УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАЛЕНИЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ Российский патент 1999 года по МПК E02B15/10 

Изобретение предназначено для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды при ликвидации разливов нефти при аварийных ситуациях, связанных с разрушением трубопроводов или судов, и может быть использовано в целях охраны окружающей среды.

Известно устройство для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды - трос-швабра, включающее бесконечный пояс, адсорбирующий нефть и изготовленный из полиуретановых прядей, протянутых через пряди несущего троса так, что они выступают из него в радиальном направлении по окружности в виде ворса, адсорбирующий пояс проходит между двумя вращающимися роликами, отжимающими нефть, сливающуюся в лоток, откуда нефть откачивается в резервуар (Д. Кормак. Борьба с загрязнением моря нефтью и химическими веществами. М.: Транспорт, 1989, с. 222 - 224). Недостатком данного устройства является низкая производительность по собираемой нефти и сложность перемещения из одной зоны загрязненной акватории длинных (более 30 м) нефтепоглощающих элементов.

Известно также устройство для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды, включающее частично затопленный барабан с поплавками по торцам барабана и примыкающую к барабану вакуумную приемную камеру с передней стенкой, выполненной в виде скребка (а.с. СССР N 1625952, МКИ 5 E 02 B 15/04, Морозов Г. И. и др. /Устройство для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды. БИ N 5, 1991). Недостатком данного устройства является низкая селективность сбора нефти, с которой в устройство засасывается преобладающее количество воды.

Известно также устройство для ударения нефти и нефтепродуктов с поверхности воды, включающее вращающийся барабан с гидрофобной поверхностью и прилегающую к нему систему для съема и сбора продукта (a.c. СССР N 1618836, МКИ 5 E 02 B 15/04, Караваев И.И. и др. /Устройство для удаления масла с поверхности воды. БИ N 1, 1991). Недостатком этого устройства является нерегулируемость его работы в условиях изменяющейся толщины нефтяной пленки и существенное влияние температуры окружающей среды на производительность устройства, так как при его эксплуатации в жаркое летнее время года снижение вязкости собираемого продукта приводит к уменьшению производительности устройства в связи со снижением вязкости и ухудшением адгезии нефтепродукта по отношению к поверхности барабана.

Целью изобретения является стабилизация производительности устройства для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды, обеспечение оптимальных условий его работы, повышение селективности нефтесбора и уровня автономности работы устройства в целом.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды, включающем несущую раму, вращающийся барабан, отжимной ролик, трубопровод для отвода собранной нефти и поплавки, согласно изобретению на несущей раме расположены дополнительно электродвигатель, многоскоростной редуктор с рычагом регулирования числа оборотов и лоток для сбора и отвода сжатой нефти, вращающийся барабан снабжен расположенной на обечайке оболочкой из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала, отжимной ролик размещен на вспомогательной раме, сообщающейся с несущей рамой через регулируемую поджимную систему, трубопровод для отвода собранной нефти соединен одним концом с лотком для сбора и отвода нефти, а другим концом с дополнительной емкостью для хранения собранной нефти, несущая рама снабжена штангами с фиксаторами, сообщающимися с поплавками.

Использование оболочки из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала позволяет в совокупности с отжимным роликом обеспечить селективное поглощение нефти с водной поверхности с последующим ее отжимом, что позволяет одновременно регенерировать нефтепоглощающую оболочку и отводить в емкость для хранения собранной нефти через лоток и трубопровод необводненную нефть.

Наличие по концам обечайки вращающегося барабана выступов позволяет фиксировать на поверхности барабана оболочку из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала, повышая этим надежность работы устройства.

Оболочка из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала может быть выполнена трехслойной, причем наружный и прилегающий к вращающемуся барабану внутренний слои оболочки выполнены из ткани редкого плетения повышенной прочности, что повышает срок службы оболочки, а центральный слой выполнен из отходов производства растительного происхождения, что снижает стоимость устройства.

Центральный слой оболочки из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала выполняется из хлопкосодержащих отходов прядильного производства, имеющих повышенный уровень нефтепоглощения, что увеличивает производительность устройства.

Толщина оболочки из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала в 2 - 3 раза превышает толщину слоя собираемой нефти, так как при малой толщине оболочки уменьшается производительность устройства по собираемой нефти, а при большой толщине оболочка не пропитывается полностью и потенциал нефтесбора не реализуется в полном объеме.

Устройство снабжено набором съемных оболочек из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала различной толщины, что обеспечивает возможность оптимальной работы устройства при удалении с поверхности воды в различных условиях нефтяных разливов пленок нефти различной толщины.

