УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ НЕФТИ Российский патент 1995 года по МПК B63B35/32 E02B15/04 

Изобретение относится к судостроению (водному транспорту), имеет экологическое назначение и используется для очистки морской поверхности, поверхности пресноводных водоемов и рек от нефтепродуктов, масел и других жидких плавающих загрязнений.

В настоящее время для механической очистки водной поверхности от нефтяных и им подобных загрязнений используются разнообразные технические средства, которые можно разделить на два основных типа: специальные суда с встроенным в них оборудованием для сбора и отделения нефти от воды, временно устанавливаемые на суда технического флота или буксируемые этими судами устройства для сбора нефти. Принципы действия различных устройств для сбора нефти с водной поверхности, их основные конструктивные типы, преимущества и недостатки описаны в книге: Нунупаров С.М. Предотвращение загрязнения моря нефтью. М. Транспорт, 1971, с.33-43.

Анализ указанных материалов позволяет выделить следующие основные проблемы, разработка и последовательное решение которых позволяет создавать устройства с все более высокой эффективностью очистки поверхности воды от загрязнения нефтепродуктами:
более полное удаление всей нефти с очищаемой водной поверхности;
повышение доли нефти в отбираемом с водной поверхности слое, что особенно трудно осуществить при предельно малых толщинах нефтяной пленки;
обеспечение работоспособности в условиях ветрового волнения.

Кроме того, естественным является требование удобства эксплуатации и надежности устройств для очистки поверхности воды от нефти.

Известно устройство, которое используется совместно с плавучим транспортным средством, имеющим емкость для сбора загрязнений с поверхности воды (авт.св. СССР N 410998). Оно имеет нефтеулавливатель переменной ширины с защищающей от попадания в него мусора решеткой. Поступающие при движении в нефтеулавливатель поверхностные загрязнения во флотационной камере переводятся посредством прокачивания воздуха через поверхностный слой воды в пенное состояние и затем отсасываются в специальную приемную емкость.

Это устройство имеет следующие недостатки:
неполная очистка водной поверхности из-за наличия в загрязнении фракций, не обладающих свойствами поверхностной активности, вследствие чего их переход в пенное состояние затруднен или вообще невозможен;
непригодность для работы при ветровом волнении, так как в устройстве отсутствуют какие-либо волногасящие или адаптирующие его к волнению приспособления, а сам принцип действия создание отсоса пены из камеры требует минимально возможного зазора между поверхностью воды и верхней крышкой нефтеулавливателя.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является нефтезаборный трал, предназначенный для использования на судах типа катамаран (авт.св. СССР N 533518). Нефть с поверхности собирается с помощью ловушки в виде трапециевидного гофра (аналог нефтеулавлиавтеля), соединенного шарнирно с расположенным перед гофром волногасителем в виде выпуклой пластины. Внутри гофра в его центральной части находится поплавковый приемник, откуда с помощью насоса нефть откачивается в приемную емкость на судне.

Нефтезаборный трал имеет следующие недостатки:
низкая эффективность из-за захвата постоянно работающим насосом помимо нефтяных загрязнений значительного количества воды через приемное отверстие в поплавковом приемнике, подток к которому поверхностного слоя воды происходит по каналам, находящимся ниже поверхности воды;
протекание через устройство вслед за ним нефтяных загрязнений через зазоры между волногасителем и гофром, а также через сливные отверстия в гофре при прохождении устройством вершины или подошвы волны, ограничение по использованию на судах, так как нефтезаборный трал изготовляется в размерах, соответствующих только одному определенному расстоянию между корпусами катамарана, а на обычных однокорпусных судах установка его не предусмотрена.

Целью изобретения является:
повышение эффективности очистки водной поверхности от нефти за счет повышения доли нефти в собираемой с поверхности водоема нефтеводяной смеси и за счет предотвращения прохождения нефтяных загрязнений вслед за устройством;
расширение диапазона гидрометеоусловий по силе ветра и высоте ветровых волн, в котором возможно эффективное проведение работ по очистке водоемов;
улучшение эксплуатационных качеств за счет обеспечения возможности использования предлагаемого устройства на судах различных типов и размеров и за счет облегчения операций по установке его на суда из-за способности к самостоятельному поддержанию на плаву.

Основными техническими результатами изобретения являются:
улучшение очистки водной поверхности от нефтяных загрязнений;
эффективное использование устройства как на спокойной воде, так и при ветровом волнении до трех баллов;
удобство эксплуатации устройства на различающихся по типу и по размерам судах, а также в комплексе с другими средствами механической и химической очистки водной поверхности.

