинальная тонкость фильтрации - не более 3 мкм». Вопросы обеспечения качества авиаГСМ, затрагивающие безопасность полетов ВС, в том числе, появление отказов авиационной техники, связанных с качеством авиатоплива, на сегодняшний день является мировой проблемой. Это говорит директива ИКАО 9977 AN/489 [62], требующая распространения Системы управления безопасностью полетов на процессы авиатопливообеспечения от нефтеперерабатывающих заводов до ВС. В РФ подобная система уже существует, однако не представлена в едином всеохватывающем документе. С конца 2000-х гг. в системе авиатопливообеспечения произошли изменения. Существующая надежная и эффективная система допуска авиаГСМ к применению в ГА, обеспечивающая заправку ВС качественным топливом, система допуска нефтепродуктов к применению действовавшая в СССР с 1951 г., была практически разрушена. Она предусматривала проведение приемочных и квалификационных испытаний при постановке на производство и допуске к применению новых и

Известно, что в мировой практике сложились две системы регулирования авиационной деятельности в области авиаГСМ. Первая возлагает всю полноту ответственности на эксплуатанта-авиакомпанию. Как поставщик услуг, она "накрывает" своей системой качества всех контрагентов, включая поставщиков авиатоплива (США, страны Евросоюза). Другая система предусматривает полный государственный контроль за качеством поставляемых авиаГСМ со стороны уполномоченного органа в области гражданской авиации (Китай, Индия и др.). Контроль качества авиаГСМ там определен как вопрос государственного контроля летной годности ВС. Такая система долгие годы работала и доказала свою высокую эффективность в обеспечении безопасности полетов в гражданской авиации СССР. В изданных директивных документах ИКАО, указывается на коммерциализацию как на основной фактор, что создает угрозу безопасности полетов (например, Doc 9734-AN/959). Видно, что современная ситуация в отечественном авиатопливообеспечении характеризуется отказом государства от контроля за качеством выпускаемого авиатоплива. С упразднением государственной системы стандартизации, упрощении порядка согласования проектов технических условий на ГСМ обострилась ситуация с применением ГСМ различных производителей, существенно отличающихся по составу, а иногда по эксплуатационным характеристикам, но выпускающих эти ГСМ под одной маркой и ТУ. ИКАО, озабоченная сложившейся мировой тенденцией поступления в аэропорты загрязненного авиатоплива, издала директиву №9977 [61], а IATA приняла стандарт 1530 [67]. В документе ИКАО подчеркивается, что при формировании системы управления безопасностью полетов в части авиатопливообеспечения 19 необходимо соблюдать действующие приложения и Руководства ИКАО и документы IATA [62, 67]. Введенный в действие технический регламент Таможенного союза ТР ТС 013/2011 "О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту" регулирует вопросы качества авиационного топлива по отдельным показателям при обращении на территории Таможенного союза [68]. Поскольку ТР ТС 031/2011 регулирует влияние качества авиатоплива на окружающую среду и здоровье людей, то требования этого документа лишь частично связаны с требованиями по качеству, предусмотренными ГОСТ 10227-86 на авиационное топливо [19]. Таким образом, проведенный в работе анализ руководящих документов по обеспечению качества авиатоплива показывает, что применение различных регламентов и стандартов определяет разные требования к качеству авиатоплива, что влияет на безопасность полетов, кроме того авиатопливо перед заправкой в ВС требует контроля его кондиционности.

2. ВЛИЯНИЕ ВОДЫ, РАСТВОРЁННОЙ В ТОПЛИВАХ, НА ИХ СВОЙСТВА

Отработанные нефтепродукты являются, как правило, отходами потребления и включают отработанные моторные и индустриальные масла, а также смесь отработанных нефтепродуктов. Количество и качество отработанных масел в первую очередь зависит от организации сбора, качества исходного масла, оборудования и условий его эксплуатации. Масла в процессе использования загрязняются водой и пылью, продуктами коррозии при соприкосновении с металлами, продуктами окисления, образующимися при контакте с воздухом и под воздействием повышенныхтемператур. Свойства масел ухудшаются под влиянием естественного света, давления, электрического поля и других факторов. Масла в процессе эксплуатации оборудования разжижаются топливом.

При умеренных концентрациях воды (до 10%) ее влияние на важнейшие показатели качества топлива незначительно. Однако при концентрации воды свыше 20% значительно повышается теплота испарения, изменяется фракционный состав, в частности повышаются температуры начала кипения и 50%-го отгона, снижается давление насыщенных паров и скорость испарения, с поверхности. В целом это ведет к ухудшению пусковых свойств и показателей работы двигателя, особенно в период прогрева и при работе на переходных режимах.

Отрицательное влияние на эксплуатационные свойства топлив оказывает эмульсионная вода. Вода в топливе бывает гигроскопичная и эмульсионная, а при отрицательных температурах и суспензионная. Количество гигроскопичной (растворимой) воды колеблется от 0,002 до 0,006 вес. %; оно зависит от химического состава топлива, пределов его выкипания, температуры топлива и окружающего воздуха, а также от содержания влаги в воздухе, с которым соприкасается топливо.

