Дестратификация: новая технология — новый термин
Известно, что при длительном хранении нефтепродуктов в ёмкостях происходит расслоение содержимого по плотности его компонентов. По свидетельству работников нефтебаз потери от расслоения нефтепродуктов достигают 5-7% от всего объёма хранящегося продукта. Борьба с этим явлением приобретает особую остроту, если приходится хранить, например, мазут в ёмкостях по 200, 500, 700 и более кубометров годами в виде аварийного запаса топлива для котельных или ТЭЦ, работающих в основном на природном газе. Даже если сроки хранения меньше года, расслоение продукта по плотности компонентов приводит к потерям: владелец хранилища пытается удалить образования в виде, например, шламовых вод, сливая их в места хранения отходов. По данным российских экологов, только на территории одной России скопления отходов в виде шламовых вод приближаются к суммарному объёму в 1 млрд м3.
Stratificare в переводе с латинского означает «расслаивать». Отсюда название устройства и технологии, означающее буквально — «препятствование расслаиванию», то есть, название устройства — «дестратификатор», технологии — «дестратификация».
Схематично технология выглядит просто: в локальном объёме устройства создаётся высокоскоростная затопленная струя, в граничных слоях которой элементарные объёмы жидкости испытывают колоссальные сдвиговые напряжения. В результате элементарный объём жидкости стремительно «раскручивается», а возникший вихревой моль жидкости обладает, как известно, своим гравитационным полем. Внутри вихревого моля появляется парогазовый пузырёк.
Известно также, что величина пузырьков имеет большое значение для их дальнейшей судьбы. Наиболее крупные из них под действием архимедовых сил немедленно всплывают на поверхность и исчезают. Меньшие по размеру с всплытием не торопятся, но среди них есть и, так называемые, «устойчивые пузырьки», действие архимедовых сил на которые уравновешиваются силой сопротивления Стокса. Такие пузырьки могут существовать в объёме жидкости постоянно. По мере естественного процесса перемещения наиболее плотных компонентов в нижнюю часть хранимого объёма, равновесие между архимедовыми и силами сопротивления Стокса для мелких пузырьков нарушается, и они начинают движение вверх. При этом вслед за движущимся пузырьком, возникает спутный («кильватерный») микропоток жидкости. То есть, при своём движении пузырёк одновременно вызывает перемешивание слоёв жидкости, что, естественно, замедляет процесс расслоения.
В дестратификаторе эффект образования множества мельчайших парогазовых пузырьков усиливается за счёт того, что используется вихревой эффект быстровращающегося локального объёма жидкости. Скачок гидродинамического уплотнения на срезе выхода вихря в сам хранимый объём жидкости вступает во взаимодействие с околоосевой зоной местного разрежения, создаваемого вихревым потоком. Следствием этого становится возникновение резонансного явления, разрушительно действующего на наиболее крупные парогазовые пузырьки и, в то же время, порождающего какое-то дополнительное количество мелких. Кстати, в самом объёме жидкости отчётливо прослушивается характерный шелестящий, с лёгким потрескиванием звук работающего устройства.
Дестратификатор, рассчитанный на обработку значительных объёмов жидких нефтепродуктов, размещается внутри ёмкостей в 200, 500, 700 и более м3. Причем, замковое соединение с подающим патрубком позволяет, как легко установить, так и быстро удалить устройство из ёмкости через её верхний световой люк (стандартный проходной диаметр которого равен 500 мм), то есть, монтаж-демонтаж устройства не требует опорожнения ёмкости. Масса дестратификатора - 42 кт.
Устройство не имеет каких-либо подвижных или вращающихся деталей и относится к тем, про которые говорят: «там ломаться нечему, - установил, включил и забыл».
Несмотря на то, что для подачи 10...12 м3 в час, давлением в 3...6 кгс/см2 объёма рабочей жидкости (из объёма самой же ёмкости) потребляется всего-то 3...5 кВт электрической мощности, дестратификатор прогоняет через свои рабочие полости 115...120 м3/ч жидкости. Этот, парадоксальный на первый взгляд, момент объясняется тем, что дестратификатор конструктивно является новым типом эжекционного устройства, в котором коэффициент эжекции на порядок (!) выше существующих струйных устройств. Способ, позволивший получить столь эффективное устройство и создающий, без всякого сомнения, новый класс струйных аппаратов, защищен патентом РФ за № 2198019.
Дестратификатор работает также в роли механической мешалки. Создаваемый им вихревой шнур жидкости, имея сложную топологию течения потоков, втягивает в процесс чисто механического перемешивания абсолютно все слои в емкости. Даже поверхностный слой под действием сил поверхностного натяжения участвует в процессе перемешивания.
Существует вариант дестратификатора, дополненного головкой низкочастотного звукогенератора. Обработка жидкости звуковым полем в спектре низких частот ведет к росту числа мельчайших парогазовых пузырьков и полному разрушению крупных. Кроме того, в конструкции дестратификатора со звукогенератором появляется внутренний контур рециркуляции обрабатываемой жидкости - часть её на выходе из акустической камеры отбирается и вновь направляется в рабочие полости. В рециркуляционном объёме уже содержатся парогазовые пузырьки. Поэтому при прохождении вихревой трубки идёт как бы сортировка пузырьков: наиболее крупные скапливаются в центре вихревого потока, а мелкие оказываются на периферии вихревой трубки. Периферийный поток проходит повторную (и неоднократную) обработку звуковым полем, что вызывает еще более тщательное дробление мелких пузырьков на мельчайшие (до получения устойчивых пузырьков). Таким образом, в результате многократности обработки жидкость насыщается, в основном, парогазовыми пузырьками с размерами устойчивых пузырьков. А чем выше содержание в жидкости устойчивых пузырьков, тем дольше она способна противостоять процессам расслоения по плотности её компонентов.
Следует сказать еще об одной важной особенности процесса дестратификации. Насыщение углеводородного жидкого топлива мельчайшими парогазовыми пузырьками приводит к качественному изменению самого топлива. Парогазовый пузырек в жидкости является своеобразным концентратором напряжения. Например, для того чтобы порвать лист бумаги строго по линии (у вас не оказалось под рукой ножниц), производитель бумажной продукции предусматривает нанесение перфорации - множества отверстий диаметром в десятые доли миллиметра, которые и являются концентраторами напряжения, - разрыв бумаги идет ровно от одного отверстия к другому. При сжигании жидкого углеводородного топлива добиваются его распыления на мелкие капли. Чем меньше их размеры, тем легче получить качественную топливовоздушную смесь, тем меньше потери от неполноты сгорания топлива, тем больше удельное количество тепловой энергии. Таким образом, чем больше в составе жидкого топлива мельчайших устойчивых парогазовых пузырьков, тем больше вероятность разрыва жидкости по линиям и поверхностям от пузырька к пузырьку, то есть, тем меньше размер капель распыла топлива. Тем меньше затраты энергии на распыление топлива. Насыщение углеводородного жидкого топлива мельчайшими парогазовыми пузырьками ведет к серьезной экономии топлива.
Процесс дестратификации - тот редкий случай, когда и у производителя (хранителя), и у потребителя жидкого топлива экономические интересы совпадают: есть возможность получить какую-то реальную экономию и избежать дополнительных потерь либо в виде шлама и шламовых вод, либо избежать потерь из-за неполноты сгорания топлива, пытаясь сжигать далеко не качественное топливо. Не следует забывать при этом, что дестратификация жидкого топлива снижает нагрузку на существующую экосистему.