Это достигается тем, что входящий в состав предлагаемого устройства нефтеулавливатель (ловушка) в отличие от прототипа выполнен в виде сужающегося с изогнутой продольной осью канала с закрытыми верхней и боковыми сторонами и с сообщающейся с забортным пpостранством донной частью. Входное сечение нефтеулавливателя расположено перпендикулярно направлению движения, а выходное в отличие от прототипа параллельно направлению движения, при этом соотношение ширины входного и выходного сечений составляет не менее 100:1. За входным сечением нефтеулавливателя над водной поверхностью наклонно к ней размещен сопловой аппарат щелевой формы, предназначенный для нагнетания воздуха в направлении выхода из нефтеулавливателя, отсутствующий в прототипе. За выходным сечением нефтеулавливателя установлена приемная камера, отсутствующая в прототипе, цилиндрическая поверхность которой сопряжена с наружной, выпуклой боковой стенкой нефтеулавливателя. В приемной камере находится поплавковый приемник, имеющие в отличие от прототипа возможность свободно вращаться в горизонтальной плоскости относительно расположенного на его оси приемного патрубка, отводящего нефтеводяную смесь. Патрубок гибким шлангом соединен с нефтеотделительной цистерной, в которой в отличие от прототипа установлена в горизонтальной плоскости решетка, состоящая из вертикальных пластин. Волногаситель установлен внутри нефтеулавливателя за его входным сечением ниже поверхности воды. Он представляет собой плоскую пластину, наклоненную в сторону кормы так, что поперечные сечения нефтеулавливателя от поверхности воды до волногасителя имеют площадь, равную или превышающую площадь входного сечения нефтеулавливателя. Кроме того, в предлагаемом устройстве по бортам и в кормовой части размещены водонепроницаемые отсеки, объем которых ниже поверхности воды обеспечивает подъемную силу, равную общему весу устройства.

Перечисленная совокупность существенных признаков предлагаемого устройства обеспечивает при движении устройства по загрязненной поверхности утолщение нефтяной пленки по мере прохождения внутрь нефтеулавливателя и сдувания ее с поверхности в приемную камеру, где нефтеводная смесь вместе с воздухом начинает вращаться, обогащаясь в центральной части нефтью как более легкой фракцией, которая самотеком сливается в приемный патрубок и по гибкому шлангу в нефтеотделительную цистерну. В этой цистерне процесс отделения нефти от воды продолжается за счет разницы их плотностей, а обратному перемешиванию препятствует находящаяся в цистерне решетка из вертикальных пластин. В свою очередь, по стенкам приемной камеры в зазор по периферии поплавкового приемника стекает вода, из которой нефть отделилась к центру камеры, и вытесняет постепенно через нижнюю, сообщающуюся с забортным пространством, часть приемной камеры воду, из которой удалена практически вся нефть или другие более легкие, чем вода, загрязнители.

Вследствие изогнутости продольной оси канала нефтеулавливателя демпфируются вертикальные колебания водной поверхности на входе в приемную камеру, связанные с волнением. Превышение соотношения 100:1 ширины входного и выходного сечений обеспечивает эффективное сдувание пленки в приемную камеру, даже в наименее благоприятном для этого случае экстремально тонкой пленки порядка 0,01 мм. Как показали специальные экспериментальные исследования (Исаева Г. В. и Овсиенко С.Н. Распространение вязкой пленки на поверхности моря при ветровом дрейфе. Метеорология и гидрология, 1983, N 2, с.74-81), под действием воздушного потока пленка начинает двигаться по поверхности воды при толщине свыше 1,0 мм.

Волногаситель в предлагаемом устройстве обеспечивает гашение волновых колебаний поверхности воды в нефтеулавливателе за счет увеличения глубины слоя воды вдоль нефтеулавливателя (Сретенский Л.Н. Теория волновых движений. М. Наука, 1977, с.399-407). Кроме того, вдоль волногасителя отводится под днище основная часть воды, попадающей в нефтеулавливатель, кроме сдуваемой в приемную камеру. При этом благодаря тому, что площадь поперечных сечений канала вдоль оси нефтеулавливателя над волногасителем не меняется (или немного возрастает), водной массе не сообщается дополнительных значительных по величине возмущающих движений, которые могут привести к перемешиванию нефти с водой.

Последний из существенных признаков бортовые и кормовой водонепроницаемые отсеки обеспечивает самостоятельное поддержание устройства на плаву, что допускает его швартовку к борту и последующую буксировку в рабочем режиме любым самодвижущимся судном и позволяет включать устройство в состав различных комплексов для механической и химической очистки водной поверхности как автономное.

На фиг.1 показано устройство, вид с наружной (внешней по отношению к судну-буксировщику) стороны; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг.4 устройство при швартовке к судну-буксировщику, вид сверху.