Между содержанием воды, растворенной в топливе и находящейся в окружающем воздухе, существует постоянное равновесие. В зависимости от изменения температурных условий и давления равновесие смещается. В одном случае это смещение равновесия сопровождается увеличением количества влаги, растворенной <в топливе (понижение температуры топлива и содержания влаги в воздухе), в другом -- ее уменьшением (понижение температуры топлива и содержания влаги в воздухе). Избыточная влага, ранее растворенная в топливе, выпадая из раствора, образует с топливом эмульсию. Начальное состояние этой двухфазной системы характеризуется наличием мельчайших частиц воды в углеводородной среде, размер которых характерен для коллоидных смесей. Дальнейшие изменения, происходящие под влиянием различных условий, приводят к укрупнению капель воды и их медленному отстою. При отрицательных температуpax на известной стадии формирования капли эмульсионной воды замерзают в виде веретенообразных игольчатых кристаллов льда; эти кристаллы обычно не только располагаются в толще топлива, но и сосредоточиваются на его поверхности, а также обильно покрывают внутреннюю крышку и свободные от топлива стенки резервуара, поскольку их температура, как правило, ниже температуры топлива. Топливо со взвешенными кристаллами льда представляет собой как бы подвижную систему -- суспензию.

Ухудшаются противоизносные свойства топлив. Поэтому присутствие свободной воды в топливах недопустимо.

Вредное влияние сточных вод может быть вызвано присутствием отходов химических производств, красителей, дубильных веществ, а также смол -- отходов термической переработки топлива. Эти вещества также потребляют кислород и придают воде неприятные органолептические свойства.

Энергетические свойства и процессы горения топлива. Растворенная в топливе вода практического влияния на процессы горения не оказывает. Это объясняется ее малым количеством (0,002--0,02 %). Даже при содержании воды 0,02 %, что является почти максимальным, на каждую тонну топлива приходится лишь 200 г воды. Влияние этого количества воды на процессы горения и энергетические свойства настолько незначительно, что им можно пренебречь. Гораздо больше на процессы горения и теплоту сгорания топлив влияет эмульсионная вода. Присутствие ее может привести к прерыванию процесса подачи топлива в камеры сгорания, когда смесь воды и топлива проходит через форсунки. Неприятные явления прекращения подачи топлива и срыва пламени усиливаются, если вода превращается в пар внутри форсунки. Перерыв подачи топлива становится продолжительным, когда образуется много пара, проходящего через форсунку. Поэтому отдельные скопления воды в топливах приводят к длительным перерывам в подаче топлива, затуханию и срыву пламени, к вспышкам и хлопкам. Особенно опасны перерывы подачи топлива в летательных аппаратах, в которых эти перерывы могут привести к аварийным ситуациям.

Вязкость - свойство оказывать сопротивление перемещению под влиянием действующих сил, зависит от молекулярной массы и строения (т. е. от фракционного и группового состава), и чем тяжелее фракционный состав, чем больше асфальтосмолистых веществ, тем выше вязкость. В целом вязкость нефтей и нефтепродуктов больше вязкости воды, принимаемой равной 1 это котельное топливо, тяжелые нефти, вязкость же бензинов меньше вязкости воды.

Сохранение товарных свойств топлив при их хранении и транспортировании обеспечивают вводом в их состав антиокислителей-- л-оксидифениламина древесно-смоляного, получаемого сухой перегонкой древесины ФЧ-16, представляющего фенольную фракцию, извлеченную из подсмольных вод полукоксования черемховских углей биоцидных присадок, предотвращающих вредное влияние на топлива различныхмикроорганизмов.

Общие требования, предъявляемые к присадкам, сводятся к следующему 1) присадки должны быть эффективными в небольших концентрациях 2) должны полностью сгорать без образования отложенийна деталях двигателя 3) не должны оказывать отрицательного влияния на какие-либо свойства топлив 4) должны хорошо растворяться в топливе и его компонентах и только незначительно растворяться в воде. 5) должны быть устойчивы (не должны разлагаться) в условиях эксплуатации 6) не должны быть дефицитными и стоимость их не должна быть высокой.

С другой стороны, результаты, полученные данные позволяют оценить влияние растворителя на свойства пламени. Во-первых, температура восстановительного пламени при использовании в качестве растворителя этилового спирта примерно на 200° больше, чем для воды. Как и в рассмотренном выше примере с окси-водородным пламенем, изменение температуры пламени при замене растворителя связано с изменением общей энтальпии топлива. Во-вторых, для достижения восстановительных условий горения пламени в присутствии водытребуется большее количество ацетилена, чем в присутствии этилового спирта. Последнее обстоятельство представляется совершенно естественным, поскольку в молекулу воды входят атом кислорода и ни одного атома углерода, а в молекулу спирта -- один атом кислорода и два атома углерода.