Число оборотов многоскоростного редуктора n при полном погружении оболочки из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала толщиной h в слой нефти на поверхности воды определяется по уравнению
n = {arctg[2((D + h)h)^1/2/D}/K,
где
D - диаметр вращающегося барабана;
K - обобщенная константа, характеризующая оптимальную работу устройства при условных стандартных параметрах, что позволяет рассчитывать оптимальную величину n для устройства конкретного типоразмера.

Число оборотов многоскоростного редуктора n при частичном погружении оболочки из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала толщиной h в пленку нефти на поверхности воды толщиной h_н определяется по уравнению
n = {arctg[2((D + h)h)^1/2/D - arctg[2((D + h + h_н)(h - h_н)^1/2/(D + 2h_н)} /K
где
D - диаметр вращающегося барабана;
K - обобщенная константа, характеризующая оптимальную работу устройства при условных стандартных параметрах, что позволяет рассчитывать оптимальную величину n при изменении толщины пленки нефти на поверхности воды в процессе нефтесбора. Чем тоньше нефтяная пленка, тем ниже должно быть число оборотов барабана. Оставление числа оборотов неизменным по мере утоньшения нефтяной пленки приводит к повышению энергозатрат на нефтесбор и снижению селективности нефтесбора.

Необходимо, чтобы лоток для сбора и отвода отжатой нефти имел угол уклона от горизонтальной плоскости, не превышающий arctg[(D - d)/(2L)], где D и d - соответственно диаметры вращающегося барабана и отжимного ролика, L - длина образующей вращающегося барабана, так как превышение угла уклона приводит к сложностям конструктивного характера, а чрезмерное занижение приводит к затруднению отвода из лотка отжимаемой нефти, что ограничивает производительность устройства.

Для эффективной работы оболочки из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала необходимо, чтобы несущая рама сообщалась с поплавками штангами с фиксаторами таким образом, чтобы вращающийся барабан касался поверхности воды, покрытой слоем нефти, что позволяет в полном объеме использовать потенциал нефтепоглощения оболочки.

Вспомогательная рама может фиксироваться на несущей раме при помощи штифтов, входящих в пазы несущей рамы, что сохраняет одну степень свободы для вспомогательной рамы, обеспечивая возможность ее горизонтального перемещения и повышая надежность устройства в целом при попадании между вращающимся барабаном с оболочкой и отжимным валком твердых предметов.

Несущая рама крепится тросом к якорю или плавающему средству, что позволяет размещать устройство в эпицентре зоны разлива нефти с максимальной толщиной нефтяной пленки, что повышает производительность устройства.

Устройство оборудовано электродвигателем, имеющим взрывозащищенное исполнение, что повышает надежность устройства.

Соединение электродвигателя кабелем с внешним источником питания повышает уровень автономности устройства.

Регулируемая поджимная система состоит из шпилек, комплекта пружин различной упругости и гаек, что позволяет быстро регулировать положение и силу давления отжимного ролика на оболочку из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала.

На фиг. 1 изображено устройство для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды, общий вид сверху, на фиг.2 изображен разрез А-А на фиг.1.

Устройство для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды состоит из несущей рамы 1, вращающегося барабана 2, отжимного ролика 3, трубопровода 4 для отвода собранной нефти, поплавков 5, 18, электродвигателя 6, многоскоростного редуктора 7 с рычагом регулирования числа оборотов 8, лотка 9 для сбора и отвода отжатой нефти. На обечайке 10 вращающегося барабана 2 между выступами 11 находится оболочка 12 из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала, состоящая из внешних упрочняющих оболочку 12 слоев 13 и внутреннего нефтепоглощающего слоя 14. Отжимной ролик 3 размещен на вспомогательной раме 15, сообщающейся с несущей рамой 1 через регулируемую поджимную систему 16, трубопровод 4 для отвода собранной нефти сообщается одним концом с лотком 9 для сбора и отвода отжатой нефти, а другим концом с дополнительной емкостью 17 для хранения собранной нефти, несущая рама 1 сообщается с поплавками 5 штангами 19 с фиксаторами 20. Вспомогательная рама 15 фиксируется на несущей раме 1 при помощи штифтов 21, входящих в пазы 22 несущей рамы 1. Несущая рама 1 крепится тросом 23 к якорю 24 или плавающему средству (не показано). Электродвигатель 6 соединен кабелем 25 с внешним источником питания 26, размещаемым на берегу или плавсредстве (не показано). Регулируемая поджимная система 16 состоит из шпилек 27, комплекта пружин 28 различной упругости и гаек 29.