Нефтеулавливатель 1 представляет собой канал коробчатой конструкции к изменяющимся вдоль продольной оси профилем поперечных сечений. Боковые поверхности его последовательно образованы двумя парами плоских пластин: параллельных 2 направлению движения и сходящихся 3 к корме, а также парой пластин 4, изогнутых по цилиндрической поверхности. Соответственно, осевая линия нефтеулавливателя 1 между пластинами 2 и 3 прямолинейна и совпадает с направлением движения, а между пластинами 4 искривлена по дуге окружности с центральным углом около 90^о. Сверху нефтеулавливатель 1 закрыт плоским листом, образующим палубу 5 устройства. Днищевую часть нефтеулавливателя образуют входная горизонтальная пластина 6 и волногаситель 7. Ширина в входного сечения нефтеулавливателя 1 более чем в 100 раз превышает ширину б выходного сечения, т.е. в/б > 100. Выходное сечение соответственно искривлению осевой линии повернуто перпендикулярно направлению движения. К передней части палубы 5 прикреплена защитная решетка 8, размер ячеек которой не превышает ширины выходного сечения нефтеулавливателя 1 для того, чтобы во внутренний канал не мог попасть твердый мусор, способный перекрыть выход из нефтеулавливателя 1 в приемную камеру 9. В случае необходимости очистки защитная решетка 8 поворотом вокруг оси 10 может подниматься на палубу 5 устройства.

Внутри нефтеулавливателя 1 установлен сопловой аппарат 11 щелевой формы. Струя воздуха, выходящая из сопла, направлена под небольшим углом к поверхности воды в то сечение нефтеулавливателя 1, которое расположено за нижней кормовой кромкой волногасителя 7. Приемная камера 9 имеет форму вертикального цилиндра и присоединяется к выходному сечению нефтеулавливателя так, что ее внутренняя поверхность плавно сопрягается с внутренней поверхностью наружной выпуклой боковой пластины 4 и имеет в этом месте прорезь ширины δ. Сверху камера закрыта крышкой 12, через которую проходит труба 13 для отвода в атмосферу воздуха, поступающего из нефтеулавливателя 1. В донной части приемная камера открыта и имеет в передней части не доходящий до поверхности воды паз 14 для размещения гибкого шланга 15, связывающего поплавковый приемник 16 с нефтеотделительной цистерной 17. Паз 14 имеет вертикальный размер, обеспечивающий свободное перемещение гибкого шланга 15 вслед за смещающимся вместе с водной поверхностью при волновых возмущениях поплавковым приемником 16. Поплавковый приемник 16 свободно плавает в приемной камере 9, немного возвышаясь над поверхностью воды, и имеет возможность свободно смещаться в вертикальном направлении и вращаться вокруг вертикальной оси. В центре поплавкового приемника 9 имеется вертикальное отверстие через которое проходит приемный патрубок 18, соединенный с гибким шлангом 15. Через патрубок и шланг 15 нефть попадает в нефтеотделительную цистерну 17. Нефтеотделительная цистерна 17 герметична. В ней горизонтально установлена разделительная решетка 19, составленная из плоских вертикальных пластин. Бортовые водонепроницаемые отсеки 20 расположены в передней части устройства. Их переборки образованы продолжением пластин 2, ограничивающих приемную часть нефтеулавливателя 1, наружными сторонами пластин 3, образующих прямолинейную сужающуюся часть нефтеулавливателя 1. Кормовые переборки отсеков образованы переборкой нефтеотделительной цистерны 17 и переборкой 21 правого борта устройства, отделяющего его от забортного пространства. Днище отсеков образуют пластины, являющиеся продолжением в бортовом направлении волногасителя 7. Кормовой водонепроницаемый отсек 22 находится между нефтеулавливателем 1 и кормовой переборкой нефтеотдельной цистерны 17. Все отсеки 20 и 22 открыты сверху, что позволяет размещать в них балласт для погружения устройства на конструктивную ватерлинию установки его без крена и дифферента.

Устройство для очистки поверхности воды от нефти работает следующим образом.

Перед началом работы устройство опускают на воду, посредством балластировки убирают крен и дифферент при заглублении по конструктивную ватерлинию и швартуют, используя находящееся на палубе швартовное устройство 23, к борту судна-буксировщика 24. На этом судне должны находиться насос 25 для откачки воды, насос 26 для откачки нефти в специальную емкость, установленную на судне-буксировщике, нагнетатель 27 воздуха. Это оборудование с помощью гибких шлангов 28 и рукавов 29 связывается с трубами 30 и 31 для отвода воды и нефти соответственно из нефтеотделительной цистерны 17 и коллектором 32 соплового аппарата 11. Если предлагаемое устройство имеет достаточно большие размеры, то перечисленное выше оборудование может быть смонтировано на его палубе, а с судна-буксировщика необходимо подвести лишь электропитание и подать на него шланг для перекачки нефти.