Как один из примеров влияния условий образования и среды на свойства получаемого ископаемого топлива интересно привести здесь работы Н. Г. Титова с сотрудниками [8], которыми было установлено, что в торфяниках, одинаковых по ботаническому составу, могут образовываться торфы различной степени битуминизации и что одной из причин этого положения является неодинаковый минеральный состав торфяных вод, главным образом наличие в них большего или меньшего количества растворенного гипса. Влияние гипса на свойства торфов сказывается в том, что он способствует образованию кальциевых солей гуминовых кислот, из которых в основном состоит органическая часть торфов.

Низкотемпературные свойства топлив характеризуются температурами застывания и помутнения, а также вязкостно-температурной характеристикой. Эти свойства оказывают существенное влияние на работу дизеля, так как с умень-щением температуры текучестьжидкого топлива ухудшается из-за увеличения его вязкости, что затрудняет прокачку топлива по топливопроводам, его фильтрацию и пуск двигателя. При этом наиболее пологие вязкостно-температурные характеристикиимеют нормальные парафиновые углеводороды, а наиболее крутые -ароматические [3.31]. Однако парафиновые углеводороды отличаются относительно высокими температурами помутнения и застывания. При температуре помутнения из топлива выделяются микроскопические капли воды (кристаллики льда) и высокоплавкие парафиновые углеводороды, и топливо становится мутным. При дальнейшем понижении температурыкристаллы парафинов сращиваются друг с другом, образуя сетчатый каркас. При температуре застывания такой каркас образуется по всей массе топлива, и оно теряет свою подвижность.

Показана зависимость перепада давления на топливном фильтре (в лабораторных условиях) от температуры топлива. Из приведенной зависимости видно, что введение 0,3% этилцеллозольва во все сорта авиационных топлив обеспечивает нормальную фильтрацию топлива до --50° С, несмотря на то, что содержание воды в топливах, содержащих этилцеллозольв было выше, чем в исходных. Этилцеллозольв не оказывает отрицательного влияния на физико-химические, антидетонационные и эксплуатационные свойства топлив.

Моноэтиловый эфир этиленгликоля добавляют к топливам, обычно в количестве до 0,3%. При введении присадки в топливо содержание воды в нем несколько увеличивается, посколькз сама присадка содержит 1--2% воды. Присадки, применяемые для нредотвраш ения образования льда в топливах, не оказывают отрицательного влияния на обш ие эксплуатационные свойства реактивных топлив.

Эти авторы утверждали, что минимальное сопротивление соответствует оптимальному содержанию воды, т. е. такому максимальному количеству воды, которое может удержрхваться топливом, находящимся в спокойном состоянии без дренажа. Испытуемые образцы топлива имеют от 70 до 80% кусков мельче 3 мм и для получения минимальногосопротивления требуют наличия приблизительно 12% свободной воды. Один уголь был коксующимся, а другой--длиннопламенный неснекающийся, и тот факт, что влияние воды является чисто физическим и не зависит от химических свойств топлива, подтверн дается подобной же кривой для песка. Кривая для плотности материала показывает, что сопротивление связано с этим свойством.

Вода в топливе может находиться в растворенном состоянии и в виде Эхмульсии. Общее содержание воды в топливах зависит от температуры, атмосферного давления, влажности, а также условий хранения, транспортировки и перекачки топлив. Общее содержание воды в топливах колеблется в широких пределах от 0,001 до 0,1%. Вода оказывает большое влияние на фильтруемость топлив и их коррозионные свойства.

Требования по качеству масел для двухтактных бензиновых двигателей связаны со спецификой применения масел и конструкцией двигателей. Необходимо, чтобы небольшое количество масла, поступающего в цилиндр в виде тумана, во время горения топлива достаточно хорошо смазывало все поверхности и смывало с них загрязнения, не засоряло свечи и окна цилиндров и не допускало прихватывания поршней. Для поддержания чистоты двигателя применяются высокоэффективные моющие присадки - детергенты, не содержащие металлов, которые при сгорании не образуют (либо образуют малое количество) золы. Зола и нагар способствуют ускорению износа двигателя и вызывают преждевременное (калильное) зажигание preignition). Масла должны обладать высокими антикоррозионными свойствами, особенно при применении в двигателях морских моторных лодок (с учетом влияния соленой морской воды). Кроме того, масло в течение продолжительного времени должно хорошо защищать от коррозии в режиме простоя двигателя. В некоторых случаях к маслам предъявляютсядополнительные требования -смешиваемость с бензином и сохранение смазывающих свойств в условиях низких температур.

