Технологию расходомера для пиролизного масла выбирают не по каталогу приборов, а по характеристике масла, которое предстоит измерять. Сначала на пробах из нескольких партий устанавливают, растворена ли вода в масле или образует отдельную фазу, сколько в нём твёрдых частиц и какого они размера, может ли в измерительной линии появиться свободный газ или пар, как вязкость меняется с температурой и до какой температуры продукт можно нагревать. Затем кориолисовые, объёмные (камерные), электромагнитные и ультразвуковые расходомеры по очереди отсеиваются по этим данным. Ни одна из технологий не подходит для пиролизного масла безусловно; выбор между оставшимися вариантами зависит от цели измерения (технологический контроль или коммерческий учёт), единицы расчётов (масса или объём) и оценки производителя для конкретного продукта.
У этого ответа есть условие: числовые диапазоны в статье относятся к маслу быстрого пиролиза биомассы (бионефти), по которому опубликовано больше всего данных. Для масел из отработанных шин и пластиков проверенного обобщённого набора данных нет, поэтому для них решение опирается только на анализ самого продукта. Устройство блока учёта и общий обзор типов расходомеров приведены на соответствующей странице решения; эта статья посвящена предшествующему шагу: какие данные собрать и какой вопрос каждое из них ставит перед каждой технологией.
Разные жидкости под одним названием
По данным IEA Bioenergy, масло быстрого пиролиза биомассы обычно содержит 20–30 % масс. воды, имеет pH 2–3 и плотность 1,10–1,30 г/мл при 15 °C и не смешивается с нефтяными маслами. Спецификации ASTM D7544 и EN 16900 также распространяются только на пиролизные жидкости из биомассы.
Масло из отработанных шин имеет иной профиль. В пробе сырого шинного пиролизного масла, изученной в рецензируемой работе, содержание серы превышало 1 % масс., что автор связывает с вулканизацией резины; плотность той же пробы составила 921 кг/м³ при 15 °C. Это данные по одной пробе, и считать их типичными для шинных масел нельзя; они лишь показывают, что диапазоны бионефти на этот продукт не переносятся. Обзор по пиролизным маслам из бытовых пластиковых отходов указывает, что такие масла могут содержать множество загрязнителей, включая хлор и различные металлы, которые вызывают коррозию и отложения. Контекст обзора — сырьё для установок парового крекинга, но он показывает и то, какие параметры нужно включить в программу анализа для выбора смачиваемых деталей. Иначе говоря, строка «среда: пиролизное масло» в опросном листе не является достаточным описанием для выбора расходомера.
Как вода, примеси и газ влияют на измерение
Вода: растворена или отдельная фаза?
Согласно отчёту VTT по бионефти, вода в этих маслах растворена или находится в виде микроэмульсии и не удаляется физическими методами, например центрифугированием. Тем не менее продукт не всегда остаётся однофазным: реакции старения образуют воду, и при общем содержании воды выше примерно 30 % масс. может выделиться водная фаза. В маслах из лесосечных отходов, в зависимости от сырья и процесса, может образоваться верхняя фаза в количестве 5–20 % масс. с меньшей плотностью и полярностью.
Для учёта проблема в том, что через расходомер поочерёдно проходят разные фазы. Продукт, отбираемый со дна или из верхней части резервуара, может заметно отличаться от среднего анализа по плотности, вязкости и электропроводности. Поэтому воду следует запрашивать не только как процентное значение, но и вместе с фазовым состоянием и его изменением при хранении. VTT приводит для определения воды в бионефти титрование по Карлу Фишеру (ASTM E203) и указывает, что дистилляция с ксилолом (ASTM D95) для этих масел неприменима из-за низкокипящих компонентов. Для шинных и пластиковых масел вопрос о наличии свободной воды и методе её определения решается вместе с лабораторией.
Твёрдые частицы: важны не только количество, но и размер и твёрдость
Типичные бионефти, из которых уголь удаляется циклонами, содержат менее 0,5 % масс. твёрдых частиц со средним размером около 5–10 мкм. При хранении частицы могут агломерировать в слой шлама на дне резервуара и ускорять старение. В полевых испытаниях, описанных VTT, песок и подобные твёрдые частицы в количестве более 0,05 % масс. вызывали износ насосов и форсунок. Содержание твёрдых частиц в бионефти можно определить по ASTM D7579, а распределение частиц по размерам — оптическим счётчиком частиц или анализом изображений.
Для выбора расходомера наряду с количеством примесей нужно знать твёрдость частиц, размер, который доходит до прибора после фильтра, и затягивается ли донный шлам в линию в конце опорожнения резервуара. При использовании в качестве топлива частицы несут энергию, поэтому удалять их полностью не является главной целью; тонкость фильтрации определяют вместе с нагрузкой по твёрдым частицам, которую увидит расходомер.