Устройство для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды работает следующим образом. При обнаружении разлива нефти устройство доставляется к месту разлива и при помощи кабеля 25 присоединяется к источнику электропитания (например, передвижному генератору). На барабан 2 надевается оболочка 12 из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала толщиной, соответствующей толщине пленки нефти на месте ликвидации разлива. Регулируется положение отжимного ролика 3 при помощи поджимной системы 16 за счет установки пружины 28 нужной упругости. Многоскоростной редуктор 7 при помощи рычага регулирования числа оборотов 8 устанавливается в положение, обеспечивающее оптимальное число оборотов барабана 2. Устройство спускается на воду. Регулируется положение несущей рамы 1, сообщаемой с поплавками 5 штангами 19 при помощи фиксаторов 20 таким образом, чтобы барабан 2 касался поверхности воды. Устройство перемещается в эпицентр нефтяного разлива. Несущая рама 1 крепится тросом 23 к якорю 24 или плавающему средству (не показано). После подачи напряжения на электродвигатель 6 устройство начинает собирать нефть, которая селективно впитывается в оболочку 12 из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала, удерживаясь ее внутренним нефтепоглощающим слоем 14. Отжимной ролик 3 отжимает нефть из оболочки 12, поступающую далее в лоток 9 для сбора и отвода отжатой нефти, откуда по трубопроводу 4 перемещается в дополнительную емкость 17 для хранения собранной нефти. В ходе сбора нефти по мере уменьшения толщины пленки нефти периодически уменьшают число оборотов вращающегося барабана 2 за счет того, что многоскоростной редуктор 7 при помощи рычага регулирования числа оборотов 8 устанавливается в положение, обеспечивающее оптимальное число оборотов для сохранения высокой селективности нефтесбора.

Пример. Был изготовлен в натуральную величину и испытан образец устройства для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды. При испытаниях использовали высокопарафинистую Челнинскую нефть (образец N 1), Арлано-Чекмагушскую нефть (образец N 2), Западно-Сибирскую нефть УБКУА (образец N 3). Испытания проводились в корыте размером 2 • 3.3 м, в которое заливались испытуемые образцы нефти.

Испытания устройства на образце высоковязкой нефти N 1 показали, что оно хорошо собирает нефть, его производительность при 5 об/мин превышает 2 л/мин (120 л/ч).

Основные испытания устройства выполнены на образце менее вязкой нефти N 2, количество нефти, залитой в корыто, 150 л. Производительность устройства ≈ 1.8 л/мин, или 108 л/ч, при толщине нефтяной пленки около 2 см, селективность нефтесбора - 100% (воды в отобранной нефти не замечено). В ходе зачистки водной поверхности за 1 ч 15 мин отобрано около 115 л нефти (совокупно за испытание). После 1 ч 45 мин работы устройства на поверхности нефтяного слоя появились разводья, в периодически отбираемых пробах нефти воды практически не отмечено, селективность нефтесбора около 100%. Через 2 ч 15 мин эксперимент прекратили, площадь разводий превысила 80%.

Проведена оценка эффективности работы устройства при тонкой исходной пленке нефти при заливе в корыто 40 л нефти средней вязкости (образец N 3) (толщина пленки нефти около 6 мм) за 12 мин на поверхности воды остались отдельные пятна нефти на фоне больших разводий, покрытых радужной пленкой. Производительность устройства по нефтесбору около 180 л/ч.

Промышленная применимость устройства для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды обеспечивается простотой конструкции устройства, возможностью его изготовления на любом предприятии, имеющем механический цех, и экспериментально доказанной работоспособностью устройства.

Положительный эффект изобретения заключается в совмещении процессов удаления нефти с поверхности и сбора ее для дальнейшего использования в народном хозяйстве.

Экономическая эффективность изобретения заключается прежде всего в недопущении экономического ущерба, наносимого аварийными разливами нефти и нефтепродуктов, окружающей среде. Экономический ущерб, наносимый окружающей среде при разливе 1 т нефти, - 32 млн. руб. (в ценах 1996 г.). Одно устройство ориентировочной стоимостью 10 млн. руб. способно собрать за световой день (12 ч работы) более 2 т нефти. При ликвидации аварийного разлива мощностью 10 т нефти одно устройство в течение 5 суток обеспечит необходимый нефтесбор; таким образом, ожидаемый экономический эффект от применения заявляемого изобретения составит (без учета стоимости возвращаемой в народное хозяйство нефти) даже при разовом использовании устройства (например, в труднодоступной местности)
32 • 10 - 10 = 188 млн. руб.,
и заявляемое изобретение самоокупается практически за 2 ч работы.