Этилцеллозольв СН20НСН2(ОС2Нд) -- это моноэтиловый эфир этиленгликоля, бесцветная прозрачная жидкость, имеющая плотность 0.,930--0,935 г см и показатель преломления 1,4070--1,4090. Исследования показали, что в концентрации до 0,3% этилцеллозольв не оказывает влияния на физико-химические и эксплуатационные свойства топлив. В связи с тем, что этилцеллозольв может извлекаться из топлив водой, вводить его в топлива следует непосредственно перед их применением. В зарубежной практике для предотвращения образования кристаллов льда в топливах применяется метилцеллозольв [8].

Применяемый в процессе депарафинизации карбамид содержит примеси биурета и некоторых других веществ. Кроме того, биурет образуется в результате гидролиза карбамида при применении водного раствора последнего и при разрушении комплекса водой. Присутствие небольших количеств биурета не оказывает отрицательного действия, а в отдельных случаях его могКпо рассматривать даже как положительный фактор. Так, Шампанья с сотр. [10] показал, что в то время как химически чистый карбамид образует исключительно устойчивые гели, присутствие до 1% биурета ограничивает размеры кристаллов комплекса, что уменьшает опасность закупорки трубопроводов. Повышенное содержаниебиурета сказывается отрицательно на депарафинизации, уменьшая, в частности, депрессию температуры застывания масла. Так, Б. В. Клименок с сотр. [107] показал, что если при отсутствии биурета в карбамиде удается достичь температуры застывания дизельного топлива --56° С, то при содержании в карбамиде 1, 3 и 5% биурета температура застывания дизельного топлива равна соответственно --51,5, --50 и --49° С. В связи с отрицательным влиянием, которое оказывает повышенное содержаниебиурета на свойства карбамида (не только при депарафинизации), его содержание в мочевине различных сортов ограничивают следующими предельно допустимыми нормами.

В то же время наличие воды, равномерно распределенной по всему объему, оказывает положительное влияние на эксплуатационные свойстватоплив. Испарение мелкодисперсных частиц воды происходит мгновенно в виде микровзрыва, процесс сгорания протекает плавно и с достаточной полнотой, что приводит к снижению удельного расхода топлива и дымности отработавших газов. Равномерное распределение и образование воды в виде мелкодисперсных частиц обеспечивается с помощью специальных устройств кавитаторов, смесителей.

К важнейшим относятся требования к физико-химическим и технологическим свойствам ингибиторов. При этом учитывается специфика технологических процессов добычи, промысловой и заводской обработки природного газа, на которые ингибиторы не должны оказывать негативного влияния. В частности, они не должны стимулировать вспенивание технологических жидкостей, замедлять процесс разделения водно-метанольно-уг-леводородной эмульсии, иметь склонность к закоксовыванию, ухудшать товарное качество газа и углеводородного конденсата. Ингибиторы должны хорошо растворяться в углеводородном конденсате, дизельном топливе и метаноле. В воде они должны либо растворяться, либо хорошо диспергироваться. Температура застывания ингибиторов должна быть достаточно низкой.

Топлива с большей вязкостью и кислотностью о<5л дают лучшими про-тивоизносными свойствами, чем топлива с меньшими величинами этих показателей. Заметно ухудшают противоизносные свойстаг топлив, содержащиеся в топливах меркаптаны, эмульсионная вода, мехприм си. Влияние температуры топлива неоднозначно при повышении температурыизнос пары трения увеличивается, но при дальнейшем повышениитемпературы (выше 100-120 С) - снижается из-за интенсивного образования продуктов окисления с поверхностно-активными свойствами.

Отрицаггельное влияние на противоизносные свойства топлив оказывают меркаптаны, вызывая коррозионно-механичсский износ трущихся поверхностей топливных афегатов. Так, при прочих равных условиях увеличение содержания в дизельном топливе меркаптанов с 0,0004 до 0,1% увеличивает износ в 2 раза. Также отрицательно влияют на противоизносные свойства эмульсионная вода и мехпримеси.

Присадки, предотвращающие укрупнение мелкодисперсной фазы в топливе и, следовательно, разрушение коллоидной системы, характеризуются высокой полярностью. По своей природе они могут быть гидрофобными и гидрофильными. Гидрофобными являются соединения с углеводородным радикалом знaчиteльнoгo размера, обеспечивающим хорошую раствори.мость в топливе при минимальном сродстве присадки к воде. Пример таких соединений-- алифатические амины. Гидрофильными являются соединения, у которых количество, характер и расположение в молекуле полярных групп таково, что присадка отличается сильным сродством к воде, образуя с ней очень прочные комплексы. Сродство присадок проявляется не только по отношению к воде, но и по отношению к загрязнениям топлив (минерального и органического происхождения). Эти особенности присадок оказывают весьма важное влияние на эксплуатационные свойства топлив.