При движении судна-буксировщика по загрязненному нефтью участку поверхности водоема устройство надвигается на этот участок, при этом нефтяная пленка сквозь защитную решетку 8 попадает в нефтеулавливатель 1. Подповерхностные слои воды сдвигаются поступающими в нефтеулавливатель 1 новыми водными массами под днище устройства вдоль волногасителя 7, а поверхностный загрязненный слой сдувается в приемную камеру 9. Нефтеводяная смесь, входя в приемную камеру 9 в направлении по касательной к ее внутренней стенке, под действием струи воздуха, выходящего из соплового аппарата 11 в нефтеулавливатель 1 и попадающего в приемную камеру 9, имея высокую скорость, начинает вращаться вместе с поплавковым приемником 16, при этом более легкая фракция нефть собирается в центре, постепенно сливаясь в приемный патрубок 18 нефтеотводящей системы. Вода оттесняется в зазор между поплавковым приемником 16 и стенкой приемной камеры 9, где сепарация нефти за счет разности в удельном весе продолжается, нефть вновь попадает, всплывая, в пространство над поплавковым приемником 16. Вода, из которой нефть удалена, оттесняется новыми более легкими массами нефтеводяной смеси под днище. Воздух из полости приемной камеры 9 выводится через трубу 13 в атмосферу. Нефть с остатками воды самотеком сливается по гибкому шлангу 15 в нефтеотделительную цистерну 17, где разделение нефти и воды продолжается из-за различия их удельного веса. Обратному перемешиванию из-за качки и других возмущающих сил препятствует решетка 8, дробящая общую поверхность на отдельные мелкие участки. По мере накопления очищенная от воды нефть и отстоявшаяся на дне цистерны 17 вода с помощью насосов 26 и 25 перекачиваются на судно-буксировщик 24.

Повышение эффективности очистки водной поверхности от нефти в сравнении с прототипом в предлагаемом устройстве достигается за счет использования в приемной камере центробежных сил для отделения нефти от воды;
предотвращения перемешивания нефти и воды после их разделения в нефтеотделительной цистерне;
отделения в нефтеулавливателе с помощью струи воздуха поверхностной пленки, содержащей нефть, от нижележащих не загрязненных нефтью слоев и подачи поверхностных масс воды в приемную камеру, а нижележащих под днище;
отсутствия возможности пропуска сквозь устройство вслед за ним воды, содержащей нефтяные загрязнения.

Удобство в эксплуатации и надежность в работе обеспечиваются простотой конструкции предлагаемого устройства, в котором отсутствуют механические передачи и приводы, а также способностью устройства к самостоятельному поддержанию на плаву.

Расширение диапазона гидрометеоусловий по высоте ветровых волн, когда возможна эффективная эксплуатация устройства, обеспечивается как специальным волногасителем 7, так и искривлением на 90^о канала нефтеулавливателя 1, по которому содержащий нефть поверхностный слой подается в приемную камеру 9, и демпфирующим действием напора в струе воздуха, выходящего из соплового аппарата 11. По этой причине предельно допустимая высота волн определяется высотой надводной части приемного сечения нефтеулавливателя 1. Высота надводной части приемного сечения нефтеулавливателя 1 определяет внутренний воздушный объем самого нефтеулавливателя, с учетом которого выбирается производительность нагнетателя 27 воздуха, обеспечивающая скорость потока воздуха, необходимую для сдувания содержащей нефть поверхностной пленки в приемную камеру 9.

Использование: в судостроении для очистки морской поверхности. Сущность изобретения: эффективность очистки водной поверхности от нефти повышается за счет создания в приемной камере центробежных сил, а также отделения нефти с помощью струи воздуха. 4 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ НЕФТИ, включающее нефтеулавливатель с кормой и бортами, волногаситель и поплавковый приемник, отличающееся тем, что оно снабжено сопловым аппаратом, приемной камерой, поплавковым приемником, вертикальным патрубком, нефтеотделительной цистерной с гибким шлангом, решеткой из вертикальных пластин, водонепроницаемыми отсеками, при этом нефтеулавливатель выполнен в виде сужающегося с искривленной продольной осью канала, замкнутого сверху и с бортов и сообщающегося с заборным отсеком в днищевой части с соотношением ширины входного и выходного отверстий не менее чем 100 1, в котором размещен сопловый аппарат для нагнетания воздуха в направлении выхода из нефтеулавливателя, а приемная камера установлена за выходным отверстием, цилиндрическая поверхность которой сопряжена с наружной выпуклой боковой стенкой нефтеулавливателя, причем внутри приемной камеры размещен поплавковый приемник с вертикальным патрубком с возможностью вращения, соединенный посредством гибкого шланга с нефтеотделительной цистерной, внутри которой горизонтально закреплена решетка из вертикальных пластин, причем волногаситель выполнен из пластины, наклоненной в сторону кормы, и установлен за входным отверстием, при этом по бортам и в кормовой части нефтеулавливателя размещены водонепроницаемые отсеки.