Газ: воздух, лёгкие компоненты и испарение
Газ из заголовка обычно возникает не столько из самого продукта, сколько из условий в измерительной линии. Бионефть содержит лёгкие компоненты, способные испаряться при температуре, близкой к окружающей (как правило, менее 5 % масс.); VTT также отмечает, что чрезмерный подогрев может вызвать преждевременное испарение воды и низкокипящих компонентов. Поэтому расходомер на обогреваемой линии может работать с продуктом, содержащим пузырьки.
Для динамических измерительных систем для жидкостей, подлежащих государственному метрологическому контролю, OIML R 117-1:2019 требует удалять воздух и нерастворённый газ из жидкости до её входа в счётчик; газоотделитель необходим, если давление на входе насоса может, даже кратковременно, опускаться ниже атмосферного или ниже давления насыщенных паров жидкости. Документ также напоминает, что воздушные пробки могут образовываться при опорожнении питающего резервуара и из-за теплового сжатия во время остановок. Эти требования относятся к системам коммерческого учёта, но логика вопроса «где образуется газ?» справедлива и для технологических измерений. Когда газ или воздушная пробка проходит через расходомер, погрешность возникает независимо от принципа измерения; технологии различаются лишь тем, как они это обнаруживают и переносят.
Таблица характеристик среды
В таблице перечислены данные, которые нужно запросить до выбора расходомера, и их влияние на выбор технологии. Метод испытания назван только там, где его приводит изученный источник для бионефти; для шинных и пластиковых масел метод согласуется с лабораторией.
Характеристика пиролизного масла: набор данных для выбора расходомера
Свойство | Почему важно | Как определяется | Влияние на выбор технологии |
Содержание воды и фазовое состояние | Плотность, вязкость и электропроводность различаются между фазами | Титрование по Карлу Фишеру (ASTM E203); наблюдение фаз в отстоянной пробе | Меняющаяся фаза затрудняет расчёты по плотности и работу принципов, зависящих от электропроводности; ставится вопрос о точке отбора из резервуара |
Твёрдые частицы и их размер | Износ, засорение, отложения и донный шлам | ASTM D7579 (твёрдые частицы); оптический счётчик частиц или анализ изображений (размер) | Определяющий фактор для приборов с узкими зазорами и подвижными частями; оценивается вместе с тонкостью фильтрации |
Плотность и её зависимость от температуры | Основа пересчёта между объёмом и массой | Цифровой плотномер при 15 °C (ASTM D4052) | Если расчёты ведутся по массе, объёмному счётчику нужна зависимость плотности от температуры для конкретного продукта |
Кривая вязкость–температура | Потеря давления, проскальзывание и профиль потока | Кинематическая вязкость (ASTM D445) или ротационный вискозиметр | Потеря давления и рабочий диапазон прибора проверяются при максимальной вязкости |
Термическая стабильность и старение | Определяет верхний предел нагрева и рост вязкости со временем | Рост вязкости при 40 °C после выдержки 24 часа при 80 °C (экспресс-сравнение; не стандартный метод) | Расходомер с обогревающей рубашкой и обогреваемая линия должны оставаться в этом пределе |
Кислотность и примеси, зависящие от сырья | Совместимость смачиваемых деталей, футеровки, электродов и уплотнений | pH и общее кислотное число (ASTM D664); методы ICP или AAS для металлов; сера и хлор для шинных и пластиковых масел | Прибор, совместимость материалов которого не подтверждена, отсеивается; материал трубопровода не является доказательством для расходомера |
Лёгкие компоненты и склонность к газовыделению | Образование пузырьков при нагреве и на всасывании | Подходящего стандартного метода для бионефти в источнике нет; метод температуры вспышки для бионефти непригоден. Рабочая температура, давление всасывания и сценарий опорожнения резервуара берутся из технологических данных | Потребность в газоотделении и поддержании давления после расходомера; устойчивость к газу становится различием между технологиями |
Электропроводность | Условие работы электромагнитного расходомера | Измеряется на пробе продукта; опубликованных данных по бионефти мало | Если требование производителя не выполняется во всех партиях и фазах, электромагнитный вариант отсеивается |
Матрица отсева: какие данные исключают какую технологию?
Матрица не является рейтингом и не даёт готового вывода; для каждой технологии она показывает вопросы, которые могут привести к отсеву, и данные, дающие на них ответ. При отрицательном ответе технология исключается для данного применения или пересматривается с дополнительной мерой (фильтрация, газоотделение, контроль температуры).