Для учета влияния физико-химических свойств улавливаемых жидкостей на процесс сепарации эксперименты проводились на дизельном топливе марки Л ГОСТа 305--62 и на маслах авиационном МС-14 (ГОСТ 1013--49), индустриальном 30 (ГОСТ 8675--62), трансформаторном (ГОСТ 982--56), компрессорном М (ГОСТ 1861--54), а также па воде, глицерине и водоглицериновых растворах различной концентрации. Количество распыливаемой жидкости определялось по времени работы форсунки, которая имела строго установленный при тарировке расход и определенную дисперсность распыла, и контролировалось объемным методом, как н количество отсепарированной жидкости с точностью 0,5 мл. Измерение перепадов давлений производилось дифма-нометром ДТ-50. Точность измерений перепада давления составляла 0,5 мм вод. ст.

Однако влияние на рабочий процесс двигателя водо-спиртовых смесей отличается от влияния впрыскиваемой воды потому, что спирты обладают меньшей скрытой теплотой испарения и большей летучестью, чем вода, а также потому, что спирты сами являются топливом с высокими антидетонационными свойствами. При впрыске водо-спирч-овых смесей происходит обогащение горючей смеси в цилиндрах двигателя.

Очевидно, химическую коррозию подшипников содержащимися в масле сернистыми соединениями можно объяснить аналогичным механизмом. Наличие в топливе серы имеет решающее значение для коррозионного состояния работающего двигателя. Сернистый и серный ангидриды, образующиеся при сгорании топлива, конденсируются в микрослое влаги в зоне поршень -- цилиндр, прорываются в картер вместе с газами и водой и конденсируются в масле. Повышение содержания серы в топливе с 0,2 до 0,9--1% вызывает увеличение износа гильз цилиндров на 30--40% и поршневых колец на 10%. Велико также влияние pH масляной среды на коррозионные свойства масла и связанные с этим процессыизнашивания деталей двигателя [77, 87, 95, 103]. Испытания, проведенные на дизеле 1 Ч 10,5/13 мощностью 7,3 кВт при 150 рад/с, с определением износа верхнего поршневого кольца, активированного вставками из радиоактивного кобальта, показали, что с увеличением щелочности масласкорость изнашивания уменьшается,, а затем остается постоянной [95, 103]. Щелочность масла, pH масляной среды обеспечивают, как правило, зольные или беззольные" моющие присадки к маслам. Многие маслорастворимые ингибиторы коррозии имеют кислый характер (жирные кислоты, СЖ1С ангидриды и эфиры алкенилянтарных кислот и др.), поэтому прж введении их в масла необходимо следить, чтобы общая щелочность масла была не ниже 0,8--1 мг КОН/г.

Низкотемпературные свойства топлив оказывают существенное влияние на надежность работы топливных систем реактивных двигателей и самолетов, поэтому в современных технических условиях на авиакеросины к их низкотемпературным свойствам, предъявляются жесткие требования. Так, температура начала кристаллизации авиакеросинов не должна быть выше минус50-60 С, нерастворенная вода в топливах должна практических отсутствовать. Так, согласно международным нормам количество нерастворенной воды в топливах при заправке баков реактивных самолетов не должна превышать 0,003%.

В этих условиях достаточно эффективным средством изучения характера распределения жидкого топлива в первичной зоне считается метод холодного моделирования процесса смесеобразования, развиваемый в нашей стране в последние годы. Этот метод основан на применении в экспериментальных исследованиях процесса смесеобразования моделирующей негорючей жидкости (например, воды), подаваемой в модели камер сгорания вместо топлива, при параметрах воздушного потока в моделях, отвечающих реальным режимам работы камер сгорания. Несмотря на известные отличия в физических свойствах жидкихуглеводородных топлив и воды, используемой обычно в качестве моделирующей жидкости, метод холодного моделирования дает возможность получить данные, позволяющие судить о качественной стороне процесса распыливания и распределения топлива в первичной зоне. Эти данные относятся к начальной стадии процесса смесеобразования в реальных камерах сгорания, не осложненной существенно влиянием тепловьщеления

3. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ

Наиболее простой способ удаления воды из нефти на промыслах -- термохимическое обезвоживание при атмосферном давлении. К нефти добавляется деэмульгатор, после чего она подогревается и поступает в резервуар для отстаивания. При такой обработке нефти возможны большие потери легких нефтепродуктов во время отстаивания в негерметичных резервуарах.

Широкое распространение имеют способы обезвоживания нефтепродуктов при помощи различных реагентов.

Рассмотренные выше способы выведения воды из нефти и нефтепродуктов реализованы в конструкциях технологических аппаратов обессоливания и обезвоживания.