Изобретение может быть использовано многократно, потребность народного хозяйства в нем - около тысячи единиц.

Изобретение предназначено для ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов с поверхности водоемов и рек со сбором разлитой нефти и может быть использовано для охраны окружающей среды. Устройство для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды состоит из несущей рамы, вращающегося барабана, отжимного ролика, трубопровода для отвода собранной нефти и поплавков. На несущей раме расположены электродвигатель, многоскоростной редуктор с рычагом регулирования числа оборотов и лоток для сбора и отвода отжатой нефти. Вращающийся барабан снабжен расположенной на обечайке оболочкой из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала. Отжимной ролик размещен на вспомогательной раме, сообщающейся с несущей рамой через регулируемую поджимную систему. Трубопровод для отвода собранной нефти соединен одним концом с лотком для сбора и отвода отжатой нефти, а другим концом - с дополнительной емкостью для хранения собранной нефти. Несущая рама сообщена с поплавками штангами с фиксаторами. Такая конструкция устройства обеспечивает его автономную работу со стабильной производительностью в условиях изменяющихся толщины нефтяной пленки на поверхности воды и температуры окружающей среды. 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды, включающее несущую раму, вращающийся барабан, отжимной ролик, трубопровод для отвода собранной нефти и поплавки, отличающееся тем, что на несущей раме расположены дополнительно электродвигатель, многоскоростной редуктор с рычагом регулирования числа оборотов и лоток для сбора и отвода отжатой нефти, вращающийся барабан снабжен расположенной на обечайке оболочкой из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала, отжимной ролик размещен на вспомогательной раме, сообщающейся с несущей рамой через регулируемую поджимную систему, трубопровод для отвода собранной нефти соединен одним концом с лотком для сбора и отвода отжатой нефти, а другим концом - с дополнительной емкостью для хранения собранной нефти, несущая рама снабжена штангами с фиксаторами, сообщающимися с поплавками. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на обечайке вращающегося барабана выполнены по концам выступы. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оболочка из олеофильного и гидрофобного легкотжимаемого материала выполнена трехслойной, причем наружный и прилегающий к вращающемуся барабану внутренний слои оболочки выполнены из ткани редкого плетения повышенной проточности, а центральный слой выполнен из отходов производства растительного происхождения. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что центральный слой оболочки из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала выполнен из хлопкосодержащих отходов прядильного производства. 5. Устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что толщина оболочки из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала в 2 - 3 раза превышает толщину слоя собираемой нефти. 6. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что оно снабжено набором съемных оболочек из олеофильного и гидрофобного легкотжимаемого материала различной толщины. 7. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что число оборотов многоскоростного редуктора n при полном погружении оболочки из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала толщиной h в слой нефти на поверхности воды определяется по уравнению
n ={arctg[2((D+h)h)^1/2/D}/K,
где D - диаметр вращающегося барабана;
K - обобщенная константа, характеризующая оптимальную работу устройства при условных стандартных параметрах. 8. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что число оборотов многоскоростного редуктора n при частичном погружении оболочки из олеофильного и гидрофобного легкоотжимаемого материала толщиной h в пленку нефти на поверхности воды толщиной h_н определяется по уравнению
n ={arctg[2((D+h)h)^1/2/D-arctg[2((D+h+h_н)(h-h_н))^1/2/D+2h_н)}/K,
где D - диаметр вращающегося барабана;
K - обобщенная константа, характеризующая оптимальную работу устройства при условных стандартных параметрах. 9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что лоток для сбора и отвода отжатой нефти имеет угол уклона от горизонтальной плоскости, не превышающий
arctg[(D-d)/(2L)],
где D и d - соответственно диаметры вращающегося барабана и отжимного ролика;
L - длина образующей вращающегося барабана. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что несущая рама снабжена штангами с фиксаторами, сообщающимися с поплавками таким образом, что вращающийся барабан касается поверхности воды, покрытой слоем нефти. 11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вспомогательная рама установлена на несущей раме с возможностью перемещения при помощи штифтов, входящих в пазы несущей рамы. 12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что несущая рама прикреплена тросом к якорю или плавающему средству. 13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электродвигатель имеет взрывозащищенное исполнение. 14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электродвигатель соединен кабелем с внешним источником питания. 15. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что регулируемая поджимная система состоит из шпилек, комплекта пружин различной упругости и гаек.