Матрица отсева технологий для пиролизного масла
Технология | Вопросы, которые могут привести к отсеву | Данные для ответа |
Кориолисовый массовый расходомер | Оценил ли производитель материал смачиваемых трубок с учётом кислотности и примесей продукта? Превышает ли потеря давления при максимальной вязкости запас насоса и условий всасывания? Могут ли через прибор проходить газ или воздушные пробки? | Анализ кислотности и примесей; кривая вязкость–температура; давление всасывания и сценарий опорожнения резервуара |
Объёмный (камерный) счётчик | Допустимы ли размер и твёрдость частиц, доходящих до счётчика, для внутренних зазоров и подвижных частей? Насколько разброс вязкости между партиями отличается от условий калибровки? Если нужна масса, есть ли данные о плотности конкретного продукта? | Твёрдые частицы, их размер и тонкость фильтрации; диапазон вязкости; зависимость плотности от температуры |
Электромагнитный расходомер | Выполняет ли электропроводность продукта требование производителя для выбранной модели в каждой партии, каждой фазе и при рабочей температуре? Совместимы ли футеровка и электроды с кислотностью и абразивными частицами? Будут ли электроды покрываться отложениями? | Измерение электропроводности на пробах; фазовое состояние; анализ кислотности и твёрдых частиц |
Ультразвуковой расходомер жидкости | Ослабляют ли пузырьки и твёрдые частицы акустический сигнал? Выводит ли изменение вязкости профиль потока за пределы, которые прибор может скомпенсировать? Будут ли отложения на стенке трубы? | Склонность к газовыделению и нагрузка по частицам; диапазон вязкости и числа Рейнольдса; оценка производителя по пробе продукта или применению |
Турбинные и другие чувствительные к вязкости принципы | Выходит ли рабочая вязкость от партии к партии и с изменением температуры за пределы, в которых действительна калибровочная кривая? | Кривая вязкость–температура и разброс между партиями |
Статический метод (измерение в резервуаре или взвешивание) | Нужны ли непрерывные данные о расходе и оперативное управление, или достаточно количества, определённого по окончании партии? | Цель измерения и согласованный с покупателем способ расчётов |
Прямое измерение массы — реальное преимущество кориолисового расходомера на продукте с переменной плотностью, но оно не снимает вопросов матрицы: поскольку локальная коррозия может инициировать усталостные трещины в тонкостенных колеблющихся трубках, материал, подходящий для трубопровода, не является доказательством пригодности для расходомера. Для электромагнитного и ультразвукового вариантов решение обычно опирается на оценку производителем пробы продукта.
Как связать данные с проектом узла учёта
· Точка отбора проб: Анализ должен представлять продукт, который увидит расходомер. EN 16900 рассматривает отбор проб и совместимость материалов в отдельном приложении; пробы со дна резервуара, из верхней части и из линии перекачки оцениваются раздельно.
· Фильтр и расходомер вместе: Тонкость фильтрации выбирают по размеру частиц, допустимому для прибора. Если перепад давления на фильтре не контролируется, забитый фильтр может снизить давление всасывания и усилить газовыделение.
· Газоотделение и поддержание давления: Место газоотделителя и схему поддержания давления после расходомера нельзя спроектировать, пока не известно, где образуется газ (опорожнение резервуара, выход подогревателя, всасывание насоса).
· Температурное окно: Окно между нижним пределом, необходимым по вязкости, и верхним пределом, допустимым по термической стабильности, должно соблюдаться и в месте установки расходомера. Бионефть быстро вступает в реакции при нагреве до 100 °C и выше; схема обогрева рассмотрена на странице об обогреваемых системах перекачки.
Неподходящие условия и ограничения
· Выбор по одной пробе или одной партии: старение, расслоение и разброс между партиями не учитываются.
· Применение диапазонов бионефти или пределов ASTM D7544 и EN 16900 к шинным и пластиковым маслам.
· Прямой перенос расходомера, материалов и схемы обогрева, выбранных для мазута, на пиролизное масло.
· Обобщение данных паспорта одной модели на всю технологию; погрешность расходомера не равна суммарной неопределённости измерительной системы.
· Статья не определяет применимость законодательной метрологии, классификацию взрывоопасных зон и проект систем безопасности; они устанавливаются национальным законодательством, техническим заданием проекта и экспертной проверкой.
Данные для технической оценки
· Вид сырья (биомасса, шины, пластик или смесь), процесс получения и условия хранения
· Содержание воды (с указанием метода) и фазовое состояние для проб из нескольких партий, по возможности и после хранения
· Содержание твёрдых частиц, распределение по размерам и планируемая тонкость фильтрации
· Вязкость при разных температурах или кривая вязкость–температура; результат испытания на термическую стабильность или выдержку, если есть
· Плотность и её зависимость от температуры; pH и общее кислотное число; сера, хлор и металлы в зависимости от сырья; по возможности электропроводность
· Минимальный, номинальный и максимальный расход; рабочее давление и температура; тип насоса, условия всасывания и схема опорожнения резервуара
· Цель измерения (технологический контроль, потребление или продажа) и единица расчётов (масса или объём)
Связанные страницы и статьи
Связанные страницы
· Блочные узлы учёта пиролизного масла: Устройство блока, общий обзор технологий учёта и использование данных о плотности.
· Объекты пиролизного масла: Свойства продукта в зависимости от сырья и исходные данные для проектирования объекта.
· Системы перекачки пиролизного масла с подогревом: Выбор температурного окна с учётом предела термической стабильности.
· Кориолисовые массовые расходомеры и плотномеры: Принцип измерения и влияние захваченного газа на кориолисовое измерение.
· Кориолисовый или объёмный счётчик для налива автоцистерн?: Подробности выбора между двумя технологиями при наливе.