Наиболее простой способ обезвоживания нефтепродуктов и удаления из них металлических примесей -- отстаивание. Рассмотрим материалы исследований, посвященных непосредственной обработке продуктов нефтехимического производства(дизельные топлива, керосины, смазочные масла), а также искусственных нефтехимических композиций (смазывающее охлаждающие жидкости жидкости, применяющиеся в машиностроении) в целях улучшения их эксплуатационных свойств. Существующие способы обезвоживания нефтепродуктов методами отстаивания, сепарации, фильтрации, обработки адсорбентами и цеолитами либо мало эффективны, либо неприемлемы из-за массогабаритных и экономических показателей. Наибольшую трудность с точки зрения обезвоживания и обессоливания представляет собой электрообработка тяжелых топлив и масел, так как электрическая прочность этих материалов резко снижается при загрязнении и особенно при увлажнении. Под действием электрического поля частицы загрязнений или капельки воды образуют цепочки, через которые может происходить пробой межэлектродного промежутка. Очевидно, что эффективность электрообработки жидких углеводородных систем (горючесмазочных материалов) находится в зависимости от коллоидных свойств этих систем. Кроме того, определение загрязнений в диэлектрических жидкостях, особенно высокодисперсных, определение дисперсного состава их -- сложная и еще недостаточно полно решенная задача. Электрокинетические свойства и устойчивость диэлектрических жидкостей определяют возможность и целесообразность очистки этих жидкостей электрообработкой. Поэтому уместно изложить здесь кроме конструктивных решений задачи (см. гл. 7) результаты новейших исследований по электрокинетическим свойствам загрязненных диэлектрических жидкостей и их устойчивости. Применявшиеся при этом методики определения загрязнений в жидкости и некоторые эффекты поведения частиц в электрическом поле могут оказаться полезными как для разработки методов и устройств электроочистки технических жидкостей, так и объяснения наблюдаемых при электроочистке эффектов.

Вода является одним из наиболее активных веществ, способствующих коагуляции твердых частиц загрязнений и образованию агрегатов, включающих смолистые вещества- частицы неорганического происхождения. Укрупнение частиц и их накопление происходит на границе раздела фаз: топливо-вода. Про- 42 межуточный слой представляет с собой зону взаимодействия частиц различных видов. При перемешивании топлива, обусловленном в эксплуатационных условиях конвекцией, движением масс топлива при эволюциях самолета, заправкой и прокачкой топлива, вибрациями крыла и др., хаотическое движение струй топлива способствует сближению частиц твердых загрязнений и микрокапель воды, а силы взаимного притяжения заставляют их соприкасаться. Проникновению частиц внутрь капли воды препятствует поверхностное натяжение, создающее как бы реакцию на площадке контакта частицы с каплей, уравновешивающую силу взаимного притяжения и гидродинамические силы. Кроме того, на поверхности капель и частиц адсорбируются поверхностно- активные вещества, содержащиеся в топливе. В связи с этим на площадке контакта частицы с каплей возникают силы сцепления, способствующие образованию многофазных комплексов загрязнений. Поверхностные силы сцепления и сила взаимного притяжения препятствуют разрушению таких агрегатов под действием гидродинамических сил. Та- ким образом, в условиях эксплуатации в топливах происходит укрупнение частиц загрязнений, их оседание и накопление в ёмкостях. По мере увеличения относительной молекулярной массы загрязнения все труднее растворяются в топливе, укрупняются и выпадают из углеводородного раствора в виде полутвердой фазы. Эти загрязнения ухудшают качество и термоокислительную стабильность топлив, засоряют топливные фильтры, вызывают нагарообразование в камере сгорания, осмоление внутренних поверхностей ТМР и т.д. Основным загрязнителем является вода. Главной причиной обводненности углеводородных топлив является их обратимая гигроскопичность. Это свойство при изменении внешних условий (температуры, давления, влажности, окружающей среды) вызывает фазовые переходы воды в топливе. В связи с этим вода в топливе может раствориться в растворенном, эмульсионном состоянии или в виде отстоя.

В зимний период при температуре топлива ниже 0 °С (а при длительных высотных полетах и летом) в нем могут появляться кристаллы льда. Они забивают топливный фильтр двигателя перед насосом и резко снижают его пропускную способность, что приводит к отказу двигателя. Появление кристаллов льда в топливе может быть вызвано как образованием их в самой топливной системе ЛА, так и заправкой ее топливом, уже содержащим кристаллы льда. Разумеется, последнее совершенно недопустимо. В топливе растворено небольшое количество воды; ее растворимость уменьшается с понижением температуры топлива (рис.6.3) и внешнего давления. Количественную характеристику, описывающую изменение растворимости воды в топливе при изменении температуры, формулирует уравнение Генри:: Go- растворимость воды в авиатопливе при Ро=760 мм рт.ст.; То=293К; Шо=1,0 С помощью этого уравнения можно оценить скорость отстаивания воды в резервуарах с топливом при разных температурах окружающей среды и значе- ниях атмосферного давления. При охлаждении топлива, например, в холодную погоду при заполнении наземных емкостей теплым топливом из подземных резервуаров или летом в дозвуковом полете на большой высоте избыток воды выделяется в виде мелких капелек, которые при отрицательной температуре замерзают. При этом мель- чайшие капельки воды переходят из метастабильного жидкого состояния в кри- сталлическое только при контакте с твердой поверхностью, прежде всего на то- пливном фильтре перед насосом.

Рис 2. Растворимость воды в одной тонне топлива при различной температуре (при влажности воздуха 100 %).

авиационное топливо обезвоживание

Условия хранения топлив. Условия хранения на складах ГСМ, в особенности длительного хранения, влияют на стабильность и коррозионные свойства топлива. Окислительные процессы, приводящие к смолообразованию и ухудшению термической ста- бильности, повышению кислотности, замедляются, если топлива хранятся при низкой температуре в заглубленных резервуарах, защищенных от прямого на- грева солнечными лучами. В целях уменьшения контакта свободной поверх- ности топлива с воздухом и суточного дыхания резервуара (обмена воздуха че- рез дыхательные клапаны при суточном изменении температуры) его следует держать заполненным. Это относится и к хранению в топливной системе ЛА: в полных баках топливо окисляется медленнее. Относительная площадь контакта топлива со стенками, которые играют роль катализатора окисления, зависит от размера емкости. Чем емкость крупнее, тем меньше вредный контакт каждого кубического метра топлива с металлом и дольше сохраняется нормальное качество топлива. Поэтому при закладке топ- лива на длительное хранение лучше использовать одну крупную емкость, чем несколько мелких. По истечении установленного срока хранения топливо расходуют, а на хранение закладывают свежее. Сроки освежения для каждого вида ГСМ установлены в соответствии с их стабильностью и условиями хранения. Реактивные топлива в резервуарах и таре хранятся, как правило, в северной и средней климатических зонах до 5 лет (в стальных емкостях -- до 10 лет), в южной -- 4 года, а в баках самолетов -- 2 года. Плановый срок хранения сокращают, если склонные к изменению показатели качества ГСМ досрочно достигли предельно допустимых значений. Предотвращение образования кристаллов льда. Появление кристаллов льда в топливе связано с их гигроскопичностью, т.е. его способностью поглощать влагу из воздуха при повышении температуры, влажности и давления 56 окружающей среды (см. раздел 7.2). При заполнении резервуара, цистерны или топливного бака самолета в топливо мо56ено попасть осевший на их стенках иней. Кроме того, иней, образовавшийся на стенках емкости выше уровня топлива, сползает в топливо при нагреве емкости солнечными лучами. Из воздуха, проникающего в емкость через дыхательные клапаны или дренаж, на поверхности холодного топлива могут конденсироваться водяные пары; это происходит при наступлении теплой погоды. Конденсация продолжается в течение одних-двух суток, пока температура топлива не повысится. Образующиеся при этом мелкие кристаллики льда (типа снежинок) медленно осе- дают в топливо, оставаясь в нем длительное время во взвешенном состоя56ен (их плотность почти равна плотности холодного топлива). Выделению кристаллов льда способствуют резкие колебания темпера- туры топлива и воздуха. Зимой перед заправкой топлива в баки, а также при длительном нахождении его в баках самолетов необходимо тщательно проверить, не появились ли в нем кристаллы льда. Наличие кристаллов льда в баках самолета обнаруживается при предполетной подготовке и перед вылетом путем слива и осмотра от- стоя топлива, а на некоторых типах самолетов -- при осмотре топливного фильтра после опробования двигателя. 8.2.1 Применение противоводокристаллизационных жидкостей (ПВКЖ). Эффективным средством против образования кристаллов льда являются противоводокристаллизационные жидкости. На воздушных судах гражданской авиации России используется жидкость «И-М», состоящая из 50% этилцеллозольва и 50% метанола (по объему) в концентрации 0,1-0,15%, т.е на 1 м 3 топлива добавляется 1,0-1,5 л ПВКЖ «И-М», что повышает растворимость воды в топливе, а при снижении температуры топлива происходит выделение растворен- ной воды вместе с ПВКЖ «И-М» в процентном соотношении примерно 50% воды на 50% ПВКЖ. При этом образуется «антифриз», не замерзающий до температур ?-50°С. Ввод ПВКЖ «И-М» в топливо применяется только на старых типах самолетов (ИЛ-18, АН-24, ЯК-40, ТУ-154 А,Б,М, ИЛ-62, ИЛ-76) не оборудованных системами подогрева топливных фильтров воздухом, отбираемым из промежуточных ступеней компрессора. Все современные самолеты имеют такие системы подогрева (ТУ-204, ИЛ-86, ИЛ-96 и др.). Тетрагидрофурфуриловый спирт (ТГФ), использовавшейся ранее в качестве ПВКЖ менее стабилен и на практике неоднократно способствовал загрязнению фильтров нерастворимыми осадками. Поэтому использование его в последние годы ограничено, а в ГА РФ исключено. На большинстве типов ЛА топливо с добавкой ПВКЖ применяется только в зимнее время. Добавление ПВКЖ в топливо зависит от температуры воздуха в аэропорту вылета и длительности предстоящего рейса: 0,1 % при температуре от 0 до --20 °С и длительности рейса более 3 часов. На транспорт- 57 ных и некоторых других типах самолетов, где возможно охлаждение топлива в длительном полете, ПВКЖ используют также и летом (в количестве 0,1 %). Обводненную ПВКЖ применять нельзя, она может внести в топливо избыточную влагу и вызвать образование кристаллов. Жидкость ПВКЖ «И-М» ядовита: пары ее вызывают головную боль, а попадание в пищеварительный тракт -- сильное отравление. Введение ПВКЖ в топливо производится на складах ГСМ, например, при наливе цистерны топливозаправщика с помощью специальных дозаторов.

При использовании воздуха процессы окисления в нефтепродуктах значительно интенсифицируются. Поэтому вместо воздуха лучше применять инертные газы, самым дешевым из которых является азот. Удаление воды можно значительно ускорить подогревом нефтепродукта с одновременной барботажной продувкой газа. Обезвоживание масла ведут при 70--80 °С. Выше температуру поднимать нельзя, поскольку возрастает возможность вспенивания масла. Этим способом можно уменьшить содержание воды в масле до 0,0025 %. Известны экспериментальные попытки [33] удаления воды из реактивных топлив сочетанием термических и массообменных процессов. Из приведенных данных видно, что эффективность процессов удаления воды зависит от ее исходного содержания в топливе, температуры и характера процесса. Необходимо отметить, что продувка надтопливного пространства нагретым до 200 °С воздухом значительно увеличивает окисление и накопление продуктов окисления в топливе, а также повышает пожарную опасность.

Присутствие воды в топливе ухудшает его свойства, что приводит к снижению ресурса дизельной топливной аппаратуры.

Известен способ обезвоживания топлива путем вентиляции надтопливного пространства топливного бака атмосферным воздухом, подаваемым с помощью вентилятора.

Известен также способ обезвоживания топлива в резервуаре путем вентиляции надтопливного пространства атмосферным воздухом, подаваемым естественной аэрацией за счет разрежения, создаваемого дефлектором и тепловой конвекцией.

Но эти методы обладают таким недостатком, как возможность загрязнения топлива атмосферной пылью и дополнительного обводнения каплями воды, содержащимися в атмосферном воздухе.

Наиболее близким техническим решением является способ обезвоживания топлива, основанный на вентиляции надтопливного пространства бака, резервуара, цистерны или другой емкости с топливом, очищенным от пыли и капель воды, атмосферным воздухом.

Однако известный способ имеет следующие недостатки: при вентиляции надтопливного пространства часть топлива в виде паров уносится в атмосферу, вызывая его потери от испарения и загрязнение окружающей среды. Кроме того, способ требует использования для осуществления вентиляции дополнительного оборудования (вентилятор, дефлектор и др.).

Заявляемый способ направлен на устранение потерь топлива от испарения и загрязнения окружающей среды, а также отказ от использования дополнительного оборудования для осуществления вентиляции при применении на мобильных машинах.

Указанный технический результат достигается тем, что вентиляцию осуществляют путем разрежения, создаваемого во впускной системе двигателя и подводимого в надтопливное пространство топливного бака по трубопроводу. За счет чего очищенный атмосферный воздух поступает в надтопливное пространство топливного бака, откуда с парами топлива отсасывается во впускную систему двигателя по трубопроводу, исключая загрязнение окружающей среды и потери топлива от испарения.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что при его использовании на мобильных машинах вентиляцию осуществляют путем разрежения, создаваемого во впускной системе двигателя: очищенный от пыли и капель воды атмосферный (вентилируемый) воздух поступает в надтопливное пространство топливного бака и с парами топлива отсасывается по трубопроводу во впускную систему двигателя, исключая потери топлива от испарения и загрязнение окружающей среды. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Предлагаемый способ обезвоживания топлива может быть реализован в топливных баках дизельных мобильных машин следующим образом.

Топливо заливают в топливный бак 1 машины, имеющий герметичную крышку заливной горловины 2 и два патрубка для подвода 3 и отвода 4 воздуха с целью вентиляции надтопливного пространства. Патрубок отвода воздуха 4 соединен трубопроводом 5 со впускной системой двигателя, например с впускным коллектором 6, а патрубок подвода воздуха 3 - трубопроводом 7 с дополнительным фильтром очистки воздуха 8.

Способ обезвоживания топлива осуществляется следующим образом. При эксплуатации машины во впускной системе двигателя создается разрежение, за счет чего атмосферный воздух проходит дополнительный фильтр очистки воздуха 8, трубопровод 7, патрубок подвода воздуха 3 и поступает в надтопливное пространство топливного бака 1, откуда отсасывается через патрубок отвода воздуха 4 и трубопровод 5 во впускную систему двигателя (впускной коллектор 6).

Использование способа наиболее эффективно при неудовлетворительных условиях хранения топлива, когда оно поступает в бак машин обводненным, а также при значительных колебаниях температур воздуха, когда создаются условия конденсации влаги из воздуха, находящегося в баке.